Titel: Sirk, Theorie der Deprez-Umsteuerung.
Autor: Sirk, Victor H.
Fundstelle: 1876, Band 221 (S. 97–105)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj221/ar221030

Theorie der Deprez-Umsteuerung; von Victor H. Sirk in Pola.

Mit Abbildungen auf Taf. III [a.c/1].

Der Umsteuerungsmechanismus von Deprez, von welchem bereits in diesem Journale (* 1876 219 7) berichtet wurde, besteht aus einem kreisförmigen, in Führungen M, N (Fig. 1) verschiebbaren Gleitrahmen, welcher direct die Führung des gewöhnlichen Muschelschiebers besorgt. Der Excenterarm EA. überträgt die Bewegung des Excenters auf den Gleitrahmen, und es kann das Gleitstück A mittels der Hängeschiene AB durch den Reversirhebel BCD gehoben oder gesenkt, bezieh, das Gelenk A in den beiden Enden des bogenförmigen Schlitzes KL eingestellt werden. Das Excenter ist der Dampfkurbel diametral gegenüber aufgekeilt, der Schlitz des Gleitrahmens nach einem Kreisbogen geformt, dessen mittlerer Halbmesser gleich der Excenterstangenlänge EA = 1 ist. Die Aufhängung des Excenterarmes muß derart gewählt werden, daß das Gelenk A nahezu an eine zur Führungsmittellinie MN parallele Bahn HJ (Fig. 2) gebunden erscheint. Die Figur 2 stellt das Schema des Mechanismus dar, und es kann EOF unmittelbar als Drehungswinkel w der Kurbel aufgefaßt werden, weil den positiven wie den negativen Winkeln ohnedies der gleiche Kolbenweg entspricht und auf diesen die Dampfvertheilung bezogen werden soll. Es mag nun irgend ein Punkt des Gleitrahmens als Schiebermittel angesehen werden, weil für horizontale Verschiebungen alle Punkte dem gleichen Bewegungsgesetze folgen. Denkt man sich das Schleifstück in der Entfernung AF = y von der Führungsmittellinie eingestellt und bezeichnet OE = r die Excentricität, so ergibt sich unmittelbar aus dem geometrischen Zusammenhang der Figur 2:

Textabbildung Bd. 221, S. 97

Die Entfernung des Schiebermittels von dem Wellencentrum für die beiden todten Punkte bestimmt sich:

OF₁ = r + √(l² – y²) und OF₂ = – r + √(l² – y²),

|98|

weshalb der Abstand des Schwingungsmittelpunktes X für ein gleiches lineares Voreilen OX = (OF₁ + OF₂)/2 = √(l² – y²) wird.

Die Gleichung des Schieberweges oder die jeweilige Entfernung des Schiebers vom Mittelpunkte der Schwingung ist nun für den Drehwinkel w:

Textabbildung Bd. 221, S. 98

und, für die Wurzelgrößen die ersten zwei Glieder der Reihe gesetzt, näherungsweise:

Textabbildung Bd. 221, S. 98

wovon endlich noch das letzte Glied vernachlässigt werden kann, und sich somit die Gleichung ergibt:

s = r cos w + yr/l sin w + Z,

in welcher Z das Fehlerglied bedeutet. Die Gleichung des Schieberweges wurde also in der von Zeuner aufgestellten allgemeinen Form s = A cos w + B sin w + Z dargestellt, und das Zeuner'sche Kreisdiagramm kann unmittelbar zur Untersuchung der herbeigeführten Dampfvertheilung verwendet werden, indem A = r und B = ry/l, für das gewählte y gerechnet, die doppelten Mittelpunktscoordinaten ergeben. Die Gleichung des Schieberweges trägt das eigenthümliche Gepräge der Umsteuerung in sich: für ein negatives y, d.h. wenn das Schleifstück über den todten Punkt des Schlitzes unter der Führungsmittellinie eingestellt wird, erscheint B entschieden negativ. Man gelangt jedoch wieder auf den gleichen Schieberweg, d. i. zur richtigen Dampfvertheilung, indem man (– w) statt w setzt, d.h. wenn die Drehung im entgegengesetzten Sinne erfolgt, weil sodann cos w als negativer Ausdruck wieder den ursprünglichen positiven Werth herbeiführt.

Kreisdiagramm für die Quadrantenstellungen der Kurbel.

Bezeichnen a und b (Fig. 3) die Coordinaten des Mittelpunktes der Schieberkreise, so muß offenbar

a = OA/2 = F(0)/2, b = OB/2 = F (90)/2

sein, und es können diese leicht durch Substitution der Werthe 0 und |99| 180, 90 und 270 in die Function des Schieberweges gefunden werden, wobei sich ergibt, daß

Textabbildung Bd. 221, S. 99

Man verzeichnet diese Kreisgruppen, indem man aus O (Fig. 4) mit der Excentricität OA = r und OC = 1 der Excenterstangenlänge zwei Kreise verzeichnet, in D, D, und D₂ beliebige Stellungen des Schleifstückes zur Untersuchung wählt, so daß DH = y ist, durch diese Punkte Parallele zur X-Achse zieht, und aus K und L mit der Excenterstangenlänge OD = KE = LF Kreisbögen verzeichnet, welche die den variablen y entsprechenden Ordinaten an den Parallelen abschneiden. Errichtet man in A und B Perpendikel, trägt AP = DE und BQ = DF auf, so erhält man in P und Q die Mittelpunkte der Schieberkreise, welche auf die bekannte Weise ein Bild der Schieberbewegung geben. Analog erhält man für jede der gewählten Stellungen die Mittelpunkte der Schieberkreise, welche in Figur 4 dargestellt erscheinen. Der Beweis für die Richtigkeit der Construction erhellt aus dem geometrischen Zusammenhange der Figur 4:

Textabbildung Bd. 221, S. 99

(Nach dem angegebenen Verfahren erhält man den Schieberkreis in doppelter Größe.)

Die erlangten Schieberkreise erschöpfen den Schieberweg bei den Quadrantenstellungen der Kurbel vollkommen und wären für den Entwurf solcher Steuerungen anzuempfehlen, nachdem bei diesen Stellungen nahezu die Momente der Canaleröffnung und Schließung erfolgen.

Diese Kreisgruppe bringt das durch die Deprez-Steuerung factisch erreichte, für alle Expansionsgrade gleichbleibende, constante Voreilen anschaulich zur vollen Geltung.

Aus der Gleichung des Schieberweges kann entnommen werden, daß die Centralcurve dieser Kreisgruppe wie bei Gooch's und Fink's Coulisse eine Parallele zur Y-Achse ist, weil A = r von y unabhängig ist.

Kreisdiagramm für den vollen Ausschub.

Eine zweite Gruppe, welche im Verein mit der eben aufgestellten Kreisgruppe die durch diese Steuerung hervorgerufene Schieberbewegung Heller beleuchtet, erhält man durch folgende Betrachtung: Die Function des Schieberweges kann im Allgemeinen durch ein Kreisdiagramm dargestellt |100| werden, und man findet dessen Durchmesser OE als das Maximum von s = F (w). Der erste Differentialquotient muß ds/dw = 0 sein, woraus der Winkel FOA = α (Fig. 5) bestimmt werden kann. Der Werth des Maximums selbst stellt den Durchmesser OK des Schieberkreises dar.

Textabbildung Bd. 221, S. 100

Dieser Werth gleich Null gesetzt, geht w in α über, weshalb

Textabbildung Bd. 221, S. 100

Für sin α aufgelöst, findet man sin α = ± y/(l ± r).

Der Werth (+ y/[l + r]) entspricht dem Winkel α, (– y/[l – r]) einem Winkel 180 + α', welcher den zweiten Schieberkreis trägt. Der zweite Differentialquotient ist für den ersten Werth negativ und F (w) ein Maximum, für den Werth (– y/[l – r]) entschieden positiv, weshalb F (180 + α') dem Minimum (negatives Maximum) entspricht. Die Durchmesser der Schieberkreise findet man als den Werth des Maximums, indem man α in F (w) einsetzt, mit

Textabbildung Bd. 221, S. 100

Verzeichnet man sich nun mit der Excenterstangenlänge OC = 1 (Fig. 5) einen Kreisbogen, zieht durch die im vorigen Falle gewählten Punkte D, D₁ Parallele zur X-Achse, trägt BC = CA = r auf und beschreibt aus O durch A und B Kreisbögen, so schneiden diese unmittelbar auf den gezogenen Parallelen die Durchmesser der Schieberkreise ab. Verbindet man E und F mit O, so sind zugleich die Winkel FOA = α und EOA = α' dargestellt. Trägt man DF = OP, DE = OQ auf, so erhält man die Mittelpunkte des ersten Kreispaares für die Stellung des Schleifstückes in D und DH = y.

Die Kreisgruppen stellen die Schieberbewegung in der Nähe des vollen Ausschubes erschöpfend dar, obwohl sie das constante Voreilen nicht veranschaulichen und daher für die Praxis nur von untergeordnetem Werthe sind. Die Centralcurven dieser Gruppe von Schieberkreisen sind Parabeln höherer Ordnung, deren beide Aeste nach rechts offen liegen. Der Beweis für die Richtigkeit der Construction kann leicht dem folgenden entnommen werden.

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Textabbildung Bd. 221, S. 101

Die Schieberbewegung wurde daher durch drei wesentlich verschiedene Kreisgruppen ersetzt, welche die Dampfvertheilung auf die bekannte Weise kennzeichnen.

Die Kreisgruppen für die Quadrantenstellungen der Kurbel und für den Maximalwerth der Function oder für den vollen Ausschub lassen kein Fehlerglied erkennen, was als ein Mangel der eingeschlagenen Methoden angeführt werden muß, obwohl anderseits leicht construirbare durchsichtige Coordinaten der Schieberkreise erhalten wurden.

Einfluß des Fehlergliedes.

Wird die aus der Reihenentwicklung erhaltene Gleichung des Schieberweges s = r cos w + ry/l sin w als die durch das Kreisdiagramm dargestellte Normaldampfvertheilung angenommen, so stellen die nachfolgenden Glieder aus der Reihenentwicklung, welche in dem Ausdrucke Z zusammengefaßt wurden, die Abweichung von dem im Kreisdiagramm gegebenen Schieberweg dar. Das Fehlerglied erscheint in der Form Z = C sin³w,1) und es findet die größte Abweichung statt, wenn Z ein Maximum wird. (dZ/dw) = 3 l sin²w cos w, welches für w = 0 und 180, 90 und 270 Null wird. Bei den todten Punkten ist die Abweichung gleich Null, und der Kreis der ersten Gruppe erschöpft den Schieberweg. Bei den Drehwinkeln 90 und 270° findet ein Maximum der Abweichung statt, wie der zweite Differentialquotient lehrt. Nachdem das Abschneiden des Dampfes häufig bei halben Füllungen stattfindet, so wäre die erste Kreisgruppe in der Praxis für den Entwurf von derlei Steuerungen nicht anzuempfehlen, nachdem sie den Unregelmäßigkeiten der Schieberbewegung in keiner Weise gerecht wird, wie die Gruppe der andern entwickelten Schieberkreise. Das Bewegungsgesetz des Schiebers zeigt eine so große |102| Aehnlichkeit mit Fink's Steuerung, daß nur eine genaue Untersuchung zum Ausspruche berechtigt, daß bei der Deprez-Steuerung die beirrende Abweichung von der idealen Dampfvertheilung größer als bei Fink's Steuerung ist, weshalb bei sonst gleicher Anwendbarkeit dem letztern Umsteuerungsmechanismus der Vorzug gegeben werden muß.

Betrachtung des Schieberdiagrammes.

Figur 6 stellt die aus sorgfältigen Uebertragungen der Schieberwege für den Vor- und Rückwärtsgang bei einer Versuchssteuerung entstandenen Kreisdiagramme dar. Die aus einer Reihe von Versuchen als die zweckentsprechendst befundene Modellsteuerung hatte als Hub des Excenters r = 25mm, Länge der Excenterstange 175mm, Maximalwerth des Abstandes y = 125mm, wobei ein Schieberweg von 100mm stattfand; die Länge der Aufhängestange war 500mm, die äußere Deckung mußte mit 30mm gewählt werden, um ein lineares Voreilen von 5mm zu erhalten. Die Aufhängung des Excenterarmes muß derart gewählt werden, daß die Sehne des bei der Bewegung beschriebenen Kreisbogens zur Führungslinie parallel ist. Die Hängeschiene soll so groß, als mit der Sicherheit der Construction verträglich ist, mindestens jedoch 12r gewählt werden. Die Länge des Hebels BC ist gleich der Länge des Excenterarmes, und C befindet sich senkrecht unter dem Wellencentrum. Die größte Dimension y darf l–2r nicht überschreiten.

Bei Betrachtung der Schiebercurven Figur 6 drängt sich zuerst die Beobachtung auf, daß der Schieber bei der erforderlichen Adjustirung auf gleiches Voreilen für gegenüberliegende Stellungen der Dampfkurbel ungleiche Ausschube zu beiden Seiten des Schwingungsmittelpunktes erfährt, – eine Eigenthümlichkeit, welche, wie die Construction erkennen läßt, durch die beschränkte Länge der Excenterstange hervorgerufen wird und in dem Maße allen Steuerungen anhaftet, als die Bewegungsübertragung durch kurze Excenterstangen besorgt wird. Die einzelnen Phasen der Dampfvertheilung werden daher für die beiden Kolbenbewegungen ungleichmäßig herbeigeführt, und die Dampfvertheilung ist nicht vollkommen theoretisch richtig. Bei gleicher äußerer Deckung OA = a erhielte der Cylinder bei der Bewegung des Kolbens von rechts nach links AM (45 Proc.) und beim Rücklauf AN (66 Proc.) Füllung. Diese Verschiedenheit der Admissionsperiode herrscht durch alle Expansionsgrade und wächst mit der größern Füllung. Dem Uebelstande kann durch ungleiche Ueberdeckungen theilweise begegnet werden. Wählt man am rechten Dampfcanal, wo die geringere Füllung stattfindet, eine kleinere äußere und am entgegengesetzten Schieberlappen eine kleinere |103| innere Deckung, so erreicht man zum mindesten für die am meisten in Aussicht genommenen Expansionsgrade gleiche Füllungen und gleiche Compression.

Das Schieberprofil, Figur 7, bei einer Canalweite von 30mm zeigt 20 und 24mm links, 12 und 30mm rechts Deckung und läßt für die Expansionsstufen D bis D₂ einen ruhigen Gang der Maschine erwarten. Für D₁ erfolgt bei 50 Proc. Füllung gleichmäßige Dampfvertheilung. Zum Ansetzen der Maschine kann 60 Proc. Füllung angewendet und die Maschinenkraft ohne Nachtheil auf 35 Proc. vermindert werden. Die Dampfvertheilung, welche bei dem vorgeführten Schieberprofil die Modellsteuerung herbeiführt, ist aus nachfolgendem Schema ersichtlich.

Links Rechts
für D für D für D für D
Füllung 60 Proc. 38 Proc. 66 Proc. 33 Proc.
Expansion 37 „ 55 „ 28 „ 53 „
Vorausströmung 3 „ 7 „ 6 „ 14 „
Ausströmung 71 „ 43 „ 70 „ 60 „
Compression 26 „ 43 „ 29 „ 38 „
Voreinströmung 3 „ 14 „ 1 „ 2 „

Schlußbemerkung.

Der Gleitrahmen hat bei der in Figur 1 dargestellten Form bedeutende Dimensionen, welche die Stabilität und den ruhigen Gang der äußern Steuerung gefährden, oder massive Detailconstruction und lange Führungen voraussetzen. Nachdem die excentrische Scheibe und der Gleitrahmen nicht in der gleichen Ebene arbeiten, kann der Rahmen bedeutend verkleinert werden, so daß er die in Figur 8 dargestellte Form zeigt und neben der excentrischen Scheibe schwingt. Der Steuerungsapparat wird dadurch compacter und leichter, wie auch die Führung sicherer. Gestatten Raumverhältnisse eine Schubstange von mindestens 41 Länge einzuschalten, welche das Schleifstück mit der Schieberstange in Gelenken verbindet, so kann, ohne große Abweichung in der Dampfvertheilung für zwischen engen Grenzen veränderliche Füllung, der Gleitrahmen ganz weggelassen werden, wie die Figur 9 zeigt. Eine solche Construction wäre nur für kleine Maschinen oder Locomobilen anzuwenden, bei welchen Dampfökonomie hinter Einfachheit zurücksteht. Für solche wäre die Umsteuerung mit variabler Füllung eine durch geringe Schwierigkeiten erkaufte nützliche Zugabe. Der Schieber schwingt nur für ein Expansionsverhältniß in seinem Mittel, und der Dampf muß während des Stillstandes durch das Drosselventil abgesperrt werden.

Bei sicherer Führung der Enden K und L der Coulisse auf der Seite des Schieberkastens könnte man davon Abgang nehmen, den |104| Rahmen zu schließen und auf der entgegengesetzten Seite der Achse noch eine Führung zu geben, wie dies in Figur 10 dargestellt ist.

Der Nachtheil des ungleichen Ausschubes, welcher dieser Steuerung eigenthümlich ist, wurde im Vorhergehenden besprochen und demselben durch ein unsymmetrisches Schieberprofil größtentheils begegnet, wobei ein anderer Uebelstand hervorgerufen wurde, welcher den gleichmäßigen Gang zu stören droht. Eine Betrachtung der Figur 6 zeigt, daß das lineare Voreilen am rechten Dampfcanal in Folge der geringern äußern Ueberdeckung constant größer bleibt als am linken Dampfcanal. Die Adjustirung des Schiebers erfordert größere Genauigkeit und Sachkenntniß. Aus Figur 6 ist ferner ersichtlich, daß der Ausschub bei den todten Punkten für alle Füllungen unverändert gleich der Excentricität ist, weshalb die äußere Ueberdeckung groß – nur um den geringen Betrag des linearen Voreilens geringer gewählt werden muß als der Hub des Excenters. Eine große äußere Ueberdeckung bringt große Schieberdimensionen mit sich, welche einen erheblichen Dampfdruck empfangen und bedeutenden Reibungswiderstand verursachen, welcher Entlastungsvorrichtungen bedingt. Der Ausschub ist im Verhältniß zur Canalbreite im Vergleich mit andern Coulissensteuerungen größer, und die Bewegung des Schiebers bedingt einen vermehrten Kraftaufwand, welcher den Nutzeffect der Maschine verkürzt. Eine größere äußere Ueberdeckung verursacht ferner einen schleichenden Abschluß der Dampfwege, in Folge dessen der Dampf besonders bei geringen Füllungsgraden am Schlusse der Admissionsperiode gedrosselt wird.

Um durch die der Steuerung anhaftende bedeutende Compression des Hinterdampfes keine Spannungen hervorzurufen, welche die Schieberplatte abheben würden, und anderseits die Compressionsarbeit durch den zurückgehaltenen Dampf zu decken, müssen die Zuleitungscanäle und der sogen, schädliche Raum groß gehalten werden. Dadurch wird aber das Medium vergrößert, welches eine nutzlose Wärmeabgabe des zuströmenden an den abgehenden Dampf vermittelt. Große schädliche Räume begünstigen die Condensation des Arbeitsdampfes bei seinem Zutritt in den Cylinder an den vom abströmenden Dampf abgekühlten Wänden der Dampfcanäle.

Denkt man sich den Steuerungsmechanismus in der in Figur 10 verzeichneten Lage, so übt das Excenter seinen Schub in der Richtung nach P aus, welche mit dem Sinne der Bewegung des Gleitrahmens einen stumpfen Winkel bildet. Die Componente p, welche die Bewegungshindernisse des Schiebers überwindet, fällt für diese Stellung gering aus, während ein bedeutender Zug auf die Hängeschiene ausgeübt |105| und auf den Zapfen A übertragen wird. Die Kraftübertragung stellt sich um so ungünstiger dar, je größere Füllung gegeben wird. Der Steuerungsmechanismus ist daher einer großen Abnützung ausgesetzt und wird einen unruhigen Gang verursachen, weshalb y = l – 2r als Maximalwerth festgesetzt wurde.2)

Die Mängel der Deprez'schen Steuerung wurden im Vorhergehenden besprochen, ohne deren Vorzüge hervorzuheben, weil der Charakter der Einfachheit, welcher mit einem Minimum an beweglichen Theilen eine für manche Zwecke nur durch complicirtere Mechanismen erreichbare variable Füllung mit Umsteuerung vermittelt, zu augenscheinlich ist, um besonders betont zu werden. Nichts destoweniger könnte die vorliegende Steuerung nur in wenigen Fällen die Stephenson'sche Coulisse mit Vortheil ersetzen. Die ungünstige Kraftübertragung ermöglicht nur bei mäßigen Tourenzahlen einen ruhigen Gang, so daß die Deprez-Steuerung bei hoher Kolbengeschwindigkeit ausgeschlossen scheint, obwohl sie sich der Dampfvertheilung nach für höher gespannte Dämpfe mit directer Abströmung empfehlen würde. Die Bedienung der Umsteuerung ist sicher und rasch, erfordert jedoch im Vergleich mit andern Vorrichtungen einen größern Kraftaufwand, weil der Dampfschieber durch einen größern Weg geführt werden muß. (Auszugsweise nach Stummer's Ingenieur, 1875 Nr. 95 bis 97.)

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Textabbildung Bd. 221, S. 101

|105|

Derselbe Einwand wurde auch in der frühern Abhandlung (1876 219 8) gegen diese Steuerung erhoben.

Die Red.

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