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Schiffsmaschine [1]

[676] Schiffsmaschine, der Motor bei Dampfschiffen.

Die Entwicklung der Schiffsmaschine von der Einführung der Dampfschiffahrt, im besonderen von der allgemeinen Einführung des Schraubenpropellers im Jahre 1838 bis zu den neuesten Errungenschaften des Schiffsmaschinenbaus bildet eine Kette von mannigfachen Konstruktionssystemen und praktischen Fortschritten, deren Endglieder eine Steigerung der Maschinenleistung von etwa 50 PS_i des ersten Schraubendampfers »Archimedes« auf rund 70000 PS. der transatlantischen Schnelldampfer »Lusitania« und »Mauretania« aufweisen.

Diese enorme Kraftsteigerung konnte nur unter stetiger Vervollkommnung des Gesamtwirkungsgrades der Maschinenanlage und entsprechender Herabsetzung des Kohlenverbrauchs sowie durch allmähliche Einschränkung des Bedarfs an Gewicht und Raum erreicht werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Schiffsmaschine, d.h. das Verhältnis der nutzbringenden Arbeit des Schiffspropellers für die Fortbewegung des Schiffes zu der im Schiffskessel erzeugten Wärmemenge beträgt 0,072–0,08, d.h. von der Heizkraft des Brennmaterials werden nur 7,2–8% für die Fortbewegung des Schiffes nutzbar gemacht [12]. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus den Arbeitsverlusten, welche entstehen 1. bei der Dampferzeugung (Wirkungsgrad der Kessel η₁ = 0,646); 2. bei der Umsetzung der Wärme in die theoretische Dampfleistung (theoretischer Wirkungsgrad η₁ = 0,29); 3. bei der Arbeitsleistung des Dampfes in der Maschine (Verhältnis der indizierten Dampfleistung zum theoretischen oder indizierter Wirkungsgrad η₃ = 0,6); 4. durch Reibungs- und sonstige Verluste in den Maschinentrieben[676] (mechanischer Wirkungsgrad η_m = 0,86) und 5. durch die Widerstände und Verluste in der Wellenleitung und irn Propeller (Propellerwirkungsgrad η_p = 0,72, d.h. η = η₁ η₂ η₃ η_m η_p = 0,072 – 0,08). – Der größte Verlust entsteht demnach durch die Ausnutzung des erzeugten Dampfes, da die Verdampfungswärme nur zum geringen Teil verwertet werden kann. Anderseits entstehen größere Verluste durch Abkühlung und Kondensation des Dampfes in der Dampfrohrleitung, in den Schieberkasten und in den Dampfzylindern, ferner durch direkte Dampfverluste durch Undichtheiten an Kolben, Schiebern und Stopfbuchsen sowie schließlich durch ungenügendes Vakuum, Widerstände in den Dampfkanälen und Einflüsse der Steuerung. Um diese Dampfverluste herabzusetzen, war man nach Einführung der Oberflächenkondensation und der hierdurch ermöglichten Steigerung der Dampfspannung von 2–16 kg bestrebt, den Dampf in mehreren Zylindern nacheinander expandieren zu lassen, um hierdurch das Temperaturgefälle und die Kondensationsverluste in den Zylindern zu vermindern [9], [12]. Während das Temperaturgefälle bei einer zweifachen Expansionsmaschine – Compoundmaschine – pro Zylinder 45° C. beträgt, bei einer Anfangsspannung von 6 kg, sinkt dasselbe bei den dreifachen Expansionsmaschinen mit einer Anfangsspannung von 10,5 kg auf 38° C. und bei den vierfachen Expansionsmaschinen mit 15 kg Anfangsspannung auf 33° C. Da die Menge des zu verteuernden Brennmaterials bei Steigerung der Dampfspannung praktisch fast gleichbleibt, so hat die Anwendung einer mehrstufigen Expansion eine beachtenswerte Oekonomie in der Ausnutzung des Dampfes zur Folge. Der Kohlenverbrauch der einfachen Expansionsmaschine betrug 1,3–1,6 kg pro indizierte Pferdestärke und Stunde, derjenige der Compoundmaschine 1,0–1,1 kg, während die neueren dreifachen Expansionsmaschinen nur 0,7–0,9 kg, die vierfachen Expansionsmaschinen sogar nur 0,65–0,7 kg erfordern.

Zur Vervollkommnung der Dampferzeugung, d.h. zur Steigerung des Wirkungsgrades des Kessels sind folgende Hilfsmittel eingeführt: 1. Anwendung des künstlichen Zuges zur Steigerung der Verbrennung in den Feuerungen, 2. Vorwärmung der Verbrennungsluft, 3. Ueberhitzung des Dampfes. Der Wirkungsgrad einzelner Kessel ist auf diese Weise bis auf 0,8 gesteigert worden. Der mechanische sowie der Propellerwirkungsgrad haben keine wesentlichen Verbesserungen erfahren, da durch die Vermehrung der Zylinder nebst Gestänge sowie durch die Steigerung der Umdrehungszahlen zum Teil ungünstigere Verhältnisse sich ergaben.

Die Verminderung des Maschinengewichts pro indizierte Pferdestärke und im Zusammenhang damit eine Einschränkung des Raumbedarfs wurde erreicht 1. durch die Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit bezw. Vergrößerung der minutlichen Umdrehungszahl der Kurbelwelle; 2. durch Einführung des künstlichen Zuges und Verwendung von Wasserrohrkesseln; 3. durch Verwendung von Baumaterialien hoher Fertigkeit. Diese Mittel fanden jedoch vornehmlich nur im Kriegsschiffsmaschinenbau Anwendung, da für den Kriegsschiffbau die Gewichts- und Raumfrage mit Steigerung der Kampfkraft eine brennende wurde und die Höchstleistungen der Maschinenanlage hier nur vorübergehend erforderlich sind. Im Handelsschiffbau, wo für die Maschinenanlage auf einen Dauerbetrieb und auf geringe Reparatur- und Unterhaltungskosten der Hauptwert gelegt wird, ist man mit der Gewichtseinschränkung zurückhaltender geblieben und hat sich die Ausgestaltung der Konstruktion vornehmlich in der Richtung einer gesteigerten Oekonomie bewegt. Die Hammermaschine mit gegossenen Ständern, welche zugleich als Vor- bezw. Rückwärtsgleitbahn für den Kreuzkopf dienen, bildet seit Jahrzehnten den geeigneten Typ für den Schraubenantrieb. Die Umdrehungszahl der Welle bleibt in den engen Grenzen von 70–95 pro Minute, die Kolbengeschwindigkeit von 3–4,8 m pro Sekunde, während der Kolbenhub für kleine Maschinen von 650 mm auf 1850 mm für die größten Schnelldampfermaschinen wächst. Für Kriegsschiffe ergab sich alsbald eine kaum geahnte Vervollkommnung der Konstruktion zugunsten eines geringen Gewichts. Gußeisen ist allein als Material für die Zylinder geblieben, während Stahl als Schmiedestahl, Nickelstahl und Stahlformguß sowie Bronze hoher Fertigkeit und Dehnung weiteste Verwendung fanden; dabei höhlte man Maschinenteile, bohrte Wellen, Stangen und Zapfen aus und ersetzte die gegossenen Ständer durch stählerne Säulen. Die Vergrößerung der Umdrehungszahl von 120–140 bei Linienschiffen, bis zu 300–400 bei Torpedofahrzeugen sowie der Kolbengeschwindigkeit, entsprechend von 4–6 m pro Sekunde, gestattete den Hub und damit die Zylinderabmessungen zu verringern, während der Wirkungsgrad der aus Bronze hoher Fertigkeit gegossenen Schrauben nicht wesentlich beeinträchtigt wurde. Die Steigerung der Umdrehungszahl sowie der Kolbengeschwindigkeit bedingt zwar eine Vergrößerung der Lagerflächen und der Zapfendrücke, doch konnten diese Beanspruchungen durch vollkommenere Schmierung und Wasserkühlung aufgenommen werden, und überdies wurde die Gleichmäßigkeit des Ganges der Maschine und dementsprechend die Beanspruchung der Welle und des Schiffskörpers durch die Verwendung von Drei- und Vierzylindermaschinen eine günstigere [3], [6], [7], [9]–[12], [15], [16].

Die Steigerung der Kolbengeschwindigkeit brachte bei großen Maschinenleistungen ferner den Vorteil mit sich, daß man bei Wahl der dreifachen Expansionsmaschine für den Niederdruckzylinder einen angemessenen Durchmesser erreichte. Derselbe wird im allgemeinen nicht über 2,7 m gesteigert, weil einesteils bei den gewaltigen Zylindern durch die großen schädlichen Räume sowie die sich steigernde Reibung und Kondensation des Dampfes größere Arbeits- und Dampfverluste entstehen, andernteils die Anfertigung und Montage so großer Zylinder Schwierigkeiten bereitet. Man ist daher vielfach genötigt, den Niederdruckzylinder in zwei Zylinder zu teilen, was eine erhebliche Gewichtsvermehrung und eine größere Länge der Maschine zur Folge hat. Die dreifache Expansionsmaschine ist überdies gegenüber der Compoundmaschine insofern im Vorteil, als die Anfangsbelastung der Gestänge trotz des mittleren höheren Dampfdrucks erheblich niedriger wird, so daß die Abmessungen der Gestänge, Kurbelwellen, Grundplatten u.s.w. leichter gewählt werden können, um so mehr, als der Tangentialdruck infolge der Dreikurbelanordnung gleichmäßiger verteilt ist und die Vibrationen der Maschine geringer[677] ausfallen [1], [2], [4], [5], [7]–[11]. – Die dreifache Expansionsmaschine fällt daher trotz des höheren Dampfdruckes und des dritten Zylinders nebst Gestänge nicht wesentlich schwerer und teurer aus als die Compoundmaschine.

Auch in bezug auf leichte und sichere Manövrierfähigkeit steht die dreifache Expansionsmaschine allen andern Arten voran und bildet infolgedessen den Haupttyp der Schiffsmaschine (Fig. 1). Dieselbe wird in den verschiedensten Bauweisen und Größen ausgeführt und variieren dementsprechend die Zylinderverhältnisse und die Gesamtexpansion. Nimmt man für die einzelnen Zylinder ein gleiches Temperaturgefälle an, so ergeben sich für einen Anfangsdruck des eintretenden Dampfes von 10,5 kg/qcm und 181° C. Temperatur und einer Temperatur von 67° C. am Ende der Expansion des Dampfes im Niederdruckzylinder entsprechend einem Enddruck des Dampfes von 0,3 kg/qcm folgende Werte:

Die Zylindervolumina müssen sich daher verhalten wie 19 : 48 : 142 oder wie 1 : 2,53 : 7,47. In der Praxis nimmt man das Temperaturgefälle im Hochdruckzylinder etwas kleiner, da der Dampf bei hohem Druck gegen Abkühlung empfindlicher ist, und wählt demnach auch den Zylinder kleiner, so daß das Verhältnis von 1 : 2,6 : 6,7 einen Mittelwert darstellt. Folgende Tabelle gibt für die Haupttypen über Gesamtexpansion und Zylinderverhältnis gebräuchliche Werte [9]–[12].

Für die Berechnung des Durchmessers des Niederdruckzylinders muß der mittlere auf den Niederdruckzylinder reduzierte Druck mit einem Völligkeitskoeffizienten multipliziert werden, welcher sich je nach Anordnung der Dampfkanäle und Schieber für dreifache Expansionsmaschinen auf 0,50–0,61 stellt [1], [2], [8]–[11]. Die dreifachen Expansionsmaschinen mit Kesselspannungen von 10–12 kg/qcm Ueberdruck haben einen Kohlenverbrauch von 0,65–0,75 kg pro Stunde und indizierte Pferdestärke erzielt, also ein Fortschritt gegenüber der Compoundmaschine von 25–30%.

Für den gleichmäßigen Gang ist es wünschenswert, die Anfangsdrücke auf den Kolben der einzelnen Zylinder sowie die von denselben zu übertragenden Arbeitsleistungen nach Möglichkeit gleichzumachen, was auch in bezug auf Beanspruchung der Gestänge von großem Werte ist. Da man Anfangsdruck, Arbeit und Temperaturgefälle in den Zylindern nicht gleichmachen kann, so muß man zwischen denselben vermitteln. Bei praktischen Ausführungen kommen neben dem Zylinderverhältnis auch die Dampfverteilung und die Kurbelanordnung in, Frage. Bei Kriegsschiffen treten insofern besondere Verhältnisse auf, als die Haupterfordernisse nicht allein der größten Leistung der Maschine, sondern auch einer der Marschgeschwindigkeit von etwa 11 Knoten entsprechenden bedeutend verminderten Maschinenleistung möglichst angepaßt werden müssen, wodurch das Verhältnis der Zylinder vielfach abweicht [2], [9]–[11]. – Die Dampfverteilung wird meist so geregelt, daß der Hochdruckzylinder mit einer Füllung von 0,6–0,75, der Mitteldruckzylinder mit einer Füllung von 0,55–0,65 und der Niederdruckzylinder von 0,6 arbeitet, so daß im allgemeinen von der Verwendung von besonderen Expansionsschiebern abgesehen wird. Ferner ist es von großer Wichtigkeit, die Dampfgeschwindigkeiten in den Kanälen und Ueberleitungsrohren derart festzusetzen, daß sie in den größeren Einströmkanälen 40 m pro Sekunde, bei den kleineren 30 m pro Sekunde nicht übersteigen, in den Ausströmkanälen bezw. Rohren jedoch unter 30 m bezw. 25 m bleiben. Auch ist es von Vorteil, Ventile, Knie oder bedeutende Querschnittsänderungen zu umgehen, um Spannungsverluste in den Zylindern und ihren Zwischenkammern zu vermeiden, wodurch im besonderen der Völligkeitskoeffizient beeinflußt wird. Aus diesem Grunde erklärt es sich auch, daß bei den Kolbenschiebern des Nieder- und Mitteldruckzylinders infolge der meist sehr gewundenen Zuleitungskanäle ein größerer Arbeitsverlust entsteht, als durch die größere Reibung der Flachschieber verursacht wird, so daß man bei dem Mitteldruckzylinder vielfach, bei dem Niederdruckzylinder fast immer von Kolbenschiebern absieht. Der schädliche Raum ist in Prozenten des Zylindervolumens bei Kolbenschiebern im Durchschnitt 12–18%, bei Flachschiebern 8–14% ([2], [3], [9]–[11]).

Nach [7] berechnet man die Zylinderdurchmesser des Hoch- und des Mitteldruckzylinders nach dem des Niederdruckzylinders unter Berücksichtigung der Füllungsgrade der Zylinder wie folgt:

[678] Da bei Verwendung von zwei Kurbeln, wobei der Hochdruckzylinder entweder über dem Mitteldruckzylinder oder über dem Niederdruckzylinder steht, eine gleiche Anfangsbeanspruchung des Gestänges für beide Kurbeln und eine gleiche Arbeitsleistung nicht angenähert zu erreichen ist, so führt man neue Maschinenanlagen nur mit drei Zylindern und drei Kurbeln aus, welche alsdann um 120° versetzt sind, wodurch eine gleichmäßigere Beanspruchung der Kurbelwelle und eine geringere Abnutzung der bewegten Maschinenteile erreicht wird.

Die Kurbelfolge ist von großer Wichtigkeit für die Ausnutzung des Dampfes, da die Kompression desselben in den Zwischenkammern sowie die Tangentialdrucke hiervon abhängen. Die vorangehende Hochdruckkurbel ist für ökonomische Leistungen am günstigsten, erfordert jedoch wegen der größeren Zwischenkammern schwerere Maschinen, so daß die vorangehende Niederdruckskurbel auch zur Ausführung kommt [2], [9]–[11].

Die dreifache Expansionsmaschine wird vorzugsweise als Hammermaschine gebaut und die Reihenfolge der Zylinder ist meist H.D., M.D., N.D., doch findet man auch die Folge H.D., N.D., M.D., was in der Hauptsache von der Wahl der Steuerung abhängig ist. Man strebt im allgemeinen danach, die ganze Maschine als steifes Ganzes auszubilden zur Vermeidung von Schiffsschwingungen. Bei großen Maschinenanlagen (Fig. 3) sucht man die einzelnen Zylinder voneinander getrennt auf den Maschinenständern bezw. Säulen zu lagern und nur durch einzelne Zugstangen miteinander und dem Schiffskörper zu verstreben, damit sich die einzelnen Zylinder gemäß den verschiedenen Dampftemperaturen selbständig ausdehnen können (die Zwischenkammern werden dann als gekrümmte Dampfrohre ausgeführt); bei kleinen Maschinen, wo die Ausdehnung der Zylinder keine Rolle spielt, werden die einzelnen Zylinder mit den gußeisernen Zwischenkammern zu einem starren Ganzen verschraubt, so daß sie in Verbindung mit der gemeinsamen Grundplatte einen soliden Träger darstellen, der die Kippmomente und Vibrationen der einzelnen Teile vollkommen aufnimmt (Fig. 1 und 2) [4], [9], [16].

Die Zylinder der Schiffsmaschinen werden aus Gußeisen hergestellt und sind in der Regel mit Einsatzzylindern aus Stahl für den H.D.-Zylinder und aus härterem Gußeisen für M.D.- und N.D.-Zylinder versehen, die am Zylinderboden mittels Flanschen verschraubt und oben zur Herstellung eines Dampfmantels stopfbüchsenartig gedichtet werden. Die Form der meist aus Stahlformguß hergestellten Zylinderdeckel richtet sich nach der Gestalt der Kolben; sie erhalten nur bei den Maschinen der Handelsdampfer, wo der Höhe nach Raum genug vorhanden ist, Oeffnungen mit Stopfbuchse für den Durchgang der verlängerten Kolbenstangen. In gleicher Weise ist der Zylinderboden der konischen Form des Kolbens entsprechend nach oben gezogen, um für die Kolbenstangenstopfbuchse an Platz zu gewinnen. Die Stopfbuchsen der Zylinder erhalten Metallpackung [9], [8]–[11], [15].[679]

[680] Die Kolben werden entweder aus Stahlformguß oder geschmiedetem Stahl meist in konischer Form gefertigt; als Liderung findet man in Hoch- und Mitteldruckzylindern die Ramsbottom-Ringe, in den Niederdruckzylindern dagegen die Buckley-Ringe vorherrschend. Besondere Sorgfalt erfordern die Sicherungen der Kolbendeckelschrauben. Die Gestängeteile, wie Kolben- und Pleuelstangen, Exzenterbügel und Stangen, werden vorzugsweise aus geschmiedetem Stahl hergestellt. Thornycroft hat sogar hohle Pleuelstangen für Torpedobootsmaschinen angewendet. Die Pleuelstangen tragen am oberen Ende bronzene Schalen mit stählernem Deckelstück und an den unteren Köpfen mit Weißmetall gefütterte bronzene Lagerschalen.

Die Dampfverteilungslchieber sind bei H.D.- und M.D.-Zylindern meist Kolbenschieber, beim N.D.-Zylinder Flachschieber, doch findet man bei einzelnen Maschinen der Kriegsmarine auch hier Kolbenschieber, jedoch zwei an der Zahl. Die Kolbenschieber, deren Gehäuse zuweilen zur Entlastung der Steuerungsteile aus Aluminium gegossen werden, erhalten stets stählerne Liderungsringe, die durch den Dampfdruck angepreßt werden. Sie laufen in besonderen Einsatzzylindern und werden bei Handelsschiffsmaschinen teilweise mit Spencerschen Gewichtsausgleichungskolben versehen, die in Zylindern auf den Schieberkastendeckeln laufen. Der Schieberspiegel der Flachschieber wird meist mit einer aus härterem Gußeisen gefertigten Platte belegt und durch versenkte Schrauben befestigt. Die Flachschieber für den M.D.-Zylinder werden entlastet konstruiert, während für die Niederdruckzylinder nur Anpreßvorrichtungen und Führungen zur Verhinderung des Abhebens vorgesehen werden. Die praktische Anordnung der Dampfkanäle ist mit Bezug auf die Dampfgeschwindigkeit und Größe der schädlichen Räume von großer Wichtigkeit. Die Lage der Schieber mit Bezug auf den bezüglichen Zylinder hängt von der Art der Schiebersteuerung ab. Will man kurze Maschinen haben, so wählt man eine Steuerung, bei der die Schieber seitlich zu liegen kommen (Heusinger-, Marshall- oder Klug-Steuerung). Bei Maschinen mit Massenausgleich (Schlick) werden die Schieberkästen so placiert, daß sowohl die Zylinderentfernungen als auch die Lage der Exzenter für den Ausgleich günstig werden. Um den Raum auf das äußerste auszunutzen und an Höhe zu sparen, hat Thornycroft für Torpedoboote Maschinen konstruiert, die auf schrägen Säulen montiert sind, deren Kolbenstangen also spitze Winkel miteinander bilden. Als Umsteuerung ist die Stephensonsche Kulisse am verbreitetsten; nächstdem kommen die Steuerungen mit einem Exzenter von Heusinger von Waldegg, Klug, Marshall nebst ihren Abarten häufiger vor, da sie wegen seitlicher Lage der Schieber weniger Raum in der Länge beanspruchen. Die Gelenksteuerung von Joy mit Antrieb von der Pleuelstange ist trotz ihrer Vorteile mit Bezug auf Raum- und Gewichtsersparnis sowie wegen der günstigeren Dampfverteilung bei den verschiedenen Gangarten nicht allgemein durchgedrungen. Die Exzenter werden neuerdings stets mit Weißmetall ausgegossen, um ein Warmlaufen derselben zu vermeiden. Die Umsteuerung erfolgt auch schon bei kleineren Maschinen mittels der Dampfumsteuerungsmaschine mit hydraulischem Sperrzylinder (System Brown) oder durch die sogenannte Rundlaufumsteuermaschine. Expansionsschieber für den H.D.-Zylinder kommen nur seiten in Anwendung; zur Aenderung der Füllung der einzelnen Zylinder ordnet man die Umsteuerhebel meist verstellbar an. Die Heusinger-Steuerung bietet den Vorteil, daß man mit derselben eine Füllungsänderung von 0,4–0,65 erzielen kann, ohne die lineare Voreilung zu ändern [1], [3], [4], [6], [7], [9]–[11]. Von Einfluß auf die Gestaltung der Schiffskolbenmaschine war die zu Beginn des Jahrhunderts auftretende Ausbalancierung der Maschine. Mit dem Massenausgleich der Schiffsmaschine haben sich vornehmlich Yarrow und Schlick praktisch und theoretisch beschäftigt; er wurde im besonderen brennend nach Einführung der vierfachen Expansionsmaschine mit vier Kurbeln. Bei den großen Schnelldampfern ergaben sich ferner Maschinen mit vier Kurbeln und sechs Zylindern, von denen vier über den mittleren zwei Kurbeln standen, und schließlich solche mit sechs Kurbeln und acht Zylindern (Fig. 3). Bei Dreikurbelmaschinen ist ein Massenausgleich nur vereinzelt, versucht, da ohne Verletzung praktischer Rücksichten die Momente der Massendrücke nicht wegzuschaffen sind.

Die Grundplatte der Maschine wird vorteilhaft aus einem Kastenguß hergestellt mit Querbalken für die Kurbelwellenlager; für Kriegsschiffsmaschinen zieht man Stahlformguß vor. Die Zylinderständer aus Gußeisen oder Stahlguß erhalten nach unten eine breitere Basis und werden gegabelt. Sie nehmen zugleich die Gleitbahnflächen für die Kreuzkopfführung auf. Um die Uebersichtlichkeit der Maschinenanlage zu erhöhen, ersetzt man vielfach auf der Seite des Maschinistenstandes die Zylinderständer durch Säulen aus geschmiedetem Stahl mit entsprechender Diagonalverstrebung. Leichte Kriegsschiffsmaschinen, im besonderen für Torpedofahrzeuge, erhalten auf beiden Seiten stählerne Säulen und die Gleitbahn ist dann an besonderen Trägern zwischen den Säulen befestigt. Die Gleitbahnen, aus hartem Feinkorngußeisen gefertigt, werden an der Rückseite stets mit Wasserkühlung versehen. Die aus Stahlguß gefertigten Gleitschuhe der stählernen Kreuzköpfe erhalten Ausfüllungen von Weißmetall [9]–[11], [15].

Die Pumpen (die Luftpumpe, die Zirkulationspumpe sowie die Speise-, Lenz- und Klosettpumpen u.s.w.) werden bei Handelsschiffen meist von der Hauptmaschine aus durch Balancier angetrieben, während die Zirkulationspumpe vereinzelt als Kreiselpumpe mit eigner Antriebsmaschine konstruiert wird. Es hat dies den Vorteil, daß beim plötzlichen Stoppen der Maschine ein Ueberleiten des Dampfes vom Kessel in den Kondensator zur Vermeidung von Geräusch und Verlust an Speisewasser möglich ist. Neuerdings bevorzugt man bei Kriegsschiffsmaschinen und Schnelldampfern zum Antrieb der Luft- und sonstigen Pumpen besonderen Maschinenantrieb, während die Speisepumpen als für sich bestehende Dampfpumpen nach dem System von Weise und Monski, Weir oder Blake in den einzelnen Kesselräumen aufgestellt werden. Speisewassererzeuger, Vorwärmer und meist auch Speisewasserreiniger sind neuerdings für Schiffsmaschinen fast unentbehrlich geworden [3]–[5], [7], [13], [15].

Die Dampfrohrleitung (s.d.) im Maschinenraum ist sehr verzweigt. Außer dem Hauptdampfrohr[681] zum Hochdruckzylinder und den Hilfsdampfrohren zu den einzelnen Hilfsmaschinen sind besondere Dampfrohrleitungen vorzusehen zu den einzelnen Zylindern für den Handanlaßschieber, für die Dampfmäntel zum Anwärmen der Maschine u.s.w. Auch sind bei den älteren dreizylindrigen Compoundmaschinen der Kriegsschiffe besondere Verbindungsröhre vorhanden, um alle drei Zylinder mit direktem Kesseldampf zur Steigerung der Leistung versehen zu können. Neben den Dampfröhren sind an allen Zylindern, und zwar an beiden Enden, sowie an den Schieberkasten, den Dampfmänteln, den Dampfröhren und Wasserabscheidern Entwässerungsrohre vorzusehen. Zur Sicherheit des Betriebs wird jeder Dampfzylinder mit folgenden Garniturteilen versehen: Sicherheitsventile und Ausblasehähne im Boden und Deckel des Zylinders, Entwässerungshähne für Schieberkasten und Dampfmäntel, Indikatorrohre mit Stutzen und Hähnen. Besondere Sorgfalt ist auf die Anordnung von ausgiebigen und zum Teil selbsttätigen Schmier- und Kühlvorrichtungen für alle bewegten Teile und ihre Lager zu legen. Die Lagerschalen sind möglichst lang und gut aufliegend herzustellen, um einen möglichst geringen Flächendruck zu erhalten [1], [8], [13], [15], [3]. Zum Drehen der Maschine bei der Montage und für spätere Revisionen ist bei größeren Anlagen eine besondere Drehmaschine mit ausschaltbarem Schneckenradantrieb vorhanden.

Die bei der Vervollkommnung der Dampferzeugung bereits erwähnte Ueberhitzung des Kesseldampfes hat neuerdings, namentlich in Verbindung mit der Lentzschen Ventilsteuerung, beachtenswerte Erfolge in der Oekonomie des Betriebes erzielt. Die thermischen Vorteile des überhitzten Dampfes bestehen nicht allein in einer besseren Ausnutzung der Kesselanlage nebst Dampfrohrleitung, sondern auch in der günstigeren Arbeitsleistung des Dampfes in der Maschine, da die Zylinderkondensation selbst bei Fortfall des Dampfmantels abnimmt und bei kleineren Maschinen ein Zurückgehen von der jetzt allgemein üblichen Dreifachexpansion auf die Compoundmaschine möglich ist. Es sind daher bereits für Handelsdampfer als Durchschnitt von zehn Reifen Kohlenersparnisse durch Dampfüberhitzung für eine dreifache Expansionsmaschine von 18% erzielt. In der deutschen Marine ist die Dampfüberhitzung in Verbindung mit der Lentzschen Steuerung auf einem Tender erfolgreich zur Anwendung gelangt, wobei auch das Umsteuern der Maschine keinerlei Anstände gezeigt hat. Wesentlich ausgiebiger wird sich jedoch die Ueberhitzung des Dampfes für Kriegsschiffskessel bei Anwendung des Turbinenbetriebs für den Antrieb der Schiffsschrauben gestalten.

Die Dampfturbine hat im Kriegsschiffbau bereits die Kolbenmaschine verdrängt, vornehmlich bei allen Schiffen, wo es sich um hohe Geschwindigkeit und große Krafteinheiten handelt. Der Einführung der Dampfturbine für den Propellerantrieb auf den Torpedofahrzeugen, auf den kleinen und großen Kreuzern wird in kurzem derselbe Antrieb auch für die Linienschiffe folgen, trotz der unerwünschten Beigabe der Marschturbinen sowie der Zuschaltung von Rückwärtsturbinen und trotz des Erkenntnisses, daß der Wirkungsgrad der Schiffsschrauben wegen der erhöhten Umdrehungszahl und der Steigerung des spezifischen Druckes auf die Flügelfläche sich ungünstiger gestaltet. Wenngleich bei der Höchstleistung der Maschinenanlage der Turbinenantrieb gegenüber der Kolbenmaschine einen günstigeren Kohlenverbrauch erzielt hat, so hat sich der Gesamteffekt von Turbine und Propeller gegenüber dem der Kolbenmaschine und Propeller bisher erst bei den Torpedofahrzeugen günstiger gestaltet. Bei abnehmender Umdrehungszahl und in noch stärkerem Maße bei abnehmender Leistung, wie es bei Kriegsschiffen für die Marschgeschwindigkeit allgemein eintritt, steigt der Dampfverbrauch pro effektive Pferdestärke sehr schnell, so daß bei verminderter Geschwindigkeit sich die Turbine der Kolbenmaschine wesentlich unterlegen zeigt. Die Mittel zur Erhöhung der Oekonomie bei verminderter Geschwindigkeit bestehen in der Vorschaltung von Marschturbinen (Parsons) und entsprechender Erhöhung der Stufenzahl oder darin, daß man der Hauptturbine in dem gleichen Gehäuse mehrere Stufen vorschaltet, die bei der Höchstleistung freilich im Dampfdruck der ersten arbeitenden Stufe leer mitlaufen und Reibungsverluste verursachen (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft). Immerhin weist die Turbine auch für die Marschleistung insofern Vorzüge auf, als die Oekonomie sich selbst nach längerem Betriebe kaum ändert, während diese bei der Kolbenmaschine bei starker Inanspruchnahme abnimmt. Daneben bringt der Turbinenantrieb noch weitere Vorteile mit Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Betriebes. Die Bedienungs- und Unterhaltungskosten sind günstiger, der Oelverbrauch ist geringer, das Kondensat bleibt ölfrei, so daß weder Kondensator noch Kessel frühzeitig verschmutzt werden. Daneben spielen größere Sicherheit des Betriebs sowie das Fehlen von Schiffsvibrationen eine beachtenswerte Rolle. Dagegen haben sich die bei Einführung der Dampfturbine gehegten Erwartungen auf wesentliche Ersparnisse an Gewicht und Raum gegenüber der Kolbenmaschine bisher nicht erfüllt.

Für Handelsdampfer hat die Dampfturbine wegen des geringen Nutzeffekts des Propellers gegenüber der auf höchste Oekonomie konstruierten Dreifach- und Vierfachexpansionsmaschinen, abgesehen von schnellen Passagierdampfern, für kleine Fahrten noch keine Erfolge erzielen können, da für den Reeder die Rentabilität des Betriebs der ausschlaggebende Faktor ist. Die gewaltige Turbinenanlage der transatlantischen Schnelldampfer »Lusitania« und »Mauretania« von rund 70000 PS. (Fig. 4) liefert zwar den Beweis, daß die Dampfturbine mit Bezug auf die Steigerung der Gesamtleistung nicht so beschränkt ist wie die Kolbenmaschine, sie hat jedoch in ihrer Oekonomie die Kolbenmaschine noch nicht erreicht. Dabei tritt bei den transatlantischen Turbinendampfern der weitere Nachteil hinzu, daß sie wegen der kleineren Schrauben beim Andampfen gegen Wind und See erheblich mehr an Fahrt verlieren als Schiffe mit Kolbenmaschinen und entsprechenden Propellern [11], [16], [18], [22]–[24].

Neben dem Dampfturbinenantrieb auf Schiffen hat der Motorantrieb in dem letzten Jahrzehnt gleichfalls der Kolbenmaschine erfolgreiche Konkurrenz gemacht, und zwar in Gestalt des Verbrennungsmotors. Die Schwierigkeiten, die sich der Verwendung des Verbrennungsmotors als Schiffsmotor entgegenstellten und die zurzeit noch nicht einwandfrei beseitigt sind, bestehen[682] darin, daß das Problem des Manövrierens, d.h. des Anlassens sowie des Umsteuerns von Vorwärts- auf Rückwärtsgang nur auf Umwegen sich erreichen läßt entweder durch Verwendung der Drehflügelschraube (Meißner, Weihe) oder von Wendegetrieben oder schließlich mit Zuhilfenahme von Druckluft. Diese Hilfsmittel schließen im allgemeinen eine Kraftsteigerung über etwa 150 PS_i aus. Auch die selbsttätige Umsteuerung des schwedischen Reversatormotors, für den die Howaldtwerke die Lizenz erworben haben und die durch Vorzündung während der Kompressionsperiode und Führung der Steuerorgane umsteuert, ist bisher auf kleinere Leistungen beschränkt geblieben [18]. Die Umsteuerung der Schraubenwelle mit Hilfe der elektrischen Uebertragung nach dem del Proposto-System [28] oder als reine elektrische Kraftübertragung ist zwar sehr vollkommen, erfordert jedoch verhältnismäßig hohe Anschaffungskosten und erhöhtes Gewicht [18]. Der Explosionsmotor mit Benzin-, Petroleum- oder Spiritusbetrieb hat sich in der Handelsschiffahrt für Verkehrsboote, Lastboote, Vergnügungsjachten, Fischereifahrzeuge sowie als Hilfsmotor für Segelschiffe, in der Kriegsmarine für Beiboote bereits weiten Eingang verschafft, während er für Unterseeboote wegen der leicht flüchtigen Brennstoffe in den abgeschlossenen Räumen nicht ohne Gefahr verwendet werden kann [16]–[18], [20], [25]–[27]. Es kommen daher für Unterseeboote nur Verbrennungsmotoren in Anwendung, die mit schwer flüchtigen Oelen arbeiten. Als solcher hat neuerdings der Diesel-Motor (s.d.) das Feld erobert. Die hohen Ansprüche an die Manövrierfähigkeit der Unterseeboote und besonders die Ausnutzung der Maschinenanlage unter Wasser bedingt noch heute ein gemischtes Maschinensystem, und zwar über Wasser direkten Schraubenantrieb durch den Verbrennungsmotor und unter Wasser elektrischen Antrieb durch Zuhilfenahme von Akkumulatoren [18]. Diesel-Motoren sind bereits für Schiffszwecke bis zu einer Leistung von 500–600 PS. gebaut, und zwar für Unterseeboote ohne Umsteuerung, da die Manövrierfähigkeit durch den elektrischen Antrieb erzielt wird, für Handelsschiffe jedoch auch umsteuerbar, wobei das Anlassen sowie das Umsteuern des Motors mit Hilfe von Preßluft geschieht. Die Schwierigkeiten, die Leistung des Diesel-Motors weiter zu steigern, liegen in der Hauptsache in den hohen Gasdrücken bis zu 30 Atmosphären, wodurch große Zylinderpressungen und dementsprechend große Gestängekräfte auftreten sowie in den sehr hohen Temperaturen der Gase. Die Maximalleistung eines Zylinders überschreitet daher zurzeit noch nicht 200 PS. [18], [16].

Neben den besprochenen Flüssigkeitsmotoren sind schließlich auch die Sauggasmotoren für den Schiffsantrieb eingeführt worden. Sie erfordern zwar einen besonderen Generator und ihr Betrieb ähnelt mehr dem der Dampfmaschine mit Kessel, doch zeichnen sie sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit des Betriebs aus. Die Sauggasmotoren sind in Deutschland von der Gasmotorenfabrik Deutz sowie von Emil Capitaine konstruiert und eingeführt; das Anlassen derselben erfolgt mit Hilfe eines unter hohem Druck stehenden Gemenges von Gas und Luft, das Umsteuern durch ein Wendegetriebe oder durch eine Drehflügelschraube. Die Leistung ist bereits bis zu 500 PS. gesteigert [16], [18], [19].

Als eigenartiger Schiffsantrieb mag schließlich der indirekte Turbinenantrieb erwähnt werden, wie er auf dem Bergungsschiff für Unterseeboote »Vulkan« der deutschen Marine zur Anwendung gelangt ist. Zwei Turbodynamos von zusammen 1200 PS. und 2500 Umdrehungen geben ihren Strom an zwei Propellermotoren von je 600 PS. und 200 Umdrehungen ab. Jede Schraube kann von je einer Turbodynamo oder es können auch beide Schrauben gleichzeitig[683] von nur einer Turbodynamo angetrieben werden. Hierbei werden die Motoren von der Kommandobrücke aus bedient, so daß das Schiff von der Brücke aus direkt geleitet werden kann [18], [21].

Literatur: [1] Busley, C., Die Schiffsmaschine, Kiel 1886. – [2] Ders., Die Entwicklung der Schiffsmaschine, Berlin 1892. – [3] Haack und Busley, Die technische Entwicklung des Norddeutschen Lloyd und der Hamburg-Amerikanischen Paketfahrt-Aktiengesellschaft, Berlin 1893. – [4] Busley, C., Die neueren Schnelldampfer der Handels- und Kriegsmarine, Kiel 1892. – [5] Ders., Die jüngsten Bestrebungen und Erfolge des deutschen Schiffbaus, Zeitschr. d. Vereins deutsch. Ing. 1895. – [6] Müller-Benetsch, Die Schiffsmaschinen, Braunschweig 1908. – [7] Seaton, A manual of marine engineering, London 1904. – [8] Sennett, The marine steam engine, London 1898. – [9] Bauer, G., Berechnung und Konstruktion der Schiffsmaschinen und -kessel, Berlin 1908. – [10] Bertin, L.E., Machines marines, Paris 1899. – [11] Wilda, H., Die Schiffsmaschinen, ihre Berechnung und Konstruktion, Hannover 1905. – [12] Klamroth, Leitfaden für den Unterricht in der Maschinenkunde, Berlin 1907. – [13] Hartig, Aus der Praxis – Für die Praxis, Bremerhaven 1908. – [14] »Hütte«, Ingenieurtaschenbuch, Berlin 1908. – [15] Rosenthal-Müller-Bayer, Neuere Schiffsmaschinen, Hilfsmaschinen, Apparate, Berlin 1906. – [16] Krainer-Schmidt-Romberg, Deutscher Schiffbau, Berlin 1908. – [17] Nauticus, Motorboote im Dienste der Kriegsmarine, Berlin 1907. – [18] Ebend., Turbinen- oder Motorantrieb auf Schiffen? Berlin 1908. – [19] Capitaine, Die Anwendung der Gasmaschine im Schiffsbetriebe, Jahrbuch der Schiffbautechn. Ges., Berlin 1905. – [20] Bauer, M.H., Schnellaufende Motorboote, ebend. 1908. – [21] Schulthes, K., Elektrisch angetriebene Propeller, ebend. 1908. – [22] Nauticus, Die Dampfturbine als Antriebsmotor für Kriegsschiffe, Berlin 1905. – [23] Ebend., Wasserrohrkessel und Dampfturbinen auf Kriegsschiffen, Berlin 1906. – [24] Dietrich, Die gebräuchlichsten Dampfturbinensysteme für Land- und Schiffszwecke, Rostock 1905. – [25] Durand, Motor boats, London 1907. – [26] Boulay, E. du, A textbook on marine motors, London 1907. – [27] Bauer, M.H., Das Motorboot und seine Behandlung, Leipzig 1906. – [28] C. del Proposto, Propulsion des navires par machines irréversibles.

T. Schwarz.

Fig. 1.

Fig. 2., Fig. 3.

Fig. 4.