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Dampfmaschine,

 

durch Dampf angetriebene Wärmekraftmaschine (z. B. auch die Dampfturbine), meist jedoch als Bezeichnung für die Kolbendampfmaschine verwendet. Dampfmaschinen lassen sich gut an wechselnden Leistungsbedarf anpassen, sind überlastbar, robust und betriebssicher und können ein Betriebsalter von mehr als 70 Jahren erreichen. Dampfmaschinen haben wegen der begrenzten Kolbengeschwindigkeiten niedrige Drehzahlen. Raumbedarf und Gewicht sind folglich im Vergleich mit Dampfturbinen gleicher Leistung erheblich größer. Die stärkste jemals gebaute Dampfmaschine (22 000 kW und knapp 1,5 m³ Hubraum) stammt aus dem Jahr 1941. Die Entwicklung der Dampfmaschine beeinflusste stark die Konstruktion späterer Kolbenmaschinen, z. B. der Verbrennungsmotoren und der Gasverdichter. Trotz ihres hohen technischen Reifegrades werden heute aus Kostengründen nur noch wenig Dampfmaschinen hergestellt.

 

 Arbeitsweise

 

Bei der Kolbendampfmaschine strömt Wasserdampf unter Druck in den Zylinder und verschiebt den darin gleitenden Kolben. Nach dem (meist verstellbaren) Füllungsende expandiert der Dampf. Beim Hubende (unterer Totpunkt) erfolgt Richtungsumkehr, der rückkehrende Kolben schiebt den entspannten Dampf aus. Nach Beendigung des Ausschiebens wird der Restdampf verdichtet, damit der Drucksprung beim anschließenden Füllungsbeginn klein bleibt. Beim oberen Totpunkt erfolgt erneute Richtungsumkehr, und es beginnt das nächste Arbeitsspiel. Der Dampf wirkt nur auf eine oder abwechselnd auf beide Kolbenseiten (einfach oder doppelt wirkende Dampfmaschine). Die Linearbewegung des Kolbens wird meist über einen Kurbeltrieb in Drehbewegung umgesetzt. Ein Schwungrad auf der Kurbelwelle verringert die Ungleichförmigkeit der Winkelgeschwindigkeit, die sich aus der periodischen Arbeitsweise der Dampfmaschine ergibt. Bei den Freikolbenmaschinen, z. B. der Dampfkolbenpumpe, wird die Linearbewegung direkt zum Antrieb einer Hubkolben-Arbeitsmaschine genutzt. Dampfmaschinen werden überwiegend mit überhitztem Dampf betrieben (Heißdampfmaschine), weil die Wärmeverluste geringer als bei Sattdampf sind. Frischdampfdrücke für kleine Dampfmaschinen sind 25 bar, normal bis 50 bar, maximal bis 100 bar. Nach der Druckhöhe auf der Auslassseite unterscheidet man Gegendruck-, Auspuff- und Kondensationsmaschinen; es überwiegt der Betrieb von Gegendruckmaschinen in Betrieben mit Wärme-Kraft-Kopplung.

 

 Bauarten

 

Nach der Lage der Zylinder unterscheidet man liegende und stehende Dampfmaschinen. Die Expansion, d. h. die Entspannung (früher: »Dampfdehnung«) vom Frischdampfdruck auf den Auslassdruck, erfolgt in bis zu vier Stufen (selten, bei großen Schiffsmaschinen), häufiger in drei Stufen (Hoch-, Mittel-, Niederdruckstufe), bei neueren Dampfmaschinen nur noch ein- oder zweistufig. Da die Dampfdichte mit sinkendem Druck abnimmt, müssen Niederdruckzylinder größer als Hochdruckzylinder sein oder mehrere Niederdruckzylinder verwendet werden. Zwillings- und Drillingsmaschinen sind einstufige Dampfmaschinen mit zwei beziehungsweise drei Zylindern. Die Verbundmaschine oder Compoundmaschine ist eine Dampfmaschine mit zweistufiger Expansion als Tandemmaschine (Hoch- und Niederdruckzylinder hintereinander, geringer Platzbedarf, da nur eine Kurbel) oder als Zweikurbelmaschine mit nebeneinander liegenden Zylindern und besserem Gleichlauf als bei der Tandemmaschine. Die Kapseldampfmaschine ist eine stehende Dampfmaschine, bei der sich Kurbeltrieb und Steuerung im Gehäuse befinden. Bei der Gleichstromdampfmaschine sind Ein- und Auslass getrennt. Der Dampf strömt nur in einer Richtung und nicht, wie sonst üblich, abwechselnd als Frisch- und als Abdampf durch denselben Kanal, wobei die Kanalwand periodisch aufgeheizt und gekühlt wird.

 

 Steuerung

 

Damit fortlaufend in einem Kreisprozess Arbeit gewonnen werden kann, muss die Zufuhr von Frischdampf und das Ausschieben des entspannten Dampfes gesteuert werden. Die Steuerung ist im Allgemeinen verstellbar, d. h., die Füllungsdauer kann verändert werden. Bei zunehmender Füllungsdauer steigt die Leistung, der Wirkungsgrad nimmt ab. Bei nicht verstellbarer Steuerung kann die Leistung nur durch Drosselung des Frischdampfs gemindert werden. Die Steuerung beeinflusst maßgeblich den Wirkungsgrad einer Dampfmaschine. Die wesentlichen Steuerelemente sind: Flach- und Drehschieber (v. a. für niedrige Dampfdrücke) sowie Kolbenschieber, die über Exzenter und Schieberstangen vom Kurbeltrieb aus angetrieben werden; Ventile für höchste Wirkungsgrade bei Dampfmaschinen großer Leistung, mit Betätigung über Nocken einer Steuerwelle, die über Getriebe von der Kurbelwelle angetrieben wird, zum Teil auch mit hydraulischer Betätigung; Schlitzsteuerung für den Auslass von Gleichstrommaschinen; Entnahmesteuerung bei Verbunddampfmaschinen; außerdem Umsteuerungen in vielen Konstruktionsformen für getriebelosen Drehrichtungswechsel, z. B. bei Dampflokomotiven. Zur Überwachung einer Dampfmaschine dient ein Indikator, mit dem ein Indikator- oder Dampfdruckdiagramm aufgenommen werden kann.

 

 Geschichte

 

D. Papin baute 1690 eine Versuchsdampfmaschine, bei der in einem Zylinder Wasser bei Atmosphärendruck abwechselnd verdampft und kondensiert wurde (atmosphärische Dampfmaschine). 1698 entwickelte T. Savery eine direkt wirkende und zugleich atmosphärische Dampfpumpe, die zur Wasserversorgung von Landhäusern angewendet wurde. In jenem Jahr versuchte auch Papin, eine direkt wirkende Dampfpumpe mit vom Zylinder getrenntem Kessel zu konstruieren, die aber nicht entwicklungsfähig war. 1712 baute T. Newcomen eine atmosphärische Dampfmaschine mit Balancier (einem zweiarmigen Hebel zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung). Die erste Dampfmaschine mit vom Zylinder getrenntem Kondensator schuf J. Watt (1765 eine direkt wirkende Niederdruckmaschine, 1782-84 eine doppelt wirkende Niederdruckmaschine mit Drehbewegung). Die erste Zweifachexpansionsmaschine schuf J. Hornblower 1776; sie wurde 1804 von A. Woolf sehr verbessert. Die Dampfmaschine mit Drehbewegung wurde seit 1787 als Antrieb in Textilbetrieben verwendet; damit wurde die industrielle Revolution eingeleitet. In Deutschland wurde die erste wattsche Dampfmaschine 1785 bei Hettstedt im Mansfelder Bergrevier in Betrieb genommen. Diese von Karl Friedrich Bückling (* 1756, ✝ 1812) gebaute Maschine arbeitete aber erst seit 1789 mit Erfolg. Verbesserung der Steuerung, mehrstufige Expansion, Erhöhung des Druckes (Hochdruckdampfmaschine von R. Trevithick 1798 und O. Evans 1801) und Einführung besserer Kondensationseinrichtungen folgten. Die erste Dampflokomotive wurde 1804 von Trevithick gebaut. Die erste Heißdampfmaschine schuf Wilhelm Schmidt 1892. J. Stumpf erfand 1908 die Gleichstrom-Dampfmaschine.

 

Literatur:

 

C. Matschoss: Gesch. der D. Ihre kulturelle Bedeutung, techn. Entwicklung u. ihre großen Männer (1901, Nachdr. 1987);

 C. Matschoss: Die Entwicklung der D. Eine Gesch. der ortsfesten D. u. der Lokomobile. .., 2 Bde. (1908, Nachdr. 1983);

 C. W. Pursell: Early stationary steam engines in America (New York 1969);

 K.-H. Küttner: Kolbenmaschinen (⁶1993).