Versuche an einer Dampfmaschinenreglung. Von Professor Dr.-Ing. Anton Gramberg aus Danzig-Langfuhr. GRAMBERG: Versuche an einer Dampfmaschinenreglung. Die folgenden Versuche sollen die bei der Kraftmaschinenreglung auftretenden Erscheinungen erläutern. Sie wurden mit einer Längsverbund-Dampfmaschine angestellt, die im Auspuffbetrieb arbeitete. Die sogenannte alte Collmann-Steuerung des Hochdruckzylinders wird vom Regler in bekannter Weise beeinflußt. Der Regler wird (Abb. 1) von der Steuerwelle angetrieben. Seine Muffenstellung kann bei r abgelesen werden und überträgt sich durch die Hängestangen l des Stellzeuges auf die Regelwelle, die sich um einen mäßigen Winkel verdreht. Das Reglergewicht bezogen auf die Muffenbewegung, wie man es durch Anheben des Reglers im Stillstand der Maschine durch Auswiegen feststellen kann, war etwa 108 kg; darin sind die in Abb. 1 gezeichneten Einlegegewichte nicht mit gewogen; sie waren bei den Versuchen dauernd herausgenommen. An der Reglung findet sich normal das wagerecht mit der Hand verstellbare Laufgewicht, das die Drehzahl der Maschine von rund 120 auf rund 135 verändert. Außer diesem Gewicht ist in Abb. 1 noch besonders für Versuchszwecke mit der Regelwelle eine Spindel verbunden, auf der sich Gewichte I und II in bestimmtem Abstand über oder unter der Regel welle anbringen lassen. Diese Gewichte üben dann gar keine Wirkung auf die Regelwelle und den Regler aus, wenn die Spindel genau senkrecht steht; das war der Fall bei einer mittleren Stellung der Reglermuffe und der Regelwelle. Bewegt sich aber die Regelwelle, so üben die Gewichte schnell zunehmende Momente auf die Regelwelle und schnell zunehmende Kräfte auf die Reglermuffe aus; die Kräfte nehmen von negativen Werten über Null zu positiven, algebraisch gerechnet dauernd in einem Sinn zu, und zwar annähernd proportional den Wegen der Reglermuffe, um so schneller, je weiter die Gewichte nach oben oder unten von der Reglerwelle entfernt sind. Die Wirkung der veränderlichen Gewichte, die einerseits im wagerechten, andererseits im senkrechten Sinne verschoben werden, auf die Reglung untersucht man, indem man durch Auflegen verschiedener elektrischer Belastungen Nel auf die Maschine den Regler in verschiedene Stellungen r gehen läßt und die zugehörigen Drehzahlen n beobachtet. Zunächst wurde das wagerecht laufende Gewicht verstellt; es war 18,15 kg schwer, wurde von seiner Normalstellung (links) um 0,1 m und dann um 0,2 m (ganz nach rechts) verstellt; der Arm der Regelwelle, an dem die Muffenkraft anfaßte, war im Mittel 0,141 m. Daher übte die Verschiebung des Gewichtes zusätzliche Kräfte von 18,15\,.\,\frac{0,1}{0,141}=12,9\mbox{ kg} bzw. 18,15\,.\,\frac{0,2}{0,141}=25,8\mbox{ kg} auf die Muffe aus. Wurde nun die Leistung verändert, so ergaben sich Ablesungen nach Maßgabe von Abbildung 2. In den beiden Endstellungen und in der Mittelstellung des Laufgewichtes ergaben sich die drei ansteigenden, einander parallelen Kennlinien der Reglung. Textabbildung Bd. 333, S. 25 Abb. 1. Schematische Darstellung der Reglung mit den Versuchseinrichtungen. Die wagerechte Verschiebung des Laufgewichtes läßt also die Kennlinie der Reglung eine Wanderung nach rechts machen, ohne sie zu drehen; sie beeinflußt die Drehzahl, nicht aber die Ungleichförmigkeit der Reglung. Beachtenswert ist der Verlauf der Kurven gleicher Nutzleistung Nel des Dampfdynamosatzes. Gleicher Leistung entspricht bei höherer Drehzahl ein kleineres Drehmoment, also ist eine höhere Reglerstellung zu erwarten. Das ist auch bei allen Belastungen der Fall, jedoch nicht bei Leerlauf. Bei Leerlauf sind die Eigenwiderstände des Satzes maßgebend, die bei höheren Belastungen verdeckt werden. Das Moment der Eigenwiderstände nimmt mit der Drehzahl zu, daher sinkt der Regler im Leerlauf bei wachsender Drehzahl: mehr Dampf ist beim Leerlauf Voraussetzung für schnelleren Lauf der Maschine. Werden weiterhin die senkrecht anzubringenden Gewichte verändert, so ergibt sich ein Bild nach Abb. 3. Einmal war der Regler im normalen Zustand; ein zweites Mal war ein Gewicht 20 kg im Abstand 0,3 m unier der Regelwelle angebracht, entsprechend einem zusätzlichen Produkt Kraft × Arm (letzteren wagerecht gedacht) von Mz = – 6 m kg; ein drittes Mal war ein Gewicht 10 kg 0,3 m über der Regelwelle angebracht, Mz = + 3 m kg. Unter dem Einfluß, dieser Gewichte erfährt die Kennlinie der Reglung eine Drehung ohne Verschiebung. Sie wird steiler, wenn das Gewicht oberhalb der Regelachse ist, die Reglung nähert sich dann der Astasie; die Kennlinie wird flacher, die Reglung wird stark statisch durch, das unter der Regelachse befindliche Gewicht. Die mittlere Drehzahl der Maschine bleibt, die Ungleichförmigkeit ändert sich. Das untenliegende Gewicht nämlich zieht den Regler stets in die Mittelstellung, es sind daher größere Aenderungen der Drehzahl nötig, um ihn gleichwohl in die Endstellungen gelangen zu lassen. Das obenliegende Gewicht zieht die Reglung in die Endstellungen, so daß umgekehrt nur kleinere Aenderungen der Drehzahl nötig sind, um den Uebergang bis in die Endstellungen zu veranlassen. – Ueber weitere Versuchspunkte der Abb. 3 sei noch erwähnt: Bringt man je ein Gewicht von 10 kg je 0,32 m unter und über der Regelwelle an, so wird weder die Drehzahl noch der Ungleichförmigkeitsgrad der Reglung beeinflußt. Die Masse des Reglers ist dadurch größer, der Regler träger geworden. Die Punkte „träge“ und „normal“ liegen in Abb. 3 dicht beieinander, obwohl die Reglermasse um 20\,.\,\left(\frac{0,32}{0,141}\right)^2=103\mbox{ kg} Gewicht vermehrt war, also beträchtlich im Vergleich zur Reglermasse (130 kg). Die Masse als solche (d.h. wenn sie nicht als Gewicht zur Geltung kommt, sondern ausgeglichen ist) hat also keinen Einfluß auf das statische Verhalten der Reglung. Textabbildung Bd. 333, S. 26 Abb. 2. Kennlinien der Reglung bei veränderter Drehzahl. Es sind ferner in Abb. 3 noch Versuche eingetragen,Genauere Besprechung in: Gramberg, Maschinenuntersuchungen und das Verhalten der Maschinen im Betriebe. Berlin, Julius Springer. Unter der Presse. bei denen einmal künstlich eine Klemmung der Reglerbewegung erzeugt war, ein zweites Mal eine reine sogenannte molekulare Dämpfung. Die Klemmung wurde erzeugt, wie Abb. 1 erkennen läßt: zwei Backen reiben sich mit der einstellbaren Kraft R' gegen das Mittelstück, das durch die Reglerbewegung zwischen ihnen hin und her gezogen wird. Zur Erzeugung der molekularen Dämpfung trat an Stelle dieses Geklemmes eine Oelbremse. Grundsätzlich unterscheiden sich beide Einrichtungen dadurch voneinander, daß bei der Oelbremse die hemmende Kraft mit der Geschwindigkeit (etwa quadratisch) wächst, und daß sie vor allem mit der Geschwindigkeit gegen Null konvergiert; bei dem Geklemme aber ist die hemmende Kraft von der Geschwindigkeit der Bewegung ziemlich unabhängig, sie behält gleiche Größe auch in der Ruhe. Das ist bekannt. In Abb. 3 liegen daher die Versuchspunkte auch bei angestellter Oelbremse regelmäßig, die Ruhelage wird durch die Oelbremse nicht beeinflußt. Das Geklemme aber läßt die Ruhelage der Reglung breit streuen, es ergibt grobe Unregelmäßigkeiten. – Alles bisher Gesagte bezog sich auf die Frage, wie sich Drehzahl n und Reglerstand r unter dem Einfluß der regelnden Eigenschaften des Reglers auf einen Beharrungszustand einstellen. Wir wenden uns nun der Frage zu, in welcher Weise der Regler den Uebergang von einer Einstellung auf eine andere vollzieht. An die Maschine angebaut war ein Tachograph von Horn, der die Umlaufzahl der Maschine als abhängig von der Zeit auf einen Papierstreifen verschieden einstellbarer Geschwindigkeit aufschreibt. Der Tachograph hatte noch einen zweiten Schreiber, der die Aufzeichnung des Hülsenhubes r übernimmt. In irgendwelcher Weise wird dazu die Reglermuffe durch Draht oder Schnurtrieb möglichst starr mit jenem zweiten Schreiber verbunden. So werden die Werte r und n als abhängig von der Zeit – genauer: abhängig vom Weg der Maschinenkurbel – aufgetragen. Man erhält Tachogrammstreifen, deren eine Reihe in Abb. 4 dargestellt ist. Die Kurve der Muffenhube und die der Drehzahlen waren in Wahrheit durcheinanderlaufend (auf einem Streifen) aufgenommen und sind nachher auseinandergezeichnet. Textabbildung Bd. 333, S. 26 Abb. 3. Kennlinien der Reglung bei veränderten statischen Verhältnissen und veränderten Dämpfungsverhältnissen. Bei diesen Streifen wurde die Belastung der Maschine von halber Last auf volle gesteigert, dann wurde auf halbe Last und weiterhin auf Leerlauf zurückgegangen, zum Schluß wieder auf halbe Last übergegangen. Die Maschine lief so zwischen den einzelnen Versuchen gleichmäßig mit halber Last. Dadurch wurde für gleichmäßige Erwärmung der Zylinder unter Vermeidung übermäßigen Dampfverbrauchs gesorgt, auch blieb der Kessel gut konstant belastet – Maßnahmen, die bei Ausführung solcher Versuche sehr wesentlich sind. Ebenso konstant belastet blieb der Wasserwiderstand, auf den die Dynamo arbeitet; er bestand aus zwei Teilen, die so abgeglichen wurden daß jeder die halbe Last darstellt; da aber jeder durch Einlegen oder Herausreißen eines Schalters an- und abgeschaltet werden konnte, so war sprungweise der Uebergang auf die schon genannten Lasten ½ – 1 – ½ – 0 – ½ möglich. Textabbildung Bd. 333, S. 27 Abb. 4a bis d. Reglung verschieden träge und statisch. a) Regler normal; b) Trägheit vergrößert; c) Regler stärker statisch; d) Regler fast astatisch Zunächst war die Reglung vollständig normal (Abb. 4 a). Jeder Uebergang von einer Belastung auf die nächste veranlaßt n und r, die ihr gemäß Abb. 3 zukommenden neuen Werte anzunehmen; die Plötzlichkeit des Ueberganges löst Schwingungen aus, die genug gedämpft und gering genug sind, um zu Bedenken keinen Anlaß zu geben. Die Kurven der n und der r sind einander zugeordnete, um ¼ Periode gegeneinander verschobene gedämpfte sinusartige Kurven. Dabei ist bei beiden die Sinusform unrein; bei der n Kurve ist sie ins Spitze verzerrt, bei der r-Kurve umgekehrt sind die größten Ausschläge breitgedrückt. Wir werden das später als eine Folge der Reglerreibung erkennen. Dem normalen Tachogramm sind entgegengestellt in Abb. 4b bis 4d einige Tachogramme mit verschiedenen statischen und dynamischen Eigenschaften des Reglers, und in Abb. 5 einige mit verschiedenen Dämpfungsverhältnissen. In Abb. 4b sind zunächst je 0,32 m über und unter der Regelwelle je ein Gewicht von 10 kg angebracht, die nach der oben gegebenen Rechnung auf die Reglermuffe bezogen, einen Zuwachs der Reglermasse um 103 kg Gewicht bedeuten, während die eigentliche Reglermasse mit 130 kg Gewicht anzusetzen war; die Vermehrung ist also bedeutend. Die statischen Verhältnisse aber werden hierdurch nicht beeinflußt (Abb. 3). Auch für den Regelvorgang ist die bedeutende Vermehrung der Masse fast belanglos, wie Abb. 4b im Vergleich zu Abb. 4a zeigt: die Schwingungen von r und n verlaufen zwar etwas langsamer, aber doch charakteristisch ähnlich wie in Abb. 4a. Wir entnehmen daraus, daß es auch unbedenklich ist, wenn bei den folgenden Versuchsmaschinen die Masse der Reglung hie und da verändert wird. Die Reglung, gleich, ob mit normaler oder mit vergrößerter Trägheit arbeitend, hat einen Ungleichförmigkeitsgrad von 5,7 v. H., wie aus Abb. 3 ersichtlich. Es wurde nun der Ungleichförmigkeitsgrad einmal vergrößert, ein zweites Mal verkleinert. Das wurde wieder durch Anbringen eines Gewichtes von 10 kg unterhalb bzw. oberhalb der Reglerwelle erreicht. Abb. 4c zeigt das Tachogramm des stärker statischen Reglers bei den vier Belastungssprüngen, Abb. 4d dasselbe für den weniger statischen Regler. Was das Verhalten bei Belastungssprüngen anlangt, so bewirkt der stärker statische Regler zwar auch die Einregelung gut, sogar besser als der normale, insofern als die auftretenden Schwingungen noch schneller abklingen. Unzuträglichkeiten hingegen ergeben sich, wenn der Regler ganz wenig statisch gemacht ist. Obwohl die Astasie auch bei dem letzten Diagramm (Abb. 4d) durchaus nicht ganz erreicht ist, so zeigen sich doch bei den Belastungssprüngen stärkere Schwingungen. Beim Uebergang auf halbe oder volle Last sind sie zwar immerhin noch gedämpft; beim Uebergang auf Leerlauf aber kommen die Schwingungen nicht nur nicht mehr zur Ruhe, sondern die Amplituden vergrößern sich sogar langsam; kurzes Anhalten mit dem Finger bei H ließ sie dann erst zur Ruhe kommen. Das schlechte Regeln im Leerlauf hat im Fehlen der Selbstreglung der Dynamomaschine seine Ursache. An sich wäre es das Ideal einer Reglung, daß die Maschine bei allen Belastungen die gleiche Drehzahl machte, daß also die Reglung mit dem Ungleichförmigkeitsgrad Null arbeiten, astatisch sein könnte. Die Diagramme lassen aber erkennen, daß ein Regler bei Belastungssprüngen unbrauchbar ist, sofern, er sich der Astasie zu sehr nähert. Dagegen ist es zwecklos, den Ungleichförmigkeitsgrad allzu weit zu steigern, da dann eine wesentliche Verminderung der Schwingungen doch nicht mehr erreicht wird, andererseits aber die Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung unnütz stark wird. Textabbildung Bd. 333, S. 28 Abb. 5a bis e. Reglung mit künstlichen Fehlern. Stehen die beiden Gesichtspunkte: möglichst geringer Abfall der Drehzahl von Leerlauf bis Vollast, andererseits Vermeidung allzu großer Schwingungen bei Belastungssprüngen, einander gegenüber, so wird man die Folgerung aus den besprochenen Versuchen ziehen dürfen, man soll den Ungleichförmigkeitsgrad der Reglung so stark verkleinern, daß die Schwingungen bei Belastungssprüngen, insbesondere bei Uebergang auf Leerlauf noch gerade zu ertragen sind. Man sieht, daß bei der untersuchten Reglung im normalen Zustande beide Gesichtspunkte gut gegeneinander abgeglichen sind. Eine Ungleichförmigkeit von 5,7 v. H. erweist sich in diesem Fall als geeignet. Nun wird der Einfluß verschiedener Dämpfungsverhältnisse in Abb. 5 belegt. Die Dämpfung wird einmal durch eine mechanische Reibung, ein zweites Mal durch eine eigentliche (molekulare) Dämpfung mittels einstellbarer Oelbremse erzeugt. Bei Beurteilung der Versuchsergebnisse bleibt zu beachten, daß die Reglung schon auf alle Fälle durch Reibung und wohl auch molekular gedämpft ist. Es handelt sich also immer nur um eine künstliche Vergrößerung der Dämpfung. Den Einfluß mechanischer Reibung (Klemmung) zeigt das Diagramm Abb. 5a. Der Betrag der Reibung war durch eine Art Eichung festgelegt worden, indem Gewichte passend an das Geklemme gehängt wurden, bis sie es durchzogen. Umrechnung nach den Hebelarmen ergab, daß bei dem Versuch ± 12 kg Reibungskraft auf die Muffe des Reglers ausgeübt wurden. Da nach Abb. 2 der Muffenkraft 121 – 108 =13 kg eine Drehzahländerung um etwa 7 Umläufe entspricht, so bleibt nach Anbringung unserer Klemmung die Drehzahl um \pm\,\frac{12}{13}\,.\,7=\pm\,6,5/\mbox{min} unbestimmt. In der Tat finden wir schon in Abb. 3, daß sich die Punkte mit Reibung in diesen Grenzen vom Sollwert der Reglerkennlinie entfernen. Textabbildung Bd. 333, S. 29 Zu Abb. 5a bis e. Das Reglungsdiagramm (Abb. 5a) indessen zeigt, am deutlichsten beim Uebergang auf Leerlauf, daß der Regler in der Tat immer wartet, bis die Drehzahl entsprechend geändert ist, worauf er dann einen Sprung über das Ziel hinaus macht, um in der neuen Stellung zu verharren. Das Diagramm der Reglerbewegung wird daher trapez-artig-zickzackförmig. Unter dem Einfluß dieser Reglerbewegung macht die Drehzahl Aenderungen durch, die jeweils Teile von Kurven sind, die sich der dem vorübergehend festen Reglerstand zugeordneten Drehzahl asymptotisch nähern würden, machte nicht vorher der Regler einen neuen Sprung. Die Linie der Drehzahlen verläuft also dreieckig-zickzackförmig. Immerhin kommt bei diesem Betrag der Klemmung die Reglung noch von selbst in eine endgiltige Ruhestellung. Der Einfluß molekularer Dämpfung wird in Diagramm b und c der Abb. 5 gezeigt. In einem Vorversuch war der Kolben der. Oelbremse mit Gewichten belastet und seine Geschwindigkeit unter ihrer Einwirkung beobachtet worden; dies unter der Annahme quadratischer Aenderung und unter Beachtung der Hebellängen auf Muffenkraft umgerechnet, hatte ergeben für Diagramm 5b, 1 Umlauf offen: Muffenkraft 1,03 kg bei 1 mm/Sek. Muffengeschwindigkeit, für Diagramm 5c, ½ Umlauf offen: Muffenkraft 102 kg bei 1 mm/Sek. Muffengeschwindigkeit. Die Dämpfung ist also, bei Verwendung sehr dickflüssigen Oeles als Umlaufmittel, außerordentlich viel schneller gewachsen, als der gemessene Querschnitt abgenommen hatte. Die Regeldiagramme sind unter dem Einfluß der Dämpfung sehr schön rein als ein Paar von gedämpften Sinuslinien erhalten worden, die einander als voneinander abgeleitet zugeordnet ur d daher um 90° in der Phase gegeneinander verschoben sind. Es zeigt sich also, daß die molekulare Dämpfung die Reinheit der Sinusform fördert. Denn in den normalen Regeldiagrammen (Abb. 4a) läßt sich ihre Verzerrung unter dem Einfluß der Reibung schon schwächer als in Abb. 5a aber doch deutlich erkennen. Bei der schwächeren Dämpfung ergibt der Uebergang von voller auf halbe Last eine Drehzahlamplitude bis + 8 v. H., bei der stärksten sogar bis + 12 v. H., während die Reglung im normalen Zustande nur + 2 v. H. ergab (Abb. 4a). Insoweit bedeutet also die Anbringung und Verstärkung der Dämpfung eine sehr merkliche Verschlechterung der Reglung. Ihre guten Seilen erweist sie in den Diagrammen 5d und 5e. Hier ist die Dämpfung einmal zugleich mit der Reibung von der Größe wie bei Diagramm 5a, ein zweites Mal am beinahe astatisch gemachten Regler angebracht, der sich in Abb. 4d als mangelhaft erwies und namentlich für den Uebergang auf Leerlauf ganz unbrauchbar war. Die Oelbremse verbessert in beiden Fällen die Verhältnisse sichtlich, dämpft insbesondere auch die astatische Keglung beim Uebergang auf Leerlauf sicher ab. Aber doch zeigen die Kurven deutlich: Die Verwendung der Oelbremse ist ein Notbehelf, um eine Reglung brauchbar zu machen, wenn sie übermäßige Reibung hat oder wenn, bei nicht mehr zu verringernden Reibungswiderständen, der Regler zu schwach oder zu nahe der Astasie ist. In diesen Fällen schafft die Anbringung einer Oelbremse eine große Besserung; ihre Anbringung verstößt aber gegen die allgemeine Regel beim Beseitigen von Maschinenfehlern: es solle nicht ein Fehler durch Gegenwirkung gelähmt, sondern es seile seine Ursache beseitigt werden. Man suche also alle vorhandenen Gelenkreibungen zu vermindern; man untersuche die statischen Verhältnisse der Reglung (nicht nur: des Reglers) und mache sie nach Befund etwas stärker statisch; oder endlich man bringe durch Aenderung der Uebersetzungshebel zwischen Regler und geregeltem Teil (Steuerung, Drosselklappe) die Arbeitsfähigkeit des Reglers so voll zur Gehung, wie die Rücksicht auf einen erforderlichen Sicherheitshub es zuläßt. Wenn alles dieses die Reglung nicht zum ruhigen Uebergang von einer Belastung zur anderen bringt, so ist das Arbeitsvermögen des Reglers zu gering zur sichren Beherrschung der Widerstände, und eine Auswechslung des Reglers gegen einen stärkeren ist am Platze.