Titel: Stauffer, Beschreibung des Buß'schen Regulators.
Autor: Stauffer, Bernhard
Fundstelle: 1871, Band 202, Nr. CXIII. (S. 481–496)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj202/ar202113

CXIII. Der Buß'sche Regulator für Dampfmaschinen, Wasserräder, Turbinen, Gas- und andere Umtriebsmaschinen; beschrieben von Bernhard Stauffer, Ingenieur in Magdeburg.

Mit Abbildungen auf Tab. VIII.

Textabbildung Bd. 202, S. 481

Dieser neue, in allen industriellen Ländern patentirte Apparat ist ein Centrifugalregulator, welcher durch die ihm eigenen Vorzüge sehr rasch in Deutschland, Belgien, England, Oesterreich und Rußland Verbreitung gefunden hat.

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Umtriebsmaschinen, welche mit diesem Apparate versehen sind, arbeiten selbst bei den plötzlichsten Veränderungen im Betriebe ganz ruhig und ohne eine Geschwindigkeitsänderung merkbar werden zu lassen. Diese gute Regulirung wird hauptsächlich durch die hohe Empfindlichkeit und die sehr große Energie des Regulators erreicht. Schon bei einer unmerkbar geringen Geschwindigkeitsänderung erfolgt eine Verstellung des Drosselventiles oder des Expansionsschiebers. Sollte aber in irgend einem speciellen seltenen Falle ein unempfindlicher Apparat verlangt werden, so hat man nur das obere Pendelgewicht, die Kugel, durch verticales Anbohren leichter zu machen.

Neben der hohen Empfindlichkeit entwickelt dieser Apparat ungefähr die doppelte Kraft (Energie), als ein gleich schwerer und gleich viel Raum einnehmender bisheriger Regulator.

Ferner sind bei dem neuen Apparat das so schädliche Beharrungsvermögen der in Bewegung versetzten Pendelmassen, sowie die auftretenden Reibungswiderstände auf ein Minimum reducirt.

Da die Fabrication im Großen geschieht, so wird der Buß'sche Regulator in den meisten Fällen weniger kosten, als eine andere, ihren Zweck nur unvollkommen erfüllende Regulirvorrichtung. Bei Dampfmaschinen wird überdieß eine Ersparniß an Kohlen erzielt, weil nunmehr der Dampfverbrauch stets genau im richtigen Verhältniß zu der geleisteten Arbeit steht. Mehrere Maschinenfabrikanten beziehen bereits ihren ganzen Bedarf an Regulatoren von den Herren Schäffer und Budenberg in Buckau-Magdeburg, welch' letztere den Alleinvertrieb für alle Länder übernommen haben.

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Der Buß'sche Regulator, siehe Tab. VIII Fig. 15, besteht aus den folgenden sehr wenigen Bestandtheilen:

  • 1) einer verticalen Rotationswelle,
  • 2) einem gußeisernen Pendelträger,
  • 3) zwei gußeisernen Pendeln mit vier Stahlzapfen (Pendelachsen), und
  • 4) einem gußeisernen Muff, mit zwei eisernen Kloben und zwei Stahlstiften.

Die Rotationswelle

wird in zwei verschiedenen Sorten angefertigt:

  • a) für Antrieb von unten, über dem Pendelträger in einer Kugel endigend;
  • b) zum Antrieb von oben, oder auch für doppelte Lagerung bestimmt.
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Der gußeiserne Pendelträger

ist auf der Rotationswelle W befestigt; seine vier kreuzweise nach unten gebogenen Arme f₁, f₂, f₃, f₄, tragen die Pendelachsen E, E₁.

Fig. 1., Bd. 202, S. 483

Jedes der beiden Pendel

besteht hauptsächlich aus einer Kugel A und dem faßförmigen Gewichte B.

Fig. 2., Bd. 202, S. 483

Kugel und Faß sind durch Arme a, a und b, b mit zwei Gehäusen C |484| und C₁ verbunden. In jedem der letzteren steckt ein Arm f des Pendelträgers. Durch ein Gehäuse C und durch den darin befindlichen Arm f des Pendelträgers ist je ein dünner Stahlzapfen E eingeschraubt (siehe Tab. VIII Fig. 15). Zwei dieser sehr weit auseinander liegenden Stahlzapfen E und E₁ bilden zusammen die eine Pendelachse; diese Lagerung ist in jeder Beziehung eine außerordentlich günstige.

Der hohle Muff

Fig. 3., Bd. 202, S. 484

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Das conische Pendel in seinen verschiedenen Modificationen, als central, offen oder gekreuzt, unbelastet oder belastet (Porter), läßt sich deßhalb nach sehr einfachen Formeln berechnen, weil die ganze Pendelmasse als in einem einzigen Punkt concentrirt angesehen werden kann. Die complicirte Gestalt des Buß'schen Pendels dagegen erfordert eine sehr weitschweifige verwickelte Berechnung, bei welcher die an allen einzelnen Massentheilchen wirkenden Kräfte speciell berücksichtigt werden müssen. – Eine ganz neue allgemeine Theorie der Rotationspendel wird nächstens im Druck erscheinen.

Wirkungsweise des Buß'schen Pendels.

Soll ohne mathematische Ableitung eine leicht faßliche, überzeugende Erklärung der Wirkungsweise dieses Pendels gegeben werden, so nimmt |485| man an, daß dasselbe nur von zwei schweren Punkten A und B (Fig. aus wirke, deren Abstände a und b vom Aufhängepunkt c, als Hebelarm betrachtet, zusammen einen gewissen Winkel (ungefähr 90°) bilden.

Fig. 4., Bd. 202, S. 485

In Figur 5 sey das Pendel in seiner mittleren Stellung abgebildet, bei welcher der Arm des kleinen kugelförmigen Gewichtes A genau vertical, der Arm des großen faßförmigen Gewichtes B dagegen genau horizontal steht. In dieser mittleren Pendelstellung o wirken an den genannten zwei Gewichten folgende Kräfte:

Fig. 5., Bd. 202, S. 485

1) In A hält sich die Schwerkraft das Gleichgewicht, während die Centrifugalkraft das Pendel in der Richtung des angegebenen Pfeiles zu drehen strebt.

2) In dem Gewichte B dagegen stehen die an den einzelnen Massentheilchen wirkenden Centrifugalkräfte zusammen im Gleichgewicht, während die Schwere des Gewichtes das Pendel umgekehrt zu drehen strebt. Bezeichnet daher:

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C die Centrifugalkraft der Kugel,

G das Gewicht des Fasses,

a den Hebelarm der Kugel,

b denjenigen des Fasses,

so muß, damit Gleichgewicht stattfinde:

C . a = G . b seyn.

Bei der unteren Pendelstellung m (Fig. 6) gestalten sich die an den zwei Gewichten wirkenden Kräfte folgendermaßen:

  • 1) Kräfte am Gewichte A:
    • a . Die Centrifugalkraft hat in Folge der Verkleinerung des Radius q um einen bestimmten Werth p abgenommen;
    • b . die Schwere wirkt jetzt der Centrifugalkraft mit einem bestimmten Componenten q entgegen.
Fig. 6., Bd. 202, S. 486

Es ist daher die in der Kugel A noch wirkende Kraft:

Pm = Cpq.

  • 2) Kräfte am Gewichte B:
    Der nahezu constant gebliebenen Schwere in B wirkt jetzt die Centrifugalkraft mit einem bestimmten Componenten c entgegen, so daß die noch übrig bleibende nach unten wirkende Kraft:

Qm = Gc wird.

|487|
Fig. 7., Bd. 202, S. 487

Geht das Pendel in die Stellung n (Fig. 7) über, so verändern sich die sämmtlichen Kräfte im umgekehrten Sinne, so daß dann:

P n = C + p + q
Q n = G + c ausfällt.

Die Kräfte, welche den drei Pendelstellungen entsprechen, sind nach dem Gesagten folgende:

Fig. 8., Bd. 202, S. 487

Wird also das Pendel aus der unteren Stellung m allmählich in die mittlere Stellung o und dann in die obere Stellung n übergeführt, |488| so nehmen die entgegenwirkenden Kräfte P und Q continuirlich zu. Die Pendeldimensionen sind nun so gewählt, daß beide Kräfte P und Q fast genau in gleichem Grade aufsteigen; der Werth (p + q) ist also in jeder Stellung dem Werthe c sehr annähernd gleich. Bei mittlerer Geschwindigkeit um die verticale Achse muß deßhalb das Pendel innerhalb eines gewissen Ausschlagwinkels immer annähernd im Gleichgewicht stehen. Um bei irgend einer ausgelenkten Pendelstellung wirklich genau Gleichgewicht herzustellen, ist deßhalb nur eine ungemein kleine Geschwindigkeitsänderung erforderlich. Diesem Umstande hat das Pendel seine hohe Empfindlichkeit zu verdanken.

Außerhalb gewisser Grenzen jedoch verliert das Pendel diese Eigenschaft.

Bei der Pendelstellung in Figur 9 wirkt die Centrifugalkraft des Gewichtes B allein auf Drehung nach oben; die Centrifugalkraft von A nebst der Schwere beider Gewichte ziehen dagegen nach unten. Es muß, um Gleichgewicht herbeizuführen, die Geschwindigkeit sehr groß (∞) seyn.

Fig. 9., Bd. 202, S. 488

In der Stellung von Figur 10 ist schon bei einer sehr geringen Geschwindigkeit das Moment der Centrifugalkraft der Kugel A groß genug um der Differenz der Schwerkraftsmomente der beiden Massen das Gleichgewicht zu halten; die durch das Gewicht B erzeugte Centrifugalkraft kommt kaum in Betracht, und wird Null, sobald sich der Schwerpunkt des Gewichtes genau in der verticalen Rotationsachse befindet.

|489|
Fig. 10., Bd. 202, S. 489

Gelangt das Pendel in die Stellung von Fig. 11, so liegt sein Schwerpunkt senkrecht über dem Aufhängepunkt; das Pendel befindet sich in stabiler Gleichgewichtslage der Ruhe, d.h. seine Umdrehungszahl ist gleich Null.

Fig. 11., Bd. 202, S. 489

Um diese eigenthümliche Wirkungsweise noch anschaulicher zu machen, ist das Gesetz des Buß'schen Pendels in Figur 13 graphisch aufgetragen.

Die horizontalen Abstände entsprechen den Ausschlagwinkeln, während |490| die verticalen die zugehörigen Geschwindigkeiten darstellen. Als Null- oder Anfangspunkt ist diejenige Stellung angenommen, in der sich der Schwerpunkt des Pendels (Fig. 12) vertical unterhalb des Aufhängepunktes befindet. Diese Stellung ist die eine Gleichgewichtslage der Ruhe des Pendels (die zweite ist in Fig. 11 abgebildet).

Fig. 12., Bd. 202, S. 490

Aus dem Diagramme Figur 13 ist nun sofort ersichtlich, daß das Pendel erst um 55° ausschlagen muß, bevor ein Gleichgewichtszustand eintreten kann. Erst wenn man auch das große Gewicht B nach rechts auf die andere. Seite der Rotationswelle gebracht hat, ist, wie wir schon aus Fig. 9 gesehen haben, eine unendlich große Geschwindigkeit im Stande der ganz beträchtlichen Schwerkraft das Gleichgewicht zu halten.

Fig. 13., Bd. 202, S. 490
|491|

Diese Geschwindigkeit nimmt aber, wie die sehr steil abfallende Curve zeigt, rasch ab. Bei einem Ausschlag von nahezu 100° (m) beginnt die Geschwindigkeit wieder größer zu werden, bis sie bei ungefähr 120° (n) ihren Höhepunkt erreicht. Da aber diese Geschwindigkeitszunahme, wie oben nachgewiesen wurde, äußerst gering ist, so erscheint das betreffende Curvenstück (δ) als eine schwach ansteigende, fast horizontale gerade Linie. Das von dem Punkte n absteigende Curvenstück zeigt, daß bei noch größer werdendem Ausschlagwinkel (Fig. 10) die Geschwindigkeit immer kleiner wird, und daß endlich bei 180° (Fig. 11) nochmals eine (labile) Gleichgewichtslage der Ruhe eintritt.

Innerhalb der Ausschlagwinkel von 100–120° (δ) wird nun das Pendel des Buß'schen Regulators zum Reguliren verwendet. Die Berechnung ergab, daß eine Differenz der Geschwindigkeit von 0,8 Proc. = 8 pro mille das Pendel von dem tiefsten bis zum höchsten Stande bewegt; oder anders ausgedrückt, eine Geschwindigkeitsänderung von 0,4 Proc. ist ausreichend um den Muff von seiner mittleren Stellung nach einer der beiden Endstellungen hin zu bewegen.

Figur 13 zeigt uns außer dem Diagramme des Buß'schen Pendels links die beiden Gleichgewichtslagen, welche dasselbe je bei der Geschwindigkeit Null einnehmen kann. In der einen Lage (0°) befindet sich der Schwerpunkt S vertical unterhalb, in der zweiten Lage (180° Ausschlag) dagegen vertical oberhalb dem Aufhängepunkt c. Rechts über dem Diagramme ist das Pendel in der zum Reguliren verwendeten mittleren Stellung gezeichnet. Der Arm mit dem größeren Gewichte liegt genau horizontal. Der Schwerpunkt S des ganzen Pendels berührt beinahe die Peripherie dieses Gewichtes. Beim Ausschlagen des Pendels schwingt dieses Gewicht und mit ihm der Schwerpunkt S in einem sehr gestreckten Bogen beinahe vertical auf- und abwärts.

Wie bekannt, wird aber ein so empfindlicher Regulator fortwährenden Oscillationen (Tanzen des Regulators) unterworfen seyn, wenn er nicht die zwei ferneren Hauptbedingungen eines guten Centrifugalregulators in hohem Grade erfüllt.

Die eine dieser Hauptbedingungen ist die, daß schon bei einer ganz geringen Geschwindigkeitsänderung eine hinreichende Kraft erzeugt werde um die Drosselklappe oder den Expansionsschieber zu bewegen. – Da für jede Gleichgewichtslage eines Rotationspendels das Moment der Centrifugalkraft gleich demjenigen der Schwere seyn muß, so ist sofort zu erkennen, daß dasjenige Pendel am kräftigsten wirken muß, dessen Moment der Schwerkraft bei gleicher Pendellänge und bei gleichem Pendelgewichte am größten ist. Befindet sich der Schwerpunkt eines Pendels, wie dieß |492| beim Buß'schen Regulator annähernd der Fall ist, bei dessen mittlerer Stellung in einer Horizontalen mit dem Aufhängepunkt, so ist der Hebelarm der Schwere und daher auch das erzeugte Moment ein Maximum. –

Fig. 14., Bd. 202, S. 492
Fig. 15., Bd. 202, S. 492
Fig. 16., Bd. 202, S. 492

Dieser Vorzug des Buß'schen Pendels hat zur Folge, daß dem größten der ausgeführten Apparate (Nr. V), welcher nur zur Regulirung von mächtigen Dampfmaschinen, von Turbinen und Wasserrädern verwandt wird, Pendelarme |493| von bloß 320 Millimeter Länge gegeben wurden. Trotz dieser auffallenden Kürze ist die Energie dieses Regulators bei stets gleich hoher Empfindlichkeit eine außerordentlich große. – Da überdieß der Aufhängepunkt c beim Buß'schen Pendel sehr weit auf der einen, der Schwerpunkt S des ganzen Pendels dagegen fast ebenso weit auf der anderen Seite der verticalen Rotationswelle Y liegt, so muß der Buß'sche Regulator im Vergleich zu jedem anderen mit ebenso kräftiger Wirkung einen viel geringeren Raum einnehmen.

Die andere Hauptbedingung, welche ein Regulator noch erfüllen muß, um eine gute Regulirung zu erzeugen, ist die, daß in ihm das Beharrungsvermögen der bewegten Pendelmassen ein geringes sey. Beim conischen Pendel in allen seinen verschiedenen Formen (Fig. 14, 15 u. 16) haben die Gewichte beim Ausschlagen um einen gewissen Winkel an sehr langen Pendelarmen einen großen Weg zurückzulegen; einmal in Bewegung versetzt, werden sie auch stets über die neue Gleichgewichtslage hinauseilen und dadurch eine unrichtige Stellung der Klappe oder des Schiebers veranlassen. Beim Buß'schen Regulator dagegen muß der kurzen Pendelarme wegen das Beharrungsvermögen auf das geringst mögliche Maaß herabgemindert seyn.

Nachdem durch mathematische Ableitung festgestellt war, nach welchen Principien ein Centrifugalregulator gebaut werden muß, um demselben die größtmögliche Vollkommenheit zu ertheilen, wurde die Construction des Apparates mit der größten Sorgfalt durchgeführt. Auch in der praktischen Ausführung besitzt der Buß'sche Regulator vor den bisherigen eine Anzahl ganz wesentlicher Vortheile.

Bei demselben sind:

1) die Pendelmassen in solcher Weise auf beide Seiten der Rotationswelle vertheilt, daß der durch die Centrifugalkraft erzeugte Component des Achsendruckes im Drehpunkte des Pendels nahezu gleich Null wird;

2) ist jedes Pendel äußerst günstig (Fig. 1 u. 2 und Tab. VIII Fig. 15) je auf zwei dünnen Stahlzapfen E und E₁ gelagert;

3) statt der (mindestens) vier Drehzapfen mit den Zugstangen, welche gewöhnlich die Pendelbewegung auf den Muff übertragen, sind hier zu gleichem Zwecke nur zwei glatte Stahlstifte S mit den zwei Kloben K in sehr vortheilhafter Weise verwendet (Fig. 1, 2 u. 3 nebst Tab. VIII Fig. 15);

4) die bei dem Auf- und Niedergang des Muffes sonst so schädlich auftretende Reibung (Anpressen) an dem Führungskeil auf der Rotationswelle |494| bleibt ganz weg, weil der neue Bewegungsmechanismus dieser Führung nicht bedarf.

Der Buß'sche Regulator muß also auch deßhalb viel schneller und kräftiger wirken, weil seine Energie nicht durch schädliche Reibungswiderstände im Inneren des Apparates vermindert wird.

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Die sämmtlichen Vorzüge des Buß'schen Regulators, nämlich:

außerordentliche Empfindlichkeit,

sehr hohe Energie,

geringes Beharrungsvermögen und

bedeutende Verminderung der Reibungswiderstände,

lassen diesen Apparat als den besten Centrifugalregulator und überhaupt als die beste bekannte Regulirvorrichtung für Umtriebsmaschinen bezeichnen.

Alle nicht die Centrifugalkraft zum Reguliren benutzenden Vorrichtungen sind deßhalb zu verwerfen, weil die dazu verwendeten Gebläse, Pumpen, Windflügel etc. (abgesehen davon, daß es nicht möglicht ist die Vorzüge des Buß'schen Regulators in ihnen zu vereinigen) stets eine mehr oder weniger beträchtliche Arbeit zu ihrem Betriebe absorbiren. Der sehr geringe Arbeitsverlust, welchen die Reibung der Rotationswelle in ihren Lagern hervorruft, kommt beim Centrifugalregulator im Verhältniß zur Stärke der Betriebsmaschine kaum in Betracht.

Die zahlreichen bereits im Betriebe befindlichen Apparate haben alle, selbst bei den plötzlichsten Veränderungen des Arbeitsbedarfes, einen äußerst gleichförmigen Gang der Maschine erzielt, wie dieß zahlreich eingegangene Atteste auf's Nachdrücklichste bestätigen.

Bei Dampfmaschinen mit Drosselklappe oder einer den Querschnitt des Dampfzuleitungsrohres auf zweckmäßige Weise verändernden Admissionsvorrichtung, sind in der Regel die folgenden Größennummern zu verwenden:

Nummer des Regulators. I. II. III. IV. V.
Pferdestärken bei Dampfmaschinen 0–10 10–20 20–60 60–120 120 –
und für Turbinen
Umdrehungszahl pro Minute 162 156 144 132 122

Mit einem im Verhältniß zur Größe der Maschine sehr schweren Regulator wird eine um so vollkommenere Regulirung gewonnen, weil |495| alsdann der Regulator schon bei der kleinsten Geschwindigkeitsänderung eine genügende Kraft zur Bewegung des Gestänges und der Admissionsvorrichtung ausübt. Bei der hohen Empfindlichkeit des Apparates ist also die Möglichkeit gegeben, einer jeden Maschine eine fast vollkommene Gleichförmigkeit des Ganges ertheilen zu können. Angestellte Versuche haben denn auch ergeben, daß das plötzliche Ausrücken einer schwerbelasteten Transmission nicht vermochte an der nun leer gehenden Maschine eine merkbare Beschleunigung hervorzubringen.

Es sey noch bemerkt, daß wenn die absolut beste Regulirung verlangt wird, man bei Maschinen von 10, 20 oder 60 Pferdestärken eher die größere Nummer verwenden wird. Maschinen, bei denen der Regulator den Expansionsschieber oder ein sehr schwerbewegliches Gestänge zu verstellen hat, erfordern meist eine höhere Nummer. Bei Turbinen und Schützenzügen, bei welchen der Uebertrager auf vortheilhafte Weise construirt ist, dürfte oftmals die Nummer IV eine genügende Energie ausüben.

Die angegebenen Umdrehungszahlen sind möglichst genau innezuhalten, weil sonst die betreffende Maschine nicht die verlangte Geschwindigkeit erhalten wird; Differenzen von wenigen Umdrehungen können durch zweckmäßige Belastung des Hebelwerkes ausgeglichen werden.

Soll bei ganz plötzlichen Betriebsstörungen, wie beim Herabfallen eines Hauptriemens, keine Geschwindigkeitszunahme stattfinden, so muß auch die Dampfabsperrung ganz vollständig geschehen können. Man sollte deßhalb der fast nie vollkommen schließenden Drosselklappe entlastete Ventile oder Schieber vorziehen. Da ferner (selbst bei großen Dampfmaschinen) das Regulatorgestänge meistens Kräfte von nur einigen Kilogramnen zu übertragen hat, so dürfen sämmtliche bewegte Theile desselben auf ganz dünnen Zapfen gelagert seyn.

In neuerer Zeit hat man immer größere Anforderungen an die Betriebsmaschinen bezüglich der Regelmäßigkeit ihres Ganges gestellt, so daß viele Industrielle und namentlich Fabrikanten von Dampfmaschinen diesen neuen Regulator, als einem längst gefühlten Bedürfnisse entsprechend, ihre besondere Aufmerksamkeit zuwandten und denselben gegenwärtig ausschließlich in Anwendung bringen. Der Preiscourant der Herren Schäffer und Budenberg in Buckau-Magdeburg über den Buß'schen Regulator enthält nebst einer kurzen Beschreibung auch die Hauptdimensionen desselben, wie: größten Durchmesser, verticale Höhe, Wellenstärke etc.

An einer besonders dafür gebauten Maschine wird jeder einzelne |496| Regulator auf seine Empfindlichkeit und gute Wirkung geprüft, und deßhalb jedes Exemplar unter Garantie für die oben angegebenen Eigenschaften abgegeben.

Bernhard Stauffer,
Constructeur des Buß'schen Regulators.

Magdeburg, im December 1873.

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