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Die Dampfmaschine

Das Herzstück einer Dampflokomotive ist die Dampfmaschine. Wie, Sie meinten, dass das eigentlich das gleiche sei? Könnte man meinen, doch bisher hatten wir eigentlich auf unserer Dampflokomotive nur den notwendigen Dampf erzeugt. Mehr auch nicht. Damit könnten wir nun ein Haus heizen, denn alles, was wir bisher kennen gelernt haben, könnte auch bei einer Heizung so verwendet werden. Damit aus dieser Dampferzeugungsmaschine eine Lokomotive wird, benötigen wir die Dampfmaschine.
Da wir das gekochte Wasser, beziehungsweise den daraus entstandenen Dampf, aus dem Kessel aber zur Erzeugung einer Bewegungsenergie nutzen wollen, benötigen wir ein zusätzliches Bauteil. Dieses Bauteil nennt man Dampfmaschine. Eigentlich ist sie daher der Motor der Dampflokomotive. Jedoch ist die Dampfmaschine schon älter als jede Dampflokomotive. Denn mit der Dampfmaschine wurde die Industrie damals erst ermöglicht. Doch wer erfand die Dampfmaschine?
Erfunden wurde die Dampfmaschine von einem Engländer. Genauer war es Thomas Newcomen, der die Dampfmaschine in ihrer ersten Form erfunden hatte. Newcomen wurde am 26. Februar 1663 in Dartmouth geboren und war ein Erfinder. Er erfand eine Maschine die mit der Hilfe von Dampf das Wasser aus den Gruben pumpte. Newcomen starb am 5. August 1729 in London und ging bei der Erfindung der Dampfmaschine beinahe vergessen.
Vielmehr wird die Erfindung fälschlicherweise James Watt zugeschlagen. James Watt lernen Sie übrigens beim Begriff Leistung kennen. Dort verwendet man den nach ihm benannten Wert Watt. Bei der Dampfmaschine verbesserte er nur die Konstruktion von Thomas Newcomen, so dass er oft als Erfinder genannt wird. Wir jedoch wissen nun, dass diese Ehre einer anderen Person zusteht und zwar Thomas Newcomen.
Diese Maschine, wie wir sie heute kennen, wird durch den Dampf angetrieben und erzeugt so eine längs gerichtete Bewegung. Erst die Erfindung der Dampfmaschine revolutionierte die Industrie und führte letztlich zur Dampflokomotive. Wir sollten uns deshalb die Dampfmaschine in ihren Details einmal genauer ansehen. Ein so wichtiges Gerät bedarf sicherlich einer genaueren Betrachtung, denn wir werden kaum mehr auf eine revolutionärere Konstruktion stossen.
Die Dampfmaschine besteht aus zwei wesentlichen Bauteilen. Diese Teile sind zum Teil von James Watt erfunden worden, jedoch ist das Funktionsprinzip von Thomas Newcomen bereits bei der ersten primitiven Dampfmaschine erfunden worden.
In einem ersten Schritt betrachten wir daher die einzelnen Teile der Dampfmaschine nur schnell, um anschliessend die Details besser kennen zu lernen. So kommen wir auch zum grundlegenden Funktionsprinzip.
Wichtigster Teil war ein Kolben, der in einem Rohr hin und her geschoben wurde. Dadurch arbeitete eine Dampfmaschine immer in einem Prinzip von zwei Takten.
Der erste Takt schiebt den Kolben vor, der zweite zurück. Bei Thomas Newcomen erfolgte der zweite Teil noch mit kaltem Wasser, das den Dampf kühlte. Erst James Watt verbesserte die Maschine so, dass sie bei beiden Takten arbeiten konnte. Am Prinzip änderte sich jedoch nichts.
Bei der Dampfmaschine nach James Watt wird die Dampfmaschine noch mit geregelten Schiebern ergänzt. Damit funktionierte diese Maschine besser und konnte auch für den Antrieb von rotierenden Maschinen benutzt werden. Genau diese Version der Dampfmaschine werden wir uns nun genauer ansehen. Dabei beginnen wir mit dem Dampfzylinder, der schon bei Thomas Newcomen verwendet wurde. Doch diese Dampfzylinder werden wir in Bezug auf die Dampflokomotive ansehen.
Der Dampfzylinder: Hauptbestandteil der Dampfmaschine ist der Dampfzylinder. Wenn wir einen solchen Zylinder im Schnitt betrachten, erkennen wir, dass er mehrere Teile besitzt. Der Hauptteil ist die zylindrische Röhre, die dem Bauteil letztlich seinen Namen gab. Beidseitig wurde diese Bohrung mit Deckeln verschlossen, so dass darin ein geschlossener Hohlraum entstand. Zwei Zugänge ermöglichen die Dampfzufuhr.
In diesen Dampfzylinder wird ein bewegliches Bauteil eingelegt, das auf beiden Seiten Stangen zur Führung besitzt. Dieses Bauteil nennt man Kolben.
Die Stange wird auf dieser Seite ausgestossen und kann so eine Bewegung ausführen. Zur Stabilisierung ist die Stange auch auf der anderen Seite vorhanden, hat aber keinen Nutzen.
Strömt nun auf der anderen Seite Dampf hinein, wird der Kolben auf die andere Seite geschoben und der sich dort befindliche Dampf ausgestossen.
Die Kolbenstange, die zur Ausführung der Arbeit benutzt wird, wird nun wieder eingezogen. Damit bewegt sich die Kolbenstange jeweils in zwei Richtungen. Sie wird ausgestossen und wieder eingezogen. Dieser Fortgang wiederholt sich nun und so bewegt sich die Kolbenstange hin und her. Der an der Kolbenstange angeschlossene mechanische Antrieb der Lokomotive bewegt daraufhin die Räder und die Lokomotive setzt sich in Bewegung.
Am Zylinder angebrachte Schlemmhahnen erlauben es, allenfalls im Dampfzylinder durch Kondensation entstandenes Wasser auszustossen. Wasser ist eine Flüssigkeit und die kann nicht verdichtet werden. Auch kann es nicht durch den im Anschluss vorgestellten Schieberkasten geleitet werden, weil es nicht gasförmig ist. Mit den Schlemmhahnen wird das Wasser jedoch mit der Hilfe von Dampf aus dem Zylinder direkt ins Freie gespült.
Damit haben wir nun die Bewegung und die Funktion der Dampfmaschine kennen gelernt. Diese Prinzip war lange vor der Dampfmaschine bekannt, jedoch musste eine Einrichtung geschaffen werden, die klar regelt, wann der Dampf wo in den Zylinder gelassen wird. Dieses Bauteil, das Schieberkasten genannt wird, wird unmittelbar beim Zylinder montiert und regelt die Zufuhr des Dampfes. Daher lohnt es sich, wenn wir auch einen Blick in den Schieberkasten werfen.
Der Schieberkasten: Der Schieberkasten regelt die Zufuhr, beziehungsweise die Abfuhr des Dampfes im Zylinder. Er kann somit als Steuerung des Zylinders angesehen werden. Wobei wir die Steuerung später ansehen. Jetzt reicht es, wenn wir wissen, dass der Schieberkasten die Regelung der Dampfzufuhr übernimmt. Der Schieberkasten regelt so, wie sich der Zylinder zu bewegen hat. Dazu gibt es im Schieberkasten die entsprechen Bauteile, die wir nun ansehen werden.
Beginnen wir mit der Zufuhr des Dampfes. Der Dampf aus dem Kessel wird mit einem Regulator aus dem Dampfdom bezogen und dann direkt oder über den Überhitzer in einer Leitung zum Schieberkasten geführt. Der Dampf aus dem Kessel gelangt also nicht direkt in den Zylinder, sondern wird dem Schieberkasten zugeführt. Nur so kann die Dampfmaschine korrekt betrieben werden. Betrachten wir daher rasch den Regulator und somit die Zufuhr des Dampfes.
Der Regulator regelt die Menge des im Schieberkasten zur Verfügung stehenden Dampfes. Man kann den Regulator eigentlich als einfaches Ventil bezeichnen. Je mehr dieses Ventil geöffnet wird, desto mehr Dampf kann durchfliessen. Der Name Regulator kommt daher, dass mit diesem Ventil die Dampfmaschine und deren Dampfverbrauch geregelt werden. Man kann so den zur Verfügung stehenden Dampf regulieren, was letztlich zum Namen führt.
Wichtigstes Bauteil im Schieberkasten ist der Schieber. Sie können sich den Schieber wie eine Abdeckung vorstellen. Diese Abdeckung enthält einen Hohlraum. Nehmen Sie in der Küche einen Suppenteller und legen Sie ihn verkehrt herum auf den Tisch. Nun bildet sich ein Hohlraum unter dem Teller. Bewegen Sie den Teller nun, haben Sie einen Schieber zur Regelung der Dampfmaschine. Natürlich ist bei der Dampfmaschine das Teil etwas präziser gearbeitet.
Der Schieber lenkt den Dampf so, dass er entweder in den Zylinder einströmt oder diesen durch den Ausströmkanal und das Blasrohr verlässt. Dabei deckt der Schieber jeweils den Bereich ab, bei dem der Dampf aus dem Zylinder entweichen muss. Damit es den Schieber nicht abheben kann, wird er von frischem Dampf und dessen Druck auf das Register, also auf die Gleitbahn mit den Leitungen zum Zylinder und zum Ausströmkanal, gepresst.
Bewegt wird der Schieber mit der so genannten Schieberstange. Diese Stange ist an der Steuerung angeschlossen. Die Steuerung wird durch die Bewegung der Dampfmaschine angeregt. So steuert sich die Dampfmaschine selber und sie beginnt zu laufen. Um die Dampfmaschine anzuhalten, wird der Schieber so verschoben, dass beide Leitungen zum Zylinder verschlossen werden. Die Dampfmaschine bekommt keinen frischen Dampf und steht still.
Die Dampfmaschine im Verbund: Man kann zwei Dampfmaschinen nacheinander schalten. Diese Schaltung der Dampfzylinder nennt man Verbund. Beim Verbund wird der Abdampf aus der ersten Dampfmaschine nicht dem Ausströmkanal, sondern dem Verbinder, zugeführt. Vom Verbinder aus gelangt der Dampf zum Schieberkasten der zweiten Dampfmaschine und wird dort noch einmal benutzt. Wir haben daher in den beiden Dampfmaschinen eine doppelte Dampfausnutzung.
Damit das optimal funktionieren kann, dürfen jedoch nicht gleich aufgebaute Dampfmaschinen verwendet werden. Der Dampf, der in der ersten Dampfmaschine schon seine Arbeit ausgeführt hat, verfügt für die zweite Dampfmaschine nicht mehr über die gleiche Kraft, daher unterschiedet man die Dampfzylinder der beiden Dampfmaschinen, wenn diese im Verbund betrieben werden. Diese Dampfzylinder sehen wir uns nun an.
Der Hochdruckzylinder wird mit dem frischen Dampf ab dem Kessel, beziehungsweise ab dem Überhitzer versorgt. Er ist somit so angeschlossen worden, wie wir das von der vorher beschriebenen einfachen Dampfmaschine her gewohnt sind. Daher können auch Lokomotiven gebaut werden, die nur Zylinder für frischen Dampf besitzen. Das heisst, dort wird der Dampf nur einmal genutzt und dann dem Blasrohr zugeführt.
Der Name Hochdruckzylinder kommt daher, dass der zugeführte Dampf jetzt noch seinen vollen Druck hat und seine optimale Arbeit leisten kann. Somit sind bei Lokomotiven mit einfacher Dampfausnutzung nur solche Hochdruckzylinder verbaut worden. Der Begriff selber, wird jedoch nur verwendet, wenn die Dampfmaschine im Verbund betrieben wird, denn nur dort gibt es unterschiedliche Zylinder und man muss einen davon als Hochdruckzylinder benennen.
Die Niederdruckzylinder werden vom Verbinder mit dem Dampf aus der ersten Dampfmaschine versorgt. Dieser Dampf hat bereits einen Teil des Druckes verloren und steht daher unter einem niederen Druck. Deshalb wird dieser Zylinder Niederdruckzylinder genannt. Damit mit dieser Dampfmaschine trotzdem noch genügend Kraft erzeugt werden kann, sind diese Zylinder etwas grösser als die der Hochdruckzylinder gestaltet worden.
Ein Niederdruckzylinder kommt nur zur Anwendung, wenn die Dampfmaschinen im Verbund betrieben werden, denn nur dort gibt es überhaupt Dampf mit niederem Druck. Alle anderen Lokomotiven, also die Lokomotiven ohne Verbinder, besitzen keine Niederdruckzylinder. Denn die benötigt man nur, wenn man die Dampfmaschinen im Verbund arbeiten lässt. Das heisst jedoch nicht, dass man einem Niederdruckzylinder nicht auch frischen Dampf zuführen kann.
Mit Hilfe eines Wechselschiebers kann man den Niederdruckzylindern frischer Dampf zuführen. Dieser Wechselschieber, der auch Wechselventil genannt wird, regelt die Dampfzufuhr im Niederdruckzylinder. Diese Wechselschieber werden bei Lokomotiven mit zuschaltbarem Antrieb oder für schwere Anfahrten in den Steigungen benutzt. Beim Fall für die Anfahrten, darf dem Niederdruckzylinder jedoch nur kurzfristig Frischdampf zugeführt werden.
Soweit haben wir den Hauptteil der Dampfmaschine kennen gelernt. Damit ist zwar die Dampfmaschine erstellt, aber funktionieren wird sie noch nicht richtig. Uns fehlt eigentlich nur noch ein Bauteil, damit sie korrekt betrieben werden kann. Dieses Bauteil regelt die Schieber der Dampfmaschine. Da diese Schieber die Dampfzufuhr zu den Zylindern steuern, kommen wir nun zu den Steuerungen für die Dampfmaschine.
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