Verbunddampfmaschine

Schema einer 3-fach Expansionsdampfmaschine

Eine Verbunddampfmaschine oder Mehrfach-Expansionsmaschine (engl. compound engine) ist eine Dampfmaschine mit mindestens zwei in Dampfrichtung nacheinander geschalteten Arbeitseinheiten.

Diskontinuierlicher Verbund, Kolbenmaschinen

In einer Kolben-Verbunddampfmaschine expandiert der Hochdruckdampf im ersten Zylinder und Kolben bis auf einen unteren Druck. Der teilentspannte Dampf wird nach dieser ersten Expansion nicht (wie bei der Einfachmaschine) in die Atmosphäre entlassen, sondern mit seinem Restdruck zur Verrichtung von weiterer Arbeit einer zweiten Zylindereinheit zugeführt, die mit größerem Durchmesser zur Nutzung des niedrigeren Drucks arbeitet. Weil man bei der Verbundarbeitsweise die Temperatursenkung des Dampfes auf räumlich voneinander getrennte Maschinenteile verteilt, verringert sich der Flächenschaden; der Dampf verliert weniger Wärme an kühle Wandungen als bei einstufiger Expansion (=Abkühlung).

Diese zweistufige Nutzung des Dampfdrucks erbringt eine bessere Ausnutzung der im Dampf enthaltenen spezifischen Energie (Enthalpie). Die Verbunddampfmaschinen sind deshalb im Brennstoff- und Wasserverbrauch günstiger als vergleichbare Dampfmaschinen mit einstufiger Dampfdehnung.

Es sind auch mehr als zwei hintereinander geschaltete Stufen der Dampfdrucknutzung bei Kolbenmaschinen realisierbar, jedoch in der Technik nicht üblich geworden. Aus Platzgründen kam die dreistufige Dampfdehnung, also eine Dreifach-Expansionsmaschine, fast ausschließlich im stationären Betrieb oder als Schiffsmaschine zur Anwendung.

Bei der Entwicklung von Verbunddampfmaschinen wurde erkannt, dass wegen der teilweisen Entspannung des Dampfes im Hochdruckzylinder ein größere Fläche für den Niederdruckzylinder nötig war, denn unterschiedlich lange Kolbenstangen schieden infolge praktischer Erwägungen aus. Zunächst wurde die Fläche des Niederdruckzylinders im Verhältnis zum Hochdruckzylinder verdoppelt, weil man vereinfachend von einer Halbierung des Dampfdruckes ausging. Bei Dreizylinder-Verbundmaschinen mit doppelter Dampfdehnung begünstigte das die Entwicklung von Bauarten mit einem Hoch- und zwei Niederdruckzylindern im jeweils gleichen Durchmesser. Mit zunehmender Erfahrung in Bau und Betrieb von Verbunddampfmaschinen wurde die Wirkungsfläche des Niederdrucks dann weiter vergrößert, um die Energieausbeute zu optimieren. Bei dreifacher Dampfdehnung wurde das Verhältnis der Zylinderflächen entsprechend behandelt. Zur Berechnung wurde die Fläche des Mitteldruckzylinders im Verhältnis zum Niederdruckzylinder behandelt, als wäre der Mitteldruckzylinder ein Hochdruckzylinder.

In Zahlen ausgedrückt besteht folgendes Verhältnis der Zylinderflächen bzw. Kolbendurchmesser:

Zylinderflächen : Hochdruck : Niederdruck = 1 : (2,25 ... 3)

Kolbendurchmesser : Hochdruck : Niederdruck = 1 : (1,5 ... 1,7)

bei doppelter Dampfdehnung;

Zylinderflächen : Hochdruck : Mitteldruck : Niederdruck = 1 : (2,25 ... 2,8) : (5 ... 7)

Kolbendurchmesser : Hochdruck : Mitteldruck : Niederdruck = 1 : (1,5 ... 1,7) : (2,25 ... 2,7)

bei dreifacher Dampfdehnung.

Die Kurbelversetzung wurde so gewählt, dass die Kurbelkräfte der verschiedenen Zylinder in annähernd gleicher Stärke auf die Treibachse wirkten, bei Zwei- und Vierzylindermaschinen lag sie bei 90°. Bei Dreizylindermaschinen herrschte offensichtlich Unklarheit über die optimale Kurbelversetzung; teils wurden Maschinen mit 120° Kurbelversetzung gebaut, so z.B. die Lokomotiven der Schweizer Baureihe B 3/4. Dadurch wurden ein fast gleichmäßiges Drehmoment sowie ein guter Massenausgleich erreicht. Ein erstes Patent auf eine Lokomotive mit so einem Triebwerk erhielt der französische Ingenieur Michel Andrade im Jahre 1875, allerdings scheiterte seine Konstruktion an mechanischen Problemen. Es gab aber auch Konstruktionen, die bei doppelter Dampfdehnung 90° Kurbelversetzung zwischen den Niederdruckzylindern und 135° zwischen Nieder- und Hochdruckzylinder aufwiesen, wie z.B. die Güterzuglokomotiven der württembergischen Baureihe G. Es existierten sogar ganze Baureihen, die, ansonsten identisch, teils mit 120° Kurbelversetzung, teils mit 90°+2×135° Kurbelversetzung gebaut und in Dienst gestellt worden waren.

US-Lokomotive in Mallet-Verbundbauart

Dem Vorteil der besseren Energienutzung stehen einige Nachteile des Verbundprinzips gegenüber: zum einen der Bauaufwand mehrerer Zylinder, Kolben und der Schieber bzw. Steuereinrichtungen. Ein Problem bei der Aneinanderreihung von mehreren unterschiedlich großen Expansionseinheiten ist auch die Regelung. Bei wechselnden Lastfällen (Dampflokomotive) ist es fast unmöglich, sowohl die Hochdruckstufe als auch die Niederdruckstufe optimal einzustellen. Eine der Beeinflussungsmöglichkeiten, die Dampfmengensteuerung, wirkt sich immer auf beide Stufen aus, da ein Zwischenaustritt des Dampfes nicht erfolgt. In der Regel wurde auf eine separate Beeinflussung der Einzeltriebwerke verzichtet, um die Steuerungsmechanik nicht zu komplex zu gestalten. Auch für die Anfahrt einer solchen Dampfmaschine waren spezielle Vorrichtungen erforderlich.

Das Prinzip der Verbunddampfmaschine fand Anwendung bei Dampflokomotiven mit Zwei-, Drei- und Vierzylinder-Triebwerken. Durch Anatole Mallet wurde 1874 die Verwendung des Verbundprinzips im Lokomotivbau zum Patent angemeldet.

Kontinuierlicher Verbund, Turbomaschinen

Läufer einer Dampfturbine, unterschiedliche Durchmesser der Schaufelradsätze

Nahezu jede heutige Dampfturbine ist eine Verbunddampfmaschine. Die Expansion des Dampfes findet in Längsrichtung der Turbine in einer Durchmesserstaffelung von kleinen Schaufelraddurchmessern (für den Kesseldruck) hin zu immer größeren Schaufelraddurchmessern (nahe dem Umgebungsdruck) statt, um eine möglichst vollständige, thermodynamisch mögliche Wandlung der Energieformen (Wärmeenergie zu mechanische Energie) zu realisieren.

Literatur

• Lexikon Erfinder und Erfindungen Eisenbahn, Erich Preuß, Transpress Verlag für Verkehrswesen, 1. Auflage 1986, Berlin, ISBN 3-344-00053-5
• Die Dampflokomotive, Schwarze, Deinert u.a., Reprint der 2. Auflage (1965), transpress Verlagsgesellschaft mbH, Berlin 1993, ISBN 3-344-70791-4

Weblinks

 Commons: Verbunddampfmaschine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien