Titel: Tresca, über Jobin's entlastete Schieberventile.
Autor: Tresca,
Fundstelle: 1859, Band 151, Nr. I. (S. 1–8)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj151/ar151001

I. Ueber entlastete oder ins Gleichgewicht gesetzte Schiebersteuerungen, insbesondere die Schieberventile des Hrn. Jobin; Bericht von Hrn. Tresca.

Aus dem Bulletin de la Société d'Encouragement, August 1858, S. 535.

Mit Abbildungen auf Tab. I.

Um an seiner Dampfmaschine nichts unvollkommen zu lassen, berücksichtigte Watt gleich Anfangs die Uebelstände, welche der Dampfdruck auf die Schieberventile mit sich bringt, und er construirte niemals andere als entlastete Schieberventile. Der Dampf gelangte bei ihm in eine Schieberbüchse, welche die ganze Länge des Cylinders hatte, ging durch die Eintrittsöffnungen, und begab sich beim Austritte aus dem Cylinder in die Enden der Schieberbüchse, welche beständig unter sich selbst und mit dem Condensator in Verbindung waren. Die Röhre, welche die Verbindung zwischen den beiden Schieberkastenenden herstellte, lag deßhalb im frischen Dampfe, und war mit dem in den Condensator abziehenden Dampfe gefüllt. Der Dampfdruck, welcher gleichzeitig auf alle Schieberflächen stattfand, setzte sich von selbst ins Gleichgewicht, und zwar sowohl im Innern, als auch auf der Außenseite des Schiebers. Die Verbindungen zwischen den drei Abtheilungen des Schieberkastens waren einerseits durch halbcylindrische Verpackungen, andererseits durch die eigentliche Schieberbahn unterbrochen.

Ohne mit Bestimmtheit die Gründe angeben zu können, welche spätere Constructeure veranlaßten, die Schiebersteuerung auf die Mitte des Cylinders, statt wie früher an seine Enden zu verlegen, kann man doch behaupten, daß diese Anordnung das Gute für sich hat, eine zu lange Berührung des frischen Dampfes mit der den abziehenden Dampf enthaltenden Röhre zu vermeiden, und folglich die durch diese Berührung veranlaßte Condensation zu verringern. Da hierbei der Zutritt des Dampfes an den Enden des Schieberkastens stattfand, so erachtete man es für Maschinen von mittlerem Drucke für bequemer, die Eintrittsöffnungen |2| durch einen hohlen Schieber zu bedecken, welcher bei allen jetzigen Maschinen die eigentliche Steuerung bildet, und den Dampf frei in den Schieberkasten treten zu lassen, so daß er auf die Rückseite des hohlen Schiebers drückt.

Die Schieberbüchse von Watt bestand aus drei, durch Liederungen von einander getrennten Räumen, die in einer Reihe, parallel zur Cylinderachse, über einander lagen, oder in der Richtung der Schieberbewegung sich an einander anschlossen. Die heutzutage gebräuchlichste Schieberbüchse besteht aus zwei Kammern, welche über den Eintrittsöffnungen liegen, und nur durch die reibende Fläche des Schiebers selbst getrennt sind. Diese sehr einfache Anordnung, welche in Bezug auf die Abkühlung des Dampfes von Vortheil ist, bot keinen ernstlichen Uebelstand bar, so lange sie an kleineren Maschinen angewandt wurde, die mit mäßigem Drucke arbeiten, denn bei solchen greifen die Schieberränder nur wenig über, und der Weg welchen der Schieber zu machen hat, ist folglich kein großer.

So lange die kräftigen Maschinen größtentheils Niederdruckmaschinen waren, bekümmerte man sich sehr wenig um den bei den übrigen, gewöhnlich nur schwachen Maschinen, vorkommenden unnöthigen Krastverbrauch in Folge des Dampfdrucks auf den Schieber. Auch waren lange Zeit über die Versuche, entlastete Schieber herzustellen, wenig zahlreich; wir müssen jedoch hier der Steuerung der ersten Maschine von Taylor und Martineau erwähnen, bei welcher bewegliche Kolben in einer cylindrischen Schieberbüchse angebracht waren.

In den letzten zwanzig Jahren, überhaupt seit der Entwickelung der Eisenbahnen, steigerte man allmählich den wirksamen Dampfdruck von 2 auf 8 Atmosphären; um auf einfache Weise durch einen einzigen Schieber eine variable Expansion zu erzielen, wurden die Schieberränder bedeutend größer gemacht, und ebenso der Schieberhub. Da der Dampfdruck auf den Schieber und auch der Schieberweg größer wurde, so nahm bei kräftigen Maschinen die Steuerung einen namhaften Theil der Kraft oder Arbeit weg, und das System der entlasteten Schieberventile erhielt ein erhöhtes Interesse; es werden daher auch fortwährend Vorrichtungen zu diesem Zwecke in Vorschlag gebracht; von den neuesten erwähnen wir nur die Cylindersteuerung mit Metallliederung, ferner die zwischen zwei parallelen Ebenen verschiebbaren Platten, endlich die Schieber welche dadurch entlastet werden, daß der Dampf auf einen dem Schieber gegenüberliegenden Kolben wirkt, der durch ein Gelenk mit dem Schieber verbunden ist.

Die kräftigen Locomotiven von Engerth haben jetzt alle entlastete Schieberventile. Hr. Jobin schätzt den durch den Dampfdruck auf die |3| Schieber verursachten Kraftverlust bei einer Locomotive von Crampton, welche 180 Umdrehungen in der Minute macht, auf ungefähr zwanzig Pferdekräfte; diese Geschwindigkeit wird allerdings von sehr rasch gehenden Maschinen erreicht; wenn wir aber alle in Betracht kommenden Elemente berücksichtigen, so können wir diesen Verlust doch nicht höher als auf 10 bis 12 Pferdekräfte anschlagen.

Der Dampfdruck auf einen Schieber, dessen Fläche 0,285 × 0,360 oder 1026 Quadratcentimeter beträgt, muß bei einer mit 8 Atmosphären betriebenen Locomotive 1026 × 1,033 × 8 = 8478 Kilogramme betragen. Es setzt also jeder Schieber seiner Bewegung denselben Widerstand entgegen, als wenn er mit 8500 Kilogrammen belastet wäre, und zwei gleichzeitig gleitende Schieber bieten einen Widerstand von 17000 Kilogr. dar. Da der Reibungscoefficient für geölte Flächen, Gußeisen auf Gußeisen, nicht kleiner als 0,15 angenommen werden kann, so beträgt die zur Bewegung der Schieber auszuübende Kraft 0,15 × 17000 oder 2250 Kilogr. Da aber der Schieber die Eintrittsöffnungen nicht immer bedeckt, auch bei der gewöhnlich getroffenen Anordnung in den meisten Schieberlagen Dampf unter einen Theil der Schieberplatte gelangen kann, endlich unter dem Schieber ein Gegendruck stattfindet, so ist die zur Bewegung des Schiebers erforderliche Kraft nicht constant, und ihr mittlerer Werth kann in Berücksichtigung der genannten Umstände zu 1800 Kilogrammen angenommen werden. Der von diesem Widerstande zurückgelegte Weg beträgt für jeden Hub wenigstens 0,08 Meter, was für drei Umdrehungen in einer Secunde 60 × 0,08 Met. = 0,48 Met. ergibt, daher die verbrauchte Arbeit in einer Secunde 1800 × 0,48 = 864 Kilogrammmeter seyn wird, entsprechend einem Verluste von ungefähr 12 Pferdekräften.

Dieser verhältnißmäßig sehr große Kraftverlust ist jedoch nicht der kleinste von den Nachtheilen, welche der Dampfdruck auf die gewöhnlichen Schieberventile veranlaßt; sein Einfluß wird besonders dann fühlbar, wenn die Richtung der Bewegung umgekehrt werden soll. Bekanntlich muß der Locomotivführer, während er den Steuerungshebel in Bewegung setzt, die Schieberventile so verrücken, daß ihre Stellung die entgegengesetzte wird, und dieß soll, besonders im Falle von Gefahr, rasch geschehen können. Zum vollständigen Rückwärtssteuern hat das Ende des Steuerhebels bei einer Crampton'schen Maschine einen Weg von 1,5 Met. zu machen; da nun der mittlere Widerstand 1800 Kilogramme und der durchlaufene Weg des Schiebers 0,08 Met. beträgt, so ist der Widerstand am Hebelende (1800 × 0,08)/1,5 = 96 Kilogr. Das Umsteuern selbst erfordert somit eine Totalarbeit von 1800 × 0,08 = 144 Kilogrammmetern.

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Um die Locomotive rückwärts gehend zu machen, muß also der Maschinist in Folge des Dampfdruckes auf die Schieber eine Kraft von 96 Kilogrammen ausüben, und eine Arbeit von 144 Kilogrammmetern verrichten. Diese Zahlen zeigen deutlich genug, wie schwer die Handhabung der Steuerung und warum es unmöglich ist, sie mit derjenigen Raschheit vorzunehmen, welche unglückliche Umstände erfordern können. Selbst dadurch, daß der Maschinist den Heizer zu Hülfe ruft, ist der Uebelstand nicht gehoben. Allerdings können durch vorläufiges Schließen der Admissionsöffnung die Schieberventile plötzlich entlastet werden, aber selbst der Zeitverlust, welchen diese erste Operation erfordert, kann von den unglücklichsten Folgen seyn.

Aus den oben angeführten Zahlen ersieht man die Wichtigkeit der entlasteten Schieber für Locomotiven, sowohl um einen großen Kraftverlust während des regelmäßigen Ganges der Maschine zu vermeiden, als auch um Unglücksfällen vorbeugen zu können.

Hr. Jobin hat sein System entlasteter Schieberventile unter verschiedenen Formen an drei Locomotiven der Ostbahn angebracht; im Princip ist sein System der Schiebersteuerung von Watt sehr ähnlich, nur findet bei demselben der Eintritt des Dampfes an den Enden, der Austritt dagegen in der Mitte statt. Die zwei äußeren Räume der Dampfbüchse sind durch einen cylindrischen Canal mit einander in Verbindung, welcher der Länge nach durch den eigentlichen Schieber geht; die Absperrung der beiden äußeren Räume von dem mittleren Raume geschieht durch die reibenden Flächen des Schiebers selbst, an welche sich die Wände der Dampfbüchse dicht anlegen. Bei den Maschinen von Watt wird diese Absperrung durch eine Hanfliederung hervorgebracht, welche sich an die halbcylindrische Form des Dampfschiebers anschmiegt; bei der gegenwärtigen Anordnung ist sie die Folge des Anschlusses der festen Dampfkastenwände an die beweglichen Schieberränder, deren Form im Allgemeinen die eines dreiseitigen Prismas mit gleichseitigem Querschnitte ist.

Jobin's Anordnung hat demnach zweierlei Eigenthümlichkeiten: 1) ist bei derselben keine Liederung oder Verpackung angebracht, sondern es reibt sich bei Hochdruckmaschinen Metall auf Metall; 2) ist der bewegliche Theil der Steuerung, nämlich der Schieber selbst, dreiseitig.

Die Entbehrlichkeit einer elastischen Liederung oder Garnitur betreffend, hat die Erfahrung von mehreren Monaten gezeigt, daß dieselbe möglich ist, da die von Jobin für die Ostbahn ausgeführten Schieber sich während fünf-, sechs- und achtmonatlicher Arbeit ausgezeichnet gut erhalten haben. Dieser Umstand ist um so bemerkenswerther, als die gewöhnlichen |5| Schieber weit entfernt sind, diese Dauer beim angestrengten Dienste zu bekunden.

Die Querschnittsform der neuen Schieber scheint Jobin gewählt zu haben, um keine anderen als ebene, genau gehobelte Flächen anzuwenden, und nur die Erfahrung könnte uns belehren, ob das nämliche System, auf einem halbcylindrischen Querschnitt angewandt, dieselben Vortheile bieten würde. Jedenfalls gestattet die ausschließliche Anwendung von ebenen Flächen den Grad des Anschließens leichter zu reguliren und folglich die Abnützung zu vermeiden, welche die unvermeidliche Folge von zu sattem Gange oder eines zu festen Anschlusses ist.

Das Schieberventil von Watt war, wie dasjenige von Jobin, in Bezug auf den rings um dasselbe stattfindenden Dampfdruck sowohl im Innern als auf der Außenseite ins Gleichgewicht gesetzt. Dieses Gleichgewichtsverhältniß fand aber in Bezug auf die Eintrittsöffnungen nicht statt, da kein Gegendruck vorhanden war, weßhalb die Liederung diesen Druck, und zwar von Innen nach Außen erfuhr. Jobin hat diese Gleichgewichtsstörung ebenfalls, und zwar auf eine sehr einfache Weise vermieden. Er brachte nämlich im Innern des Schieberkastens an der Stelle der Einströmungsöffnung eine Nuth an, die sich rings um denselben erstreckt; diese Nuth ist beständig mit den Eintrittsöffnungen in Verbindung, weil letztere etwas breiter als der Schieber selbst sind, und die Folge davon ist, daß der Dampfdruck sich stets, selbst während der Absperrung oder Expansion, das Gleichgewicht hält.

Wir sahen Jobin's Schieber an der Crampton'schen Locomotive Nr. 89 der Ostbahn in Function; der Maschinist ist mit denselben sehr zufrieden, und wir können selbst bestätigen, daß jede Handhabung der Steuerung außerordentlich erleichtert ist. Daß bei der geringen bewegenden Kraft, welche die neuen Schieber erheischen, eine Brennmaterialersparniß stattfinden muß, ist einleuchtend; eine solche wurde überdieß durch den Maschinenführer bestätigt, und wir bedauern nur, bisher nicht Zeit genug gehabt zu haben, bei der Administration der Ostbahn officielle Erkundigungen darüber einzuziehen, behalten uns jedoch vor, später hierüber Mittheilung zu machen.

Es könnte die Befürchtung geäußert werden, daß, da die Schieber, wie in festen Führungen gehalten, sich beständig an die Eintrittsöffnungen dicht anlegen, unter gewissen Umständen Brüche veranlaßt würden; wie man leicht einsieht, ist nämlich das Aufheben oder Nachgeben der Schieber jedesmal erforderlich, wenn man vergessen hat die Cylinder auszublasen, weil sonst das condensirte Wasser, da es nicht aus den Oeffnungen entweichen könnte, die Cylinderdeckel zersprengen würde, sobald der Kolben |6| in seine äußersten Lagen gekommen ist. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß kein derartiger Uebelstand vorkam, und es ist ein solcher bei den Locomotiven weniger als bei jeder anderen Maschine zu befürchten, weil die Temperatur eine höhere ist und die Cylinder sehr häufig ausgeblasen werden. Ueberdieß wäre dem Eintreten dieses Umstandes leicht zu begegnen, indem man, wie dieß Watt bei seinen ersten Maschinen that, an den Cylinderdeckeln Sicherheitsventile anbrächte.

Wir bemerken schließlich noch, daß die Entlastung der Schieber dem Constructeur gestattet, die Eintrittsöffnungen weiter von einander zu entfernen, folglich den schädlichen Raum zu verkleinern und den vorhandenen Dampf besser auszunützen.

Beschreibung der Abbildungen.

Fig. 1, 3 und 5 stellen Längendurchschnitte in der Richtung der Schieberachse, Fig. 2, 4 und 6 Querdurchschnitte senkrecht zur Achse, von drei verschieden geformten Jobin'schen Steuerungsschiebern mit ihren Dampfkasten dar. Die Querschnitte 2 und 6 sind nach gebrochenen Linien genommen.

Prismatischer Schieber mit quadratischem Querschnitte, Fig. 1 und 2. – Er besteht aus zwei quadratischen, hohlen Prismen T, T', welche durch eine Röhre t mit einander verbunden sind und so in der Dampfbüchse liegen, daß sie mit zwei Seiten auf der untern Büchsenhälfte gleiten.

R ist die Schieberstange; sie geht der Länge nach durch den ganzen Schieber hindurch, und ist in der Mitte des einen Prismas befestigt. F ist die untere Hälfte des Schieberkastens und bildet die Bahn, auf welcher der Schieber gleitet. Durch die Einströmungsöffnungen L, L welche in der Schieberbahn F, F angebracht sind, gelangt der Dampf abwechslungsweise in den Cylinder M. Der Deckel oder die obere Hälfte des Schieberkastens ist mit S, S bezeichnet.

Deckel und Untertheil des Kastens liegen nach der Ebene J, J an einander an; sie bilden mit einander die Hülse, in welcher der Schieber geführt wird, und sind durch Schrauben mit einander verbunden, die allmählich so fest angezogen werden, daß sich der Schieber nicht mehr zu leicht von Hand bewegen läßt.

Durch die Röhre I tritt der Dampf ein, und nimmt durch die mit E bezeichnete Röhre seinen Ausweg.

C ist eine Erweiterung im Innern der Dampfbüchse, und zwar an der Stelle, wo sich der cylindrische Theil des Schiebers befindet; sie steht |7| mit der Ausströmungsröhre in Verbindung und der Dampf gelangt in dieselbe, nachdem er seine Wirkung gethan hat, aus dem Cylinder durch die eine oder andere der Oeffnungen L, L. In Folge dieser Anordnung ist der Schieber zwischen den beiden Prismen ins Gleichgewicht gesetzt, da der Dampf ihn vollständig umgibt.

Andererseits erfüllt der bei I vom Kessel kommende Dampf die beiden Dampfbüchsenräume A und B beständig, da dieselben immer durch den hohlen Schieber mit einander in Verbindung stehen; der Druck, welcher auf die beiden Endflächen des Schiebers stattfindet, hält sich daher auch beständig das Gleichgewicht und der Eintritt in den Cylinder geschieht durch die gerade offenstehende Einströmungsöffnung L.

Was nun den senkrecht zur Schieberachse ausgeübten Dampfdruck anbelangt, so ist derselbe auf folgende Weise ins Gleichgewicht gesetzt: so oft als eine Einströmungsöffnung unbedeckt ist, liegt der prismatische Theil des Schiebers ringsum an den Büchsenwänden an, so weit er nämlich außer dem Bereiche der Einströmungsöffnung ist; es findet also hier directe Berührung der Metalle statt und es ist daher kein Dampfdruck auszugleichen. Um aber auch das Gleichgewicht des Druckes zu erhalten, wenn die Prismen die Einströmungsöffnungen bedecken, sind zwei Erweiterungen oder Nuthen l, l, welche mit den Einströmungsöffnungen zusammenhängen, im Innern des Dampfkastens angebracht und gestatten dem Dampf an dieser Stelle den ganzen Schieber zu umgeben, daher das Gleichgewicht des Druckes senkrecht auf die Schieberachse vollkommen ist.

Prismatisches Schieberventil mit dreieckigem Querschnitte, Fig. 3 u. 4. – Diese Anordnung unterscheidet sich von der vorhergehenden nur dadurch, daß die vierseitigen Prismen durch dreiseitige ersetzt sind, die mit ihrer einen Seite auf der ebenen Schieberbahn gleiten, und daß die Dampfausströmungsöffnung E unten statt oben angebracht ist. Im übrigen ist die Einrichtung dieselbe und das Gleichgewicht des Dampfdruckes ist ganz auf die nämliche Weise hergestellt. Zum leichtern Verständniß wurden dieselben Gegenstände mit denselben Buchstaben bezeichnet.

Abgeändertes, gewöhnliches Schieberventil, Fig. 5 und 6. – Bei diesem ist der gewöhnliche Muschelschieber beibehalten, und die Abänderungen, welche der Erfinder anbrachte, um genau dieselben Resultate zu erreichen, wie bei den zwei vorhergehenden, sind folgende:

Der Schieber ist, wie man aus den Figuren ersieht, mit einem besondern Dache überdeckt, durch welches er wieder in ein dreiseitiges Prisma T, T' umgewandelt ist. Ein Deckel oder ein Gehäuse S, S von derselben |8| Länge bedeckt das Prisma und wird an der Schieberbahn F, F durch Winkelleisten festgehalten, die jede Seitenbewegung unmöglich machen. Der Deckel H, H bedeckt das Ganze, und der dichte Verschluß wird mittelst der Stellschrauben P, P erzielt.

In Folge dieser Anordnung sind die Räume A und B wie bei den vorhergehenden Schiebern in Verbindung, und der Schieber ist in Bezug auf seine Längenrichtung entlastet. Ueber den Einströmungsöffnungen L, L sind zwei Ruthen l, l in dem Hute S, S angebracht, die sich aber nur bis zu den Punkten m, m in der Nähe der Eintrittsöffnungen erstrecken und mit diesen nicht in Verbindung stehen. In diesem Fall ist es nicht mehr der Dampf aus dem Cylinder, welcher den Gegendruck des Schiebers aufhebt, sondern der Dampf aus dem Kessel, der jedesmal die Nuthen l, l erfüllt, wenn der Schieber sich zurückzieht.

Zwischen den beiden Nuthen l, l und über dem hohlen Theile C des Schiebers hat der Hut S, S noch eine dritte Erweiterung oder Nuth e, welche die Bestimmung hat, den nöthigen Dampf aufzunehmen, um den Druck auszugleichen, welcher bei der Ausströmungsöffnung E auf den Schieber ausgeübt wird. Diese dritte Nuth reicht auch nicht weiter herab als die beiden vorhergehenden, und ihre Breite beträgt nur zwei bis drei Centimeter, so daß ihre Fläche der Höhlung C entspricht, auf welche der Gegendruck kommt. Auch hier ist es der Dampf aus dem Kessel, welcher die dritte Erweiterung e erfüllt; er gelangt in dieselbe durch die Oeffnungen v, v, welche in die Schieberseiten gebohrt sind, und zwar stellen diese Oeffnungen die Verbindung jedesmal dann her, wenn der Schieber bei seiner hin- und hergehenden Bewegung sie der Erweiterung gegenüber bringt.

Mittelst dieser verschiedenen Kunstgriffe kann also der gewöhnliche Schieber ohne wesentliche Veränderungen beibehalten werden, und ist doch fast vollkommen entlastet. Bei der letzten Anordnung kann der Dampf aus dem Kessel niemals, ohne vorher gearbeitet zu haben, zur Ausströmungsöffnung gelangen, während bei den zwei ersten Schieberventilen dieß möglich wäre, wenn der Deckel S, S nicht gehörig an dem Schieber anläge; dieses Anziehen des Deckels läßt sich bei einiger Uebung ohne besondere Schwierigkeit in der erforderlichen Weise ausführen.

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