Mehrfach-Expansionsmaschine

Läufer einer Dampfturbine, unterschiedliche Durchmesser der Schaufelradsätze

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 fast ausschließlich im stationären Betrieb oder als Schiffsmaschine zur Anwendung.

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

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.