Steuerungen [1]

Steuerungen, im allgemeinen alle Mechanismen, durch welche die relative Bewegung von Teilen einer Maschine umgekehrt werden kann.

Insbesondere bezeichnet man bei Kolbenmotoren, wie Dampf-, Gas-, Petroleum- und Wassersäulenmaschinen diejenigen Mechanismen als »Steuerungen«, welche die Umkehr des Kolbens an jedem Zylinderende veranlassen, indem sie die Verbindungskanäle zwischen diesen, dem Ein- und dem Ausströmungsrohre zu geeigneten Zeiten öffnen und schließen. Auch wenn bei Kolbenpumpen zur Förderung tropfbarer oder gasförmiger Flüssigkeiten das Oeffnen und Schließen entsprechender Kanäle zwangläufig erfolgt, pflegt man den bezüglichen Mechanismus Steuerung zu nennen. Das Schließen der genannten Kanäle geschieht durch »Ventile«, mit welchem Namen man im allgemeinen geeignet geformte feste Körper bezeichnet, welche die Einmündung des Kanals in eine das Ventil umschließende Erweiterung desselben, welche »Ventilgehäuse« oder »Ventilkasten« genannt wird, vollständig bedecken. Insbesondere nennt man aber derartige Körper kurzweg »Ventile« oder auch »Hebeventile«, wenn sie, um die Kanalmündung zu öffnen, in senkrechter Richtung zu ihr abgehoben werden; erfolgt dagegen das Oeffnen durch seitliche Verschiebung des Ventils, so heißt es »Schieberventil« oder kurzweg »Schieber« (s.d.). Die Berührungsfläche zwischen diesem und der Kanalmündung heißt »Schieberfläche« oder »Schieberspiegel«. Ist die Schieberfläche eben, so muß auch die Verschiebung in dieser Ebene erfolgen, und der Schieber heißt »Flachschieber«; bildet sie einen Teil eines Zylindermantels, so müssen Schieber und Schieberkasten zwei sich teilweise oder ganz umschließende Zylinder bilden. Die Verschiebung kann dann entweder geradlinig in der Richtung der Zylinderachse (Rundschieber, Kolbenschieber) oder durch Drehung um diese (Drehschieber) erfolgen. Ein Drehschieber bildet mit dem ihn umschließenden Gehäuse einen »Hahn«. Mündet der Kanal in ein Gehäuse mit kegelförmiger Schieberfläche, so ist nur ein Drehschieber (Hahn) möglich. Die besprochenen Verschlußteile bilden die sogenannten inneren Steuerungen, und man unterscheidet danach Ventil-, Flachschieber-, Rundschieber- und Drehschieber- oder Hahnensteuerungen. Der Mechanismus, wodurch die Ventile oder Schieber bewegt werden, heißt die äußere Steuerung, obgleich diese Bewegung auch durch Anstoßen des Dampfkolbens oder hervorragender Teile desselben im Innern des Dampfzylinders erfolgen kann (D.R.P. Nr. 113234 und 120613). Bei den Präzisionssteuerungen (s.d.) wird die Dauer der Dampfeinströmung durch den Regulator bestimmt, und die Dampfabsperrung erfolgt sehr rasch. Um hierbei schädliche Stöße zu vermeiden, werden, außer den bei Präzisionssteuerung besprochenen Luft- und Oelpuffern, in neuerer Zeit die gekrümmten Wälzungshebel vielfach angewendet, deren Stützpunkt sich während ihrer Bewegung stetig verschiebt, indem ihre konvexe Fläche auf einer Unterlage, der Wälzbahn, rollt. Bei geeigneter Form dieser aufeinander rollenden Flächen beginnt das Ventil seinen Hub mit minimaler Geschwindigkeit, die rasch auf einen Höchstwert anwächst und dann bis zur Vollendung des Ventilhubes bei der Totlage des Antriebsexzenters wieder auf Null herabsinkt. Beim Niedergange des Ventils[313] aber sind die Geschwindigkeiten in umgekehrter Ordnung die gleichen wie beim Hube [4] und [5]. Auch haben Oberingenieur Kienast der Maschinenfabrik Th. Grohe in Merseburg sowie die Maschinenfabrik van den Kerchove in Gent, um das Aufschlagen der Steuerventile gänzlich zu vermeiden, diese durch leichte Kolbenschieber mit kurzem Hube ersetzt [6].

Bei einer einfachwirkenden Hochdruckdampfmaschine mit Ventilsteuerung (Fig. 1) und analogen Maschinen sind zwei Ventile nötig, wovon das eine an dem Zylinderende, an welchem der Dampf ein- und ausströmt, die Verbindung mit dem Einströmrohre, das andre Ventil dagegen die mit dem Ausströmrohre herstellt und aufhebt. Es ist a das Einströmrohr, b das Ausströmrohr. Das durch das Gegengewicht d offen gehaltene Ventil e läßt den Dampf am oberen Zylinderende einströmen, der Kolben c wird niedergedrückt. Die Kolbenstange ist mit einem Ende eines Balanciers verbunden, während an dessen anderm Ende ein schweres Schachtgestänge hängt, das durch den Kolbenniedergang gehoben wird. Die Lenkstange g mit den beiden Nocken h und i hängt an demselben Arme des Balanciers wie der Kolben, und geht daher gleichzeitig mit ihm nieder. Ist der Kolben dem Punkte nahe gekommen, an welchem die Expansion beginnen soll, so drückt der Nocken h den Hebel k nieder, schließt dadurch das Einströmventil e und löst das Klinkwerk m aus. Der Hebel n bleibt jedoch durch einen Zahn an einem dritten Hebel x vorläufig noch in seiner Lage erhalten. Das im Winkel gebogene Ende des Hebels k steht dann parallel mit der Lenkstange g, der Nocken h streicht beim weiteren Niedergange daran hin und hält das Einströmventil geschlossen. Ist aber der Kolben am Ende seines Hubes, so drückt ein Nocken an der Steuerstange den Hebel x nieder und löst dadurch den Hebel n aus, oder er setzt einen Apparat mit langsam niedersinkendem Gewichte, einen sogenannten »Katarakt« z in Tätigkeit, der erst nach einer Hubpause den Hebel x niederdrückt. Ist der Hebel n frei geworden, so öffnet das daraufsitzende Gewicht das Ausströmventil o, worauf der Dampf entweicht und das Schachtgestänge den Kolben c wieder hebt. – Soll Kondensation angewendet werden, so wird ein drittes Ventil v eingeschaltet und durch die Lenkstange so gesteuert, daß es sich gleichzeitig mit dem Einströmventil öffnet und schließt. Werden beide bei der tiefsten Stellung des Kolbens geschlossen, so wird das Ventil o geöffnet. Der Dampf über dem Kolben tritt unter ihn, während das Gestänge ihn hebt. Werden dann e und v geöffnet und o geschlossen, so drückt der frische Dampf den Kolben nieder, während der unter dem Kolben durch v in den Kondensator gelangt. Bei einer Maschine, die ohne Expansion arbeiten soll. fällt der Hebel x und der Katarakt z ganz, und von dem Hebel n die zweite Sperrklinke weg; der Hebel k aber wird am Ende nicht in den Winkel gebogen und wird erst am Ende des Kolbenhubes von dem Nocken h berührt.

Soll eine doppeltwirkende Hochdruckdampfmaschine nach der in Fig. 1 dargestellten Art gesteuert werden, so ist eine der beschriebenen analoge Steuerung auch am unteren Zylinderende anzubringen. Hierbei können anstatt der Hebeventile auch Dreh-, Rund- oder Kolbenschieber angewendet und diese anstatt an der Zylinderwandung auch auf den Zylinderdeckeln angebracht werden.

Sollte die Maschine mit ganzer Füllung arbeiten, so müßte je ein Einlaßventil am einen Zylinderende und ein Ausströmventil am andern Zylinderende gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden, und man könnte sie deshalb auch fest miteinander verbinden, wenn sie gleichachsig übereinander angeordnet würden. Auch könnte man sie einander ganz naherücken, um die Verbindung weniger schwerfällig zu machen, doch hat dies den Nachteil, daß dann die Verbindungskanäle mit den Zylinderenden länger und daher die schädlichen Räume größer werden. Es könnten aber auch noch die beiden Ventile für je ein Zylinderende zu einem Ventil vereinigt werden, wenn man alle Ventilöffnungen gleichachsig und so anordnete, daß für jedes Zylinderende die untere von oben, die obere aber von unten geschlossen würde. Dies würde eine Anordnung wie Fig. 2 ergeben, woraus man ersteht, daß es kinematisch möglich ist, eine doppeltwirkende Maschine mit zwei zu einem Körper fest verbundenen Ventilen zu steuern. Bei Hebeventilen ist dies jedoch nicht ratsam, weil, abgesehen von andern Schwierigkeiten, der Hub der Ventile nach beiden Seiten hin fest begrenzt ist, so daß es schwierig und wegen der Abnutzung auf die Dauer unmöglich sein würde, dichten Abschluß zu erreichen, und weil die Verschiebungen der Ventile momentan erfolgen müßten, damit der Umstand nicht allzu nachteilig würde, daß bei der mittleren Stellung der Ventile alle Ventilöffnungen offen stehen.

Diese sämtlichen Schwierigkeiten fallen bei Schieberventilen weg. Ein Schieberventil, das eine Kanalmündung mit wenig Ueberdeckung ihrer Ränder abschließt, öffnet, wenn es nach rechts geschoben wird, diese Mündung auf seiner linken Seite und, wenn es nach links geschoben wird, auf seiner rechten Seite. Zwei solche, zu einem Schieber fest miteinander verbundene Schieberventile können zu Wänden ausgestaltet werden, die den Raum zwischen ihnen von den außerhalb gelegenen Räumen des Schiebergehäuses abschließen. Setzt man dann den ersteren mit dem Ausströmrohre, die letzteren mit dem Einströmrohre. in Verbindung, so kommuniziert bei einer Verrückung des Schiebers aus seiner Mittellage nach rechts die linke Kanalmündung mit dem Einströmrohre und die rechte mit dem Ausströmrohre, während bei einer Verschiebung nach links das umgekehrte Verhältnis eintritt; bei der mittleren Schieberstellung aber sind beide Kanäle geschlossen. Bewirkt man die Trennung des zwischen den[314] beiden Schieberventilen liegenden Raumes von den außerhalb liegenden Räumen dadurch, daß man erstere zu zwei, durch eine Kolbenstange fest miteinander verbundene Kolben ausgestaltet, die von dem Schiebergehäuse dicht umschlossen werden, wodurch eine sogenannte »Kolbensteuerung« entsteht (Bd. 2, S. 663, Fig. 5, und Bd. 7, S. 621, Fig. 8), so drückt der Dampf oder das Aufschlagswasser den Schieber nicht gegen die Schieberfläche und sucht ihn auch nicht davon abzuheben. Der Schieber ist, wie man zu sagen pflegt, »entladet«, und man kann ebensogut den Innenraum mit der höher gespannten und die Außenräume mit der weniger gespannten Flüssigkeit in Verbindung setzen. Gestaltet man die beiden Schieberventile und ihre Verbindungsteile so aus, daß sie zwischen sich eine niedere, nach der Schieberfläche hin offene Kammer bilden, welche die Außenräume vor und hinter dem Schieber nicht vollständig voneinander trennt, so entsteht ein einfacher »Muschelschieber« (Bd. 7, S. 619, Fig. 1). Wird hierbei der Innenraum mit der Ausströmung der Dampfmaschine und der Außenraum mit dem Einströmungsrohre in Verbindung gesetzt, so wird der Schieber gegen den Schieberspiegel gedrückt und im umgekehrten Falle davon abgehoben; gleitet aber seine obere Fläche am Deckel des Schieberkastens, so ist er teilweise oder ganz entlastet (Schieberentlastungen, s. Bd. 7, S. 621).

Einen Steuerhahn kann man sich dadurch entstanden denken, daß die Schieberfläche eines- Muschelschiebers zu einem Zylinder mit senkrecht zur Schubrichtung stehender Achse aufgerollt und die Form des Schiebers dementsprechend verändert worden ist. Daraus ergeben sich Querschnitte wie Fig. 3 oder wie Fig. 4, worin 1 das Einströmungsrohr, 2 und 3 die nach den Zylinderenden führenden Kanäle, 4 das Ausströmungsrohr bedeuten mögen.

Da die Verschlußflächen der zu einem Kolben- oder Muschelschieber vereinigten beiden Schieberventile in der mittleren Stellung sowohl nach dem Innenraume als auch nach den Außenräumen hin über die Ränder der Kanalmündungen greifen, so hat man »innere Ueberdeckung« und »äußere Ueberdeckung« zu unterscheiden. Macht man die inneren Ueberdeckungen eines Schiebers von den äußeren verschieden, so findet das Oeffnen und Schließen der Kanäle nicht mehr gleichzeitig statt. Man kann daher bei Schiebersteuerungen die Zeitfolge der Ventilwirkungen durch die Ueberdeckungen regeln; doch hat hierbei ein Schließen der Dampfeinströmung vor Beendigung des Kolbenhinganges auch stets ein Schließen der Dampfausströmung vor Beendigung des Kolbenherganges zur Folge. Stärkere Expansion durch einen Schieber mit großer äußerer Ueberdeckung wendet man deshalb nur bei Maschinen an, bei denen Einfachheit der Konstruktion ein Haupterfordernis ist, wie z.B. bei Lokomotiven, gibt andernfalls dem Hauptschieber nur geringe oder keine Ueberdeckung und bewirkt den früheren Dampfabschluß. durch ein besonderes Ventil oder einen »Expansionsschieber«.

Was die äußeren Steuerungen betrifft, so haben wir einen Sperrklinkenmechanismus zu einer Ventilsteuerung (Fig. 1) bereits betrachtet. Eine Präzisionsventilsteuerung für eine liegende Dampfmaschine ist in Bd. 7, S. 204, dargestellt und beschrieben. Flachschieber werden jetzt fast ausschließlich durch Exzenter und Exzenterstangen von der Schwungradwelle aus bewegt, während dies früher vielfach durch unrunde Scheiben geschah. Bei Hahnensteuerungen kommt es darauf an, ob der Hahnenkörper kontinuierlich oder hin und her gedreht werden soll. Im ersteren Falle geschieht dies durch Räderwerke, im letzteren Falle ebenfalls durch Exzenter und Exzenterstangen von der Schwungradwelle aus. Corlißsteuerungen sind Präzisionshahnensteuerungen, die mit je zwei dicht an den Zylinderenden sitzenden Hähnen, also mit vier Hähnen an jedem Zylinder, arbeiten (Bd. 7, S. 204).

Bei direkt wirkenden Dampfpumpen, Wassersäulenmaschinen und ähnlichen Maschinen ohne rotierende Bewegung und Schwungrad würde, wenn die Bewegung der Schieber- oder Kolbensteuerung direkt von dem Hauptkolben oder seiner Stange aus bewirkt werden sollte, die Maschine zum Stillstande kommen, sobald der Schieber beide Einströmöffnungen bedeckt. Man ist deshalb bei solchen Maschinen genötigt, eine kleine Hilfsmaschine zur Bewegung des Hauptschiebers anzuwenden, deren weit kleinerer Steuerschieber von dem Hauptkolben oder seiner Stange rasch und ohne den erwähnten Uebelstand bewegt werden kann, oder deren Steuerschieber von dem Hauptkolben oder seiner Stange selbst gebildet wird. – Bei der Dampfpumpe von Deane (Fig. 5) ist der Hilfsschieber a ein kleiner sogenannter E-Schieber, der am Ende jeden Kolbenhubes nach rechts oder links gestoßen wird. Der durch b eintretende Dampf gelangt demzufolge in den Hilfszylinder c und schiebt die beiden miteinander und mit dem Hauptschieber i fest verbundenen Kolben e und e₁ nach links oder rechts, wodurch der durch das Haupteinströmrohr o eintretende Dampf nach dem rechten oder linken Ende des Hauptzylinders geleitet wird. – Bei der Dampfpumpe von Tangye (Fig. 6) ist der Hauptschieber i ein sogenannter E-Schieber, an jedem Ende mit einem Hilfsdampfkolben e und e₁ fest verbunden. Diese beiden gleichachsigen Kolben sind der Achse parallel ganz sein durchbohrt und von dem Hilfszylinder umschlossen. Infolge der seinen Durchbohrung herrscht während des Stillstandes der Kolben auf beiden Seiten c und c₁ derselben voller Dampfdruck. Die beiden Enden des Hilfszylinders kommunizieren mit denen[315] des Hauptzylinders durch je ein Ventil n und n₁, das sich nach dem Hilfszylinder hin öffnet und unten in einen flachen Kegel endigt, der in den Dampfraum des Hauptzylinders hineinragt, so daß es, wenn der Kolben an das Ende seines Hubes gelangt, von diesem aufgestoßen wird. Der Dampf an dem Ende c des Hilfszylinders entweicht dann durch den Hauptzylinder nach der Ausströmung, der Dampf am andern Ende e₁ des Hilfszylinders aber expandiert und bewegt die Hilfskolben mit dem Hauptschieber so, daß der Dampf nun am andern Ende des Hauptzylinders eintreten kann. – Weiteren Aufschluß über Steuerungen geben die Art. Dampfmaschinen, Bd. 2, S. 596; Kulissensteuerungen, Luftkompressoren, Bd. 6, S. 248; Präzisionssteuerung, Bd. 7, S. 204; Schieber, Verbrennungsmotoren, Wassermotoren. Ueber Umsteuerungen s. Lokomotive, Bd. 6, S. 203.

Literatur: [1] Blaha, Die Steuerungen der Dampfmaschinen, 2. Aufl., Berlin 1884. – [2] Weisbach-Herrmann, Ingenieur- und Maschinenmechanik, 2. Teil, 2. Abt., S. 995 ff., Braunschweig 1883–87. – [3] Fliegner, Die Umsteuerungen mit dem einfachen Schieber, 2. Aufl., Zürich 1900. – [4] Leist, C., Die Steuerungen der Dampfmaschinen, 2. Aufl., Berlin 1905. – [5] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1908, S. 2043. – [6] Ebend. 1901, S. 1295 u. 1715, sowie 1902, S. 108. – [7] Ebend. 1900, S. 1449. – [8] Ebend. 1901, S. 184, 297, 363, 760, 1171. – [9] Ebend. 1902, S. 1921. – [10] Ebend. 1903, S. 618, 748. – [11] Ebend. 1904, S. 976. – [12] Ebend. 1905, S. 146, 481, 1121. – [13] Ebend. 1906, S. 115, 925. – [14] Ebend. 1907, S. 132, sowie die bei den obengenannten Artikeln aufgeführten Werke.

Th. Beck.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.