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steuerung, FF die Schraubenwelle mit den Kurbeln GG für die Dampfcylinder und der Kurbel [* 2] I zum Betrieb der Luftpumpe [* 3] des Kondensators. Die Seeschiffe sind infolge des Salzgehalts des Meerwassers zur Verhütung einer starken Salzinkrustierung der Kesselwände gezwungen, in kurzen Zeiträumen einen Teil des Kesselwassers durch Abblasen oder Auspumpen zu entfernen, wodurch große Wärmeverluste bedingt sind, welche man vermeiden kann, wenn man sich zur Kesselspeisung vollständig salzfreies Kondensationswasser verschafft, welches jedoch bei der gewöhnlichen Kondensation durch Wassereinspritzung nicht erhalten werden kann, weshalb man auf Seeschiffen mit Vorteil Oberflächenkondensatoren [* 1] (Fig. 21, Tafel I) anwendet. Der bei a eingeführte Abdampf der Maschine [* 4] verteilt sich durch eine große Anzahl enger Röhren [* 5] r und wird dadurch, daß die letztern im Kasten fortwährend durch die Kaltwasserpumpe W mit Wasser bespült werden, kondensiert; das Kondensationswasser wird mit der beigemengten Luft durch b von der Luftpumpe L herausgepumpt. k ist das Querhaupt der Schiffsmaschine.
Kesseldampfmaschinen.
Über die besondern Formen der Lokomotive [* 6] und Lokomobile [* 7] s. d. Einen Übergang von den feststehenden oder stationären Dampfmaschinen [* 8] zu den Lokomobilen [* 9] bildet die transportable, unfahrbare Dampfmaschine [* 10] (Kesseldampfmaschine), bei welcher die ganze am Kessel angebracht ist. Eine vielfach angewandte vertikale Kesseldampfmaschine zeigt [* 1] Fig. 22 (Tafel I). A der vertikale Dampfkessel, [* 11] a Wasserstandsglas, b Rauchrohr mit Registerklappe c, d Dampfcylinder, e Regulator, [* 12] g Saugkopf der Speisepumpe, h Handhebel einer Reservespeisepumpe. Das Schwungrad dient zugleich als Riemenscheibe zur Übertragung der Kraft [* 13] auf irgend eine Arbeitsmaschine.
Drei- und Viercylindermaschinen.
Zum direkten Betrieb von Arbeitsmaschinen mit sehr hohen Tourenzahlen, welche von gewöhnlichen Dampfmaschinen nicht mehr erreicht werden können, wendet man sogen. Drei- und Viercylindermaschinen an, z. B. zum Betrieb von Walzwerken, Kreissägen, Zentrifugalpumpen, Ventilatoren, auch magnetelektrischer Maschinen. Bei diesen sind die drei oder vier einfach wirkenden Cylinder der Dampfmaschine symmetrisch in einem um die Kurbelwelle beschriebenen Kreise [* 14] so angeordnet, daß ihre Bleuelstangen sämtlich an derselben Kurbel angreifen. Die Vorzüge dieser Maschinen sind ihre Kleinheit und Kompaktheit und besonders die Möglichkeit, eine große minutliche Umdrehungszahl zu erreichen, ohne daß sich Stöße bemerkbar machen. Auch auf diese Maschine hat man das Compoundsystem anzuwenden versucht [* 1] (Fig. 23, Tafel II). ABC sind die drei verschieden großen Cylinder, welche der Dampf [* 15] der Reihe nach durchläuft, indem er dabei allmählich expandiert, D Schwungrad, E Riemenscheibe.
Rotierende Dampfmaschinen.
Man hat auch Dampfmaschinen konstruiert, welche den Dampf direkt eine rotierende Bewegung, ohne Zuhilfenahme eines hin- und hergehenden Kolbens, hervorbringen lassen (sogen. rotierende Dampfmaschinen). Dieselben beruhen auf dem Prinzip der Kapselräder [* 16] (s. Pumpen [* 17] und Gebläse) [* 18] oder einem ähnlichen. Eine Form der rotierenden Dampfmaschine, die sogen. Scheibenmaschine, zeigt [* 1] Fig. 24 (Tafel II). abcd ist das Gehäuse, bei ab und cd kugelförmig, bei ad und bc kegelförmig gestaltet.
In der Mitte liegt die Kugel k mit der daran befestigten Scheibe m. Von dc bis zur Kugel k reicht eine Scheidewand, für welche die Scheibe m einen entsprechenden Schlitz hat. Der von e aus eintretende Dampf drückt auf die eine Seite der Scheibe m und wälzt sie dabei derart auf den Kegelflächen des Gehäuses herum, daß die durch den Bügel q verstärkte Stange n einen Kegel beschreibt, wodurch die Scheibe p der Betriebswelle o in Umdrehung versetzt wird. Den wirksam gewesene Dampf entweicht bei f. Der einzige Vorteil, den rotierende Maschinen den Kolbenmaschinen gegenüber gewähren können, die Möglichkeit, sehr große Tourenzahlen ohne Vorgelege zu erreichen, wird durch den Kardinalfehler aller bisher bekannten Konstruktionen, das Undichtwerden der beweglichen Teile, reichlich aufgewogen. Gegenwärtig hat man, um für den Betrieb der sehr schnell laufenden elektromagnetischen Maschinen passende Motoren zu bekommen, den rotierenden Dampfmaschinen erneute Aufmerksamkeit geschenkt.
Kataraktmaschinen.
Im Gegensatz zu den rotierenden Dampfmaschinen bedarf man auch solcher, welche gar keine Rotation hervorbringen, nämlich für alle solche Fälle, wo es nur auf eine hin- und hergehende (alternierende) Bewegung ankommt, wie bei Dampfhämmern, Dampframmen, durch Dampfkraft getriebenen Pumpen und Gebläsen etc. Über die Form der Dampfmaschine bei Dampfhämmern und Dampframmen s. Hammer [* 19] und Ramme. [* 20] Pumpen und Gebläse werden durch Dampfmaschinen direkt entweder so getrieben, daß man für die Steuerung der Dampfmaschine eine Hilfsrotation einschaltet (d. h. daß man den Pumpenkolben oder Gebläsekolben direkt durch die Dampfkolbenstange in hin- und hergehende Bewegung setzt und nur deshalb noch einer Welle mit Schwungrad mittels eines geeigneten Mechanismus von der Kolbenstange eine rotierende Bewegung erteilen läßt, um von jener Welle die Bewegung der Steuerung in gewöhnlicher Weise herzuleiten), oder so, daß man jede Rotation vermeidet und die Steuerung von der Kolbenstange ausführen läßt.
Dieser letztere Fall tritt besonders häufig bei den Wasserhaltungsmaschinen der Bergwerke und den Pumpmaschinen der Wasserleitungen ein, wo man dann die sogen. Kataraktmaschinen oder Dampfmaschinen mit Kataraktsteuerung anwendet. Dieselben sind dadurch charakterisiert, daß das Dampfeinströmungsventil der Dampfmaschine nicht von der Steuerung selbstthätig, sondern dadurch geöffnet wird, daß ein Katarakt, ein durch Wasserwiderstand im Niedersinken verzögerter Kolben (s. Katarakt), der durch die Steuerung gehoben war, auf seinem tiefsten Standpunkt angelangt, der Steuerung einen Anstoß erteilt, und daß die Maschine nach vollendetem Hube bis zur neuen Auslösung durch den Katarakt stillstehen bleibt.
Der große Vorteil dieser Konstruktion für besagte Zwecke ist der, daß man innerhalb ziemlich weiter Grenzen [* 21] durch Regulierung des Katarakts die Hubpausen der Maschine je nach der zu bewältigenden Wassermenge verlängern oder verkürzen kann. Dagegen leiden diese Maschinen an einer durch die plötzliche Umkehr der Kolbenbewegung hervorgebrachten sehr starken Beanspruchung der Teile sowie daran, daß der Hub kein ganz bestimmter ist, so daß der Kolben bei vorkommenden Unregelmäßigkeiten durchgehen, d. h. gegen den Cylinderdeckel schlagen und diesen zertrümmern, kann, endlich auch daran, daß die Hubzahl pro Minute eine gewisse nicht zu hohe Grenze nicht überschreiten kann. Alle diese Übelstände werden bei der Kleyschen Wasserhaltungsmaschine mit unterbrochener Rotation [* 1] (Fig. 25, Tafel II) vermieden. A ist der Dampfcylinder, dessen Kolben- und Bleuelstange bei B auf einen Balancier [* 22] wirkt. Der letztere trägt ¶
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in D das Pumpengestänge und in G das zur Ausbalancierung desselben erforderliche Gegengewicht. Die Bewegung der Steuerstange s wird von einem auf der Achse C des Balanciers befestigten Hebel [* 24] CK mittels des Hilfsbalanciers kct herbeigeführt. H ist eine vom Punkt E des Balanciers aus mittels Bleuelstange und Kurbel getriebene Schwungradwelle. Durch diese Anordnung wird erzielt, daß man die Maschine sowohl so laufen lassen kann, daß die Kurbel nur zwischen den Totpunkten hin- und herschwingt, während zwischen jeder Schwingung [* 25] eine durch den Katarakt bestimmte kürzere oder längere Pause eintritt, oder aber so, daß unter gänzlicher Beseitigung der Pausen eine kontinuierliche Drehung der Kurbel nach einer Richtung eintritt, wobei der Katarakt seinen Einfluß auf den Gang [* 26] der Maschine ganz verloren hat und man letztere so schnell laufen lassen kann, als die Pumpen nur immer vertragen.
In neuester Zeit fängt man vielfach an, den Dampf nicht mehr im gesättigten Zustand, wie er sich über dem Wasser des Kessels bildet, anzuwenden, sondern als überhitzten, indem man denselben nach seinem Austritt aus dem Kessel in einem oder mehreren Rohren durch die abziehenden Feuergase über seine Kesseltemperatur erwärmt, während seine Spannung gleich der des Dampfes im Kessel bleibt. Diese Überhitzung des Dampfes ist mit erheblichen Vorteilen verbunden, vor allem mit einem nicht unbeträchtlichen ökonomischen Gewinn, welcher bis 10 Proz. Kohlenersparnis betragen kann, weil nämlich zur Volumvergrößerung des Dampfes ganz unverhältnismäßig weniger Wärme [* 27] gebraucht wird als zur Erzeugung des Dampfes aus Wasser. Ein solcher überhitzter Dampf hat noch den Vorteil, vollkommen trocken zu sein und bei der Expansion so zu bleiben, während der gesättigte Dampf viel Wasser in Nebelform mit sich fort in den Cylinder reißt, wo es sich niederschlägt und, wenn es nicht beizeiten entlassen wird, große Unzuträglichkeiten (Zersprengung des Cylinders oder Verbiegen der Kolbenstange) zur Folge haben kann.
Berechnung der Leistung der Dampfmaschinen.
Die Größe der Arbeit einer Dampfmaschine wird gefunden, wenn man den nützlichen (resultierenden) Druck des Dampfes gegen den Kolben mit dem Weg multipliziert, welchen derselbe pro Hub oder pro Sekunde zurücklegt. Beträgt z. B. der Durchmesser des Dampfkolbens 0,248 m, der Hub desselben 0,534 m, übt der Dampf im Cylinder pro QMeter einen mittlern Druck von 33,400 kg (= 3,233 Atmosphären), und schätzt man die Größe der schädlichen Widerstände (bei einer ohne Kondensation arbeitenden Maschine) auf 15,000 kg, so erhält man einen nützlichen Druck von 33,400-15,000 = 18,400 kg, und der Kolben wird mit einer Nutzkraft fortgeschoben (beim Kolbenquerschnitt = 0,0483 qm), die gleich ist 18,400.0,0483 = 888,72 kg. Erfolgen nun in der Minute 132 einfache Kolbenspiele, so bewegt sich der Kolben mit einer mittlern Geschwindigkeit pro Sekunde von (132/60).0,534 = 1,175 m. Die Nutzarbeit, welche auf die Welle des Schwungrades übertragen wird, ist mithin 888,72.1,175 = 1045 Meterkilogramm oder 1045/75 = 13,93 Maschinenpferden.
Das pro Sekunde verbrauchte Dampfvolumen beträgt theoretisch 0,0483.1,175 = 0,0568 cbm; der pro Stunde verbrauchte Dampf beträgt theoretisch 0,0483.1,175.3600 = 204,5 cbm = 204,5.1,72 = 351,7 kg, also pro Stunde und Pferdekraft 351,7/13,93 = 25,3 kg. Zur Berechnung der Leistung einer mit Expansion arbeitenden Maschine kann man von nachstehender Tabelle Gebrauch machen, welche die Totalarbeit von 1 cbm Wasserdampf bei verschiedenen Absperrungen unter Voraussetzung der Pressung einer Atmosphäre angibt:
|Volumen nach der Expansion in Kubikmetern||Größe der korrespond. Arbeit in Meterkilogr.|
|1.00||10333|
|1.05||10837|
|1.10||11318|
|1.15||11778|
|1.20||12217|
|1.25||12639|
|1.30||13044|
|1.40||13810|
|1.50||14523|
|1.60||15190|
|1.70||15816|
|1.80||16407|
|1.90||16966|
|2.00||17496|
|2.20||18481|
|2.40||19380|
|2.60||20207|
|2.80||20973|
|3.00||21686|
|3.20||22353|
|3.40||22979|
|3.60||23570|
|3.80||24128|
|4.00||24658|
|4.20||25163|
|4.40||25643|
|4.60||26103|
|4.80||26542|
Bei halber Füllung einer wie oben dimensionierten Dampfmaschine (also bei doppelter Expansion) wird der Dampfverbrauch pro Stunde halb so groß sein (= 175,9 kg), während die Arbeit (17496/2.10333).13,93 = 12,0 Pferdekräfte beträgt, so daß auf 1 Stunde und 1 Pferdekraft ein Dampfverbrauch von 175,9/12 = 14,66 kg kommt. Die wirkliche Leistung unsrer Dampfmaschine sowie der wirkliche Dampfverbrauch werden sich jedoch wegen auftretender schädlicher Widerstände und Dampfverluste etwas anders herausstellen. Über die Leistungen der verschiedenen Maschinengattungen gibt folgende Tabelle Andeutungen:
Anzahl der theoretischen Maschinenpferdekräfte, welche durch das Verbrennen von 0,5 kg Kohlenstoff bei verschiedenen Dampfspannungen entwickelt werden können.
|Dampfspannung in Atmosphären||1||2||3||4||5||6||7||8|
|Korrespondierende Temperatur||100°||121.4°||135.1°||149.06°||153.08°||160.2°||166.5°||172.1°|
|Maschinen mit Absperrung und Kondensation||1166||1766||2130||2391||2595||2762||2904||3028|
|Maschinen ohne Absperrung mit Kondensation||756||842||873||889||899||905||910||913|
|Maschinen mit Absperrung ohne Kondensation||0||52||883||1147||1356||1528||1675||1805|
|Maschinen ohne Absperrung und Kondensation||0||434||605||696||753||792||820||841|
Als die vorzüglichsten Maschinen ergeben sich hieraus die Maschinen mit Absperrung und Kondensation, und man sieht, daß ihre Leistung mit der Dampfspannung wächst. Viel weniger leisten die Maschinen mit Absperrung ohne Kondensation, und bei den Maschinen ohne Absperrung mit Kondensation wächst die mechanische Arbeit mit der Spannkraft des Dampfes sehr wenig.
Für praktische Zwecke ermittelt man die effektive Leistung der an der Schwungradwelle mit dem Bremsdynamometer oder Pronyschen Zaum und dessen Verbesserungen (die sogen. Bremsleistung oder ¶