DIE LANGSAM LAUFENDE, ZWANGLÄUFIGE FRIKART-STEUERUNG. Von Diplomingenieur O. Kölsch, München. (Schluß von S. 599 d. Bd.) KOELSCH: Die langsam laufende, zwangläufige Frikart-Steuerung. Fassen wir noch einmal kurz alle Größen zusammen, welche bei der neuen Steuerung zu beachten sind: 1. Während der Dauer der Einströmperiode dreht sich das Exzenter um den Winkel \frac{\varphi}{2}, wenn mit φ der Füllwinkel bezeichnet ist. 2. Die Kantenentfernung k = a1 + a2 ergibt sich im Schieberkreis als Sehne des Winkels \frac{\varphi}{2} 3. Die Richtung, in der die Schieberbewegung abgeleitet wird, ist um den Winkel \frac{{\varphi_1}^0}{4}-\frac{\varphi^0}{4} zu ändern, bei einer Aenderung des Füllwinkels von φ0 auf φ10. Das von uns aufzustellende Steuerungsdiagramm ist richtig, sobald wir ohne weiteres die drei Größen \frac{\varphi}{2}, \frac{\varphi}{4} und a1 + a2 für beliebige Füllung aus ihm entnehmen können. Wir erreichen dies mit dem Kurbelkreis, indem wir drei Linien zufügen. Im Kurbelkreis der Fig. 6 zeichnen wir den Füllwinkel φ richtig ein, errichten auf der Geraden V_{E_k}\,O eine Senkrechte V_{E_K}\,A und schlagen um den Punkt V_{E_K} einen Kreis mit dem Halbmesser des Kurbelkreises. Dann schließt die Gerade V_{E_K}\,E_{XP_K} mit der Geraden V_{E_K}\,A den Winkel \frac{\varphi}{2} ein. Zum Beweis vervollständigen wir das rechtwinkelige Dreieck V_{E_K}\,E_{XP_K}\,D, in welchem der Peripheriewinkel bei D, über der Sehne V_{E_K}\,E_{XP_K} gleich dem halben Zentriwinkel φ ist; des weiteren stehen die Schenkel der Winkel A\,V_{E_K}\,E_{XP_K} und V_{E_K}\,D\,E_{XP_K} paarweise senkrecht aufeinander, so daß beide Winkel einander gleich sind. Als weiteres Ergebnis finden wir, daß der Abstand A B als Sehne des Winkels \frac{\varphi}{2} gleich der gesuchten Kantenentfernung k = a1 + a2 ist. Der Maßstab der Darstellung ist entsprechend zu berücksichtigen. Ziehen wir noch durch A eine Gerade A E parallel zu V_{E_K}\,O O, dann schließt diese Parallele mit A B den gesuchten Winkel \frac{\varphi}{4} ein. Den Beweis erbringt das Dreieck A B C, in welchem der Winkel bei C gleich \frac{\varphi}{4} ist, als Peripheriewinkel zum Zentriwinkel \frac{\varphi}{2} bei V_{E_K}. Da die Schenkel der Winkel E A B und A C B paarweise aufeinander senkrecht stehen, sind beide Winkel einander gleich. Nachdem wir nun mit dem inneren Wesen des Diagrammes vertraut sind, können wir für seinen Gebrauch am Konstruktionstisch alle Hilfslinien weglassen. Es erhält dann die in Fig. 7 wiedergegebene einfache Gestalt, die alles gibt, was wir benötigen. Um den Punkt V_{E_K} des Kurbelkreises wird ein Kreis durch O geschlagen, die Gerade V_{E_K}\,A senkrecht auf V_{E_K}\,O errichtet und durch A die Parallele zu V_{E_K}\,O gezogen. Damit kommen wir aus. Aendert sich die Füllung, dann wandert der Punkt E_{XP_K} und er dreht den Strahl V_{E_K}\,E_{XP_K} um den Punkt V_{E_K} Kleiner als Null und größer als 180° kann der Füllwinkel nicht werden, so daß der Viertelkreis A B O für jede Füllung ausreicht. Dieser Viertelkreis ist der geometrische Ort aller Punkte B. In jedem Falle gibt: 1. die Strecke B A die Kantenentfernung k = a1 + a2 , 2. der Winkel B\,V_{E_K}\,A=\frac{\varphi}{2} den Exzenterdrehwinkel während der Füllperiode und 3. der Winkel B\,A\,E=\frac{\varphi}{2} die Aenderung der Ableitrichtung für die Schieberbewegung an, also alle die Werte, welche für die Steuerung entscheidend sind. Textabbildung Bd. 326, S. 613 Fig. 6. Textabbildung Bd. 326, S. 613 Fig. 7. Die Fig. 7 kann daher als das Steuerungsdiagramm der Frikart-Steuerung angesehen werden. Die Brauchbarkeit dieses eigenartigen Diagramms erkennen wir am besten in seiner Anwendung auf die neue Frikart Steuerung selbst. In Fig. 8 ist der Teil der Steuerung herausgezeichnet, der ihr wesentliches bildet. Nur ist noch gegenüber der ihr von Frikart gegebenen tatsächlichen Ausführung die Vereinfachung getroffen, daß das Exzenter direkt die Stange 6 (in Fig. 2) antreibt, daß also die Stange 22' der Fig. 2 wegfällt. Am Grundgedanken der Frikart-Steuerung wird durch diese Vereinfachung nichts geändert. Textabbildung Bd. 326, S. 613 Fig. 8. Wir wollen einmal beispielsweise annehmen, daß das polare Voreilen der Kurbel 15° betragen und die Füllung zwischen absoluter Nullfüllung und 75 v. H. schwanken soll. Zeichnen wir hierfür unser Steuerungsdiagramm (s. Fig. 8a) auf, so finden wir, wenn der Exzenterhalbmesser zu r = 40 mm gewählt wird, k0 = 0 mm und kmax = 44,5 mm, sowie \frac{\varphi_0}{4}=O^{\circ} und \frac{\varphi_{\mbox{max}}}{4}=31^{\circ}. Nun suchen wir, rückwärts gehend, jene Füllung auf, bei welcher \frac{\varphi_{\mbox{max}}}{4} gerade halbiert wird, und kommen hierbei auf die Füllung von 20 v. H., die wir als Normalfüllung betrachten wollen. Für sie folgt die Entfernung a1 + a2 der Kanten l und 2' zu knorm.=23,5 mm und \frac{\varphi_{\mbox{norm}}}{4} zu 17° Die Ableitrichtung der Exzenterbewegung ist also um den Betrag von 34° zu verändern. Wir wollen nun den Endpunkt F der Stange 6 in Fig. 8 bei der Normalfüllung von 20 v. H. in einer Wagerechten führen, entsprechend der wagerechten Schubrichtung des Kolbenschiebers. Praktisch hat aber die Stange 5 in Fig. 8 eine endliche Länge, so daß sich der Punkt F nicht auf der Wagerechten O a bewegt, sondern auf einem Kreisbogen um Punkt III. Dieser Kreisbogen muß nur die Bedingung erfüllen, daß er durch die zwei auf der Wagerechten O a liegenden Punkte Ve und Ve' geht. VE ist maßgebend für das Voreinströmen beim ersten Kolbenhingang; Ve' für die Expansion bei diesem Kolbenhingang. Zugleich legt Ve' wenn der Schieber wieder von links nach rechts geht, das Voreinströmen beim zweiten Kolbenhingang fest, während bei Ve die Expansion für den zweiten Kolbenhingang beginnt. Dies Spiel wiederholt sich immerfort. Textabbildung Bd. 326, S. 613 Fig. 8a. Der Drehpunkt III der Stange 5 ist demnach derart zu legen, daß der Endpunkt F der Stange 5 während einer Umdrehung des Exzenters auch tatsächlich zweimal durch Ve und Ve' hindurchgeht. Er liegt also auf der Mittelsenkrechten der Strecke Ve Ve'. Fernerhin ist durch den äußeren Steuerungsmechanismus dafür zu sorgen, daß die Kantenentfernung k stets die vorgeschriebene Größe aufweist. Wir werden später sehen, daß sich dieser Forderung leicht nachkommen läßt. Wollen wir von der normalen Füllung zur Nullfüllung übergehen, dann ist die Stange 5 so weit zu senken, daß die mittlere Richtung Ob der Stange 6 einen Winkel von 17° mit der Wagerechten einschließt (s. Fig. 8). Zugleich ist die Kantenentfernung auf 0 mm zu verringern. Gehen wir von der normalen Füllung zur maximalen über, dann ist die Stange 5 so hoch zu heben, daß sich die neue Mittellage O c der Stange 6 um einen Winkel von 17° über die Wagerechte erhebt. Soll nun bei dieser Füllung der Steuervorgang ganz richtig sein, dann müßte die Stange 5 in ihrer Mittellage senkrecht auf der Richtung O c stehen, damit der Punkt F der Stange 6 tatsächlich durch die beiden auf Oc liegenden Punkte Ve und Ve' hindurchgehen kann. Der Punkt III müßte also vom Regulator derart verlegt werden, daß er auf einer Geraden liegt, die in der Mitte zwischen den Punkten Ve und Ve' auf O c senkrecht steht. Der genauen Lösung dieser Aufgabe stellen sich praktisch große Hindernisse entgegen. Man führt (siehe Fig. 2) den Punkt III daher auf einem Kreisbogen um IV und sieht zu, daß die Stange 5 in ihrer Mittellage wenigstens annähernd senkrecht auf Oc steht, begnügt sich also mit einer weniger genauen Lösung des Steuerproblems. Hieraus entstehen kleine Abweichungen in dem Verlauf je zweier aufeinanderfolgender Diagramme, die aber fast belanglos sind, zumal man bei großen Maschinen im Hochdruckzylinder nicht über eine Maximalfüllung von 50 v. H. hinauszugehen pflegt, sich also wenig von der Mittellage Oa entfernt, in welcher die Steuerung ganz genau arbeitet. Bedenklicher wären die Folgen nur, wenn die Steuerung bei kleinen Füllungen ungenau wirken würde. Prozentual würde dann die Verschiedenheit der Leistung bei zwei aufeinanderfolgenden Diagrammen weit mehr ins Gewicht fallen und könnte den Gleichgang der Maschine beträchtlich beeinflussen. Ein Blick auf Fig. 8 zeigt uns aber, daß gerade diese Befürchtungen bei der Frikart-Steuerung unangebracht sind. Je kleiner die Füllung wird, um so mehr nähern sich die Punkte Ve und VE' durch welche der Gelenkpunkt F hindurchgehen muß, und um so kleiner wird die Ungenauigkeit in der Steuerwirkung, wenn das Gelenk III nicht genau auf der Mittelsenkrechten zu der jedesmaligen Strecke Ve Ve' liegen sollte. Fig. 8 lehrt uns auch, wie das Steuerungsgestänge durchzubilden ist, damit der Schieber bei jeder Füllung die richtige Dampfverteilung herbeiführt. Wir stellen (siehe Fig. 8) das Exzenter in den Punkt VE, somit den Schieber in die Lage, in der er gerade beginnt, den Dampf einströmen zu lassen. Es stehen in diesem Augenblick die Kanten 1' und 2 übereinander. Sodann möge der Regulator mit Hilfe der Stange 7 die beiden Stangen \overline{5\,5'} und 6 verstellen. Bei dieser Bewegung darf sich die Kante 2 des Schiebers nicht von der Kante 1' entfernen, weil sonst im Kurbelkreis der Punkt V_{E_K} verlegt würde. Es beschreibt also der Punkt O der Stange \overline{5\,5'} einen Kreisbogen um den festgehaltenen Punkt II, und der Punkt F der Stangen \overline{5\,5'} und 6 beschreibt einen Kreisbogen um den festgehaltenen Exzentermittelpunkt E. Ein dritter Punkt (III) der Stange \overline{5\,5'} bewegt sich also auf einer eindeutig bestimmten Bahn, nach deren Krümmungsmittelpunkt die vom Regulator beherrschte Regulierwelle IV zu verlegen ist. Führen wir für den vorliegenden Fall diese Mittelpunktsbestimmung aus und berücksichtigen zugleich, daß Punkt G möglichst genau durch die verschiedenen Punkte Ve und Ve' geht, so finden wir, daß die Regulierwelle derart nahe an die Steuerwelle zu liegen kommt, daß sie sich konstruktiv nicht unterbringen läßt. Wir müssen also von vornherein schon auf eine peinlich genaue Steuerwirkung verzichten. Frikart wählte die in Fig. 2 ersichtliche Lage für die Regulierwelle und erreicht hiermit eine hinlänglich gleichmäßige Dampfverteilung. Wir müssen uns noch vor Augen halten, daß die Strecken k, welche wir dem Steuerungsdiagramm (Fig. 8a) entnehmen, nur relativen Wert haben. Die tatsächliche Größe von k = a1 + a2 hängt von der Dampfgeschwindigkeit ab, welche wir in den Kanälen zulassen. Es dürfte sich empfehlen, den unbeweglichen Kanal a2 derart zu bemessen, daß er bei der normalen Füllung gleich \frac{k_{\mbox{norm.}}}{2} ist und hierbei eine erlaubte Dampfgeschwindigkeit zuläßt. Durch die Uebersetzungen in den Hebeln \overline{5\,5'} und \overline{8\,8'} können wir jede beliebige Größe von k erreichen. Es ist noch die Frage offen, ob wir imstande sind, mit der Steuerung kontinuierlich jede Füllung, bis herab zur Nullfüllung, zu bewirken. Aus dem Steuerungsdiagramm entnehmen wir, daß sich k mit abnehmender Füllung allmählich dem Werte Null nähert. Es müßten demnach beide Kanäle a1 und a2 verändert werden können, um einen stetigen Uebergang zum Werte a1 + a2 = 0 zu gewähren. Praktisch würde dies zu großen Komplikationen führen. Frikart umging diese Schwierigkeit und führte den Kanal in der Schieberbüchse mit der unveränderlichen Breite a2 aus. Dadurch entfällt aber die Möglichkeit, stetig zur Nullfüllung zu gelangen. Bei fester Kanalbreite a2 tritt die absolute Nullfüllung bedeutend früher ein, als wenn die zwei Kanäle veränderlich wären. Sie ist bei jener Kurbelstellung zu erwarten, welche der Kantenentfernung k = a2 entspricht und zwar springt sie hier von einem endlichen Wert auf den Wert Null. Im gezeichneten Falle würde dies bei einer Füllung von etwa 2½ v. H. eintreten. Für die nächsten Füllungsgrade, von 2½ v. H. an aufwärts, sind starke Drosselungserscheinungen zu erwarten; denn die Schlitzbreite a1 ist noch sehr klein. Diesen Drosselungen brauchen wir aber keine große Bedeutung beizumessen, da derart kleine Füllungen nur als äußerst selten gebrauchte, sogen. Regulierfüllungen auftreten. Eine letzte wichtige Frage ist jene, ob wir die Möglichkeit haben, mit Hilfe der Stangen 6, \overline{5\,5'}, \overline{8\,8'}und 10 die Schlitzbreite a1 derart zu verändern, wie es unser Steuerungsdiagramm vorschreibt. Fig. 9 wird uns hierüber Aufschluß geben. Hier sind die Stangen 5', \overline{8\,8'} und 10 herausgezeichnet, welche die Verstellung des Schlitzes a1 besorgen. Der Endpunkt F der Stange 5' bewegt sich innerhalb des zu 2 × 17° ermittelten Winkelbereiches c O b. Wenn wir die Mittellage des Schiebers bei allen Füllungsgraden von 0 v. H. bis 75 v. H. betrachten, so ist der geometrische Ort, auf dem sich der Gelenkpunkt F stets befinden muß, der in Fig. 9 um Punkt O gezeichnete Kreisbogen d F e. Zeichnen wir nun in Fig. 9 jenen Kreisbogen der Fig. 8a ein, auf welchem die Endpunkte der Strecken k liegen, derart, daß kmax auf den Strahl O c zu liegen kommt, dann schneidet dieser Kreisbogen auf den Fahrstrahlen durch O jedesmal die Kantenentfernung k aus, die zur betreffenden Ableitrichtung bezw. der hierdurch festgelegten Füllung gehört. Nun zeichnen wir die Sehne d e ein, welche senkrecht auf O a steht, und tragen parallel zu O a in den Endpunkten der von O kommenden Strahlen die von jedem Strahl ausgeschnittene Kantenentfernung k ab, dann ergibt sich als geometrischer Ort für die Endpunkte aller Werte k mit guter Annäherung die Gerade d f. Dies besagt nichts anderes, als daß die Kantenentfernung k sich proportional mit dem Heben bezw. Senken des Punktes F ändern muß. Wenn wir die Stangen 5' und 8 sowie 8' und 10 in ihren Mittellagen senkrecht zueinander stellen, dann wird der Winkelhebel \overline{8\,8'} für ein gewisses mittleres Bereich die richtige Veränderung der Schlitzbreite a1 ausführen können. Tragen wir, von d e an gerechnet, nach rechts die Breite a2 des festen Kanals ab, dann bleiben zwischen dieser neuen Abszissenachse g h und der Geraden g f die einzelnen Schlitzbreiten a1 ersichtlich, welche im Kolbenschieber jeweils vorhanden sein müssen. Zu genau den gleichen Größen a1 müssen wir kommen, wenn wir in Fig. 8a um A einen Kreisbogen mit dem Halbmesser a2 schlagen und die Schlitzweite a1 = k – a2 von diesem Kreisbogen ab herausgreifen. Weiterhin können wir, von dem Punkte g (Fig. 9) ausgehend, den Winkel \frac{\varphi}{4} und hiermit den Füllwinkel φ ermitteln, bei dem die Füllung von einem endlichen Wert auf den Wert Null springt. Textabbildung Bd. 326, S. 615 Fig. 9. Fassen wir noch einmal Fig. 8 ins Auge. Bei der Drehung des Exzenters schwingt der Punkt F der Stange 6 um das Gelenk III. Punkt G der Stange 5' schwingt ebenfalls um III, während das Gelenk H auf einer Gleitbahn wagerecht geführt wird. Infolge der geringen Länge \overline{G\,III} wird sich in der Nähe der Schiebertotlagen der Punkt G stark senken und während dieser Zeit den Schlitz a1 verkleinern. Bis aber diese Veränderung der Schlitzbreite einen merklichen Wert erreicht, hat der Schieber schon längst seine Aufgabe erfüllt. Wir können daher das ständige leichte Spielen der Gelenke H, J und K nur als eine gute Eigenschaft der Steuerung ansehen, welche es dem Regulator ermöglicht, ohne allzu großen Arbeitsaufwand von einer Füllung auf eine andere überzugehen.