Titel: Fuhst, über Vermeidung der schädlichen Räume bei der Stephenson'schen Coulissen-Steuerung.
Autor: Fuhst, Hermann
Fundstelle: 1859, Band 154, Nr. LXIX. (S. 321–328)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj154/ar154069

LXIX. Ueber Vermeidung der schädlichen Räume bei der Stephenson'schen Coulissen-Steuerung; von H. Fuhst.

Mit Abbildungen auf Tab. V.

Hr. Prof. Reuleaux hat im Civilingenieur, Bd. III Heft 1 u. 2, eine Abhandlung: „über die Wirkung der Dampfvertheilung beiden Coulissen-Steuerungen“ veröffentlicht, in welcher er nachweist, daß diese Steuerungen ihren Dampf gut benützen und unter anderm Bemerkenswerthen zu dem Resultate kommt, daß die Compression des verbrauchten Dampfes, welche diese Steuerungen hervorbringen, nicht schädlich ist, sondern daß dieselbe bei gut gewählten Abmessungen noch die gute Wirkung hat, den Dampfverlust, den die schädlichen Räume erzeugen, ganz zu verhüten.

Dieses Resultat ist ein wesentlicher Fortschritt in der Technik der Dampfmaschinen, und der Vortheil, der aus demselben erwächst, darf durchaus nicht unterschätzt werden. Die Größe des schädlichen Raumes ist bei einer gut construirten Maschine auf jeder Seite des Kolbens doch mindestens gleich 5 Proc. des Kolbenspielraums; seine Vermeidung ist somit einer Ersparniß von 5 Proc. Dampf resp. von 5 Proc. des für Brennmaterial zu verausgabenden Capitals gleich.

Der durch die schädlichen Räume herbeigeführte Dampfverlust wird nur dann vollständig zu umgehen seyn, wenn die Verhältnisse der Compression bei allen Expansionsgraden gleich und nominell der Art sind, daß der comprimirte Dampf beim Ende der Compression die Spannung des frischen Dampfes hat. Die Erfüllung dieser Bedingungen ist, wie sich leicht übersehen läßt, nur bei solchen Steuerungen in ihrem ganzen Umfange möglich, bei denen die Expansion durch einen besondern Schieber, oder, unabhängig von dem Vertheilungsschieber, durch ein Ventil bewirkt wird, denn dann ist die Bewegung des Vertheilungsschiebers bei allen Expansionsgraden dieselbe, und da nur von ihr die Verhältnisse der Compression abhängen, so sind auch diese dann bei allen Expansionsgraden constant.

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Bei den Coulissen-Steuerungen sind diese Bedingungen nicht erfüllbar, indem, da bei ihnen die variable Expansion durch eine Veränderung der Bewegung des Vertheilungsschiebers bewirkt wird, die Compressionsverhältnisse bei den einzelnen Expansionsgraden verschieden ausfallen. Da nun bei den verschiedenen Systemen der Stephenson'schen Coulissen-Steuerung die Veränderlichkeit der Schieberbewegung nicht dieselbe ist, so sind bei ihnen auch die Compressionsverhältnisse andere, und es werden nicht alle gleich gut eine Vermeidung der schädlichen Räume zulassen.

Welches System die möglichst vollständige Umgehung der schädlichen Räume gewährt, soll das Nachstehende zeigen.

Im Laufe der folgenden Untersuchung wird sich herausstellen, daß man unter gewissen Verhältnissen in den stärkeren Expansionsgraden außer einer vollständigen Umgehung der schädlichen Räume noch einen positiven Dampfgewinn erzielen kann.

Dieß wird um so mehr darthun, wie die frühere Ansicht, die Compression des verbrauchten Dampfes sey schädlich, irrig war, und weßhalb die Locomotivführer, trotz dieser allgemein verbreiteten Ansicht, doch das Fahren auf dem letzten Zahne, d.h. die Wirkung des Dampfes in den stärkeren Expansionsgraden, für am vortheilhaftesten erklärten.

Die Schieberbewegung ist im Nachstehenden nach den ohne Berücksichtigung der Länge der Bleuelstange sich direct aus den Kurbelstellungen ergebenden Kolbenstellungen beurtheilt. Diese Methode bietet außer der Bequemlichkeit beim Zeichnen noch den Vortheil, daß die so erhaltenen Kolbenstellungen die aus den Unterschieden für den Vor- und Rückgang des Kolbens sich ergebenden mittleren Stellungen desselben sind.

Ist nämlich l die Länge der Bleuelstange, r die Länge der Kurbel und ω der Winkel, um welchen sich die Kurbel einmal im Hingange, das anderemal im Hergange des Kolbens vom todten Punkte aus gedreht hat, so ist im ersten Falle der Weg s des Kolbens:

Textabbildung Bd. 154, S. 322

und im zweiten Falle

Textabbildung Bd. 154, S. 322

während man bei der zur Benutzung kommenden Methode den Weg S des Kolbens stets

S = r (1 – cos ω),

also gleich dem Mittelwerthe aus den beiden oberen erhält.

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Fig. 17 und 18 sind die Diagramme für die Stephenson'sche Coulissen-Steuerung bei offenen Excenterstangen mit gleichen Voreilungswinkeln des Vor- und Rückwärtsexcenters und bei gekreuzten Excenterstangen. Die Schubstange ist stets als festliegend angenommen und bei den Diagrammen sind folgende Abmessungen zu Grunde gelegt:

Der Radius der Excentricität r = 0m,060.
Der Voreilungswinkel eines jeden Excenters δ = 30⁰.
Die Länge der Excenterstange l = 1m,400.
Die halbe Länge der Coulisse c = 0m,150.
Die äußere Deckung e = 0m,024.
Die innere Deckung i = 0m,007.

Dabei sind 4 Expansionsgrade für den Vor- und 4 für den Rückwärtsgang angenommen, und die Coulisse ist so eingerichtet gedacht, daß, wenn sie ganz gehoben oder ganz gesenkt ist, die Entfernung u des Gleitbackens von ihrem Mittel gleich c ist.

Fig. 17 ist nun das der Formel

Textabbildung Bd. 154, S. 323

entsprechende Diagramm für offene Stangen und gleiche Voreilwinkel. Die auf dem Hube MN abgetragenen Marken bezeichnen für die beigeschriebenen Expansionsgrade den Beginn a der Expansion, den Beginn b der Compression und den Beginn c der Voreinströmung.

Die Spannung des Kesseldampfes, wenn er im Cylinder zur Wirkung kommt, sey gleich 7,5, die des verbrauchten Dampfes ist gleich 1,25 Atmosphären. Die Vermeidung des schädlichen Raumes muß naturgemäß zunächst für den günstigsten Expansionsgrad beansprucht werden; derselbe wird in der vorliegenden Steuerung durch den Expansionsgrad 1 repräsentirt, indem dieser zunächst 1/3 des Hubes liegt, und hier bekanntlich die günstigste Expansion stattfindet. Bei dem Expansionsgrade 1 beginnt die Compression, wenn der Kolben noch 0,40 seines Hubes zurückzulegen hat; es muß demnach, wenn man das Mariotte'sche Gesetz gelten läßt, die Größe s des schädlichen Raumes, damit die Spannung des verbrauchten Dampfes beim Ende der Compression gleich der des Kesseldampfes ist,

s : 0,40 + s = 1,25 : 7,5,

oder

s = 0,40/5 = 0,08

des Kolbenspielraums seyn.

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Für den todten Punkt der Coulisse und die übrigen Expansionsgrade sind die Räume, welche incl. des schädlichen Raumes beim Beginn der Compression noch vor dem Kolben sind:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,68 0,48 0,34 0,25 0,18

des Kolbenspielraumes, und würde somit der verbrauchte Dampf:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,113 0,080 0,056 0,041 0,030

des Kolbenspielraums, Dampf normaler Spannung ergeben.

Dividirt man diese Zahlen durch das Maaß des schädlichen Raumes, so erhält man, ein wie großer Theil desselben in jedem einzelnen Falle umgangen wird. Dieß gibt:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
1,4125 1,000 0,700 0,5125 0,375

des schädlichen Raumes.

Man ersieht, daß je stärker man expandirt, ein um so größerer Theil der schädlichen Räume, resp. des durch sie herbeigeführten Dampfverlustes, umgangen wird.

Für die Stellung der Coulisse im todten Punkte tritt die Eigenthümlichkeit ein, daß das Volumen des schädlichen Raumes kleiner ist als das des comprimirten Dampfes; das erstere ist 0,08, das letztere 0,113 des Kolbenspielraumes; es tritt also die normale Spannung bereits ein, wenn der Kolben noch 0,113 – 0,08 = 0,033 seines Hubes zurückzulegen hat. Da nun, wie aus dem Diagramme ersichtlich ist, bei dieser Kolbenstellung die Voreinströmung schon begonnen hat, so kann durch das Fortschreiten des Kolbens eine weitere Compression des verbrauchten Dampfes nicht erfolgen, sondern es wird ein Volumentheil desselben gleich 0,033 des Kolbenspielraumes in Folge dieses Fortschreitens aus dem Cylinder in den Schieberkasten zurückgedrängt, und nach erfolgtem Hubwechsel, in der Weise wie frischer Dampf, activ werden. Zieht man in Bezug hierauf in Betracht, daß während der ganzen Dauer der Voreinströmung, auch wenn der Eintritt der normalen Spannung des verbrauchten Dampfes in dieser Zeit nicht stattfindet, der Gegendruck auf den Kolben doch der normalen Spannung des Dampfes entspricht, so ersieht sich, daß durch den Eintritt dieser Spannung für den verbrauchten Dampf während dieser Zeit der Gegendruck auf den Kolben keine Vergrößerung erleidet. Mithin ist, wenn diese Eigenthümlichkeit statt, wie es hier der Fall ist, in dem todten Punkte der Coulisse stattzufinden, in den Expansionsgraden selbst auftritt, ein directer Dampfgewinn erreichbar.

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Das Auftreten dieser Eigenthümlichkeit in den Expansionsgraden ist durch die Verkleinerung des schädlichen Raumes leicht zu erreichen. Führt man die Größe desselben auf sein geringstes praktisch ausführbares Maaß, auf 0,05 des Kolbenspielraumes zurück, so sind für den todten Punkt der Coulisse und die übrigen Expansionsgrade die Räume, welche incl. des schädlichen Raumes beim Beginn der Compression noch vor dem Kolben sind:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,65 0,45 0,31 0,22 0,15

des Kolbenspielraumes und wird der verbrauchte Dampf in:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,108 0,075 0,051 0,036 0,025

des Kolbenspielraumes Dampf von normaler Spannung verwandelt, oder es werden

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
2,160 1,500 1,020 0,720 0,500

des schädlichen Raumes umgangen.

Bei den Expansionsgraden 1 und 2 ist das Volumen des comprimirten Dampfes größer als das des schädlichen Raumes; in beiden Stellungen der Coulisse hat die Voreinströmung aber, wie man sich durch Nachmessen in dem Diagramme überzeugen kann, bereits stattgefunden, wenn der verbrauchte Dampf die normale Spannung annimmt, und es findet somit beim ersten Grade außer Umgehung des schädlichen Raumes ein directer Dampfgewinn von 0,025 und beim zweiten Grade von 0,001 des Kolbenspielraums statt.

Da man den schädlichen Raum, wenn auch nicht um einen directen Dampfgewinn zu erzielen, sondern um einen Dampfverlust möglichst zu verringern, stets so klein als möglich gemacht hat, so wird die vorliegende Thätigkeit des Dampfes bei den meisten Steuerungen in Wirksamkeit seyn, und es erklärt dieß, weßhalb die Locomotivführer die Wirkung des Dampfes in den stärkeren Expansionsgraden der Stephenson'schen Coulissen-Steuerung trotz Allem, was man ihr zum Vorwurf machte, für gut bezeichneten.

Man hielt bisher ein veränderliches Voreilen, wie es der vorbehandelten Steuerung eigenthümlich ist, für nachtheilig für die Dampfvertheilung und gab, um wenigstens für den Vorwärtsgang ein constantes Voreilen zu erzielen, den Vor- und Rückwärtsexcentern verschiedene Voreilwinkel. Der Voreilwinkel des Vorwärtsexcenters muß für die vorliegende Steuerung, um ein constantes Voreilen im Vorwärtsgange zu erhalten, δ₁ = δσ |326| (Fig. 17) seyn, woraus sich dann von selbst der Voreilwinkel für das Rückwärtsexcenter δ₂ = δ + σ ergibt.

Hr. Prof. Reuleaux hat in der am Eingange angezogenen Schrift bereits nachgewiesen, daß die Veränderlichkeit des linearen Voreilens von wenig Einfluß auf die effective Leistung ist; für uns ergeben sich, da in Folge des kleineren Voreilwinkels für den Vorwärtsgang alle Momente der Dampfvertheilung früher eintreten als bei gleichen Voreilwinkeln, bessere Resultate in Bezug auf Vermeidung der schädlichen Räume als dort, während wir für den Rückwärtsgang der umgekehrten Verhältnisse wegen um eben soviel schlechtere Resultate erlangen.

Zieht man nun in Betracht, daß die besseren Resultate beim Vorwärtsgange der Maschine durch den hier früher stattfindenden Beginn der Dampfausströmung wieder herabgezogen werden, so ist die Stephenson'sche Coulissen-Steuerung bei offenen Stangen und gleichen Voreilwinkeln als geeigneter zur Vermeidung der schädlichen Räume zu bezeichnen, als die mit offenen Stangen und ungleichen Voreilungswinkeln.

Die Stephenson'sche Coulissen-Steuerung bei gekreuzten Excenterstangen und gleichen Voreilwinkeln liefert das dritte System. Fig. 18 ist das Diagramm einer solchen Steuerung für dieselben Abmessungen, die oben für offene Stangen angenommen wurden, construirt gemäß der Formel:

Textabbildung Bd. 154, S. 326

Das Diagramm ändert sich in dem vorliegenden Falle dahin, daß jetzt die convexe Seite der die Centralcurve bildenden Parabel nach dem Wellenmittel O hinliegt. In Folge dessen tritt bei sämmtlichen Expansionsgraden, mit Ausnahme des 4ten, die Compression jetzt später ein als bei offenen Excenterstangen, in der Stellung der Coulisse im todten Punkte aber früher als dort, und die Expansion tritt im todten Punkte der Coulisse und im Expansionsgrade 1 jetzt früher, im 2ten und 3ten Expansionsgrade aber später ein, während die Dampfvertheilung im 4ten Expansionsgrade in beiden Fällen gleich ist. Das lineare Voreilen, welches bei offenen Stangen und gleichen Voreilwinkeln im Sinne der Expansion wuchs, wächst hier in dem der Expansion entgegengesetzten Sinne, und während dort die Voreinströmung um so früher begann, je stärker man expandirte, beginnt sie hier um sehr geringe Unterschiede bei allen Expansionsgraden in derselben Kurbel- resp. Kolbenstellung.

Der günstigste Expansionsgrad wird auch hier durch den Expansionsgrad 1 repräsentirt. Die Compression beginnt bei ihm, wenn der Kolben |327| noch 0,385 seines Hubes zurückzulegen hat; das Maaß s des schädlichen Raumes muß demnach, wenn man für diesen Expansionsgrad eine vollständige Umgehung desselben beansprucht:

s : 0,385 + s = 1,25 : 7,5

s = 0,385/5 = 0,077

des Kolbenspielraumes seyn.

Für den todten Punkt der Coulisse und die übrigen Expansionsgrade sind die Räume, welche incl. des schädlichen Raumes beim Beginn der Compression noch vor dem Kolben sind:

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,727 0,462 0,287 0,207 0,177

des Kolbenspielraumes, und es wird somit der verbrauchte Dampf in Folge der Compression

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
0,121 0,077 0,048 0,0345 0,0295

des Kolbenspielraumes Dampf normaler Spannung ergeben, oder es werden

Todt. P. 1. 2. 3. 4.
1,571 1,000 0,623 0,448 0,383

des schädlichen Raumes umgangen.

Da bei diesem Systeme der Stephenson'schen Coulissen-Steuerung der Beginn der Voreinströmung constant und ganz nahe am Ende des Hubes belegen ist, so würde, wenn man hier den schädlichen Raum auf sein geringstes Maaß zurückführen wollte, der Eintritt der normalen Spannung des verbrauchten Dampfes in den stärkeren Expansionsgraden bereits vor dem Beginn der Voreinströmung stattfinden, und in Folge dessen der verbrauchte Dampf bis zu einer höhern als der normalen Spannung comprimirt werden, was von nicht unbedeutendem Nachtheile auf die effective Leistung der Maschine seyn würde. Man muß deßhalb dieses Maaß des schädlichen Raumes beibehalten und sieht durch Vergleichung der hier erhaltenen Resultate mit denen, welche sich bei offenen Stangen ergaben, daß dieß letztere System überhaupt zur Vermeidung der schädlichen Räume weit besser geeignet ist, als das oben behandelte.

Um bei gekreuzten Excenterstangen für den Vorwärtsgang der Maschine ein constantes lineares Voreilen zu erhalten, muß man den Voreilungswinkel des Vorwärtsexcenters um den Winkel σ (Fig. 18) vergrößern, den des Rückwärtsexcenters um ebensoviel verkleinern, also umgekehrt wie bei offenen Stangen. In Folge dessen erhält man für den |328| Vorwärtsgang eine weniger wirksame Expansion als für den Rückwärtsgang, und es gestaltet sich auch, da beim Rückwärtsgange der Beginn der Voreinströmung im 1sten Expansionsgrade früher stattfinden wird als bei gleichen Voreilwinkeln, für diesen die Umgehung der schädlichen Räume besser, so daß man bei gekreuzten Stangen durch Anwendung von ungleichen Voreilungswinkeln den Rückwärtsgang auf Kosten des Vorwärtsganges verbessert, also gerade umgekehrt, als es erlaubt ist. Man sollte deßhalb nie gekreuzte Stangen mit ungleichen Voreilungswinkeln anwenden.

Das zuerst behandelte System der Stephenson'schen Coulissen-Steuerungen: offene Stangen bei gleichen Voreilungswinkeln, gewährt somit die möglichst vollständige Umgehung der schädlichen Räume.

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