Drehbewegung, Doppelwirkung, Steuerung, Drosselklappe.
Abb. 18. Sonnen- und Planetenradgetriebe.
Schon 1771 sprach Watt sich dahin aus, daß man bei der Verwendung einer Kurbel eine drehende Bewegung erzeugen könne. Später, als er sich schon lange vom Sohoer Werk zurückgezogen hatte, äußerte er sich über den wirklichen Erfinder der Kurbeldrehbewegung als einen Mann, der leider nicht göttlich gesprochen worden sei, obwohl er die gewöhnliche Fußdrehbank erfunden habe. Diese Kurbelbewegung auf die Maschine zu übertragen, hätte nicht mehr Erfindungsgeist erfordert als der Gedanke, ein Brotmesser zum Käseschneiden zu verwenden. Durch die Versuche Watts, mit der Kurbel bei der Dampfmaschine Drehbewegungen zu erzielen, wurden Fremde, die fast immer bei Boulton und Watt Neues auszuspionieren suchten, aufmerksam gemacht. Und eines Tages ließ sich der Birminghamer Knopffabrikant Pickard, dem durch Washborough, einen sonst fähigen Erfinder, die Sache zu Ohren gekommen war, ein Patent auf die Anwendung der Kurbel bei der Dampfmaschine geben. Da Watt dies Patent nicht anfechten wollte, weil er seinen zahlreichen Feinden damit vielleicht einen Anlaß bot, unter Berufung auf Scheingründe auch seine eigenen Patente anzufechten, so war er jetzt von der Benutzung seiner eignen Idee ausgeschlossen. Von verschiedenen Arten, eine Drehbewegung zu erzielen, die er sich 1781 patentieren ließ, verwertete er praktisch das sogenannte Sonnen- und Planetenradgetriebe ([Abb. 18]), das eigentlich Murdock erfunden haben soll, auf den wir noch zurückkommen werden. Vermutlich sah sich Watt als den geistigen Vater dieser Erfindung an, die sofort wieder aufgegeben und durch einfache Kurbelbewegung ersetzt wurde, als das Pickardsche Patent erlosch. Im nächsten Jahre (1782) nahm Watt ein Patent auf die doppeltwirkende Maschine, deren Idee er schon fünfzehn Jahre vorher ausgesprochen hatte. Jetzt wurde, wie schon beschrieben, auf beiden Seiten des Kolbens der Dampf und ebenso auf beiden Seiten die Luftverdünnung durch Kondensation benutzt. Solche Maschinen konnten auch bei kleineren Ausmessungen mehr leisten als die einfachwirkenden. Aber es bedurfte bei ihnen auch wieder neuer Erfindungen in Einzelheiten. Hier wendete Watt zuerst die Geradlenkung der Kolbenstange, das Wattsche Parallelogramm an, auf das er, obschon nicht um Ruhm besorgt, am stolzesten zu sein gelegentlich vorgab. Bei diesem Parallelogramm ([Abb. 19]) dürfte auch sein Freund Robison ein kleines Verdienst haben. Vor vielen Jahren, als Watt noch Meister in Glasgow war, hatte Robison ihn angeregt, einen perspektivischen Zeichenapparat durch Verwendung einer Parallelogrammvorrichtung zu verbessern, und Watt war mit Erfolg dieser Anregung nachgekommen. Das Patent auf die Lenkergeradführung fiel in das Jahr 1784. Die Dampfverteilungsvorgänge bei der doppeltwirkenden Maschine veranschaulichen uns die [Abb. 16] u. [17]. Bei [Abb. 17] muß man sich vorstellen, daß der Steuerbaum auf die Handgriffe mit seinen Knaggen oder Zapfen aufdrückt und dadurch eine Drehung der Steuerwellen verursacht. Oben und unten befinden sich je zwei Ventile untereinander, ein Ein- und ein Auslaßventil. Wie [Abb. 17] zeigt, sind abwechselnd zusammen oben das Einlaß- und unten das Auslaßventil, oder umgekehrt oben das Auslaß- und unten das Einlaßventil geschlossen. Gewichte, die an den scheinbar abgebrochenen, senkrecht herabhängenden Stangen hängen, bewirken, sobald der daumenartige, kurze Hebel der Steuerwelle aus der ihn festhaltenden Klinke befreit wird, das Öffnen der Ventile.
Abb. 19. Ausgeführte Niederdruckmaschine mit dem Wattschen Parallelogramm (rechts und links am Balancier).
Ein Schwungrad gestaltete den Gang der doppeltwirkenden Maschine möglichst gleichmäßig. Es glich aber nur periodische Schwankungen von Kraft und Widerstand aus, wie sie die Kurbelbewegung mit sich brachte. Für plötzlich eintretende Änderungen des Dampfdruckes oder der Belastung durch die in Bewegung gesetzten oder ausgerückten Arbeitsmaschinen bedurfte es des Regulators ([Abb. 20]). Er wirkte auf eine Klappe im Dampfzuleitungsrohr, die so verstellt wurde, daß sie mehr oder weniger Dampf durchließ. Die Klappe drosselte einen Teil des Dampfes ab, daher der Name Drosselklappe. Die Änderung der Klappenstellung wird durch eine Hebelanordnung herbeigeführt, auf die die Drehung eines Kugelpaares K K wirkt. Von den Trägern der Kugeln gehen Arme nach der Hülse H, die auf der von ihr umfaßten, durch die Achse des Schwungrades mitgedrehten Stange auf und ab gleitet, je nachdem die Kugeln bei schnellerer oder langsamerer Drehung der senkrechten Stange durch die Zentrifugalkraft weiter aus- oder näher aneinander gehen. Die Hebung und Senkung der Hülse wirkt wieder auf das Hebelsystem, das mit der Drosselklappe D in Verbindung steht. Diesen Zentrifugalregulator übernahm Watt aus dem Mühlenbetriebe.
Abb. 20. Regulator.
Den Muschelschieber im Dampfverteilungsraum ([Abb. 21]), den wir aus Abbildungen der Dampfmaschine in Schulbüchern kennen, hat Watt nicht selbst erfunden. Dies Verdienst gebührt dem als bedeutenden Erfinder bekannten obersten Betriebsingenieur des Sohoer Werkes: Murdock, der 1779 als einfacher Arbeiter bei Boulton und Watt eintrat. Ein herkulisch gebauter Mann, Sohn eines Mühlenbauers und selber Mühlenbauer, fand Murdock bei Boulton sofort Arbeit, als Boulton darauf aufmerksam wurde, daß Murdock einen Hut eigner Erfindung und Herstellung in der Hand trug. Murdock war in den nächsten Jahren der einzige Arbeiter, auf den man sich immer verlassen konnte. Während die andern, stolz auf ihre Stellung in dem berühmten Werke, sich oft gewaltige Räusche leisteten, kam es Murdock nicht darauf an, Tage und Nächte durchzuarbeiten, um einen Maschinendefekt, eine Betriebsstörung in Ordnung zu bringen. Wo alles nichts mehr half, mußte Murdock kommen. Die Grubenbesitzer in Cornwall, mit deren ungeberdigen Betriebsführern Murdock manchen schweren Handel buchstäblich ausboxte, boten ihm eine große Summe, falls er die Überwachung ihrer Maschinen übernähme. Doch Murdock blieb seiner Firma treu. Er baute 1784 das erste Modell einer Lokomotive mit Benutzung der Wattschen Maschine und im Jahre 1785 die erste Dampfmaschine mit schwingendem Zylinder. Auch führte er zuerst in der Fabrik von Soho und in andern Birminghamer Betrieben die Gasbeleuchtung ein. Als er später zum Schutze seiner Erfinderehre von einer Parlamentskommission vernommen wurde, meinte einer der weisen Politiker, Murdock versuche doch zuviel zu beweisen, wenn er sich anheischig mache, ein Licht ohne Docht zu liefern. Auch die Erfindung des D-Schiebers, aus dem sich der Muschelschieber als Dampfverteilungsorgan entwickelte, war Murdocks Verdienst. Er hat viele Jahre lang das Werk in Soho als erster Ingenieur geleitet, eine schlichte, markige, vorbildliche Persönlichkeit, eine würdige Gestalt neben Boulton und Watt.
Abb. 21. Muschelschieber im Dampfverteilungsraum. Die Abbildungen veranschaulichen gleichzeitig die Bewegung des Kolbens unter dem Druck des Dampfes.
Watt baute nur sogenannte Niederdruckmaschinen, in denen höchstens 1¼ Atmosphärendruck verwendet wurde. Den Typus von Maschinen mit höheren Dampfspannungen stellt Abbildung [22] dar.
Abb. 22. Hochdruckmaschine, wie sie erst nach Watt gebaut wurde, vertikale Einzylindermaschine. E Dampfweg vom Kessel nach dem Dampfverteilungsbehälter oder Schieberkasten K, zwischen E und K die Drosselklappe. A Dampfzylinder, e und d lassen den Dampf ein und aus, der entweichende Dampf geht durch g und r ins Freie. B Kolben, R Kreuzkopf, P Pleuel- (oder Kurbelstange), Q Kurbelzapfen, f Exzenterscheibe, auf der durch Q gedrehten Welle sitzend, die auch das Schwungrad x dreht, die Exzenterscheibe bewegt den Dampfschieber in K auf und ab; h a v Regulator, hochgehendes h hebt b und dreht die Drosselklappe zwischen K und E. c Exzenterscheibe, betätigt Speisepumpe o, die den Dampfkessel mit Wasser versorgt.
Die Verwendung der Expansion des Dampfes, das heißt der Eigenschaft des Dampfes, im Zylinderraum Arbeit durch Entspannung zu leisten, obwohl die Dampfzufuhr abgesperrt wird, wenn erst ein kleiner Bruchteil des Zylinderraums gefüllt ist, diese in der späteren Entwicklung der Dampfmaschine nach Watt bedeutungsvoll gewordene Eigenschaft des Dampfes beschrieb Watt selber bereits in einem Briefe an Dr. Small im Jahre 1769. »Ich erwähnte gegen Sie ein Verfahren, das mich in Stand setzt, auf ziemlich leichte Weise die Wirkung des Dampfes zu verdoppeln, indem man die Spannkraft des Dampfes, die jetzt unbenutzt im Kondensator verloren geht, wirken läßt. Das würde aber zu große Zylinder erfordern. Die Idee ist daher am ersten für rotierende Dampfmaschinen von Bedeutung. Öffnen Sie das eine Dampfventil und lassen Sie so viel Dampf ein, bis der vierte Teil des in Frage kommenden Raumes mit Dampf gefüllt ist, schließen Sie jetzt den Dampfzutritt ab, dann wird der Dampf fortfahren, sich auszudehnen, und mit abnehmender Kraft seine Wirkung ausüben, bis er mit einem Viertel der anfänglichen Kraftäußerung endet. Die Summe dieser Reihe werden Sie größer finden als ½, obwohl nur ⅓ des Dampfes angewendet wurde. Die Kraftleistung wird allerdings ungleichmäßig sein, doch kann man diesem Übelstand durch ein Schwungrad oder auf andre Weise abhelfen.«
Nachdem die Expansion mit der Sohoer Versuchsmaschine erprobt worden, baute Watt für ein Londoner Wasserwerk die erste Expansionsdampfmaschine mit ⅔ Füllung. Ein Patent auf die Expansionsmaschine nahm er im Jahre 1782. Von der Ausführung dieser Maschine kam er aber bald zurück, weil die Dampfmaschinenwärter lieber mit vollem Dampf arbeiteten. Dafür waren die Verhältnisse des Kessels natürlich nicht vorgesehen, der Kessel lieferte bald nicht mehr genügend Dampf, und Klagen über Klagen liefen bei der Firma ein. So beschloß Watt, keine weiteren Expansionsmaschinen zu bauen, solange mit der Untauglichkeit des Wärterpersonals zu rechnen sei. Dagegen führte sich die doppeltwirkende Maschine mit Drehbewegung rasch in die verschiedensten Betriebe ein, so in Walzwerke und Mühlen aller Art. Für die Gebläse von Eisenhütten war die einfachwirkende Maschine mit hin und her gehender Bewegung verwendbar. Um in London aller Welt vor Augen zu führen, was die doppeltwirkende Maschine mit Drehbewegung leisten könne, errichtete Boulton 1786 unter großen Kosten eine Dampfmühle. Das Kapital wurde von einer Gesellschaft aufgebracht. Diese Dampfmühle, die den stärksten Widerstand der Mühlenbesitzer erfuhr, arbeitete anfangs nicht richtig. Da mußte Murdock herbei, um sie in Gang zu bringen. Die Albionmühle wurde ein Stelldichein für die vornehme Welt. Man bewunderte das neue Werk der Firma Boulton und Watt und wollte sogar ein Maskenfest darin abhalten. Das gestattete aber Watt keineswegs. Einige Jahre warf die Maschine keinen Gewinn ab, obwohl sie in einer Woche Mehl für 150000 Menschen mahlte. Als man hoffen durfte, daß sie sich bezahlt mache, wurde sie böswillig in Brand gesteckt, ein großer Geldverlust für die Gesellschafter. Die Täter ermittelte man nie.