Mehrstufige Expansion


Je höher die Eintrittsspannung des Dampfes und je tiefer die Endspannung ist, mit der er aus dem Zylinder in den Kondensator entlassen wird, um so größer ist, theoretisch betrachtet, die Arbeit, die mit einer bestimmten der
Füllung entsprechenden Dampfenge geleistet werden kann. Sie wird nach oben begrenzt durch die Expansion- oder Dehnungskurve des Dampfes. Praktisch stellt sich nun heraus, daß, je weiter wir die Dampfdehnung treiben, um so mehr das Indikator-Diagramm unterhalb der Isotherme verläuft, so daß der Nutzen einer weit getriebenen Dampfdehnung mehr und mehr illusorisch wird.
Der Grund liegt in dem großen Unterschied zwischen der Temperatur des eintretenden frischen und des im Kondensator abgekühlten Dampfes; dieser Unterschied kann 120° und mehr betragen und verursacht, daß ein Teil des frischen Dampfes an den abgekühlten Wandungen des Zylinders niederschlägt.
Und noch ein anderer Umstand kommt hinzu, der eben erwähnten Dampfausnutzung eine Grenze zu ziehen. Je tiefer die Spannung gesunken ist, um so größer ist nach dem Expansionsgesetz das von dem Dampf eingenommene Volumen geworden. Man braucht also Dampfzylinder von außerordentlich großen Durchmessern. Der größte Nachteil liegt aber darin, daß das ganze Triebwerk sehr schwer gebaut werden muß, weil es nicht für den mittleren, sondern für den größten Kolbendruck entsprechend der Eintrittsspannung bemessen sein muß.
Zur Milderung dieser beiden Nachteile ist es zweckmäßig, die Leistung der Maschine auf mehrere Zylinder, bei Dampf von 6 – 10 Atm. in der Regel auf 2, über 10 Atm. auf 3 Zylinder zu verteilen, so daß der Dampf seinen Weg nacheinander durch die Zylinder nimmt und die Dehnung in mehreren Stufen erfolgt.

Abb.18 stellt das Dampfdiagramm für eine 3-stufige Expansion dar. Da der Dampf bei hoher Spannung geringen Raum einnimmt, so tritt er zunächst in den kleinsten der 3 Zylinder, den Hochdruckzylinder, und expandiert in ihm so weit, wie es die Raumverhältnisse im Zylinder gestatten; der Rückgang des Kolbens erfolgt natürlich unter beachtlichem Gegendruck.

Das hat aber in diesem Falle nichts zu sagen, denn der Dampf wird noch weiter ausgenutzt, indem er nun in den zweiten größeren Zylinder, den
Mitteldruckzylinder eintritt und dort Arbeit leistet, weiter expandierend. Schließlich gelangt er mit erheblich reduziertem Druck in den größten, den
Niederdruckzylinder und expandiert bis auf diejenige geringste Endspannung, die sich als zweckmäßig erweist, wenn man beachtet, daß erst einmal die Reibung des Triebwerkes überwunden werden muß, ehe Arbeit an die Kurbelwelle abgegeben werden kann, und daß es daher keinen Zweck hat, die Expansion zu weit zu treiben.
Wegen der besonderen Anordnungen der einzelnen Zylinder und ihrer Steuerung kann der Dampf nicht immer sofort von einem Zylinder in den nächsten eintreten.
Es sind deshalb zwischen denselben Räume angeordnet, welche den Dampf so lange aufnehmen, bis der Kanal zum nächsten Zylinder geöffnet wird. Diese Räume nennt man
Aufnehmer oder nach dem Englischen Receiver; sie werden entweder als besondere röhrenförmige Gefäße ausgeführt oder dadurch gebildet, daß man den Überströmungskanälen eine entsprechende Größe gibt.
Die Raumverhältnisse sind so, daß man dem Mitteldruck-zylinder etwa den 2,5 fachen, dem Niederdruckzylinder den 6-fachen Inhalt des Hochdruckzylinders gibt.
Würden wir nun dem Hochdruckzylinder volle Füllung geben, so hätten wir schon ohne weiteres mit einer 6-fachen Dampfdehnung zu rechnen. Häufig gibt man bei 3-stufiger Expansion für die normale Leistung der Maschine eine Füllung von 0,3 des Hochdruckzylinders und erhält dann 20-fache Gesamtexpansion.
Die in Abb.18 gezeichneten schraffierten Flächen geben ein Bild für die Leistung und das Verhalten des Dampfes in den einzelnen Zylindern. Da alle 3 Zylinder denselben Kolbenhub haben, so stehen die Diagrammlängen 
s1s2s3 im direkten Verhältnis der Zylinderinhalte zueinander; ebenso haben die Spannungen der 3 Arbeitsflächen den gleichen Maßstab. Um dieses Bild zu erhalten müssen die vom Indikator aufgenommenen Diagramme umgezeichnet werden, indem die waagrechten Maße der kleinen Zylinder verkürzt und die Spannungen nach den verwendeten Indikatorfedern auf einen einheitlichen Maßstab gebracht werden. Je mehr die Diagrammflächen den Raum unterhalb der Hyperbel ausfüllen, um so günstiger ist der Verlauf des Arbeitsvorganges und die Ausnutzung des Dampfes. Wir sehen aber, daß die Expansionskurven um so tiefer unterhalb der Hyperbel verlaufen, je mehr wir uns der Ausströmung in den Kondensator nähern.
Bei Maschinen mit 2-stufiger Expansion, die man auch
Verbundmaschinen nennt, ist der Verlauf ähnlich; man denke sich nur das Mitteldruckdiagramm fortgelassen. Ist die Dampfspannung sehr hoch, etwa 14 bar oder mehr, so wird mitunter 4-stufige Expansion angewendet. Solche Maschinen werden für Torpedoboote und Schnelldampfer ausgeführt.
Es liegt nun die Frage nahe: wie ist die Steuerung und die Regulierung bei den mehrstufigen Dampfmaschinen?
Da haben wir zunächst zu bedenken, daß die Dampfeinströmung periodisch erfolgt; bei jeder Umdrehung der Welle erhält der Hochdruckzylinder einmal auf jeder Seite des Kolbens die ihm durch die Steuerung zugemessene Dampfmenge. Nachdem diese einmal in den Hochdruckzylinder eingetreten ist, kann sie auf dem Wege durch die Maschine nicht mehr geändert werden. Es genügt daher und ist auch nur möglich, durch Regulierungsvorrichtungen auf die Steuerung der Hochdruckzylinder einzuwirken; nur diese erhalten die besprochenen Expansionssteuerungen; die anderen Zylinder erhalten konstante Füllung. Die Folge davon ist, daß die Mehrfachexpansionsmaschinen etwas langsamer auf die Einwirkung des Regulators reagieren als Einzylindermaschinen.
Ein zu großer Abfall der Spannung wird durch Heizung der einzelnen Zylinder vermieden; das muß aber so geschehen, daß jeder Zylinder nur auf diejenige Temperatur gebracht wird, die der Spannung des in ihm arbeitenden Dampfes entspricht. Es ist also im allgemeinen nicht zweckmäßig, den Niederdruckzylinder mit Frischdampf zu heizen, man nimmt vielmehr Dampf aus dem zweiten Aufnehmer; für den Mitteldruckzylinder aus dem ersten Aufnehmer und für den Hochdruckzylinder Frischdampf.

11. Bauart der Dampfmaschinen

Die Bauart der Dampfmaschinen richtet sich zunächst nach dem Verwendungszweck und wird in dieser Hinsicht in einem späteren Abschnitt noch eingehender behandelt. Jetzt soll nur von einigen wesentlichen, auch äußerlich in die Augen fallenden Unterschieden die Rede sein. Einen Streit darüber, ob grundsätzlich liegende oder stehende Dampfmaschinen vorzuziehen sind, kann es eigentlich nicht geben, da es nur auf die Güte der Ausführung ankommt und nur besondere Umstände die Verwendung der einen oder anderen Bauart erfordern.
Liegende Maschinen, besonders die von bedeutender Größe, haben den Vorzug guter Übersichtlichkeit und leichter Bedienung, da der Maschinist nicht nötig hat, Treppen zu steigen, um in oft 2 Etagen alle Einzelteile einer stehenden Maschine zu überprüfen.
Demgegenüber stehen 2 Punkte, die für die stehende Maschine sprechen:
Der Kolben der stehenden Maschine gleitet in dem Zylinder auf und ab und nutzt die Wandung an allen Stellen gleich ab, so daß die genaue Kreisform und die Dichtigkeit erhalten bleibt, während bei den liegenden Maschinen der Kolben einseitig auf der unteren Hälfte ausschleift, wodurch er eher undicht wird. Dieser Auswirkung hat man indessen durch besondere Konstruktionen mit Erfolg vorgebeugt.
Der 2. Punkt ist, daß die stehende Maschine etwas geringere Bodenfläche beansprucht, also dort angebracht ist, wo der Boden teuer ist. Dafür muß allerdings das Maschinenhaus um so höher sein.

12. Das Schwungrad

Zur Regelung des Ganges der Dampfmaschine dient außer dem Regulator noch ein anderer wichtiger Teil, das Schwungrad.
Als Aufgabe des Regulators kann man bezeichnen, daß er bei wechselnden Leistungen die Umdrehungszahl der Maschine konstant hält durch Vermehrung oder Verminderung der Dampfzufuhr; als
Aufgabe des Schwungrades, daß es während jeder
Umdrehung die Winkelgeschwindigkeit möglichst konstant hält, insbesondere aber einen Ausgleich zwischen den verschiedenen Perioden der Dampfarbeit schafft.
Erinnern wir uns, daß von der Kolbenkraft nur die als Tangentialkraft bezeichnete Komponente durch Drehung der Welle nutzbare Arbeit schafft, daß ferner während eines Hubes die Kolbenkraft infolge der Expansion erheblich wechselt, so erkennen wir, daß die vom Kolben an die Welle abgegebene Arbeit mal größer, mal geringer sein muß als der Widerstand, den sie überwinden soll.
Da ist es nun die Aufgabe des Schwungrades, während der Periode, in der die Arbeit größer ist als der Widerstand, die überschüssige Arbeit aufzunehmen und in einer späteren Periode, wenn die Leistung der Maschine geringer geworden ist, z.B. im toten Punkt, die Arbeit wieder abzugeben.
Die Aufspeicherung der Arbeit erfolgt durch Geschwindigkeitszunahme oder Beschleunigung, denn um eine Masse M, welche sich mit einer Geschwindigkeit von v1 bewegt, auf die Geschwindigkeit v2 zu bringen, ist eine Arbeit
W = 1/2 M ( v2quadrat – v1quadrat ) mkg erforderlich. Ebenso groß ist aber auch die Arbeit, welche die Masse abgeben kann, wenn durch äußere Hindernisse ihre Geschwindigkeit von v2 auf v1 vermindert wird.
Haben wir nun die Maschine mit einer mittleren Geschwindigkeit vom vm zu betreiben, so gestattet das Schwungrad von der Masse 
M ein Ansteigen der Geschwindigkeit auf v2 und ein Fallen auf v1, wenn W der Betrag der aufzunehmenden und abzugebenden Arbeit ist. Das Verhältnis d = v2 – v1 / vm nennt man den
Ungleichförmigkeitsgrad. Verlangt der Betrieb einen recht gleichmäßigen Lauf der Maschine, also kleines 
d, so muß das Schwungrad eine große Masse erhalten, wie ja auch allgemein bekannt ist, daß Maschinen mit schweren Schwungrädern ruhiger laufen als mit leichten.
Der von den verschiedenen Maschinen verlangte Ungleichförmigkeitsgrad schwankt von
d = 1/20 für Pumpen bis d = 1/250 für elektrische Maschinen.

Die obengenannte Arbeitsformel läßt sich auch umformen in A = M vm2 d, woraus zu ersehen ist,, daß die von einem Schwungrade aufzunehmende Arbeit mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, mit der sich sein Schwerpunkt bewegt. Um also mit einem leichteren und daher billigeren Schwungrade auszukommen, braucht man demselben nur einen großen Durchmesser zu geben. Das hat aber eine Grenze, da bei steigender Geschwindigkeit die Zentrifugalkraft wächst und die Gefahr besteht, daß das Schwungrad auseinanderfliegt. Dies ist die nächstliegende Gefahr, wenn eine Maschine durchgeht, da infolge einer plötzlichen Entlastung die ganze Arbeit zur Vermehrung der Geschwindigkeit verwendet wird.
Von den verschiedenen Bauarten der Dampfmaschine sind in bezug auf die Gleichförmigkeit diejenigen am günstigsten, die mehrere gegeneinander versetzte Kurbeln haben, da in dem Augenblicke, in dem sich eine von diesen im toten Punkte befindet, also kein Drehmoment auf die Welle ausübt, die anderen mit voller Kraft drehen können.
Aus dem Grunde versetzt man 2 Kurbeln um 90°, 3 Kurbeln um 120° gegeneinander. Bei dieser Anordnung kommt man auch mit einem erheblich leichteren Schwungrad aus. Wenn man trotzdem in vielen Fällen Tandemmaschinen mit zwei hintereinander auf eine Kurbel arbeitenden Kolben vorzieht, so tut man das wegen der Platzersparnis und besseren Übersichtlichkeit.

13. Die Umlaufszahl der Dampfmaschinen

Wenn auch die Umlaufszahl in erster Linie von dem Verwendungszweck der Dampfmaschinen abhängig ist, so dürfte es auch von Interesse sein, den Einfluß zu kennen, den sie auf die Bauart hat. Man bedenke nur, daß die Umlaufszahlen pro Minute zwischen 6 und 600 schwanken. Welches sind nun die bei hohen oder geringen Umlaufszahlen auftretenden Erscheinungen?
Erinnern wir uns zunächst daran, daß das Indikator-Diagramm die Arbeit der Maschine während eines Hubes darstellt, so würde dieselbe Maschine im ersten Fall 12, im zweiten 1200 Diagramme pro Minute geben, ihre Leistung also bei gleicher Diagrammfläche im zweiten Falle 100 mal so groß sein, wie im ersten. Das ist der Vorteil der hohen Geschwindigkeit. In Wirklichkeit könnte man nun aber eine für 6 Umdrehungen gebaute Maschine nie mit 600 betreiben; das Umgekehrte wäre natürlich möglich, nutzt aber die Fähigkeit der Maschine nicht aus. Zwei Momente erfordern bei schnellaufenden Dampfmaschinen besondere Berücksichtigung, der
Beschleunigungsdruck und die Dampfkanäle.
Eine Eigentümlichkeit des Kurbeltriebes ist die ungleich-förmige Bewegung des Kolbens. Bei jeder Umdrehung erfährt der Kolben 2 mal eine Beschleunigung, zu Beginn jeden Hubes, und 2 mal zu Ende jeden Hubes eine Verzögerung, die man als Beschleunigung mit negativem Vorzeichen ansehen kann. Die Beschleunigung hat ihren höchsten Wert genau zu beginn jeden Hubes, da dann die Masse aus dem Zustande der Ruhe in Bewegung gesetzt wird, sie nimmt allmählich ab und ist gleich Null wenn die Geschwindigkeit am größten ist.
Ihre Größe hängt nicht von der Kolbengeschwindigkeit allein ab, sondern außerdem noch von der Umdrehungs-zahl; denn bei einer Maschine, die zwar dieselbe Kolbengeschwindigkeit hat, aber, bei kleinerem Hube, eine größere Umdrehungszahl als eine andere, muß die maximale Geschwindigkeit jedesmal in so viel mal kürzerer Zeit erreicht werden, wie ihre Umdrehungszahl größer ist.
Um der in dem Triebwerk enthaltenen Masse die Beschleunigung zu erteilen, ist eine Kraft erforderlich, der
Beschleunigungdruck, die vom Dampf ausgeübt werden muß. Daraus folgt die Bedingung, daß der auf den Kolben wirkende Dampfdruck jedenfalls groß genug sein muß, um den Beschleunigungsdruck und außerdem die Reibung des Triebwerkes zu überwinden. Am Ende des Hubes kann dagegen die in ihrer Bewegung verzögerte Masse des Triebwerkes einen die Wirkung des Dampfes unterstützenden Druck ausüben. Diese Verhältnisse sind für Wirksamkeit und Bemessung des Schwungrades von größtem Einfluß.
Es ergibt sich daraus für schnellaufende Maschinen als erste Forderung, alle Teile des Triebwerkes so leicht zu bauen, wie es die Rücksicht auf die Festigkeit erlaubt.
Für die Dampfkanäle ist ist die maximale Kolbengeschwindigkeit von maßgebender Bedeutung. Wenn auch die Dampfgeschwindigkeit sehr große Werte annehmen kann, so muß sie wegen des auftretenden Spannungsverlustes doch in bestimmten Grenzen bleiben, wenn man eine gute Ausnutzung der Dampfkraft erzielen will. Praktisch benutzt man Dampfgeschwindigkeiten von 30 bis 40 m pro Sekunde. Danach ist die Weite der Dampfkanäle zu bemessen, und zwar so, daß auch bei der größten Kolbengeschwindigkeit noch genügend Dampf einströmen kann. Diese Bedingung führt bei schnellaufenden Maschinen zu großen Kanalöffnungen und damit zu schweren Schiebern, die ein kräftiges Gestänge erfordern. Mit Rücksicht auf die Beschleunigung wird aber auch für den Steuerungsorganismus geringstes Gewicht aller beweglichen Teile verlangt.

z

Schreibe einen Kommentar

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