Fliehkraftregler

Der Fliehkraftregler hält eine Maschine nahe an einer eingestellten Drehzahl. Zwei schwere Kugeln an Gelenkarmen kreisen mit einer Welle, die von der Maschine angetrieben wird; läuft sie zu schnell, schwingen sie nach außen und steigen, und ein Hebel schließt Ventil, Schütz oder Flügel, die sie speisen. Mühlenbauer setzten ihn an Windmühlen ein, wo Thomas Mead 1787 ein Patent darauf erhielt, bevor Boulton und Watt ihn 1788 an die Dampfmaschine anpassten.

Was es ist

Ein Fliehkraftregler hält eine Drehzahl. Eine senkrechte Spindel, von der Maschine angetrieben, trägt zwei schwere Kugeln an Armen, die nahe ihrem oberen Ende gelenkig befestigt sind. Läuft die Maschine schneller, schwingen die Kugeln nach außen und steigen; wird sie langsamer, sinken sie zurück. Über Lenker, eine verschiebbare Muffe und einen Hebel öffnet oder schließt diese Bewegung das, was der Maschine ihre Energie zuführt: das Dampfventil einer Maschine, das Schütz eines Wasserrads oder die Flügel einer Windmühle, deren Segelfläche er verkleinern kann. In Getreidemühlen hatte der Regler noch eine zweite, andere Aufgabe. Über eine Vorrichtung, die im Englischen lift-tenter heißt, stellte er bei wechselnder Drehzahl den Abstand der Mühlsteine und damit die Feinheit des Mehls nach. Diese Verstellung ändert das Mahlen, nicht die Leistung, die in die Mühle gelangt.

Er arbeitet, ohne dass jemand danebensteht. Der Regler misst das Ergebnis, die Drehzahl, und berichtigt ständig die Ursache, die Zufuhr. Ab 1788 setzten Boulton und Watt diese Bauart an ihre rotierenden Dampfmaschinen: Ein Riemen von der Schwungradwelle dreht eine Scheibe, zwei Kegelräder drehen die Spindel, und ein Hebel an der Muffe bewegt eine Drosselklappe im Dampfrohr.

Wie es funktioniert

Je schneller die Kugel läuft, desto weiter neigt sich der Arm nach außen und desto höher pendelt sie sich ein.

Jede Kugel, die an ihrem Arm im Kreis läuft, verhält sich wie ein Pendel auf einer Kreisbahn. Ihr Gewicht zieht sie nach unten, und der Arm muss sie zur Achse hin ziehen, damit sie auf ihrem Kreis bleibt. Je schneller sie läuft, desto stärker muss dieser Zug sein, und der Arm kann ihn nur liefern, indem er sich weiter nach außen neigt. Zu jeder Drehzahl gehört also eine Höhe, auf der sich die Kugeln einpendeln. W. J. M. Rankine gab 1869 die Regel an: Bei einer Umdrehung pro Sekunde laufen die Kugeln etwa 24,8 cm unter dem Punkt, an dem die Verlängerung der Arme die Achse trifft, bei zwei Umdrehungen pro Sekunde ein Viertel davon, 6,2 cm. Das Gewicht der Kugeln kommt in der Regel nicht vor. Schwerere Kugeln stellen sich auf dieselbe Höhe ein und drücken das Gestänge mit mehr Kraft gegen die Reibung.

Beim Regler von Boulton und Watt, wie ihn John Farey 1827 beschrieb, gehen die beiden Arme durch einen Schlitz in der Spindel und kreuzen sich auf einem einzigen Bolzen wie die Blätter einer Schere. Über dem Bolzen sind ihre kurzen oberen Enden nach außen gebogen und durch zwei kurze Lenker mit einer Muffe verbunden, die auf der Spindel gleitet und sich mit ihr dreht. Schwingen die Kugeln aus, gehen diese Enden nach unten, und die Lenker ziehen die Muffe hinab. Die Zinken eines Gabelhebels greifen in eine Nut der Muffe, folgen ihr, ohne sich zu drehen, und der Hebel gibt die Bewegung über eine Zugstange an die Drosselklappe weiter. Diese Klappe ist eine dünne Scheibe auf einer Welle quer durch das Dampfrohr: hochkant zur Strömung lässt sie den Dampf durch, quer gestellt schließt sie das Rohr fast ganz. Sinkt die Last und läuft die Maschine schneller, steigen die Kugeln, die Klappe schließt sich teilweise, und die Maschine wird langsamer. Steigt die Last, sinken die Kugeln, und die Klappe öffnet sich.

Ein solcher Regler hält die Drehzahl in einem Bereich, nicht auf einem genauen Wert. Damit die Klappe unter hoher Last weiter offen bleibt, müssen die Kugeln tiefer laufen, und das tun sie nur bei etwas geringerer Drehzahl; Rankine nannte solche Regler nicht wirklich isochron. Er arbeitet außerdem bei niedrigen Drehzahlen am besten: Dreht sich die Spindel schnell, stehen die Kugeln fast waagerecht, und eine kleine Änderung der Drehzahl bewegt sie kaum. Der Regler kann eine Änderung der Drehzahl erst berichtigen, wenn sie eingetreten ist, und Farey bemerkte, dass jede Berichtigung zu weit geht: Nach einem plötzlichen Lastwechsel schwankt die Drehzahl einige Male nach beiden Seiten, bevor sie sich beruhigt. Antwortet der Regler wegen Reibung oder einer trägen Maschine zu spät, können die Schwankungen wachsen, statt abzuklingen. Ingenieure nennen das Pendeln.

So geht’s

Ein Modell mit Handantrieb: Je schneller sich das Rad dreht, desto höher laufen die Kugeln und mit ihnen der Teller.

Ein Holzmodell zeigt das Prinzip ohne Maschine. Nehmen Sie ein Sperrholzbrett von etwa 20 mal 40 cm. Bohren Sie nahe einem Ende ein Loch und befestigen Sie etwa 15 cm darüber an einem Pfosten einen Holzklotz mit gleich großem Loch. Dazu brauchen Sie einen glatten Rundstab von 10 mm Dicke und 45 cm Länge, der aufrecht und frei in beiden Löchern läuft, und zwei leere Garnrollen, die sich leicht darauf verschieben lassen. Sägen Sie aus dünnem Sperrholz einen runden Teller von etwa 7 cm Durchmesser, bohren Sie in seine Mitte ein Loch von 12 mm und kleben Sie ihn unter ein Ende der ersten Rolle, die Löcher genau übereinander. Fädeln Sie diese Rolle mit dem Teller nach unten auf den Stab und schieben Sie ihn von oben durch den Klotz, fädeln Sie dann die zweite Rolle auf das Stück unterhalb des Klotzes und stecken Sie das Ende des Stabs in das Loch im Brett. Kleben Sie diese untere Rolle dicht über dem Brett als Riemenscheibe auf den Stab. Die obere Rolle bleibt lose über dem Klotz. Neben die Riemenscheibe kommt eine Sperrholzscheibe, etwa dreimal so breit wie die Rolle, die sich flach auf einem Nagel durch ihre Mitte dreht und nahe dem Rand einen Holzzapfen als Griff hat. Verbinden Sie Scheibe und Riemenscheibe mit einer Schnurschlaufe, straff genug, dass sie nicht rutscht.

Schneiden Sie ein Querholz von etwa 8 cm Länge und 2 cm Kantenlänge zu und bohren Sie in seine Mitte ein Loch von 10 mm. Biegen Sie aus einem Drahtkleiderbügel zwei steife Arme mit je einer kleinen Öse an einem Ende. Stecken Sie die Öse des ersten Arms auf einen kleinen Nagel und schlagen Sie ihn etwa 1 cm vor einem Ende rechtwinklig zur Länge in eine Seitenfläche des Querholzes, sodass die Öse zwischen Kopf und Holz gefangen ist. Bohren Sie vorher ein kleines Loch vor, damit das Holz nicht spaltet, und lassen Sie den Kopf einige Millimeter überstehen, damit der Arm frei pendelt. Befestigen Sie den zweiten Arm ebenso nahe dem anderen Ende auf der gegenüberliegenden Seite und kleben Sie das Querholz dann auf das obere Ende des Stabs, das in seinem Loch steckt. Jeder Arm hängt nun neben einem Ende des Querholzes und kann nach außen, vom Stab weg, ausschwingen. Stecken Sie jeden Draht in eine Holzkugel von 3 bis 4 cm und verkleben Sie sie so, dass die Kugelmitten etwa 15 cm unter den Nägeln liegen. Beide Kugeln müssen gleich schwer sein.

Binden Sie von der Mitte jedes Arms einen Faden an den oberen Rand der losen Rolle, sodass die Rolle gerade hängt und ihr Teller knapp über dem Klotz schwebt, wenn die Kugeln herabhängen. Für die Skala schneiden Sie einen Kartonstreifen von etwa 2 cm Breite und der Höhe der Rolle zu und ziehen alle 5 mm einen Strich darauf. Der Klotz muss so lang sein, dass er etwas über den Tellerrand hinausreicht. Kleben Sie das untere Ende des Streifens aufrecht an die Stirnseite des Klotzes, sodass der Karton wenige Millimeter neben dem Tellerrand steht. Steigt die Rolle, wandert der Rand des Tellers an den Strichen entlang nach oben. Der Karton ist nicht höher als die Rolle und bleibt so unterhalb der Fäden und der Kugeln.

Drehen Sie den Griff erst langsam, dann schneller. Bei geringer Drehzahl bewegt sich nichts, denn die Kugeln müssen außer ihrem eigenen Gewicht die Rolle und ihren Teller heben. Ab einer gewissen Drehzahl schwingen sie aus, und Rolle und Teller steigen mit. Je schneller Sie drehen, desto höher laufen sie; drehen Sie langsamer, sinken sie zurück. Kleben Sie zwei gleiche Münzen einander gegenüber unter den Teller, dann müssen Sie schneller drehen, um den Tellerrand an denselben Strich zu bringen, wie bei einem Regler mit einem Gewicht auf der Muffe. An einer Maschine würde die Höhe der Rolle die Öffnung des Ventils bestimmen.

Geschichte und Entwicklung

In der Mühle bewegt der Regler einen langen Eisenhebel, im Englischen steelyard genannt, der den Abstand der Mühlsteine einstellt.

Müller brauchten eine gleichmäßige Drehzahl lange vor der Dampfmaschine. Eine Windmühle wird mit jeder Bö schneller und langsamer, und der Abstand zwischen den Mühlsteinen, der über die Feinheit des Mehls entscheidet, ändert sich mit der Drehzahl. Zu hohe Drehzahl kann die Steine aneinander reiben lassen und erhitzt das Mehl. Britische Mühlenbauer des 18. Jahrhunderts bauten deshalb lift-tenters, Vorrichtungen, die den Steinabstand der Drehzahl anpassten. Der älteste datierte, der die Drehzahl mit kreisenden Gewichten misst, steht im Patent des englischen Mühlenbauers Thomas Mead von 1787. Der Technikhistoriker Otto Mayr beschreibt darin zwei Sätze kreisender Gewichte: Der eine bewegte den lift-tenter, der andere verkleinerte die Fläche der Flügel, wenn die Mühle zu schnell lief. Manche technischen Zeittafeln und populären Darstellungen sagen, Mühlen hätten solche Regler schon im 17. Jahrhundert benutzt, und schreiben sie Christiaan Huygens zu, nennen aber keine datierte Zeichnung und keinen Text. In späteren Mühlen stand der Regler auf dem Boden unter den Steinen und bewegte einen langen Eisenhebel, der mit dem Balken unter der Steinwelle verbunden war.

Im Mai 1788 besuchte Matthew Boulton in London die Albion Mill, die dampfgetriebene Getreidemühle, die er mit James Watt gebaut hatte, und fand an den Steinen einen lift-tenter, wohl vom jungen Mühlenbauer John Rennie eingebaut. Er beschrieb ihn Watt. Watt zeichnete im November einen Fliehkraft-Drehzahlregler und im Dezember einen Regler für die Lap-Maschine der Manufaktur Soho in Birmingham. Diese Maschine steht heute im Science Museum in London, das sie als die erste mit einem Regler ausgestattete bezeichnet. Watt beanspruchte das Gerät nicht als seine Erfindung, und der Ingenieur John Farey schrieb 1827, sein Prinzip sei schon in Wind- und Wassermühlen benutzt worden. Samuel Smiles zählte es in seinen Lives of Boulton and Watt von 1865 dennoch zu Watts Erfindungen.

Ingenieure stießen bald an die Grenzen des einfachen Reglers. 1868 veröffentlichte James Clerk Maxwell On Governors, die erste mathematische Untersuchung darüber, wann eine geregelte Maschine zur Ruhe kommt und wann sie pendelt; sie gilt heute als eine der Gründungsschriften der Regelungstechnik. Ab den 1850er-Jahren konnten Regler mit einem Gewicht auf der Muffe, wie der von Charles Porter 1858 patentierte, und später Regler mit Federn schneller laufen. Dasselbe Prinzip hält die Drehzahl der Wasserturbinen, die Generatoren antreiben.