DIE DAMPFMASCHINE

Entwicklung, Aufbau und Arbeitsweise der Kolbendampfmaschine

Vorraussetzungen für die Dampfmaschine war die Kenntnis über die Arbeitsweise

des Dampfdrucks, des Luftdrucks und das Prinzip der Kolbenmaschine.

1. Der Dampfdruck

In einem verschlossenem Kessel wird Wasser sehr stark erhitzt. Das Wasser dehnt sich stark und brauch somit einen größeren Raum. Dabei entsteht ein hoher Druck im verschlossenem Kessel, der Dampfdruck.

2. Die "Feuermaschine" von Newcomen

Bis 1712 gab es noch keine technisch nutzbare und erfolgreiche Dampfmaschine. Es waren zwar schon Versuchsmodelle entwickelt worden (von Papin und Savery), die aber noch nicht die geforderten Leistungen erfüllten. So hatte sich der Schmiedemeister und Eisenhändler Newcomen aus Dartmouth in England mit den Maschinen von Savery und Papin befaßt. Newcomen begann etwa um 1705 mit eigenen Versuchen. Trotz Vorbehalte bot er den Bau einer "Feuermaschine" an. Später erhielt er den Auftrag diese auf einer Steinkohlengrube bei Birmingham zu errichten. Die Maschine sollte das Wasser aus dem Bergwerk pumpen. Die 1712 vollendete Maschine stellte eine neue geniale Leistung dar (siehe Aufbau Abb.: 1).

Bei Saverys Maschine und Papins zweitem Modell bildeten Dampfaufnehmer und Zylinder die Elemente, in denen sowohl die Dampfenergie wirkte als auch die Arbeitsleistung des Wasserhebens vollzogen wurde. Dagegen war Newcomens Maschine eine reine Kraftmaschine, daher, Zylinder und Kolben dienten nur zur Erzeugung mechanischer Energie. Die Kraftübertragung von der "Feuermaschine" auf die Pumpen erfolgte durch eine Schwinge. Die Arbeitsweise der ersten, 1712 von Newcomen erbauten Maschine ist folgende:

Der Aufwärtsgang des Kolbens wurde durch die Last des Pumpengestänges und durch den bei geöffnetem Dampfhahn vom Kessel in den Zylinder strömenden Dampf bewirkt. Hatte der Kolben seine höchste Lage erreicht, wurde der Dampfhahn geschlossen und der Kühlwasserhahn geöffnet, so daß der Dampf im Zylinder kondensierte. Es entstand ein Vakuum, und der Luftdruck, der auf die Oberfläche des Kolbens wirkte, drückte diesen nieder. Kam der Kolben in seiner untersten Lage an, wurde der Kühlwasserhahn wieder geschlossen und der Dampfhahn geöffnet, der Vorgang begann also wieder von neuem. Da der Luftdruck auf den Kolben des eingeschlossenen Zylinders wirkte, wenn das Vakuum im Zylinder entstand, nannte man damals die Newcomen-Maschine exakt eine "atmosphärische Feuermaschine". Die Geradeführung der Kolbenstange bei der Bewegungsübertragung auf die Schwinge erfolgte mit Kettenstücken, die auf den Bogensegmenten auf- und abliefen. Damit der Kolben auch dicht war, befand sich über diesem eine Schicht Wasser.

Die ursprüngliche Newcomen-Maschine konnte bald weiterentwickelt werden. Um eine bessere Kondensation des Dampfes und damit ein stärkeres Vakuum zu erzielen, kühlte man die Zylinderwand nicht mehr außen, sondern spritzte das Kühlwasser selbst in den Zylinder (siehe Abb.: 2). Eine weitere wichtige Verbesserung war die selbständige Steuerung der Maschine. Das wichtigste Element dieser Steuerung war ein an der Schwinge befestigter Steuerbaum. Dieser ging mit der Schwinge auf und ab und hatte vorspringende Zapfen, welche Steuerhebel drückten und Überfallgewichte zum Überkippen brachten. Dadurch wurde ein schnelles und kräftiges Öffnen sowie Schließen der Ventile bewirkt (siehe auch Abb.: 2).

Weitere Verbesserungen der Maschine betrafen Hubbegrenzung, Sicherheitsventil, Entfernung der Luft aus dem Zylinder und Speisewasserversorgung des Kessels.

3. Die Dampfmaschine von Watt

Watt wollte 1762 eine Hochdruckdampfmaschine bauen und wollte das Modell einer Newcomen-Maschine zu verbessern.

In Newcomens Maschine ergab sich ein Nachteil beim Kondensieren des Dampfes im Zylinder: Wenn kaltes Wasser in den heißen Zylinder eingespritzt wurde, verdampfte ein Teil des Wassers und verringerte damit das Vakuum und somit auch die Leistung der Maschine. Wurde nun aber die Menge des Einspritzwassers erhöht, um eine bessere Kondensation zu erzielen, dann kühlte sich der Zylinder so stark ab, daß beim wiederholten Arbeitsgang in der Maschine ein Teil des eintretenden Frischdampfes kondensierte und damit verloren ging, was wiederum die Leistung minderte. Als Lösung wurde der Dampf nicht mehr im Zylinder selbst, sondern in einem von diesem getrennten Kondensator abgekühlt und kondensiert. Dazu mußte mittels Luft- und Kondensatpumpe stets aufs neue ein Vakuum hergestellt werden (siehe Abb.: 3). Somit ließ sich noch einmal die Leistung der Maschine steigern. Als erstes baute Watt eine einfachwirkende Dampfmaschine zum Antrieb von Pumpen. Neu waren der Dampfmantel um den Zylinder (um diesen stets auf hoher Temperatur zu halten), der Kondensator sowie die Luft- und Kondensatpumpe. Der Abwärtsgang wurde durch Schließen des sogenannten Gleichgewichtsventils sowie Öffnen des Ausströmventils eingeleitet. Dann strömte der Dampf aus dem Zylinder in den Kondensator, schlug sich durch die Abkühlung nieder und erzeugte somit ein Vakuum auch unter dem Kolben. Da vom Dampfmantel her der volle Dampfdruck auf dem Kolben lag, wurde dieser nun abwärts bewegt. Während bei Newcomens "atmosphärischer Feuermaschine" der Dampf nur zur Erzeugung des Vakuums diente und der Abwärtsgang des Kolbens vom Luftdruck bewirkt wurde, tat dies bei Watts Maschine der Dampfdruck. Damit war diese erst die "eigentliche Dampfmaschine".

Der Luftdruck konnte nicht gesteigert werden, dafür ließ sich aber der Dampfdruck steigern. Im Wirkprinzip von Watts erster Maschine lag somit die Möglichkeit künftiger Leistungssteigerungen. Wovon später auch wesentlich die Geschichte der Dampfmaschine bestimmt wurde. Watt entwickelte nach der einfachwirkenden Dampfmaschine die doppeltwirkende Dampfmaschine. Die wesentlichen Unterschiede waren:

1. Die Räume über und unter dem Kolben wurden abwechselnd mit dem Kondensator verbunden, so wurden beide Kolbenbewegungen als Arbeitshübe genutzt.

2. Die doppeltwirkende Dampfmaschine erforderte eine andere Art der Geradeführung. Der Kreisbogen (Schwinge) konnte nur im Zusammenhang mit dem Ziehen der Kolbenstange (abwärts) genutzt werden, weil sonst der Kolben verkantete. Watt entwickelte dazu ein Planetenradgetriebe, an dem die Schubstange fest verbunden war (siehe auch Abb.: 4)

4. Das Wirkprinzip und die Grundkonstruktion der doppeltwirkenden Kolbendampfmaschine

Der Prototyp der Kolbendampfmaschine, der jahrzehntelang die technische Praxis bestimmt hat, ist die einzylindrige, doppeltwirkende Kolbenmaschine. (siehe Aufbau Abb. 5)

Die Maschine arbeitet wie folgt: Der Frischdampf treibt abwechselnd von jeder Seite den Kolben hin und her, der Abdampf verläßt nach getaner Arbeit den Zylinder. Die Maschine arbeitet entweder mit Gegendruck, mit Kondensation oder als Auspuffmaschine. Bei der zuletzt genannten Möglichkeit wird der Abdampf aus dem Zylinder in die freie Luft geblasen, und somit auf 0,1 MPa Druck entspannt. Gegendruckmaschinen nutzten den Abdampf meist noch als Heizdampf, weil dieser hier einen höheren Druck hat. Und bei den Kondensationsmaschinen ist dem Zylinder ein Kondensator nachgeschaltet, in dem der Abdampf niedergeschlagen wird. Dadurch entsteht im Kondensator und auch im Zylinder ein Vakuum, das die Leistung der Maschine erhöht. Die Kolbenstange wird durch den Kreuzkopf auf einer Gleitbahn in geradliniger Bewegung gehalten. Am Kreuzkopf ist die Schub- oder Kurbelstange angeschlossen. Diese versetzt die Kurbelwelle (mit oder ohne Schwungrad) in eine Drehbewegung und stellt die gewünschte Energie zur Verfügung (z.B.: für Arbeitsmaschinen).

Für dieses Prinzip der Dampfmaschine ist eine Steuerung erforderlich, die von der Dampfmaschine selbst angetrieben wird. Diese Steuerung übernimmt eine richtige Zuleitung des Frischdampfes in den Zylinder sowie eine Ableitung des Abdampfes aus dem Zylinder.

5. Grenzen und Ende der Kolbendampfmaschine

Dampfdrücke und Temperaturen, geforderte Leistung sowie Geschwindigkeit der bewegenden Teile waren bei der Kolbendampfmaschine nicht beliebig zu steigern. Mit der Schmidtschen Heißdampfmaschine, der Gleichstrommaschine von Stumpf und anderen Vortschritten hatte die konstruktive Entwicklung der Kolbendampfmaschine ihre Grenzen erreicht. Die Dampfmaschine wurde gegen Ende des 19. Jahrhunderts durch ihre überlegene Konkurrenz, und zwar durch den Verbrennungsmotor sowie durch den Elektromotor abgelöst. Beide boten hohe Leistung bei geringem Raumbedarf, bei einfacher Betriebsweise und außerdem war das Brenn material viel billiger.

6. Bildmaterial

Abbildung 1:

Schematische Schnitte durch die erste Newcomen-Feuermaschine.

links: Aufwärtsgang des Kolbens

rechts: Abwärtsgang des Kolbens

Ke - Kessel

D1 - Dampfschieber

Z - Zylinder

M - wassergefüllte Ummantelung des Zylinders

WB1 - Kühlwasserbehälter

WB2 - Kondensat- und Abwasserbehälter

K1 - Kühlwasserabteilung

K2 - Kondensatableitung

K3 - Kühlwasserzuleitung in den Mantel

K4 - Kühlwasserzuleitung auf den Kolben zwecks Kolbendichtung

B - Balancier (Schwinge) zur Übertragung der Bewegung auf das Pumpengestänge

P - Pumpengestänge

Sch - Schacht

Va - Vakuum

Lu - Luftdruck

Abbildung 2:

Schematische Schnitte durch die typische Newcomen-Feuermaschine 1720/1770.

links: Aufwärtsgang des Kolbens

rechts: Abwärtsgang des Kolbens

Ke - Kessel

D1 - Dampfschieber

Z - Zylinder

M - wassergefüllte Ummantelung des Zylinders

WB1 - Kühlwasserbehälter

WB2 - Kondensat- und Abwasserbehälter

S - Steuerbaum

K1 - Kühlwasserventil

K2 - Kondensatableitung

P - Pumpengestänge

Va - Vakuum

Lu - Luftdruck

Abbildung 3:

Watts einfachwirkende Dampfmaschine.

links: Schnitt durch eine Anlage von 1788

rechts: Prinzipskizzen der ersten Maschine von 1776/ oben Aufwärtsgang; unten Abwärtsgang

Z - Zylinder

M - Dampfmantel

V1 - Frischdampfventil

V2 - Kondensatorventil

S - Steuerbaum

K - Kondensator

R - Rauchkanäle

L - Luft-(Kondensat-)pumpe

P1 - Kaltwasserpumpe

P2 - Speisewasserpumpe

P3 - Pumpengestänge

Va - Vakuum

Abbildung 4:

Watts Planetenradgetriebe.

B - Balancier (Schwinge)

FN - Führungsnut

FB - Führungsbolzen

SRW - Schwungradwelle

Ge1 - Sonnenrad

Ge2 - Planetenrad

Abbildung 5:

Schema einer typischen doppeltwirkenden Kolbendampfmaschine

Ke - Kessel

SK - Schieberkasten

K - Kolben

KW - Kurbelwelle

SR - Schwungrad

Z- Zylinder

D - Frischdampf

D' - Abdampf

1 - Kolbenstange

2 - Kreuzkopf

3 - Gleitbahn

4 - Schub- oder Kurbelstange

Quellen: unbekannt (bitte mitteilen wenn bekannt)