Dampfmaschine

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Einleitung

Dampfmaschine, mechanische Anlage zur Übertragung der Energie von Wasserdampf in mechanische Energie für verschiedenartige Anwendungen, darunter für Antriebe und zur Erzeugung von Elektrizität. Das Grundprinzip der Dampfmaschine besteht darin, Wärmeenergie von Wasserdampf in mechanische Energie umzuwandeln, indem man den Wasserdampf in einem Zylinder abkühlen lässt. Ein im Zylinder angebrachter Kolben wird durch die Temperaturunterschiede (heißer und abgekühlter Wasserdampf) hin- und herbewegt. Wasserdampf zur Erzeugung von Energie oder zum Heizen wird in der Regel in einem Dampfkessel erzeugt. Die einfachste Form eines Dampfkessels ist ein geschlossener, mit Wasser gefüllter Behälter, der mit einer Flamme so lange erhitzt wird, bis das Wasser zu gesättigtem Dampf wird. Die gewöhnliche, in vielen Haushalten eingesetzte Warmwasseranlage arbeitet mit einem solchen Kessel, den man in einer solchen Anlage als Warmwasserbereiter (auch Heißwasserbereiter) bezeichnet. Neben der Erwärmung durch eine Gasflamme kennt man auch die Erwärmung mit Hilfe eines Tauchsieders. Großtechnische Anlagen zur Erzeugung von Elektrizität aus Dampf sind allerdings erheblich komplizierter aufgebaut und mit einer Reihe unterschiedlicher Zusatzgeräte ausgestattet. Der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen ist im Allgemeinen niedrig, daher wurden sie bei der Elektrizitätserzeugung in den meisten Fällen durch Dampfturbinen ersetzt.

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Geschichte

Die erste Kolbenkraftmaschine wurde 1690 von dem französischen Physiker und Erfinder Denis Papin entwickelt und beim Pumpen von Wasser eingesetzt. Papins Maschine, kaum mehr als eine Spielerei, war ein primitives Gerät, bei dem die Hauptleistung mit Luft- und nicht mit Dampfdruck (siehe Druck) erzielt wurde. Sie bestand aus einem einzigen Zylinder, der gleichzeitig als Kessel diente. Eine geringe Menge Wasser wurde auf den Boden des Zylinders geleitet und erwärmt, bis sich Dampf bildete. Der Dampfdruck hob einen in den Zylinder eingepassten Kolben. Anschließend wurde die Heizquelle unter dem Zylinder entfernt. Beim Abkühlen des Zylinders kondensierte der Dampf, und der Luftdruck über dem Kolben drückte diesen wieder nach unten.

1698 baute der englische Ingenieur Thomas Savery eine Dampfmaschine mit zwei Kupferbehältern, in die abwechselnd aus einem Kessel Dampf eingeleitet wurde. Saverys Maschine wurde ebenfalls zum Wasserpumpen eingesetzt, wie auch die so genannte atmosphärische Dampfpumpe mit Balancier (zweiarmiger Hebel), die der englische Erfinder Thomas Newcomen im Jahr 1705 konstruierte. Dieses Gerät hatte einen senkrechten Zylinder und einen mit Gegengewichten versehenen Kolben. Zusammen mit den Gegengewichten bewirkte Dampf, der mit geringem Druck unten in den Zylinder geleitet wurde, dass sich der Kolben zum oberen Ende des Zylinders bewegte. War der Kolben dort angekommen, öffnete sich automatisch ein Ventil, durch das ein Strom kalten Wassers in den Zylinder gespritzt wurde. Dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben wieder zum unteren Ende des Zylinders. Eine Stange, die an dem Verbindungsbalken zwischen Kolben und Gegengewicht befestigt war, bewegte sich mit dem Kolben auf und ab und betätigte eine Pumpe. Newcomens Maschine brachte nur geringe Leistung, konnte aber zum Abpumpen von Wasser aus Kohlengruben eingesetzt werden.

Während der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt Verbesserungen an Newcomens Maschine vornahm, machte er eine Reihe von Erfindungen, die das Entstehen der modernen Dampfmaschine ermöglichten. Watts erste wichtige Entwicklung war die Konstruktion einer Maschine mit einem eigenen Raum für das Kondensieren des Dampfes. Diese 1769 patentierte Maschine verbesserte den Wirkungsgrad der Maschine von Newcomen erheblich. Der Dampfverlust durch das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Zylinders blieb bei dieser Konstruktion nahezu aus. Watts Maschine hatte einen isolierten Zylinder, der ständig die Dampftemperatur beibehielt. In dem davon getrennten, wassergekühlten Kondensationsraum wurde mit einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt, so dass der Dampf vom Zylinder in den Kondensationsraum gesaugt wurde. Mit der Pumpe wurde auch das Wasser aus dem Kondensationsraum entfernt.

Eine weitere tief greifende Änderung in der Konstruktion der ersten Maschinen von Watt war die Verwendung von Wasserdampf statt Luftdruck. Watt erfand außerdem ein Verfahren, mit dem ein sich hin- und herbewegender Kolben einer Maschine ein sich drehendes Schwungrad antreiben konnte. Das erreichte er zunächst durch ein System von Zahnrädern, ein Getriebe, später wie bei modernen Kraftmaschinen mit einer Kurbelwelle. Weitere von Watt eingeführte Verbesserungen und Erfindungen waren u. a. die Anwendung des Prinzips der Doppelwirkung, bei dem Dampf abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so dass in beide Richtungen Druck auf den Kolben ausgeübt wurde. Watt rüstete seine Kraftmaschinen auch mit Drosselklappen aus. Damit ließ sich die Geschwindigkeit regeln. Mit Hilfe von Fliehkraftreglern erreichten seine Konstruktionen automatisch eine gleich bleibende Arbeitsgeschwindigkeit.

Die nächste entscheidende Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfmaschine war die Einführung brauchbarer Hochdruckdampfmaschinen. Watt hatte zwar das Prinzip der Hochdruckdampfmaschine erkannt, konnte aber diese Art der Maschine nicht vervollkommnen. Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und Erfinder Richard Trevithick und dem amerikanischen Erfinder Oliver Evans, eine Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren. Trevithick setzte dieses Modell der Dampfmaschine zum Antrieb der ersten je gebauten Lokomotive für eine Eisenbahn ein. Sowohl Trevithick als auch Evans bauten dampfbetriebene Kutschen zur Fortbewegung auf Straßen.

Etwa zur gleichen Zeit baute der britische Ingenieur und Erfinder Arthur Woolf die erste Verbundmaschine (auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt). Sie stellte eine Verbesserung der Zweifach-Expansionsmaschine von J. Hornblower dar. Bei der Mehrfach-Expansionsmaschine wird unter hohem Druck stehender Dampf zunächst auf einen und, nachdem er sich ausgedehnt und dabei Druck verloren hat, auf einen weiteren Kolben geleitet. Woolfs erste Maschinen hatten zwei Zylinder. Später gab es aber auch Arten mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion. Der Vorteil der Verbindung von zwei oder mehr Zylindern besteht darin, dass weniger Energie durch Abgabe von Wärme an die Zylinderwände verloren geht und die Maschine deshalb einen höheren Wirkungsgrad erzielt.

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Moderne Dampfmaschinen

Die Abbildungen 1a–d zeigen die Funktionsweise einer üblichen modernen Dampfmaschine mit ihrem Arbeitszyklus. Abbildung 1a zeigt, wie Dampf, der in die Ventilkammer eingelassen wird, durch die Einlassöffnung von links in den Zylinder strömt, während sich der Kolben auf der linken Seite des Zylinders befindet. Durch die Lage des Ventils, das hier ein Schieber ist, kann der verbrauchte Dampf an der rechten Seite des Zylinders durch die Auslassöffnung austreten. Die Bewegung des Kolbens treibt ein Schwungrad an, das wiederum mit der Stange verbunden ist, die den Schieber betätigt. Die Stellung von Kolben und Schieber zueinander hängt davon ab, an welcher Stelle des Schwungrades Kurbelwelle und Schieberstange angebracht sind.

Bei der in Abbildung 1b dargestellten zweiten Stellung hat sich der auf der linken Seite eingetretene Dampf ausgedehnt und den Kolben in die Mitte des Zylinders gedrückt. Gleichzeitig hat sich das Ventil geschlossen, so dass der Zylinder völlig abgeschlossen ist und Dampf weder aus dem Zylinder noch aus der Ventilkammer austreten kann.

Während sich der Kolben unter dem Druck des sich ausdehnenden Dampfes weiter nach rechts bewegt (Abb. 1c), wird die Öffnung an der linken Seite des Zylinders über das Ventil mit dem Austrittsrohr und gleichzeitig die Ventilkammer mit dem rechten Teil des Zylinders verbunden. Diese Stellung ist die Vorbereitung für das nächste Arbeitsspiel des Doppelzyklus. Letztendlich schließt in der vierten Stellung (Abb. 1d) das Ventil wieder die Öffnungen an beiden Seiten des Zylinders. Der Kolben bewegt sich nach links, angetrieben vom sich ausdehnenden Dampf im rechten Teil des Zylinders.

Das in der Abbildung dargestellte Ventil ist ein einfacher Schieber, die Grundform der meisten Ventile, die in heutigen Dampfmaschinen eingesetzt werden. Solche Ventile haben den Vorteil, dass man ihre Arbeitsweise umkehren kann. Ihre Stellung gegenüber dem Kolben lässt sich variieren. Dies gelingt mit Hilfe des Exzenters, der sie betätigt (Abb. 2). Durch Drehen des Exzenters um 180 Grad kann die Drehrichtung der Maschine umgekehrt werden.

Der Schieber hat aber auch eine Reihe von Nachteilen. Der wichtigste ist die durch den Dampfdruck auf der Rückseite des Schiebers erzeugte Reibung. Um Verschleißerscheinungen zu vermeiden, sind die Schieber von Dampfmaschinen häufig zylindrisch geformt, so dass sie den Kolben vollständig umschließen. Damit ist der Druck auf das Ventil überall gleich, und die Reibung wird auf ein Minimum beschränkt. Die Entwicklung dieser Art von Ventilen wird dem amerikanischen Erfinder und Fabrikanten George Henry Corliss zugeschrieben. Bei anderen Schieberformen ist der bewegliche Teil so konstruiert, dass der Dampfdruck nicht direkt auf die Rückseite des Schiebers wirkt.

Die Verbindung zwischen dem Kolben der Maschine und dem Ventil, das der Maschine Dampf zuführt, hat eine große Bedeutung für die Leistung und den Wirkungsgrad der Maschine. Durch Verändern des Zeitpunktes innerhalb des Arbeitszyklus, an dem Dampf in den Zylinder geleitet wird, kann man die Verdichtung und Ausdehnung des Dampfes im Zylinder und damit die Leistung der Maschine verändern. Eine Reihe unterschiedlicher Arten von Ventilsteuerungen, die den Kolben mit dem Schieber verbinden, bewirken nicht nur eine Umkehr der Drehrichtung der Maschine, sondern ermöglichen auch eine Steuerung der Dampfzufuhr. Besondere Bedeutung kommt der Ventilsteuerung bei Lokomotiven zu. Hier ändert sich ständig die erforderliche Energiemenge, die die Maschine bereitstellen muss. Die größte Leistung ist beim Anfahren gefordert, während der Fahrt ist die erforderliche Leistung geringer.

Ein wichtiger Teil aller Arten von Kolbendampfmaschinen ist das vom Kolben über eine Kurbelwelle angetriebene Schwungrad. Aufgrund seiner Trägheit wandelt dieses Schwungrad, meist ein schweres gusseisernes Teil, die einzelnen Energiestöße, die durch das Ausdehnen des Dampfes im Zylinder entstehen, zu einer kontinuierlichen Bewegung um und ermöglicht so, dass man mit der Maschine einen gleichmäßigen Energiefluss erzeugen kann.

Es kann vorkommen, dass eine Dampfmaschine mit nur einem Zylinder beim Abschalten in einer Stellung mit dem Kolben an einem Ende des Zylinders stehen bleibt. In diesem Fall befindet sich der Kolben an einem Totpunkt, und die Maschine kann nicht wieder anlaufen. Um das zu vermeiden, haben Dampfmaschinen häufig zwei oder mehr miteinander verbundene Zylinder, deren Arbeitsspiele so abgestimmt sind, dass die Maschine immer anlaufen kann, gleichgültig in welcher Stellung sich ein einzelner Kolben gerade befindet. Die einfachste Art, zwei Kolben einer Maschine miteinander zu verbinden, ist die in Abbildung 3 gezeigte Anordnung der beiden Kurbelwellen am Schwungrad. Um einen gleichmäßigeren Lauf zu erreichen, kann man auch drei Zylinder mit jeweils in einem Winkel von 120 Grad versetzten Kurbelwellen verwenden. Bei Verbundmaschinen ist nicht nur das Problem des Anlaufens gelöst, sie arbeiten auch zuverlässiger.

Im Gegensatz zu einer normalen Einzylindermaschine kann die Temperatur im Zylinder einer Verbundmaschine ungefähr gleich gehalten werden, was den Wirkungsgrad der Maschine erhöht.

Eine weitere Konstruktionsverbesserung der Dampfmaschine stellt die Gleichstromdampfmaschine dar. Sie wurde 1908 von J. Stumpf erfunden. Bei dieser Form dient der Kolben selbst als Ventil, und die verschiedenen Bereiche des Zylinders haben ständig eine etwa gleich bleibende Temperatur, wenn die Maschine in Betrieb ist. Bei der Gleichstromdampfmaschine fließt der Dampf nur in eine Richtung, während er durch den Zylinder strömt und sich dabei ausdehnt. Das erreicht man, indem an beiden Zylinderenden eine Einlassöffnung und in der Mitte des Zylinders eine Auslassöffnung angebracht wird. Die Dampfzufuhr in den Zylinder steuert ein eigenes Ventil an jeder Einlassöffnung. Zwar sind solche Gleichstromsysteme erheblich teurer als herkömmliche Dampfmaschinen, aber aufgrund ihrer Vorteile werden sie meist in größeren Anlagen eingesetzt. Einer dieser Vorteile besteht darin, dass in der Gleichstromdampfmaschine Hochdruckdampf auch in einer Einzylindermaschine wirksam eingesetzt werden kann, ohne dass man mehrere Zylinder verbinden muss.