Theorie eines hydraulischen Maschinenreglers. Von Diplom-Ingenieur Otto Schäfer, Hannover. Theorie eines hydraulischen Maschinenreglers. Einleitung. Zur Regelung der Geschwindigkeit von Kraftmaschinen eignen sich solche Vorrichtungen, deren Verhalten sich nach bestimmten Gesetzen mit eben dieser Geschwindigkeit ändert. So wird bekanntlich die Fliehkraft umlaufender Massen sehr häufig dem Bau von Reguliervorrichtungen zugrunde gelegt, weil sie sich im gleichen Verhältnis wie das Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ändert. Bei manchen Kraftmaschinen ist die zur Verstellung notwendige Arbeit größer, als sie ein solcher Regler bei der zulässigen Geschwindigkeitssteigerung auszuüben vermag. Man läßt dann die Verstellung durch die Triebwelle der Maschine selbst vornehmen und verlangt von dem Regler nur, daß er die Regelung ein- bezw. ausschaltet. Beispielsweise wird dies, besonders bei Turbinen, so ausgebildet, daß in den durch Pumpen erzwungenen Kreislauf einer Flüssigkeit an einer Stelle durch Fliehkraftregler Widerstände eingeschaltet werden, zu deren Ueberwindung die Pumpen eine höhere Wasserpressung herstellen müssen, welch letztere dann zur Regelung der Kraftmaschine verwendet werden kann. Solche Vorrichtungen werden zuweilen als hydraulische Regler bezeichnet, sind aber nur Fliehkraftregler mit sog. hydraulischen Relais. Doch hat man andererseits auch Regler gebaut, welche ihre Wirkungen ohne Zuhilfenahme der Fliehkraft, direkt auf das Verhalten strömenden Wassers gründen und diese mit vollem Recht hydraulische Regler benannt. Mit solchen Reglern beschäftigt sich die folgende Abhandlung. Derartige Vorrichtungen sind nicht neu, als die ältesten sind der Schwimmerregler und der Regler von Schiele zu bezeichnen, welche schon 1861 bekannt warenZeitschr. d. V. d. I. 1861, S. 60.. Der Erstere beruht darauf, daß in einem Gefäß mit Bodenöffnung die Oberfläche des Wassers und damit auch der darauf liegende Schwimmer sich verschieden hoch einstellen, je nachdem die Pumpe, welche das Wasser liefert und welche von der zu regelnden Maschine angetrieben wird, schneller oder langsamer läuftNähere Beschreibung und Berechnung siehe Grashof: Theoretische Maschinenlehre. 1. Auflage, Bd. II, S. 421.. Der Schwimmer bewirkt die Regelung der Maschine. Bei dem Regler von Schiele wird das Wasser durch eine von der zu regelnden Maschine angetriebene Zentrifugalpumpe unter den Kolben in einen stehenden Zylinder gefördert, aus dem es durch eine kleine Oeffnung in den Saugbehälter zurückfließen kann. Bei gesteigerter Maschinengeschwindigkeit liefert die Zentrifugalpumpe mehr Wasser, der Druck im Zylinder nimmt zu, der Kolben Wird verschoben und bewirkt die Regelung der MaschineGrashof: Theoretische Maschinenlehre. 1. Auflage, Bd. II, S. 421.. Später sind noch mehrere hydraulische Regler erfunden worden, welche sich zwar alle auf das Verhalten strömender Flüssigkeiten stützen, in ihrer Ausführung aber sehr verschieden sind. So besteht der Regler von NapierEngineer 1885, Bd. 50, S. 279 und D. p. J. 1885, Bd. 251 S. 393. der Hauptsache nach aus zwei mit Schaufeln besetzten, einander nahe gegenüberstehenden Scheiben, ähnlich den offenen Rädern von Zentrifugalpumpen. Die eine Scheibe wird von der zu regelnden Maschine umgetrieben, so daß die in Bewegung gebrachte Flüssigkeit die zweite Scheibe, welche auf die Regelung wirkt, mitzunehmen sucht. Die Welle, auf welcher diese zweite Scheibe befestigt ist, wird aber durch ein Drehmoment – Gewichtsbelastung an einem Hebel – an der Drehung verhindert. Läuft die Maschine und damit die erste Scheibe schneller, so überwindet das strömende Wasser das Drehmoment am Hebel, die zweite Scheibe dreht sich und bewirkt die Regelung. Nimmt die Geschwindigkeit ab, so dreht die Gewichtsbelastung die zweite Scheibe zurück und regelt im entgegengesetzten Sinne. Rasch und SendtnerD. p. J. 1894, Bd. 294, S. 226. schalten in den Kreislauf einer Flüssigkeil, welcher durch eine von der zu regelnden Maschine angetriebene Zentrifugalpumpe erzwungen ist, einen Zylinder ein, in welchem sich ein Kolben bewegen kann. Nimmt die Geschwindigkeit der Maschine, also auch die der Zentrifugalpumpe zu, so steigt der Wasserdruck in dem Zylinder, der Kolben wird verschoben und bewirkt die Regelung. Ganz ähnlich arbeitet der Regler von RibourtGenie civil 1903, Bd. 42, S. 297. und der von ThunderboltD. p. J. 1894, Bd. 294, S. 226., welch letzterer nur an Stelle von Flüssigkeit Luft verwendet. Um eine schnellere Drucksteigerung hei Zunahme der Geschwindigkeit zu erhalten, sind bei den zuletzt genannten drei hydraulischen Reglern Drosselvorrichtungen in der Pumpendruckleitung vorgesehen, welche bei Ribourt und Thunderbolt direkt durch die Drucksteigerung, bei Rasch und Sendtner durch den Reglerkolben selbst verstellt werden. Der Regler von PaytonD. p. J. 1894, Bd. 294, S. 226. benutzt ebenfalls die in einem Flüssigkeitskreislauf entstehende Druckerhöhung zur Verstellung eines Kolbens; aber dieser Kolben rückt erst eine Vorrichtung ein, die dann ihrerseits die Maschine regelt. Der Regler von Dean BrosUhlands Prakt. Masch.-Konstr. 1899, S. 205. ist speziell für Pumpen bestimmt. An den Druckraum der Kolbenpumpe ist ein Zylinder angeschlossen, in dem sich ein Kolben bewegt, der den Dampfzutritt zur Antriebsmaschine regelt. In D. p. J. 1899, S. 158 habe ich eine andere Anordnung des hydraulischen Reglers vorgeschlagen. Der in Fig. 1–4 dargestellte Zylinder ist in die zum Dampfkessel führende Speiseleitung mittels der Stutzen a und b eingeschaltet. Die Speisepumpe wird direkt von der zu regelnden Maschine angetrieben und sendet ihr Wasser durch a in den Zylinder, von wo es durch b in den Dampfkessel gelangt. Läuft die Pumpe schneller, so liefert sie mehr Wasser, dessen Geschwindigkeit und der Widerstand in der Rohrleitung zwischen b und dem Dampfkessel nehmen zu, damit aber auch die Wasserpressung in dem Zylinder und der Druck auf den Kolben k, so daß dieser den Gegendruck der Zugfedern/und des durch c mit dem Dampfkessel in Verbindung stehenden Wassers überwindet; die Kolbenstange wird verschoben und die Regelung der Maschine besorgt. Um den störenden Einfluß der Stopfbüchsenreibung zu beseitigen, ist der Kolben k mit schrägstehenden Schaufeln so besetzt, daß er durch den bei a eintretenden Wasserstrahl in Drehung versetzt wird. Das durch etwaige Undichtheiten des Kolbens strömende Wasser gelangt durch c direkt in den Dampfkessel. Textabbildung Bd. 322, S. 613 Fig. 1. Textabbildung Bd. 322, S. 613 Fig. 2. Textabbildung Bd. 322, S. 613 Fig. 3. Textabbildung Bd. 322, S. 613 Fig. 4. Diese an sich einfache Anordnung ist aber nicht ausführbar, weil die Speisepumpe im allgemeinen mehr Wasser liefert, als der Kessel verdampft, und auch, weil bei Verminderung der Leistung die Maschine zwar etwas schneller läuft, aber weniger Dampf verbraucht. Die Pumpe würde also gerade dann mehr Wasser in den Dampfkessel schaffen, wenn weniger Dampf entnommen wird. Wollte man, um der Kesselbedienung die Einhaltung eines gewünschten Wasserstandes im Kessel zu ermöglichen, durch ein Auslaßventil an der Speiseleitung das zuviel gelieferte Wasser ablassen, so würde durch die Regelung dieses Ventils immer eine Rückwirkung auf den Maschinenregler ausgeübt werden, was unzulässig ist. Zur Vermeidung dieser Nachteile kann man den Regler (Fig. 1–4) durch die bei b und c anschließenden Rohrleitungen mit einem Akkumulator verbinden, der sein Druckwasser gedrosselt in den Saugwindkessel der Pumpe zurückfließen läßt. Dadurch wird der Regler nicht nur für Dampfmaschinen, sondern auch für andere Kraftmaschinen, z.B. Turbinen, verwendbar. Die Wirkungsweise eines solchen hydraulischen Reglers würde folgende sein: Eine durch die zu regelnde Kraftmaschine angetriebene Kolbenpumpe liefert ihr Wasser durch a in den Zylinder (Fig. 1–4), und durch die bei b und c anschließenden Rohrleitungen nach dem Akkumulator, aus welchem es in den Saugwindkessel der Pumpe zurückfließt. Läuft die Kraftmaschine und damit auch die Pumpe schneller, so wächst mit dem Widerstand in der Rohrleitung b auch der Druck unter dem Kolben k, dieser verschiebt sich und regelt die Maschine. Der Akkumulator erhält sein Wasser den Pumpenhüben entsprechend stoßweise, wird also in Schwingungen versetzt werden. Da er aber infolge der Elastizität des Wassers und seiner Wandungen ein elastischer Körper ist. so wird er auch Eigenschwingungen ausführen und es besteht die Möglichkeit, daß zwischen beiden Schwingungen Resonanz eintritt, wodurch das Bestehen der Anlage gefährdet würde. Es soll daher im folgenden untersucht werden: 1. Die Elastizität des Wassers und ihr Einfluß auf die Größe der auftretenden Stöße. 2. Die Eigenschwingungen eines Akkumulators. 3. Die durch die Pumpen veranlaßten Schwingungen. 4. Resonanzerscheinungen zwischen beiden Schwingungen. 5. Soll die Berechnung eines Reglers für einen bestimmten Fall vorgenommen und seine Wirkungsweise näher besprochen werden. (Fortsetzung folgt.)