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Dampfmaschine

Dampfmaschinen I.

Anordnung und Wirkungsweise der Dampfmaschine.

Fig. 1 stellt eine doppelt wirkende Dampfmaschine im Längsschnitt schematisch dar. Im Zylinder C wird der dicht anschließende Kolben K hin und her bewegt, mit ihm die bei s durch eine Stopfbüchse gehende Kolbenstange k und der Kreuzkopf (Querhaupt) q, der an den Gleitschienen g geradlinig geführt wird. Mittels der durch die Zapfen z und z' mit dem Kreuzkopf und der Kurbel K' gelenkig verbundenen Bleuelstange oder Schubstange p wird die geradlinige Bewegung in eine rotierende Bewegung der Kurbelwelle (Schwungradwelle) W übergeführt. Von der Kurbelwelle aus erfolgt die Arbeitsübertragung auf die Arbeitsmaschinen (durch Riemen, Seile, direkte Kuppelung etc.). Damit der Kolben hin und her getrieben wird, muß abwechselnd am obern und untern Zylinderende Dampf eingeführt und der auf der andern Seite befindliche Dampf entlassen werden. Hierzu dient die Steuerung, und zwar bei der abgebildeten Dampfmaschine eine Schiebersteuerung, bestehend in einem Schieber S, der in dem Schieberkasten D auf dem sogen. Schieberspiegel über den Dampfkanälen α, β und γ hin und her gleitet. Er erhält seine Bewegung von dem auf der Kurbelwelle W sitzenden, hier beispielsweise um 90° gegen die Kurbel K' verstellten Exzenter E mittels der Exzenterstange oe und der durch die Stopfbüchse s' geführten Schieberstange r. Befindet sich daher der Kolben K in der Mitte des Zylinders C, so steht der Schieber in einer seiner Endstellungen und umgekehrt. Bei der Stellung der Figur steht der Schieber in seiner untersten Stellung, der Kolben in der Mitte, der durch das Rohr d in den Schieberkasten gelangte Dampf tritt daher durch αα über den Kolben und drückt ihn abwärts, wobei der vom vorigen Hub in C befindliche Dampf durch γγ, die Höhlung des Schiebers S, β und b ins Freie entweicht. Bei Ankunft des Kolbens am Boden des Zylinders wird der Kanal γγ für den Dampfeintritt frei, während αα durch die Schieberhöhlung mit dem Abzugsrohr b in Verbindung gesetzt wird, so daß der unten eintretende Dampf den Kolben aufwärts und letzterer den über ihm stehenden Dampf aus dem Zylinder hinaustreibt.

Bei der beschriebenen Anordnung der Dampfmaschine gibt es zwei Totpunkte, d.h. zwei mit den Hubwechseln des Kolbens zusammenfallende Stellungen, in denen die Kurbel und die Bleuelstange in einer geraden Linie liegen, so daß letztere in diesem Moment nicht auf erstere drehend wirken kann. Die Maschine müßte daher am Ende jedes Kolbenhubes stehen bleiben, wenn nicht die Trägheit bewegter Massen über die Totpunkte hinweg hülfe. Außerdem aber ist die auf Drehung der Kurbel wirkende Kraft (Umfangskraft) nach der Stellung der Bleuelstange, bez. des Kolbens sehr verschieden groß, sie wächst vom einen Totpunkte bis ungefähr zur mittlern Kolbenstellung und nimmt dann wieder ab bis zum entgegengesetzten Totpunkte. Daher müßte die Maschine sehr ungleichmäßig laufen. Zur Überwindung der Totpunkte und zur Erzielung eines gleichförmigen Ganges wird die Maschine mit rotierenden Massen verbunden in Form eines auf der Kurbelwelle W (Schwungradwelle) angebrachten Schwungrades, das bei großer Umfangskraft den Arbeitsüberschuß in Form von lebendiger Kraft aufspeichert, um die Umfangskraft damit bei den ungünstigern Kurbelstellungen zu unterstützen.

Die Möglichkeit des Stehenbleibens in den Totpunkten ist nicht vorhanden bei einer Zweizylindermaschine, deren Kurbeln auf der gemeinschaftlichen Kurbelwelle um 90° gegeneinander verstellt sind. Bei einer solchen Maschine treten auch die Perioden größter und kleinster Umfangskräfte abwechselnd an den beiden Kurbeln auf, weshalb hier ein verhältnismäßig kleineres und leichteres Schwungrad als bei der Einzylindermaschine schon genügt, dieses nötigenfalls auch ganz entbehrt werden kann. Das Gleiche ist der Fall bei einer Dreizylindermaschine mit unter 120° versetzten Kurbeln.

1. Dampfmaschine mit Schiebersteuerung (schematisch).

Die Einzylindermaschine läßt sich durch Einlassen von Dampf nicht in Gang setzen, wenn die Kurbel in einem Totpunkte steht. Die Zwillings-, Drillings- etc. Maschinen mit unter 90, bez. 120° gegeneinander versetzten Kurbeln gehen dagegen bei jeder Kurbelstellung an, weshalb sie stets da verwendet werden, wo die Dampfmaschinen häufig angehalten und wieder angelassen werden müssen (bei Kranen, Winden, Aufzügen, Fördermaschinen etc.).

Wenn der nutzbare Widerstand der Dampfmaschine, wie er von den von ihr betriebenen Arbeitsmaschinen dargeboten wird, im Verhältnis zur Dampfarbeit zu gering ist, so fängt die Dampfmaschine an, immer schneller zu laufen, ja sie kann schließlich vollständig durchgehen, d.h. so schnell laufen, daß gefährliche Brüche entstehen. Wird der Widerstand zu groß, so läuft die Dampfmaschine zu langsam oder bleibt ganz stehen. Ein solcher zu geringer oder zu großer Widerstand tritt bei Betriebsdampfmaschinen sehr häufig auf, wenn ein Teil der zu betreibenden Arbeitsmaschinen ausgerückt wird, bez. wenn mehr Maschinen eingerückt werden. Man kann nun die Dampfarbeit dem Widerstand anpassen, in dem man durch Verstellung des Absperrventils oder einer Drosselklappe (s.d.) in der Dampfleitung den Dampfzutritt zur Dampfmaschine entsprechend vergrößert oder verkleinert (das sogen. Drosseln des Dampfes). Das Verstellen der Drosselklappe geschieht selbsttätig durch einen Regulator (Schwungkugelregulator, s. Regulator). Statt dieser Art der Regulierung durch Drosselung des Dampfes wird bei den weiter unten erläuterten Steuerungen vorteilhafter die Regulierung durch Veränderung des Expansionsgrades bewirkt.

Die Steuerungen der Dampfmaschinen.

Man kann eine innere und eine äußere Steuerung unterscheiden. Die erstere besteht aus den Dampfabschlußorganen (in Fig. 1 der Schieber), die den Dampfein- und_-Auslaß bewirken, letztere wird gebildet durch den Mechanismus, durch den die Abschlußorgane von der Kurbelwelle oder von der Kolbenstange (z.B. bei manchen Dampfpumpen) aus bewegt werden (in Fig. 1 Schieberstange, Exzenterstange und Exzenter).

2. Doppelschiebersteuerung von Rider.

Sind die Dampfabschlußorgane ständig, sowohl während des Öffnens als auch während des Schließens der Dampfkanäle, mit dem äußern Steuerungsmechanismus in Verbindung, dann nennt man die Steuerung zwangläufig. Wird diese Verbindung jedoch während der Periode des Öffnens der Einlaßkanäle in geeignetem Augenblick selbsttätig aufgehoben und schließen nun die Dampfabschlußorgane die Dampfkanäle ab unter der Einwirkung eines Gewichtes, einer Feder etc., dann heißt die Steuerung Ausklink- oder Auslössteuerung. Diejenigen Steuerungen, bei denen die Füllung des Zylinders von dem Regulator entsprechend dem jeweilig sich der Dampfmaschine bietenden Arbeitswiderstande selbsttätig eingestellt wird, werden gewöhnlich als Präzisionssteuerungen bezeichnet. Nach der Art der Dampfabschlußorgane zerfallen die Steuerungen in Schieber-, Hahn- und Ventilsteuerungen.

3. Kolbenschieber.

Schiebersteuerungen. Die einfachste Form einer Schiebersteuerung ist aus Fig. 1 ersichtlich. Der dort dargestellte Schieber, der einfache Flachschieber (wegen seiner ebenen Gleitfläche so genannt) oder Muschelschieber, steuert sowohl die Dampfeinströmung als auch die Dampfausströmung. Die einzelnen Momente in der Dampfverteilung, Beginn und Ende des Dampfeintritts, ferner Beginn und Ende des Dampfaustritts, sind daher vollständig voneinander abhängig, und es ist nicht möglich, z.B. das Ende des Dampfeintritts, also die Füllung, beliebig zu wählen oder zu ändern, ohne damit alle übrigen Momente der Dampfverteilung in einer oft unerwünschten Weise zu beeinflussen. Eine größere Unabhängigkeit zwischen den einzelnen Momenten in der Dampfverteilung, besonders zwischen Ein- und Auslaß, gewähren die Doppelschiebersteuerungen.

Die Ridersteuerung (Fig. 2; Längsschnitt, Querschnitt und Ansicht) besitzt zwei Schieber, einen Grund- oder Verteilungsschieber G und einen Expansionsschieber E. Jeder Schieber wird von einem auf der Kurbelwelle sitzenden Exzenter bewegt. Der Expansionsschieber gleitet mit zylindrischer Gleitfläche auf dem hohlzylindrisch gestalteten Rücken des Grundschiebers. Die beiden Kanäle a₁, a₂ des Grundschiebers münden an dessen Rücken in den schrägen Schlitzen b₁, b₂, die bei der relativen Bewegung der beiden Schieber gegeneinander von den ebenfalls schrägen Kanten des Expansionsschiebers abwechselnd verdeckt und freigegeben werden. Der Dampf tritt aus dem Schieberkasten durch die Schlitze b₁, b₂ in die Kanäle a₁, a₂ ein, um alsdann durch die Kanäle c₁, c₂ nach dem Zylinder zu gelangen. An dem Hebel d greift der Regulator an und dreht die im Gelenk e um ihre Achse drehbar gelagerte Expansionsschieberstange mit dem Expansionsschieber E. Je nach der Stellung des Regulators gelangt der breitere oder schmälere Teil des Expansionsschiebers zur Wirkung, was einen frühern oder spätern Abschluß der Schlitze b₁, b₂ zur Folge hat, entsprechend einer kleinern oder größern Füllung des Zylinders. Der Expansionsschieber hat hiernach nur die Aufgabe, das Ende des Dampfeintritts, also die Füllung oder den Expansionsgrad, in gewünschter Weise herbeizuführen. Der Grundschieber bestimmt den Beginn des Dampfeintritts sowie Beginn und Ende des Dampfaustritts, der wie bei dem Muschelschieber (Fig. 1) erfolgt.

Die Ridersteuerung ist eine der am meisten benutzten Doppelschiebersteuerungen. Sie ist entstanden aus der Meyersteuerung, bei der die Verstellung der Füllung von Hand erfolgt.

Der Kolbenschieber (Fig. 3) ist ein Rotationskörper, der entstanden gedacht werden kann, wenn die Längsschnittfläche eines Flachschiebers (Fig. 1) um eine zu seiner Bewegungsrichtung parallele Achse rotiert. Er gleitet in einer hohlzylindrisch gestalteten Schieberspiegelfläche. In der Wirkungsweise verhält sich der Kolbenschieber wie ein Flachschieber, im Gegensatze zu diesem ist er aber vom Dampfdrucke vollständig entlastet. Er wird meist bei hohem Dampfdrucke und auch bei den Heißdampfmaschinen benutzt. Bei der Ridersteuerung wird der Kolbenschieber sehr häufig in entsprechender Abänderung verwandt, entweder ist nur der Expansionsschieber ein Kolbenschieber, oder Grund- und Expansionsschieber sind beide als solche ausgebildet.

4. Drehschieber oder Hahn.

Hahnsteuerungen. Denkt man sich die Gleitfläche des einfachen Muschelschiebers und den zugehörigen Schieberspiegel zylindrisch gekrümmt um eine senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung und parallel zum Schieberspiegel gerichtete Achse und läßt man den so gestalteten Schieber um diese seine Achse schwingen, dann hat man den Drehschieber oder Hahn (Fig. 4). Der dem Muschelschieber entsprechend konstruierte Hahn steuert gleich diesem den Dampfein- und_-Auslaß auf beiden Zylinderseiten.

6. Schnitt durch den Dampfzylinder.

5. Äußere Ansicht. 5 u. 6. Zwangläufige Hahnsteuerung.

Meist verwendet man jedoch zwei oder vier in geeigneter Weise konstruierte Hähne, die an den Enden des Zylinders eingebaut sind. Bei vier Hähnen können Ein- und Auslaß unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Bewegung der Hähne erfolgt wie bei der Schiebersteuerung von der Kurbelwelle aus durch Exzenter. Der Bewegungsmechanismus wird sowohl zwangläufig als auch als Ausklinkmechanismus ausgeführt.

Bei einer der ältesten Hahnsteuerungen, der Corlißsteuerung, werden die Einlaßhähne durch einen Ausklinkmechanismus gesteuert, während die Auslaßhähne zwangläufig bewegt werden. Fig. 5 zeigt den äußern Mechanismus einer zwangläufigen Hahnsteuerung einer stehenden Maschine, wie sie oft für die Niederdruckzylinder der Mehrfach-Expansionsmaschinen benutzt wird. a, a sind die Einlaßhähne, b, b die Auslaßhähne. Dieselben werden mittels der auf ihren Achsen sitzenden Kurbeln c durch die vier Stangen von der Schwingscheibe e aus bewegt, die ihrerseits von der Exzenterstange f in Schwingung versetzt wird, die nach einem auf der Kurbelwelle sitzenden Exzenter führt. Fig. 6 ist ein achsialer Schnitt durch den Dampfzylinder, der die Hähne im Querschnitt erkennen läßt.

Ventilsteuerungen. Das Dampfabschlußorgan ist hier ein Ventil und zwar ein sogen. Rohrventil oder Doppelsitzventil, das infolge seiner eigenartigen Konstruktion vom Dampfdrucke zum weitaus größten Teil entlastet ist. Für Ein- und Auslaß müssen getrennte Ventile verwandt werden, so daß eine doppelt wirkende Maschine vier Ventile besitzt.

7. Doppelsitzventil. (Schnitt und Grundriß)

Fig. 7 zeigt ein Einlaßventil. Bei der Erhebung des rohrförmig gestalteten Ventils strömt der Dampf bei a und bei b in den Kanal, der nach dem Zylinder führt. Die Auslaßventile sind entsprechend konstruiert. In manchen Fällen werden Ventile mit vier Sitzflächen, sogen. viersitzige Ventile, benutzt. Die Bewegung der Ventile erfolgt durch einen mehr oder weniger komplizierten Mechanismus, der seinerseits wieder durch Exzenter oder unrunde Scheiben (Daumen) betätigt wird, die meist auf einer sogen. Steuerwelle sitzen. Letztere erhält ihren Antrieb durch Zahnräder von der Kurbelwelle. Sowohl zwangläufige als auch Ausklinkmechanismen werden benutzt. Die bekannteste zwangläufige Ventilsteuerung ist die alte Collmannsteuerung, die bekannteste Ausklinksteuerung die Sulzersteuerung.

8. Ventilsteuerung von Sulzer.

Fig. 8 gibt ein Bild einer Ansführungsform der Sulzersteuerung für die eine Zylinderseite einer liegenden Maschine. Es ist ein Querschnitt an einem Ende des Dampfzylinders durch die Ventile. Oben ist das Einlaßventil a, unten das Auslaßventil A. Parallel zu dem Dampfzylinder ist die sogen. Steuerwelle b gelagert, die von der Kurbelwelle durch Zahnräder angetrieben wird. Auf der Steuerwelle sitzt das Exzenter c. Das gegabelte Ende der Exzenterstange d ist durch zwei auf der Außenseite der Gabel sitzende, um e schwingende Lenker f geführt. Innerhalb der Gabel, drehbar um den Bolzen g, der zugleich die Exzenterstange mit den Lenkern verbindet, sitzt der zweiarmige, sogen. aktive Mitnehmer h₁, h₂. Sobald sich der Arm h₁ des letztern auf den Arm i₁ des Hebels i₁, i₂, des sogen. passiven Mitnehmers, aufsetzt und diesen nach unten bewegt, wird durch den Arm i₂, der an der Ventilstange k angreift, das Ventil a gehoben. Dem aktiven Mitnehmer wird von dem Exzenter durch die Stange l, dem Winkelhebel m und der Stange n, die bei h₂ angreift, eine Bewegung erteilt, derart, daß h₁ auf i₁ während der Abwärtsbewegung von links nach rechts gleitet, bis eine Ausklinkung erfolgt, worauf das Ventil unter Einwirkung der Feder o sich freifallend schließt. Die Schlußgeschwindigkeit wird durch den aus Zylinder p und Kolben q gebildeten Luftpuffer geregelt. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens q wird durch das Ventil r Luft angesaugt, die beim Kolbenniedergang nur durch eine enge Öffnung ausströmen kann, deshalb komprimiert wird und hemmend auf den Ventilschluß wirkt.

Der Moment der Ausklinkung, damit also die Füllung des Zylinders wird bestimmt durch die Stellung des aktiven Mitnehmers, die dadurch vom Regulator beeinflußt wird, daß der Winkelhebel m am freien Ende eines auf der Regulierwelle s sitzenden Hebels t gelagert ist. Die Regulierwelle aber wird mittels Hebel u und Stange v vom Regulator verdreht bei einer Änderung im Arbeitswiderstande der Maschine. Je mehr der Arm h₁ des aktiven Mitnehmers nach rechts steht, desto früher erfolgt die Ausklinkung, je mehr er nach links steht, desto später erfolgt dieselbe, entsprechend einer kleinern, bez. größern Füllung des Zylinders.

Der Dampfauslaß kann verschieden gesteuert werden. In der Figur geschieht es durch eine auf der Steuerwelle neben dem Exzenter sitzende unrunde Scheibe B (Daumen, Daumensteuerung). Die Stange C, durch den Lenker D geführt, trägt an ihrem obern gegabelten Ende die Rolle E und ist mit ihrem untern Ende mit dem Hebel F verbunden, der an der Ventilstange G des Auslaßventils angreift. Sobald der Vorsprung der unrunden Scheibe auf die Rolle drückt, wird durch Vermittelung von C, F und G das Auslaßventil geöffnet. Der Schluß desselben wird bewirkt durch die Feder H.

Die Sulzersteuerung war vorbildlich für eine Anzahl andrer ähnlicher Ausklink-Ventilsteuerungen.

9. Liegende Einzylinder-Dampfmaschine.

Überblick über die verschiedenen Steuerungen. Die Frage, welches Steuerungssystem am vorteilhaftesten ist, ist für den einzelnen Fall unter Berücksichtigung des Zweckes, dem die Dampfmaschine dienen soll, sowie aller für die Herstellung und den Betrieb derselben in Betracht kommenden Verhältnisse zu beurteilen. Vollkommen zwangläufige Steuerungen lassen sich für fast alle Maschinen verwenden, während die Benutzung der sogen. halbzwangläufigen und Ausklinksteuerungen beschränkt ist. Insbesondere eignen sich diese nicht für Maschinen mit höherer Umdrehungszahl. Von den innern Steuerungsteilen ist der Flachschieber dasjenige Abschlußorgan, das sich auch unter ungünstigen Verhältnissen meist gut bewährt, sofern der Dampfdruck nicht zu hoch ist. Bei hohem Dampfdruck wird der Flachschieber bisweilen mit einer Entlastungsvorrichtung versehen, die bewirkt, daß der Schieber nur mit einem Teile des auf ihm lastenden Dampfdrucks auf den Schieberspiegel gepreßt wird. Der Kolbenschieber ist in Herstellung und Betrieb empfindlicher als der Flachschieber. Die Hahnsteuerungen ermöglichen es, den schädlichen Raum verhältnismäßig sehr klein zu halten. Die Ventile sind geeignete Steuerungsorgane besonders für mittlere und große Maschinen. Bei Betrieb mit Heißdampf haben sie sich gut bewährt.

Dampfmaschinen II.

Die verschiedenen Bauarten der Dampfmaschine.

Einzylindermaschinen. Fig. 9 auf Tafel I (S. IV) zeigt eine übliche Bauart einer liegenden Einzylinder-Auspuffmaschine mit Riderscher Doppelschiebersteuerung. Die Dampfzuführung erfolgt bei a durch ein auf dem Schieberkasten sitzendes Absperrventil; die Dampfableitung ist unterhalb des Schieberkastens (in der Figur nicht sichtbar) angeschlossen. Der Kranz des Schwungrades b ist breit ausgebildet zum Auflegen eines Treibriemens. Der auf den Expansionsschieber einwirkende Regulator c wird durch einen Riemen von der Schwungradwelle aus angetrieben.

10. Tandem-Dampfmaschine.

Maschinen der vorliegenden Bauart, die auch oft mit Kondensation versehen werden, eignen sich in der Regel bei ungefähr 80–150 minutlichen Umdrehungen und einer Eintrittsdampfspannung von etwa 6–8 Atmosphären für Leistungen bis zu ungefähr 60–80 Pferdekräften. Für größere Leistungen und bei höherm Dampfdrucke sind zweckmäßig Mehrfach-Expansionsmaschinen zu verwenden.

11. Schmidtsche Tandem-Heißdampfmaschine.

Mehrzylindermaschinen. Von den Mehrzylindermaschinen finden die Zwillings-, Drillings- etc. Maschinen im allgemeinen nur in den schon (unter ›Anordnung und Wirkungsweise der Dampfmaschine‹), erwähnten besondern Fällen Verwendung. Sonst werden die Mehrzylindermaschinen meist als Mehrfach-Expansionsmaschinen gebaut.

Bei den Zweifach-Expansionsmaschinen, den Compound- oder Verbundmaschinen, tritt der frische, vom Kessel kommende Dampf in den kleinen Zylinder, den Hochdruckzylinder, ein und gelangt nach teilweiser Expansion von diesem in den großen Zylinder, den Niederdruckzylinder, in dem die Expansion bis zu der zulässigen Grenze weiter vor sich geht. Die Kurbeln der Zweifach-Expansionsmaschinen können um 0° (gleich gerichtet), 180° oder 90° gegeneinander versetzt sein.

Bei der ältern Konstruktion der Maschinen mit unter 0° oder 180° versetzten Kurbeln (den Woolfschen Maschinen) diente das Dampfauslaßorgan des Hochdruckzylinders zugleich als Einlaßorgan des Niederdruckzylinders. Die Dampfverteilung erfolgt daher derart, daß der frische Dampf während des ersten einfachen Hubes im kleinen Zylinder, dann während des zweiten Hubes im kleinen und großen Zylinder gemeinschaftlich expandiert und schließlich während des dritten Hubes aus dem großen Zylinder austritt. Solche Maschinen baut man im allgemeinen nicht mehr; die jetzt üblichen Konstruktionen besitzen für den Auslaß am Hochdruckzylinder und den Einlaß am Niederdruckzylinder getrennte und unabhängig voneinander bewegte Steuerorgane.

12. Verschiedene Kolbenstellungen einer Compound-Receivermaschine.

Sehr beliebt ist die Bauart der Tandemmaschine (Fig. 10). Die Dampfzylinder liegen hintereinander, und die beiden Kolben haben eine gemeinsame Kolbenstange, die mittels Kreuzkopf und Schubstange auf eine Kurbel wirkt. Hochdruckzylinder H und Niederdruckzylinder N haben bei der abgebildeten Maschine beide Ventilsteuerung, sind mit Dampfmantel a, a und b, b versehen, und zwar wird jeder Zylinder durch seinen Arbeitsdampf geheizt. Durch die Rohrleitung c erfolgt die Dampfzuleitung, d ist das Überströmrohr zwischen Hoch- und Niederdruckzylinder. Durch e erfolgt die Dampfableitung und zwar je nach Stellung des Ventils f entweder ins Freie oder nach dem Kondensator g, dessen Pumpe durch die Stange h vom Kurbelzapfen der Maschine aus angetrieben wird. Das Schwungrad ist hier als Anker einer Dynamomaschine ausgebildet.

13. Liegende Compound-Receivermaschine (Grundriß).

Fig. 11 zeigt eine Schmidtsche Tandem-Heißdampfmaschine mit einfach wirkenden Zylindern. Heißdampfmaschinen werden aber auch doppeltwirkend gebaut.

Bei den Zweifach-Expansionsmaschinen, deren Kurbeln um 90° verstellt sind, ist zwischen beiden Zylindern ein Sammelraum, Aufnehmer oder Receiver genannt, nötig, in dem sich der Dampf aufhält, wenn er den kleinen Zylinder verläßt, jedoch wegen der eigentümlichen Kurbelstellung noch nicht in den großen Zylinder eintreten kann. Diese Maschinen heißen Compound-Receivermaschinen, werden aber häufig schlechtweg Compoundmaschinen (besser wäre Receivermaschinen) genannt.

In Fig. 12 soll das Prinzip einer Compound-Receivermaschine veranschaulicht werden. Die beiden rechtwinkelig verstellten Kurbeln sitzen in Wirklichkeit auf einer Achse, sind aber der größern Anschaulichkeit wegen so gezeichnet, als ob sie auf verschiedenen Wellen angebracht wären. Bei der Kurbelstellung a befindet sich der kleine Kolben in der Mitte seines Aufgangs, der große Kolben im obern Totpunkte. Dabei drückt der Kesseldampf gegen den kleinen Kolben, oder der Dampfeintritt zum Hochdruckzylinder ist schon abgesperrt, und die Expansion hat begonnen. Der während der ersten Hälfte des Aufgangs des kleinen Kolbens ausgetretene Dampf wurde von dem zwischen beidem Zylindern befindlichem (in der Skizze fortgelassenen) Receiver aufgenommen und beginnt in diesem Moment gegen den großen Kolben zu wirken. Bei der unter b dargestellten Kurbelstellung befindet sich der kleine Kolben am Ende seines Aufgangs, und es beginnt jetzt der unter ihm wirksam gewesene Dampf in den Receiver zu treten, welch letzterer inzwischen den großen Zylinder mit Dampf gespeist hat. Nachdem der Dampfzutritt aus dem Receiver in den großen Zylinder abgeschlossen ist, beginnt der Dampf in diesem durch weitere Expansion zu wirken. Während des Übergangs von b bis zur Stellung c ist die Expansion im großen Zylinder beendet, inzwischen der kleine Kolben unter der Einwirkung des Kesseldampfes oder dessen Expansion bis in die Mitte seines Niederganges gekommen und hat dabei einen Teil des unter ihm befindlichen Dampfes in den Receiver gedrängt, der sich nun wieder nach dem großen Zylinder hin öffnet. Dabei wirkt jetzt der Receiverdampf von unten gegen den großen Kolben, wobei dieser die unter d dargestellte Stellung erreicht. Von der Stellung d gehen die Kolben und Kurbeln zurück in die Stellung a etc.

Eine liegende Compound-Receivermaschine zeigt Fig. 13 im Grundriß. Hochdruckzylinder H und Niederdruckzylinder N, beide mit Schiebersteuerung versehen, wirken auf die beiden auf der gemeinsamen Welle a sitzenden, unter 90° gegeneinander verstellten Kurbeln b₁, b₂. Der Dampf tritt durch das Rohr c und den Wasserabscheider d in den Hochdruckzylinder H, von dem er durch den Receiver e nach dem Niederdruckzylinder N überströmt. Aus diesem gelangt der verbrauchte Dampf durch das Rohr f und das Umstellventil g entweder durch Rohr h ins Freie oder durch Rohr i nach dem Kondensator k, dessen Luftpumpe die verlängerte Kolbenstange des Niederdruckzylinders antreibt.

14. Stehende Dreifach-Expansionsmaschine.

Bei den Dreifach-Expansionsmaschinen sind entweder zwei Zylinder, der kleinste und der mittlere (Mitteldruckzylinder), nach Art der Tandemmaschine hinter- (oder über-) einander angeodnet und wirken mittels gemeinschaftlicher Kolbenstange auf eine Kurbel, während der größte Zylinder für sich auf eine zweite, zur erstern rechtwinkelig stehende Kurbel einwirkt, oder es sind alle drei Zylinder nebeneinander angeordnet und stehen mit je einer von drei um 120° versetzten Kurbeln in Verbindung. In jedem Falle tritt hier der Dampf zunächst in den kleinsten Zylinder, expandiert von diesem in den mittlern und von da in den größten.

Fig. 14 zeigt eine große stehende Dreifach-Expansionsmaschine. Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckzylinder sind nebeneinander angeordnet, und deren Bleuelstangen wirken auf drei unter 120° gegeneinander versetzte Kurbeln. Das Schwungrad ist in der Abbildung weggelassen. Der bessern Zugänglichkeit und Bedienung wegen hat die Maschine zwei in verschiedener Höhe liegende Galerien, die durch eine Wendeltreppe bestiegen werden können.

Bei Dreifach-Expansionsmaschinen wird mitunter der Niederdruckzylinder sehr groß. Man ordnet deshalb aus konstruktiven Gründen oft an Stelle eines Niederdruckzylinders deren zwei von kleinerm Durchmesser an, so daß eine solche Dreifach-Expansionsmaschine vier Zylinder hat.

Die Mehrfach-Expansionsmaschinen haben einen geringern Dampfverbrauch als Einzylindermaschinen von gleicher Leistung, arbeiten also sparsamer als diese. Sind die Kurbeln der Mehrfach–Expansionsmaschinen um 90°, bez. 120° gegeneinander versetzt, dann ergibt sich gegenüber den Einzylindermaschinen noch der Vorteil größerer Gleichmäßigkeit der auf die Kurbelwelle wirkenden Drehkräfte, ebenso wie bei den Zwillings-, bez. Drillingsmaschinen.

Vierfach-Expansionsmaschinen gewähren eine für ihren komplizierten Bau Entschädigung bietende, höhere Ausnutzung der Dampfkraft nur bei sehr hohem Dampfdruck (ungefähr 15 Atmosphären oder noch mehr).

Schnell laufende Dampfmaschinen, Schnelläufer. Die minutliche Umdrehungszahl der gewöhnlichen, mittelgroßen Dampfmaschinen zum Antriebe einer Transmission (Transmissionsdampfmaschinen) liegt durchschnittlich zwischen 80 und 150. Kleine Maschinen haben bisweilen eine noch etwas höhere Umdrehungszahl, dagegen beträgt letztere bei den ganz großen Maschinen im allgemeinen nicht mehr als 100. Für manche Zwecke, insbes. zum direkten Antriebe schnell laufender Arbeitsmaschinen (Ventilatoren, Dynamomaschinen etc.), sind Dampfmaschinen mit wesentlich höhern Umdrehungszahlen (300–400 und noch mehr) erforderlich. Durch die hohen Um- drehungszahlen werden an die Konstruktion einer Dampfmaschine ganz besondere Anforderungen gestellt bezüglich des Unschädlichmachens der Massenwirkung der bewegten Teile, der Steuerung und Regulierung, der Schmierung etc.

15. Westinghouse-Compoundmaschine (Vertikalschnitt).

Eine sehr bekannte, schnell laufende Maschine ist die Westinghousemaschine. Fig. 15 zeigt eine solche, die als einfach wirkende Compoundmaschine konstruiert ist. Die Zylinder sind nebeneinander, stehend angeordnet und werden durch einen einzigen oberhalb der Zylinder befindlichen Kolbenschieber gesteuert, der von einem Achsenregulator beeinflußt ist. Die Bleuelstangen greifen direkt an den Kolben an und wirken auf zwei um 180° gegeneinander versetzte Kurbeln. Der ganze Kurbelmechanismus ist in einem vollständig geschlossenen Gehäuse untergebracht, das teilweise mit Öl gefüllt ist.

16. Zwillings-Tandemdampfmaschine von Willans (Vertikalschnitt).

Die besonders in England in Aufnahme gekommene Dampfmaschine von Willans ist dadurch merkwürdig, daß ihre Kolbenschieber in der gemeinschaftlichen Kolbenstange mehrerer Kolben angebracht sind, die in mehreren übereinander stehenden einfach wirkenden Zylindern laufen, wodurch gedrängteste Anordnung der Maschine und möglichste Ausgleichung der Massen erreicht wird. Zugleich wird dadurch, daß die übereinander stehenden Zylinder nach dem Mehrfachexpansionssystem arbeiten, für gute Ausnutzung des Dampfes gesorgt. Fig. 16 zeigt eine Willans Zwillings-Tandemdampfmaschine mit um 180° versetzten Kurbeln. Die Kolben Pund P₁ jeder Einzelmaschine sind mit ihren Kurbeln durch zwei Schubstangen verbunden, zwischen deren Köpfen je ein Exzenter zum Bewegen des in den rohrförmigen Kolbenstangen gleitenden Kolbenschiebers V₂ V₃ V₄ angebracht ist. Der Dampf tritt durch das mittels Stange KD vom Regulator beeinflußte Ventil C und ein Verbindungsrohr in die Kolbenstange R ein. Befinden sich bei einer der Einzelmaschinen die Kolben P und P₁ samt Kolbenstange R in der Nähe des obern Totpunktes, so geht der Dampf durch die Öffnungen 7 in die Kolbenstange R über Kolben V₄ und durch die Öffnungen 6 in den Hochdruckzylinder C. Der Kolben P desselben geht nun nach unten, Schieber V₂ V₃ V₄ nach oben, und Kolben V₄ bedeckt allmählich die Öffnungen 6. Beim Eintritt der Öffnungen 7 in die Stopfbüchse G₄ hört die Dampfeinströmung auf und der Dampf expandiert, bis der Kolben P umkehrt. Dann steht Kolben V₄ über den Öffnungen 6, der Dampf dringt in den Raum zwischen V₄ und V₃ und durch die Öffnungen 5 in den Zwischenbehälter R₁, wo er sich bis zum nächsten Abwärtsgange der Dampfkolben aufhält. Bei diesem wiederholen sich am obern Zylinder die geschilderten Vorgänge, während zugleich der Dampf des Zwischenbehälters R₁ in ähnlicher Weise durch die vorübergehend durch die Stopfbüchse G₃ getrennten Öffnungen 4 und 3 zwischen die Kolben V₃ und V₂ in den Zylinder C₁ tritt und expandierend auf den Dampfkolben P₁ wirkt. Beim Niedergang geht der verbrauchte Dampf durch Öffnungen 3 und 2 in die Kammer E und von da ins Freie oder in einen Kondensator. Beim Aufgang wirkt der Dampf im Zwischenbehälter R₁ von unten gegen den Kolben P. Die Schubstangen sind in einem Kolben G angebracht, der beim Aufgang die im Zylinder U eingeschlossene Luft verdichtet, wodurch Stöße vermieden werden sollen. M₁ ist zugleich Lufteinlaß- und Öleingußöffnung. M ist die als Schmierölbehälter dienende Kurbelkammer, N ein Luftventil, OO sind selbsttätige Kondenswasser-Ablaßventile.

Dampfmaschinen III.

Dampfmaschinen mit Umsteuerung, Reversiermaschinen. Dampfmaschinen mit Kataraktsteuerung. Häufig kommt es vor, daß die Dampfmaschinen abwechselnd vor- und rückwärts laufen müssen, so bei Winden, bei den Fördermaschinen (s.d.) der Bergwerke, bei Lokomotiven und Schiffsmaschinen, Dampfstraßenwalzen, bei gewissen Walzwerken (Reversierwalzwerke) etc.

17. Aufriß.

18. Grundriß (Schnitt). 17 u. 18. Schräg liegende Schiffmaschine (Compound-Receivermaschine).

In solchen Fällen bedarf die Dampfmaschine einer sogen. Umsteuerung. Es gibt verschiedene Umsteuerungsvorrichtungen; am meisten finden zur Bewirkung des Drehungswechsels die Kulissensteuerungen (von Stephenson, Gooch, Heusinger, Klug u.a.) Anwendung.

19. Vertikalschnitt längs der Kurbelwelle.

20. Vertikalschnitt quer zur Kurbelwelle. 19 u. 20. Stehende Schiffsmaschine (Dreifach-Expansionsmaschine).

Bei Anwendung nur eines Dampfzylinders würde die Ingangsetzung solcher Maschinen in dem Falle Schwierigkeiten machen, daß die Kurbel in einem Totpunkte steht. Deshalb werden dieselben meist mit zwei Zylindern versehen, deren Kurbeln um 90° verstellt sind (Zwillingsmaschinen).

Die Dampfzylinder der Wasserhaltungsmaschinen der Bergwerke werden mitunter mit einer sogen. Kataraktsteuerung versehen. Der Katarakt besteht aus einem Zylinder, in dem ein Kolben, der durch die Steuerung gehoben war, unter Überwindung eines Flüssigkeitswiderstandes niedersinkt. Durch diesen Kataraktkolben wird das Öffnen der Dampfeinlaßorgane veranlaßt. Nach Vollendung eines Kolbenhubes bleibt die Maschine stehen, es tritt eine Hubpause ein, bis durch den Katarakt von neuem der Anstoß zum Öffnen der Dampfeinlaßorgane gegeben wird. Durch Regulierung des Flüssigkeitswiderstandes im Katarakt können die Hubpausen der Maschine je nach der zu bewältigenden Wassermenge verlängert oder verkürzt werden.

Schiffsmaschinen. Bei Schiffsmaschinen hat man mit dem beengten Raum zu rechnen, in dem sie aufgestellt werden. Eine Form, die sehr wenig Platz braucht, ist die oszillierende Dampfmaschine, bei welcher der Zylinder um zwei in Lagern drehbare hohle Zapfen schwingt, so daß der Kopf der Kolbenstange der Kurbelbewegung folgen kann. Die Dampfzuleitung und_-Abführung erfolgt durch diese hohlen Zapfen mittels angeschlossener, durch Stopfbüchsen abgedichteter Rohre. Beliebt waren als Schiffsmaschinen die sogen. Trunkmaschinen. Dieselben sind dadurch in der Längsrichtung verkürzt, daß man die Kolbenstange als weites Rohr (trunk) ausführt, in dessen Mitte die Bleuelstange angreift. Beide Arten von Maschinen werden nicht mehr gebaut.

Heutzutage werden bei Raddampfern meist schräg liegende Maschinen benutzt und bei Schraubenschiffen ausschließlich stehende Maschinen, deren Zylinder, an Gerüsten befestigt, über der Schraubenwelle stehen, und die wegen ihrer äußern Ähnlichkeit mit Dampfhämmern auch Hammermaschinen genannt werden. Hierbei wird fast ausnahmslos das Compound-Receiversystem verwendet, das überhaupt bei Schiffsmaschinen zuerst erprobt und erst im Laufe der letzten Jahrzehnte auch auf Landdampfmaschinen übertragen wurde. Größere Schilfe bekommen stets Dreifach-Expansionsmaschinen, bisweilen auch Vierfach-Expansionsmaschinen.

In Fig. 17 und 18 ist eine schräg liegende Schiffsmaschine für einen Flußraddampfer dargestellt. Auf den beiderseitigen, durch die Schiffswand hindurchgehenden Verlängerungen a¹, a² der Kurbelwelle b sitzen unmittelbar die beiden Schaufelräder. Die Maschine ist eine Compound-Receivermaschine. Zur Umsteuerung dienen bei beiden Zylindern Stephensonsche Kulissen c, die von einer kleinen Dampfmaschine d mittels Schneckenradgetriebe, Hebel, Stangen etc. verstellt werden. Der Abdampf gelangt, nachdem er den Vorwärmer e durchströmt hat, nach dem Kondensator f.

Fig. 19 und 20 zeigt eine kleinere stehende Dreifach-Expansionsschiffsmaschine. Dieselbe besitzt einen in das Gestell eingebauten sogen. Oberflächen-kondensater O. Das Kondensat wird durch die mittels Balancier vom Kreuzkopf des Niederdruckzylinders angetriebene Luftpumpe L abgesaugt. Da es nachteilig ist, die Schiffskessel mit dem salzhaltigen Seewasser zu speisen, wird auf den Seeschiffen das Kondenswasser der Maschinen dazu benutzt. Es können deshalb auf Seeschiffen keine Einspritzkondensatoren verwendet werden, da bei denselben das Kondenswasser mit Salzwasser gemischt würde.

Bei schnell gehenden Schiffsmaschinen werden durch die Beschleunigungsdrucke der in hin und her gehender Bewegung befindlichen Massen unerwünschte Erzitterungen des Schiffskörpers hervorgerufen. Um diesen Übelstand zu beseitigen, hat man versucht, durch geeignete Anordnung der Maschine und zweckentsprechendes Bemessen der Gewichte der hin und her gehenden Teile einen Massenausgleich herbeizuführen. Von Taylor in Amerika und Schlick sind diesbezügliche Angaben gemacht worden.

Kesseldampfmaschinen, Kleindampfmotoren. Die sogen. Kesseldampfmaschine besteht aus einem Dampfkessel mit daran montierter Dampfmaschine. Sie hat also ganz den Bau einer Lokomobile (s.d.) und wird auch als Halblokomobile bezeichnet. Für kleinere Betriebe ist sie oft eine sehr geeignete Kraftmaschine.

Die Kleindampfmotoren, für das Kleingewerbe bestimmt, sind kleine Dampfmaschinen, die mit ihrem Kessel zu einem Ganzen verbanden sind. Es sind ziemlich viele Konstruktionen von Kleindampfmotoren (der Hoffmeister-Altmann-Motor, der Friedrich-Motor, der Simplex-Motor, der Viktoria-Motor, der Mignon-Motor etc.) vorhanden, doch haben sie alle keine große Verbreitung gefunden. In vielen Fällen, in denen ein Kleindampfmotor Verwendung finden könnte, ist der Betrieb eines Gasmotors, eines Petroleummotors od. dgl. bequemer und oft auch billiger.

Rotierende Dampfmaschinen, Dampfturbinen.

Die rotierenden Dampfmaschinen, bei denen der Dampf ohne Zuhilfenahme eines hin und her gehenden Kolbens unmittelbar eine rotierende Bewegung hervorbringt, zerfallen in:

a) Rotierende Maschinen nach Art der Kapselwerke (s.d.). Die hierher gehörigen Konstruktionen (von Kleritj in Belgrad, von The Challenge High Speed Engine Co. in Louisville, von Weston in Boston, von Patschke in Mülheim a.d. Ruhr u.a.) leiden alle mehr oder weniger an dem Nachteil, daß die aufeinander gleitenden Flächen dauernd nicht dicht halten. Sie haben bis jetzt eine größere Verbreitung nicht gefunden.

21. Laufrad und Düsen einer de Lavalschen Dampfturbine.

b) Dampfturbinen (auch Dampfräder genannt). Sie sind nach Art der durch Wasser betriebenen Turbinen (s. Wasserräder) konstruiert sowohl mit als auch ohne Leitschaufeln. Die bekanntesten Systeme sind die von de Laval und von Parson.

Die Dampfturbine von de Laval ist eine Achsialturbine mit partieller Beaufschlagung. In Fig. 21 ist die Wirkungsweise einer solchen zu erkennen. Durch eine Anzahl Düsen a, die unter spitzem Winkel gegen die Laufradebene geneigt sind, strömt Dampf gegen die Schaufeln des Laufrades b und versetzt dieses in rasche Rotation.

22. Dampfturbine von de Laval.

In Fig. 22, die eine kleinere Lavalsche Dampfturbine zeigt, erfolgt der Anschluß der Dampfzuleitung bei e, der Dampfableitung bei f. Soll die Leistung der Maschine verringert werden, so werden einzelne Düsen durch Absperrventile abgeschlossen. Das Handrad eines solchen Absperrventils ist bei g sichtbar. Die Regulierung erfolgt durch ein in die Dampfzuleitung eingeschaltetes Drosselventil h, auf das ein Achsenregulator einwirkt. Die Umdrehungszahl des Laufrades ist eine so ungeheure (bis zu 30,000 in der Minute), daß dessen Welle nicht unmittelbar zum Antriebe von Arbeitsmaschinen benutzt werden kann. Vielmehr wird die Arbeit mittels Doppelschraubenräder mit sehr feinen Zähnen, in dem Gehäuse i untergebracht, auf eine zweite Welle übertragen, die nur den zehnten Teil der Umdrehungen macht und außerhalb des Gehäuses mit einer Kuppelung zum Anschluß an die Welle einer schnell laufenden Arbeitsmaschine oder mit einer Riemen- scheibe k versehen ist. Die größern Maschinen haben zwei langsamer laufende Vorgelegewellen mit Antriebscheiben oder Kuppelungen. Um nun die bei der kolossalen Umdrehungsgeschwindigkeit des Laufrades schon infolge geringfügiger Ungleichheiten der Massenverteilung um die Achse auftretenden, starken Drucke der Zentrifugalkraft auf die Lager zu vermeiden, macht de Laval die Laufradwelle c (Fig. 21) so dünn (8–15 mm), daß sie sich leicht durchbiegt und so dem Rade gestattet, sich wie ein frei drehender Kreisel in die durch den wirklichen Schwerpunkt gehende Achse einzustellen, so daß nur der geringe, zum Durchbiegen der Welle erforderliche Druck auf die Lager kommt.

23. Dampfturbine von Parson mit Dynamomaschine, gekuppelt.

Die Dampfturbine von Parson ist voll beaufschlagt. An Stelle der einzelnen Düsen der Lavalschen Turbine tritt hier ein vollständiges Leitrad. Es ist eine größere Anzahl von Leit- und Lufträdern hintereinander angeordnet, die der Dampf nacheinander durchströmt. Während erstere in einem gemeinsamen Gehäuse fest eingebaut sind, sitzen letztere konachsial auf der Turbinenwelle. Fig. 23 zeigt eine Parsonsche Turbine, die mit einer von ihr betriebenen Dynamomaschine zusammengebaut ist. Die Turbinenwelle mit den darauf sitzenden Laufrädern macht hier etwa 4800 Umdrehungen in der Minute. Bei einigen neuern Ausführungen finden sich noch wesentlich niedrigere Umlaufszahlen. Da letztere aber immerhin noch ziemlich hoch sind, so verlangen die Lager der Turbinenwelle eine sehr sorgfältige Ausbildung. Bei einer hierher gehörenden Konstruktion, die sich gut bewährt hat, ist die Welle von mehreren konzentrischen Hohlzylindern umgeben, zwischen deren Wandungen ständig Öl eingepreßt wird. Die Regulierung erfolgt dadurch, daß nach einer Anzahl von Umdrehungen das Dampfeinlaßventil abgestellt und der Zeitpunkt seiner Wiederöffnung vom Regulator abhängig gemacht wird.

Die Vorteile der Dampfturbinen gegenüber den Kolbenmaschinen sind einfache und billige Aufstellung ohne umfangreiche Fundamente, leichte Wartung und geringer Ölverbrauch, somit niedrige Betriebskosten, ferner geringster Raumbedarf, also kleineres Maschinenhaus, Fortfall der Stopfbüchsen, Dichtungen, des ganzen Kurbelmechanismus, der manchmal komplizierten Steuerung und des Schwungrades, ruhiger, stoßfreier Gang. Die Dampfturbinen können sowohl mit Auspuff als auch mit Kondensation arbeiten. Ihr Dampfverbrauch ist nicht wesentlich höher (theoretisch müßte er sogar geringer sein) als derjenige der Kolbendampfmaschinen, so daß die Aussicht auf eine weitgehende Verwendung der Dampfturbinen wohl begründet ist. Bis jetzt werden dieselben hauptsächlich zum Betrieb von Dynamomaschinen benutzt, ferner hat man schon mit Erfolg versucht, Schraubenschiffe mit Dampfturbinen auszurüsten.

Die Turbinen lassen sich auch mit Druckgas oder Druckluft betreiben.