Bestandteile und Wirkungsweise der Dampfmaschine

Zur Erklärung der Wirkungsweise des Dampfes gehen wir von einer möglichst einfach gebauten Maschine aus und erläutern deren notwendige Bestandteile und ihre Aufgaben.

Zum besseren Verständnis zeigt die Abb.3 eine schematische Zeichnung, Längsschnitt und Grundriß einer Dampf-maschine darstellend.
Der Zylinder ist an beiden Enden durch Deckel verschlossen, von denen der vordere mit einer Durchbohrung versehen ist, die nur die Kolbenstange, aber nicht den Dampf hindurchtreten läßt.
Der auf der linken Kolbenseite befindliche Dampf sucht sich nun auszudehnen und übt infolgedessen nach allen Richtungen hin einen Druck aus. Die einzige diesem Druck gegenüber nachgiebige Stelle ist der Kolben, er bewegt sich daher nach rechts mit einer Kraft, die sich als das Produkt der Kolbenfläche in cm2 und der Spannung (Druck) des Dampfes in bar ergibt.

 

1 bar = 10 N /cm2; 1 Pa (Pascal) = 1 N / m2 = 10hoch-5 bar; 1mbar = 100 Pa
1 bar wird in der Technik = 9,81 N /cm2 gerechnet.

 

Die Kolbenkraft F sowie die Bewegung pflanzt sich durch die Kolbenstange und die Schubstange bis zum Kurbelzapfen fort und bewirkt mittels des Kurbelarmes die Drehung der Welle. Auf der Welle kann sich nun für die Kraftabgabe der Anker eines Dynamos, eine Riemen- oder Seilscheibe oder ein Zahnrad befinden.
Die Welle ruht in 2 Lagern, die ihr Gewicht und das des Schwungrades auf das Fundament übertragen und ihre Drehung ermöglichen.
Hat der Kolben nun die Kurbel soweit herumgedreht, daß der Kurbelzapfen im Punkte TII (Abb.4) angelangt ist, so ist er gleichzeitig in seiner äußersten Lage vor dem rechten Zylinderdeckel angekommen und muß jetzt seine Bewegungsrichtung umkehren, den Kurbelzapfen auf der unteren Hälfte der Kreisbahn hinter sich herziehend.
Dieser Rücklauf des Kolbens wird dadurch ermöglicht, daß jetzt zwischen Kolben und rechtem Zylinderdeckel Dampf hineingelassen wird, während auf der anderen Kolbenseite dem Dampf, der seine Arbeit verrichtet hat, der Austritt ins Freie gestattet wird.

Wir sehen, daß die hin und her gehende Bewegung des Kolbens in die kreisförmige Bewegung des Kurbelzapfens umgeformt werden muß. Die Maschinenteile, die diese Aufgabe erfüllen, bezeichnen wir zusammenfassend mit dem Namen Kurbeltrieb.
Ein Bestandteil des Kurbeltriebs ist der Kreuzkopf, der eine gelenkige Verbindung zwischen Kolbenstange und Schubstange herstellt und, in einer sorgfältig bearbeiteten Führung gleitend, den im Gelenkpunkt auftretenden Druck aufnimmt und das Stangenende gerade führt.
In Abb.4 sind die auftretenden Kräfte in der Art, wie sie sich durch den Kurbeltrieb fortpflanzen, nach Größe und Richtung durch Pfeile bezeichnet.

Von besonderer Bedeutung ist das Verhältnis dieser Kräfte am Kurbelzapfen. Die zum Kurbelzapfen hingeleitete Schubstangenkraft S zerlegt sich in 2 Komponenten, (Vektoren), von denen die eine (D) in die Richtung des Kurbelarmes fällt und die Belastung des Lagers vermehrt, die andere senkrecht zum Kurbelarm gerichtete Tangentialkraft T dagegen lediglich zur Drehung der Welle dient.
Zeichnen wir nun diese Kräfte für verschiedene Stellungen der Kurbel, so sehen wir, daß das Verhältnis, nach welchem sich die Schubstangenkraft in ihre Komponenten D und T zerlegt, sich mit jeder Lage ändert. Bilden Schub-stange und Kurbelarm einen rechten Winkel miteinander, so ist die Tangentialkraft gleich der Schubstangenkraft, und die andere auf das Lager gerichtete Komponente D ist verschwunden. Umgekehrt ist in den Punkten TI und TII die Tangentialkraft gleich Null, die ganze Schubstangenkraft kommt als Lagerdruck zur Wirkung. Man bezeichnet diese beiden Punkte daher als die toten Punkte der Maschine, denn da in ihnen die auf die Umdrehung der Welle gerich-tete Kraft gleich Null ist, so würde die Maschine einfach stehen bleiben, wenn nicht das in dem Schwungrad angesammelte Arbeitsvermögen den Mechanismus über diese Punkte hinwegschleppte.

Außer den Kräfteverhältnissen sind auch die Geschwindigkeitsverhältnisse beim Kurbeltrieb bemerkenswert. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit c, d.h. den durchschnitt-lichen Weg des Kolbens in Metern pro Sekunde, erhalten wir aus der Gleichung

 

c = 2 · s · n / 60, worin s die Länge des Kolbenhubes und n die Undrehungszahl in der Minute
bezeichnet; die Geschwindigkeit V des Kurbelzapfens aus der Gleichung v = pi · s · n /60.
pi ist die bekannte Ludolfsche Zahl 3,14159…………..
Diese beiden Geschwindigkeiten verhalten sich zueinander wie der Durchmesser eines Kreises
zum halben Kreis-umfang, d.h. wie 2 zu pi oder 1 zu 1,57.

 

Betrachten wir nun die Geschwindigkeit in den einzelnen Punkten des Kolbenweges, so ist sie in den toten Punkten gleich Null, nimmt dann allmählich zu bis zur Mitte, wo sie gleich der Kurbelzapfengeschwindigkeit ist, und dann wieder ab bis zum nächsten toten Punkt.
Ein Unterschied in den Bewegungen des Kolbens und des Kurbelzapfens besteht ferner darin, daß der Kolben seine Mittellage bereits überschritten hat, wenn der Kurbelzapfen genau die Hälfte des Weges zwischen TI und TII zurückgelegt hat (Abb.4).
Auf der ersten Hälfte des Hinganges e i l t der Kolben v o r, büßt aber die gewonnene Strecke auf der zweiten Hälfte wieder ein, da er gleichzeitig mit der Kurbel im toten Punkte anlangt.
Auf dem Rückgange eilt der Kolben zunächst nach und holt den Verlust im letzten Viertel wieder ein.
Die Ursache dieser Unregelmäßigkeit liegt in der end-lichen Länge der Schubstange. Bei Annahme einer unend-lich langen Schubstange würden Mitte des Kolbenweges und Mitte des Kurbelweges übereinstimmen; je kürzer die Schubstange ist, umso größer wird die Unregelmäßigkeit.

Um sie in gewissen Grenzen zu halten, macht man bei normalen Dampfmaschinen die Schubstange 5 mal so lang wie den Kurbelarm.
Nur bei stehenden Maschinen, besonders für Schiffe, nimmt man kürzere Stangen, um zur Aufstellung mit niedrigeren Räumen auszukommen.

Der Mechanismus, der dazu dient, dem Dampf die Wege zu den Stätten seiner Wirksamkeit zu öffnen, ist die
Steuerung.
Verfolgen wir den Weg des Dampfes durch die Maschine: Zunächst tritt er aus der von den Kesseln herführenden Rohrleitung gewissermaßen in einen Vorhof, den
Schieberkasten, der mit dem Zylinder aus einem Stück gegossen ist und durch einen Deckel verschlossen wird. Von dort führen zwei Kanäle so in das Innere des Zylinders, daß sie dicht unter den Deckeln münden; ein dritter führt, zwischen den beiden ersteren liegend, ins Freie.
Über den Mündungen der Kanäle gleitet der Schieber hin und her. Seine Form und Bewegung sind so, daß er die erste zum Zylinder führende Öffnung freigibt und dadurch dem Dampf den Eintritt hinter den Kolben gestattet, er gleichzeitig den andern zum Zylinder führenden Kanal gegen den Schieberkasten absperrt, ihn jedoch mit dem dritten Kanal in Verbindung bringt und dadurch den verbrauchten Dampf ins Freie läßt. Der Schieber wird durch die Maschine selbst durch einen auf der Welle sitzenden Exzenter bewegt.

Der Exzenter erfüllt den Zweck einer kleinen Kurbel und hat seine besondere Konstruktion, weil es die Kurbelbewegung von der Welle an einer Stelle entnehmen soll, wo dieselbe nicht unterbrochen werden darf, also eine richtige Kurbel nicht angebracht werden kann. Es ist daher als runde Scheibe ausgebildet und mit Keilen auf der Welle befestigt, aber so, daß beider Mittelpunkte nicht zusammenfallen. Die Entfernung der Mittelpunkte voneinander, die Exzentrizität, entspricht dem Kurbelarm.

Die zwischen dem Zylinder einerseits und der Kurbelwelle anderseits wirkenden Kräfte haben das Bestreben, beide Teile von ihren Plätzen fortzurücken; deshalb müssen sie durch kräftige Schraubenverbindungen mit dem Boden, auf dem sie ruhen, dem aus Mauerwerk oder Beton hergestellten Fundament verbunden werden. Noch besser ist es, den Zylinder mit dem Kurbelwellenlager durch den gußeisernen Maschinenrahmen zu vereinigen und diesen zusammengesetzten starren Körper auf dem Fundament festzuschrauben.

 

4. Die indizierte und effektive Leistung. – Das Dampfdiagramm

Um die von dem Dampf an die Maschine abgegebene Leistung festzustellen und ein Bild über sein Verhalten zu gewinnen, dient ein Instrument, der Indikator (Abb.6), der die Arbeit des Dampfes auf ein Blatt Papier aufzeichnet. Das ist das Dampfdiagramm (Abb.5).

Der Indikator besteht aus einem kleinen Zylinder, der so mit dem Dampfzylinder verschraubt wird, daß in ihm immer derselbe Dampfdruck wie im Zylinder herrscht, aus einem Kolben, der dampfdicht in den Zylinder eingeschliffen ist und durch eine Spiralfeder nach unten gedrückt wird, und aus einem in Richtung der Kolbenachse gerade geführten Schreibstift, unter dem ein Blatt Papier entsprechend der Bewegung des Maschinenkolbens hinweggezogen wird.

Da die Feder genau im Verhältnis zu dem im Zylinder herrschenden Druck zusammengepreßt wird und dieses Verhältnis von vornherein für jeden Indikator bekannt ist, so hat man in der Höhe jedes Punktes der von dem Schreib-stift gezeichneten Linie über einer vorher bestimmten Null-Linie den Druck in bar, der den Kolben vorwärts treibt, in dem waagrechten Abstande zweier Punkte die Strecke, auf der der Druck gewirkt hat.
Die von dem Stift umfahrene Fläche stellt also ein Produkt aus Kraft und Weg vor und kann somit, nachdem ihr Inhalt ausgemessen ist, zur Bestimmung der von dem Dampf an die Maschine abgegebenen Arbeit direkt verwendet werden; d.h. der Arbeit während eines Kolbenhubes.
In 
Abb.5 ist ein solches Diagramm dargestellt und zugleich der Maschinenkolben in der zum Punkte g gehörenden Stellung gezeichnet.
Auf dem Hinweg des Kolbens von links nach rechts zeichnet der Indikatorstift die Linie von 
a über g nach d, auf dem Rückweg die Linie d e a.
Die so mit dem Diagramm festgestellte Leistung nennt man die indizierte Leistung der Maschine. Die steht jedoch dem Besitzer der Maschine nicht voll zur Verfügung, weil ein Teil zur Überwindung von Reibungswiderständen in der Maschine selbst verbraucht wird. Man hat, je nach der Anordnung und Ausführung der Maschine, 1/10 bis 3/10 derselben abzuziehen, um die wirklich von der Maschinenwelle abzugebende Leistung zu ermitteln; diese nennt man die
effektive Leistung.
Man kann sie durch direkte Messungen mit dem Bremszaum feststellen.

Die Vorrichtung dazu besteht aus zwei Bremsbacken, die durch Schrauben auf die Maschinenwelle gepreßt und durch Gewichts- oder Federbelastung in ihrer Lage erhalten werden (Abb. 7). Die ganze Maschinenleistung muß nun zur Überwindung des Reibungswiderstandes verwendet werden, der eben durch die Feder oder die Gewichte in kg gemessen wird.
Der Reibungsweg ergibt sich aus der Umdrehungszahl der Maschine.
Solche Messungen sind jedoch bei sehr großen Maschinen praktisch nicht ausführbar.

Man verfährt bei diesen auf folgende Weise, indem man davon ausgeht, daß der Dampf erst die eigene Reibung der Maschine überwinden muß, ehe er Arbeit nach außen abgeben kann, und voraussetzt, daß diese Reibung bei allen Leistungen ziemlich die gleiche ist. Man läßt also die Maschine leer laufen und indiziert sie; die aus diesem Dampfdiagramm bestimmte Leistung ist nötig, nur die Maschine zu drehen.
Zieht man diese Leistung von derjenigen bei irgendeiner Belastung ab, so ergibt die Differenz annähernd die an der Maschinenwelle geleistete Arbeit.
Das Dampfdiagramm gibt weitere Auskunft über den Einfluß der Steuerung und das Verhalten des Dampfes.
Die gerade Strecke von a bis b deutet an, daß der volle Dampfdruck während dieser gewirkt hat, der Schieber war also ganz offen gewesen, schließt aber nun in b den Einlaßkanal ab. Der im Zylinder eingeschlossene Dampf dehnt sich aus, ohne weitere Zufuhr zu erhalten, indem er den Kolben vor sich hertreibt.
Dabei sinkt seine Spannung bis zum Punkte 
c, wo sie schneller fällt, weil nun der Schieber den Dampf ins Freie läßt.
Die Linie 
d e a stellt den Rücklauf des Kolbens dar; sie verläuft zunächst parallel und etwas oberhalb der Null-Linie, die den Atmosphärendruck bezeichnet, denn der Dampf im Zylinder muß höhere Spannung haben als die äußere Luft, um den Weg ins Freie nehmen zu können. In f versperrt der Schieber dem Dampf den Austritt ; der dann noch im Zylinder befindliche Dampf wird also zusammengedrückt, wobei seine Spannung steigt, wie die Linie e f angibt.
In
 f öffnet der Schieber wieder den Kanal gegen den Schieberkasten, so daß frischer Dampf einströmt und sofort die volle Dampfspannung erreicht wird. Auf dem Rückweg des Kolbens wird also von dem Dampf keine Arbeit an die Maschine abgegeben, wohl aber umgekehrt von der Maschine zum Herausdrücken und Komprimieren des Dampfes.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.