DE3715C - Verbesserter Centrifugal-Regulator - Google Patents

Description

1877.

Klasse

SCHAEFFER & BUDENBERG m BUCKAU bei MAGDEBURG. Verbesserter Centrifugal-Regulator.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 2. October 1877 ab. Längste Dauer: 18. Februar 1885.

In Fig. i, Blatt IV, sei ABCD ein allgemeines Rotationspendel, das um die horizontale Axe c drehbar ist und um die verticale Axe y y mit der Winkelgeschwindigkeit W₀ rotirt.

Μξ sei das Moment, welches die Schwere des Körpers in Hinsicht auf Drehung um die Axe c ausübt. Mq, dagegen sei das Moment, mit welchem die Centrifugalkraft den Körper um die nämliche Axe c zu drehen strebt; dann mufs, damit Gleichgewicht stattfinde,

Mc + Μξ = ο

sein. Es seien J₁ ξ.₂ ξ_Λ .. . und 17, η₂ η₃ ... die Coordinaten der Massentheilchen, bezogen auf die Horizontale c χ und auf die Verticale c y. Die Gewichte dieser Massentheilchen seien 1\ 1% Iz- · ■ · Ferner seien /1/2/3 ■ · · die an den Massentheilchen wirkenden Centrifugalkräfte, dann ist

Mc = 2 (J> η).
Ferner ist:

A =

W₀'

W₀

h. = ^r- q> & + β),

/3 = —Γ" · ?3 (S₃ + β),

W₀ ²

i*

Mc =

W₀'

q (ξ + α) η

also: ^ S \q (ξ + α) η\ +. M_% = 0... (1)

Diese Formel (ι) drückt den Gleichgewichtszustand des allgemeinen Rotationspendels für eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit w_ü und eine bestimmte Pendellage aus. Um nun allgemein den Zusammenhang zwischen Winkelgeschwindigkeit und entsprechender Gleichgewichtslage des Pendels zu ermitteln, setzen wir voraus, sowohl der Ausdruck

Süds + «) n]>

als auch das Moment M^ seien für die in Fig. 1, Blatt IV, gezeichnete Pendellage gegeben. Aendert sich die Winkelgeschwindigkeit so, dafs sie von W₀ in w übergeht, so mufs das Pendel, damit wieder Gleichgewicht stattfinde, seine Lage um einen bestimmten Winkel φ ändern.

Bezeichnen nun in Fig. 2, Blatt IV, X₁ x₂ x_s x_t... und jVi JC₂ y₃ JV4 ... die Coordination der Massentheilchen q_x ^₂ q₃ g_A . . . für die so veränderte Pendellage, so mufs, damit wieder Gleichgewicht stattfinde, auch

(2)

Aus der Figur	ergiebt	sich	unmittelbar
X1 ζ= ξ1 COS	SP — 1Jt	sin	SP
X2 = |2 COS	5P — 1^	sin	SP
#3 —' ξ3 COS	φ —η,	sin	SP
JV1 = ξ, sin	φ + 1^i	cos	SP
JV2 == ξ2 sin	sp + ^	cos	SP
JV3 = I3 sin	9P 4" %	cos	SP

Werden diese Werthe in die Gleichung (2) eingesetzt, so folgt nach einigen Reductionen:

w² I . _. sin 2<b _ , .

— (/ξ —Jy — + C- cos 2<jp + « .Λ/ξ sm φ

+ α Μη cos φ j
+ Μξ cos φ — Mq sin y = ο .... (3).

Hier bedeutet J^ das Trägheitsmoment des Körpers für die Axe η t\ und /η das Trägheitsmoment für die Axe ξ ξ, ferner C den Ausdruck 2 (q ξ η), M^ das statische Moment des Körpers für die Axe η η, Mq das statische Moment für die Axe ξ ξ.

Die Gleichung (3) drückt für jedes allgemeine Rotationspendel den Zusammenhang zwischen der Winkelgeschwindigkeit w und dem Ausschlagwinkel φ aus, bezogen auf irgend eine ursprüngliche Pendellage.

Es liegt nun ganz in unserer Macht, über die genannte ursprüngliche Pendellage zu verfügen. Um der Gleichung (3) die einfachste Form zu ertheilen, wählen wir dieselbe so, dafs sie einer Winkelgeschwindigkeit ο entspricht. Da also nach Gleichung (1)

= ο

sin

wird, so verwandelt sich die Gleichung (3) in die einfachere

\ + C cos 2ψ + a Mr₁ cos φ

η φ = ο . . . . (4). In dieser Fundamentalgleichung des allgemeinen Rotationspendels sind die Werthe

/_s Jr₁ ψ Μ_Ά

Constanten, welche von der Form und Gröfse des Pendels abhängen. Daraus geht unmittelbar hervor, dafs der Zusammenhang zwischen Winkelgeschwindigkeit und Ausschlagwinkel bei dem allgemeinen Rotationspendel nicht etwa für jedes Pendel ein und derselbe bleibt, sondern dafs er vielmehr von der Gestalt und Gröfse des Pendels abhängt. Nähere Untersuchungen ergeben, dafs sich jedes allgemeine Rotationspendel nicht durch einen, wohl aber durch zwei Massenpunkte ersetzen läfst, welche in einer Ebene liegen, die durch die verticale Axe y y geht und um die horizontale Axe c drehbar ist. Ein allgemeines Rotationspendel mag also jede nur denkbare Gestalt besitzen, immer lassen sich zwei Punkte in der angegebenen Ebene bezeichnen, für welche genau das nämliche Gleichgewichtsgesetz stattfindet wie für das Pendel. Fallen diese zwei Punkte in einen einzigen zusammen, so besitzt das allgemeine Rotationspendel diejenige Gestalt und dasjenige Gleichgewichtsgesetz, welche zusammen das Wesen des gewöhnlichen konischen Pendels ausmachen. Für dieses einfache Pendel ergiebt sich dann die bekannte einfache Gleichgew'ichtsgleichung

h =-

wobei h den senkrechten Abstand des Massenpunktes vom Schnittpunkte der Pendelrichtung mit der verticalen Drehaxe bezeichnet.

Sowohl der Gestalt als der Wirkungsweise nach völlig verschieden von dem konischen Pendel ist das am vorliegenden Apparate angewendete astatische Rotationspendel. Bei diesem Pendel sind nämlich die beiden Massenpunkte so gewählt, dafs dasselbe innerhalb zweier bestimmter Grenzen für jeden Werth der Winkelgeschwindigkeit eine bestimmte stabile Gleichgewichtslage besitzt, während es sich aufserhalb dieser beiden Grenzen nur im labilen Gleichgewichte befinden kann.

In den beiden Uebergangslagen vom stabilen zum labilen Gleichgewichte besitzt das Pendel also weder stabiles noch labiles Gleichgewicht, ist daher an jenen Stellen astatisch. Im allgemeinen wird auch in der Nähe einer der genannten Lagen ein solches Pendel sehr annähernd astatisch sein. Wird also dem Pendel eine solche Form ertheilt^ dafs die "beiden Uebergangslagen vom stabilen zum labilen Gleichgewichte nicht allzuweit auseinander liegen,

er

*) Die etwas allgemeinere Eormel Ti = const -^ gilt auch für das belastete Pendeji des PoTter'schen Regulators.

so mufs das Pendel innerhalb dieser Lagen sehr annähernd astatisch sein. Die Erfinder benutzen bei ihren Pendeln nur denjenigen Winkel, innerhalb dessen das Pendel stabiles Gleichgewicht besitzt, und lassen dasselbe nach beiden Richtungen hin genau bis zu den astatischen Uebergangslagen ausschlagen. Sie fanden durch genaue Rechnung solche Pendel, bei denen einem Ausschlagwinkel von 20⁰ nur eine sehr geringe Geschwindigkeitsdifferenz entspricht.

Beschreibung des Regulators.

Auf Blatt I ist ein Regulator für eine kleine Dampfmaschine abgebildet.

Blatt II enthält einen solchen, der schon nahezu doppelt so gröfse Widerstände zu überwinden im Stande ist.

Es sind zwei verschiedene Constructionen hier beigelegt, um Abweichungen in Einzelheiten deutlich zu machen, welche an diesem Apparate vorkommen können, ohne dessen Wesen und Wirkungsweise zu ändern. Auf jedem der beiden Blätter ist

Fig. ι eine Ansicht des ganzen Apparates von vorn,

Fig. 2 eine Ansicht von der Seite, und

Fig. 3 eine Ansicht von oben,

Fig. 4 und 5 sind monodimetrische Zeichnungen von einzelnen herausgenommenen Theilen.

Die Bestandtheile des Regulators sind folgende :

1. eine verticale Rotationswelle,

2. ein gufseiserner Bügel B,

3. zwei gleiche, eigenthümlich geformte Rotationspendel G Q und G₁ Q₁ mit Einstellschrauben,

4. zwei kleine Zugstangen,

5. ein Muff M,

6. zwei kleine Axen, vier Stifte und ein Keil. Blatt I. Der gufseiserne Bügel B, welcher

mit der Welle fest verbunden ist, besteht aus einer Nabe, aus vier Augen und irgend einer passenden Verbindung zwischen der Nabe und diesen Augen. Die wesentlichsten Theile des Rotationspendels sind die beiden Gewichte G und Q, sowie die beiden Stangen 6¹ und S'. Die hier gewählte Anordnung des Apparates bedingt , dafs sich die Stange »S unten in eine Gabel verzweigt, und dafs die Stange S' die aus der Figur ersichtliche abgebogene Gestalt besitzt. Das Gewicht G hat hier die Form einer Kugel, Q diejenige eines Cylinders, aus welchem ein bogenförmiges Stück ausgenommen ist. Das Pendel ist vermittelst zweier Augen um eine Axe α drehbar, welche letztere in zwei Augen des Bügels B gelagert ist.

Das Pendel G₁ Q₁ ist dem Pendel G Q völlig gleich. Jede der kleinen Zugstangen ist oben mit einem der Pendel und unten mit dem Muff je vermittelst eines kleinen Stiftes verbunden. Diese zwei Zugstangen übertragen die Bewegung der Pendel auf den Muff. Ein Keil, welcher durch die Welle geht und mit seinen Enden in Schlitze des Muffes dringt, zwingt diesen letzteren,

mit der Welle zu rotiren, und begrenzt die axiale Bewegung desselben. Bei zunehmender Winkelgeschwindigkeit der Umtriebmaschine und des Regulators bewegen sich die Pendel in solchem Sinne, dafs sich die Kugelgewichte G G₁ von der Welle entfernen, während die zwei Cylindergewichte Q Q_x gehoben werden. In diesem Falle bewegt sich auch der Muff aufwärts. Eine Abnahme der Winkelgeschwindigkeit hat genau die umgekehrten Bewegungen zur Folge. Diese Pendel begründen den Unterschied zwischen diesem neuen Apparate und den bereits bestehenden Centrifugalregulatoren.

Die auf den Blättern I und II gezeichneten Pendelformen sind so gewählt und berechnet, dafs sie diejenigen Bedingungen erfüllen, welche oben erläutert wurden, dafs sich also die Pendel nur innerhalb eines gewissen Winkels in stabilem Gleichgewichte befinden können, während aufserhalb dieses Winkels nur ein labiler Gleichgewichtszustand denkbar wäre. Ueberdies ist der Ausschlagwinkel durch den Keil und die Schlitze im Muffe so begrenzt, dafs die Pendel nach beiden Richtungen hin nur bis zu den astatischen Uebergangslagen ausschlagen können. Zur Ausgleichung der Ungenauigkeiten der Ausführung ist in das cylindrische Gewicht Q eines jeden Pendels je eine Stellschraube ί eingeschraubt, durch welche die Ausführungsfehler • vollständig corrigirt- werden können. Liegen bei einem ausgeführten, noch nicht berichtigten Pendel die beiden astatischen Uebergangslagen zu weit auseinander, so hat man nur die Stellschraube nach der Welle hin zu verstellen. Liegen sie zu nahe, so ist die Lage der Schraube im umgekehrten Sinne zu verändern. Durch diese Stellschrauben kann man also die Empfindlichkeit des Apparates beliebig verstellen.
: Um bei einem ausgeführten Pendel die Empfindlichkeit, d. h. die Entfernung der beiden astatischen Uebergangspunkte, versuchsweise zu ermitteln, kann man folgende Wege einschlagen: ; ;

ι. Das Pendel wird vermittelst einer konischen Riemscheibe durch eine Dampfmaschine angetrieben, bei der man für möglichst constanten Dampfdruck und constanten Widerstand sorgt, und die man überdies durch einen gewöhnlichen Regulator möglichst vollkommen regulirt. Es sind nun für sehr verschiedene Riemenstellungen, d. h. für sehr verschiedene Winkelgeschwindigkeiten des Pendels die entsprechenden Ausschlagwinkel zu messen.

2. Viel genauer wird das Experiment ausfallen, wenn die so regulirte Dampfmaschine durch ein passendes Uhrwerk ersetzt wird.

Die strichpunktirten Linien in Fig. i, Blatt I, deuten die äufsersten Pendelstellungen an. Fig. 4 stellt ein Pendel mit angehängter Zugstange und Fig. 5 den Muff dar.

Blatt II. Die wesentlichen Abweichungen dieses Apparates von dem vorigen sind folgende:

i. Die Pendel besitzen kürzere Arme, und ihre Drehpunkte liegen näher bei der Welle, dagegen sind die beiden Gewichte G und Q doppelt so schwer als bei dem ersten Apparate.

2. Die Nabe des Bügels B liegt unterhalb der Pendelaxen, weshalb der Bügel die aus der Figur ersichtliche Gestalt besitzt.

3. Jede Pendelaxe wird hier durch zwei konische, nachstellbare, durch Muttern festgehaltene Schrauben ersetzt, weshalb hier die bogenförmigen Schlitze in den Gewichten Q überflüssig sind.

4. Während bei dem ersteren Apparate kurze gufseiserne Zugstangen angenommen sind, besitzt der zweite Apparat viel längere schmiedeiserne Zugstangen, deren Augen durch Kugeln mit abgeschnittenen Calotten gebildet sind. Der obere Theil einer solchen Zugstange dringt durch einen Kanal in das cylindrische Gewicht des zugehörigen Pendels und ist durch einen Stift mit dem letzteren verbunden.

5. Der Ausschlag des Pendels wird hier statt durch einen Keil durch die Nabe des Bügels und durch die Schale des unten liegenden Halslagers begrenzt.

Die in Stellung G¹ gezeichneten Pendel bezeichnen hier wieder die äufsersten Pendellagen für die normale Stellung der Stellschrauben, während die in Stellung G^u gezeichneten die äufsersten Pendellagen für einen gleichen Regulator andeuten, dessen Stellschrauben jedoch näher gegen die Welle geschraubt sind.

Die Fig. 4 und 5 stellen auch hier wieder die nämlichen Maschinenteile dar wie auf Blatt I.

Die Berechnung der Erfinder ergab für die zwei gezeichneten Regulatoren folgende Resultate. Der Regulator auf Blatt I, der einen Ausschlagwinkel von 20 ° besitzt, macht bei der innersten Pendelstellung 161,94, bei der äufsersten Stellung dagegen 165,14 Umdrehungen pro Minute, so dafs die der ganzen Muffverschiebung entsprechende Geschwmdigkeitsdifferenz nicht ganz 2 pCt. beträgt.

Der totale Ausschlag des Regulators auf Blatt II beträgt bei . normaler Stellschraubenstellung wieder 20°. Dem geringsten Ausschlag entsprechen hier 169,92, dem gröfsten Ausschlag 172,87 Umdrehungen pro Minute, so dafs die der ganzen Muffverschiebung entsprechende Geschwmdigkeitsdifferenz 1,7 pCt. beträgt.

Die Zugstangen beschreiben, selbst wenn sie sehr kurz angenommen sind, nur einen sehr geringen Winkel, und die Centrifugalkraft übt nur einen ganz geringen Axendruck aus, weil die Masse des Pendels auf beide Seiten der Welle vertheilt ist, beides Umstände, welche eine sehr geringe Reibung des Apparates herbeiführen.

Da einer sehr kleinen Geschwindigkeitsdifferenz eine verhältnifsmäfsig grofse Ausschlagsbewegung der Arme entspricht, so folgern die Erfinder, dafs der Regulator, wenn er nicht zweckentsprechend an der Maschine angebracht ist, im Gleichgewicht nicht gestört und die Regulirung nicht bewirkt werden könne; es könne vorkommen, dafs das Pendel, nachdem es einen

Moment gestockt und versagt hat, sich plötzlich aufschwingt und die Gleichgewichtsstellung beträchtlich überschreitet.

Um diesen Uebelstand zu vermeiden, ist es nothwendig, den Apparat so zu construiren, dafs sich jeder schnellen Muffbewegung eine beträchtliche Kraft widersetzt. Die Erfinder haben einen neuen Katarakt construirt, der nach ihrer Angabe bei gröfster Einfachheit seinen Zweck in hohem Grade und mit Sicherheit erreicht.

Blatt III. Fig. ι zeigt einen Verticalschnitt, Fig. 2 einen Horizontalschnitt des Katarakts. Das kreisförmige Gefäfs gg ist um die horizontale Axe α drehbar, welche durch den Schwerpunkt des leeren Gefäfses geht. Eine Zugstange b (oder irgend ein anderer Bewegungsmechanismus) verbindet das Gefäfs mit dem Muff in solcher Weise, dafs jeder Muffstellimg ein bestimmter Ausschlagwinkel des Katarakts entspricht. Bei mittlerer Stellung des Muffs besitzt das Gefäfs die in Fig. ι gezeichnete Lage. Der Katarakt ist zum Theil mit einer tropfbaren Flüssigkeit und zum andern Theil mit Luft gefüllt. Eine verticale Scheidewand theilt den oberen mit Luft erfüllten Raum in zwei Hälften, welche durch eine kleine verstellbare Oeffnung ο in Verbindung stehen. . Ist der Katarakt einige Zeit in Ruhe, so stehen die beiden Flüssigkeitsoberflächen in ein und derselben Horizontalebene, so dafs das Gefäfs im Gleichgewicht steht und kein Bestreben hat, seine Lage zu ändern. Wird das Gefäfs durch eine schnelle Bewegung des Muffs um einen gewissen Ausschlagwinkel gedreht, so mufs die Flüssigkeit auf der einen Seite steigen, auf der andern um eben so viel sinken. Es entsteht daher gleich mit dem Beginn der Bewegung des Gefäfses ein durch die Schwere der gehobenen Flüssigkeit erzeugtes Moment, das der genannten Bewegung entgegenwirkt. Auf der Seite der höheren Oberfläche tritt eine Verdünnung, auf der Seite der tieferen eine Verdichtung der Luft ein. Infolge langsamen Ueberströmens der Luft durch die kleine Oeffnung ο gleichen sich sowohl die Druckdifferenz der Luft, als der Höhenunterschied der Flüssigkeit aus, und das Gefäfs erlangt wieder Gleichgewicht. Bei richtig regulirter Oeffnung ο hat die Luft Zeit genug, um während einer langsamen Drehung des Gefäfses in solcher Menge überzuströmen, dafs nur eine kleine Höhendifferenz entsteht, während bei schneller Drehung eine sehr beträchtliche Erhebung der Flüssigkeit und damit ein grofses Moment erzeugt wird.

Die aus der Figur ersichtliche ringförmige Zwischenwand hat nur den Zweck, etwaige störende Wellenbewegungen zu verhindern. Damit der Katarakt richtig wirke, ist es nothwendig, die Gefäfsform so zu wählen, dafs nach jeder Höhenausgleichung wieder Gleichgewicht eintritt, unter welchem Winkel das Gefäfs auch stehe. Im übrigen kann die Gestalt des Gefäfses den Verhältnissen angepafst werden. Da nach Angabe der Erfinder der Pendel-Apparat des neuen Regulators ohne diesen Katarakt nothwendig Unregelmäfsigkeiten im Gange der Umtriebsmaschinen erzeugen mufs, und da erst die Vereinigung der beiden Mechanismen den Regulator seinen Zweck erfüllen läfst, so erheben sie folgende

Claims (3)

Patent-Ansprüche: ,·

1. Der Pendel-Apparat, bestehend aus Pendeln mit je zwei Gewichten, welche derart berechnet und angebracht sind, dafs das Pendel an den Grenzen des Ausschlags astatisch ist.

2. Der Katarakt, bestehend aus einem um eine horizontale Schwerpunktaxe drehbaren, theilweise mit Flüssigkeit gefüllten Gefäfse, dessen mit Luft gefüllter Theil durch eine Scheidewand mit feiner, einstellbarer Oeffnung in zwei Theile getheilt ist.

3. Die Verbindung von Pendel - Apparat und Katarakt zu einem Geschwindigkeits-Regulator für Umtriebsmaschinen, wie beschrieben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen.