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Heißdampflokomotiven

[137] Heißdampflokomotiven (superheated steam locomotives; locomotives à vapeur surchauffé; locomotive a vapore surriscaldato), Lokomotiven jeder Art und Gattung, bei denen anstatt des Naßdampfes Heißdampf (s.d.) zur Verrichtung von Arbeit in den Dampfzylindern benutzt wird. Nachdem durch die bahnbrechenden Arbeiten des Ingenieurs Dr. Schmidt in Kassel die große Bedeutung des Heißdampfes für den Betrieb ortsfester Dampfmaschinen allgemein erkannt und durch längere eingehende Versuche seine einwandfreie Verwendung im Dauerbetriebe an Dampfmaschinen größerer Leistung dargetan war, wurden Ende des vorigen Jahrhunderts auf den preußischen Staatseisenbahnen die ersten Versuche mit den Schmidtschen Heißdampfkonstruktionen an Lokomotiven vorgenommen. Im Jahre 1898 wurden die ersten beiden H. in Betrieb gestellt.

Die wirtschaftlichen Vorteile der H. gegenüber denen der Naßdampflokomotiven, gleiche Isolation des Kessels und gleiche Blasrohrwirkung vorausgesetzt, ergeben sich im wesentlichen aus der Verschiedenheit der spezifischen Volumina der benutzten Dampfarten, ihrem ungleichen Wärmewert und den verschiedenen Abkühlungsverlusten infolge der höheren Temperatur einerseits und dem schlechten Wärmeleitungsvermögen des überhitzten Dampfes anderseits. In einem Kessel gleicher Größe steht der H. ein größeres Dampfvolumen zur Verfügung als der Naßdampflokomotive, und es fällt die das Arbeitsvolumen des Naßdampfes verringernde Zylinderkondensation fort. Mit H. können größere Zugleistungen erreicht werden als mit gleich großen Naßdampflokomotiven. Beeinflußt werden die Leistungen der H. noch durch den mehr oder weniger großen Feuchtigkeitsgehalt des Naßdampfes. Zu seiner Verringerung sind Wasserabscheider am Platze. Während sich die durch das größere spezifische Volumen des Heißdampfes und seinen Wärmewert erzielten Ersparnisse an Dampf berechnen lassen – die spezifische Wärme des Naßdampfes wird hierbei zu 0∙48, die des Heißdampfes zu 0∙6 angenommen – ist es nicht möglich, die durch die Vermeidung der Niederschlagsverluste (Zylinderkondensation) entstehenden Ersparnisse rechnerisch nachzuweisen. Die Ergebnisse praktischer Versuche müssen hier aushelfen. Die Ersparnis an Wasser ist gleich der an Dampf, die an Kohlen etwa ¹/₃ geringer, da ein Teil der auf dem Rost erzeugten Wärme zur Überhitzung des Naßdampfes und zum Verdampfen des mitgerissenen Wassers verwendet wird. Beide sind größer bei Maschinen mit einfacher Dehnung (Zwillingslokomotiven), als bei solchen mit doppelter Dehnung (Verbundlokomotiven). Im großen Durchschnitt zahlreicher Betriebsergebnisse betragen sie bei ersteren bis zu 33% an Wasser und 26% an Kohlen, bei letzteren bis zu 26% an Wasser und 18% an Kohlen[137] gegenüber Naßdampflokomotiven gleicher Bauart und bei gleicher Leistung. Die Ersparnisse wachsen mit der Erhöhung der Dampftemperatur. Nach Versuchen von Prof. Goß nimmt der Dampf- und Kohlenverbrauch bei zunehmender Überhitzung unter Annahme eines Dampfdruckes von 12 Atm. nach dem Schaubilde (Abb. 59) ab. Aus diesen Versuchen geht auch hervor, daß niedere Dampfüberhitzung (Dampftrocknung) nur geringe wirtschaftliche Vorteile hat. Eine nennenswerte Ersparnis beginnt erst bei einer Überhitzung von mindestens 50° C, darüber hinaus steigt sie erheblich.

Die von Prof. Obergethmann angegebenen mittleren Werte für den Dampf- und Kohlenverbrauch für eine Nutzpferdekraftstunde an den Triebrädern von Lokomotiven mit günstiger Dampfausnutzung ergibt Tabelle I.

Tabelle I.

Regierungs- und Baurat Strahl gibt die in Tabelle II enthaltenen, auf Versuchen und Berechnungen beruhenden Angaben über Dampfverbrauch und Leistungen von Naß- und Heißdampflokomotiven verschiedener Lokomotivtypen der preußischen Staatsbahnen an.

Tabelle II.

Die Überhitzung soll 400° nicht übersteigen, sie hält sich zweckmäßig in den Grenzen von 300 bis 350° C.

H. werden für jede Spurweite, für Haupt-, Neben-, Klein- und Straßenbahnen mit gleichem Nutzen verwendet. Sie werden gebaut als Zwillings-, Doppelzwillings- (Vierling-), Verbund- und Doppelverbundlokomotiven.

Werden besonders hohe Anforderungen an Zugkraft (schwere Gebirgslokomotiven) oder an Geschwindigkeit gestellt (Schnellzuglokomotiven für Flachlandbahnen), so empfiehlt sich zur Vermeidung stark wechselnder Dampf- und Massendrucke die Anordnung von vier Zylindern, sei es in Verbundwirkung oder als Doppelzwilling (Vierling). Vierzylinderlokomotiven zeichnen sich durch besonders ruhigen Gang aus, ihre Verwendung ist bei schweren und besonders schnellfahrenden Schnellzügen zu empfehlen. (Nr. 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 20, 21 der Zusammenstellung S. 148 u. 149.) Aber auch Güterzuglokomotiven großer Zugkraft werden vorteilhaft als Vierzylinderlokomotiven gebaut. (Nr. 18, 21, 22 der Zusammenstellung.)

Der Eigenwiderstand einer Lokomotive, einschließlich desjenigen des Luftwiderstandes, wächst mit steigender Geschwindigkeit annähernd im Quadrate der Geschwindigkeiten. Je größer die Geschwindigkeit, einen um so größeren Teil der erzeugten Arbeit verbraucht die Lokomotive zur Überwindung dieser Widerstände. Bei einer Geschwindigkeit von 100 km/Std. werden nur noch durchschnittlich 50% der Maschinenleistung auf den Zughaken übertragen. Nimmt man die Verminderung des Kohlenverbrauchs bei einer H. [139] gegenüber einer Naßdampflokomotive gleicher Leistung nach Versuchen durchschnittlich zu 25% an, so entspricht dies bei gleichem Kohlenverbrauch für beide Lokomotivarten einer Mehrleistung an indizierter Arbeit von 25/75 ∙ 100 rd. 33% und einer Mehrleistung von Zugkraft am Zughaken von 33/50 ∙ 100 = 66%. Zieht man die Leistung einer Naßdampfverbundlokomotive in Vergleich, der gegenüber sich der Kohlenverbrauch bei Einführung des Heißdampfes nach Versuchen durchschnittlich nur um 15% ermäßigt, so werden mit gleichen Kohlenmengen

an indizierter Arbeit 15/85 · 100 = 17·6%,

an Mehrleistung am Zughaken 17∙/50 = 35%

erreicht.

Die durch die hohe Überhitzung erreichte große Wasserersparnis gestattet mit H. erheblich längere Strecken ohne Wassereinnahme zu durchfahren, was besonders für die Verwendung von Tenderlokomotiven vorteilhaft ist.

Die Verwendung des Heißdampfes zur Verrichtung von Arbeit in den Lokomotiven erfordert der Bauart der Naßdampflokomotiven gegenüber Abweichungen in folgenden Teilen:

1. des Kessels durch Einbau der Vorrichtungen zur Erzeugung des Heißdampfes, »des Überhitzers«,

2. der Dampfmaschine,

3. Anbringung der Instrumente zum Messen der Überhitzung.

Die gegenwärtig noch im Gebrauch befindlichen Überhitzer sind:

a) Rauchkammer- und Rauchröhrenüberhitzer. Bei ihnen wird nur ein Teil der Heizgase, aber in höherer Temperatur, zur Überhitzung verwendet.

b) Siederohrüberhitzer. Bei ihnen werden größere Mengen der Heizgase, aber mit geringerer Temperatur, zur Überhitzung verwendet.

Rauchkammerüberhitzer und Rauchröhrenüberhitzer verdanken ihre Durchbildung und Einführung den Arbeiten des Ingenieurs Dr. Schmidt in Kassel.

Ein Rauchkammerüberhitzer, wie er bei Lokomotiven der preußischen Staatsbahnen anfänglich im Gebrauch war, ist in Abb. 60 dargestellt. Die Heizgase werden dem Überhitzer durch ein 305 mm weites, unten zwischen die Heizrohre eingebautes Flammrohr zugeführt. An der inneren Rauchkammerwand sind 60 Rohre von 30 mm innerem Durchmesser und 4 mm Wandstärke so herumgeführt, daß sie je drei Ringe bilden. Sie liegen in einem abgeschlossenen Kasten, der außen durch die Rauchkammerwände, innen durch besondere Blechwände gebildet wird. Die oberen Enden tragen die vom Führerstande aus durch Hebel und Zugstange zu betätigenden Regulierungsklappen für den Durchgang der Heizgase, die bei geöffneten Klappen sämtliche Überhitzerrohre von unten nach oben umspülen und mit den übrigen Heizgasen in den Schornstein entweichen. Bei geschlossenem Regulator und zwangläufig angestelltem Hilfsbläser (nötig, um Rückschlagen des Feuers beim Öffnen der Feuertür zu vermeiden) werden die Überhitzerklappen zwangläufig geschlossen, um eine schädliche Erhitzung der Überhitzerteile zu vermeiden. Zur Erhaltung größter Wärmedurchlässigkeit der Überhitzerröhren werden sie von Zeit zu Zeit durch Dampf oder Preßluft gereinigt.

Der Rauchkammerüberhitzer wird in der Neuzeit nicht mehr verwendet. Er ist durch den einfacheren, bequemer zu bedienenden und leichter zu unterhaltenden Rauchröhrenüberhitzer ersetzt. Am meisten Verbreitung hat die Bauart Schmidt-Kassel gefunden. Schmidt ist der eigentliche Erfinder brauchbarer Überhitzer, seine Arbeiten über Verwendung von Heißdampf im Lokomotivbetriebe sind bahnbrechend für die so schnelle und ausgedehnte Verbreitung der H. gewesen. Ihm stand helfend der Geheime Baurat Garbe-Berlin zur Seite. Im Jahre 1913 waren rund 26.000 Lokomotiven mit Schmidtschen Überhitzern ausgerüstet, davon 6100 in Deutschland, 1780 in Frankreich, 780 in Großbritannien, 600 in Italien, 790 in Österreich, 940 in Rußland, 2800 in den englischen Kolonien und 7920 in den Vereinigten Staaten von Amerika, der Rest verteilt sich auf alle zivilisierten Staaten. Von den jährlich für sämtliche Bahnen der Erde neu zu beschaffenden Lokomotiven werden durchschnittlich 90% als H. beschafft.

A. Normale Ausführung des Rauchröhrenüberhitzers nach Schmidt. Im oberen Teil des Langkessels (Abb. 61 a–c und die Tafeln IV–VI) sind an Stelle der gewöhnlichen Rauchröhren mehrere Reihen erweiterter Rohre von 118 bis 136 mm lichtem Durchmesser nach Art der Rauchröhren eingezogen. In jeder dieser erweiterten Rauchröhren liegt auf passenden Stützen ein Überhitzerelement, bestehend aus zwei -Röhren, die durch eine Schleife in der Rauchkammer zu einem Rohrstrang vereinigt sind (Abb. 61 c). Der Dampf wird in diesen Röhren zweimal hin- und zurückgeführt. Es sind nahtlos gezogene Stahlröhren, deren in[140] den Rauchröhren liegende Umkehrenden durch Schweißung oder auch durch aufgeschraubte Kappen hergestellt sind. Ihre Spitzen werden verstärkt, um sie gegen die Wirkung der Feuergase widerstandsfähiger zu machen. Die beiden Rohrenden jedes Überhitzerelements sind in der Rauchkammer nach dem Dampfsammelkasten zu gebogen und in einen gemeinsamen Flansch eingewalzt, der durch eine in der Mitte des Flansches sitzende starke Schraube am Dampfsammelkasten befestig wird. Der Dampfsammelkasten, aus Stahlguß, besitzt entsprechend geformte Kammern für Naß- und Heißdampf, die so eingeteilt und mit den Überhitzerrohrenden verbunden sind, daß der Naßdampf vom Regulator aus durch sämtliche Überhitzerelemente hindurchströmen muß, um als Heißdampf zu den Schieberkasten zu gelangen.

Die Feuergase gehen zum Teil durch die normalen Rauchröhren nach der Rauchkammer, zum Teil durch die erweiterten Röhren, wobei[141] sie die Überhitzerröhren umspülen und ihre Wärme an das Kesselwasser und an den zu überhitzenden Dampf abgeben.

Über die erweiterten Röhren ist in der Rauchkammer ein Kasten mit Klappen in der Stirnwand eingebaut (Abb. 61 b). Durch mehr oder weniger Öffnen der Kappen kann der Zug der Feuergase durch die erweiterten Rauchröhren und hierdurch die Höhe der Überhitzung geregelt werden. Bei abgestelltem Regulator sind die Klappen durch ihr Eigen- oder Gegengewicht (auch Federn) geschlossen. Mit ihnen ist durch Hebel und Zugstange der Kolben eines kleinen Dampfzylinders (Automat) verbunden (Abb. 62), der bei geöffnetem Regulator Dampf erhält und durch den Kolben und die Hebel die Klappen mehr oder weniger öffnet und hierdurch die Überhitzung der geforderten Leistung der Lokomotive entsprechend regelt. Unabhängig von dem Automaten kann der Führer von seinem Stand aus mittels Handrads und Schraube die Klappen einstellen und so die Überhitzung regeln. Vielfach erfolgt die Regelung der Klappen nur durch den Führer von Hand. Für Lokomotiven, deren Zugbelastungen weniger schwanken, hat man die Klappen fortgelassen, nachdem durch Versuche festgestellt ist, daß hierdurch Nachteile, namentlich ein Verbrennen der Überhitzerrohre, nicht zu befürchten ist. Rauchröhrenüberhitzer für volle Besetzung, Patent W. Schmidt (Abb. 63 a und b).

Die Rauchröhren erhalten durchwegs gleichen Querschnitt. Möglichst jedes Rauchrohr ist mit einem Überhitzer--Rohr besetzt, dessen abgebogene Enden gruppenweise an die seitlich oder in der Mitte angebrachten Sammelkästen befestigt sind (Abb. 63 b).

Diese Überhitzerart eignet sich gut zum Einbau in vorhandene Lokomotiven, da besondere Rauchröhren mit erweitertem Querschnitt für die Überhitzerrohre nicht eingebaut zu werden brauchen. Für den Neubau normaler Lokomotivkessel empfiehlt sich, die Rohrweite nicht weniger als 64 mm zu nehmen. Gegenüber den Überhitzern mit teilweiser Besetzung der Rauchröhren hat diese Bauart den Vorteil von Rauchröhren gleicher Weite, des Wegfalls der Regulierklappen und der besseren Ausnutzung sämtlicher Heizgase. Eine Gefahr des Verbrennens der Überhitzerrohre ist nicht vorhanden, weil die Heizgase in den engen Rauchröhren, ehe sie auf die Überhitzerrohre treffen, stärker abgekühlt werden als in weiten Rauchröhren.

Die Bauart eignet sich besonders gut für Klein-, Straßen- und Nebenbahnlokomotiven. Die Eigenschaft des Überhitzers, die Dampftemperatur nach jedem Stillstand schnell wieder anwachsen zu lassen, empfiehlt sie für Verschiebe- und Vorortlokomotiven.

Die nachfolgend erwähnten Überhitzerbauarten lehnen sich im wesentlichen an die Bauarten von Schmidt an, ohne ihre Vorzüge zu besitzen. Sie haben sich diesen gegenüber im Betriebe weniger gut bewährt und nur beschränkte, lokale Verbreitung gefunden. Sie sollen dieserhalb hier nur kurz beschrieben werden.

Der Schenectady-Überhitzer von Oberingenieur F. C. Cole der American Locomotive Company. Bei den ersten Ausführungen im Jahre 1904 waren dei Überhitzerrohre als Field-Röhren vorgesehen,[142] die in Rauchröhren von 75 mm im Durchmesser gelagert und in die in der Rauchkammer liegenden Teilkasten eingewalzt waren (Abb. 64). Der Naßdampf strömt durch die inneren, an ihrem hinteren Ende offenen Röhren von 27 mm äußerem Durchmesser nach rückwärts und kehrt durch die äußeren Röhren von 38 mm äußerem Durchmesser zu dem rückwärtigen Raum der Teilkammern zurück, die ihn dem Hauptsammelkasten-Heißdampfraume zuführen, von wo aus der Heißdampf in die Schieberkasten gelangt. Die Regelung der Überhitzung geschieht auch hier durch selbsttätig, verstellbare Klappen in der Rauchkammer. Die Bauart bewährte sich nicht. Ebenso erging es der später von Cole verwendeten Bauart mit vier Field-Röhren in Rauchröhren von 125 mm Durchmesser. Cole verwendete später -Röhren von der Form und den Abmessungen von Schmidt.

Der Überhitzer von Notkin verwendet ebenfalls Field-Röhren. Abweichend von der Cole-Bauart strömt der Naßdampf zuerst durch das äußere Rohr, das als Rippenrohr ausgebildet ist (Abb. 65). Die Rauchröhren haben nur 73 mm im Durchmesser. Der Dampfsammelkasten liegt vor den oberen Heizrohren des Rauchkammerrohrs, den Zug hier ebenso wie bei Coles Bauart ungünstig beeinflussend. Der Wirkungsgrad des Überhitzers bleibt erheblich hinter dem der Schmidtschen Bauarten zurück.

Der Überhitzer von Vaughan und Horsey, auf der Canadian-Pacific-Eisenbahn in Benutzung, unterscheidet sich, abgesehen von der vielteiligen Befestigungsart der Röhren an den Dampfsammelkasten, von dem Schmidtschen noch durch die Trennung der Naßdampf- von der Heißdampfkammer und die Lage dieser vor den obersten Rauchröhren in der Rauchkammer, Zug und Reinigung der Röhren erschwerend. Der Nutzeffekt ist dem der Schmidtschen Bauart gleich.

B. Siederohrüberhitzer. Bei diesen wird ein Teil der Heizfläche der Siederöhren zur Überhitzung des Naßdampfes benutzt.

Bauart Pielock (Abb. 66). Im Innern des Langkessels ist eine Dampfkammer eingebaut, die sämtliche Siederöhren auf eine bestimmte Länge umschließt. Letztere sind in die beiden Rohrwände dicht eingewalzt. Scheidewände führen den an der Decke eintretenden Naßdampf möglichst um alle Siederohre und hiernach zum Regulator zurück, von wo er in gebräuchlicher Art den Dampfzylindern zugeführt wird.

Bauart Gölsdorf-Clench, Abb. 67, unterscheidet sich von der Pielockschen Bauart nur durch die Lage der Dampfkammer, die in den vorderen Kesselteil, u.zw. so eingebaut ist, daß[143] die Rauchkammerrohrwand eine ihrer Wände bildet. Senkrechte Scheidewände sollen auch hier den Naßdampf um möglichst alle Röhren führen.

Beide Bauarten können nur eine mäßige Überhitzung bewirken, da um den Kesselinhalt und seine Heizfläche nicht nachteilig zu verkleinern, ihre Heizflächen nur verhältnismäßig klein sein können und die Temperatur der Heizgase, namentlich bei der Gölsdorf-Clench-Bauart, mit der Entfernung der Dampfkammer von der Feuerkistenrohrwand abnimmt und bei dem Pielock-Überhitzer noch ein Temperaturabfall des überhitzten Dampfes durch seine Leitung zum Regulator und von diesem durch den Langkessel nach den Zylindern eintritt.

Die Schwierigkeit des Dichthaltens der Siederöhren und ihrer dauernd guten Unterhaltung mag hier nur angedeutet werden.

Abgasüberhitzer, bei denen die aus den Siederöhren tretenden Abgase zum Überhitzen des Dampfes verwendet werden. Die niedrige Temperatur der Abgase in der Rauchkammer kann eine nennenswerte Überhitzung nicht bewirken. Sie sind als Dampftrockner anzusprechen. Ihr Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffverbrauchs ist nicht bedeutend und steht in einem ungünstigen Verhältnis zu ihren Einbau- und Unterhaltungskosten.

Es sind eine Reihe von Bauarten bekannt geworden, von denen sich jedoch keine ein größeres Verwendungsgebiet erobert hat.

Die Bauart Egestorff legt die Überhitzerröhren und ihre Dampfkammern in den oberen Teil der Rauchkammer.

Die Bauart Ranafier legt die Dampfkammern rechts und links unten in die Rauchkammer. Die Überhitzerröhren sind hufeisenförmig in zwei Bündeln von der Naßdampf- zur Heißdampfkammer geführt. Das Auspuffrohr liegt zwischen den beiden Rohrbündeln.

Die Dampfmaschine erfordert den Eigenschaften des Heißdampfes entsprechend eine Änderung der Zylinder, der Kolben und der Schieber. Die Stopfbüchsen der Zylinder dürfen ebenso wie die Kolben selbst niemals zum Tragen benutzt werden. Die Kolben werden als schwedische mit drei Ringen, die durch dahintertretenden Dampf leicht angedrückt werden, gebaut (Abb. 68). Die Stopfbüchsen sind Metallstopfbüchsen mit Luftkühlung, hinten wird die Kolbenstange durch ein besonderes Lager, vorn durch die Kreuzkopfführungen getragen. Die Stopfbüchsen erhalten am Gründe und unter dem Verschlußdeckel kugelförmige Ringe aus Gußeisen. Die weißmetallenen Dichtungsringe werden durch eine Feder selbsttätig angedrückt und angespannt,[144] sie drückt gleichzeitig die Kugelringe gegen ihre Schleifflächen, ohne die Beweglichkeit der ganzen Büchse zu verhindern (Abb. 68). Als Schieber werden Kolbenschieber, vereinzelt und nur bei mäßiger Überhitzung Flachschieber angewendet (s. auch Dampfschieber, Bd. III, S. 240). Kolbenschieber werden mit federndem breiten Ring und Nutendichtung (stufenweise Entlastung) oder mit mehreren federnden schmalen Ringen sowohl mit innerer als auch mit äußerer Dampfeinströmung gebaut. Abb. 69 zeigt einen Schieber Schmidtscher Bauart mit innerer Einströmung. Mehrere im Dichtungsringangebrachte Löcher von 5 mm Durchmesser stehen mit dem äußeren Dampfkanal in Verbindung, so daß der Ring vom Dampfdruck entlastet ist und nur durch seine Federkraft angedrückt wird. Damit der Ring nicht durch die Kolbendeckel festgeklemmt wird, ist der innere Deckel elastisch und nur mit dem inneren Rand gegen den Schieberkörper festgeschraubt, während der äußere Rand nur durch den auf den Deckel ausgeübten Überdruck angepreßt wird. Einen Kolbenschieber mit äußerer Dampfeinströmung, wie ihn Gölsdorf-Wien bei H. der österreichischen Staatsbahnen anwendet, ist in Abb. 70 dargestellt. Borsig-Berlin wendet Kolbenschieber nach Hochwald an, wie sie in Abb. 71 zur Darstellung gebracht sind. Die Schieberköpfe BB steuern mit ihren Außenkanten den Abdampf, die Stege des Mittelstücks D steuern die Einströmung. Sie arbeiten mit muldenförmigen Vertiefungen der Schieberbüchse zusammen, wodurch ähnlich wie bei den Trick-Schiebern eine Verdopplung der Einströmspalten erzielt wird. Statt der breiten[145] Ringe sind mehrere schmale Ringe verwendet. Der Schieber soll den beiden erstgenannten an guter Dichtung nicht nachstehen. Nach neueren Versuchen sollen Schieber mit mehreren schmalen Ringen weniger Dampfverluste verursachen als solche mit einem breiten Ring. In Abb. 205, Bd. III, S. 245 (vgl. Art. Dampfschieber) ist ein Kolbenschieber Patent Schmidt mit federnden Ringen und Trickkanal veranschaulicht. Dieser wie der Hochwaldschieber haben den Vorteil, daß infolge der doppelten Einströmung ein kleinerer Schieberdurchmesser oder bei gleichem Durchmesser eine größere Kolbengeschwindigkeit genommen werden kann wie bei Schiebern mit einfacher Einströmung. Die Stangen der Schieber mit innerer Einströmung erhalten keine Stopfbüchsen, sondern nur reibungslose Labyrinthdichtungen, da für sie nur Abdampf in Frage kommt. Um schädliche Spannungen in den Zylinderwandungen zu vermeiden, laufen die Kolbenschieber in eingesetzten Büchsen (Abb. 69), die durch umlaufenden Dampf geheizt werden, sich deshalb gleichmäßig mit den Kolbenschiebern bei wechselnden Dampftemperaturen ausdehnen und hierdurch Undichtheiten und schädliche Spannungen vermeiden. Da die Kolbenschieber entlastet sind, die Stopfbüchsenreibung auch bei innerer Einströmung auf ein Mindestmaß herabgemindert ist, können die zu ihrer Bewegung dienenden Steuerungsteile leichter Bauart sein und wird der Eigenwiderstand verringert.

Sicherheitsventile, Luftsaugeventile und Druckausgleichvorrichtungen an den Dampfzylindern sind bei H. notwendig, um beim Leerlauf der Lokomotive Ansaugen von Luft in die Zylinder und schädliche Kompression zu vermeiden. Die Sicherheitsventile sind von bekannter Bauart mit Federbelastung und werden auf den Normaldruck des Kessels eingestellt. Zweckmäßig werden auch die Kondenswasserhähne mit Sicherheitsventilen versehen, damit jede Gefahr der Beschädigung des Zylinders durch mitgerissenes Kesselwasser oder Kondenswasser ausgeschlossen ist. Abb. 72 zeigt ein selbsttätiges Luftsaugeventil einfachster Bauart von 80–100 mm Durchmesser, wie es über den Schieberkasten oder an dem Dampfeinströmungsrohr angebracht[146] wird. Es wirkt jedoch nur sicher bei ganz ausgelegter Steuerung. Einige Verwaltungen schreiben daher gesteuerte Luftsaugeventile vor. Die Steuerung geschieht durch Dampf oder Luftdruck, der zwangläufig beim Schließen oder Öffnen des Regulators zugeführt oder abgestellt wird.

Vorteilhafter für Lokomotiven, die lange Gefällstrecken durchlaufen, sind die Druckausgleichvorrichtungen (Abb. 73). Zu beiden Zylinderenden führen Kanäle, die durch einen Drehschieber miteinander verbunden oder gegeneinander abgesperrt werden können. Die Drehschieber beider Dampfzylinder sind miteinander gekuppelt und werden entweder vom Führer geöffnet oder geschlossen oder es geschieht dies zwangläufig derart, daß bei geöffnetem Regulator der Drehschieber geschlossen, bei geschlossenem Regulator (Leerfahrt) geöffnet ist, so daß der Raum vor und hinter dem Kolben miteinander verbunden ist und ein Vakuumsaugen oder zu hohe Kompression nicht eintreten kann.

Bei den selbsttätigen Ausgleichvorrichtungen, wie sie bei Lokomotiven der sächsischen Staatsbahnen benutzt werden, sind die beiden Einströmkanäle des Zylinders durch einen im Zylinderkörper eingegossenen Kanal verbunden, in dem der Umstellhahn eingeschaltet ist. Ein kleiner Dampfzylinder, durch Hebel und Zugstangen mit dem Umstellhahn verbunden, schließt die Einströmkanäle ab, sobald Dampf in den Schieberkasten eintritt, und verbindet sie beim Schließen des Regulators. Bei einem etwaigen Versagen des Automaten kann die Stellung des Hahnes auch durch Hand vom Führer aus geschehen.

Einfacher ist die durch Abb. 74 erläuterte Ausgleichsvorrichtung, Bauart Siabloff, wie sie vielfach an russischen Lokomotiven verwendet wird.

Das Abschlußorgan besteht aus einem Kolben a, der bei geöffnetem Regulator durch Frischdampf vom Schieberkasten aus in der oberen Stellung festgehalten wird. In dieser Stellung verschließt der untere Teil des Kolbens das Druckausgleichrohr. Wird der Regulator geschlossen und der Dampf unter dem Kolben abgesperrt, so sinkt der Kolben durch den Luftdruck und die Feder und es wird die Verbindung zwischen den beiden Zylinderseiten durch die Eindrehung e hergestellt. Um ein Festklemmen des Kolbengehäuses durch ungleiche Wärmeausdehnung zu verhindern, ist es mit einem Dampfmantel umgeben. Eine aus dem Gehäuse tretende Stange zeigt dem Führer die Wirkung des Ventils an. Es werden auch Luftsaugeventile und Druckausgleichvorrichtungen zugleich angewendet.

Für Gebirgslokomotiven sind Umschaltvorrichtungen für Überhitzer und Naßdampfzuführung vorteilhaft. Sie gestatten bei längeren Talfahrten, etwas Naßdampf zur Schmierung der Kohlenschieber und Kolben in die Zylinder gelangen zu lassen.

Es wurden auch Umschaltvorrichtungen entworfen, die vom Führer betätigt, gestatten, im Falle eines Defektes des Überhitzers ihn ganz auszuschalten oder auch beim Leerlauf der Lokomotive etwas Naßdampf durch die Überhitzerrohre zu ihrer Schonung zu leiten.

Fernpyrometer zeigen auf einer Skala im Führerstande die Temperatur des Heißdampfes im Schieberkasten oder im Sammelkasten an. Es finden hauptsächlich Tensions- oder thermoelektrische Apparate Verwendung. Nach ihrem Stande regelt der Führer den Zug in den Rauchröhren, hierdurch die Überhitzung. Ein Zugmesser zeigt ihm die Luftverdünnung in der Rauchkammer an.

Die Ölung der unter Heißdampf stehenden Teile darf nur durch Mineralöl mit hohem Entflammungspunkte (Heißdampföl) erfolgen, andernfalls sich das Öl zersetzt; schädliche Rückstände und Verminderung der Schmierfähigkeit sind die Folge. Es werden Zentralschmierpressen verschiedener Bauarten verwendet.

Zylinderabmessungen. Heißdampf ist ein dünnflüssiges Gas und ein schlechter Wärmeleiter. Auch bei den kleinsten noch wirtschaftlichen Füllungen und starker Abdrosselung verhält er sich während des ganzen Arbeitsvorganges in den Zylindern wie ein permanentes Gas. Er läßt sich um seine ganze Überhitzungswärme abkühlen, ohne sich niederzuschlagen. Die Zylinderabmessungen können, was bei Naßdampflokomotiven wegen der großen Abkühlungsverluste und der ungenügenden Ausnützung der Dampfdehnung nicht möglich ist, so groß gewählt werden, daß die größte durchschnittliche Leistung (größte Zugkraft bei der Durchschnittsgeschwindigkeit) noch bei einer Füllung von 0∙45 mit wirtschaftlichem Nutzen erreicht wird. Je größer die absolute Überhitzung ist, desto kleiner kann Eintrittspannung und Füllung sein.[147]

Ausgeführte Heißdampflokomotiven.

Die Zylinderdurchmesser sind so zu wählen, daß die größte Zugkraft der Lokomotive[149] bei ungefähr 0∙45 Füllung und normalem Kesseldruck, die größte Dauerleistung bei etwa 0∙3 Füllung und dem um 1 Atm. verminderten Kesseldruck erreicht wird.

Die Charakteristik der H., d.i. das Verhältnis

worin d den Zylinderdurchmesser in cm,

e den Zylinderhub in cm,

D Triebraddurchmesser in cm,

R die Triebachslast in t (Reibungsgewicht)

ergibt, unterschreitet zweckmäßig nicht den Wert von 22 und hält sich in den Grenzen von 22 bis 30.

Die Berechnung der für die Zugkraft und die Leistung der H. maßgebenden Abmessungen ihrer Dampfmaschine und des Kessels erfolgt in gleicher Weise wie die der Naßdampflokomotiven unter sinngemäßer Verwendung der im vorstehenden gemachten Betrachtungen.

Bei Feststellung der Kesselabmessungen ist zu berücksichtigen, daß die Dauerleistungen für 1 m² feuerberührter Heizfläche bei H. wesentlich höhere sind (bis zu 50%) als bei Naßdampflokomotiven, sie können deshalb entsprechend kleiner gehalten werden. Die Heizfläche des Überhitzers beträgt bei normalspurigen Lokomotiven ¹/₃ bis ¹/₄ (bei Schmalspur- und Straßenbahnlokomotiven steigt sie bis zu ¹/₂) der gesamten feuerberührten Heizfläche.

Als Steuerung wird allgemein die außenliegende mit Gegenkurbel nach Heusinger-Walschaert ihrer Einfachheit und guten Dampfverteilung wegen angewendet.

Die gasförmigen Eigenschaften des Heißdampfes, besonders seine Dünnflüssigkeit, gestatten eine größere Durchflußgeschwindigkeit und infolge dessen leichtere Ausführung des Schiebers und der ganzen Steuerung. Die Kanalbreiten für die Dampfeinströmung können vergrößert werden, was für ein leichtes Anfahren von Vorteil ist. Die schädlichen Räume lassen sich, da eine Bildung von Kondenswasser nicht eintritt, so bemessen, daß bei kleinen Füllungen zu hohe Kompressionen vermieden werden, was wiederum sanften Übergang der hin- und hergehenden Massen in den toten Punkten vermittelt.

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit der H. ist ihre gute Unterhaltung und sorgfältige Behandlung während des Betriebes. Diesbezüglich werden von den Verwaltungen Vorschriften für das Personal herausgegeben, deren Befolgung mit der größten Strenge überwacht wird.

Die Reparaturkosten für H. sind geringer als für Naßdampflokomotiven, im erhöhten Maße kommt dies zum Ausdruck, wenn sie auf die Leistungseinheit bezogen werden.

Auf die geleistete PS.-Std. bezogen, waren bei den preußischen Staatsbahnen die Unterhaltungskosten der Lokomotiven vor 15 Jahren um 50% höher als zur Jetztzeit, trotz der derzeitigen teureren Löhne.

Es betrugen die Unterhaltungskosten einer Lokomotive durchschnittlich für das Jahr:

Durch Dauerversuche im gewöhnlichen Betriebe wurde bei den H. gegenüber den Naßdampflokomotiven eine durchschnittliche Kohlenersparnis von 14–18% und eine Ölersparnis von 12–14% festgestellt. Zu diesen bedeutenden Ersparnissen kommen noch die der Personal Verminderung durch Wegfall des Vorspanns und der geringeren Anschaffungs- und Verzinsungskosten für die Einheit der Zugkraft.

Die Zusammenstellung S. 148–149 gibt die Hauptabmessungen einer Anzahl neuerer H. verschiedener Gattung und von verschiedenen Verwaltungen, die sich im Betriebe bewährt haben. Bei allen ist dem Schmidtschen Rauchröhrenüberhitzer der Vorzug gegeben. Die Zusammenstellung gibt gute Vergleichswerte für vorhandene Lokomotiven, wie sie auch als ein wertvolles Material beim Entwerfen neuer Lokomotiven benützt werden kann.

Die unter Nr. 8, 14 und 20 benannten Lokomotiven sind durch die beifolgenden Tafeln erläutert. Ein Schnitt durch den Schieber und Zylinder der unter Nr. 20 benannten Lokomotive (Serie 100 der österr. Staatsbahnen) ist in Bd. 3 auf Seite 256 dargestellt.

Die Lokomotive Nr. 11 der Zusammenstellung (Glasers Annalen, Bd. 74, Heft 1 u. 2) beförderte auf der Flachlandstrecke einen Zug von rd. 600 t dauernd mit 100 km/Std.-Geschwindigkeit und einen Zug von 470 t auf einer 14 km langen Steigung von 1/100 anstandslos mit 60 km/Std. Die indizierten Höchstleistungen betrugen hierbei etwa 1900 PS.i. Für die Pferdekraftstunde am Zughaken gemessen, also unter Berücksichtigung aller Verluste durch Eigenwiderstand, Luftwiderstand der Lokomotive und des 31∙5 m³ Wasser führenden Tenders wurden durchschnittlich 8∙08 kg Dampf und 1∙378 kg Kohle verbraucht.[150]

Bei den preußischen Staatsbahnen werden Versuche mit H. gemacht, deren Dampfzylinder nach der Gleichstrombauart Stumpf und mit Ventilsteuerung ausgerüstet sind (Beschreibung in Glasers Annalen, Jahrg. 1911, Bd. 68, Heft 3 und Jahrg. 1912, Bd. 71, Heft 6).

Literatur: Häder, Die Dampfkessel. Wiesbaden 1911. – Blum, v. Borries, Barkhausen, Das Eisenbahnmaschinenwesen der Gegenwart; Die Eisenbahnbetriebsmittel. Wiesbaden 1903. – R. Garbe, Die Dampflokomotiven der Gegenwart. Berlin 1907. – Leitzmann und v. Borries, Theoretisches Lehrbuch des Lokomotivbaues. Berlin 1911. – Dr. Schmidt, Die Anwendung von Heißdampf im Lokomotivbetriebe, 1913. – Ztschr.: Die Lokomotive. Wien, Jahrg. 1906, 1907, 1908 und 1910. – Hammer, Die Entwicklung des Lokomotivparks der preußisch-hessischen Staatsbahnen. – Glasers Ann., Bd. 68, Heft 2, 3, 7, 8, 9, Bd. 71, Heft 6, Bd. 72, Heft 1 bis 3, Bd. 73, Heft 7 und 8, Bd. 74, Heft 1 und 2. – Organ, Jahrg. 1906, 1910, 1911, 1912 und 1913. – Ztschr. dt. Ing., Jahrg. 1910, S. 119, 158, 537, 846, 923, Jahrg. 1911, S. 592, 833, 873, 1105, 1273, 1607, Jahrg. 1913, S. 1845. – Ztschr. f. Kleinb. 1913.

Rimrott.

Abb. 59.

Abb. 60. Rauchkammerüberhitzer von W. Schmidt.

Abb. 61 a–c. Rauchröhrenüberhitzer, Patent W. Schmidt.

Abb. 62. Klappenzug zum Rauchröhrenüberhitzer.

Abb. 63 a u. b. Rauchröhrenüberhitzer für volle Besetzung. Patent Schmidt.

Abb. 64. Überhitzer ältere Bauart Cole (mit Field-Röhre).

Abb. 65. Überhitzer von Notkin.

Abb. 66.

Abb. 67. Überhitzer von Gölsdorf-Clench.

Abb. 68.

Abb. 69. Kolbenschieber mit federnden Ringen und innerer Einströmung nach Schmidt.

Abb. 70. Kolbenschieber mit äußerer Dampfeinströmung.

Abb. 71. Hochwaldschieber mit doppelter Einströmung.

Abb. 72. Luftsaugeventil.

Abb. 73. Druckausgleichvorrichtung für Heißdampflokomotiven.

Abb. 74.

Tafel IV.

Tafel V.

Tafel VI.