LXVII. Ueber den Widerstand, welchen der gebrauchte Dampf der Bewegung der Kolben einer Locomotive entgegensetzt und ein Mittel, den hieraus hervorgehenden Kraftverlust zu verringern; von Cadiat d. ält. in Paris. Aus dem Bulletin du Musée de l'Industrie, Juli 1851, durch das polytechn. Centralblatt, 1851 Lief. 20. Cadiat, über den Widerstand des gebrauchten Dampfs in den Locomotiven. Einer der wichtigsten passiven Widerstände, welchen die Kolben einer Locomotive zu überwinden haben, besteht in dem Gegendrucke des abgenutzten, abziehenden Dampfes. Dieser Gegendruck ist um so bedeutender, als jene Dämpfe noch beim Austritte eine ziemlich hohe Spannung besitzen. Bekanntlich aber ist eine so hohe Spannung erforderlich, um den Zug im Schornsteine zu erzeugen. Der Einfluß dieser Spannung jedoch ist noch nicht hinreichend untersucht und begriffen worden, und Cadiat zeigt nun, daß durch eine rationellere Anordnung der Blasrohre die Arbeit des Gegendruckes des gebrauchten Dampfes auf die Kolben bedeutend verringert werden könne. Bisher nahmen die Mechaniker gewöhnlich an, daß die beiden Cylinder einer Locomotive gänzlich unabhängig von einander seyen, und, ungeachtet das Blasrohr beide verbindet, waren sie der Ansicht, daß der Dampf, welcher von einem der Kolben fortgestoßen wird, direct in die Atmosphäre austrete und keinesweges hinderlich auf den andern Kolben zurückwirke und dessen Bewegung entgegentrete. Diese letzte Voraussetzung würde wahr seyn, wenn das beiden Cylindern gemeinschaftliche Blasrohr dem Dampfe einen ganz leichten ungehinderten Austritt gestattete, und wenn die Weite desselben so groß wäre, daß der Dampf keinen sehr erheblichen Ueberdruck mehr besäße. Dem ist jedoch nicht so; da der abziehende Dampf noch den Zug im Ofen erzeugen, also eine große Masse Luft in schnelle Bewegung versetzen muß, so muß derselbe bis zur Zeit des Austrittes noch einen bedeutenden Ueberdruck besitzen. Indem nun der Dampf durch das Blasrohr aus dem einen Cylinder austritt, muß derselbe nothwendigerweise auch auf den Kolben des andern Cylinders reagiren, und es entsteht also nicht allein ein Gegendruck auf die Rückseite des Kolbens, vor dem der Dampf entweicht, sondern auch auf die Rückseite des andern Kolbens. Da hierbei der Dampf erst aus dem einen Cylinder in den andern übertreten muß, so wird natürlich auch die Spannung vor dem Kolben des ersten Cylinders etwas größer seyn, als vor dem Kolben des zweiten. Diese Differenz ist jedoch keineswegs so groß, als daß sie die Reaction des Dampfes, welcher in den zweiten Cylinder übertritt, annulirte. Dieß vorausgesetzt, zeigt Cadiat nun, daß, wenn die Pressungen des austretenden Dampfes vor beiden Kolben wenig differiren, die durch diese Pressungen erzeugte Widerstandsarbeit viel beträchtlicher ist in Bezug auf den Kolben, vor den der Dampf aus dem ersten Cylinder übertritt, als in Bezug auf den Kolben, vor welchem er abfließt.; Textabbildung Bd. 122, S. 338 Bezeichnen wir die beiden Cylinder einer Locomotive mit A und B, die sich darin bewegenden Kolben mit a und b; während a am Ende seines Hubes angekommen ist, befindet sich b in der Mitte des Kolbenweges; die Cylinderabtheilungen e und f vor beiden Kolben stehen eben in Communication mit dem Blasrohre und demzufolge mit einander. Beginnt der Kolben seinen Rückgang mit einem Minimum von Geschwindigkeit, so bewegt sich der Kolben d eben mit der Maximalgeschwindigkeit. Der aus dem Cylinder A austretende Dampf findet im Blasrohre so viel Widerstand, daß er auch nach dem Cylinder B überfließt und der Bewegung des Kolbens b hindernd entgegentritt. Derselbe Dampf wird vom Kolben a gewissermaßen auch fortgeschoben und übt auf diesen Kolben beim Abfluß einen Druck aus, welcher in Folge des Voreilens des Schiebers beim Austritt, theils im Sinne der Bewegung des Kolbens, theils in dem entgegengesetzten Sinne wirkt. So lange als gegen das Ende des Kolbenhubes der Druck im Sinne der Kolbenbewegung wirkt, vermehrt die vom ausströmenden Dampfe an diesen Kolben abgegebene mechanische Arbeit die Nutzleistung; das Umgekehrte dagegen findet statt, sobald der Kolben seinen Rückgang beginnt. Kurz, das Voreilen des Schiebers beim Abfluß bewirkt, daß der austretende Dampf aus dem Kolben a einen nützlichen Druck ausübt, bis derselbe am Ende seines Hubes ankommt; während derselben Zeit aber tritt bereits der abfließende Dampf auch in den Cylinder B vor den Kolben b und erzeugt hier lediglich einen Widerstand. Da sich ferner der Kolben b eben mit seiner Maximalgeschwindigkeit, der Kolben a dagegen beim Rückgange mit einem Minimum von Geschwindigkeit bewegt, so folgt hieraus fernerweit, daß die Widerstandsarbeit, welche der Kolben b in Folge des Gegendruckes des gebrauchten Dampfes zu überwinden hat, größer ist, als diejenige bei a. Hierauf berechnet Cadiat die Arbeit des Gegendruckes des gebrauchten Dampfes auf beide Kolben; eine directe Bestimmung derselben ist nicht gut thunlich, da hierzu mehrere Angaben fehlen, welche sich nur durch viele und schwierige Versuche bestimmen lassen. Aus diesem Grunde bestimmt Cadiat jene Widerstandsleistung aus der mechanischen Arbeit, welche der entweichende Dampf an den Rauch abgibt, um den Zug zu erzeugen. Hierbei legt Cadiat Werthe zu Grunde, welche er im Annuaire de 1850 p. 92 veröffentlicht hat. Wir wollen hier nur kurz die Resultate seiner Rechnung anführen. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 20 Meter pro Secunde findet Cadiat die vom ausblasenden Dampfe verrichtete Arbeit 6000 Kilogramm-Meter, die Ausströmungsgeschwindigkeit des Dampfes aus dem Abzugscanal 329 Meter. Beim Abfluß des Dampfes in die Atmosphäre entspricht dieser Geschwindigkeit ein Ueberdruck von 0,45 Atmosphären oder 4650 Kilogramme pro Quadratmeter. Dieser Ueberdruck ist in allen Theilen des Blasrohres als herrschend anzunehmen; dieß ist jedoch nur ein Mittelwerth, welcher nur dann bloß 4650 Kilogr. betragen könnte, wenn die Pressung während der ganzen Dauer des Kolbenhubes dieselbe bliebe. Nimmt man den Kolbendurchmesser zu 0,4 Meter, die Geschwindigkeit der Kolben = 1/6 der Fahrgeschwindigkeit = 1/6 . 20 = 3,333 Meter an, so betrüge die mechanische Arbeit des Gegendruckes des austretenden Dampfes vor beiden Kolben = 3889 Kilogr.-Meter = 51 Pferdekräfte. Dieses Arbeitsquantum ist jedoch auch nur ein Mittelwerth, welcher für den Fall gilt, wo der Ueberdruck von 4650 Kilogr. pro Quadratmeter während des ganzen Kolbenhubes herrschte. In Wirklichkeit jedoch hält die hohe Spannung des austretenden Dampfes vor den Kolben nur eine kürzere Zeit an, ist demzufolge aber auch größer als 4650 Kilogr. Ueberdruck. Um nun den Theil der Widerstandsleistung, welcher auf jeden der beiden Kolben für sich während der Abflußzeit ausgeübt wird, getrennt zu bestimmen, sucht Cadiat zunächst: 1) den Dampfdruck während der Dauer des Abflusses; 2) die betreffenden Stellungen der Kolben; und 3) den während dieser Zeit durchlaufenen Weg jedes der beiden Kolben. Das Voreilen der Schieber beim Austritt betrage 20 Grad, d.h. die Kurbeln drehen sich noch um einen Winkel von 20 Grad von dem Augenblicke an, wo der Dampfcanal eben anfängt sich zu öffnen, bis zu der Zeit, wo der betreffende Kolben am Ende seines Hubes ankommt; es betrage ferner der Flächeninhalt der Oeffnung des Dampfcanales beim Abfluß = 1/8 einer Kolbenfläche = 0,1256/8 = 0,0157 Quadratmeter. Das von den beiden Kolben in einer Secunde beschriebene Volumen ist = 3,33 . 2 . 0,1256 = 0,8365 Kubikmeter. Bei einer Dampfconsumtion von 1 Kilogramm pro Secunde würde dieses Kilogramm demzufolge einen Raum von 0,8365 Kubikmeter einnehmen; diesem Gewicht und Volumen würde eine absolute Dampfspannung von 2,22 Atmosphären entsprechen. Schnitte man den Zufluß des frischen Dampfes bei 0,5 oder 0,7 des Kolbenhubes ab, so müßte hiernach der frisch eintretende Dampf eine Spannung von 4,5 oder respective 3,1 Atmosphären haben. In dem Augenblicke nun, wo der Abfluß beginnt, ist fast der ganze Cylinder mit einem Dampfvolumen von 2,22 Atmosphären Spannung erfüllt, welches in ein Medium von 1,45 Atmosphären Spannung, das Blasrohr, abfließen soll durch eine Oeffnung, deren Flächeninhalt durchschnittlich = 0,0157/2 = 0,00785 Quadratmeter beträgt. Mit Rücksicht darauf, daß hier ein Abfluß unter abnehmendem Drucke stattfindet, ergibt sich die Geschwindigkeit, mit welcher der Dampf in das Blasrohr tritt = 354 Meter. Den Contractionscoefficienten = 0,65 angenommen, fließt daher bei dieser Geschwindigkeit pro Secunde 1,81 Kubikmeter ab und zur Entleerung eines Cylinders von 0,069 Kubikmeter Rauminhalt sind demnach 0,038 Secunden erforderlich. Bei 3,33 Meter Kolbengeschwindigkeit und 0,55 Meter Hub durchlaufen die Kurbeln während dieser Zeit einen Winkelweg von 40 Grad. Da also einem Dampfabfluß eine Kurbeldrehung von 40 Grad entspricht und bei jeder vollen Umdrehung der Kurbelachse der Dampfabfluß sich viermal wiederholt, so folgt daraus, daß die Dauer sämmtlicher Dampfabflußzeiten sich zur Dauer einer vollen Kurbelachsenumdrehung wie 160° zu 360° verhält, und daß ferner die Widerstandsleistung des austretenden Dampfes sich auf eine kürzere Zeit als die Dauer eines Kolbenhubes concentrirt. Der Ueberdruck des gebrauchten Dampfes pro Quadratmeter wird also auch nicht bloß 4630 Kilogr., sondern vielmehr 4630. 360/160 = 10462 Kilogr. betragen. Uebrigens ist auch dieser Werth nur als Mittelwerth für die ganze Zeit des Dampfabflusses zu betrachter. Um nun die Widerstandsleistung des Gegendruckes für jeden Kolben zu bestimmen mit Zugrundlegung des gefundenen Werthes, ist zunächst zu untersuchen, welchen Weg jeder Kolben durchläuft während der Dauer des Dampfabflusses. – Das Voreilen der Schieber beim Dampfaustritte war zu 20° angenommen worden, der Kolben a wird also seinen Hub vollenden, während die Kurbeln sich um 20° drehen; nachdem sie sich abermals um 20° gedreht haben, ist der Kolben in seinen anfänglichen Stand zurückgekehrt und der Dampfabfluß vollendet. Während dieser Zeit hat der Kolben einen Weg = 2 . (0,55 Met./2) cos. vers. 20° = 0,033 Meter zurückgelegt. Während der Kolben a die den Kurbelwinkeln von – 20° und + 20° entsprechenden Stellungen durchläuft, durchläuft der zweite Kolben die zwischen den Winkeln – 20° + 90° = 70° und + 20° + 90° = 110° liegenden Stellungen und somit im Ganzen einen Weg = 0,55 Met./2 (cos 70° + cos 110°) = 0,188 Meter. Die Widerstandsleistung des Gegendruckes des abziehenden Dampfes ergibt sich daher für jeden der beiden Kolben folgendermaßen: 1) sie beträgt für ein einfaches Spiel des Kolbens a = 10462 Kil. . 0,1256 Quadratmeter . 0,033 Meter = 43,36 Kilogramm = Meter und pro Secunde (für 6,04 einfache Spiele) = 262 Kilogramm-Meter = 3,5 Pferdekräfte. Bei dem Kolben b dagegen beträgt sie pro einfaches Spiel: 10462 Kilogr. . 0,1256 Quadratmeter . 0,188 Meter = 247 Kiogr.-Meter, und pro Secunde (6,04 einfache Spiele) = 1492 Kilogramm-Meter = 20 Pferdekräfte, also 16,5 Pferdekräfte mehr als bei dem Kolben a, vor dem eben der den Gegendruck bewirkende Dampf abfließt. Während hierbei die Widerstandsleistung des Gegendruckes des abfließenden Dampfes in Summa sich zu 23,5 Pferdekräften ergibt, könnte man durch Verhinderung des Zurückfließens des gebrauchten Dampfes aus dem Blaserohre vor dem Kolben b diese Widerstandsleistung auf 3,5 Pferdekräfte, für das hier durchgeführte Zahlenbeispiel also auf 3,5/23,5 oder circa ein Siebentel reduciren. Mit Rücksicht auf einige Unzuverlässigkeit der als bekannt vorausgesetzten Werthe kann man doch wenigstens auf eine Verminderung um 3/4 rechnen. Durch Wiederholung der vorstehenden Rechnungen für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten findet man, daß die Widerstandsleistung des Gegendruckes auf die Kolben nahezu wie die dritte Potenz der Fahrgeschwindigkeit wächst. Dieß stimmt übrigens überein mit der Progression der Werthe für die mechanische Arbeit, welche zur Erzeugung des Zuges bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten erforderlich ist. Wenn auch die oben gefundenen Resultate nicht auf vollkommene Genauigkeit und stritte Beweiskraft Anspruch machen können, so zeigten sie doch jedenfalls: 1) daß ein Uebertritt des gebrauchten Dampfes aus einem Cylinder einer Locomotive in den andern durch das Blasrohr wirklich stattfinde und auf den Kolben des zweiten Cylinders im Mittel des Hubes wirke, während der erste Kolben eben den seinigen beginnt; 2) daß die Widerstandsleistung im Verhältniß der Ungleichheit der Geschwindigkeiten beider Kolben viel beträchtlicher bei dem Kolben ist, auf welchen der Dampf zurückfließt, als bei dem Kolben, vor welchem der abfließende Dampf eben gewirkt hat; 3) daß alle Communication zwischen den beiden Cylindern beim Dampfaustritt nachtheilig ist und die Widerstände nutzlos vermehrt; 4) daß man die Widerstandsleistung des Gegendruckes des gebrauchten Dampfes um mindestens drei Viertheile vermindern kann, wenn man für jeden Cylinder ein besonderes Blasrohr und eine getrennte Dampfaustrittsöffnung anbringt. Um die beiden Ausblasöffnungen möglichst in die Achse des Schornsteins zu bringen, kann man die Wände beider Blasrohre unmittelbar aneinander stoßen lassen; natürlich sind auf jedem Blasrohr zwei Klappen zur Vergrößerung und Verkleinerung der Dampfaustrittsöffnungen anzubringen, so daß man dann im Ganzen vier Klappen hat.