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Dampflok

Marian Szengel

Inhalt


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1. Einleitung

Die Dampflok begründete die Entstehung der Eisenbahn. Sie war das erste Zugmittel welches genügend Leistung mit kompakter Bauform vereinen konnte und so die Eisenbahn in neue Leistungsvermögen brachte. 1815 von Stevenson auf die Gleise gestellt wurde sie kontinuierlich weiterentwickelt bis sie ab ungefähr 1960 immer mehr abgelöst wurde, zuerst von der E-Lok später auch immer mehr von der Diesellok. Stevenson baute nicht die erste Dampflok, aber die erste die sich durchsetzte, bei früheren Entwicklern war die Zeit nicht reif für Dampfloks.

2. Prinzip

Die Dampflok wandelt chemische Energie gebunden in einem fossilen Energieträger wie Kohle oder Öl in mechanische Energie um. Dazu verbrennt sie den Energieträger und überträgt die Wärmeenergie auf Wasser welches verdampft. Der gewonnene Dampf wird über Kolbenmaschinen oder Turbinen entspannt und dabei die Wärme in mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie kann man nun auf die Achsen übertragen und die Lok in Bewegung versetzen.

2.1 chemische Energieumwandlung

Die chemische Energieumwandlung findet in der Verbrennungskammer statt. Es wird ein Energieträger mit einem Brenner oder einer Rostfeuerung durch Luftsauerstoff oxydiert. Es gibt die verschiedensten Feuerungstechniken.

2.1.1 Feuerungen

Die meisten Dampfloks haben eine einfache Rostfeuerung mit flachem Feuerbett, es gab auch Bauformen die mit Kohlenstaub und einem Brenner arbeiteten. Bei der Ölfeuerung kam ein spezieller Schwerölbrenner zum Einsatz in dem das Schweröl vorgeheizt und durch einen Dampfstrahl zerstäubt wurde. Bei ungenügender Kohle kann auf den Rosten ein totes Feuerbett aus Steinen errichtet werden , dass das Durchrieseln der feinen Braunkohle verhindert.

2.1.2 Luft und Rauchführung

Die Größe der Schornsteine ist durch das Lichtraumprofil eingeschränkt. Nach den bauchigen Schornsteinen der amerikanischen Lokomotiven wurden der Dampfbläser erfunden. Die nach dem Injektorprinzip arbeitenden Bläser sitzen am Boden der Rauchkammer und blasen durch den Schornstein. Dabei tritt an der Oberfläche das strömenden Gases eine Querkraft auf die das umgebende Medium mitreißt. Die meisten Bläser arbeiten mit dem Abdampf der Maschine, weil der nur während der Fahrt und nicht im Stillstand zur Verfügung steht, ist noch ein Hilfsbläser eingebaut der aus einem Rohring mit Blaslöchern um den Hauptbläser besteht. Die Frischluftzuführung erfolgt zwischen Aschkasten und Feuerrosten unterhalb der Roste. Geregelt wird die Luftzufuhr mit Luftklappen.
 

 

Die Luft tritt durch die Luftklappen an der Seite ein, durchströmt von unten die Roste und das Feuerbett wird durch einen Feuerschirm aus Schamott umgelenkt und strömt durch Heiz- und Rauchrohre den Langkessel. In der Rauchkammer sammelt er sich und wird mit dem Bläser durch den Schornstein heraus gesaugt.

2.2 Energieübertragung

Die bei der Oxydation des chemischen Energieträgers frei werdende Wärmeenergie wird an den Wänden der Feuerbüchse und durch die über 100 Rauch und Heizrohre des Langkessels an das Wasser übertragen. Das verdampfende Wasser sammelt sich im Dampfraum und dem Dampfsammeldom. Bei der Weiterleitung zu den Dampfmaschinen geht der Dampf noch ein Umweg über sogenannte Überhitzerelemente. Die Überhitzerelemente sitzen als Rohrbündel in den Rauchrohren. Von dort geht es zum Haupteinströmrohr der Dampfmaschine.

Dampfdiagramm

an dieser Stelle müssen wir ein paar Worte über das Dampfdruck Temperaturdiagramm verlieren. Der bei der Verdampfung entstehende Dampf ist sogenannter Naßdampf der trotz des Druckes eine Menge feinster Wassertropfen enthält und nur eine Temperatur von 200 Grad Celsius aufweist. Durch die Überhitzung wir der Dampf auf eine Temperatur von 300 bis 400 Grad angehoben und die Wassertropfen verdampft. Ohne Drucksteigerung ist jetzt viel mehr Energie im Dampf enthalten. Durch die Expansion des Dampfes in der Dampfmaschine kühlt der Dampf ab und die Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Die Expansion kann solange weiter gehen, bis der Umgebungsdruck erreicht ist. Allerdings hört man bei Dampfloks eher auf, um Kondensationsschäden zu vermeiden. Bei Kraftwerken wird der Dampf hinter der Turbine im Kühlturm kondensiert um nicht gegen den Luftdruck sondern gegen ein Vakuum arbeiten zu können.

Wir sprachen von einer Temperatur von 170 Grad Celsius für den Naßdampf, wie kommen wir auf diese Temperatur wenn doch Wasser bei 100 Grad Celsius kocht und verdampft. Der Überdruck im Kessel verhindert das Kochen des Wassers, die Siedetemperatur steigt in diesem Bereich des Diagramms noch linear mit dem Druck an. In dieser Eigenschaft ist auch die Gefährlichkeit des Dampfes begründet.

Wird der Druck im Kessel abgesenkt, so muß auch die Temperatur des Dampfes abfallen, jetzt ist aber die Wassertemperatur zu hoch für den Druck und das Wasser beginnt nach zu verdampfen bis sich das Gleichgewicht wieder herstellt. Bricht der Kessel geht das gesamte Wasser schlagartig in Dampf über, das Volumen vergrößert sich um ein mehrfaches und die in Wärme gespeicherte Energie wird als mechanische Energie freigesetzt.

3. Dampfmaschine

Die Dampfmaschine wandelt die thermische Energie des Dampfes in mechanisch Energie um, sie ist eine thermodynamische Maschine.

3.1 Kolbendampfmaschine im allgemeinen

Kolbendampfmaschinen bestehen aus einem Zylinder, ein im allgemeinen runden zylindrischen Raum, der durch einen Deckel abgeschlossen ist. In dem Zylinder läuft ein Kolben. Durch eine Zuführung im Zylinderdeckel wird Dampf in den Kolben eingelassen, der eingeströmte Dampf baut im Zylinderraum einen Druck auf der auf den Kolben wirkt. Der Kolben weicht unter dem Druck aus, dadurch wird der Raum größer und der Druck des Dampfes fällt ab. Der Dampf muß sich ausdehnen um den Raum auszufüllen und wird dabei kälter. Ist der Kolben am Ende des Zylinders angekommen und kann nicht weiter, so passiert erst einmal nichts mehr. Hat die Dampfzufuhr aufgehört, so kühlt das System langsam ab und der Dampf beginnt zu kondensieren. Jetzt fällt der Druck bis zum Vakuum ab, der außen anliegenden Luftdruck drückt den Kolben wieder in den Zylinder hinein. Damit steht nach erreichen der Ausgangslage nichts dem erneuten Arbeitsprozess im Wege.

Dies ist die Arbeitsweise einer atmosphärischen Dampfmaschine nach James Watt. Da das Prinzip durch seine Kondensation sehr langsam arbeitet und bei Beschleunigung der selben mit eingespritzten Wasser der thermische Wirkungsgrad extrem schlecht wird, ist man davon abgekommen und verwendet nur noch direkt wirkende Dampfmaschinen.

3.2 Dampfturbine

Die Dampfturbine besteht aus einem Läufer mit vielen radial angeordneten Flügelschaufeln. Drumherum ist ein Gehäuse das die Welle lagert und die Flügelschaufeln mit einem minimalen Abstand außen umgibt. Die Schaufeln besitzen ein dem Flugzeugflügel ähnliches Profil.

Indem auf der einen Seite des Rotors Dampf einströmt, entsteht ein Druckgefälle zum offenen Ende des Gehäuses auf der anderen Seite des Rotors. Der Dampf strömt durch die Flügel und erzeugt an dem Profil eine Kraft die den Rotor in Drehung versetzt. Das Profil beschränkt die Größe der Flügel, für einen breiten Flügel benötigt man ein hohes Profil. Am Ansatz in der Nähe der Welle sind die Umlaufgeschwindigkeiten kleiner und ein flachere Anstellwinkel ist notwendig. Außen müssen die Anstellwinkel an die hohe Umlaufgeschwindigkeit angepasst werden. Durch den sich drehenden Rotor bekommt der Dampf eine Drehbewegung aufgezwungen, dadurch wird seine Axialgeschwindigkeit langsamer und es entsteht ein Rückstaudruck. Für eine wirkungsvolle Turbine baut man einen Leitapparat in das Gehäuse der eine spiegelbildlichen Rotor darstellt. Die Flügel sind außen am Gehäuse festgemacht und dem Drehsinn des Rotors entgegen gerichtet. Der Dampf wird zurück gelenkt und Axial beschleunigt. So baut man die Turbinen aus abwechselnden Rotoren und Statoren die mit abnehmendem Dampfdruck immer größere Umfänge annehmen und dem expandierenden Dampf mehr Platz lassen.

3.3 Kolbendampfmaschine der Dampflok

Die Maschine der Dampflok besteht aus doppelt wirkendem Zylinder, Kreuzkopf und Schieber mit Schieberkasten. Der Zylinder wird abwechselnd von vorn oder hinten mit Dampf beaufschlagt. Die Bewegung des Kolbens wird auf die Kolbenstange übertragen die mit der Treibstange des Fahrwerks verbunden ist. Mit dem Rad das am Umfang einen Zapfen hat und dem Kreuzkopf entsteht so ein Kurbeltrieb der die translatorische Bewegung der Dampfmaschine in eine rotierende Bewegung umwandelt. Soweit ganz einfach, aber eine Dampflokmaschine muß an die Bedingungen des Lokbetriebes angepasst werden. Sie muß Anfahren können mit hoher Zugkraft und eine hohe Endgeschwindigkeit erreichen, dazu muß die Fahrtrichtung umkehrbar sein. Dies alles wird mit der Steuerung und den Schiebern realisiert.

Die Schieber eilen dem Zylinder je nach Fahrtrichtung vor und geben den Dampfweg frei. Ist der Schieber offen so wird der Kolben mit Dampf beaufschlagt. schließt der Schieber so kann nur noch der vorhandene Dampf expandieren. durch Öffnen der Gegenseite wird die Gegenbewegung des Kolbens hervorgerufen.

Mit diesen einfachen Vorgängen lässt sich nun ein hohe Anfahrzugkraft durch lange Dampffüllzeiten über den Kolbenweg erreichen. Durch Verminderung der Füllzeiten bei hoher Geschwindigkeit wird der Dampfverbrauch reduziert. Der Dampf benötigt im thermischen Prozess eine gewisse Zeit um zu expandieren. Bei schneller Kolbenbewegung länger als 10 % des Kolbenweges Dampf zu füllen, ist Verschwendung. Damit kann schneller gefahren werden, als die theoretische Dampfleistung des Kessels bei voller Füllzeit es zu läßt. Durch Umsteuern der Füllreinfolge kann die Gegendrehrichtung erzwungen werden. Damit eine Dampflok aus jeder Stellung anfahren kann, sind die Kolben nicht um 180 ensuremath{°}ensuremath{°}
sondern um 120
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oder 90 
ensuremath{°}ensuremath{°}
versetzt angeordnet, je nach dem ob es sich um eine 2 oder 3 Zylindermaschine handelt.
 

Der Lokführer hat die Möglichkeit über den Druck im Schieberkasten und den Füllweg die Leistung der Dampfmaschine einzustellen.

Einen gegengesteuerten Dampfdruck verwendete man auch als Gegendampfbremse um den Zug zu bremsen.

3.3.1 Regler

Der Regler regelt den Dampfdruck im Schieberkasten. Der Regler besteht aus Hilfs- und Hauptkolben. Der Lokführer betätigt einen kleinen Hilfskolben an dem der Kesseldruck anliegt. Durch die Vorsteuerung dieses Drucks wird der Hauptkolben nachgeführt der den Schieberkasten füllt.

3.3.2 Pumpen

Jeder Dampfkessel muß mit zwei unabhängig wirkenden Kesselspeisepumpen ausgerüstet sein.

Zur Ausführung kamen gewöhnlich Kolbenpumpen oder Injektorpumpen.

Die Injektorpumpe arbeitet wie der Bläser. Ein Dampfstrahl reist Wasser in der Injektorkammer mit und drückt es in den Kesselraum. Dabei muss an den Düsen eine Druck zu Geschwindigkeit und wieder eine Geschwindigkeit zu Druck Umwandlung stattfinden um den Kesseldruck wieder überwinden zu können.

Die primäre Pumpe ist gewöhnlich eine doppelt wirkende Kolbenpumpe. Ein beidseitig mit Dampf beaufschlagter Dampfkolben treibt einen kleineren parallelgeschalteten Wasserkolben an, der das Wasser in den Kessel drückt.

4. Fahrwerk

4.1 Fahrdynamik

Die Zugkraftkennlinie ist eine Hyperbel. Bei kleiner Geschwindigkeit wird ein hohes Drehmoment benötigt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit erst schnell und dann immer langsamer abnimmt.

Daraus resultiert die Forderung an die Antriebsmaschine eine weitreichende Drehmomentenwandlung vom Stillstand bis zur vorgesehenen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges vornehmen zu können.

4.2 Einflußgrößen auf das Laufwerk

Die Ingenieure stehen bei der Entwicklung einer Dampflok vor weitreichenden Entscheidungen in der Konstruktion. Wird die Dampfmaschine als Einzelmaschine ausgelegt, so muß die Kraft doch über mehrere Achsen auf die Schiene übertragen werden, weil die begrenzte Haftreibung zwischen Rad und Schiene bei der Paarung Stahl auf Stahl nicht ausreichend wäre. Das wiederum bedingt eine mechanische Kupplung der Antriebsachsen mit begrenzter Beweglichkeit der Achsen. Die Drehmomentenwandlung und die geforderte Höchstgeschwindigkeit erzwingen einen Kompromiss zwischen der Größe der Räder und der erzielbaren Anfahrzugkraft. In der Regel werden nicht mehr als 4 bis 5 Achsen starr gekuppelt. Durch die eingeschränkte Beweglichkeit leidet die Bogenfahrfähigkeit des Fahrwerks. Dem wird durch leichte Seitenverschiebbarkeit der Achsen im Rahmen und durch geschwächte Spurkränze auf den inneren Radsätzen entgegengewirkt. Die Anfahrzugkraft wird bestimmt durch Kolbendurchmesser, Dampfdruck, Raddurchmesser des Treibrades und Anzahl der Zylinder. Alle Parameter sind begrenzt. Beim Dampfdruck hat man sich bei 16 bar Betriebsdruck geeinigt. Es gab auch Dampfloks mit höherem Druck, aber hier wurden die Instandhaltungskosten über die Laufzeit unverhältnismäßig groß. Die Zahl der Zylinder läßt sich aus dem Platzmangel im Lichtraumprofil nicht über 4 steigern. Der Raddurchmesser ist entscheidend für die Höchstgeschwindigkeit, weil die Unwuchten der bewegten Massen im Kurbeltrieb nicht vollständig aufgefangen werden können, das führt zu Hopsern des Laufwerks bei zu hoher Geschwindigkeit. Eine weiter Geschwindigkeitssteigerung lässt sich nur mit einem größeren Raddurchmesser bei kleineren Anfahrzugkräften ermöglichen. Kolbendurchmesser und Anzahl ist auch eine Instandhaltungsfrage, es gab Exemplare die mit einer Hochdruckdampfstufe und einer Niederdruckdampfstufe versuchten das Arbeitsvermögen des Dampfs besonders gut auszunutzen, aber die Instandhaltungskosten steigen dabei auch an. So haben sich Zweizylinderloks oder Dreizylinderloks mit nur einer Expansionsstufe durchgesetzt.

5. Dampfkessel

5.1 historische Baustoffe und Technologien

Die Entwicklung der Dampfkessel ist eine Geschichte der Unglücke. Die Kesselmaterialien waren von der Metallurgie noch nicht so weit entwickelt die Blech enthielten Herstellungsmängel die durch die fehlenden Werkstoffprüftechniken nicht gefunden werden konnten.

Zu Beginn wurde hauptsächlich Kupfer im Kesselbau eingesetzt. Die Verbindung der Bleche erfolgte durch Nieten. Ein Niet hält seine Verbindung durch Leibung und den angeformten Kopf. Bei der Nietung wir ein erhitztes Metallstück in eine Bohrung durch zwei Bleche gesteckt und mit Hämmern von beiden Seiten gestaucht und ein Kopf angeformt.

Später wurde wegen der besseren Festigkeit Eisenblech verwendet. Auch das Eisenblech wurde mit Nieten verbunden. Etwas später kann für die Verbindung des Eisenblechs das Feuerschweißen auf. Dabei werden die beiden zu verbindenden Bleche einseitig geschärft und im Feuer erhitzt. Die Oxyd- und Zunderschichten werden mit Hilfe eines reduzierenden Schweißpulvers beseitigt. Die Schmiede schlagen die überlappenden geschärften Flächen mit Hämmern zusammen und verschweißen sie dabei.

Die Schmiede konnten im nachhinein auch nicht feststellen wie gut die Verbindung des Materials ausgefallen ist. Deshalb mußte ein gewisser Sicherheitszuschlag in der Überlappung gegeben werden.

Heute werden Kessel nur noch geschweißt. Die Kesselbleche müssen einer Norm entsprechen. Die Außennähte des Kessels werden geröntgt. Die Kesselbleche werden schon beim Hersteller einer 100 % Ultraschallprüfung auf Dopplungen und Lunkerstellen unterzogen. Des weiteren muß das Kesselblech eine Zerreißprobe eine Kerbschlagprüfung und eine Faltprobe überstehen.

5.2 Kesselaufbau

Der Kessel von Dampfloks besteht meist aus einem Stehkessel und einem Langkessel.

 

Der Stehkessel ist der hintere Teil des Kessels und beinhaltet die Feuerbüchse. Der freie Kesselraum zwischen Feuerbüchse und Kesselwand beträgt nur rund 10 cm die untere Verbindung zwischen Feuerbuchse und Stehkessel besteht aus den tiefgezogenen Blechen den Umbügen. Die Feuerbüchse wird im Stehkessel durch Stehbolzen gehalten.