Die Steuerung der Dampfmaschine


Die Aufgabe der Steuerung der Dampfmaschine besteht darin, die vier Perioden des Arbeitsvorganges so zu regeln, daß das vom Indikator aufgezeichnete Diagramm dem theoretisch entworfenen möglichst nahe kommt. Demnach braucht die Steuerung nur dafür zu sorgen, daß genau in den Punkten und e der Abschluß, in c und f die Öffnung der Kanäle erfolgt. Diese Forderung ist schwieriger zu erfüllen, als es den Anschein hat. Das zeigt die große Zahl der patentierten Steuerungsmechanismen, die alle die Lösung dieser Aufgabe erreichen sollen.
Das theoretische Diagramm geht davon aus, daß der Schluß und die Öffnung der Kanäle plötzlich erfolgen, eine Bedingung, die überhaupt nur annähernd zu erfüllen ist.

a) Die Schiebersteuerungen

a) der Muschelschieber

Die einfachste und weitestverbreitete Steuerung ist der
Muschelschieber. In Abb.8 ist ein solcher in seiner Mittellage dargestellt, so daß er durch das Exzenter nach rechts und links um gleiche Strecken bewegt werden kann.
Da der Schieber symmetrisch gebaut ist, so genügt es, die Arbeitsweise seiner linken Hälfte zu betrachten.

Da der Schieber symmetrisch gebaut ist, so genügt es, die Arbeitsweise seiner linken Hälfte zu betrachten. Nehmen wir zunächst an, daß seine Kanten gerade mit den Kanalkanten abschließen, so erkennen wir aus der Skizze unter der Schieber-Abbildung die Abhängigkeit der Bewegungen von Kurbel und Exzenter und damit von Kolben und Schieber: der Schieber muß sich in der Mittellage befinden, wenn der Kolben seinen Hub beginnt; Exzenter und Maschinenkurbel müssen um 90° gegeneinander versetzt sein.
Beginnt nun die Bewegung des Kolbens, so öffnet zugleich der Schieber den Kanal. Das Schließen des Kanals erfolgt erst, wenn das Exzenter um 180° vorwärts gedreht und der Kolben in seinem 2. toten Punkt angelangt ist. Wir erhalten also keine Expansion.
Ähnlich steht es mit der Auslaßkante, sie beginnt erst im toten Punkt den Kanal zu öffnen – die Folge ist starker Gegendruck während des Kolben-Rückweges, da der Dampf nicht plötzlich aus dem Zylinder verschwinden kann – der Kanal wird erst geschlossen, wenn der Kolben im andern Totpunkt ist – also keine Kompression.

Abb.9 zeigt einen Schieber, der den aus dem Diagramm abgeleiteten Bedingungen besser gerecht wird.

ie Fläche, mit der er die Kanäle zudeckt, ist verbreitert um die Stücke a und i, äußere und innere Überdeckung genannt. Soll nun der Schieber den Kanal bei Beginn des Kolbenhubes schon um ein Stück ve geöffnet haben, damit der volle Dampfdruck gleich zur Wirkung kommt, so muß er bei der Totlage des Kolbens schon um die Strecke a + ve rechts von seiner Mittellage stehen. So ist er in der 2. Stellung in Abb.9 gezeichnet. – Das bedingt aber, daß das Exzenter jetzt um 90° + d° gegen die Kurbel versetzt ist.

Den Winkel d nennt man den Voreilungswinkel. Seine Größe wird aus der Gleichung a + ve = r · sin d bestimmt. Das Öffnen für den Dampfeinlaß vor Beginn des Kolbenhubes wird bedingt durch den Voreilungswinkel, das rechtzeitige Schließen dagegen durch die äußere Überdeckung; ebenso bewirkt die innere Überdeckung das rechtzeitige Abschließen des Kanals gegen den austretenden Dampf.
Die Unvollkommenheit des Muschelschiebers besteht nun darin, daß die 4 Perioden der Dampfverteilung nicht willkürlich angeordnet werden können, wie es dem günstigsten Diagramm entsprechen würde. Denn da die 4 steuernden Kanten zu demselben Körper gehören, so besteht zwischen ihren Bewegungen eine gewisse Abhängigkeit.
Versuchen wir z.B. durch einen größeren Voreilungswinkel zum Zweck einer weiteren Expansion die Füllung zu verringern, so wird dadurch zugleich ein früherer Beginn der Ausströmungsperiode erreicht, den man nicht beabsichtigt hat.
In ähnlicher Weise machen sich Änderungen an den Größen der inneren und äußeren Überdeckung geltend. Der Konstrukteur hat also die einander widerstrebenden Einflüsse abzuwägen, um für den Einzelfall die günstigsten Verhältnisse zu schaffen.
Die zweite Unvollkommenheit des einfachen Muschel-schiebers besteht darin, daß das Öffnen und Schließen der Dampfkanäle nicht schnell genug geschieht, wenn man das Exzenter nicht unverhältnismäßig groß machen will.
Dadurch wird der Dampf gedrosselt, der sich durch schmale Schlitze hindurchzwängen muß, er verliert an Spannung, was auch der Indikator zu erkennen gibt.

Wir werden jetzt an einigen Beispielen sehen, auf welche Weise man versucht hat, dieses Problem zu relativieren.

b) der Kanalschieber

Der zuletzt genannte Fehler kann verbessert werden durch Anordnung von Kanälen in dem Schieber selbst, wodurch dem Dampf von 2 steuernden Kanten der Kanal geöffnet wird, mit der Wirkung, als ob die Schiebergeschwindigkeit verdoppelt wäre. In Abb.10 ist der Weg des Dampfes durch Pfeile bezeichnet. Man nennt diese Konstruktion nach dem Erfinder den Trickschen Kanalschieber.

c) die Expansionsschiebersteuerungen

Die Unabhängigkeit der einzelnen Dampfverteilungs-perioden voneinander wird zum Teil durch die sogenannten Expansionsschiebersteuerungen erreicht. Diese brauchen 2 Schieber, von denen der Grundschieber die Einrichtung eines gewöhnlichen Muschelschiebers hat, der andere, Expansionsschieber genannt, nur die Funktion zu erfüllen hat, den Dampf rechtzeitig abzusperren. Jeder Schieber wird von seinem eigenen Exzenter angetrieben. Der Expansionsschieber bewegt sich entweder auf einem besonderen Schieberspiegel oder auf dem Rücken des Grundschiebers.

d) die Corlißsteuerung 

Ein noch wirksameres Mittel besteht darin, daß man die steuernden Kanten für Einlaß und Auslaß des Dampfes gänzlich voneinander trennt, wie es bei der von dem Amerikaner Corliß erfundenen Steuerung der Fall ist. Hier befinden sich an jedem Ende des Zylinders 2 Dampfkanäle mit Schiebern, je einer für die Einströmung und Ausströmung des Dampfes. Die Schieber selbst haben zylindrische Form und werden durch Drehung bewegt, so daß sie genau wie flache Schieber die Kanäle öffnen und schließen. Es werden nun die beiden Einlaßschieber und die Auslaßschieber durch je ein besonderes Exzenter angetrieben. Dadurch wird tatsächlich eine recht günstige Dampfverteilung erreicht.

e) die entlasteten Schieber

Auf einen wichtigen Punkt ist hinzuweisen, der mancherlei Konstruktionen veranlaßt hat: die
Schieberreibung. Der Schieber befindet sich im Schieber-kasten unter Dampfdruck, der ihn mit einer gewissen Kraft gegen den Schieberspiegel preßt; wenn die berührenden Flächen auch durch die Bearbeitung und die Bewegung aneinander geglättet sind, so besteht doch zwischen ihnen eine gewisse Reibung, die die Bewegung des Schiebers bremst und die von dem Gestänge überwunden werden muß, das die Bewegung von der Kurbelwelle auf den Schieber überträgt. Die Größe des
Reibungswiderstandes R hängt nun von dem Dampfdruck p ab, der Schieberfläche F und der Beschaffenheit der gleitenden Flächen, ausgedrückt durch den Reibungskoeffizienten m.
Es gilt die Gleichung R = F · p · m.

Beispiel:
Es sei für eine Maschine ein Schieber mit einer Fläche von 30 cm Länge und 20 cm Breite für einen Dampfdruck von 12 bar konstruiert und ein Reibungskoeffizient von 0,1 vorausgesetzt, so ist von der Steuerung eine Kraft
R = 20 cm · 30 cm · 12 ·0,1 = 720 kg auszuüben, die von der Maschine abgegeben werden muß.
Je schneller die Maschinen laufen sollen, um so größer wird infolge der weiteren Dampfkanäle die für die Schieberbewegung aufzuwendende Arbeitsleistung, die von der indizierten Leistung der Maschine abzuziehen ist.

Von den vielen Konstruktionen, die Schieberreibung zu vermindern, sei die des Kolbenschiebers erwähnt, die sich als die wirksamste erwiesen hat.
Sie besteht darin, daß man die gleitende Fläche des Muschelschiebers um eine Achse parallel zu seiner Bewegungsrichtung aufgewickelt und so die rechteckige ebene in eine zylindrische Fläche verwandelt hat. Dadurch wird erreicht, daß der Dampf, der den Schieber gegen den Spiegel drückt, keine Reibung hervorruft, weil er nach verschiedenen einander entgegengesetzten Richtungen wirkt.

b) Die Ventilsteuerungen

Das Ventil kann als Deckel aufgefaßt werden, der eine Öffnung verschließt, so daß man durch Heben und Senken des Ventils den Dampf in den Zylinder hineinlassen oder ihn absperren kann. In Abb.11 sehen wir, daß das Öffnen des Ventils gegen den Dampfdruck geschehen muß, also unter Umständen erhebliche Kraft erfordert; deshalb werden auch die Ventile so konstruiert, daß sie wie die Kolbenschieber größtenteils entlastet sind.

Abb.12 zeigt ein solches entlastetes Ventil, das sich noch dadurch auszeichnet, daß der Dampf beim Anheben an zwei Stellen zugleich durchgelassen wird. Es werden stets 4 Ventile, je eins für den Dampfeintritt und -austritt an jeder Seite des Zylinders angeordnet. Dadurch wird die wünschenswerte Unabhängigkeit der einzelnen Dampfverteilungsperioden voneinander erreicht. Die Ventile werden entweder alle 4 neben dem Zylinder angeordnet oder 2 über und 2 unter dem Zylinder.
Die letztgenannte Bauart ermöglicht kürzere Dampfkanäle und geringere schädliche Räume.
Die Bewegung der Ventile wird von der Kurbelwelle abgeleitet, aber nicht wie früher direkt durch ein Exzenter, sondern es wird durch ein Kegelräderpaar zunächst eine parallel zur Zylinderachse liegende Welle angetrieben. Von dieser wird die Bewegung entweder durch Exzenter auf die Ventile übertragen, oder durch unrunde Scheiben, die das eine Ende eines Doppelhebels bewegen, dessen anderes Ende das Ventil trägt. 
Abb.13

Jedoch ist die Zwischenschaltung von Hilfsmechanismen, wie Wälzungshebel, Federn, zweiarmigen Hebeln erforderlich, um von den Eigentümlichkeiten der Exzenterbewegung unabhängig zu sein.
Die Ventilsteuerungen sind zwangsläufig, wenn der Schluß des Ventils genau nach dem durch den Antriebs-mechanismus bedingten Bewegungsgesetz erfolgt,
kraftschlüssig, wenn das Ventil an einer bestimmten Stelle seines Hubes durch eine Ausklinkvorrichtung von dem Steuermechanismus losgelöst und durch Gewichts- oder Federkraft auf seinen Sitz gedrückt wird.
Allgemein gilt, daß Ventilsteuerungen für kleine Maschinen nicht angewendet werden, weil sie zu kompliziert und zu teuer sind, und für raschlaufende nicht, weil sie bei dem erforderlichen schnellen Öffnen und Schließen zu heftig auf den Sitz aufschlagen und dadurch zugrunde gehen würden. Für große langsam laufende Maschinen sind sie dagegen sehr geeignet.

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