Dampflokomotive

Bedeutung und Grundprinzip

Eine Dampflokomotive (Dampflok) ist eine Lokomotive, die mit Wasserdampf angetrieben wird. Sie war das erste selbstfahrende, maschinell angetriebene Schienenfahrzeug und dominierte den Eisenbahnverkehr bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts. Ihre Transportleistung für Rohstoffe, Kohle und Waren war eine wichtige Voraussetzung der Industrialisierung.

Bei der verbreiteten Regelbauart erzeugt ein Kessel durch Verbrennen eines Brennstoffs Dampf. Eine Kolbendampfmaschine wandelt dessen Druck- und Wärmeenergie über einen Kurbeltrieb in die Drehbewegung der Räder um. Meist ist dies ein offenes System: Der nach der Arbeit in den Zylindern verbleibende Dampf wird als Abdampf in die Atmosphäre ausgestoßen. Wegen eines meist nur etwa acht bis zehn Prozent betragenden Wirkungsgrads sowie hohen Bedienungs-, Wartungs- und Reparaturaufwands wurden Dampflokomotiven weitgehend durch Diesel- und Elektrotriebfahrzeuge ersetzt.

Neben der Regelbauart gab es unter anderem feuerlose, elektrische, Zahnrad-, Kondensations- und Hochdrucklokomotiven sowie Bauarten mit Einzelachs- oder Turbinenantrieb.

Aufbau, Feuerung und Kessel

Die Hauptteile einer Regelbauart sind Dampfkessel, Kolbendampfmaschine, Fahrgestell mit Rahmen und Radsätzen sowie Führerstand. Bei einer Tenderlokomotive liegen Wasser- und Brennstoffvorräte auf der Lokomotive; eine Schlepptenderlokomotive führt sie in einem fest gekuppelten Tender mit. Der Rahmen trägt Kessel, Feuerbüchse, Maschine und Führerstand.

Meist werden Kohle oder Schweröl verbrannt, außerdem kamen Holz, Kohlenstaub, Torf und Mineralöl vor. Bei Rostfeuerung liegt fester Brennstoff auf einem Rost; Asche fällt in den Aschkasten. Öl und Kohlenstaub benötigen Brenner beziehungsweise besondere Einblas- oder Ansaugsysteme. Die Luftzufuhr ist regelbar. Ein Blasrohr leitet Maschinenabdampf in den Schornstein: Der Strahl erzeugt in Rauchkammer, Heizrohren und Feuerbüchse Unterdruck und facht so das Feuer an. Bei Stillstand übernimmt ein mit Nassdampf betriebener Hilfsbläser diese Aufgabe. Der 1951 entwickelte Giesl-Ejektor von Adolph Giesl-Gieslingen senkte den Brennstoffverbrauch um acht bis zwölf Prozent.

Der klassische Stephensonsche Röhrenkessel besteht aus Stehkessel mit wasserumgebener Feuerbüchse, Langkessel und Rauchkammer. In der Feuerbüchse entsteht Strahlungsheizfläche; heiße Gase erwärmen in Heiz- und Rauchrohren das Kesselwasser. Überhitzerelemente trocknen und erhitzen Dampf: Heißdampf kann bis zu 400 °C warm werden und erhöht den Wirkungsgrad. Nassdampf ist mit feinsten Wassertropfen vermischt und hat abhängig vom Kesselüberdruck 170 bis 210 °C. Deutsche Lokomotiven arbeiteten meist mit 12 bis 16 bar; mindestens zwei Sicherheitsventile begrenzen den Druck.

Dampfmaschine, Steuerung und Fahrwerk

Der Dampf gelangt über Regler, Dampfsammelkasten und bei Heißdampflokomotiven Überhitzer zu den Zylindern. Dort dehnt er sich aus und bewegt Kolben. Lokomotivmaschinen sind doppeltwirkend: Dampf wirkt abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens. Treibstangen übertragen die Hin- und Herbewegung auf Treibräder. Damit die Lok in jeder Kurbelstellung anfahren kann, sind die Kurbelzapfen versetzt: bei zwei- und vierzylindrigen Maschinen um 90°, bei Dreizylindermaschinen meist um 120°.

Zylinder können außen oder innen am Rahmen liegen. Außenzylinder sind leichter zugänglich; Innenzylinder führen wegen der günstigeren Lage der bewegten Massen zu ruhigerem Lauf. Am häufigsten waren Zweizylinderlokomotiven mit Außenzylindern. Drei- und Vierzylindertriebwerke verbesserten besonders bei Schnellzuglokomotiven den Massenausgleich.

Die Steuerung bestimmt Seite, Menge und Dauer des Dampfeintritts. Nach etwa einem Drittel des Kolbenwegs sperrt sie den Dampfeintritt; der Dampf treibt den Kolben dann durch Expansion weiter. Lange Füllung liefert hohe Anfahrzugkraft, kurze Füllung bei hoher Geschwindigkeit spart Dampf. Regler und Steuerung werden vom Führerstand bedient; durch Umsteuerung lässt sich die Fahrtrichtung wechseln oder mit Gegendampf bremsen.

Ein Radsatz besteht aus zwei verdrehsicher auf einer Radsatzwelle montierten Rädern. Treib- und Kuppelradsätze sind angetrieben, Laufradsätze nicht. Kuppelstangen verteilen die Kraft vom Treibradsatz auf weitere Kuppelradsätze. Große Räder begünstigen Geschwindigkeit, kleinere und zahlreiche Kuppelradsätze hohe Zugkraft. Kolben und Stangen erzeugen Unwuchten; gewöhnlich wurden nur etwa 30 bis 50 % der hin- und hergehenden Massen ausgeglichen. Zusätzliche, oft radial einstellbare Laufradsätze verbessern Bogenlauf und tragen große Kessel.

Betrieb und Versorgung

Dampflokomotiven benötigen Wasser und Brennstoff an Wasserstationen und Bekohlungsanlagen. Wasser wird im Betrieb als Abdampf ausgestoßen und muss deshalb laufend nachgespeist werden. Moderne Lokomotiven besitzen zwei unabhängig arbeitende Speiseeinrichtungen, etwa Kolbenspeisepumpen und Injektor- oder Dampfstrahlpumpen. Vorwärmer erhitzen Speisewasser mit Abdampf auf etwa 80 bis 90 °C. Zwei Schaugläser und Probierhähne überwachen den Wasserstand: Zu wenig Wasser kann einen Kesselzerknall verursachen, zu viel Wasser kann Wasserschlag und schwere Zylinderschäden auslösen. Wasseraufbereitung vermindert Kesselstein; ausgeschiedener Schlamm wird durch ein Abschlammventil entfernt.

Kondenslokomotiven verflüssigen Abdampf im Kondenstender und nutzen ihn erneut. Sie sparten über 90 % Wasser, waren aber in wasserreichen Gebieten wegen des hohen Unterhalts unwirtschaftlich und benötigten ein eigenes Saugzuggebläse. Feste Brennstoffe wurden meist vom Heizer durch das Feuerloch eingefüllt; ein Stoker konnte Kohle maschinell fördern. Die Lok wurde gewöhnlich von Lokführer und Heizer bedient: Der Lokführer führte Zug und Bremsen, der Heizer verantwortete Feuerung, Wasser und Dampfdruck. Druckluftbremsen nutzten eine dampfbetriebene Luftpumpe. Reisezugwagen konnten über eine durchgehende Leitung mit Heizdampf aus dem Kessel versorgt werden; Turbogeneratoren lieferten elektrische Energie.

Entwicklung, Leistungsgrenzen und Ende des Regelbetriebs

Vorläufer waren Dampfmaschinen von Thomas Newcomen, James Watt und Richard Trevithick. Trevithick baute 1804 die erste auf Schienen fahrende Dampflokomotive; ihre gusseisernen Schienen brachen jedoch unter der Masse. 1825 eröffnete die Strecke Stockton–Darlington mit einer Lokomotive von George Stephenson und dem ersten Personenverkehr in einem lokomotivgezogenen Zug. Beim Wettbewerb von Rainhill 1829 gewann Robert Stephensons Rocket; sie erreichte auf der 50 km langen Strecke 48 km/h. In Deutschland fuhr am 7. Dezember 1835 Der Adler zwischen Nürnberg und Fürth.

Für die Entwicklung wichtig waren gekuppelte Antriebsachsen, führende Laufdrehgestelle, höhere Kessellagen, der Überhitzer und Verbundmaschinen. Beim Verbundprinzip expandiert Dampf nacheinander in Hochdruck- und Niederdruckzylindern. Die Pacific mit Achsfolge 2’C1’ wurde ab etwa 1910 eine besonders verbreitete Schnellzugbauart. Die größten amerikanischen Mallet- und Triplex-Lokomotiven besaßen bis zu drei eigenständige Zweizylindertriebwerke.

Leistungsgrenzen ergaben sich aus Raddurchmesser, Lichtraumprofil, Achslast, Kolbengeschwindigkeit, Massenausgleich und Kesselgröße. In Europa gilt die SNCF 242 A 1 mit bis zu 5300 PS (4000 kW) als besonders leistungsfähig. Die deutsche 05 002 erreichte 1936 200,4 km/h; die britische Mallard 1938 203 km/h auf Gefällestrecke und wurde dabei beschädigt. Berichte über höhere US-Rekorde sind mangels offizieller Bestätigung umstritten.

Ab den 1940er Jahren setzten sich in den USA Diesellokomotiven durch; in Europa verdrängten vor allem elektrische und Dieseltriebfahrzeuge die Dampflok. Die Deutsche Bundesbahn beendete den Betrieb 1977, die Deutsche Reichsbahn den Regelspureinsatz am 29. Oktober 1988. Gründe waren neben dem geringen Wirkungsgrad besonders der personalintensive Unterhalt, häufiges Kesselauswaschen und die Gefahr von Kesselexplosionen.

Gegenwart

Neubauten sind seit dem letzten Viertel des 20. Jahrhunderts selten. 1992 lieferte SLM drei neue leichtölgefeuerte Zahnrad-Schmalspurlokomotiven an Brienz-Rothorn-Bahn, ÖBB und die Zahnradbahn Montreux–Glion–Rochers-de-Naye; 1996 folgten fünf weitere. Sie sind dort wirtschaftlich, wo ihr touristischer Reiz höhere Einnahmen ermöglicht. 2009 entstanden im Dampflokwerk Meiningen Nachbauten der DR-Baureihe 99.32 und der sächsischen I K. Die nach historischen Plänen, aber mit heutigen Materialien gebaute A1 60163 Tornado ging 2008 in England in Betrieb.

Im deutschsprachigen Raum verkehren Dampflokomotiven noch regelmäßig vor allem auf touristisch genutzten Schmalspurbahnen und auf Museums- oder Sonderfahrten. In Deutschland sind rund 30 bis 40 betriebsfähige normalspurige Dampflokomotiven erhalten; die Zahl schwankt wegen der erforderlichen Hauptuntersuchungen. In China endeten im Januar 2024 die letzten regulären Einsätze im Rangierbetrieb des Steinkohlentagebaus Sandaoling. Abgesehen vom noch vorhandenen Betrieb in Bosnien-Herzegowina und möglicherweise einzelnen, nicht sicher belegten Einsätzen in Nordkorea gilt damit der letzte bekannte reguläre Betrieb weltweit als beendet; Touristik- und Museumsbahnen nutzen weiterhin Dampflokomotiven.