Titel: Eine neue Steuerung mit einem Schieber und veränderlicher Füllung bei sonst konstanten Dampfperioden.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1901, Band 316 (S. 335–338)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj316/ar316075

Eine neue Steuerung mit einem Schieber und veränderlicher Füllung bei sonst konstanten Dampfperioden.

(D. R. P. Nr. 115305 und 115502.)

Von O. Herre, Ingenieur und Lehrer.

Die gebräuchlichen Steuerungen für Dampfmaschinen mit einem Schieber, welche eine Veränderung der Füllung ermöglichen, haben den allgemeinen Nachteil, dass mit der Füllung auch alle übrigen Abschnitte der Dampfverteilung verändert werden müssen und zwar meistens im ungünstigen Sinne. Besonders unangenehm erweist sich diese Abhängigkeit aller Perioden voneinander bei kleineren Füllungen, wie sie bei den jetzigen Dampfspannungen zur Erzielung grösserer Wirtschaftlichkeit des Dampfbetriebes angewendet werden müssen. Bei kleinen Füllungen beginnt die Kompression bereits so früh, dass die Kompressionsendspannung bei Auspuffmaschinen nicht selten über die Einlassspannung hinaus ansteigt. Ferner beginnt auch der Voraustritt des Dampfes viel zu früh, so dass die Expansionswirkung des Dampfes nicht vollständig ausgenutzt werden kann. Schliesslich ist auch der Voreintritt des Dampfes in den Cylinder stark verfrüht, wodurch die Dampfwirkung gleichfalls ungünstig beeinflusst wird und auch die Ruhe des Maschinenganges gestört werden kann.

Bei grösseren Füllungen treten die entgegengesetzten Nachteile auf. Die Kompression beginnt sehr spät und liefert eine niedrige Endspannung, was noch insofern Bedeutung hat, als auch der Voreintritt des Dampfes später erfolgt, so dass der Spannungsausgleich im Todpunkt bis auf die Einlassspannung häufig nicht bewirkt werden kann.Das Indikatordiagramm zeigt dann am Anfang der Füllung keine scharfe Ecke, sondern eine Abrundung.

Auch der Voraustritt des Dampfes wird stark beschränkt, während zur Erreichung eines günstigen Spannungsausgleiches am Ende der Expansion bei grossen Füllungen, also auch bei grossen Expansionsendspannungen, gerade das Gegenteil erwünscht wäre.

Die mit der Veränderung der Füllung verbundenen Veränderungen des Voraus- und Voreintrittes des Dampfes vollziehen sich also gerade entgegen der Zweckmässigkeit. Während bei kleinen Füllungen wegen der kleinen Expansionsendspannung ein kleinerer Voraustritt des Dampfes und mit Rücksicht auf die zugleich vorhandene höhere Kompressionsendspannung auch ein kleinerer Voreintritt des Dampfes zulässig und zweckmässig wäre, sind diese beiden Perioden bei kleinen Füllungen am grössten. Bei grossen Füllungen dagegen, wo die grössere Expansionsendspannung einen grösseren Dampf vor aus tritt, und die kleinere Kompressionsendspannung einen grösseren Dampfvoreintritt erfordert, sind diese beiden Perioden am kleinsten.

Man ersieht hieraus, dass die Abhängigkeit aller Perioden von der Füllung zu unbequemen Verhältnissen führt. Die meisten Schwierigkeiten bei Einschiebersteuerungen werden in der Regel jedoch durch das hohe Ansteigen der Kompressionsspannungen bei kleinen Füllungen hervorgerufen.

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Diese Schwierigkeiten vermied man bisher in zweifacher Weise; entweder man blieb bei der Einschiebersteuerung, benutzte aber bei normaler Belastung entsprechend grössere Füllungen, vermied also hierdurch die übermässig hohen Kompressionen, oder man benutzte eine Doppelschiebersteuerung, bei welcher die Füllung durch den zweiten Schieber verändert wird, während die anderen Perioden von dem ersten Schieber allein abhängig und dadurch konstant bleiben, da der erste Schieber für alle Füllungen in gleicher unveränderter Weise wirkt.

Nun ist aber zu bedenken, dass die Benutzung grösserer Füllungen bei Einschiebersteuerungen den Dampfverbrauch erhöhen muss, dass man demnach auch nicht so wirtschaftlich arbeiten kann, wie mit Doppelschiebersteuerungen, bei welchen unter sonst gleichen Verhältnissen durchschnittlich kleinere Füllungen angewendet werden.

Die Einschiebersteuerungen werden daher nur dort mit Berechtigung anwendbar sein, wo ihre besonderen Vorzüge gegenüber den Doppelschiebersteuerungen, nämlich ihre Billigkeit und Einfachheit, ausschlaggebend sind; das ist der Fall bei kleineren Maschinen und bei Schnellläufern.

Textabbildung Bd. 316, S. 336

Insbesondere bei schnellgehenden Maschinen, wo grösste Einfachheit der bewegten Teile geboten ist, und wo auch an den Dampf verbrauch nicht die höchsten Ansprüche gestellt zu werden pflegen, wird die Einschiebersteuerung von Vorteil sein. In allen anderen Fällen jedoch, wo die Einfachheit der Steuerung nicht ausschlaggebend ist und wo ein sparsamer Betrieb gefordert wird, dürfte die Doppelschiebersteuerung der Einschiebersteuerung vorzuziehen sein, wenn nicht aus anderen Gründen Ventil- oder Hahnsteuerungen zweckmässiger erscheinen sollten.

Dem Verfasser ist nun eine Steuerung mit einem Schieber patentiert worden, welche eine Veränderung der Füllung gestattet, ohne dass es nötig wird, auch die anderen Perioden der Dampf Verteilung verändern zu müssen.

Durch diese Steuerung wird daher der hauptsächlichste Nachteil der bis jetzt benutzten Einschiebersteuerungen beseitigt; damit kommt aber auch der wichtigste Beweggrund in Wegfall, der bisher zur Wahl einer Doppelschiebersteuerung an Stelle einer Einschiebersteuerung führte.

Die Einrichtung dieser neuen, durch die D. R. P. Nr. 115305 und 115502 geschützten Steuerung ist folgende:

Der Schieber a, welcher nach Fig. 2 als Kolbenschieber gedacht ist, aber auch als einfacher Rundschieber ausgebildet werden könnte, erhält von dem Exzenter b eine konstante achsiale Bewegung. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, erteilt ein zweites Exzenter c dem Schieber a ausserdem eine rotierende Bewegung, welchejedoch behufs Veränderung der Füllung unter der Einwirkung des Regulators oder des Maschinenwärters steht.

Zu diesem Zwecke könnte z.B. die Exzenterstange eine um den Mittelzapfen d drehbare Kulisse e in Schwingungen versetzen. In der Kulisse befindet sich ein Gleitklotz f, welcher von dem Regler eingestellt wird und dementsprechend durch Vermittelung einer Stange das Rad g in grössere oder kleinere Schwingungen versetzt. Das Rad g überträgt diese Bewegungen durch das Rad h auf den Schieber a.

Jeder Punkt des Schiebers beschreibt demnach eine allgemeine Schraubenlinie, wobei die Steigungsverhältnisse derselben von der Lage des Gleitklotzes f in der Kulisse abhängig sind.

Liegt der Gleitklotz, wie in Fig. 1 gezeichnet, in der Mitte der Kulisse e, so ist die Drehbewegung gleich Null und der Schieber a bewegt sich nur geradlinig. Die Dampfverteilung erfolgt dann genau so wie bei den gewöhnlichen Einschiebersteuerungen.

Wird der Gleitklotz aus seiner Mittellage nach oben verstellt, so führt der Schieber auch eine Drehung aus, welche bei einer Exzenterstellung nach Fig. 3 und der Schieberanordnung nach Fig. 2 ein längeres Offenhalten der Dampfkanäle für den Einlass, also eine grössere Füllung bedingt.

In Fig. 3 bezeichne OI die Kurbel; OII das Exzenter c für die Drehung und OIII das Exzenter b für die Achsialbewegung des Schiebers; ferner ist δ der Voreilwinkel von OIII und δ1 derjenige von OII.

Textabbildung Bd. 316, S. 336

Der Schieber a ist nach Fig. 2 Exzenteranordnung, als sogen. Parallelogrammschieber mit parallelen aber zur Achsialbewegung geneigt liegenden Absperrkanten für den Einlass ausgeführt, während die Absperrkanten für den Auslass ebenfalls parallel sind, aber senkrecht zur Achsialbewegung liegen. Fig. 4 zeigt die Abwickelung des Schiebers und der Gleitfläche.

Textabbildung Bd. 316, S. 336

Die Drehung des Schiebers um seine Achse bewirkt also eine kontinuierliche Veränderung der äusseren Ueberdeckung, während die innere Ueberdeckung konstant bleibt.

Ist nun, wie zuletzt angenommen, der Gleitklotz f in der Kulisse e nach oben verstellt, |337| so bewirkt die Drehung des Schiebers während der Oeffnung des Einlasskanals eine Verkleinerung der wirksamen äusseren Ueberdeckung, also ein längeres Offenhalten des Kanales. Wird der Gleitklotz in der Kulisse nach unten verstellt, so erfolgt die Drehung in entgegengesetzter Richtung, die äussere Ueberdeckung wird vergrössert und das Offenhalten des Einlasskanales beschränkt.

Textabbildung Bd. 316, S. 337

Die fortwährende Veränderung der äusseren Ueberdeckung durch die Drehung ist an den Diagrammen Fig. 5 und 6 zu verfolgen.

Es ist für die Darstellung das Zeuner'sche Diagramm gewählt und eine Drehrichtung der Kurbel im Sinne der Uhrzeigerbewegung angenommen worden. Das Einlassdiagramm liegt im oberen Kurbelhalbkreise und ist durch stärkere Linien hervorgehoben. Die Darstellung bezieht sich auf die linke Seite des Schiebers a in Eig. 2.

Liegt der Gleitklotz f in der Mitte der Kulisse, ist also die Schieberdrehung gleich Null, so bleibt die äussere Ueberdeckung konstant. In den Eig. 5 und 6 gilt dann der konzentrische Kreis nm, wobei n den Beginn der Voreinströmung und m das Ende der Füllung bestimmt. Bei dem beliebig gewählten Beispiel ist diese Füllung 45 % gross.

Das Diagramm Fig. 5 ist nun unter der Voraussetzung gezeichnet, dass der Gleitklotz f entweder ganz oben oder ganz unten in der Kulisse liegt. Die entsprechenden Grenzfüllungen sind durch die Punkte l und k bestimmt und betragen 68 % bezw. 3 %. Diese Grenzfüllungen lassen sich nach folgendem Verfahren ermitteln.

Da die Drehung des Schiebers a und die Veränderung der äusseren Ueberdeckung zur Drehung des Exzenters c in demselben Verhältnis steht wie die Achsialbewegung des Schiebers zur Drehung des Exzenters b, so lassen sich die Veränderungen der äusseren Ueberdeckungen ebenfalls durch den Zeuner'schen Schieberkreis darstellen.

In Fig. 5 ist op der Durchmesser dieses Kreises, der gleich der grössten Zunahme bezw. Abnahme der Ueberdeckung ist und aus den Verhältnissen des Antriebes bestimmt werden muss. Die Mittellinie dieses Kreises ist um den Winkel δ1 (vgl. Fig. 3) gegen die Vertikale nach links geneigt einzutragen. Hat man die Grosse und Lage des Kreises richtig ermittelt, so ist die Sehnenlänge, welche eine beliebige Kurbellage in diesem Kreise liefert, gleich der zugehörigen Vergrösserung oder Verkleinerung der äusseren Ueberdeckung. Trägt man daher diese Sehnen radial an den konzentrischen Kreis nm nach aussen oder innen an, so erhält man die – – – – Linie nk, bezw. die – • – • – • – Linie nl, welche die Veränderung der wirksamen Ueberdeckung erkennen lassen und durch ihren Schnittpunkt mit dem gewöhnlichen Schieberkreise die Füllung bestimmen.

In dem Diagramm Fig. 6 ist angenommen, dass der Gleitklotz f nicht ganz nach oben oder nach unten eingestellt wurde. Der Durchmesser op1 des Kreises für die Schieberdrehung ist daher entsprechend kleiner, seine Mittellinie aber unverändert geblieben. Trägt man wieder die Sehnen dieses Kreises nach aussen oder innen von dem Kreise nm ab, so erhält man die Linien nk1 bezw. nl1 die diesmal durch die Schnittpunkte k1 bezw. l1 Füllungen von 22 % bezw. 58 % bestimmen.

Soll die Voreinströmung immer bei derselben Kurbelstellung erfolgen, so muss Punkt n als Schnittpunkt aller Ueberdeckungslinien mit dem Schieberkreise an derselben Stelle verbleiben. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Winkel δ1 gleich dem Winkel son gemacht wird. Die Grosse der Voröffnungen für den Einlass bleibt dann allerdings nicht für alle Füllungen konstant; doch könnte man dies erreichen, wenn δ1 = o gewählt wird. Damit wird aber der Beginn der Voreinströmung dem Wechsel unterworfen. Wählt man δ1 zwischen Null und dem Winkel son, so erhält man annähernd gleiche Voröffnungen für den Einlass bei annähernd gleichbleibendem Beginn der Voreinströmung. Die Kompression, die Vorausströmung und die Grosse der Voröffnung für den Auslass sind dagegen konstant und stehen in keiner Abhängigkeit zur Schieberdrehung.

Der Antrieb der Drehbewegung des Schiebers kann natürlich noch in anderer Weise konstruktiv bewirkt werden.

In den Fig. 7 bis 10 ist eine Einrichtung dargestellt, die sich für die Anwendung eines Flachreglers oder Achsenregulators empfiehlt.

Hier verstellt der Regulator direkt das Exzenter c für die Drehbewegung; Fig. 7 würde der grössten, Fig. 9 der mittleren und Fig. 10 der kleinsten Füllung entsprechen. Der Mittelpunkt der Exzenterscheibe muss von dem Regulator auf einer durch den Wellenmittelpunkt gehenden Geraden oder Kurve verschoben werden. Hierbei ist es natürlich möglich, jede der praktisch erprobten Konstruktionen zur Exzenterverstellung anzuwenden.

Textabbildung Bd. 316, S. 337

In den Fig. 7 und 8 sind die Zahnräder der Fig. 1 und 2, die besonders bei schnellerem Gange besser vermieden werden, durch Hebel ersetzt.

Eine besonders einfache Konstruktion erhält man für stehende Maschinen in der Anordnung Fig. 11 bis 13.

Die Regulatorwelle a wird in der üblichen Weise durch Kegelräder oder Hyperbelräder von der Hauptwelle angetrieben. Der Regulator verstellt entweder direkt oder bei zu kleinem Hube eventuell mittels einer Uebersetzung das Keilstück b, welches sich in der Exzenterscheibe c führt. Hierdurch wird die Exzentrizität des Exzenters verändert. Die Exzenterscheibe c ruht in einer Schwalbenschwanzführung des

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Textabbildung Bd. 316, S. 338

Kopfes d, der auf der Regulatorwelle fest aufgekeilt ist und sich in dem Ständer e führt. Das Exzenter c wirkt dann direkt auf die Drehung der Schieberstange f ein.

Durch diese Anordnung wird eine sehr einfache und unmittelbare Uebertragung der Bewegung erzielt und auch der Regulator von einem eventuellen Rückdruck befreit.

Ein Vorteil der hier erörterten Steuerung dürfte noch die Zwangläufigkeit sein, die auch die Verwendung selbst bei höheren Umlaufszahlen gestattet. Weiter ist diese Steuerung auch bei sehr hochgespanntem oder hochüberhitztem Dampfe verwendbar.

Für hoch überhitzten Dampf kommen bekanntlich neben den Ventilsteuerungen nur einfache Kolbenschiebersteuerungen in Betracht. Die doppelten ineinander gleitenden Kolbenschieber haben sich bei den hohen Temperaturen und bei den schwierigen Ausdehnungsverhältnissen nicht bewährt. Da nun aber die einfachen Kolbenschieber die schon erwähnten Nachteile besitzen, andererseits aber bei der Verwendung hochüberhitzten Dampfes die grösste Wirtschaftlichkeit gefordert wird, so sah man bisher gewöhnlich von den üblichen Einschiebersteuerungen ab; man verwendete vielmehr zwei Kolbenschieber, die aber nicht ineinander gleiten, sondern in besonderen Gleitflächen nebeneinander liegen. Der eine Schieber steuert den Einlass, der andere den Auslass.

Demgegenüber könnte man bei der Verwendung der vorliegenden Steuerung mit einem Schieber bei derselben Wirtschaftlichkeit des Betriebes auskommen. Allerdings wäre dann der Schieber entsprechend zu konstruieren, besonders wäre Innenströmung anzuwenden, damit die Stopfbüchsen der Schieberstange geschützt im Abdampf liegen.

In Verbindung mit einer geeigneten Umsteuerung wäre die Steuerung übrigens auch für Schiffsmaschinen oder Lokomotiven unter gewissen Umständen brauchbar und nützlich.

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