14.
Die Verwendung der Dampfmaschinen
Die wichtigsten Gebiete sind:
a) für Fabrikbetriebe
Am meisten verbreitet
ist die sogenannte Betriebsmaschine für gewöhnliche
Fabrikbetriebe. Die Leistung schwankt nach dem Kraftbedarf
der Fabrik von einigen PS bis zu 3000 PS und mehr; die erste
Forderung ist im allgemeinen neben guter Ausnutzung des
Dampfes
gleichförmige Geschwindigkeit, auch bei verschiedener
Belastung. In welchem Grade diese Bedingung erfüllt sein muß,
hängt von der Art des Betriebes ab. In der Regel wird die
Kraft durch Riemen oder Seile auf eine
Transmissionsanlage übertragen und von dieser den einzelnen
Arbeitsmaschinen zugeführt; dabei hat man es in der Hand,
die Arbeitsmaschinen mit den verschiedensten
Geschwindigkeiten arbeiten zu lassen. Die Umlaufszahl der
Betriebsmaschine ist also meistens unabhängig von der Art
des Fabrikbetriebes.
b) für Bergwerke
In Bergwerken sind die wichtigsten mit Maschinenkraft zu
leistenden Arbeiten die Förderung von festen Körpern und
von Wasser sowie die Aufbereitung der Rohstoffe, die im
Zerkleinern, Waschen und Sortieren besteht. Die für die
letzteren Arbeiten dienenden Kraftmaschinen arbeiten unter
etwa denselben Bedingungen wie die sonstigen
Betriebsmaschinen.
Die weiteren Bedingungen für die Fördermaschinen ergeben
sich aus dem periodisch wechselnden Betrieb. Die Last soll
aus ihrer Ruhelage am Grunde des Schachtes in beschleunigte
Bewegung versetzt werden, erreicht dann die größte
Geschwindigkeit, welche etwa 15 - 25 m pro Sekunde beträgt,
und soll dann über Tage wieder zum Stillstande gebracht
werden.
Darauf folgt derselbe Vorgang mit umgekehrter Drehrichtung
der Maschine. Die nächste Forderung ist also, daß die
Drehung der Maschine umkehrbar sein muß.
Die Dampfverteilung wird bei kleineren Maschinen durch
Schieber, bei größeren durch Ventile besorgt, die
Umsteuerung durch Kulissensteuerungen oder Knaggen. Wegen der
stark wechselnden Tätigkeit der Maschine ist ständige
Bedienung durch einen Maschinisten erforderlich, dessen Platz
so gewählt sein muß, daß er leicht die ganze Maschine übersehen
und regulieren kann, ohne sich von seinem Standort zu
entfernen.
Bei großen Maschinen erfordert die Bewegung der Umsteuerung
und des Reguliermechanismus große Kräfte und wird deswegen
durch eine Hilfssteuerung bewirkt, bestehend aus einem mit
Dampf oder Druckwasser betriebenen Kolben; der Maschinist
bedient nur noch diese Hilfssteuerung.
Besondere
Geschicklichkeit erfordert das rechtzeitige und sanfte
Anhalten des Förderkorbes in den Ruhestellungen über Tage
und vor den einzelnen Stollen. Dies soll im allgemeinen nicht
durch den Gebrauch der zu jeder Fördermaschine gehörenden
Bremsvorrichtung, die vor allem zum Festhalten in der
Ruhelage und als Sicherheitsvorrichtung dient, sondern durch
die Dampfverteilung geschehen. Gerade dadurch kann viel Dampf
und Zeit erspart werden.
Die liegende Bauart der Fördermaschinen wird algemein
bevorzugt. Immer sind 2 um 90° versetzte Kurbeln vorhanden,
damit die Maschine aus jeder Lage angelassen werden kann.
Die Wasserhaltungsmaschinen dienen zum Fortschaffen des
Sickerwassers, das sich in Bergwerken ansammelt. Man leitet
es von den verschiedenen Stellen, wo es eindringt, zu einem
an der tiefsten Stelle gelegenen Behälter, dem Sumpf, aus
dem es herausgepumpt wird. Die Maschinen sind in ihrer Bauart
sehr verschieden, je nachdem sie über Tage an der Schachtmündung
oder unterirdisch aufgestellt sind.
Bei den Maschinen an der Schachtmündung befindet sich die
eigentliche Pumpe in der Tiefe des Schachtes und muß daher
mit ihrer Antriebsmaschine durch ein mehrere hundert Meter
langes Gestänge verbunden werden. Dieses Gestänge hat
deshalb ein sehr großes Gewicht und erfordert zu seiner
Ingangsetzung erhebliche Beschleunigungskräfte. Deshalb
arbeiten diese Maschinen auch mit sehr geringen
Umdrehungszahlen und großen Hublängen.
Im Verhältnis zu ihrer Leistungsfähigkeit sind sie groß
und schwer.
Aus diesem Grunde werden für erhebliche Schachttiefen die
unterirdischen Wasserhaltungsmaschinen gebaut, denen der
Dampf durch eine lange Rohrleitung zugeführt werden muß. Während
im ersten Fall der Dampfverbrauch infolge des langsamen
Ganges groß ist, leidet im zweiten die Wirtschaftlichkeit
durch die Abkühlung und den Spannungsabfall in der langen
Rohrleitung. Vorteilhaft ist, daß die Dampfleitung im
Schacht weniger Raum beansprucht als das auf und ab bewegte
Gestänge. Zur Aufstellung der Pumpmaschine selbst sind in
der Tiefe neben dem Schacht entsprechend große
Maschinenkammern einzurichten.
c) für Wasserwerke
Die Aufgabe der Maschinen in den Wasserwerken der Städte ist
im allgemeinen dieselbe wie bei den Bergwerken, doch sind die
Bedingungen weniger schwierig. Die Konstrukteure können sich
daher auf die Erzielung einer guten Dampfausnutzung
konzentrieren. Während die zu fördernde Wassermenge in der
Regel größer ist als bei den Bergwerken, ist die zu überwindende
Druckhöhe viel geringer; auch fällt die Raumbeschränkung
fort. Geringere Umdrehungszahlen als bei den Dampfmaschinen für
andere Zwecke sind auch hier üblich, da das in den Saug- und
Druckrohren befindliche Wasser eine erhebliche Masse
vorstellt, die während jedes Hubes zu beschleunigen und zu
verzögern ist. Es werden daher wenige, aber lange Kolbenhübe
vorgesehen. Aus dem Grund werden auch neuerdings noch
Balanciermaschinen für Wasserwerke gebaut, während im übrigen
die liegende Bauart am häufigsten vorkommt. In manchen
Wasserwerken wird die Arbeit der Wasserförderung auf
Saugpumpen und Druckpumpen verteilt.
d) für Elektrizitätswerke
Die Entwicklung der Elektrotechnik hat stark diejenige des
Dampfmaschinenbaus beeinflußt, sowohl durch die Menge der
Aufträge, die die Dampfmaschinenfabriken für sie zu
erledigen hatten, wie auch durch die neuen und eigenartigen
Aufgaben, die zu lösen waren.
Eine der wichtigsten Forderungen war die nach einer großen
Gleichförmigkeit des Ganges, die bisher in solchem Maße
noch nicht gestellt war. Die Werte des Ungleichförmigkeitsgrades
für Dampfmaschinen zum Antriebe von Dynamomaschinen für
elektrische Beleuchtung schwanken zwischen 1/150 und 1/250.
Bedingt ist diese Forderung durch die Eigenschaft der Glühlampen,
daß die Lichterzeugung stark schwankt, wenn die
Umdrehungsgeschwindigkeit der Dynamomaschinen sich nur um
wenige Prozente ändert. Diese Helligkeitsschwankungen sind
dem Auge unangenehm und müssen deshalb vermieden werden.
Daran schließt sich sofort die zweite Forderung an, daß bei
plötzlichen Be- und Entlastungen der Maschine keine
bemerkbaren Schwankungen in der Umdrehungszahl und damit in
Spannung und Lichtstärke auftreten, bedingt durch das Ein-
oder Ausschalten größerer Stromverbraucher wie Lichtanlagen
oder Motoren. Die Antriebsmaschinen müssen daher
empfindliche Regulatoren besitzen und deren Einwirkung sofort
nachgeben.
Eine andere Forderung, die es zu erfüllen galt, war die
Anwendung höherer Umdrehungszahlen, als man bisher gewohnt
war. Die Ökonomie im Bau von Dynamomaschinen weist nämlich
auf diese Forderung hin, weil dadurch an Eisen- und
Kupfergewicht gespart wird. Man hätte nun die
schnellaufenden Dynamomaschinen von langsam laufenden
Dampfmaschinen, wie es auch vielfach geschieht, mittels
Riemen und Seilen antreiben können; doch zog der festländische
Maschinenbau im Gegensatz zu englischen und amerikanischen
Ausführungen den direkten Antrieb durch Verkuppeln beider
Wellen vor, zumindest für große und mittlere Leistungen;
teils wegen des besseren Wirkungsgrades und der gedrängten
Bauart, teils wohl auch aus Geschmacksgründen.
Nun hat man aber nicht den Dynamomaschinen zuliebe die allerhöchsten
Umdrehungszahlen gewählt, sondern man ist sich von beiden
Seiten entgegengekommen zur Erzielung wirtschaftlich
arbeitender, dabei aber möglichst preisgünstiger Aggregate.
Der Dampfmaschinenbau gewann aber dadurch den Anstoß zum Bau
von schnellaufenden Maschinen, nicht nur auf diesem, sondern
auch auf anderen Gebieten.
Weiter muß anerkannt werden, daß die Elektrotechnik in
hohem Maße den Bau wirtschaftlich arbeitender Maschinen förderte,
da das Verlangen nach niedrigeren Preisen für elektrischen
Strom zu Kraftzwecken die Entwicklungsingenieure dazu zwang,
Dampfmaschinen mit immer geringerem Kohlenverbrauch zu
entwerfen, gerade angesichts der Konkurrenz der Gaswerke nach
der Erfindung des Gasglühlichts.
e) für Transportzwecke
Die Entwicklung des Verkehrswesens ist ebenfalls eng mit
derjenigen der Maschinentechnik verknüpft. Das Verkehrswesen
stellt immer schwierigere und größere Aufgaben, durch deren
geschickte und innovative Lösung wiederum neue Möglichkeiten
für die Ausdehnung des Verkehrs gegeben wurden. So
verschieden auch die Bedingungen sind, unter denen sich der
Verkehr zu Wasser und zu Lande vollzieht, in zwei Punkten
werden an die Transportmaschinen die gleichen Anforderungen
gestellt, nämlich in bezug auf Eigengewicht und Raumbedarf.
Die Transportmaschine muß sich ja zunächst selbst
fortbewegen, wenn sie Lasten befördern soll; je leichter sie
also bei einer gegebenen Leistung ist, ein umso größerer
Teil ihrer Leistung kommt dem eigentlichen Zweck der Beförderung
zugute.
a) die Schiffsmaschine
Die Bewegung des
Schiffes kommt dadurch zustande, daß die
Fortbewegungsorgane,
Propeller, eine Wassermenge in eine der eigenen Bewegung
entgegengesetzte Richtung treiben.
Dadurch wird ein gleich großer Druck, wie auf das Wasser,
auch auf das Schiff ausgeübt, in entgegengesetzter Richtung,
also nach vorn. Je nachdem die Propeller
Schaufelräder oder Schrauben sind, ist die Bauart der
Antriebsmaschinen verschieden.
Die Schaufelräder sind an beiden Schiffsseiten etwa in der
Mitte der Längsrichtung und mit ihren Achsen senkrecht zu
ihr angebracht. Die Schiffsmaschine soll nun diese Achse in
solcher Richtung drehen, daß sich die Schaufeln auf der
unteren Hälfte des Rades nach hinten bewegen. Früher baute
man diese Maschinen nur mit oszillierenden, (schwingenden)
Zylindern.
Man denke sich diese Bauart aus der normalen so entstanden,
daß die Schubstange fortgenommen ist und die Kolbenstange
direkt an die Kurbel angreift. Dann muß aber die
Kolbenstange entsprechend der Lage des Kurbelzapfens
verschiedene Stellungen einnehmen. Die wird ermöglicht durch
Aufhängung des Zylinders in zwei Zapfen, so daß er um eine
zur Maschinenwelle parallele Achse schwingen kann. Ein
Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Maschine sehr kurz
wird, ein Nachteil, daß der Dampf durch den hohlen
Drehzapfen dem Zylinder zugeführt werden muß. Die neuere
Bauart dagegen zieht eine normale liegende Maschine vor,
deren Längsachse nach der Kurbel zu schräg ansteigt.
Zum Drehen der Schraube, deren Achse in der Längsrichtung
des Schiffes liegt, wird jetzt nur noch die stehende
Dampfmaschine mit oben liegendem, durch hohl gegossene Ständer
oder massive schmiedeeiserne Säulen gestützten Zylinder
gebaut. Zu diesen Maschinen gehören die stärksten überhaupt
gebauten Dampfmaschinen mit Leistungen von 10 000 PS und mehr.
Alle Schiffsmaschinen müssen vorwärts und rückwärts
laufen können und sind daher mit Umsteuerungen ausgerüstet.
Die inneren Steuerungsorgane sind Schieber, und zwar
Kolbenschieber oder Flachschieber. Corlißhähne oder Ventile
werden nicht verwendet.
Regulatoren für eine
konstante Umdrehungsgeschwindig-keit haben die
Schiffsmaschinen nicht, ebensowenig Schwungräder. Für
Schwungräder würde in dem Schiff kein Platz sein, und eine
gewisse Ungleichförmigkeit des Ganges hat auf den Betrieb
keinen nachteiligen Einfluß. Wird die
Umdrehungsgeschwindigkeit beim Austauchen der Schraube
infolge hohen Wellenganges zu groß, so muß das
Maschinenpersonal durch Betätigung der Drosselklappe oder
der Steuerung die Aufgabe dieser mechanischen
Reguliervorrichtungen erfüllen, um ein Durchgehen der
Maschine zu verhüten.
Sehr große Sorgfalt ist auf sichere Schmiervorrichtungen zu
verwenden, da die Maschinen oft wochenlang ununterbrochen
beansprucht werden. Betriebsstörungen infolge von Heißlaufen
können bei schlechtem Wetter für das Schiff verhängnisvoll
werden. Manche Lager werden daher mit Vorrichtungen zum Kühlen
versehen.
Die Schiffsmaschinen werden ausnahmslos mit Kondensation
betrieben, da das erforderliche Kühlwasser in unbeschränkter
Menge vorhanden ist, und zwar sind die in Salzwasser
fahrenden Schiffe mit Oberflächen-Kondensatoren ausgerüstet,
damit der kondensierte Dampf wieder zur Kesselspeisung
verwendet werden kann, das Seewasser ist dafür wenig
geeignet.
Der Raumbedarf der Schiffsmaschine richtet sich nach dem
vorhandenen Raum. Im Maschinenraum eines Torpedobootes, das
eine 1000 PS- Maschine aufnimmt, würde man die 200 PS-Maschine
eines Frachtdampfers nicht unterbringen können. Das Gewicht
der ersteren Gattung beträgt etwa 1/7 desjenigen der
letzteren bei gleicher Leistung.
Die Mittel, durch welche man den Raumbedarf einschränken
kann, lassen sich an diesem Beispiel leicht andeuten:
Bei dem Frachtdampfer haben wir eine Umdrehungszahl von 70 -
80, eine Dampfspannung von 7 - 8 bar und 2-stufige Expansion;
bei der Torpedobootsmaschine 300 - 400 Umdrehungen pro
Minute, 14 - 15 bar und eine 3- oder 4-stufige Expansion.
Durch die 3 oder 4 nebeneinander liegenden Zylinder wird die
Maschine zwar etwas länger, aber weniger hoch. Deshalb
findet man diese Anordnung bei Kriegsschiffen, damit die
Maschinen unter dem Schutz des Panzerdecks liegen. Der
Dampfverbrauch spielt auf den Schiffen eine noch größere
Rolle als anderswo, weil die Kohlen mitgeschleppt werden müssen
und dieser Raum für die Fracht verloren geht.
Bei Kriegsschiffen kann entweder der Panzer stärker gewählt
werden, wenn es gelingt, den erforderlichen Kohlenvorrat zu
verringern oder bei gleichbleibendem Kohlevorrat wird der
Aktionsradius verlängert, d.h. die Strecke in Seemeilen, die
das Schiff ohne neue Kohlenbunkerung fahren kann.
b) die Lokomotive
Die Bauart der
Lokomotive ist in ihren Grundzügen noch dieselbe, mit
welcher George Stephensons "The Rocket" bei der
Wettfahrt in der Nähe von Liverpool im Jahre 1829 den Preis
gewann. Der Kessel, der durch ein inneres Röhrensystem eine
große Heizfläche hat, ist mit der Maschine fest verbunden,
er dient sozusagen als Fundament. Die Zylinder waren anfangs
schräg liegend, später wurde die waagrechte Lage allgemein.
Beim Transport zu Land sind für die Maschinen noch mehr
Beschränkungen zu berücksichtigen als auf dem Wasser.
Gewicht und Raumbedarf sollen auch hier im Verhältnis zur
Leistung möglichst gering sein, es sind aber auch die
absoluten Größen vorgeschrieben, über die auch bei größten
Leistungen nicht hinausgegangen werden darf. Für den
Raumbedarf ist das Normalprofil der Eisenbahnen maßgebend;
nur in der Längsrichtung hat man etwas freien Spielraum.
Ebenso ist das Gewicht mit Rücksicht auf die zu befahrenden
Brücken durch die Bestimmung beschränkt, daß die
Gewichtsbelastung für jedes Rad der Lokomotive nicht größer
als 7000 bis 8000 kg sein darf. Da die Zahl der Achsen höchstens
5 mit 10 Rädern beträgt, so ergibt sich daraus das
Maximalgewicht. Die Leistung der Lokomotiven hängt in der
Hauptsache von der Dampferzeugungsfähigkeit des Kessels ab.
Die stärksten Maschinen werden für Schnellzüge gebraucht;
bei 400 Tonnen Wagengewicht des Zuges und 90 - 100 km/h
Geschwindigkeit leistet die Maschine etwa 1200 bis 1500 PS.
Die Dampfspannung beträgt 12 bis 14 bar. Die Lokomotive hat
mindestens zwei Zylinder, deren Triebwerke an Kurbeln
angreifen, die um 90° gegeneinander versetzt sind, damit man
aus jeder Stellung anfahren kann.
Bei der Zwillingsanordnung erhalten beide Zylinder frischen
Dampf aus dem Kessel; die Lokomotive hat also 2 vollständige
Maschinen, von denen jede zur Not selbständig arbeiten kann.
Bei der Verbundanordnung, die wegen ihrer besseren
Wirtschaftlichkeit in neuerer Zeit weitere Verbreitung
findet, arbeitet der Dampf mit zweistufiger Dehnung.
Kondensation anzuwenden verbietet sich durch die Unmöglichkeit,
das Kühlwasser in genügender Menge zu beschaffen. Damit man
auch bei dieser Bauart aus jeder Stellung anfahren kann, ist
eine besondere Einrichtung vorgesehen, um auch den
Niederdruckzylinder mit frischem Dampf zu versorgen.
Die Steuerung der Lokomotivmaschine geschieht durch Schieber,
und zwar werden Kanalschieber bevorzugt. Da die Drehrichtung
umkehrbar sein muß, so braucht man eine Umsteuerung, für
die außer den bekannten Kulissensteuerungen auch noch andere
Mechanismen in Gebrauch sind.
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