Dampfmaschine

Der Begriff Dampfmaschine kann sich auch auf eine ganze Eisenbahndampflokomotive beziehen.

EIN Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine mit externer Verbrennung, die die im Dampf vorhandene Wärmeenergie nutzt und in umwandelt mechanische Arbeit .

Dampfmaschinen wurden als Antriebsmaschinen in Pumpen, Lokomotiven, Dampfschiffen, Zugmaschinen, Dampflastwagen und anderen Straßenfahrzeugen eingesetzt und waren für die Industrielle Revolution . Dampfturbinen, technisch gesehen eine Art Dampfmaschine, werden immer noch häufig zur Stromerzeugung eingesetzt, aber ältere Typen wurden fast vollständig durch Verbrennungsmotoren und Elektromotoren ersetzt.

Dampfmaschine in Aktion (Animation)

Eine Dampfmaschine benötigt zum Kochen einen Kessel Wasser um Dampf zu erzeugen. Die Expansion – oder Kontraktion – von Dampf übt eine Kraft auf einen Kolben oder eine Turbinenschaufel aus, deren Bewegung kann zum Drehen von Rädern oder zum Antreiben anderer Maschinen verwendet werden. Einer der Vorteile der Dampfmaschine ist, dass jeder Wärme Quelle kann verwendet werden, um Dampf im Kessel zu erhöhen; aber am häufigsten ist a Feuer angeheizt durch Holz , Kohle oder Öl oder die Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Wärmeenergie.

Erfindung und Entwicklung

Zu Aeolip

Das erste aufgezeichnete Dampfgerät, die zu aelip , wurde von Hero of Alexandria, einem Griechen, in der erfunden 1. Jahrhundert AD, aber nur als Spielzeug verwendet. Im Jahr 1663 veröffentlichte Edward Somerset, 2. Marquess of Worcester, Entwürfe für eine dampfbetriebene Maschine zum Pumpen von Wasser im Vauxhall House und installierte sie möglicherweise.

Die erste Kolbendampfmaschine, 1690 von Denis Papin entwickelt.

Um 1680 hat der französische Physiker Denis Papin mit Hilfe von Gottfried Leibniz , baute einen Dampfkocher zum Erweichen von Knochen, erfand also den ersten Schnellkochtopf der Welt. Spätere Konstruktionen implementierten ein Dampfablassventil, um zu verhindern, dass das Gerät explodiert. Indem er beobachtete, wie sich das Ventil rhythmisch auf und ab bewegte, kam Papin auf die Idee eines Kolben- und Zylindermotors. Papin schrieb die Entwürfe für ein solches Gerät (wie nebenstehend abgebildet), baute jedoch nie eine echte Dampfmaschine. Der englische Ingenieur Thomas Savery verwendete später Papins Entwürfe, um die erste betriebsbereite Dampfmaschine der Welt zu bauen.

Papin entwarf auch ein Paddelboot und ihm werden auch eine Reihe bedeutender Geräte wie das Sicherheitsventil zugeschrieben. Sir Samuel Morland entwickelte im gleichen Zeitraum auch Ideen für eine Dampfmaschine und baute in den 1680er Jahren eine Reihe von Dampfmaschinenpumpen für König Ludwig XIV. von Frankreich.

Frühe industrielle Dampfmaschinen wurden von Thomas Savery (der 'Feuermaschine', 1698) entworfen, aber es war Thomas Newcomen und seine 'atmosphärische Maschine' von 1712, die den ersten betriebsbereiten und praktischen Industriemotor demonstrierten. Gemeinsam entwickelten Newcomen und Savery eine Strahlmaschine, die nach dem atmosphärischen oder Vakuumprinzip arbeitete. Die ersten industriellen Anwendungen der Vakuummotoren waren das Pumpen von Wasser aus tiefen Minenschächten. Bei Minenschachtpumpen war der hin- und hergehende Balken mit einer Betätigungsstange verbunden, die den Schacht zu einer Pumpenkammer hinabführte. Die Schwingungen der Betätigungsstange werden auf einen Pumpenkolben übertragen, der das Wasser durch Rückschlagventile nach oben in den Schacht befördert. Frühe Newcomen-Motoren arbeiteten so langsam, dass die Ventile von einem Begleiter manuell geöffnet und geschlossen wurden. Eine Verbesserung war der Ersatz der manuellen Betätigung der Ventile durch eine Betätigung, die von der Bewegung des Motors selbst abgeleitet wurde, durch Seillängen, die als bekannt sind Töpferschnur (Der Legende nach wurde dies erstmals 1713 von einem Jungen, Humphrey Potter, durchgeführt, der damit beauftragt war, die Ventile zu öffnen; als ihm langweilig wurde und er mit den anderen Kindern spielen wollte, stellte er Seile auf, um den Vorgang zu automatisieren.)

Humphrey Gainsborough produzierte in den 1760er Jahren ein Modell einer kondensierenden Dampfmaschine, die er Richard Lovell Edgeworth, einem Mitglied der Lunar Society, zeigte. 1769 James Watt , ein weiteres Mitglied der Lunar Society, patentierte die ersten signifikanten Verbesserungen am Newcomen-Vakuummotor, die ihn viel sparsamer machten. Watts Sprung bestand darin, die Kondensationsphase des Vakuummotors in eine separate Kammer zu trennen, während Kolben und Zylinder auf der Temperatur des Dampfes gehalten wurden. Gainsborough glaubte, dass Watt seine Ideen für die Erfindung verwendet hatte, aber es gibt keinen Beweis dafür.

Watt entwickelte diese Patente zusammen mit seinem Geschäftspartner Matthew Boulton zur Watt-Dampfmaschine in Birmingham , England. Der gesteigerte Wirkungsgrad des Wattmotors führte schließlich zur allgemeinen Akzeptanz und Nutzung der Dampfkraft in der Industrie. Darüber hinaus lief der Watt-Motor im Gegensatz zum Newcomen-Motor reibungslos genug, um über Sonnen- und Planetenräder mit einer Antriebswelle verbunden zu werden, um Drehkraft bereitzustellen. Bei frühen Dampfmaschinen ist der Kolben normalerweise eher mit einem Ausgleichsbalken als direkt mit einer Pleuelstange verbunden, und diese Motoren werden daher als Balkenmotoren bezeichnet.

Richard Trevithicks Motor Nr. 14 , gebaut von Hazeldine and Co., Bridgnorth, um 1804. Dies war ein einfachwirkender, stationärer Hochdruckmotor, der mit einem Arbeitsdruck von 50 psi (350 kPa) betrieben wurde.

Die nächste Effizienzsteigerung kam durch den Einsatz von Hochdruckdampf durch den Amerikaner Oliver Evans und den Briten Richard Trevithick. Trevithick baute erfolgreiche einfachwirkende Hochdruckmotoren für die Industrie, die als Cornish-Motoren bekannt sind. Mit zunehmendem Druck kam jedoch viel Gefahr, da Motoren und Kessel nun wahrscheinlich durch eine heftige Explosion nach außen mechanisch ausfallen würden, und es gab viele frühe Katastrophen. Die wichtigste Weiterentwicklung des Hochdruckmotors an dieser Stelle war das Sicherheitsventil, das Überdruck ablässt. Ein zuverlässiger und sicherer Betrieb war nur mit viel Erfahrung und der Kodifizierung von Konstruktions-, Betriebs- und Wartungsverfahren möglich.

Nicolas-Joseph Cugnot demonstrierte 1769 das erste funktionsfähige selbstfahrende Dampffahrzeug, seinen 'fardier' (Dampfwagen). Dies war wohl der erste Automobil . Obwohl der selbstfahrende Dampftraktor als Transportgerät nicht allgemein erfolgreich war, erwies er sich als selbstfahrende Energiequelle als sehr nützlich, um andere landwirtschaftliche Maschinen wie Getreidedrescher oder Heuballenpressen anzutreiben. 1802 baute William Symington das 'erste praktische Dampfschiff', und 1807 trieb Robert Fulton mit der Watt-Dampfmaschine das erste kommerziell erfolgreiche Dampfschiff an. Am 21. Februar 1804 in der Penydarren-Eisenhütte in Merthyr Tydfil im Süden Wales , die erste selbstfahrende Eisenbahndampfmaschine oder Dampflokomotive, gebaut von Richard Trevithick, wurde vorgeführt.

Hubkolbenmotoren

Animiertes Schema, das den Unterschied im Betrieb zwischen Vakuum- und Hochdruck-Dampfmaschine veranschaulicht. Hochdruckdampf ist rot, Niederdruckdampf ist gelb und Kondensat blau. Die Oberseite des Zylinders im Vakuumzylinder muss offen sein, damit atmosphärischer Druck auf den Kolben wirken kann. Der Vakuumkolben wird durch ein Gegengewicht und der Hochdruckkolben (beginnend unten) durch den Drehimpuls des Schwungrades in die Ausgangsposition (oben) zurückgeführt.

Kolbenmotoren nutzen die Wirkung von Dampf, um einen Kolben in einer abgedichteten Kammer zu bewegen. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens kann über ein mechanisches Gestänge in Dreharbeit übersetzt werden.

Vakuummotoren

Frühe Dampfmaschinen wie Newcomens „atmosphärische“ und Watts „kondensierende“ Motoren arbeiteten nach dem Vakuumprinzip und sind daher als Dampfmaschinen bekannt Vakuummotoren . Solche Motoren arbeiten, indem sie Niederdruckdampf in eine Arbeitskammer einlassen und das Einlassventil schließen. Der Dampf wird dann gekühlt, wobei der resultierende Wasserdampf auf ein kleineres Volumen als der Dampf kondensiert, wodurch ein Vakuum in der Kammer entsteht. Atmosphärischer Druck, der auf die gegenüberliegende Seite eines Kolbens wirkt, drückt den Kolben auf den Boden der Kammer. Der Kolben ist mit einem großen Balken und einem Gegengewicht verbunden, dessen Gewicht den Kolben zum oberen Ende der Kammer zurückführt; Der Niederdruckdampf reicht nicht aus, um den Kolben allein nach oben zu bewegen. Die Hin- und Herbewegung des Balkens kann genutzt werden, um mechanische Arbeit zu leisten. Beim Newcomen-Motor wird Kühlwasser direkt in die Arbeitskammer gesprüht, beim Watt-Motor gibt es jedoch eine separate Kondensationskammer, die über ein Ventil mit der Arbeitskammer verbunden ist. Die Ineffizienz des Newcomen-Motors lag in der wiederholten und verschwenderischen Erwärmung und Kühlung der Arbeitskammer. Durch die Verlagerung der Kondensationsphase der Aktion in eine separate Kammer wurde diese stark reduziert und die Effizienz des Motors stark erhöht.

Vakuummotoren sind in ihrer Effizienz stark eingeschränkt, aber relativ sicher, da der Dampf unter sehr niedrigem Druck steht und ein strukturelles Versagen des Motors eher durch einen inneren Zusammenbruch als durch eine äußere Explosion verursacht wird. Ihre Leistung wird begrenzt durch den Umgebungsluftdruck, den Hubraum des Arbeitsraums, die Verbrennungs- und Verdampfungsleistung und – sofern vorhanden – die Kondensatorleistung. Die maximale theoretische Effizienz wird durch den relativ niedrigen Siedepunkt von Wasser bei nahezu atmosphärischem Druck (100 ° C, 212 ° F) begrenzt.

Hochdruckmotoren

Ein beschriftetes schematisches Diagramm einer typischen Einzylinder-Hochdruckdampfmaschine mit einfacher Expansion und doppelter Wirkung. Die Kraftabnahme vom Motor erfolgt über einen Riemen.
1 - Kolben
zwei - Kolbenstange
3 - Kreuzkopflager
4 - Pleuel
5 - Kurbel
6 - Exzentrische Ventilbewegung
7 - Schwungrad
8 - Schiebeventil
9 - Fliehkraftregler.

In einem Hochdruckmotor, Dampf wird in einem Kessel auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur gebracht. Es wird dann in eine Arbeitskammer eingelassen, wo es sich ausdehnt und auf einen Kolben einwirkt, obwohl Trevithicks ursprüngliche 'Cornish Engines' nur Dampfdruck verwendeten, um den Zylinder anzuheben. Der Kolben bewegt sich folglich hin und her, ähnlich wie beim Vakuummotor. Die Bedeutung der Dampferzeugung unter Druck (aus a thermodynamisch Standpunkt) ist, dass es eine höhere Temperatur erreicht. Somit arbeitet jeder Motor, der solchen Dampf verwendet, bei einem höheren Temperaturunterschied, als es mit einem Niederdruck-Vakuummotor möglich ist. Nach der Verdrängung des Vakuummotors wurde der Hochdruckmotor zur Grundlage für die Weiterentwicklung der Kolbendampftechnik. Hochdruckdampf hat auch den Vorteil, dass Motoren viel kompakter sein können. Die Bedeutung besteht darin, dass Motoren entwickelt werden könnten, die klein genug und leistungsstark genug sind, um sich selbst anzutreiben und gleichzeitig nützliche Arbeit zu leisten. Dampfkraft für den Transport wurde praktisch.

Doppeltwirkende Kolben

Der nächste große Fortschritt bei Hochdruckdampfmaschinen war die Verwendung von doppeltwirkende Kolben . In dem einfach wirkenden Hochdruckmotor oben ist der Zylinder vertikal und der Kolben kehrt durch die Schwerkraft zum Anfang – oder Ende – des Hubs zurück. Beim doppeltwirkenden Kolben wird abwechselnd auf jeder Seite des Kolbens Dampf eingelassen, während die andere entlüftet. Dies erfordert Einlass- und Auslassöffnungen an beiden Enden des Zylinders (siehe die animierte Expansionsmaschine unten), wobei der Dampffluss durch Ventile gesteuert wird. Dieses System erhöht die Geschwindigkeit und Laufruhe der Hin- und Herbewegung und ermöglicht die horizontale oder schräge Montage des Zylinders. Die Kraft wird vom Kolben durch eine Gleitstange übertragen, die mit dem Zylinder abgedichtet ist, um das Entweichen von Dampf zu verhindern, die wiederum eine Pleuelstange über ein gleitendes Kreuzkopflager antreibt. Dadurch wird die hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt. Die Bewegung der Einlass- und Auslassventile wird durch eine zusätzliche Kurbel, die exzentrisch (d. h. außermittig) von der Antriebswelle angebracht ist, von der Drehbewegung abgeleitet. Der Ventiltrieb kann einen Umkehrmechanismus umfassen, um eine Umkehr der Drehbewegung zu ermöglichen.

Die meisten Hubkolbenmotoren verwenden diese Technologie jetzt, bemerkenswerte Beispiele sind Dampflokomotiven und Dreifachexpansionsmotoren für Schiffe. Wenn ein Paar (oder mehr) doppeltwirkender Zylinder, beispielsweise in einer Dampflokomotive, mit einer gemeinsamen Antriebswelle verbunden sind, ist ihre Kurbelphasenlage um einen Winkel von 90 Grad versetzt. Das nennt man Vierteln und stellt sicher, dass der Motor immer funktioniert, egal in welcher Position sich die Kurbel befindet. Einige Motoren haben nur einen einzigen doppeltwirkenden Kolben verwendet, der Schaufelräder auf jeder Seite durch Verbindung mit einem obenliegenden Kipphebel antreibt. Beim Abschalten eines solchen Motors war es wichtig, dass der Kolben von beiden Extrembereichen seines Hubs entfernt war, damit er leicht neu gestartet werden konnte (da es keinen zweiten geviertelten Kolben gibt, der dies verhindert).

Zusammensetzen

Image:Steam machine compound.pngSchematisches Diagramm einer Kreuzverbindung Dampfmaschine.
1 - Hochdruckzylinder
zwei - Hochdruckkurbel
3 - Schwungrad
4 - Niederdruckkurbel (' geviertelt ')
5 - Niederdruckzylinder. Bild:Dampfmaschine tandem.pngSchematische Darstellung einer Tandem-Verbindung Dampfmaschine .
1 - Niederdruckzylinder
zwei - Hochdruckzylinder
3 - Pleuel
4 - Antriebswelle und Schwungrad.

Alle oben genannten Hochdruckmotoren verwenden eine einfache Expansion – der Dampf tritt in den Zylinder ein, dehnt sich einmal aus und entweicht. Wenn sich Dampf ausdehnt, sinkt seine Temperatur, dies wird als adiabatische Ausdehnung bezeichnet. Dies führt dazu, dass Dampf mit hoher Temperatur in den Zylinder eintritt und mit niedriger Temperatur austritt. Dies verursacht bei jedem Hub einen Erwärmungs- und Abkühlungszyklus des Zylinders, was eine Quelle der Ineffizienz darstellt.

Eine Methode, um das Ausmaß dieser Erwärmung und Abkühlung zu verringern, wurde 1804 vom britischen Ingenieur Arthur Woolf erfunden, der seine patentierte Woolf Hochdruck Verbundmotor im Jahr 1805. In der Verbundmaschine dehnt sich Hochdruckdampf aus dem Kessel in einem Hochdruckzylinder aus und tritt dann in einen oder mehrere nachfolgende Niederdruckzylinder ein. Die vollständige Expansion des Dampfes erfolgt nun über mehrere Zylinder, und da nun in jedem Zylinder weniger Expansion auftritt, geht weniger Wärme durch den Dampf in jedem Zylinder verloren. Dies verringert das Ausmaß der Zylindererwärmung und -kühlung, wodurch die Effizienz des Motors erhöht wird. Um die gleiche Arbeit aus Dampf mit niedrigerem Druck abzuleiten, ist ein größeres Zylindervolumen erforderlich, da dieser Dampf ein größeres Volumen einnimmt. Daher werden die Bohrung und oft auch der Hub in Niederdruckzylindern vergrößert, was zu größeren Zylindern führt. Wo Platz knapp ist, wie beispielsweise in einer Dampflokomotive, werden oft zwei Zylinder mit kleinerem Volumen ersetzt.

Die ersten Verbundmotoren hatten 2 Zylinder, oft auch genannt doppelte Verbindung , mit späteren Arten von Verbundmotoren mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion (siehe unten). Der Unterschied zwischen der Einlass- und Auslasstemperatur des Dampfes in jedem Zylinder in einem Doppelverbund ist ungefähr halb so hoch wie in einem einfachen Expansionsmotor, wobei die Kolben so konstruiert sind, dass jeder die Hälfte der Arbeit des Motors leistet.

Die Anordnung der Zylinder in Doppelverbundmotoren wird als Grundlage für die Klassifizierung verwendet:

• Kreuzverbindung - Die Zylinder liegen nebeneinander und treiben dieselbe Kurbel an.
• Tandem-Verbindung - Die Zylinder sind Ende an Ende und treiben eine gemeinsame Pleuelstange an
• Kirchturm-Motor - Ein vertikaler Tandem-Verbundmotor.
• Winkelverbindung - Die Zylinder sind im V angeordnet und treiben eine gemeinsame Kurbel an.

Bei Kreuz- und Winkelverbindungen sind die Kolben mit der Kurbel um 90° phasenverschoben zueinander verbunden ( geviertelt ), um eine sanfte Bewegung abzuleiten, die nicht blockiert, mit einem neuen Krafthub jede Vierteldrehung.

Der Verbundmotor erhöht die Effizienz von Dampfmaschinen, fügt dem System jedoch eine große Komplexität hinzu. Seine Einführung war bei Industrie- und Schiffsmotoren fast universell, bei Eisenbahnlokomotiven jedoch nicht so ausgeprägt. Dies ist teilweise auf die raue Betriebsumgebung der Eisenbahn und den begrenzten Platz zurückzuführen, den das Lademaß bietet (insbesondere in Großbritannien, wo Compoundierung nicht üblich war). Lokomotive Compounding trieb am häufigsten zwei verschiedene Sätze von Antriebsrädern an, um die Kraft des Motors besser zu verteilen und die Auswirkungen von zu verringern Hammerschlag eigentümlich für Dampflokomotiven. Die meisten zusammengesetzten Dampflokomotiven hatten eine Vereinfachungsventil die allen Zylindern Hochdruckdampf zuführte, um einen schweren Zug zu starten.

Mehrfache Erweiterung

Eine Animation eines vereinfachten dreifachen Expansionsmotors. Hochdruckdampf (rot) tritt aus dem Kessel ein und strömt durch den Motor, wobei er als Niederdruckdampf (blau) zum Kondensator abgeführt wird.

Es ist eine logische Erweiterung des obigen Verbundmotors, die Erweiterung in noch mehr Stufen aufzuteilen, um die Effizienz zu steigern. Das Ergebnis ist die mehrfache Expansionsmaschine . Solche Motoren verwenden entweder drei oder vier Expansionsstufen und sind als bekannt verdreifachen und vierfache Expansionsmotoren beziehungsweise. Diese Motoren verwenden eine Reihe von doppeltwirkenden Zylindern mit progressiv zunehmendem Durchmesser und/oder Hub und somit Volumen. Diese Zylinder sind so ausgelegt, dass sie die Arbeit in drei oder vier, je nach Bedarf, gleiche Teile für jede Expansionsstufe aufteilen. Wie beim Doppelverbundmotor können bei beengten Platzverhältnissen zwei kleinere Zylinder mit großem Summenvolumen für die Niederdruckstufe verwendet werden. Bei Mehrfachexpansionsmotoren waren die Zylinder normalerweise in Reihe angeordnet, es wurden jedoch verschiedene andere Formationen verwendet.

Die Bilder rechts zeigen ein Modell und eine Animation eines dreifachen Expansionsmotors. Der Dampf strömt von links nach rechts durch den Motor. Der Ventilkasten für jeden der Zylinder befindet sich links vom entsprechenden Zylinder.

Modell einer dreifachen Expansionsmaschine

Die Entwicklung dieses Motortyps war wichtig für seine Verwendung in Dampfschiffen, da das Wasser durch Ablassen zu einem Kondensator zurückgewonnen werden kann, um den Kessel zu speisen, der nicht verwendet werden kann Meerwasser . Landgestützte Dampfmaschinen konnten einen Großteil ihres Dampfes erschöpfen, da Speisewasser normalerweise leicht verfügbar war. Vor und während Zweiter Weltkrieg , dominierte der Expansionsmotor Schiffsanwendungen, bei denen eine hohe Schiffsgeschwindigkeit nicht unbedingt erforderlich war. Sie wurde jedoch von der Dampfturbine abgelöst, wo es auf Geschwindigkeit ankam, zum Beispiel auf Kriegsschiffen und Ozeandampfern. Die HMS Dreadnought von 1905 war das erste große Kriegsschiff, das die bewährte Technik des Kolbenmotors durch die damals neuartige Dampfturbine ersetzte.

Uniflow-Engines

Schematische Animation einer Gleichstrom-Dampfmaschine. Die Tellerventile werden von der oben rotierenden Nockenwelle gesteuert. Hochdruckdampf tritt ein, rot, und tritt aus, gelb.

Eine andere Art von Dampfmaschine ist die gleichförmig Typ, der Name leitet sich von der Tatsache ab, dass der Dampf in jeder Hälfte des Zylinders nur in eine Richtung strömte. Der thermische Wirkungsgrad wurde bei den Verbund- und Mehrfachexpansionstypen erhöht, indem die Expansion in Schritte in separaten Zylindern aufgeteilt wurde. Beim Uniflow-Design wird der thermische Wirkungsgrad durch einen Temperaturgradienten entlang des Zylinders erreicht. Dampf tritt immer an den heißen Enden des Zylinders ein und tritt durch Öffnungen in der kühleren Mitte aus. Dadurch wird die relative Erwärmung und Abkühlung der Zylinderwände verringert.

Der Dampfeintritt wird normalerweise durch Tellerventile (die ähnlich wie in Verbrennungsmotoren arbeiten) gesteuert, die von einer Nockenwelle betätigt werden. Die Einlassventile öffnen, um Dampf einzulassen, wenn das Mindestausdehnungsvolumen zu Beginn des Hubs erreicht ist. Für einen Zeitraum des Kurbelzyklus wird Dampf eingelassen und der Tellereinlass wird dann geschlossen, was eine fortgesetzte Expansion des Dampfes während des Hubs ermöglicht und den Kolben antreibt. Gegen Ende des Hubs legt der Kolben einen Kranz von Auslassöffnungen frei, die radial um die Mitte des Zylinders herum angebracht sind. Diese Öffnungen sind über einen Verteiler und eine Rohrleitung mit dem Kondensator verbunden, wodurch der Druck in der Kammer unter den der Atmosphäre gesenkt wird, was zu einer schnellen Entlüftung führt. Eine fortgesetzte Drehung der Kurbel bewegt den Kolben. Aus der Animation sind die Merkmale eines Gleichstrommotors ersichtlich, mit einem großen Kolben, der fast halb so lang ist wie der Zylinder, Tellereinlassventilen an beiden Enden, einer Nockenwelle (deren Bewegung von der der Antriebswelle abgeleitet ist) und einem zentralen Ring von Auslassöffnungen.

Das Schöne am Gleichstrommotor war, dass er möglicherweise eine große Expansion in einem einzelnen Zylinder ermöglichte, ohne dass der relativ kühle Abgasdampf während des Auspuffhubs über das heiße Ende des Arbeitszylinders und die Dampföffnungen eines herkömmlichen 'Gegenstrom' -Dampfmotors strömte. Diese Bedingung ermöglicht einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Die Auslassöffnungen waren nur für einen kurzen Zeitraum des Hubs geöffnet, daher konnte nicht der gesamte expandierte Dampf ausströmen. Dieser verbleibende Dampf wurde durch den zurückkehrenden Kolben komprimiert und war thermodynamisch wünschenswert, da er das heiße Ende des Zylinders vor dem Einlass von Dampf vorheizte. Das Risiko einer übermäßigen Verdichtung führte jedoch häufig dazu, dass kleine zusätzliche Auslassöffnungen an den Zylinderköpfen eingebaut wurden. Ein solches Design kann als a bezeichnet werden Halbgleichstrommotor .

In der Praxis hat der Gleichstrommotor eine Reihe von Betriebsmängeln. Das große Expansionsverhältnis erfordert ein großes Zylindervolumen. Um die maximale potenzielle Arbeit daraus zu ziehen, war eine hohe Hubrate erforderlich, typischerweise 80 % schneller als ein doppeltwirkender Motor. Dadurch waren die Öffnungszeiten der Einlassventile sehr kurz, was ein empfindliches mechanisches Teil stark beanspruchte. Um den auftretenden enormen mechanischen Kräften standzuhalten, mussten Motoren schwer gebaut werden, und ein großes Schwungrad war erforderlich, um die Drehmomentschwankungen auszugleichen, wenn der Dampfdruck im Zylinder schnell ansteigt und abfällt. Da es außerdem einen thermischen Gradienten über den Zylinder gab, dehnte sich das Metall der Wand in unterschiedlichem Maße aus. Dies erforderte eine präzise Bohrung des Zylinderrohrs, um in der kühlen Mitte breiter zu sein als an den heißen Enden. Wenn der Zylinder nicht richtig erhitzt wurde oder Wasser eindrang, könnte das empfindliche Gleichgewicht gestört werden, was zu einem Fressen mitten im Hub oder möglicherweise zu einer Zerstörung führen kann.

Motoren dieses Typs haben normalerweise mehrere Zylinder in Reihenanordnung und können einfach oder doppelt wirkend sein. Ein besonderer Vorteil dieses Typs besteht darin, dass die Ventile durch die Wirkung mehrerer Nockenwellen betätigt werden können und durch Ändern der relativen Phase dieser Nockenwellen die eingelassene Dampfmenge für ein hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit erhöht und bei Reisegeschwindigkeit verringert werden kann Drehzahl für einen sparsamen Betrieb, und durch Ändern der absoluten Phase kann die Drehrichtung des Motors geändert werden. Das Gleichstromdesign hält auch einen konstanten Temperaturgradienten durch den Zylinder aufrecht, wodurch vermieden wird, dass heißer und kalter Dampf durch dasselbe Ende des Zylinders geleitet werden.

Der Gleichstrommotor wurde erstmals 1827 in Großbritannien von Jacob Perkins verwendet und 1885 von Leaonard Jennett Todd patentiert. Popularisiert wurde es durch Deutsch Ingenieur Johann Stumpf im Jahr 1909, mit dem ersten kommerziellen stationären Motor, der ein Jahr zuvor im Jahr 1908 hergestellt wurde.

Das Uniflow-Prinzip wurde hauptsächlich für die industrielle Stromerzeugung verwendet, wurde aber auch in einigen Eisenbahnlokomotiven in England erprobt, wie z . Experimente wurden auch in den USA und Russland gemacht. In keinem Fall waren die Ergebnisse ermutigend genug für eine weitere Entwicklung.

Die endgültige kommerzielle Entwicklung des Uniflow-Motors erfolgte in den USA in den späten 1930er und 1940er Jahren durch die Skinner Engine Company mit der Entwicklung der Compound Unaflow Marine Steam Engine. Dieser Motor wurde in einer Kirchturm-Compound-Konfiguration betrieben und bot Wirkungsgrade, die sich modernen Dieselmotoren annäherten. Viele Massengutfrachter und Fähren auf den Großen Seen waren damit ausgerüstet, von denen einige noch in Betrieb sind.

In kleinen Größen (weniger als etwa 1000 PS) sind Kolbendampfmaschinen viel effizienter als Dampfturbinen. Das Solardampfkraftwerk Whitecliffs erzeugt mit einem Dreizylinder-Gleichstrommotor rund 25 kW elektrische Leistung.

Turbinentriebwerke

EIN Dampfturbine besteht aus einer abwechselnden Reihe rotierender Scheiben, die auf einer Antriebswelle montiert sind, Rotoren , und am Turbinengehäuse befestigte statische Scheiben, Statoren . Die Rotoren haben am äußeren Rand eine propellerartige Anordnung von Schaufeln. Dampf wirkt auf diese Klingen und erzeugt eine Drehbewegung. Der Stator besteht aus einer ähnlichen, aber festen Reihe von Schaufeln, die dazu dienen, den Dampfstrom auf die nächste Rotorstufe umzuleiten. Eine Dampfturbine strömt in einen Kondensator, der ein Vakuum erzeugt. Die Stufen einer Dampfturbine sind typischerweise so angeordnet, dass sie die maximal mögliche Arbeit aus einer bestimmten Dampfgeschwindigkeit und einem bestimmten Dampfdruck ziehen, was zu einer Reihe von Hoch- und Niederdruckstufen unterschiedlicher Größe führt. Turbinen drehen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit und sind daher normalerweise mit einem Untersetzungsgetriebe verbunden, um einen anderen Mechanismus, z. B. eine Schiffsschraube, mit niedrigerer Geschwindigkeit anzutreiben. Ein Turbinenrotor kann auch Leistung liefern, wenn er sich nur in eine Richtung dreht. Daher wird normalerweise eine Wendestufe oder ein Getriebe benötigt, wenn Leistung in die entgegengesetzte Richtung benötigt wird.

Die Hauptanwendung für Dampfturbinen liegt in der Stromerzeugung (etwa 86 % der weltweiten Stromerzeugung erfolgt durch Dampfturbinen) und in geringerem Maße als Schiffsantriebsmaschinen. Bei ersterem ist die hohe Rotationsgeschwindigkeit von Vorteil, und in beiden Fällen ist die relative Masse kein Nachteil. Praktisch allen Atomkraft Kraftwerke und einige Atom-U-Boote erzeugen Strom, indem sie Wasser erhitzen, um Dampf bereitzustellen, der eine Turbine antreibt, die mit einem elektrischen Generator für den Hauptantrieb verbunden ist. Eine begrenzte Anzahl von Dampfturbinen-Eisenbahnlokomotiven wurde hergestellt. Während sie im Langstreckenverkehr einige Erfolge erzielten Schweden und anderswo waren Dampfturbinen nicht ideal für die Eisenbahnumgebung geeignet. Turbinenlokomotiven blieben in der Eisenbahnwelt nicht bestehen und wurden durch Diesellokomotiven ersetzt.

Dampfturbinen liefern eine direkte Rotationskraft und benötigen daher keinen Verbindungsmechanismus, um die Hin- und Herbewegung in eine Rotationsbewegung umzuwandeln. Somit erzeugen sie sanftere Rotationskräfte an der Abtriebswelle. Dies trägt zu einem geringeren Wartungsbedarf und einem geringeren Verschleiß der Maschinen bei, die sie antreiben, als ein vergleichbarer Hubkolbenmotor.

Andere Motoren

Andere Arten von Dampfmaschinen wurden hergestellt und vorgeschlagen, sind aber nicht annähernd so weit verbreitet wie Hubkolben- oder Turbinenmaschinen.

Rotationsdampfmaschinen

Es ist möglich, einen Mechanismus zu verwenden, der auf einem kolbenlosen Rotationsmotor basiert, wie z. B. dem Wankelmotor, anstelle der Zylinder und des Ventiltriebs einer herkömmlichen Hubkolben-Dampfmaschine. Von der Zeit von James Watt bis heute wurden viele solcher Motoren entwickelt, aber relativ wenige wurden tatsächlich gebaut und noch weniger gingen in die Serienproduktion. siehe Link am Ende des Artikels für weitere Details. Das Hauptproblem ist die Schwierigkeit, die Rotoren abzudichten, um sie angesichts von Verschleiß und Wärmeausdehnung dampfdicht zu machen; die daraus resultierende Leckage machte sie sehr ineffizient. Ein Mangel an expansivem Arbeiten oder irgendwelchen Mitteln zur Steuerung des Abschneidens ist auch ein ernsthaftes Problem bei vielen solchen Konstruktionen. In den 1840er Jahren war klar, dass das Konzept inhärente Probleme hatte, und Rotationsmotoren wurden in der Fachpresse mit einigem Spott behandelt. Das Aufkommen von Elektrizität und die offensichtlichen Vorteile, einen Dynamo direkt von einem Hochgeschwindigkeitsmotor anzutreiben, führten jedoch in den 1880er und 1890er Jahren zu einer Art Wiederbelebung des Interesses, und einige Entwürfe hatten nur begrenzten Erfolg.

Von den wenigen Entwürfen, die in großen Mengen hergestellt wurden, sind die der Hult Brothers Rotary Steam Engine Company in Stockholm, Schweden, und der Kugelmotor des Beauchamp Tower bemerkenswert. Die Motoren von Tower wurden von der Great Eastern Railway zum Antrieb von Lichtdynamos in ihren Lokomotiven und von der Admiralität zum Antrieb von Dynamos an Bord der Schiffe der Royal Navy verwendet. In diesen Nischenanwendungen wurden sie schließlich durch Dampfturbinen ersetzt.

Jet-Typ

Erfunden vom australischen Ingenieur Alan Burns und entwickelt in Großbritannien von Ingenieuren bei Pursuit Dynamics, dieses Unterwasser-System Düsentriebwerk verwendet Hochdruckdampf, um Wasser durch einen Einlass an der Vorderseite anzusaugen und es mit hoher Geschwindigkeit durch die Rückseite auszustoßen. Wenn Dampf im Wasser kondensiert, wird eine Schockwelle erzeugt und von der Kammer fokussiert, um Wasser aus dem Rücken zu blasen. Um die Effizienz des Motors zu verbessern, saugt der Motor Luft durch eine Entlüftung vor dem Dampfstrahl an, wodurch Luftblasen entstehen und die Art und Weise verändert wird, wie sich der Dampf mit dem Wasser vermischt.

Anders als bei herkömmlichen Dampfmaschinen gibt es keine beweglichen Teile, die verschleißen könnten, und das Abgaswasser wird in Tests nur um einige Grad wärmer. Der Motor kann auch als Pumpe und Mischer dienen. Diese Art von System wird von Pursuit Dynamics als „PDX-Technologie“ bezeichnet.

Raketentyp

Die Äolipile repräsentiert die Verwendung von Dampf nach dem Reaktionsprinzip, allerdings nicht für den direkten Antrieb.

In neuerer Zeit wurde Dampf nur begrenzt für Raketen eingesetzt - insbesondere für Raketenautos. Die Technik ist einfach im Konzept, füllen Sie einfach einen Druckbehälter mit heißem Wasser unter hohem Druck und öffnen Sie ein Ventil, das zu einer geeigneten Düse führt. Der Druckabfall bringt sofort einen Teil des Wassers zum Kochen und der Dampf tritt durch eine Düse aus, wodurch eine erhebliche Antriebskraft entsteht.

Es könnte erwartet werden, dass das Wasser im Druckbehälter unter hohem Druck stehen sollte; aber in der Praxis hat der Druckbehälter eine beträchtliche Masse, was die Beschleunigung des Fahrzeugs verringert. Daher wird ein viel niedrigerer Druck verwendet, was einen leichteren Druckbehälter ermöglicht, was wiederum die höchste Endgeschwindigkeit ergibt.

Es gibt sogar spekulative Pläne für eine interplanetare Nutzung. Obwohl Dampfraketen bei der Verwendung von Treibstoff relativ ineffizient sind, spielt dies möglicherweise keine Rolle, da angenommen wird, dass das Sonnensystem über extrem große Vorräte an Wassereis verfügt, das als Treibstoff verwendet werden kann. Um dieses Wasser zu extrahieren und in interplanetaren Raketen zu verwenden, sind mehrere Größenordnungen weniger Ausrüstung erforderlich als für die Zerlegung in Wasserstoff und Sauerstoff für konventionelle Raketentechnik.

Anwendungen

Dampfmaschinen können nach ihrer Anwendung klassifiziert werden:

Stationäre Motoren

Stationäre Dampfmaschinen können in zwei Haupttypen eingeteilt werden:

• Wickelmotoren, Walzwerksmotoren (Schiffsmotoren) und ähnliche Anwendungen, die häufig anhalten und reversieren müssen.
• Motoren, die Strom liefern, die selten anhalten und nicht rückwärts fahren müssen. Dazu gehören Motoren, die in Wärmekraftwerken verwendet wurden, und solche, die in Mühlen, Fabriken und zum Antrieb von Seilbahnen und Kabelstraßenbahnen vor der weit verbreiteten Nutzung von elektrischem Strom verwendet wurden. Sehr leistungsschwache Motoren werden verwendet, um Modellschiffe und Spezialanwendungen wie die Dampfuhr anzutreiben.

Fahrzeugmotoren

Dampfmaschinen wurden verwendet, um eine Vielzahl von Fahrzeugtypen anzutreiben:

• Dampfschiff und Dampfschiff
• Landfahrzeuge:
  • Dampflokomotive
  • Dampfwagen
  • Dampflastwagen
  • Dampfwalze
  • Dampfschaufel
  • Zugmaschine

Vorteile

Die Stärke der Dampfmaschine für moderne Zwecke liegt in ihrer Fähigkeit, Wärme aus fast jeder Quelle in mechanische Arbeit umzuwandeln. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor ist die Dampfmaschine hinsichtlich der Wärmequelle nicht spezifisch. Vor allem könnte Kernenergie ohne den Einsatz einer Dampfmaschine nicht für nützliche Arbeiten genutzt werden, da ein Kernreaktor weder mechanische Arbeit noch elektrische Energie direkt erzeugt – der Reaktor selbst erhitzt oder kocht einfach Wasser. Es ist die Dampfmaschine, die die Wärmeenergie in nutzbare Arbeit umwandelt. Dampf kann auch ohne Verbrennung von Brennstoff durch Solarkonzentratoren erzeugt werden. Ein Demonstrationskraftwerk wurde mit einem zentralen Wärmesammelturm und einer großen Anzahl von Sonnenspiegeln (genannt Heliostaten) gebaut. (siehe Whitecliffs-Projekt)

Ähnliche Vorteile finden sich bei einem anderen Typ von Verbrennungsmotor, dem Stirlingmotor, der effiziente Leistung in einem kompakten Motor bietet.

Dampflokomotiven sind besonders in großen Höhen von Vorteil, da sie durch den niedrigeren Luftdruck nicht beeinträchtigt werden. Dies wurde versehentlich entdeckt, als Dampfmaschinen, die in großen Höhen in den Bergen Südamerikas betrieben wurden, durch dieselelektrische Motoren mit gleicher Leistung auf Meereshöhe ersetzt wurden. Sie wurden schnell durch viel stärkere Lokomotiven ersetzt, die in großer Höhe ausreichend Strom erzeugen konnten.

In der Schweiz (Brienz Rothhorn) und Österreich (Schafberg Bahn) haben sich neue Zahnraddampflokomotiven sehr bewährt. Sie wurden basierend auf einem Design der Schweizerischen Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) aus den 1930er Jahren entworfen, jedoch mit allen heute möglichen Verbesserungen wie Rollenlagern, Wärmedämmung, Leichtölfeuerung, verbesserter innerer Stromlinienform, Ein-Mann-Fahren und so weiter. Diese führten zu einem um 60 Prozent geringeren Treibstoffverbrauch pro Passagier und zu massiv reduzierten Kosten für Wartung und Handling. Die Wirtschaftlichkeit ist jetzt ähnlich oder besser als bei den fortschrittlichsten Diesel- oder Elektrosystemen. Außerdem ist ein Dampfzug mit ähnlicher Geschwindigkeit und Kapazität um 50 Prozent leichter als ein Elektro- oder Dieselzug, was insbesondere bei Zahnradbahnen den Verschleiß der Gleise erheblich reduziert. Auch eine neue Dampfmaschine für ein Raddampfschiff auf dem Genfersee, die Montreux , wurde als weltweit erste Schiffsdampfmaschine mit elektronischer Fernsteuerung konstruiert und gebaut. Die Dampfgruppe von SLM gründete im Jahr 2000 ein hundertprozentiges Unternehmen namens DLM, um moderne Dampfmaschinen und Dampflokomotiven zu entwickeln.

Effizienz

Um den Wirkungsgrad eines Motors zu ermitteln, dividieren Sie die Anzahl der Joule mechanischer Arbeit, die der Motor erzeugt, durch die Anzahl der Joule Energie, die dem Motor durch den brennenden Kraftstoff zugeführt wird. Im Allgemeinen wird der Rest der Energie als Wärme an die Umgebung abgegeben. Keine reine Wärmekraftmaschine kann effizienter sein als der Carnot-Zyklus, bei dem Wärme von einem Speicher mit hoher Temperatur zu einem Speicher mit niedriger Temperatur bewegt wird und der Wirkungsgrad von der Temperaturdifferenz abhängt. Dampfmaschinen sollten daher idealerweise mit möglichst hoher Dampftemperatur betrieben werden und die Abwärme bei möglichst niedriger Temperatur abgeben.

In der Praxis hat eine Dampfmaschine, die den Dampf in die Atmosphäre abgibt, einen Wirkungsgrad (einschließlich Kessel) von 1 % bis 8 %, aber durch Hinzufügen eines Kondensators kann der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden. Ein Kraftwerk mit Dampfzwischenüberhitzung usw. erreicht einen Wirkungsgrad von 30 % bis 42 %. Ein kombinierter Zyklus, bei dem das brennende Material zuerst zum Antrieb einer Gasturbine verwendet wird, kann einen Wirkungsgrad von 50 % bis 60 % erzielen. Möglich ist auch die Nutzung der Abwärme durch Kraft-Wärme-Kopplung, bei der der Restdampf zum Heizen genutzt wird. Es ist daher möglich, etwa 90 % der durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Energie zu nutzen – nur 10 % der durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Energie gehen in die Atmosphäre verloren.

Eine Quelle der Ineffizienz besteht darin, dass der Kondensator Verluste verursacht, indem er etwas heißer als die Außenwelt ist, obwohl dies gemildert werden kann, indem der Dampf in einem Wärmetauscher kondensiert und die zurückgewonnene Wärme verwendet wird, um beispielsweise die verwendete Luft vorzuwärmen Brenner eines Verbrennungsmotors.

Der Betrieb des Maschinenteils allein ist nicht von Dampf abhängig; jedes unter Druck stehende Gas kann verwendet werden. Druckluft wird manchmal verwendet, um kleine Dampfmaschinenmodelle zu testen oder vorzuführen.

Feste und Museen

• Antique Gas & Steam Engine Museum – Zweijährliche Ausstellung in Vista, Kalifornien, spezialisiert auf landwirtschaftliche Geräte, Motoren und Maschinen von 1850–1950
• Great Dorset Steam Fair – jährliche Messe in England – ist darauf spezialisiert, Motoren in ihrem ursprünglichen Kontext zu zeigen: Schwertransport, Dreschen, Sägen, Straßenbau usw
• Jährliche Dampfshow in Amerika North American Model Engineering Society (NAMEN)
• Jährliches Steam-Up in Amerika New England Wireless and Steam Museum
• Das Maschinenhaus Newcomen, Dartmouth, Devon, England, UK
• Steam Era in Milton, Ontario
• Landwirtschaftsmuseum von Ontario in Milton, Ontario
• Missouri River Valley Steam Engine Association Zurück zur Farm Reunion im Zentrum von Missouri, USA. Dies ist kein reines Dampffestival, aber es hat schon immer eine gute Vorstellung von laufenden Dampfmaschinen gegeben.
• Hamilton Museum für Dampf und Technologie in Hamilton, Ontario. Ein altes städtisches Pumpenhaus aus dem Jahr 1860 mit seinen ursprünglichen zwei Woolf Compound Rotative Beam Engines, von denen einer noch in Betrieb ist.
• Kempton Park Dampfmaschinen
• Kew Bridge Dampfmuseum
• Crofton Beam Engines
• Bancroft Mill Engine, Barnoldswick. Film über den Motorbetrieb hier
• Buckley Old Engine Show Northwest Michigan Engine & Thresher Club. Jährliche Ausstellung (39 Jahre) mit Dampfmaschinen und -ausrüstung, antiken Gas- und Ölmotoren, antiken landwirtschaftlichen Geräten, Mühlen, Schmieden und Gießereien. Die Show umfasst Dampfbauseminare.
• Hollycombe Steam Fair