Regulierung von Motoren auf schaukelnden Fundamenten. Von R. de Temple in Leipzig. DE TEMPLE: Regulierung von Motoren auf schaukelnden Fundamenten. Der Schiffsbetrieb bedient sich stehender und liegender Kolbenhub- (Dampf-, Diesel-, Rohöl- usw.) Maschinen, deren Regulierung, insbesondere stehender Maschinen, hier behandelt werden. Die Regulierung solcher Maschinen bietet insofern Schwierigkeiten, als nicht nur mit den Faktoren der Steuerung der Maschine zu rechnen ist, sondern auch mit Faktoren, die in einer Eigenschaft der Fundamente liegen. Während Maschinen auf dem Lande feststehende Fundamente besitzen, d.h. die senkrechten Maschinenmitteln stets in der Senkrechten verharren, besitzen Schiffsmaschinen Fundamente, die mit dem Schiff jede Bewegung mitmachen, d.h. die senkrechten Maschinenmitteln werden je nach der Lage des Schiffes mehr oder weniger von der Senkrechten abweichen. Schiffe machen zweierlei für uns wichtige Bewegungen: einmal solche im Sinne der Längsachse (Stampfen) und einmal solche im Sinne der Querachse (Rollen). Die ersteren betragen bis zu 8°, die letzteren bis zu 30° von der Wagerechten abweichend. Unserer Betrachtung ist die größte dieser Schwankungen zugrunde zu legen, und es wird zu untersuchen sein, welchen Einfluß diese größten Schwankungen auf das Regulierungsorgan, den Regulator, oder wie wir es heute allgemein nennen, den Regler, ausüben. Die stehende Kolbenhubmaschine wird in vielen Fällen beispielsweise durch einen Fliehkraftregler mit sogenannter umgekehrter Aufhängung der Schwungmassen geregelt. Regler mit umgekehrter Aufhängung der Schwungmassen sind solche, bei denen die Schwungmassen an den Regler-Winkelhebeln hängen, und welche die Eigenschaft besitzen, daß ihre Muffe sich bei zunehmenden Tourenzahlen nach unten bewegt. Die Fliehkräfte der Schwungmassen werden durch in derselben Achse wirkende Federn aufgenommen. Das Schema eines derartigen Reglergetriebes ist in Abb. 1 gegeben. Es ist SS die Reglerachse, a und b die Schenkel der Winkelhebel, an deren Schenkel a die Schwunggewichte aufgehängt sind, und deren Gewichtskräfte im Sinne der eingezeichneten P-Kräfte wirken. Die Winkelhebel sind bei d drehbar gelagert. Textabbildung Bd. 328, S. 613 Bevor wir in die weitere Betrachtung des Einflusses der Fundamentschwankungen auf einen solchen Regler eintreten, sind noch über die Unterbringung des Reglers einige Worte zu sagen. Es ist hergebracht, den Regler bei stehenden Maschinen möglichst auf einer bereits vorhandenen Welle unterzubringen. Als solche glauben die Konstrukteure von Motoren eine, fast bei allen stehenden Maschinen vorhandene, zum Zwecke des Antriebes der Steuerung bedingte Vertikalwelle benutzen zu können. Diese Vertikalwelle erhält im günstigsten Falle eine Umdrehungszahl, die gleich der Umdrehungszahl der Kurbelwelle, oder, wie es noch öfter der Fall ist, kleiner als die der Kurbelwelle ist. Daraus folgt, daß die Tourenzahl des Reglers nicht nach Gesichtspunkten eines vorzüglich funktionierenden Reglers gewählt werden kann, dieser vielmehr von der Vertikalwelle übernommen werden muß. Kurz zusammengefaßt hat man die Plazierung und Bemessung des Reglers nicht vom Regler ausgehend vorgenommen, sondern den Regler, das Hauptorgan der Regulierung, als Nebenorgan behandelt. Die nunmehr folgende Untersuchung wird uns zeigen, welche Nachteile sich bei solchen Reglern auf schwimmenden und schaukelnden Fundamenten ergeben. Bei der nachfolgenden Untersuchung setzen wir, um nicht zu weit ausholen zu müssen, das Bekanntsein allgemeiner theoretischer Reglerkenntnisse voraus. In Abb. 2 ist das Kräftediagramm eines Reglers, wie er eingangs beschrieben und durch Abb. 1 schematisch und in Abb. 4a im Schnitt dargestellt ist, gegeben, und zwar sind einmal die Verhältnisse graphisch festgelegt, wenn die Reglerachse senkrecht steht, und einmal, wenn die Reglerachse um 30° (wie schematisch in Abb. 3 gezeichnet) geneigt ist. In der linken Hälfte der Abb. 2 sind die Fliehkräfte Q entsprechend der äußeren Schwunggewichtslage bei einem Abstande des Schwerpunktes r0, C2 entsprechend der inneren Schwunggewichtslage bei einem Abstande des Schwerpunktes ru als Ordinaten von der Geraden xy aufgetragen, die Linie C1 C2 stellt den Verlauf der Fliehkräfte in den Abständen r0 ru dar. Außer den Fliehkräften ist der Einfluß der senkrecht wirkenden Schwerkräfte P0 und Pu der Schwungmassen zu berücksichtigen. P0 wirkt den Fliehkräften im Verhältnis des halben Gewichtshubes zum Schenkel a entgegen, und umgekehrt wirkt Pu die Fliehkräfte unterstützend. Den Verlauf dieser Gewichtseinflüsse auf die Fliehkräfte ist im Diagramm durch die sinngemäßen Auftragungen Pok und Puk und deren Verbindung durch eine Gerade eingezeichnet. Werden die beiden erhaltenen Kräftewirkungen C1 und Pok usw. zusammengesetzt, so ergibt sich durch die Verbindungslinie F0 Fu der Verlauf der resultierenden Kräfte, die von einer Feder in jeweiligen Schwunggewichtslagen aufzunehmen sein werden. Verlängert man die Verbindungslinie F0 Fu soweit, daß sie die Gerade xy schneidet, so erhält man in dem Abstand des Schnittpunktes von der Achse SS, d. i. f0, eine Funktion des Ungleichförmigkeitsgrades des Reglers bei senkrechter Achsenstellung. Textabbildung Bd. 328, S. 613 Abb. 3. Suchen wir die analogen Funktionen des Ungleichförmigkeitsgrades desselben Reglers, wenn seine Achse um 30° geneigt zur Senkrechten steht, wie in Abb. 3 gezeichnet, so sehen wir aus dieser Abbildung, daß die Einflüsse der Gewichtskräfte P1, P2, P3 und P4 sich gewaltig ändern. Während bei Vertikalstellung der Achse die P1 und P4 den Fliehkräften entgegenwirken, wirkt hier P1 allein den Fliehkräften entgegen, und P4 wirkt diese unterstützend; während P2 und P3 beide die Fliehkräfte unterstützten, wirkt jetzt P2 ebenso wie P1 den Fliehkräften entgegen und P3 wie P4 unterstützend. Neigt die Reglerachse sich nach der anderen Seite, bzw. tritt das Pendel I an Stelle des Pendels II, so werden die Rollen der Einwirkung der Gewichtskräfte wiederum andere. Mit jeder Schräglage des Schiffes und bei jeder anderen Stellung des Pendels werden die Gewichtskräfte eine andere Wirkung auf die Fliehkräfte ausüben. Naturgemäß, da der Ungleichförmigkeitsgrad des Reglers aus dem Zusammenwirken von Fliehkräften und Gewichtskräften resultiert, wird sich derselbe bei jeder Neigung der Reglerachse ebenfalls ändern. Es wird zu untersuchen sein, ob diese Aenderung von wesentlicher Größe ist. Tragen wir entsprechend Abb. 3 die Einwirkungen der Gewichtskräfte des Pendels I auf die linke Seite mit P1k und P2k und die des Pendels II auf die rechte Seite mit P3k und P4k in Abb. 2 ein, so ergibt sich als Resultierende für Pendel I die Linie ab und für Pendel II die Linie cd. Verlängern wir beide wiederum bis zum Schnitt mit xy, so erhalten wir die Funktionen des Ungleichförmigkeitsgrades durch die Strecken f1 und f2. Bei Pendel I wird sich der Ungleichförmigkeitsgrad wesentlich vergrößern, während er sich bei Pendel II entsprechend verkleinert. Beide Pendel arbeiten unstimmig, und es braucht wohl nicht hervorgehoben werden, daß ein Regler mit unstimmigen Pendeln ungeeignet für eine tadellose Regulierung ist, abgesehen von dem Verschleiß der Gelenke und hervorgerufenen Klemmungen an der Muffe, die wir später noch kurz berühren. Der Regler wird mit zunehmenden Schwankungen des Schiffes schlechter funktionieren, beispielsweise bei hochgehender See, das ist aber gerade dann, wenn die höchsten Ansprüche an eine gute Regulierung der Maschine gestellt werden. Die Muffe des Reglers ist um die Vertikalwelle gelegt. Die letztere erhält unverhältnismäßig große Durchmesser n, weil sie anderen Zwecken, als nur dem Antriebe des Reglers dient. Damit erhält aber auch die Muffe große Durchmesser. Die Verbindung zwischen Schwunggewichten und Muffe erfolgt durch die Schenkel b der Winkelhebel, und zwar derart, daß die Schenkel b auf je einer Seite der Muffe in ebenfalls verhältnismäßig großen Abständen m vom Reglermittel angreifen. Wenn nun Unstimmigkeiten im Regler auftreten, so werden verschieden große Kräfte, womöglich entgegengesetzt wirkend (siehe N in Abb. 3) durch die Muffe beiderseits zum Ausgleich gebracht werden müssen, die ein Verecken der Muffe und damit eine Erhöhung der Unempfindlichkeit des Reglers durch erzeugte Reibung zur Folge haben. Wir sehen hieraus, daß bei Schrägstellungen nicht allein der Ungleichförmigkeitsgrad, sondern auch der Unempfindlichkeitsgrad des Reglers sich ändern, und die Regulierung nachteilig beeinflußt wird. Der Regler-Konstrukteur ist peinlichst bestrebt, jede Reibung erzeugende Ursache auszuschalten (Entlastung der Gelenke von den Zentrifugalkräften und von den Gewichtskräften, Anwendung von Schneiden und Kugellagern in den Gelenken usw.), und die Technik hat es zu Reglerfabrikaten gebracht, bei welchen die Unempfindlichkeit aus Eigenreibung his auf ein Minimum (0,165 v. H.) herabgedrückt ist. Diese hohe Empfindlichkeit, die besonders bei Maschinen auf schaukelnden Fundamenten erforderlich ist, wird durch Schrägstellung der Reglerachse, bei den meisten modernen Reglersystemen, die fast alle ähnliche Getriebe besitzen, illusorisch gemacht. Es ist die Frage aufzustellen: Wie kann der Verschlechterung der Wirkung eines Reglers bei Abweichungen des Reglersystems aus der Mittelstellung vorgebeugt werden? Das Nächstliegende ist: a) Den Regler Schrägstellungen möglichst wenig auszusetzen und die Achse des Reglers mit derjenigen Schiffsachse parallel zu legen, welche den geringsten Neigungen zur Senkrechten ausgesetzt ist; es ist dies die Längsachse des Schiffes. b) Wie wir aus den Diagrammen Abb. 2 ersehen, ist die Aenderung des Ungleichförmigkeitsgrades bei Neigung der Reglerachse von den Gewichtskräften abhängig. Je kleiner die Gewichtskräfte, desto kleiner die Aenderungen der Ungleichförmigkeit. Die Massen gewichtslos zu machen, ist ausgeschlossen; es bleibt somit nur übrig, auf ein geringstes Ausmaß zu kommen. Jede Steuerung benötigt eine gewisse Energie des Reglers. Die Energie ergibt sich beim Zwei-Pendelregler nach der Formel: E=2\,.\,\frac{G}{g}\,.\,\frac{4^2\,.\,r\,.\,n^2}{3600}. worin E die Energie, G das Schwunggewicht, r der Schwerpunktsabstand des letzteren vom Drehmittel, n die Tourenzahl und G = 9,81 ist. Darin sind veränderbar die Werte G, r und n; r ist meistens Raummangels wegen beschränkt. Soll G klein werden, so muß somit n groß werden, n ist bislang, weil der Regler auf eine vorhandene Vertikalwelle mit gegebener Tourenzahl gesetzt wurde, bestimmt gewesen. Da eine gute Regulierung eine Grundbedingung ist und erreicht werden soll, so bleibt nichts anderes übrig, als von dem bisherigen Aufbau abzugehen und den Regler auf eine besondere Welle mit hoher Tourenzahl zu setzen. Diese Welle wird, um der unter a gefolgerten Bedingung zu genügen, wagerecht zu legen sein. Die Anordnung des Reglers auf besonderer Welle, parallel zur Längsachse des Schiffes, die natürlich auch eines besonderen Antriebes bedarf, wird als eine unangenehme Komplikation der Maschine empfunden. Wenngleich diese Komplikation zugegeben werden muß, so wird diese durch den Gewinn einer wirklich exakten Regulierung, auch bei großen Schiffsschwankungen, aufgewogen. Auch kann der Einwand gemacht werden, daß durch Anwendung einer wagerechten Welle eine dauernde Abweichung des Systems von der Senkrechten herbeigeführt wird, und die wechselnden Einflüsse der Schwunggewichte (P-Kräfte) bei jeder Umdrehung eintreten. Auch dies muß zugegeben werden. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Einflüsse durch den Druckwechsel der Schwunggewichte, nachdem bei jetzt hochgewählten Tourenzahlen (beispielsweise anstatt 250 jetzt 1000 Touren) die Schwunggewichte äußerst gering werden, kaum noch wesentlich in die Wagschale fallen, jedenfalls aber im Verhältnis zum Einfluß, den wir bei den Reglern bisheriger Anwendung festgestellt haben, schon aus dem Grunde bedeutungslos werden, weil sie bei jeder Umdrehung in jeder Schiffslage fast konstant auftreten und rechnerisch zu berücksichtigen sind, fast konstant deshalb, weil die Reglerachse nur noch durch die Schwankungen des Schiffes in der Längsachse, die bis zu 8° anzunehmen ist, während die Schwankungen des Schiffes, die bis zu 30° Abweichung von der Senkrechten betragen, in die Drehrichtung des Reglers fallen, wo sie fast einflußlos sind. Textabbildung Bd. 328, S. 615 Abb. 4a. Textabbildung Bd. 328, S. 615 Abb. 4b. Wenn wir im vorstehenden die Nachteile in bezug auf Ungleichförmigkeits- und Empfindlichkeitsgrad beleuchtet haben, so muß noch ein weiterer Nachteil der bisher verwendeten Regler auf senkrechter Welle Erwähnung finden. Es ist in Abb. 4a ein Schwunggewicht g im Schnitt, sowie die gegen dasselbe wirkende Feder F angedeutet. Die Feder F vom Gewicht R ruht mit ihrem halben Gewicht im Schwunggewicht, die andere Gewichtshälfte wird durch das relativ zum Regler ruhende Gegenlager der Spannschraube aufgenommen. Das Schwunggewicht ist am Hebel h im Punkt o aufgehangen. Soll das Schwunggewicht im Gleichgewicht sein, so wird es unter Berücksichtigung der Einwirkung von \frac{R}{2}, wie in Abb. 4b dargestellt, worin a b das Schwunggewicht, c d die Feder andeutet, aufgehangen sein müssen. Diese Bedingung gilt, wenn die Reglerachse genau senkrecht steht. Neigt sich letztere jedoch mit dem Rollen des Schiffes z.B. um 30°, wie in der Zeichnung angedeutet, so wird nicht mehr das halbe Gewicht der Feder auf das Schwung- R gewicht bei a einwirken, sondern nur noch \frac{R}{2}\,\mbox{cos}\,30^{\circ}, während die Komponente \frac{R}{2}\,\mbox{sin}\,30^{\circ} auf das Schwunggewicht in der Richtung der Fliehkräfte wirkt. Bei dem gegenüberliegenden Pendel wird die Wirkung von \frac{R}{2}\,\mbox{sin}\,30^{\circ} entgegengesetzt den Fliehkräften eintreten. Dadurch, daß bei verschiedenen Achsenstellungen die Einwirkung der halben Federgewichte auf die Schwunggewichte nicht die gleiche bleibt, wird ein Schwingen der Schwunggewichte um den Aufhängepunkt o veranlaßt, und es werden die Schwunggewichte auf den Federwindungen aufschlagen, wodurch Störungen der Empfindlichkeit herbeigeführt werden. Weiter wird aber auch durch die Veränderung \frac{R}{2}\,.\,\mbox{sin}\,a das Gleichgewicht der Reglerpendel zueinander gestört, d.h. die früher besprochenen Unstimmigkeiten der beiden Pendel werden noch vergrößert. Wenngleich dem Pendeln der Schwunggewichte durch sogen. Gewichtsstützen (D. R. P. des Verfassers) in wirksamer Weise begegnet werden kann, und damit noch eine Verminderung der Unempfindlichkeit des Regulators bis auf 0,165 v. H. erzielt wird, sofern man nicht die in der Abb. 1 gezeigte Aufhängung, sondern die hierzu umgekehrte wählt, so ist doch der Veränderung der Ungleichförmigkeit infolge der Einwirkung von \frac{R}{2}\,a in keinem Falle zu begegnen. Wir können nur dahin wirken, daß sie sich bei jeder Umdrehung in gleicher Weise wiederholt und zu einem gleichmäßigen Einfluß wird, mit dem gerechnet werden kann. Dies erreichen wir, wenn wir die Federn nicht wagerecht, sondern senkrecht anordnen, was aber ebenfalls eine wagerecht angeordnete Reglerwelle bedingt, vornehmlich parallel zu derjenigen der Schiffsachse, die den geringsten Schwankungen unterliegt. Wir begegnen hier wiederum derselben Bedingung, wie wir im vorhergehenden schon einmal Gelegenheit hatten festzustellen. Textabbildung Bd. 328, S. 615 Abb. 5. Ein Regler, der die in dieser Studie festgestellten Bedingungen für ein gutes Funktionieren, soweit dies, wie bereits gesagt, überhaupt erreichbar ist, erfüllt, wird von der Regulatorenbau-Gesellschaft de Temple in Leipzig gebaut und ist in Abb. 5 in Außenansicht, in Abb. 6 in Teile zerlegt und in Abb. 7 im Schnitt dargestellt. Der Regler rotiert um eine wagerechte Achse mit hoher Umdrehungszahl. Die Schwunggewichte g (siehe Abb. 7) sind infolge der hohen Tourenzahl klein und werden von den Winkelhebeln h gelenkt. Die Zentrifugalkräfte werden in derselben Achse, in welcher sie wirken, durch Federn aufgenommen, die senkrecht zur Drehachse angeordnet sind. Eine sogen. Muffe besitzt der Regler nicht; an diese Stelle tritt eine Regulierstange r, die zentral in den Regler eingebaut ist, und deren Führung möglichst weit außen, in den beiden Gehäuseböden c und d des Reglers liegt. An der Regulierstange greifen in geeigneter Weise die beiden Schenkel der Winkelhebel h, auf jeder Seite einer, einander gegenüberliegend und möglichst nahe dem Reglermittel an, so zwar, daß sich die Regulierstange, die aus dem Reglergehäuse heraustritt, mit sich verändernder Schwunggewichtsstellung bzw. Tourenzahl verschiebt, und diese Verschiebung auf die Steuerung einwirkt. Dadurch, daß die Regulierstange weit außen geführt, dagegen der Angriff der Winkelhebel nahe der Reglerachse liegt, wird die Einwirkung der wechselnden P-Kräfte fast einflußlos auf die Empfindlichkeit gemacht. Textabbildung Bd. 328, S. 616 Abb. 6. Ein derartiger Regler entspricht den festgestellten Bedingungen, die für eine gute Regulierung für Maschinen auf schaukelnden Fundamenten unerläßlich sind, als: 1. Ausschaltung der Einwirkung der größten, auf Schiffen vorkommenden Schwankungen, durch Verlegung der Reglerachse parallel zur Längsachse des Schiffes; 2. Verkleinerung der Schwunggewichte durch Annahme hoher Umdrehungszahlen des Reglers, um die Einwirkung der P-Kräfte auf ein Minimum zu reduzieren; 3. Verringerung der Einwirkung der Wechselkräfte N auf die Reglermuffe durch Einführung einer sachgemäß gelagerten Regulierstange an Stelle der Muffe und 4. Umsetzung der Wechselkräfte derart, daß sie sich bei jeder Umdrehung gleichartig wiederholen, wiederum durch Annahme des wagerechten Drehmittels des Reglersystems und dazu senkrecht angeordneten Federn. Textabbildung Bd. 328, S. 616 Abb. 7. Noch sei darauf hingewiesen, daß die in den Abb. 5, 6 und 7 dargestellten Regler, die den unter 1 bis 4 zuletzt aufgestellten Bedingungen gerecht werden, noch den Vorzug haben, durch eine einfache Anordnung eine Tourenverstellung zu erhalten, die gestattet, eine ziemlich hohe Tourenänderung während des Betriebes vorzunehmen, ohne die Empfindlichkeit des Reglers wesentlich zu beeinflussen.