Schnelllaufende rotirende Dampfmaschine (System Dou) von P. Sartre. Mit Abbildungen. Schnelllaufende rotirende Dampfmaschine (System Dou). Die Aufgabe, eine unmittelbare und wirthschaftliche Wirkung des Dampfes auf einen Kolben derart ausüben zu können, dass dieser ohne Zwischenschaltung von Pleuelstange and Kurbel eine rotirende Bewegung annimmt, bildet seit vielen Jahren den Gegenstand zahlreicher Erfindungen und auch in der Neuzeit werden die Versuche, eine allen Anforderungen entsprechende Lösung derselben herbeizuführen, mit Beharrlichkeit fortgesetzt. Ein grosser Theil der in Ausführung gekommenen rotirenden Motoren leidet an dem Uebelstande, weil aus zu vielen Einzeltheilen bestehend, fortwährende und kostspielige Reparaturen im Gefolge zu haben, während bei anderen, einfacher construirten Motoren häufig ein zu grosser Theil der entwickelten Arbeit durch Reibung verloren geht, oder aber die Expansion des Dampfes wird nur in unvollkommener Weise ausgenutzt. Bei einer dritten Art von rotirenden Maschinen sind die behufs Aenderung der Umlaufsbewegung angeordneten, ganz ungewöhnlichen und verwickelt ausgeführten Hilfsvorrichtungen oft die Ursache unerwünschter Betriebsstörungen. Schliesslich spricht auch die Bedienung rotirender Maschinen gegenüber derjenigen mit geradliniger Bewegung zuweilen nicht zu Gunsten der ersteren. Wie Revue industrielle, 1891 S. 201, mittheilt, haben die Ingenieure Paul und August Dou im J. 1885 einen rotirenden Motor erfanden, dessen Construction bereits in der damaligen Zeit Aufsehen erregte und welcher von dem Constructeur P. Sartre unter Beibehaltung des Grundgedankens derartig umgebaut worden ist, dass er nunmehr weitgehenderen Anforderungen genügt und bezüglich des Dampfverbrauches den Vergleich mit jedem anderen schnell laufenden Motor von derselben Leistungsfähigkeit aushält. Denkt man sich (Fig. 1) eine Gerade AB von constanter Länge durch den festen Punkt P gelegt, während ihre Mitte M einen Kreis um den Mittelpunkt C vom Halbmesser CP beschreibt, so ist der geometrische Ort der Punkte A und B eine Conchoide des Kreises CP in Bezug auf den Punkt P des Umfanges von diesem Kreise. Textabbildung Bd. 282, S. 155Fig. 1.Dou's Motor von Sartre. Wir nehmen an, dass die auf diese Weise gekennzeichnete Curve den aufrechten Durchschnitt eines Cylinders darstellt, der parallel mit seinen Erzeugenden durch eine Welle geht, deren Querschnitt dem um den Mittelpunkt P geschlagenen Kreise PO entspricht, welcher mit der Conchoide im Punkte O eine gemeinschaftliche Berührende besitzt, und ferner, dass die Gerade AB den Querschnitt einer rechteckigen Metallplatte bildet, welche in einem quer zur Längsrichtung der Welle angebrachten Schlitze sorgfältig eingepasst ist; ferner setzen wir voraus, dass die Wandung des Cylinders in A mit einer schmalen Oeffnung versehen und von B' bis E vollständig durchbrochen ist. Bringt man die Oeffnung A mit einem Dampfkessel, Behälter mit comprimirter Luft o. dgl., die Oeffnung B'E dagegen mit der Atmosphäre oder einem Condensator in Verbindung und dreht den flachen Kolben AB etwas in der Richtung des Pfeiles f, so strömt der durch die Oeffnung A eintretende Dampf hinter denselben in den Raum V, welcher bei der Weiterbewegung des Kolbens immer grösser und grösser wird, bis schliesslich der Punkt A desselben nach B bezieh. B nach A gekommen ist; hat der Kolben zufolge der erlangten Geschwindigkeit diese Stellung passirt, so kommt der frische Kesseldampf, da der Kolben in demselben Sinne seine Drehbewegung fortsetzt, auf seiner anderen Seite zur Wirkung. Es lässt sich die Dampfeinströmung deshalb als eine ununterbrochene bezeichnen, da sie nur während der kurzen Zeitdauer, innerhalb welcher der Kolben die Oeffnung A bedeckt, aufhört. Geht der Kolben AB aus der Stellung AB in diejenige A1B1 über, so wirkt der vordem auf den Kolben mit voller Spannung wirksam gewesene Dampf weiter durch Expansion, während gleichzeitig auf der anderen Kolbenseite das bereits erwähnte Einströmen frischen Kesseldampfes stattfindet. Sobald der Kolben die Stellung A1B1 überschritten hat, beginnt, um eine Compression des expandirten Dampfes zu verhindern, die Ausströmung desselben. Die Conchoide des oben genannten Kreises ist als Type derjenigen Curven zu betrachten, welche der Bedingung Genüge leisten, einem Kolben von absolut genauer Länge AB, der durch einen festen Punkt P geht, zu entsprechen; die erstere Bedingung ist, wie wir weiter unten sehen werden, für das gute Functioniren der Maschine von grosser Wichtigkeit. Besondere Vortheile bietet es, den Kreis OP durch eine Ellipse (Fig. 2) zu ersetzen; man erhält dann bei entsprechender Wahl der Dimensionen der beiden Achsen der Ellipse, sowie der halben Kolbenlänge a = AM = MB eine Conchoide, deren Krümmungshalbmesser im Punkte O gleich dem Halbmesser der Welle OP ist, demnach seinen Mittelpunkt ebenfalls in P hat, wodurch ein besonderes Gleitstück an dieser Stelle unnöthig wird, was z.B. für eine Pumpe vollständig ausreicht. Textabbildung Bd. 282, S. 155Fig. 2.Dou's Motor von Sartre. Die Anzahl der entweder geometrisch bestimmten oder willkürlich aufgezeichneten Curven, welche den vorgenannten Bedingungen entsprechen und deren Wahl sich je nach den Anforderungen richtet, welche der Motor erfüllen soll, ist eine unendlich grosse; alle diese Curven haben indess höchstens eine einzige durch den Punkt P gehende Symmetrieachse. Es ist leicht einzusehen, dass diejenigen Curven, welche zwei Symmetrieachsen besitzen, der vorerwähnten Bedingung bezüglich der Beständigkeit der Länge AB nicht zu genügen vermögen. Es ist z.B. unmöglich, im Innern einer Ellipse (Fig. 3) einen Punkt P zu finden, derart, dass alle durch denselben gelegten Sekanten dieselbe Länge besitzen; es gibt allerdings zwei grosse Sekanten (diejenigen, welche parallel zu den Diagonalen des die Ellipse einschliessenden Rechteckes sind) mit der Länge \frac{a^2+b^2}{a}, welche indess stets grösser als die Länge 2b der kleinen Achse ist. Der Grundgedanke der Maschine nach System Dou beruht in der Verwendung der Conchoiden für den Cylinderquerschnitt, und es ist ihr gutes Functioniren wohl hauptsächlich hierauf zurückzuführen; indess zeigen diese Maschinen noch andere, nicht minder werthvolle Einzelheiten, welche namentlich das sparsame Arbeiten derselben gewährleisten und in der Anordnung der Ein- und Ausströmöffnungen für den Dampf bestehen. Textabbildung Bd. 282, S. 156Fig. 3.Sartre's Motor. Wir haben oben bereits bemerkt, dass sich die Expansion des Dampfes auf der einen Kolbenseite in derselben Zeit vollzieht, wo die andere Kolbenseite frischen Kesseldampf erhält, und zwar erfolgt dies ohne Zwischenschaltung irgend welcher Steuerungsorgane. Die Erfinder haben diese Expansion als natürliche bezeichnet, im Gegensatze zu der in allen sonstigen Maschinen vor sich gehenden künstlichen Expansion, welche mit Hilfe selbsthätiger Abschlussorgane o. dgl. erreicht wird. Es ergeben sich hieraus zwei wichtige Vortheile: Beträchtliche Dampfersparniss und Regelmässigkeit der Umdrehungsbewegung. Die Expansion ist nicht sehr bedeutend, genügt indess bei den sehr kleinen mit niedrigem Drucke arbeitenden Maschinen, welche auf diese Art ohne Zwischenschaltung irgend welcher Hilfsmechanismen zu Maschinen mit fester Expansion werden, vollständig. Wir kommen später auf die Mittel, welche dazu dienen, die Expansionsperiode zu verlängern, wieder zurück. Die Abbildungen Fig. 4 und 5 zeigen den Längs- und Querschnitt einer eincylindrigen Maschine von 60 mm Kolbenlänge, welche Dimension als Modul für derartige Maschinen anzusehen ist; es stellt dies die Länge der Linie AB = 2a vor. Die Maschinen werden als quadratische, wenn die innere Länge l des Cylinders ebenfalls = 2a, und als verlängerte oder verkürzte bezeichnet, je nachdem l grösser oder kleiner als 2a gehalten ist. Textabbildung Bd. 282, S. 156Sartre's rotirende Maschine nach Dou's System. Der Querschnitt des Cylinders ist eine Kreisconchoide. Die Einströmöffnung A bildet einen engen Spalt, welcher so weit an die Berührungsstelle zwischen Welle und Cylinder herangerückt ist, dass hier nur noch ein zwischengeschaltetes Gleitstück O behufs dichten Abschlusses der Welle im Cylinder Platz findet; der Spalt ist zur Erhöhung der Festigkeit der Cylinderwandung und um die Führung des Kolbens, wenn dieser vor der Einströmöffnung steht, zu sichern, wie aus Fig. 4 ersichtlich, nach dem Inneren des Cylinders zu durch eine Wand in zwei Oeffnungen zerlegt. Das Gleitstück O wird entweder durch eine Feder oder durch den Dampf selbst auf die Welle gepresst. Die Ausströmung des wirksam gewiesenen Dampfes beginnt in dem Augenblicke, wo das Volumen der treibenden Flüssigkeit seinen grössten Werth erreicht hat; die Ausströmöffnung ist aus demselben Grunde wie die Einströmöffnung nach dem Inneren des Cylinders zu durch Längs- und Querwandungen in mehrere Abtheilungen zergliedert. Der in einem rechteckigen Schlitz der Welle genau eingepasste Kolben P besteht aus einer entsprechend geformten Stahlscheibe mit gut abgerichteten und genau im Winkel gearbeiteten Flächen, wodurch ein dichtes Anliegen derselben an die Cylinderendflächen erreicht wird. Behufs Abdichtung des Kolbens an dem cylindrischen Theile sind gelenkige Schuhe ab aus gehärtetem Stahl angeordnet, welche, T-förmig gestaltet, mit ihrem mittleren Schenkel in Schlitzen zweier cylindrischer Rollen liegen, die in entsprechende Vertiefungen der beiden Kolbenenden genau eingepasst sind und sich in diesen leicht drehen lassen. Die Gleitflächen der T-förmigen Schuhe sind nach der grössten Krümmung des Cylinders abgerundet, damit dieselben, wenn nicht mit der vollständigen Oberfläche, so doch wenigstens stets in zwei Punkten mit der Cylinderwandung in Berührung bleiben; sie werden, wie auch die Abbildung erkennen lässt, durch den gespannten Dampf selbst in geschlossener Stellung gehalten, wodurch auch ein stetes Anliegen derselben an die Cylinderwandung bei eintretenden Abnutzungen in Folge Verschiebung der mittleren Stege in ihren Schlitzen erreicht wird. Der Kolben kann sich demnach um ein Geringes verlängern oder verkürzen und man könnte daraus schliessen, dass eine constante Länge der Sekanten AB nicht gerade absolute Bedingung für ein gutes Functioniren des Motors zu sein braucht. Angestellte Versuche haben indess ergeben, dass, wenn man dem Kolben ein geringes Spiel gestattet, sich bei der bedeutenden Umdrehungsgeschwindigkeit desselben ein fortwährendes Klappern der Schuhe bemerkbar macht, welches den Molekularzustand des Metalles schnell verändert und das baldige Defectwerden der Schuhe befürchten lässt. Aus diesem Grunde ist es unbedingt nothwendig, nur solche Curven für den Cylinderquerschnitt in Anwendung zu bringen, welche einer genau constanten Länge des Kolbens entsprechen. Betrachtet man einen Querschnitt der Maschine (Fig. 6 und 7), in welchem der Kolben nur durch eine einfache gerade Linie AB angedeutet ist, und geht man von der Stellung AB (Fig. 6) aus, welche dem Beginne der Admission auf der einen Kolbenseite und demjenigen der Expansion auf der anderen Kolbenseite entspricht, so lässt sich die von der Maschine entwickelte Arbeit durch Rechnung wie folgt ermitteln: Bezeichnet: P die Anfangsspannung, V = v + v' das in den Cylinder übergeführte hochgespannte Dampfvolumen, V1 = v' + u dasselbe Dampfvolumen nach der Expansion, P1 die dem Volumen V1 entsprechende Dampfspannung und P' die mittlere Austrittsspannung des Dampfes (bei Maschinen ohne Condensation P' = 1 at), so wirkt der den Raum v einnehmende Dampf, wenn der Kolben aus der Stellung AB in diejenige A'B' übergeht, mit voller Spannung, während der auf der anderen Kolbenseite wirksam gewesene Dampf, welcher den Raum V = v + v' erfüllte, sich gleichzeitig in dem Raume V1 ausdehnt. Die Leistung der bewegenden Kraft auf den Kolben drückt sich demnach aus durch: Pv + Arbeit der Expansion, und wenn der Dampf trocken bleibt, durch: P_v+P\,V\,log\,nat\,\frac{V_1}{V}, unter Berücksichtigung der Condensation während der Expansion dagegen durch: P_v+P\,V\,(1-0,07\,\lambda)\,log\,nat\,\frac{V_1}{V}\,(1-0,07\,\lambda) mit \lambda=\frac{log\,V_1-log\,V}{log\,2} Die Widerstandsarbeit beträgt P'u. Geht der Kolben aus der Stellung A'B' in diejenige A1B1 (Fig. 7) über, so beträgt die Leistung der bewegenden Kraft Pv' und die Widerstandsarbeit P'r', wenn die Gegenpressung gleich der mittleren Spannung des Auspuffdampfes gesetzt wird. Dies lässt sich bei allen langsamer gehenden Maschinen, auch solchen mit massigen Geschwindigkeiten (unter 300 Umdrehungen in der Minute) annehmen, denn es wird bei diesen Maschinen der Cylinder, wenn er mit der Atmosphäre in Verbindung gebracht wird, die Spannung derselben fast augenblicklich, d.h. während einer Zeit, die einer nur unbedeutenden Ortsveränderung des Kolbens entspricht, annehmen. Textabbildung Bd. 282, S. 157Sartre's Motor. Auf diese Voraussetzung stützen sich auch die zur Berechnung der Leistungen von gewöhnlichen Maschinen dienenden Formeln; für sehr schnell laufende Maschinen können die letzteren indess keine Verwendung finden, da hier die Geschwindigkeit des Kolbens zu bedeutend ist; bewegt sich der letztere z.B. mit 1000 Umdrehungen in der Minute, so braucht er, um aus der Stellung A'B' in diejenige A1B1 zu gelangen, nur ungefähr 1/50 Secunde. Es wirkt demnach während dieses Stellungswechsels nicht die atmosphärische Spannung P' der Bewegung des Kolbens entgegen, sondern die Spannung einer vom Anfangsdrucke P1 bis zum Enddrucke P' expandirenden Dampfmenge. Diese Expansion vollzieht sich, während der Kolben aus A1B1 in die Stellung A2B2 geht, demnach einen Winkel α beschreibt, einem Volumen v'α entsprechend, während, wenn der Kolben sich einem Volumen u' entsprechend bewegt, die Gegenpressung stets P' und die Widerstandsarbeit P'u' beträgt. Es sei: l die Länge des Cylinders, 2a = AB die constante Länge des Kolbens, R der Halbmesser der Welle im Inneren des Cy- linders, r der Halbmesser des idealen Kreises (Directrix der Conchoide), dann hat man: v'\,\alpha=\frac{l}{2}\,[(a^2+2\,r^2-R^2)\,\alpha+4\,a\,R\,(1-cos\,\alpha)-2\,r^2\,sin\,\alpha\,cos\,\alpha-2\,e\,(a-R+2\,r\,sin\,\alpha)] α ist annähernd bestimmt durch 1+cos\,\alpha=\frac{10}{n''\,\sqrt{P_1-P'}} worin u'' die Anzahl der Umdrehungen in der Secunde bedeutet. Die Widerstandsarbeit beträgt: P_1\,v'\,\alpha\,(1-0,07\,\lambda')\,log\,nat\,\frac{P_1}{P'}\,(1-0,07\,\lambda') mit \lambda'=\frac{log\,P_1-log\,P'}{log\,2} und die theoretische Totalarbeit (indicirte Arbeit) für eine Umdrehung: T_i=20\,{P\,V\,\left[1+(1-0,07\,\lambda)\,log\,nat\,\frac{V_1}{V}\,(1-0,07\,\lambda')\right] -P'\,(u+u')-P_1\,v'\,\alpha\,(1-0,07\,\lambda')\,log\,nat\,\frac{P_1}{P'}\,(1-0,07\,\lambda') u' = v' – v'α kann positiv oder negativ sein. Sehr sorgfältige, mittels Prony'schen Zaumes an einer Maschine von 120/120 mm angestellte Bremsversuche ergaben die nachstehend ersichtlichen Mittelwerthe; die Maschine hatte eine verhältnissmässig grosse Einströmöffnung, arbeitete demnach mit nur geringer natürlicher Expansion. Admissionsspannung: 2,5 at 5,5 at Anzahl der Umdrehungen in der Stunde n 50295 45072      „       „            „           „    „  Minute n'   838,25     751,20      „       „            „           „    „  Secunde n''     13,971       12,520 Länge des Bremshebels in m     1,05       1,05 Aufgelegte Gewichte in k     2,300       3,00 Gebremste Arbeit in der Secunde Tf in mk     212     247,9 = 2,83 = 3,31 Dampfverbrauch in der Stunde in k     88     169             „            für die gebremste in k     31,100      51 Indicirte Arbeit in der Secunde Ti in mk     295,6     347,6 = 3,94 = 4,63 Dampfverbrauch für die indicirte und    Stunde in k     22,330     36,363 Wirkungsgrad \frac{T_f}{T_i}     0,718     0,713 Man sieht aus dieser Tabelle, dass das Verhältniss der effectiven zur indicirten Leistung ziemlich dasselbe bleibt, der ökonomische Wirkungsgrad dagegen, d.h. das Verhältniss der entwickelten Arbeit zum Dampfverbrauche sich bei einer Steigerung der Dampfspannung nicht unwesentlich vermindert, weshalb es angezeigt erscheint, die eincylindrigen Maschinen nur mit niederen Dampfspannungen zu betreiben. Es ist durch diese Versuche ferner festgestellt, dass die rotirenden Maschinen nach System Dou, wenn sie mit Niederdruckdampf betrieben werden, welcher entweder in geeigneten Kesseln erzeugt wird, oder aber durch Expansion des Dampfes aus Hochdruckkesseln entsteht, nicht mehr Dampf verbrauchen, als die kleinen Maschinen gewöhnlicher Construction aller Systeme. Die natürliche Expansion kann höchstens den Betrag 16/9 erreichen; bei der oben beschriebenen Maschine beträgt sie nur 1,23, also kaum 5/4, was indess für kleine, häuslichen Zwecken dienende Maschinen vollständig genügt. Eine längere Expansion des Dampfes lässt sich entweder mit Anwendung eines selbsthätigen Mechanismus oder durch eine stufenweise Expansion des Dampfes in mehreren Cylindern erreichen. Textabbildung Bd. 282, S. 157Fig. 8.Sartre's Motor mit dreifacher Expansion. Das erstere Mittel kann mit Leichtigkeit überall da in Anwendung gebracht werden, wo man das an und für sich schon geringe Gewicht der Maschine auf ein Minimum zu bringen wünscht; der diesem Zwecke dienende Expansionsapparat zeichnet sich durch eine äusserst einfache Construction aus. Ordnet man hinter einer Maschine Dou, auf derselben Achse noch eine zweite, entsprechend grösser dimensionirte Maschine gleicher Construction an, so erhält man einen Motor (Fig. 8) mit dreifacher Expansion (Volldruck und erste Expansion im ersten Cylinder, zweite und dritte Expansion im zweiten Cylinder); die mit derartigen Maschinen angestellten Versuche haben ergeben, dass bei demselben Dampfquantum wie bei der Eincylindermaschine die entwickelte Leistung einen nahezu doppelten Werth erreicht. Mit z.B. 2,5 at Admissionsspannung ergab sich eine effective Leistung von ungefähr 5 , entsprechend einem Dampfverbrauche von ungefähr 18 k für die effective ff. Hat man höhere Spannungen zur Verfügung, so kann man an den zweiten Cylinder noch einen dritten oder selbst einen vierten Cylinder anreihen, deren Kolben dann sämmtlich auf derselben Welle befestigt sind, und erhält so eine 5fache bezieh. 6fache Expansion. Es lässt sich nicht leugnen, dass diese Aneinanderreihung mehrerer Cylinder mit gemeinschaftlicher Welle die Verwendung derartiger Maschinen namentlich für Schiffsfahrzeuge sehr empfehlenswerth macht; in solchen Fällen besitzen die Maschinen selbstverständlich noch eine Umsteuerungsvorrichtung. Die kleinen eincylindrigen Motoren mit natürlicher Expansion eignen sich besonders für die Zwecke der immer mehr im Wachsen begriffenen Hausindustrie, wenn sie in einfacher Weise mit einem kleinen unexplodirbaren Dampfkessel, Behälter mit comprimirter Luft o. dgl., auf gemeinschaftlicher Grundplatte befestigt sind; auch gestatten diese Motoren, wie alle rotirenden Maschinen, eine directe Verbindung mit irgend welchen Arbeitsmaschinen (Dynamo, Ventilator, Drehbank u. dgl.), da sie mit den hier gewöhnlich vorkommenden Geschwindigkeiten ihre Arbeit verrichten, wodurch Zwischenübertragungen und durch diese entstehende Arbeitsverluste vollständig in Wegfall kommen. Es können ferner bei diesen Maschinen die mit dem Nichtöffnen der Ablasshähne gewöhnlicher Maschinen, verknüpften Uebelstände keineswegs eintreten, da sich hinter dem Kolben derselben niemals ein geschlossener Raum befindet; auch kann das Ablassen von Condenswasser aus dem Cylinder, ohne dass Unfälle zu befürchten sind, erst nach dem Ingangsetzen der Maschine vorgenommen werden. Der einzige Uebelstand, welcher den Maschinen anhaftet, besteht darin, dass dieselben nicht schnell genug zum Stillstande gebracht werden können; eine zu heftige Unterbrechung der Bewegung führt sehr leicht eine Verdrehung oder Zerstörung der Gleitschuhe herbei, was bedeutende Betriebsstörungen im Gefolge haben kann; um dieses zu verhüten, hat man das Einströmventil durch eine Schraube verstellbar angeordnet, so dass nur ein allmähliches Schliessen desselben möglich ist. Die Dampfmaschine lässt sich schliesslich durch einfache Hinzufügung eines Mischapparates und Zünders auch in eine Gasmaschine umwandeln, welche bei jeder Wellenumdrehung zwei Antriebe gibt; diesbezügliche Versuche sind noch nicht zu Ende geführt. Der vorstehend beschriebene eincylindrige Motor läuft mit einer Geschwindigkeit bis zu 4000 Umdrehungen in der Minute; der vortheilhafteste Betrieb ergibt sich indess nach praktischen Erfahrungen, wenn der Motor innerhalb der Grenzen von 500 bis 1500 Umdrehungen seine Arbeit verrichtet. Nicht nur bietet die Aufstellung und der Abbruch des Motors keinerlei Schwierigkeit, sondern es kann auch jeder einigermaassen befähigte Maschinist leichtere Reparaturen vornehmen und nach Bedürfniss Einzeltheile desselben ersetzen. P. Sartre hat die Maschine in verschiedenen Ausführungen anfertigen lassen, und es dürfte noch von Interesse sein, anzuführen, dass das kleinste Modell eines derartigen Motors, welcher mit einer Geschwindigkeit von 900 minutlichen Umdrehungen mittels Riemen einen mit 4500 Touren laufenden Schmiedeventilator betreibt, der hierzu eine Leistung von 1,5 erfordert, noch nicht 16 k wiegt und ein 14 k schweres Schwungrad trägt. Die Maschinen werden mit oder ohne Dampfmantel und für dieselbe Umlaufbewegung oder, wie bereits bemerkt, auch mit Umsteuerungsvorrichtung angefertigt. Fr.