Ueber freigehende Pumpenventile.Vergleiche die Versuche in der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure 1905, S. 485, 618 u. f. Von Professor L. Klein, Hannover. Ueber freigehende Pumpenventile. Die nachfolgend beschriebenen Versuche sollen zur Erkenntnis der bei verschiedenen Umdrehungen und Ventilbelastungen zulässigen Ventilhübe und -Schlußgeschwindigkeiten, zur Bestimmung der Ausflußziffer, sowie zur Berechnung der Ringventilabmessungen beitragen. Sie wurden im Ingenieurlaboratorium der Königl. Technischen Hochschule Hannover durchgeführt, welches mir hierzu dessen Leiter, Professor Frese, in liebenswürdigster Weise zur Verfügung gestellt hatte. Hierfür danke ich ihm auch an dieser Stelle. 1. Zulässige Hübe und Schlußgeschwindigkeiten des Versuchsventils. Untersucht wurde das in einer DifferentialpumpeSiehe Zeitsch. des Vereins deutsch. Ing. 1900, S. 241. (Fig. 1) als Druckventil arbeitende, gewichtsbelastete Ringventil (Fig. 2 u. 3) von 166 mm Durchm. und 16 auf 22 mm Breite, bei Ventilhüben von 2 bis 11 mm und 57 bis 199 minutlichen Umdrehungen. Textabbildung Bd. 322, S. 353 Fig. 1. Differential-Kolbenpumpe. a = Quecksilber-Vakuummeter; b = Quecksilber-Manometer; L1 = Schreibhebel für Ventilerhebung; S1 = Scheibe zum Antriebe der Indikatortrommeln; H1 = Antrieb für normale Diagramme. Zur Erreichung der verschiedenen Ventilhübe wurden viererlei Ventilbelastungen und viererlei Kolbenhübe eingestellt. Beobachtet wurden die Bewegungen und das Schließgeräusch des Ventils. Zu diesem Zwecke wurden zunächst normale Ventilerhebungsdiagramme genommen, wobei sich die Papiertrommel im gleichen Verhältnis wie der Pumpenkolben bewegte, während die lotrechte Erhebung des Schreibstiftes die Größe des augenblicklichen Ventilhubes angab. Die Uebertragung der Ventilbewegung auf den Schreibstift ist aus Fig. 2 u. 3 ohne nähere Beschreibungen erkenntlich, die Hebel L1 und L2 verhalten sich wie 5 : 1, so daß die Ventilerhebung auf das Fünffache vergrößert im Diagramm erscheint. Aus solchen normalen Diagrammen ist aber die Ventilbewegung in der Nähe der Kolbentotlagen, also zur Zeit des Oeffnens und Schließens des Ventils, nicht deutlich zu ersehen, weil dabei die Papiertrommel nahezu stillsteht. Um über diese wichtigen Vorgänge Aufschluß zu erhalten, wurden auch sog. versetzte Diagramme genommen, bei denen die Papiertrommel von einem, gegen die Kurbel um etwa 90° versetzten Exzenter angetrieben wurde, so daß sie sich zur Zeit des Ventilöffnens und -schließens mit ihrer größten Geschwindigkeit bewegte. Zur Erkennung des Pumpenganges nahm ich bei jedem Versuch auch Indikatordiagramme am Kolbenraum. Außerdem ist an der Pumpe die Möglichkeit vorgesehen, am Saug- und Druckwindkessel, sowie Saug- und Druckventilkasten zu indizieren. Um während des Betriebes der Pumpe rasch hintereinander normale und versetzte Diagramme nehmen zu können, werden alle Indikatortrommeln von einer im Gestell der Pumpe gelagerten Welle w bewegt, auf welcher die Scheiben S1 und S2 festgekeilt, die Hebel H1 und H2 dagegen lose drehbar sind (Fig. 4). H1 ist mit dem Kreuzkopf der Pumpe, H2 dagegen mit dem um 90° gegen die Kurbel versetzten Exzenter verbunden. Je nachdem man nun H1 oder H2 mit w durch den Stift D kuppelt – was leicht während des Betriebes geschehen kann – können normale oder versetzte Diagramme geschrieben werden. Unvollkommener wie die Aufzeichnung der Bewegung ist die Beurteilung des Schließgeräusches, weil hierfür ein vom Beobachter unabhängiger Maßstab fehlt. Geräuschlos setzt sich ein Pumpenventil, bei welchem, so wie bei dem untersuchten, Metall auf Metall trifft, niemals auf. Auch für die in der Praxis wichtigen Fälle, für welche man geneigt ist, den Ventilschluß als geräuschlos zu bezeichnen, hört man, wie auch von BachBach Z. d V. d. I. 1886, S. 427. beobachtete, den Schlag des Ventils, sobald man das Ohr auf die Wandung des Ventilkastens legt, woraus zu entnehmen ist, daß das Ventil weder stoßfrei noch mit der Geschwindigkeit 0 schließt. Textabbildung Bd. 322, S. 354 Ringventil mit Gewichtsbelastung. Textabbildung Bd. 322, S. 354 Fig. 4.Trommelantrieb der Indikatoren. Ich bin in Uebereinstimmung mit den Anforderungen der Praxis, wenn ich den Gang des Ventils so lange als „sehr gut“ bezeichne, als man dessen Schließen nicht hört, ohne das Ohr auf die Wandungen des Ventilkastens zu legen. Schließt das Ventil mit leichtem, gedämpften Schlage, den man hört, ohne das Ohr an die Pumpe zu legen, so bezeichne ich den Gang mit „gut“, ist der Schlag deutlich hörbar und kräftiger, doch immer noch so mäßig, daß man m. E. die Abnahme einer derartigen Pumpe nicht beanstanden kann, so nenne ich den Gang „mäßig“, tritt aber metallisch klingender Ventilschlag auf, so ist der Pumpengang „schlecht“. Diese Unterscheidung ist rein persönlich, doch ist die Grenze des sehr guten Ganges, und auf die kommt es hauptsächlich an, ziemlich sicher festzustellen, obwohl natürlich der augenblickliche Zustand des Gehörs des Beobachters, und etwa in der Nähe auftretende andere Geräusche von Einfluß sein werden. In den zeichnerischen Darstellungen der Versuchsergebnisse, den Fig. 28–32, ist der Ventilgang durch die Umrahmung der Versuchspunkte kenntlich gemacht, und bezeichnet: ∙ Gang sehr gut, × Gang mäßig, ∘ Gang sehr gut bis gut, × Gang mäßig bis schlecht, ▲ Gang gut, ● Gang schlecht. △ Gang gut bis mäßig, Durchführung der Versuche. Zu jeder Ventilbelastung wurden der Reihe nach die vier Kolbenhübe eingestellt, und die Pumpe bei verschiedenen minutlichen Umdrehungszahlen vom sehr guten bis zum mäßigen Gange untersucht. Bei jeder Umdrehungszahl wurden normale und versetzte Diagramme der Ventilerhebung, sowie der Druckänderung im Kolbenraume genommen, und endlich der Gang des untersuchten Druckventiles bewertet. Das Oeffnen erfolgte, wie auch bei den von v. BachZ. d. V. d. I. 1886, S. 427. untersuchten Ventilen, mit dumpfem Stoße. Die Pumpe förderte in einen Hochbehälter, wobei der Druck im Windkessel 2,6–2,7 at betrug, die Saughöhe im Saugwindkessel wurde durch Drosseln auf etwa 3 m, der Wasserstand im Druckwindkessel auf etwa 290 bis 330 mm über, der im Saugwindkessel auf etwa 780 Millimeter unter Druckventil gehalten. Für einen solchen Versuch sind Diagramme in den Fig. 5–8 wiedergegeben. Dabei war der Hub des Kolbens 250, sein Durchmesser 124,6 mm und die minutliche Umdrehungszahl 91,2. Auf dem Ventil lag die Belastung BIV – vergl. Tab. 2 (s. Heft 24) sowie Fig. 2 u. 3 – bestehend aus den Bleiringen R1 und R2 sowie dem außen angehängten Bleigewicht K. Der Ventilhub zur Zeit der Kolbenhubmitte ergibt sich aus dem normalen Diagramm (Fig. 5) bei HM zu 4,2 mm; der Ventilgang war meist sehr gut, zeitweise nur gut. Die Lagen der Totpunkte wurden bei stillgesetzter Pumpe mit Hilfe einer auf den Lenkstangenkopf gesetzten Wasserwage bestimmt. Man sieht aus dem Diagramm: Erst nachdem die vordere Totlage Tv durchlaufen, wird das Druckventil aufgestoßen, es fliegt zu hoch, fällt wieder zurück, pendelt um den Gleichgewichtszustand, beruhigt sich aber, ehe der Ventilschluß erfolgt. In den Schaulinien sind diese großen Schwingungen durch kleinere, von der Elastizität des Schreibhebels herrührende, überlagert. Das Ventil schließt erst, nachdem die Kurbel über die hintere Totlage hinaus und der Kolben aus derselben etwas zurückgegangen ist. Die Schlußgeschwindigkeit vs errechnet sich (s. Fig. 6) aus den Angaben des versetzten Diagrammes: Ist vp die Geschwindigkeit der Papiertrommel im Augenblick des Ventilschlusses, vss die senkrechte Geschwindigkeit des Schreibstiftes und vs die Ventilgeschwindigkeit zur selben Zeit, so ist infolge des Hebelverhältnisses L_1\,:\L_2=5\,:\,1 auch v_s=\frac{1}{5}v_{s8}. Ist weiter γ der Winkel, welchen der Schreibhebel im Augenblick des Ventilschlusses und β der Winkel, welchen die Ventilschlußlinie mit der Richtung der Papierbewegung einschließt, so ergibt sich durch geometrische Beziehungen aus dem versetzten Diagramm (Fig. 6) v_s=\frac{1}{5}\,\frac{v_p\,\mbox{tg}\,\beta}{1-\mbox{tg}\,\beta\cdot \mbox{tg}\,\gamma}, bei den Versuchen war γ = 8°. Das versetzte Diagramm (Fig. 6) zeigt: je mehr das Ventil seinem Sitze sich nähert, desto rascher fällt die Schließkurve, um so größer wird die Ventilgeschwindigkeit. In roher Annäherung kann für die auf die Zeit bezogene Ventilerhebungskurve eine SinuslinieSiehe O. H. Müller, Das Pumpenventil, S. 28. gesetzt werden, was eine Ventilgeschwindigkeit v_v=\frakfamily{h}\,\omega\,cos\,\alphaKlein, Z. d. V. d. I. 1905, S. 618, Anmerkung 2., und im versetzten Diagramm (Fig. 6) annäherungsweise eine von A aus geradlinig abfallende strichpunktierte VentilerhebungslinieFür das versetzte Diagramm (Fig. 6) ist:Die veränderliche Papiergeschwindigkeit v'pv'_p=\frac{1}{2}\,l\,\omega\,\mbox{sin}\,(\alpha+90^{\circ}) worinl = Diagrammlänge,ω = Winkelgeschwindigkeit,α = Kurbeldrehwinkel,(α + 90°) = Exzenterdrehwinkel.Infolge des Hebelverhältnisses L1 : L2 = 5 : 1 ist die lotrechte Schreibstiftgeschwindigkeit 5 mal so groß als die Ventilgeschwindigkeit, also gleich 5 vv, so daß die Tangente des Neigungswinkels an die versetzte Ventilerhebungslinie wird:\mbox{tg}\,\beta'=\frac{5\,v_v}{v'_p}=\frac{5\,\frakfamily{h}\,\omega\,\mbox{cos}\,\alpha}{\frac{1}{2}\,l\,\omega\,\mbox{sin}\,(\alpha+90^{\circ})}=\frac{10\,\frakfamily{h}}{l}= konstant für alle Werte von α, d.h. die Ventilerhebungslinie im versetzten Diagramm hat gleichbleibende Neigung, ist also eine Gerade. sowie für den Augenblick des Schlusses, also für α = 90°, die größte Ventilgeschwindigkeit zu v'_s=\frakfamily{h}\,,\omega ergeben würde. Textabbildung Bd. 322, S. 355 Diagramme bei n = 91,2 minutlichen Umdrehungen; Kolbendurchm. = 124,6 mm; Kolbenhub = 250 mm; Ventilhub = 4,2 mm; Ventilbelastung = BIV = 8,53 kg. Fig. 5. Normales Ventilerhebungsdiagramm; Fig. 6. Versetztes Ventilerhebungsdiagramm; Fig. 7. Normales Pumpendiagramm; Fig. 8. Versetztes Pumpendiagramm; HM Kolbenhubmitte Wie aus den Fig. 6, 10, 12... bis 26 hervorgeht, bleibt das Ventil länger in den höheren Lagen, fällt dann rascher und kommt mit größerer Geschwindigkeit auf seinen Sitz, als der strichpunktierten Geraden, und damit der einfachen Sinusbewegung entspricht. Zur Ableitung der letzteren war gleichbleibende Austrittsziffer und gleichbleibende WassergeschwindigkeitO. H. Müller,„Das Pumpenventil“, S. 5 u. 6. vorausgesetzt worden, was beides für die bis jetzt untersuchten Ventile nicht zutrifft.C. Bach: Versuche über Ventilbelastung und Ventilwiderstand; 1884.Berg: Z. d. V. d. I. 1904, S. 1136.Klein: Z. d. V. d. I. 1905, S. 486 u. 622. Die Ventilschlußgeschwindigkeit vs ist infolgedessen auch nicht so groß wie die Vergleichsgeschwindigkeit v'_s=\frakfamily{h}\cdot \omega=\frac{\pi}{30}\,n\,\frakfamily{h}, sondern λ mal so groß: v_s=\lambda\,v'_s=\lambda\,\frac{\pi}{30}\,n\,\frakfamily{h} Eine theoretische Ermittlung von λ unter Berücksichtigung der Veränderlichkeit der Ausflußziffer und -Geschwindigkeit sowie der Masse und unter Vernachlässigung etwaiger Reibung wäre wohl durchführbar. Da aber sowohl durch schrägen Wasserstoß, als auch durch Ungleichmäßigkeit der roh gegossenen, nicht abgedrehten Belastungsringe R± und R2 unkontrollierbare Reibung des Ventils an seiner Führung hervorgerufen werden kann, Textabbildung Bd. 322, S. 356 Normale Diagramme; Versetzte Diagramme; Ventilerhebungsdiagramme für n = 60 bis n = 114,5; Ventilbelastung BII = 6,44 kg; Kolbenhub = 300 mm; Kolbendurchmesser = 124,6. habe ich vorgezogen, λ nur durch den Versuch zu bestimmen. Für obiges Beispiel ist \frakfamily{h}=4,2 mm; n = 91,2 und vs = 66,3 Sek./mm gemessen, woraus sich ergibt: \lambda=\frac{v_s}{\frac{\pi}{30}\,n\cdot \frakfamily{h}}=\frac{66,3}{0,105\cdot 91,2\cdot 4,2}=1,64. (Fortsetzung folgt.)