DOPPELWIRKENDE DAMPFMASCHINE
SCHUBKURBEL · SCHIEBERVENTIL · WATT-REGLER · LIVE-PHYSIK
Indikatordiagramm — P vs V
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Der Fliehkraftregler regelt die Drosselklappe, um eine gleichmäßige Drehzahl zu halten. Schalten Sie ihn aus und ändern Sie die Last, um zu verstehen, warum jede Maschine einen brauchte.
Wie eine Dampfmaschine funktioniert
- Dampf schiebt den Kolben. Hochdruckdampf aus dem Kessel wird in eine Seite des Zylinders geleitet; da die Maschine doppelwirkend ist, wird die andere Seite gleichzeitig zum Auspuff geöffnet, sodass der Dampf den Kolben bei jedem Hub antreibt — in beide Richtungen.
- Das Schieberventil steuert die Zeiten. Ein D-förmiges Ventil, angetrieben von einem Exzenter etwa 90° vor der Kurbel, gleitet hin und her, um jeden Kanal zum richtigen Zeitpunkt zu öffnen — Einlassen, dann Abschluss, dann Auslass in den Auspuff, dann Kompression.
- Expansion leistet freie Arbeit. Nach dem Abschluss drückt der eingeschlossene Dampf weiter während er expandiert, der Druck fällt nach P ∝ 1/V. Früherer Abschluss gewinnt mehr Arbeit aus jedem Kilogramm Dampf — das ist der Sinn der Expansionsarbeit. Beobachten Sie, wie sich das Indikatordiagramm beim Verschieben des Abschlusses ändert.
- Kurbel und Schwungrad. Die Pleuelstange wandelt den geraden Kolbendruck in Rotation um, und das schwere Schwungrad speichert Energie durch die Totpunkte, wo die Kurbel kein Drehmoment erzeugen kann, und glättet die Impulse zu gleichmäßiger Drehung: I·dω/dt = τsteam − τload.
- Der Regler hält die Drehzahl. Zwei rotierende Fliehmassen steigen mit zunehmender Drehzahl (cosα = g/Ω²ℓ); über ein Gestänge schließen sie die Drosselklappe und drosseln den Dampf — ein selbstkorrigierender Regelkreis. Schalten Sie ihn aus und ändern Sie die Last: Die Maschine dreht durch oder bleibt stehen. James Watts Regler von 1788 war einer der ersten je gebauten automatischen Regler.
Das Indikatordiagramm oben rechts zeigt den Zylinderdruck gegen das Volumen — genau das Instrument, das Watt zur Abstimmung seiner Maschinen verwendete. Die Fläche innerhalb der Schleife ist die Arbeit pro Hub; multipliziert mit den Hüben pro Sekunde ergibt sich die Leistung.
Probieren Sie: Senken Sie den Abschluss auf 40% und beobachten Sie, wie sich die Expansionskurve streckt · Schalten Sie den Regler aus und erhöhen Sie die Last bis zum Stillstand · Verkleinern Sie das Schwungrad und beobachten Sie den Drehzahlstoß zwischen den Arbeitshüben.
Probieren Sie: Senken Sie den Abschluss auf 40% und beobachten Sie, wie sich die Expansionskurve streckt · Schalten Sie den Regler aus und erhöhen Sie die Last bis zum Stillstand · Verkleinern Sie das Schwungrad und beobachten Sie den Drehzahlstoß zwischen den Arbeitshüben.
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