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Dampfmaschinen

[234] Dampfmaschinen (steam engines; maschines à vapeur; macchine a vapore), Maschinen, bei denen bestimmte Teile durch gespannten Wasserdampf in Bewegung gesetzt werden, um diese Bewegung als nutzbringende Arbeit zu verwenden.

Je nachdem diese Bewegung eine hin- und hergehende oder eine rotierende ist, unterscheidet man Kolbendampfmaschinen und rotierende Dampfmaschinen.

In der ersten Hauptgruppe (Kolbendampfmaschinen) ergeben sich je nach Lage, Anzahl und Anordnung der Zylinder, der Art und Anordnung der Steuerung voneinander verschiedene Bauarten.

Die weitere Einteilung der Kolbendampfmaschinen kann nach einer Reihe von Gesichtspunkten erfolgen, die sich aus der Art und Weise, unter welcher der Dampf in den Dampfzylindern zur Wirkung gelangt, aus der Art der Übertragung der Dampfarbeit vom Kolben auf den zu überwindenden Widerstand u.s.w. ergeben.

I. Nach der Arbeitsleistung unterscheidet man:

1. Einfachwirkende D., die stets nur auf einer Kolbenseite Dampfdruck erhalten, so daß nur während jedes zweiten Hubs Arbeit geleistet wird.

2. Doppelt wirkende D., die das Arbeitsvermögen des Dampfes bei jedem Hub, also durch Dampfzulassung vor und hinter den Kolben ausnutzen.

II. Mit Rücksicht auf die Dampfspannungen und die Dampfverteilung (vgl. Dampfarbeit) unterscheidet man:

1. Volldruckmaschinen, bei denen man den Dampfeinlaßkanal während des ganzen Hubs geöffnet läßt, so daß die Dampfspannung immer auf gleicher Höhe bleibt.

2. Expansionsmaschinen, bei denen der Dampfeinlaßkanal abgeschlossen wird, nachdem der Kolben einen Teil des Hubs zurückgelegt hat; der Dampf expandiert hierauf bis zum Hubende.

3. Auspuffmaschinen, bei denen der zur Arbeit verbrauchte Dampf beim Rückgang des Kolbens ins Freie entweicht, so daß die Gegendruckspannung gleich oder in der Wirklichkeit etwas größer als 1 at. wird.

4. Kondensationsmaschinen, bei denen durch Kondensation des verbrauchten Dampfes die Gegendruckspannung (hier auch Kondensatorspannung genannt) fast bis zur Luftleere verringert wird.

Hierbei soll am Ende des Hubs die Spannung des expandierten Dampfes noch immer größer sein als der Gegendruck.

Bei Kondensationsdampfmaschinen ist daher eine kleinere Endspannung zulässig, und man kann den Dampf stärker expandieren lassen, was zu einer wirtschaftlich vorteilhaften geringeren Füllung führt.

III. Je nachdem die vom Dampf bei der Kolbenbewegung geleistete Arbeit ohne oder mit Einschaltung von Zwischentriebwerken ab gegeben wird, unterscheidet man:

1. Direkt wirkende D., bei denen der Kolben die Dampfarbeit unmittelbar bei geradliniger Bewegung abgibt, z.B. Dampfpumpen, Dampfpressen u.a., auf die in diesem Artikel nicht näher eingegangen wird.

2. Indirekt wirkende D., oder D. mit Kurbelbewegung, bei denen eine Umsetzung der geradlinigen Kolbenbewegung in die drehende Bewegung der Kurbelwelle stattfindet. Hierher gehören die Betriebsdampfmaschinen für den Antrieb von Transmissionen, die Lokomotiv- und Lokomobilmaschinen u.a.m.

IV. Nach dem Verhalten des Kolbens an den Hubenden werden unterschieden:

1. D. mit sofortigem Richtungswechsel an den Hubenden; dies sind die gewöhnlichen, fast überall angewendeten Arten von D.

2. D. mit Hubpausen; hierher gehören einige Arten von Dampfpumpen und Wasserhaltungsmaschinen.

Die Dampfverteilung bei den letztgenannten Maschinen erfolgt durch die sog. Kataraktsteuerungen.

Die mittlere Kolbengeschwindigkeit muß hierbei mit Berücksichtigung der Hubpausen bestimmt werden.

V. Die Drehung der Kurbelwelle kann entweder stets nur in einem Drehsinn oder aber mit Wechsel erfolgen.

Man unterscheidet daher nach den stattfindenden Drehrichtungen, denen die Kurbel unterworfen wird:[234]

1. D. mit stets in einer Richtung umlaufender Kurbel, also mit unveränderlich gleichgerichtetem Drehungssinn, wozu die Betriebsmaschinen für Transmissionen gehören.

2. D. mit alternierender Kurbeldrehung auch D. mit Vorwärts- und Rückwärtsgang oder Reversierdampfmaschinen genannt, wie sie für Lokomotiven, Reversierwalzwerke, Fördermaschinen u.a.m. angewandt werden.

VI. Die Größe der mittleren Geschwindigkeit sowie die Anzahl der Umdrehungen in der Mi nute gibt Veranlassung zur Einteilung der D. in

1. Langsamlaufende D., bei denen die mittlere Kolbengeschwindigkeit ungefähr 2 m/Sek., die Umdrehungszahl 80–100 in der Minute nicht übersteigt.

2. Schnell laufende D. mit Kolbengeschwindigkeiten bis zu 5 m/Sek. und Umdrehungszahlen bis 600 in der Minute und selbst darüber hinaus.

VII. Nach der Zylinderaufstellung bezeichnet man die Maschinen als:

1. Liegende D., bei denen Kurbelwellenmittel und Dampfzylinderachse sich in einer wagrechten Ebene befinden.

2. Schräg liegende D., bei denen die Ebene durch Kurbelwellenmittel und Zylinderachse gegen die Wagerechte geneigt ist.

3. Stehende D., deren Zylinderachse lotrecht steht, mit ober- oder unterhalb des Zylinders auf einem Eisengerüst angeordneter Kurbelachse.

4. Balancierdampfmaschinen. Diese Gruppe umfaßt jene D., bei denen von der Kolbenstange eines stehenden Dampfzylinders ein zweiarmiger Hebel, der sog. Balancier, in schwingende Bewegung versetzt wird, und von dem vermittels der Pleuelstange die Kurbel und die mit dieser verbundene Kurbelwelle in eine drehende Bewegung versetzt werden.

Balancierdampfmaschinen werden mit einem oder mehreren Dampfzylindern ausgeführt.

5. D. mit oszillierenden Zylindern, bei denen die Zylinder um zwei in einer Senk rechten zur Zylinderachse liegende Zapfen, durch die auch der Dampfeintritt stattfindet, schwingen. Die Mittelstellung der Zylinder ist meist die stehende. Dieses System findet bei Raddampfern Anwendung.

VIII. Nach der Anzahl der auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeitenden, im übrigen aber voneinander unabhängigen, mit gleich großen Zylindern ausgestatteten Maschinen unterscheidet man:

1. Einzylinderdampfmaschinen, bei denen, wie schon erwähnt, die Arbeit nur in einem Zylinder geleistet wird.

2. Zwillingsmaschinen, bei denen zwei ganz gleiche D. an den meist unter 90° gegen einander versetzten Kurbeln einer gemeinsamen Kurbelwelle angreifen. Diese D. geben eine gleichförmigere Bewegung und können in jeder Lage durch Öffnen des Dampfeinlaßventils in Gang gesetzt werden, da sich nicht beide Kurbeln gleichzeitig in ihren toten Punkten befinden können.

Hierher gehört die gewöhnliche Art der Lokomotivdampfmaschine.

3. Drillingsmaschinen, bestehend aus drei ganz gleichen D., die an einer gemeinsamen Kurbelwelle mit meist um je 120° gegeneinander verstellten Kurbeln angreifen oder aus drei um 120° verstellten Zylindern und gemeinsamem Kurbelzapfen (Brotherhood).

IX. Nach der Expansionsmethode lassen sich unterscheiden:

1. D. mit Expansion in einem Zylinder.

2. Compound oder Verbunddampfmaschinen, auch zwei- oder mehrstufige Expansionsdampfmaschinen genannt.

Bei diesen D. läßt man den hochgespannten Dampf zunächst auf den Kolben des kleineren, sog. Hochdruckzylinders arbeitsleistend einwirken, wobei die Expansion nur so weit getrieben wird, daß es dem aus dem Hochdruckzylinder austretenden Dampf noch möglich wird, in einen zweiten, größeren Zylinder, dem Niederdruckzylinder weiter zu expandieren.

Die bei jedem Hub in den Hochdruckzylinder eintretende Dampfmenge nimmt schließlich im expandierten Zustand den Rauminhalt des Niederdruckzylinders unmittelbar vor der Ausströmung ein.

Strömt in den Hochdruckzylinder ein Volumen v frischen Kesseldampfes ein und ist V der Rauminhalt des Niederdruckzylinders, so nennt man das Verhältnis V/v die Gesamtexpansion der betreffenden Maschine.

Damit der Dampf im Niederdruckzylinder weiter expandieren könne, muß dessen Rauminhalt größer sein als der des Hochdruckzylinders.

Die stufenweise Expansion kann auch in drei (Hoch-, Mittel- und Niederdruckzylinder) oder vier Zylindern erfolgen, deren Größen in einem bestimmten Verhältnis zunehmen müssen.

Nach der Anordnung, die man für die stufenweise Expansion trifft, unterscheidet man:

1. Woolfsche D. Zwei Zylinder liegen parallel zueinander; die Kolben stehen stets gleichzeitig am Hubende, u. zw.:[235]

a) bei der Tandem-Maschine sind die zwei Zylinder hintereinander mit dem Mittel in einer Geraden angeordnet. Beide Kolben sind auf gemeinsamer Kolbenstange befestigt, die mit dem Kreuzkopf verbunden ist, der durch eine Schubstange die Arbeitsabgabe der Maschine an einen Kurbelzapfen, bzw. an die Welle bewirkt.

Wirken zwei ganz gleiche Tandem-Dampfmaschinen auf eine Kurbelwelle mit zwei unter 90° versetzten Kurbeln, so erhält man eine Zwillings-Tandem-Dampfmaschine;

b) bei der Woolf-Maschine mit unter 180° versetzten Kurbeln liegen die Dampfzylinder nebeneinander.

Will man das Oberströmen aus dem kleinen in den großen Zylinder nicht während des ganzen Kolbenhubs stattfinden lassen, sondern im großen Zylinder eine kleinere als die Vollfüllung einstellen können, so muß man es dem aus dem kleinen Zylinder ausströmenden Dampf ermöglichen, sich in einem in das Oberströmrohr einzuschaltenden Zwischenbehälter anzusammeln, da sonst der Gegendruck auf den kleinen Kolben zu stark anwachsen würde und man erhält dann:

2. Die Woolf-Receiver Dampfmaschinen, das sind jene Woolf-Maschinen, deren Überströmrohr aus dem kleinen in den großen Zylinder mit einem Zwischenbehälter, Receiver genannt, ausgestattet ist.

Obwohl auch alle bisher genannten zweistufigen Expansionsmaschinen als Compound- oder Verbundmaschinen bezeichnet werden, so gilt schlechtweg der Name:

3. Compound- oder Verbund-Dampfmaschine, wohl auch Compound-Receiver-Dampfmaschine, für jene zweistufigen Expansionsdampfmaschinen, bei denen die Hochdruck- und die Niederdruckmaschine auf Kurbeln arbeiten, die gegeneinander um 90° versetzt sind.

4. Triplex-Expansions-Dampfmaschinen. Bei diesen verteilt sich die Dampf arbeit in drei Dehnungsstufen, zumeist in drei Dampfzylindern u. zw. in einen Hochdruck-, einen Mitteldruck- und einen Niederdruckzylinder.

Zuweilen gelangen jedoch ein Hochdruck-, zwei Mitteldruck- und ein Niederdruckzylinder in Anwendung.

5. Quadruplex-Maschinen mit Expansion in vier Zylindern werden bis jetzt nur als Schiffsmaschinen verwendet.

X. Einen weiteren Einteilungsgrund der D. bildet die Art der Regelung der Füllung.

Nach Einleitung der Änderung in der Füllungszeit unterscheidet man:

1. D. mit von Hand einstellbarer Füllung meist unter Beigabe von Drosselvorrichtungen.

2. D. mit automatisch vom Regulator einstellbarer Füllung, die man allgemein Präzisionsdampfmaschinen nennt.

XI. Nach den Zwecken, für die man die D. verwendet, teilt man sie schließlich auch ein in:

1. Stationäre oder stabile D. zum Antrieb von Transmissionen für Werkstätten, Pumpen, elektrische Beleuchtung u.s.w.

2. Halbstationäre D., bei denen vermöge ihrer Bauart der Aufstellungsort leicht geändert werden kann.

3. Lokomobildampfmaschinen.

4. Lokomotivdampfmaschinen.

5. Schiffsdampfmaschinen.

In der zweiten Hauptgruppe der D., den rotierenden D., die allgemein als Dampfturbinen bezeichnet werden, ergeben sich je nach der Anzahl der Druckabstufungen ein- und mehrstufige Druckturbinen und mehrstufige Gegendruckturbinen. Beide Arten können mit oder ohne Kondensation ausgeführt werden. Hierbei unterscheidet man Dampfturbinen, bei denen die Kondensatoren getrennt von den Turbinen aufgestellt und solche, bei denen die Kondensatoren in die Turbinen eingebaut sind.

Im Eisenbahndienste finden D. Anwendung: bei allen Dampflokomotiven; im Werkstättenbetriebe; zum Antrieb von Wasserhebe- und Lasthebe-Maschinen; in den Kraftzentralen zur Erzeugung von elektrischer Energie für Traktions-, Kraftübertragungs- und Beleuchtungszwecke; zum Antrieb von Drehscheiben und Schiebebühnen; bei Ventilationsanlagen; mechanischen Lokomotivbekohlungsanlagen u.s.w.

Literatur: Radinger, Dampfmaschinen mit hoher Kolbengeschwindigkeit. Wien 1872. – Grashof, Theoretische Maschinenlehre. Leipzig 1877 u. 1886. – Hrabák, Die Dampfmaschinenberechnung. Prag 1877; Hilfsbuch für Dampfmaschinentechniker. Berlin 1883. – Weisbach-Herrmann, Mechanik der Umtriebsmaschinen. Braunschweig 1883–1887. – C. Busley, Die Schiffsmaschine. Kiel 1886. – Reiche, Der Dampfmaschinenkonstrukteur. Aachen 1886. – Rühlmann, Maschinenlehre. Leipzig 1888. – Zivilingenieur, Zeitschrift d. Ver. deutscher Ing. – Bulletin de la société industrielle de Mulhouse. – Dinglers polytechn. Journ. – Wagner, Die Dampfturbinen, Hannover 1904. – Freytag, Die ortsfesten Dampfmaschinen. Leipzig 1911.

Spitzner.