Die unmittelbare Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ der Dampfmaschinen. Die unmittelbare Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ der Dampfmaschinen. Wohl ein jeder, der sich der langwierigen und mühevollen Arbeit unterziehen musste, bei einem grösseren Leistungsversuche an einer unserer Wärmekraftmaschinen mit Hilfe des Indikators, Planimeters u.s.w. den „mittleren indizierten Druck“ zu bestimmen, hat schon den Wunsch empfunden, ein Instrument zu besitzen, mit dessen Hilfe man den fraglichen Wert direkt, etwa durch einfache Ablesung auf einer Skala, erhalten könne. Aber die hiermit gestellte Aufgabe ist eine überaus schwierige und bis heute noch ungelöste, wenn auch genug Vorschläge und Versuche schon gemacht sind, von denen wohl der eine oder andere schliesslich zum Erfolg führen kann. Ueber einige derselben soll im folgenden berichtet werdenNach The Engineer, 15. Dezember 1899., ohne dass wir beanspruchen können, damit eine vollständige Darstellung der betreffenden Bestrebungen zu geben. Zunächst möge ein Instrument erwähnt sein, von dem sein Konstrukteur meint, dass gegen seine Herstellung nur die bedeutenden Kosten sprechen würden. Wir glauben jedoch nicht, dass sein Apparat, wenn er jemals ausgeführt würde, wirklich brauchbare Werte liefern könnte. Der ganze Mechanismus erscheint dazu viel zu kompliziert und die Möglichkeit, ihn hinreichend frei von Eigenreibung herzustellen, so gut wie ausgeschlossen. Immerhin enthält er Gedanken, die eine Beschreibung seiner Wirkungsweise wohl zu rechtfertigen vermögen. Wir haben zu unterscheiden zwischen einem messenden, unteren, und einem anzeigenden, oberen Teile des Instrumentes (Fig. 1). Gemessen soll werden 1. der indizierte Druck, 2. die Kolbengeschwindigkeit. Zu ersterem Zwecke führen von den beiden Enden des Cylinders Röhren nach einer kleinen Kammer, in der ein Schieber durch den in seiner Richtung wechselnden Dampfdruck bald nach rechts, bald nach links getrieben wird. Dadurch steuert er den Dampf so, dass der treibende Druck stets gegen die untere Seite eines Kolbens, der Gegendruck stets gegen die obere Seite dieses Kolbens tritt, den eine geaichte Feder nach abwärts zu drücken versucht. Um die Schwankungen dieses Kolbens bei den stark wechselnden Drücken zu verringern, trägt seine verlängerte Kolbenstange einen zweiten Kolben, der in einem ölgefüllten Cylinder hin und her zu gleiten vermag. Durch ein Rohr stehen die beiden Seiten dieses Cylinders miteinander in Verbindung und durch einen in dieses eingeschalteten Hahn ist es möglich, die Stärke derBewegungsdämpfung einzustellen, so dass der Kolben bei periodisch wechselnden Drücken in beliebig kleinem Ausschlage um eine mittlere Stellung pendelt. Diese mittlere Kolbenstellung soll ein Mass für den „mittleren indizierten Druck“ bieten. Der Apparat zum Messen der Kolbengeschwindigkeit besteht aus drei zum Teil mit Quecksilber, zum Teil mit Luft gefüllten Röhren, die oben und unten so miteinander verbunden sind, dass Quecksilber und Luft ungehindert von der einen in die andere übertreten können. Das Ganze wird durch Schnurscheibe und Schnurlauf von der Maschine aus in Umdrehung versetzt, wobei sich in der mittleren Röhre ein der augenblicklichen Geschwindigkeit entsprechender Quecksilberspiegel einstellt, dessen Höhe nach aussen hin mit Hilfe eines Schwimmers und einer an demselben befestigten Stange kenntlich gemacht wird. Diese Stange und die oben erwähnte Kolbenstange bilden nun die Verbindung mit dem anzeigenden Teile des Instrumentes. Sie sind mit Hilfe von Kuppelungen derartig mit zwei Doppelzahnstangen verbunden, dass sie selbst sich um ihre Längsachse drehen können, ohne jedoch die Zahnstangen mitzudrehen, wodurch die Eigenreibung des Apparates allerdings stark, aber doch wohl kaum genügend vermindert wird. Die äusseren Zahnreihen der beiden Stangen greifen in Zahnräder, deren Achsen fest gelagert sind, und verstellen dadurch Zeiger vor zwei Zifferblättern, wodurch ein direktes Ablesen einerseits des mittleren Druckes, andererseits der mittleren Kolbengeschwindigkeit bei richtiger Aichung der Skalen ermöglicht werden soll. Die inneren Zahnreihen der Stangen greifen in die Zähne eines mittleren Rades, dessen Achse in vertikaler Richtung beweglich ist und einen Zeiger trägt, der vor einem dritten, in der Mitte liegenden Zifferblatte sich bewegt. Durch eine besondere Einrichtung ist es erreicht, dass dieses dritte Zifferblatt sich wohl mit hebt und senkt, aber an der Drehung nicht teilnimmt. Nun ist ja aber die Bewegung des dritten Zeigers eine Zusammensetzung derjenigen der beiden anderen Zeiger in einer ganz bestimmten, genau zu berechnenden Weise; die Stellung des dritten Zeigers ist daher ein Mass für die entwickelten Pferdestärken, deren Anzahl bei richtiger Aichung der dritten beweglichen Skala direkt an dieser abgelesen werden kann. Die ausserdem in der Figur noch angegebenen Papiertrommeln dienen zur fortdauernden Aufzeichnung der erhaltenen Werte. Das mittlere Zahnrad nebst Zifferblatt, Zeiger u.s.w. ist durch ein Gegengewicht ausbalanziert. Textabbildung Bd. 315, S. 573 Fig. 1.Apparat zur Bestimmung der „mittleren Leistung“ einer Dampfmaschine nach Terry. Ein zweites Instrument zur direkten Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ wird durch die Fig. 2 und 3 erläutert. Je zwei Düsen BD und CK sind mit den entgegengesetzten Enden des Arbeitscylinders verbunden und durch eine einfache Vorrichtung, die von der Maschine aus bethätigt wird, werden immer nur zwei einander gegenüberliegende Düsen, also B und C oder D und E geöffnet. Der aus ihnen ausströmende Dampf tritt gegen ein mit Schaufeln versehenes Rad A, das dadurch in Umdrehung versetzt wird, und zwar sucht es der treibende Druck auf der einen Seite des Kolbens in der einenRichtung, der Rück druck auf der anderen Seite des Kolbens in der entgegengesetzten Richtung zu drehen, so dass seine Bewegung thatsächlich durch die Differenz der beiden, also den wirksamen Arbeitsdruck hervorgerufen wird. Beim Rückgange des Kolbens werden die beiden anderen Düsen eingeschaltet und ein Blick auf Fig. 2 belehrt uns, dass dabei die Umdrehungsrichtung des Schaufelrades dieselbe bleibt. Nun ist auf der in Kugellagern laufenden Welle dieses Schaufelrades (Fig. 3) ein kleiner Ventilator befestigt und daher gezwungen, die Drehung mitzumachen. Der durch ihn hervorgerufene Luftzug tritt gegen ein Windrad und sucht dieses ebenfalls in Umdrehung zu versetzen. Dem leistet jedoch eine Spiralfeder, die der Unruhe in einer Uhr ähnlich gestaltet ist, Widerstand, so dass nur eine teilweise Drehung des Windrades und eine Torsion der Feder hervorgerufen wird. Diese Drehung wird durch einen Zeiger, der vor einem Zifferblatte angebracht ist, kenntlich gemacht; und offenbar wird der Ausschlag um so grösser sein, je stärker der durch den Ventilator erzeugte Luftstrom ist. Dessen Stärke hängt aber von der Umdrehungszahl des Schaufelrad es und diese wiederum in der geschilderten Weise von dem wirksamen Druck im Arbeitscylinder ab, so dass aus der Stellung des Zeigers wohl auf die Grösse des „mittleren indizierten Druckes“ geschlossen werden kann. Der in diesem Instrumente verwirklichte Gedanke ist zweifellos sehr sinnreich; ob sich dasselbe jedoch in der Praxis bewähren wird, ist eine andere Frage, die wohl am besten durch genaue Versuche entschieden werden kann. Auch der Verfasser des angezogenen Artikels in The Engineer drückt sich in diesem Punkte sehr vorsichtig aus, wenn er sagt, dass er selbst zwar keine Erfahrungen mit dem Instrument gesammelt, aber „gehört habe, dass es zufriedenstellend arbeite“. Textabbildung Bd. 315, S. 573 Apparat zur Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ nach Atwood (New York). Ein dritter Apparat, der schon vor etwa 20 Jahren gebaut ist und den Fig. 4 veranschaulichen soll, hat auf den ersten Blick etwas ausserordentlich Bestechendes infolge seiner Einfachheit und der Möglichkeit, ihn an einem gewöhnlichen Indikator in kurzer Zeit anbringen zu können, so dass man abwechselnd den mittleren Druck durch gewöhnliche Diagramme und durch dieses Instrument bestimmen kann. Auch könnte man den Apparat mit Leichtigkeit so umbauen, dass beide Messungsmethoden gleichzeitig angewendet werden könnten. Dadurch wird natürlich eine Prüfung des Instrumentes auf die Richtigkeit seiner Angaben wesentlich erleichtert. Der Indikatorhebel, in welchem der Schreibstift befestigt ist, ist hier ersetzt durch eine Röhre, in welcher eine Spindel drehbar gelagert ist. Diese trägt an dem einen Ende eine konische Rolle, an dem anderen ein Kegelrad, welches die Drehung der Spindel auf ein Zählwerk überträgt. Auf die Indikatortrommel wird geöltes Papier gesteckt und die mit feinen Riefen versehene Rolle wird ebenso wie sonst der Schreibstift dagegen gepresst. Natürlich kann dieses Andrücken auch mechanisch geschehen. Je nachdem sich der Arm mehr oder weniger auf und ab bewegt, dreht sich die Rolle stärker oder schwächer und die Bewegung Wird ähnlich wie beim Planimeter auf das Zählwerk übertragen, aus dessen Stand man dann auf die Grösse der Diagramme und somit den „mittleren indizierten Druck“ schliessen kann. Als Vorzug ist hervorzuheben, dass man eine ganze Zeit, etwa eine Stunde lang, hintereinander das Instrument arbeiten lassen kann, wobei man nur gleichzeitig mit einem der bekannten Tourenzähler die Umdrehungen zu bestimmen braucht, um einen viel sichereren Mittelwert für den indizierten Druck zu erhalten, als durch die, doch nur von Zeit zu Zeit abgenommenen, gewöhnlichen Indikatordiagramme. Leider hat das Instrument, wie alle, bei denen die Reibung zur Messung benutzt wird, den Kardinalfehler, dass bei Stössen die Reibung zeitweilig aufgehoben werden kann. Auch kann bei raschen Bewegungen durch die Trägheit der hin und her bewegten Massen, der Rolle, Spindel u.s.w. die Richtigkeit der Resultate ganz bedeutend beeinträchtigt werden. Diesen letzten Uebelstand wird die Benutzung von Aluminium, die man vorgeschlagen hat, wohl vermindern, aber doch nie in einer Weise beseitigen, dass das Instrument für rasch laufende Maschinen, wie sie heute ja die Regel bilden, benutzbar würde. Textabbildung Bd. 315, S. 574 Fig. 4.Apparat zur Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ nach Lee. Textabbildung Bd. 315, S. 574 Fig. 5.Apparat zur Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ nach Ripper. Anordnung bei normalen Maschinen. Dagegen scheint ein von Professor Ripper in Sheffield eingeschlagener Weg zu ganz brauchbaren Resultaten zuführen. Er misst einfach den treibenden Druck und den Gegendruck mit Hilfe von zwei Manometern, welche durch Rohre mit dem Dampfcylinder in Verbindung stehen und durch besonders gestaltete Hähne abwechselnd mit der einen oder anderen Kolbenseite verbunden werden können, so dass auf das eine Manometer stets nur der treibende, auf das andere stets nur der widerstehende Druck wirkt. Die Bewegung der Hähne wird von der Maschine selbst veranlasst, und zwar werden bei gewöhnlichen Maschinen Hähne mit oscillierender Bewegung, die von einem Exzenter abgeleitet wird, bei Schnelläufern jedoch rotierende Hähne benutzt. Für die erste Anordnung gibt Fig. 5, für die zweite Fig. 6 ein Beispiel. Die infolge des abwechselnden Druckes hin und her tanzenden Zeiger der Manometer werden durch Drosseln vermittelst in die Leitungen eingeschalteter Hähne zur Ruhe gebracht, um eine Ablesung zu ermöglichen. Dabei soll die Drosselung jedoch nur soweit gehen, dass eine schwache Bewegung der Zeiger bestehen bleibt, um so sicher zu sein, dass der Apparat nicht etwa durch zu starke Drosselung ganz von der Leitung abgeschlossen ist. Von vornherein möchte man nun wohl als Einwände gegen das ganze angewandte Verfahren anführen, 1. dass man einen so wichtigen Wert wie den mittleren indizierten Druck nicht mit so „rohen und unzuverlässigen“ Instrumenten, wie gewöhnliche Manometer sind, bestimmen dürfe, und 2. dass durch das Drosseln ganz erhebliche Fehler hervorgerufen werden. Was den ersten Vorwurf anbelangt, so weist ihn Professor Ripper auf Grund zahlreicher Versuche auf das Allerentschiedenste zurück, womit er übrigens nur eine Thatsache betont, die auch von anderen schon hervorgehoben ist. Ein eigens als Präzisionsinstrument gebautes Manometer, das mit derselben Sorgfalt behandelt, geputzt und vor Stössen bewahrt wird wie unsere sonstigen feineren Messinstrumente, liefert mindestens ebenso zuverlässige, wenn nicht zuverlässigere Angaben wie irgend ein sonst zur Druckmessung verwandter Apparat, nicht ausgenommen unsere besten Indikatoren. Textabbildung Bd. 315, S. 574 Fig. 6.Apparat zur Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ nach Ripper. Anordnung bei Schnelläufer. Wichtig ist dabei allerdings, dass das Instrument kalt gehalten und namentlich jede plötzliche Temperaturveränderung ausgeschlossen wird. Als einfaches Mittel, um dies herbeizuführen, dient ein vor dem Instrument eingeschalteter Wassersack. Aufs peinlichste hat man darauf zu achten, dass dieser Wassersack auch vollkommen gefüllt ist und gefüllt bleibt. Kann doch das Wasser aus mannigfachen Gründen daraus verschwinden, worauf näher einzugehen wir uns hier versagen müssen. Nur einen Grund, den hauptsächlichsten, möchten wir anführen: das Wasser verschwindet leicht aus dem Wassersack, wenn der auf ihm lastende Druck stark wechselt. Dies vermeidet Ripper, indem er denselben abdrosselt; und damit kommen wir zu dem zweiten, oben angeführten Vorwurfe gegen das Verfahren: dass nämlich durch das Drosseln beträchtliche Fehler in der Bestimmung des mittleren Druckes hervorgerufen würden. Professor Ripper sagt selbst, dass er zuerst diesen Einwand für richtig gehalten habe. Dann habe er aber direkt vor das Instrument hinter den Wassersack einen Drosselhahn F (Fig. 7) eingeschaltet und zahlreiche Versuche hätten bewiesen, dass dadurch die Richtigkeit der Ablesung nicht beeinträchtigt wurde. Auch diese Thatsache ist übrigens von anderen Experimentatoren schon vor Ripper bestätigt. Textabbildung Bd. 315, S. 575 Fig. 7. Vorrichtung zum Abdrosseln an dem Apparat von Ripper.Fig. 8. Differentialdruckmesser nach Kipper. Um sehen zu können, ob der Wassersack ordentlich gefüllt sei, wurde dann das Glasrohr A eingeschaltet und es ergab sich eine starke Bewegung des Wassers, die manchmal ein gänzliches Herausschleudern desselben aus dem Wassersack und Wiederverdampfen in der heissen Rohrleitung zur Folge hatte, so dass der direkte Dampf in das Instrument trat und dieses infolge der plötzlichen Erwärmung unrichtige Werte angab. Dem wurde dadurch entgegengetreten, dass man mit Hilfe eines zweiten Hahnes E den Dampfdruck so weit abdrosselte, dass das Wasser zur Ruhe kam. Dass hierdurch die Ablesungen wenig beeinflusst werden können, ergibt sich daraus, dass bei ganz geöffnetem Hahn F ein Einfluss auf die Zeigerbewegung noch nicht zu bemerken war, wenn schon durch Drosseln mit Hahn E das Wasser hinreichend zur Ruhe gebracht war. Interessant ist, dass man im Laufe der Vorversuche, als man die beschriebene Methode mit Hilfe der Drosselhähne noch für fehlerhaft hielt, Versuche mit dem in Fig. 8 dargestellten Instrumente gemacht hat. Während der treibende Druck gegen den Kolben C trat, wurde der Gegendruck gegen Kolben K geleitet. F ist eine geaichte Feder und G ein Oelbuffer mit Umlaufhahn. Das Instrument beruht also auf demselben Gedanken, wie der Hauptteil des in diesem Aufsatze an erster Stelle beschriebenen Apparates. Das über diesen oben ausgesprochene Urteil wird somit auch durch Ripper bestätigt, wenn er das Instrument (Fig. 8) „nicht feinfühlig genug“ nennt. Die, wie erwähnt, durch Versuche bestätigte Thatsache, dass der von den Manometern angegebene Druck auch wirklich der „mittlere“ indizierte Druck ist, hat man theoretisch in folgender Weise zu begründen versucht: Wie wir gesehen haben, hängt die Wirkungsweise sehr wesentlich von der Wassermasse ab, welche in dem Wassersacke des Manometers sich befindet. Diese Masse und ein Teil der Metallmasse des federnden Messrohres kann sich frei nach zwei entgegengesetzten Richtungen bewegen. In der einen Richtung wirkt eine veränderlich gedachte Kraft P, deren Mittelwert man bei Auftragung dieser Kraft in Funktion der Zeit zu \frac{\int\,P\,.\,d\,t}{t} findet, wo t die Zeit bezeichnet, innerhalb deren die Beobachtung ausgeführt ist. Auf der anderen Seite wirkt dagegen nur die Kraft S, welche durch die Elastizität des Messrohres hervorgerufenwird, und deren Grösse durch den Stand des Zeigers gekennzeichnet wird. Da nun bei eingetretenem Beharrungszustande des ganzen Systems irgend eine Veränderung in der Lage der Massen am Ende der Zeit t gegenüber derjenigen am Anfange dieser Zeit nicht eingetreten ist, so müssen die wirkenden Kräfte sich im Gleichgewichte befinden, es muss S=\frac{\int\,P\,.\,d\,t}{t} sein, d.h. im Manometer wird thatsächlich der mittlere indizierte Druck angezeigt. Auf die in der Flüssigkeit selbst und an den Wänden der Röhren sowie in den Drosselhähnen auftretenden Reibungswiderstände, die ja in irgend einer Weise von der Grösse der Geschwindigkeit abhängen, ist bei dieser Entwickelung keine Rücksicht genommen, weil eben durch das Drosseln die Grösse der Geschwindigkeit, also auch dieser Reibungswiderstände beliebig herabgedrückt werden könne. Schliesslich ist noch ein Punkt zu erwähnen, der in dem englischen Aufsatze eine sehr eingehende Behandlung erfahren hat: macht man, wie das bei schnellaufenden Maschinen sich durchaus empfiehlt, ja fast notwendig erscheint, die Bewegung der Hähne, welche wechselseitig die Manometer mit den Enden des Dampfcylinders verbinden, zu einer gleichmässig rotierenden (Fig. 6), so erscheint der mittlere indizierte Druck, den das Manometer angibt, nicht mehr als eine Funktion des Weges, sondern als eine Funktion der Zeit; es ist eben genau so, als ob man den Indikatorstift nicht auf einem oscillierenden, sondern auf einem gleichmässig sich abwickelnden Papierstreifen schreiben liesse. Der im ersten Falle sich ergebende Mittelwert des indizierten Druckes, den wir kurz den „mittleren Wegdruck“ nennen wollen, unterscheidet sich aber von dem im zweiten Falle erhaltenen, dem „mittleren Zeitdruck“ nicht unbeträchtlich. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, in welchem Zusammenhange die in beiden Fällen erhaltenen Diagramme stehen. Unter Benutzung der durch diese Figur gekennzeichneten Beziehung ist es möglich, für jede Maschine und bei jeder Belastung das Verhältnis zwischen den beiden Werten zu bestimmen, und so in jedem einzelnen Falle von dem „mittleren Zeitdruck“ zum „mittleren Wegdruck“ überzugehen, mit dessen Hilfe ja die thatsächliche Berechnung der Leistung stattfindet. Eingehende Untersuchungen Professor Ripper's haben jedoch gezeigt, dass es für die Praxis genügt, für jede zu untersuchende Maschine einmal das Verhältnis dieser beiden Drucke bei verschiedenen Leistungen zu bestimmen, das Mittel aus den so erhaltenen Werten zu bilden und dieses Mittel für alle späteren Untersuchungen derselben Maschine zu benutzen. Textabbildung Bd. 315, S. 575 Fig. 9.Beziehung zwischen „Wegdruck-“ und „Zeitdruckdiagramm“ Wenn nun auch dieses Instrument sich bei den Versuchen in Sheffield gut bewährt haben soll und gewiss eine schätzenswerte Unterstützung bei allen Untersuchungen von Dampfmaschinen bietet, so ist es doch, wie sich wohl ohne weiteres aus der obigen Beschreibung ergibt, noch in manchen Beziehungen recht unvollkommen und der Wunsch, ein Instrument zur unmittelbaren Bestimmung des „mittleren indizierten Druckes“ zu besitzen, scheint uns damit noch nicht in allgemein befriedigender Weise gelöst. August 1900. F. Mbg.