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Titel
Dampfmaschine
[* 3] (hierzu Tafel »
Dampfmaschine I und II«),
eine Kraftmaschine, die mit gespanntem Wasserdampf betrieben wird. Derjenige Teil, welcher zunächst die Kraft [* 4] des in einem Dampfkessel [* 5] erzeugten gespannten Dampfes aufnimmt, ist der Dampfkolben, ein Kolben, welcher sich in einem cylindrischen Raum (Dampfcylinder) dicht anschließend hin und her bewegen läßt. Der Dampf [* 6] kann auf zweierlei Arten zur Wirkung gebracht werden. Läßt man nämlich in den Cylinder von einer Seite Dampf von einer höhern Spannung als der der umgebenden Luft treten, während die andre Seite mit der Atmosphäre kommuniziert, so wird der Kolben von dem Dampfe vorwärts bewegt, es wirkt also der Dampf in diesem Fall durch direkten Druck.
Sperrt man dagegen den
Dampf ab, sobald der
Kolben das Ende des
Cylinders erreicht hat, und kühlt man den
nunmehr mit
Dampf gefüllten
Cylinder mit
Hilfe von kaltem
Wasser ab, so kondensiert sich der
Dampf zu
Wasser, und da dies einen
bedeutend kleinern
Raum einnimmt als der
Dampf, so wird der übrige
Raum nahezu leer sein.
Daher wird von dieser Seite auf den
Kolben gar kein
Druck ausgeübt werden, während auf der andern Seite der
Druck der atmosphärischen
Luft
herrscht. Dadurch wird der
Kolben wieder zurückgetrieben. Hierbei wirkt der
Dampf also nicht direkt, sondern durch Erzeugung
eines
Vakuums. Bei den modernen
Dampfmaschinen
[* 7] ist entweder die erstere Wirkungsart (durch direkten Dampfdruck) oder beide
(direkter Dampfdruck und Erzeugung eines
Vakuums durch
Kondensation) im
Gebrauch, während man von der zweiten
ohne die erste jetzt keine Verwendung mehr macht.
Die Wattsche Niederdruckmaschine.
Die erste wirklich praktische
Dampfmaschine ist von
James
Watt erfunden worden.
Watt wandte
Dampf von geringer
Spannung (1-1½
Atmosphäre
Totaldruck) an, weshalb man diese Art
Maschinen
Wattsche
Niederdruckmaschinen nennt. Eine solche
[* 1]
(Fig. 1)
diene, als Vorbild aller modernen
Dampfmaschinen, zur
Erläuterung des
Prinzips der H ist der gußeiserne, zum
Schutz gegen
Abkühlung mit einem zweiten
Cylinder
(Mantel) umgebene Dampfcylinder, in welchem der
Kolben (Dampfkolben) Z dicht anschließend
beweglich ist. Die zweckmäßige Dampfverteilung über, resp. unter dem
Kolben wird durch die
Steuerung
herbeigeführt wie folgt. Am
Boden und am Deckel des
Cylinders sind die
Dampf-
[* 1] ^[Abb.: Wattsche Niederdruckmaschine.] ¶
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kanäle 1 und 2 angegossen, welche zu dem cylindrischen Steuerkasten I führen, der durch das Rohr q vom Kessel aus mit Dampf gespeist wird. In dem Steuerkasten befindet sich ein röhrenförmiger, hohler Schieber AB, welcher die Verteilung des Dampfes bewerkstelligt. Er besitzt nämlich zwei Vorsprünge A und B, welche die Öffnungen des Cylinders gerade vollständig bedecken können und bald über, bald unter denselben befindlich sind. Die Bewegung des Schiebers wird von außen durch eine damit in Verbindung stehende Stange vom Kopf z mittels des auf der Schwungradwelle sitzenden Exzentriks S, der Exzenterstange Sp, des (in der [* 8] Figur halb verdeckten) Winkelhebels po' und einer (in der [* 8] Figur unsichtbaren) nach z aufwärts führenden Stange geleitet.
In der [* 8] Figur geht eben der Dampfkolben nach oben; der Dampf, welcher im Steuerkasten die Schieberröhre von außen ganz umspült, strömt durch den Kanal [* 9] 2 fortwährend ein und drückt den Kolben aufwärts. Der Dampf über dem Kolben strömt oben in den Steuerkasten ein und durch den hohlen Schieber und das Rohr q' in den Kondensator [* 10] K, wo er durch das eingespritzte Wasser momentan verdichtet und dadurch fast vollständig aus dem obern Teil des Treibcylinders herausgezogen wird, so daß der Kolben durch den gegen seine untere Seite wirkenden Überdruck des Dampfes nach oben getrieben wird.
Ist der Kolben am Cylinderdeckel angelangt, so hat sich der Schieber aus seiner untersten Lage so weit nach oben bewegt, daß die Fläche A über der obern, B über der untern Einlaßöffnung des Cylinders steht, so daß jetzt der Kesseldampf in den obern Cylinderteil strömt und den Kolben niederdrückt, während zugleich der unterhalb des Kolbens in den Kondensator tretende Dampf sich verdichtet und ein Vakuum bildet. Ist der Kolben am untern Boden des Cylinders angelangt, so wechselt der Schieber abermals seine Stellung, so daß der Kolben wieder nach oben getrieben wird.
Das durch die Röhre C in den Kondensator infolge des äußern Luftdrucks eingespritzte Abkühlungswasser, dessen Zuflußmenge man durch einen Hahn [* 11] mittels der Kurbel [* 12] bei f reguliert, sowie die aus dem Wasser des Dampfkessels mit dem Dampf in den Kondensator gelangte Luft werden durch eine besondere Pumpe, [* 13] die Luftpumpe [* 14] L, fortgeschafft. Geht deren Kolben nach unten, so läßt er bei geschlossenen Ventilen D und E die in der Pumpe vorhandene Luft und das Wasser durch seine Ventile V und V' in den obern Pumpenteil treten, um sie beim nächsten Aufgang durch das sich öffnende Ventil [* 15] E hinauszubefördern und zugleich eine neue Portion von Luft und Wasser durch das Ventil D aus dem Kondensator aufzusaugen.
Aus E fließt ein Teil des Wassers und die eingeführte Luft durch einen besondern Kanal ab; ein andrer Teil des Wassers gelangt durch eine niedergehende Röhre in die Speisepumpe M, eine gewöhnliche Druckpumpe (s. Pumpe), welche das Wasser durch die Röhre F nach Bedarf in den Kessel zurückbeordert. Durch das Rohr GP tritt kaltes Wasser aus einem Brunnen [* 16] unter dem Einfluß des äußern Luftdrucks in das den Kondensator umgebende, vollständig abgeschlossene Gefäß. [* 17]
Der Antrieb der Luft- und Kaltwasserpumpe geschieht vom Balancier [* 18] abcde aus mittels der Stangen tu' und dd'. An dem Dampfkolben sitzt eine Stange (Kolbenstange), welche luftdicht durch die auf dem Cylinderdeckel befindliche Stopfbüchse [* 19] (s. d.) geht und durch die Stange s a mit dem Balancier abcde in Verbindung gesetzt ist. Die Stange sa bildet mit ab, bu und us zusammen das Wattsche Parallelogramm, [* 20] während cb, btu und ur die Wattschen Lemniskoidenlenker darstellen, Mechanismen, welche eine geradlinige Führung der Punkte t und s bezwecken (s. Geradführung). [* 21]
Bei l ist eine sogen. Kurbelstange (Bleuelstange) ex angebracht, welche die Kurbel (oder den Krummzapfen) OX bei X ergreift und um den Mittelpunkt herumdreht. Mit der Kurbel steht das Schwungrad durch die Schwungradwelle in Verbindung. Dasselbe überwindet, einmal in rotierender Bewegung, durch seine lebendige Kraft (oder Trägheit) die Totpunkte und gleicht überhaupt die bei der Übertragung der Bewegung auf die Kurbel stattfindenden Druckverschiedenheiten aus.
Um den Gang
[* 22] der
Dampfmaschine trotz eines veränderlichen Widerstandes oder ungleichmäßiger Dampfproduktion möglichst gleichmäßig
zu machen, wie das zum Betrieb vieler Etablissements, z. B. von Spinnereien,
nötig ist, macht man die Zuströmung des Dampfes automatisch veränderlich. Man bringt nämlich in der Dampfröhre vor ihrer
Einmündung in den Steuerkasten bei q eine Klappe an, eine sogen. Drosselklappe
[* 23] (ähnlich einer Ofenklappe), welche je nach
ihrer Stellung den Querschnitt der Dampfröhre mehr oder weniger verengert.
Die Stellung dieser Klappe ist nun in folgender Weise von der Geschwindigkeit, mit der sich das Schwungrad dreht, abhängig gemacht. Von der Schwungradwelle geht eine endlose Schnur STR um ein Rad R und setzt dieses in Umdrehung. Dieses Rad greift vermittelst einer konischen Zahnung in ein konisches Rad der Welle NN ein. Es wird also auch diese Welle in eine entsprechende Umdrehung versetzt. An den Punkten g und g' sind die Zapfen [* 24] zweier Stangen gh und g'h', an deren Endpunkten zwei massive Kugeln l befestigt sind.
Bei der Umdrehung der Welle NN werden auch die Kugeln l in Umdrehung versetzt; infolge der Zentrifugalkraft [* 25] suchen sie sich aber von der Welle NN zu entfernen und um die Punkte g und g' aufwärts zu bewegen. Dem entsprechend wird auch durch Vermittelung der bei h und h' angreifenden Stangen der auf der Welle gleitende Ring k und das in einer Rille des letztern liegende Ende des Winkelhebers klm gehoben werden. Die Bewegung des Winkelhebels klm wird durch die Stange mn, einen zweiten Winkelhebel oy und eine aufwärts führende Stange so auf die Drosselklappe q übertragen, daß dieselbe den Dampfrohrquerschnitt unter sein mittleres Maß verengert, also verhältnismäßig wenig Dampf zuströmen läßt, sobald die Dampfmaschine zu schnell läuft, dagegen die Durchgangsöffnung größer macht, also mehr Dampf zutreten läßt, sobald die Dampfmaschine ins Schleppen gerät.
Hochdruckmaschinen.
Die modernen Dampfmaschinen weichen von den Wattschen in der Konstruktion vielfach ab. Zunächst ist die ganze Anordnung der Maschine [* 26] eine andre [* 8] (Fig. 2 zeigt das Schema einer gewöhnlichen modernen Dampfmaschine), indem der Balancier fast immer fortfällt und die Bleuelstange qpz sich mit einem Gelenk direkt an das Ende der durch die Stopfbüchse s geführten Kolbenstange k anschließt. Auch erfolgt die Geradführung dieses letztern nicht mehr durch gelenkig verbundene Stangen (Gelenkgeradführung), sondern durch das zwischen den Gleitschienen gg hin- und hergleitende Querhaupt (Kreuzkopf) [* 27] q. Die Stellung des Dampfcylinders ist oftmals noch eine vertikale, wie bei Watt, meistens jedoch eine horizontale, weil dadurch die an Stabilität gewinnt. Die Steuerungen der Dampfmaschine sind ungemein mannigfaltig. Die gewöhnlichste von ihnen hat als Dampfverteilungsorgan den sogen. ¶
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Muschelschieber (S), der in dem Schieberkasten D über den Dampfkanälen α, β und γ hin- und hergleitet. Er erhält seine Bewegung von dem auf der Schwungradwelle W sitzenden, um 90° gegen die Kurbel K' verstellten Exzentrik [* 29] E mittels der Exzenterstange oe und der durch die Stopfbüchse s' geführten Schieberstange r. Befindet sich daher der Kolben K in der Mitte des Cylinders C, so steht der Schieber in einer seiner Endstellungen und umgekehrt. Bei der Stellung der [* 28] 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 entweicht.
Bei Ankunft des Kolbens am Boden des Cylinders 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 Cylinder hinaustreibt. Vorteilhaft werden als Dampfverteilungsorgane auch Ventile und Hähne angewendet, welche durch Exzenter, Hebel, [* 30] Hebedaumen etc. bewegt werden. Dergleichen Steuerungen sind weiter unten beschrieben.
Da die mit Dampf von niederer Spannung arbeitenden Wattschen Maschinen nicht die günstigste Ausnutzung der Wärme [* 31] gestatten, so verwendet man jetzt allgemein Dämpfe von höherm Druck und nennt die Maschinen Mitteldruckmaschinen, wenn sie mit einem Dampfdruck von 1½-3 Atmosphären, dagegen Hochdruckmaschinen, wenn sie mit einem Druck von 3-12 Atmosphären arbeiten. Während bei den Niederdruckmaschinen die Kondensation ein integrierender Bestandteil war, kann sie bei den Mittel- und Hochdruckmaschinen auch fortgelassen werden, wie das z. B. da geschieht, wo gutes Speisewasser nur in geringen Mengen vorhanden ist, oder wo eine besondere Einfachheit der Dampfmaschine wünschenswert ist. Allerdings werden unter sonst gleichen Bedingungen die Dampfmaschinen ohne Kondensation mehr Dampf und daher mehr Brennmaterial verbrauchen als Kondensationsmaschinen. Von den gewöhnlichen, nach dem Prinzip des Wattschen konstruierten Kondensatoren weicht der Körtingsche Strahlkondensator [* 28] (Fig. 3) vollständig ab, indem er ohne Luftpumpe arbeitet u. die Luftleere durch einen bei W mit einem Gefälle von ca. 5 m einfallenden Wasserstrahl erzeugt, der den bei D eintretenden Abdampf verdichtet und mit sich durch das Rohr E fortreißt.
Expansionsmaschinen.
Einen großen Vorteil kann man bei Hochdruckmaschinen durch Anwendung der Expansion des Dampfes im Cylinder erzielen, indem man den Dampfzufluß vor vollendetem Kolbenlauf absperrt. Hat der Dampf eine Spannung von 5 Atmosphären, so hebt er so vielmal 5,170 kg, als der Kolben QZentimeter hat. Sperrt man nun den Dampfzufluß ab, wenn der Cylinder bis zur Hälfte mit diesem Dampf gefüllt ist, so wird der Kolben mit seiner Last sich nicht weiterbewegen; vermindert man darauf aber die Last, so wird sich der Dampf sofort weiter ausdehnen, bis seine Expansivkraft wiederum mit der Last im Gleichgewicht [* 32] ist.
Bei einer Verminderung der Last auf die Hälfte könnte sich der Dampf auf das doppelte Volumen ausdehnen und wäre dann noch eben im stande, diese Last zu heben. Der Dampf leistete also in diesem Fall eine um mehr als die Hälfte größere Wirkung. Denkt man sich den Kolbenlauf in 20 Stationen geteilt, und sperrt man den Dampf ab, wenn der Kolben den vierten Teil seines Wegs vollendet hat, so wird der Dampf während der fünf ersten Stationen mit seiner vollen Kraft gleich 1 auf den Kolben drücken, bei der sechsten Station aber nur
[* 28] ^[Abb.: Fig. 2. Hochdruckdampfmaschine ohne Balancier.]
^[Abb.: Fig. 3. Körtings Strahlkondensator.] ¶