Kraftmaschinen

alle folgenden Texte und Zeichnungen zur Dampftechnik wurden entnommen aus:
"Bibliothek des allgemeinen und praktischen Wissens", Band 4
Deutsches Verlagshaus Bong & Co., Berlin, Leipzig, Wien, Stuttgart (1904, 1905)
Abschnitt: Industrie, Technik, Verkehr
Regierungsbaumeister R.Spalckhaver, Dr. Pietsch u.a.
umgesetzt von P.Henkel, Förderverein Dampfmaschinenmuseum Frankenberg/Eder

in eigener Sache:
Dieses oben genannte fast 100 Jahre alte Buch erstand vor einigen Jahren unser Anleiter, Herr H.Seltmann in einem St.Petersburger Antiquariat. Nach unserem Dafürhalten spiegelt es die Dampfmaschinentechnik um das Jahr 1900-1905 auf ca.50 Buchseiten hervorragend wider und ist als Lehrmittel mehr als geeignet; authentisch und originär.
Aus diesem Grunde entstanden auch nur sehr wenige Bearbeitungsstellen, z.B. bei der Definierung physikalischer Maßeinheiten im letzten Jahrhundert.
Die Autoren lassen uns an den Gedanken der Ingenieure teilhaben und führen uns nach und nach in verständlicher Sprache ohne Fachchinesisch in die Welt der Dampftechnik ein.

A. Bedeutung der Maschinen für die Kultur der Gegenwart

Eine umfassende Betrachtung der Kultur unserer Tage ist nicht mehr möglich, ohne an den Einfluß zu denken, den die Maschinen auf die Umgestaltung der Lebensbedin-gungen des größten Teils der von der Zivilisation berührten Menschheit ausgeübt haben. Daß dieser Einfluß bis in die abgelegensten Gegenden reicht, wird sofort klar, wenn man sich einmal sämtliche Maschinen plötzlich von der Erde verschwunden denkt. Eine Stockung von Handel und Wandel, eine Teuerung der notwendigsten Lebensbedürfnisse würde die Folge sein.

Mag man auch mit Recht über manche Nachteile klagen, die im Gefolge der industriellen Entwicklung aufgetreten sind, wie das Zusammendrängen der Bevölkerung in die großen Städte und schädliche Einwirkungen auf die Gesundheit eines Teils der Arbeiter, so müssen wir dennoch das Vorhandensein der Maschinen als einen Segen für die Menschheit anerkennen; denn ohne sie würde eine Bevölkerung, wie Deutschland sie gegenwärtig beherbergt und ernährt, nicht innerhalb der deutschen Grenzen Nahrung und Unterhalt finden, es sei denn, daß sie an Anspruchslosigkeit noch das chinesische Volk hinter sich ließe.

Die oben erwähnten Nachteile sind außerdem nicht mit dem Maschinenwesen unauflöslich verknüpft, sondern es handelt sich dabei um Begleiterscheinungen der ungeahnt schnellen Entwicklung der Industrie. Daher ist zu erwarten, daß diese Erscheinungen mit der Zeit, teils von selbst durch die fortschreitende Entwicklung, teils durch bewußte Maßnahmen einsichtiger Arbeitgeber und eine weise Gesetzgebung verschwinden, wenigstens aber sehr gemildert werden.
Jedenfalls kann man ohne Widerspruch behaupten, daß gerade infolge dieser industriellen Entwicklung der Wohlstand des gesamten Volkes bedeutend gewachsen ist und seine Gesundheit und Lebenshaltung sich verbessert haben.

Die Behauptung, daß jede neu erfundene Maschine so und so vielen Menschen Arbeit und Brot wegnähme, ist längst in ihrer allgemeinen Bedeutung als haltlos erwiesen. Im Gegenteil hat gerade die Erfahrung des letzten Menschenalters dargetan, daß durch die Einführung von Maschinen in neue Gebiete der menschlichen Arbeit nicht nur die Arbeitsgelegenheit an sich vermehrt, sondern, was für die kulturelle Entwicklung besonders wichtig ist, auch die Qualität der Arbeit auf eine höhere Stufe gehoben wird. Denn die Maschine nimmt dem Menschen die untergeordnete, nur mechanische Arbeit ab und stellt ihm dafür Aufgaben, welche an seine Geschicklichkeit und seine Geisteskräfte höhere Ansprüche machen.

B. Definition der Maschine

Die Frage: Was ist eine Maschine? läßt sich allgemein durch folgende kurze Erklärung beantworten:

"Die Maschine ist eine Vereinigung von festen und beweglichen Teilen, welche dazu dient, die in irgendeiner Form hineingeleitete Energie zu solchen Bewegungen und Kraftäußerungen zu veranlassen, daß die ihr zugemutete Arbeit dadurch geleistet wird."

Es ergibt sich daraus die ungeheure Mannigfaltigkeit der Maschinen, die verschieden sein m ü s s e n nach der Art und Menge der hineingeleiteten Energie und nach Art der von ihnen erwarteten Arbeitsleistung und verschieden sein k ö n n en nach der Form und den Werkstoffen, mit denen der Konstrukteur seine Absichten zu erreichen gesucht hat.

C. Einteilung der Maschinen

Alle Maschinen lassen sich in zwei große Gruppen einteilen:
Wir unterscheiden

Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen.

Die Kraftmaschinen haben die Aufgabe, die auf der Erde vorhandenen Naturkräfte, in welcher Form sie sich auch darbieten mögen, in mechanische Energie umzuwandeln, denn nur in dieser Form sind sie geeignet, dem Menschen die Arbeit abzunehmen, die er mit seiner eigenen Kraft leisten müßte.

Dazu gehören die Dampfmaschinen, Gaskraftmaschinen und Turbinen.

Die aus den Kraftmaschinen hervorgehende mechanische Energie - in der Regel tritt sie als drehende Bewegung auf - bewirkt nun, in die Arbeitsmaschinen hineingeleitet, die Ausführung der bewünschten Arbeit, z.B. in Drehbänken, Bohrmaschinen, mechanischen Webstühlen.
Die Merkmale beider Gruppen finden wir unter Umständen an einer Maschine vereinigt, wie bei der Lokomotive.

D. Verschiedene Formen der Energie

Durch die Forschungsarbeiten von Robert Mayer und Hermann Helmholtz ist um die Mitte des 19. Jahrhunderts der Zusammenhang zwischen den Naturkräften nachgewiesen worden, so daß man allgemein von der Energie und ihren verschiedenen Formen sprechen kann. Dieser Zusammenhang besteht vor allem darin, daß jede Form von Energie in eine andere nach einem bestimmten Verhältnis umgewandelt werden kann, z.B. Bewegung in Wärme, Wärme in Licht.

Für die maschinentechnischen Zwecke kommen nun folgende Formen der Energie in Betracht:

a) Die ENERGIE DER LAGE
Das Gewicht einer Turmuhr besitzt Lageenergie, wenn es aufgewunden ist; es kann dann die Arbeit leisten,
die seiner Höhenlage entspricht und die ebenso groß ist wie diejenige, die zum Aufwinden nötig war.
Die potentielle Energie = Gewichtskraft · Weg

b) Die ENERGIE DER BEWEGUNG (KINETISCHE ENERGIE)
Jeder in Bewegung befindliche Körper repräsentiert eine gewisse Energie, deren Größe von seiner Masse und seiner Geschwindigkeit abhängt. Ein rotierendes Schwungrad z.B. ist imstande, infolge der in ihm aufgespeicherten Energie, die wir Beharrungs- vermögen nennen, die Maschine noch eine Zeitlang im Laufe zu erhalten, bis es selbst zum Stillstand gekommen ist, auch nachdem die Kraftzufuhr zur Maschine abgesperrt wurde. Die Bewegung geschieht dann infolge der im Schwungrad vorhandenen Bewegungsenergie.

c) Die CHEMISCHE ENERGIE
Eine bestimmte Menge Schießpulver, in einem Kanonenrohr eingeschlossen, verwandelt sich infolge der chemischen Einwirkung seiner Bestandteile aufeinander in einen gasförmigen Körper von großem Rauminhalt und leistet dabei die Arbeit, das Geschoß aus dem Rohr zu treiben.

d) Die W ÄRME wird durch den chemischen Vorgang der Verbrennung gewonnen, veranlaßt die Ausdehnung, die besonders bei gasförmigen Körpern bedeutend ist, und bringt dadurch Bewegung zustande.

e) Die ELEKTRIZITÄT kann in Motoren oder Elektromagneten in mechanische Kräfte umgesetzt werden; da sie jedoch nicht aus Naturprodukten gewonnen wird, sondern erst durch mechanische Arbeit gewonnen werden muß, so ist sie hier hauptsächlich als Kraftübertragungsmittel anzusehen.

Betrachten wir nun die Umwandlungen, die mit den genannten fünf Energieformen für die verschiedenen industriellen Bedürfnisse vorgenommen werden, so erhalten wir ein wechselvolles Bild. Einige Beispiele mögen das erläutern:

In einer Dampfmaschine verwandeln wir die in der Wärme enthaltene Energie in Energie der Bewegung, d.h. mechanische Arbeit; leiten wir sie in eine Pumpe und füllen ein Wasserreservoir, so erhalten wir Energie der Lage; letztere ist natürlich wieder imstande, sich in Bewegung umzusetzen, d.h. Arbeit zu leisten.
Leiten wir z.B das Wasser eines Bergsees in Turbinen, so wird die Lageenergie in kinetische Energie verwandelt, diese können wir nun auf dem Umwege über die Elektrizität in chemische Energie überführen, indem wir durch Turbinen Dynamomaschinen antreiben lassen und den elektrischen Strom zur Erzeugung von z.B. Kalziumkarbid verwenden.

E. Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad

Bei dieser Bezeichnung ist es gleichgültig, in welcher Zeit die Steine hinaufbefördert werden. Wenn wir von Arbeit sprechen, haben wir nur das Endergebnis im Auge.

Wünschen wir nun für die Beförderung der Steine eine Hebemaschine zu beschaffen, so gewinnt die Frage, in welcher Zeit die Arbeit geleistet wird, eine andere Bedeutung; denn davon hängt es ab, wie groß die Maschine sein muß.
Sollen die 10 000 kg z.B. in 10 Minuten gehoben werden, so muß in einer Sekunde eine Arbeit von 120 000 mkg /
(10 x 60 sek) = 200 mkg geleistet werden; diese Arbeit bezeichnen wir mit dem Ausdruck L e i s t u n g.

1 mkg / Sek. (Meterkilogramm pro Sekunde) ist also die Einheit der Leistung.

heute ist die mechanische Leistung definiert:

Im vorliegenden Beispiel beträgt die Leistung also 200 mkg /s / 75 = 2,67 PS.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Leistung also
1 177 200 Nm / 600 s =
1962 Nm / s = 1962 J / s = 1962 W (Watt)

Steht uns nun eine der genannten 5 Formen der Energie in bestimmter Menge zur Verfügung, so können wir aus den durch Versuche genau festgestellten Verhältniszahlen diejenige Zahl von Arbeitseinheiten in mkg (Nm) berechnen, welche wir erhalten müssen.
In Wirklichkeit erhalten wir jedoch weniger, als die Rechnung ergeben hat; das rührt daher, daß sich ein Teil der in die Maschine hineingeleiteten Energie nicht in die von uns erwartete Arbeit, sondern bei Überwindung der Reibung der bewegten Teile in Wärme umgewandelt hat und so für unsere Zwecke verloren gegangen ist.

Das Verhältnis zwischen der in die Maschine hineingeschickten und der von ihr geleisteten Arbeit nennen wir den W i r k u n g s g r a d.
Der gibt in Prozenten der verfügbaren Arbeit an, wie groß die Menge der erhaltenen Arbeit ist; er ist bei Maschinen immer kleiner als 100 %, oder wenn man ihn durch einen Bruch ausdrückt, kleiner als 1.

Man bezeichnet ihn in technischen Abhandlungen durch den griechischen Buchstaben
h (Eta); z.B. h = 0,75 heißt, daß die Maschine 3/4 der aufgewendeten Arbeit nutzbar macht.

Es ist nun leicht zu verstehen, daß es ein zweckloses Unternehmen ist, eine Maschine zu erfinden, die von selbst läuft und ohne Kraftzuführung Arbeit leistet, eine Aufgabe, die manche Erfinder durch das perpetuum mobile lösen wollten.
Keine Arbeit wird ohne Aufwendung von Energie gewonnen, und immer muß mehr Energie verausgabt werden, als der gewonnenen Arbeit entspricht.

Eine Maschine ist umso besser, je mehr ihr Wirkungsgrad sich der Zahl 1 nähert.

Beispiele für Wirkungsgrade:

Gasturbine h = 0,28 Dampfturbine h = 0,23
Wasserturbine h = 0,85 Otto-Motor h = 0,27
Diesel-Motor h = 0,33 Drehstrom-Motor h = 0,85

Hydrogetriebe h = 0,80 Bewegungsgewinde h = 0,30
Zahnradtrieb h = 0,97 Schneckenantrieb h = 0,60
Drehmaschine h = 0,70 Hobelmaschine h = 0,70