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Maschinenbau trifft auf Dampfmaschine - Erfahren Sie alles über Dampflokomotiven
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Maschinenbau trifft auf Dampfmaschine - Erfahren Sie alles über Dampflokomotiven

  • Katarina Knafelj Jakovac

    28. November 2023

Dampfmaschinen legten den Grundstein für die rasche Entwicklung mechanischer Teile und Maschinenmechanismen und waren Vorläufer zahlreicher raffinierter Maschinen, die wir auch heute noch nutzen.

Parallel dazu begann die Entwicklung des Eisenbahn- und Telegraphennetzes, was zu einem schnelleren Informationsfluss, zum Transport von Menschen und Gütern führte und die Wirtschaft ankurbelte sowie Werte schuf wie nie zuvor in der Menschheitsgeschichte. Die Dampfmaschine gab der industriellen Revolution in Europa einen erheblichen Schub.

Warum wurde die Dampfmaschine erfunden?

Der Ursprung der Idee, eine Vorrichtung zu entwickeln, die die Kraft von Wasserdampf nutzt, um menschliche Arbeit zu ersetzen, wird Hero von Alexandria zugeschrieben, der die erste primitive Maschine konstruierte. Im Laufe der Geschichte haben viele Menschen diese Idee weiterentwickelt, aber der erste dokumentierte erfolgreiche Einsatz gelang Thomas Savery im Jahr 1698 mit der Erfindung einer Dampfpumpe.

Als die Dampfmaschine erfunden wurde, erfolgte die Produktion von Waren nach dem Prinzip von Manufakturen und kleinen Familienbetrieben. Die Hauptfunktion der frühen Dampfmaschinen bestand darin, Pumpen zu betreiben, die Wasser aus den Bergwerken abpumpten.

Der Bergbau nach Kohle und verschiedenen Metallen war im 18. Jahrhundert eine enorm wichtige Wirtschaftsbranche in Großbritannien.

Die Dampfmaschine wurde 1712 von Thomas Newcomen für den Betrieb von Wasserhebepumpen in Kohlebergwerken konstruiert.

Er wollte die Antriebskraft der Maschine nutzen, um die Pferde zu ersetzen, die zuvor für den Antrieb primitiver Wasserpumpen im Bergbau verwendet wurden. Pferde waren teuer, Kohle hingegen günstig.

Newcomens Dampfmaschine war recht einfach und bestand aus einem Zylinder mit einem Kolben. Das Bild zeigt einen Querschnitt einer solchen einfachen Dampfmaschine.

Dampfmaschine von Thomas Newcomen

Bild: Dampfmaschine von Thomas Newcomen (Quelle)
Der atmosphärische Druck drückte den Kolben nach unten, nachdem der Wasserdampf im Zylinder kondensiert war und ein Vakuum erzeugt hatte. Die so gewonnene Energie wurde über einen Mechanismus weitergeleitet.

Um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der den Kolben von Newcomens Dampfmaschine antreiben würde, war ebenfalls eine große Menge an Kohle erforderlich.

Mit zunehmender Größe der Bergwerke musste immer mehr Wasser abgepumpt werden. Newcomens Dampfmaschine war dieser Aufgabe nicht gewachsen.

Die Wartung von Maschinen und Ausrüstung war im 18. Jahrhundert ein unbekannter Begriff.

Das Wasser in den Bergwerken überflutete ständig, und die Dampfmaschine würde dann ausfallen, was zur Stilllegung des Bergbaus führte.

James Watt war 1764 bereits bekannt für seine Fähigkeiten in der Herstellung und Reparatur von mechanischen Geräten wie Kompassen, Waagen und Quadranten, kleinen mechanischen Spielzeugen und Musikinstrumenten.

James Watt war auch sehr frustriert und genervt, dass er häufig die beschädigten Dampfmaschinen von Newcomen reparieren musste, die ihm die Bergwerksbesitzer in Nordengland brachten.

Nach jeder Reparatur der Newcomen-Dampfmaschine, wie es ein gewissenhafter Mechaniker tun würde, ließ James Watt die Maschine zur Probe laufen, um ihre Funktionstüchtigkeit zu überprüfen.

Die Dampfmaschine funktionierte kaum.

Wie hat James Watt die Dampfmaschine verbessert?

Extrem frustriert, dass all seine Bemühungen um die Reparatur der bestehenden Dampfmaschine zu wenig Fortschritt brachten, begann James Watt mit Experimenten.

Dabei entdeckte er, dass grob geschätzt 75% der thermischen Energie bei jedem Arbeitszyklus für das Aufheizen des Zylinders aufgewendet wurde.

Die thermische Energie wurde verschwendet, da später im Zyklus kaltes Wasser eingespritzt wurde, um den Dampf zu kondensieren und den Druck zu senken.

Durch das wiederholte Aufheizen und Abkühlen des Zylinders hatte die Dampfmaschine eine geringe Effizienz, da die meiste thermische Energie für das Heizen anstatt für mechanische Arbeit verwendet wurde.

Er erkannte, dass der größte Nachteil von Newcomens Dampfmaschine der Verlust von Latentwärme ist, der bei der Änderung des Aggregatzustands von Wasser von flüssig zu Dampf auftritt.

Deshalb musste die Kondensation des Wassers vom Dampf in eine getrennte Kammer erfolgen, die mit dem Dampfzylinder verbunden war. James Watt bemühte sich, die bestehende Dampfmaschine zu verbessern, und kam auf die Idee, einen separaten Kondensator zu entwickeln. Die Abmessungen des Zylinders betrugen 127 cm, und die Gesamthöhe der Maschine betrug 7 m.

James Watts Dampfmaschine

Bild: James Watts Dampfmaschine (Quelle)

Aufgrund der ständigen Gefahr von Dampfkessel-Explosionen, die sehr primitiv geregelt wurden, und häufigen Störungen wie Undichtigkeiten und Kesselsteinbildung, beschränkte James Watt seine Maschine auf den Betrieb mit Dampf auf atmosphärischem Druck.

Er fügte auch zahlreiche andere Verbesserungen hinzu: eine drehbare Welle, ein Ventil zur Druckregulierung und einen Regler für die Drehgeschwindigkeit.

Er erhielt das Patent 1769, unternahm jedoch keine weiteren Anstrengungen, um seine Erfindung zu vermarkten.

Jetzt tritt Matthew Boulton, ein wohlhabender Fabrikbesitzer und Inhaber einer Fabrik zur Herstellung von Verschlüssen, Schnallen und einfachen Werkzeugen, auf die Bühne.

Die Maschinen in seiner Fabrik wurden von Wasserkraft angetrieben, was sich insbesondere im Sommer, wenn der Wasserstand im Fluss abnahm, als problematisch erwies.

Folglich musste die Produktion an die verfügbare Energiemenge angepasst werden.

Matthew Boulton erkannte, dass die Verwendung einer Dampfmaschine zur Wasserpumpen oder zum Antrieb von Maschinen die notwendige Produktionskapazität und kontinuierliche Arbeit ermöglichen würde.

James Watt und Matthew Boulton wurden Geschäftspartner in einem gemeinsamen Unternehmen, wobei Watt für den technischen Teil und die Entwicklung der Dampfmaschine und Boulton für die Finanzen zuständig war.

Sie engagierten den Meisterguss John Wilkinson, der sehr erfolgreich Kanonen goss, um einen Dampfzylinder herzustellen.

James Watt war sehr darauf bedacht, dass der Zylinderabguss keine Verunreinigungen oder Porosität aufweist, um die Wärmeübertragung zu maximieren und das Risiko einer Explosion auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Maschine war im Vergleich zu Newcomens Maschine viermal leistungsstärker.

Das Unternehmen kaufte Maschinenteile von verschiedenen Lieferanten und die Mitarbeiter montierten die Dampfmaschinen unter Aufsicht von Ingenieuren.

Der Gewinn wurde aufgrund des fast 30%igen Unterschieds im Kohleverbrauch erzielt, den die weniger effiziente Newcomen-Dampfmaschine im Vergleich zur effizienteren Watt-Dampfmaschine hatte.

Die Kunden der Dampfmaschinen waren Minenbesitzer, die kontinuierlich Wasser abpumpen mussten, sowie Textilfabrikbesitzer.

Die Vielseitigkeit der Anwendung der Dampfmaschine war so groß, dass Matthew Boulton sie später zur Steuerung von Münzprägemaschinen verwendete.

In Großbritannien wurden in den Jahren 1783-1800 über 500 Dampfmaschinen hergestellt und verwendet.

Funktionsweise der Dampflokomotive und Hauptteile

William Murdoch war ein Mitarbeiter des Watt-Boulton-Unternehmens und war verantwortlich für die Installation und Reparatur von Dampfmaschinen in den Fabriken und Minen der Kunden.

Durch ständige Arbeit an den Mechanismen der Dampfmaschinen entwickelte er bestimmte Verbesserungen, die James Watt und Matthew Boulton so begeisterten, dass sie ihn als dritten Partner in das Unternehmen aufnahmen.

William Murdoch kam auf die Idee, Dampfmaschinen für den Transport zu verwenden, und entwickelte einen Prototyp der ersten Dampflokomotive. Später verbesserten und verfeinerten zahlreiche andere diesen Erfolg.

Im 19. Jahrhundert wurde die Dampfmaschine stark für den Antrieb von Lokomotiven eingesetzt, mit denen Züge Waren und Passagiere auf größere Entfernungen transportierten.

Obwohl Dampflokomotiven heute Museumsstücke sind, können sie uns immer noch die Grundlagen des Maschinenbaus und der Thermodynamik vermitteln.

Während meines Besuchs im Technikmuseum habe ich eines der größten Exponate gesehen und untersucht: eine Dampflokomotive mit offenem Dampfkessel aufgrund der entfernten Verkleidung und offener Zylinder sowie Hilfssysteme.

Es handelt sich um ein preußisches Modell S 10, das zwischen 1910 und 1914 hergestellt wurde und insgesamt 202 Lokomotiven produzierte. Auf dem nächsten Bild ist eine Lokomotive des Modells S zu sehen, bei der die äußere Verkleidung entfernt wurde

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Bild: Dampflokomotive ohne Verkleidung, Querschnitt des Dampfmotors (Quelle: Archiv der Autorin)

Unter der Verkleidung oder dem stählernen zylindrischen Mantel sieht man den Querschnitt des Dampfkessels und der Rohre, des Dampfzylinders mit Kolben, des vorderen Teils des Kessels für Abgase sowie des Übertragungsmechanismus.

Auf dem nächsten Bild sehen Sie eine Lokomotive von der anderen Seite, bei der die Verkleidung des Dampfkessels intakt ist, sowie einen Teil des Antriebsmechanismus, der mit 3 Paaren angetriebener Räder verbunden ist.

Dampflokomotive mit intakter Verkleidung

Bild: Dampflokomotive mit vollständiger Verkleidung (Quelle: Archiv der Autorin)

Die Dampflokomotive Modell P8 wurde 1919 für den Antrieb von Fracht- und Expresszügen verwendet und blieb bis in die 1970er Jahre in Betrieb.

Auf dem nächsten Bild ist der geöffnete Deckel der Lokomotive des Modells P8 zu sehen.

Die Vorderseite des Rauchgasbrenners mit den Rohrwärmetauschern ist sichtbar.

Vorderseite der Lokomotive

Bild: Vorderansicht der Lokomotive Quelle: Archiv der Autorin

In den letzten 200 Jahren hat sich das Funktionsprinzip der Dampfmaschine und der Energieumwandlung zur Antrieb von Eisenbahnlokomotiven nicht geändert, obwohl die Konstruktion der Lokomotiven zahlreiche Änderungen erfahren hat.

Jede Dampflokomotive besteht im Wesentlichen aus 2 Teilen: dem Dampfkessel (Feuerstätte, Rohre, Vorwärmer, Ventile) und dem Antriebsmechanismus (Zylinder mit Kolben, Kolbenstangen, Antriebsmechanismus, Räder).

Auf dem Bild ist ein vereinfachter Querschnitt der Lokomotive und der Hauptteile dargestellt.

Die grundlegende Funktionsweise jeder Dampflokomotive besteht darin, dass Dampf mit einem Druck von 14 bar bis 22 bar in den Zylinderraum mit Kolben eintritt, expandiert und den Kolben antreibt.

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Bild: Teile einer Dampflokomotive (Quelle)

Der Kolben, der mit der Kolbenstange verbunden ist, überträgt die translatorische Bewegung auf die Kreuzkopfkupplung des Antriebsmechanismus, die mit den angetriebenen Rädern verbunden ist.

Dies führt zur Übertragung der translatorischen Bewegung in eine Rotationsbewegung, dh zur Bewegung der Lokomotive.

Der Dampf dehnt sich im Zylinder aus, bis er den atmosphärischen Druck erreicht.

Am Boden des Feuerstätte des Dampfkessels befindet sich ein Rost, auf dem das verbrennende Brennmaterial verbrannt wird. Die heißen Abgase des Brennens strömen zum oberen Teil des Feuerstätte bzw. zur Brennkammer.

Feuerstätte für das Verbrennen von Kohle hat Aschenpfannen, in die die entstandene Asche gelangt, indem der Rost durch eine Hebelbewegung geschüttelt wird.

Die Rauchgase verlassen die Brennkammer mit turbulentem Strömung durch das Rohrsystem im mit Wasser gefüllten Kessel.

Die Hitze der Rauchgase erhitzt das Wasser, bis es verdampft.

Es entsteht Dampf, der unter Druck in die Kuppel aufsteigt und von dort zu den Dampfzylindern durch ein System paralleler Rohre gelangt.

Die Dampfmenge wird durch ein Regelventil in der Kuppel reguliert.

Das andere Rohrsystem überträgt den Dampf zum Überhitzer, wo der Dampf vor dem Eintritt in die Dampfzylinder auf eine höhere Temperatur erhitzt wird.

Die Verwendung von überhitztem Dampf erhöht die Effizienz des Dampflokomotivbetriebs um 25% bis 30% im Vergleich zu trockendampf (denken Sie an das Mollier-h-s-Diagramm für Wasserdampf).

Wenn Sie sich den Kessel mit Rohren genauer ansehen, erinnert er Sie an den Vorläufer der modernen Rohrwärmetauscher?

Darüber hinaus ist der Dampfkessel der Dampflokomotive tatsächlich ein Druckbehälter, dessen Betrieb sorgfältig reguliert werden muss.

Sicherheitsventile sind so konstruiert und eingestellt, dass sie automatisch Dampf ablassen, wenn der Druck im Dampfkessel die zulässige Grenze überschreitet.

Der Raum über der Feuerstätte muss jederzeit mit Wasser gefüllt sein. Wenn der Wasserstand unter die Höhe des Feuerstättendachs fällt (rechte Seite des Bildes), kommt es zur Überhitzung des Kessels und das Risiko einer Kesselexplosion steigt.

Wasserstandsanzeiger oder Peilgläser werden zur Überwachung des Wasserstands installiert.

Der Dampf strömt durch die Dampfrohre und gelangt in die Dampfzylinder, wo Expansion und Kolbenbewegung stattfinden.

Sobald der Dampf seine Energie abgegeben hat und nützliche Arbeit geleistet hat, indem er die Kolben bewegt hat, lässt das Ventilsystem den abgekühlten Dampf mit niedrigerem Druck durch das Abgasrohr austreten, das sich im mit Rauchgasen gefüllten Kessel befindet.

Die Bewegung der Lokomotivräder entsteht durch die Übertragung der Kolbenbewegung über die Stangen und Kreuzköpfe. Die Bewegung des Antriebsmechanismus wird durch einen Hebel gesteuert, der sich im Führerstand am hinteren Teil der Lokomotive befindet.

Dieser Hebel wird auch verwendet, um die Fahrtrichtung der Lokomotive sowie die Beschleunigung oder Verzögerung der Bewegung zu steuern.

Sobald der Dampf den Kolben bis ans Ende des Zylinders bewegt hat, wandelt das Stangen-, Kolben- und Radachsen-System die translatorische Bewegung des Kolbens (vor und zurück) in eine kreisförmige Bewegung der Räder um.

Gegengewichte oder Ausgleichsgewichte, die an den gegenüberliegenden Enden der Verbindung von Achse und Rad platziert sind, sorgen dafür, dass die Balance während der Bewegung aufrechterhalten wird.

Ursprüngliche Lokomotiven hatten jeweils ein Paar angetriebener Räder. Später wurden komplexere Mechanismen mit einer größeren Anzahl an Rädern entwickelt, wobei die größte Anzahl angetriebener Räder aus einem einzelnen Zylinderverbund in der Regel sechs (6) Paare betrug.

Aufgrund des großen Durchmessers und der Notwendigkeit für Flexibilität in der Bewegung hatten viele Lokomotiven zwei Dampfmaschinen und zwei Sets von angetriebenen Rädern.

Die Anordnung, Anzahl und Konstruktion der Räder und des Antriebsmechanismus hing von der Verwendung der Lokomotive ab.

Nachdem der Dampf seine Energie in den Zylindern abgegeben hat, verlässt er das Abgasrohr und mischt sich mit den Rauchgasen.

Dabei entsteht ein Luftzug, der die Rauchgase durch die Rohre in den vorderen Teil des Kessels zieht.

Frische Luft strömt durch Öffnungen oder Tore an der Vorder- und Unterseite des Brennraums ein.

Die gemischten Abgase und Rauchgase gelangen durch den Schornstein und verursachen dabei schnelle, turbulente Strömungen.

Die entstandene Mischströmung tritt in das Schornsteinrohr ein und führt zu einer plötzlichen Geschwindigkeitsreduzierung, wobei der charakteristische Klang der Lokomotive entsteht.

Da die Menge der Abgase von der verbrauchten Dampfmenge abhängt, die die Zylinder verlässt, muss der Ausstoß heißer Gase oder Rauch vorhergesehen werden, wenn der Lokführer das Ventil schließt.

Hierfür dienen eine Gruppe kleiner Düsen, sogenannte Dampfablassdüsen, die sich im vorderen Teil des Rauchgas-Kessels befinden.

Im Rauchgas-Kessel sammeln sich auch teilweise verbrannte Kohlepartikel an, die aus dem Brennraum in der Mischung von Rauchgasen stammen.

Wenn genügend Partikel angesammelt sind und den Gasstrom behindern, beginnen die Partikel zu wirbeln und werden in Form von Funken durch den Schornstein zusammen mit der Dampf-Rauch-Gemisch freigesetzt.

Welche Teile einer Dampflokomotive sind am anfälligsten für Störungen?

Der Dampfkessel kann explodieren, wenn der Dampf den maximal zulässigen Druck überschreitet.

Dampfkessel wurden mit Nieten verbunden, bis das Schweißen erfunden wurde und weit verbreitet zum Verbinden von Metallmaterialien eingesetzt wurde.

Nietverbindungen haben im Vergleich zu qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen eine geringere Festigkeit, daher stieg mit steigendem Dampfdruck die Belastung der genieteten Verbindungen.

Darüber hinaus wurden Drucktests als Methode zur Überprüfung von Druckbehältern erst im 20. Jahrhundert weit verbreitet eingesetzt, sodass fraglich ist, wie sehr die ursprünglichen Dampfkessel vor ihrer Inbetriebnahme überprüft und getestet wurden.

Feuer im Brennraum sind eine weitere potenzielle Gefahr, wenn es zu Überhitzung und Wassermangel im Raum über dem Brennraum kommt.

Ursprüngliche Lokomotiven hatten keine Brandschutzsysteme.

Brüche von Teilen des Antriebsmechanismus könnten aufgrund minderwertiger Herstellung oder Materialqualität der Antriebswelle, Kreuzkopf, Kolbenstangen oder Stangenauflage auftreten.

Platzen von Rohren, durch die die Rauchgase strömten, trat aufgrund von Materialermüdung der Rohre oder aufgrund der häufigen Anwesenheit von überhitzten Gasen auf.

Versagen von Sicherheitsventilen oder Funktionsverlust ist eine weitere potenzielle Störung, da zu dieser Zeit keine gesetzlichen Vorschriften für regelmäßige Wartung und Prüfung von Sicherheitsventilen existierten.

Andere potenzielle Probleme, mit denen Lokomotivführer konfrontiert wurden, sind: verminderte Verbrennungseffizienz aufgrund minderwertiger Kohle und schlechtere Ausnutzung, hohe mechanische Verluste, Wärmeverluste aufgrund unzureichender Dampfausnutzung, unzureichende Dampfüberhitzung, zu steife oder gebrochene Federn, Leckage von Wasser aus dem Dampfkessel, Verstopfung von Dampfröhren und verminderte Wärmeübertragung aufgrund von Kalkablagerungen auf den Rohroberflächen.

Fazit

Die Erfindung der Dampfmaschine war eine Revolution für die industri elle Produktion und führte zu grundlegenden Veränderungen in allen Bereichen der Gesellschaft.

Die Dampflokomotive ist ein hervorragendes praktisches Beispiel dafür, wie die Dampfmaschine den Transport von Menschen und Gütern verbessert und entwickelt hat. Zahlreiche mechanische Mechanismen fanden Anwendung in verschiedenen Industriezweigen.

Großbritannien hat seinen beiden Größen Watt und Boulton Tribut gezollt, die die Grundlagen der modernen Industrie gelegt haben, indem ihre Porträts auf der Rückseite des 50-Pfund-Scheins abgebildet sind.

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Bild: Die Rückseite des 50-Pfund-Scheins mit den Porträts von Matthew Boulton und James Watt (Quelle)
Unter ihren Porträts stehen die Zitate:

"Mein Herr, ich verkaufe hier das, was die ganze Welt haben will – KRAFT (Boulton, auf der linken Seite)" Ich kann an nichts anderes denken als an diese MASCHINE (Watt, auf der rechten Seite)_

Die SI-Einheit für Leistung wurde zu Ehren von James Watt als Watt benannt und wird definiert als die Arbeit von 1 Joule, die in 1 Sekunde verrichtet wird. Dies entspricht 1/746 PS zur Bestimmung der mechanischen und elektrischen Leistung.

Katarina Knafelj Jakovac
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28. November 2023

Katarina Knafelj Jakovac ist eine Maschinenbauingenieurin mit langjähriger Berufserfahrung in der Erdölindustrie. Sie ist zertifizierte Führungskraft für die Zuverlässigkeit von Ausrüstungen, spezialisiert auf maschinelle Ausrüstung und operative Exzellenz. Sie ist die Autorin des Blogs Strojarska Radionica (Mechanische Werkstatt), in dem sie ihr berufliches Wissen und persönliche Erfahrungen im Bereich Wartung verschiedener Rotationsmaschinen, Maschinensysteme und Prozessausrüstungen teilt. Sie liebt Mechanik, Wärmelehre und Verbrennungsmotoren. Ihr Engagement gilt der kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenwartung und einer qualitätsvollen Verwaltung von Sachanlagen.