Schiffsdampfmaschine

Überblick und Entwicklung

Eine Schiffsdampfmaschine ist eine Dampfmaschine zum Antrieb von Schiffen oder Booten. Der Artikel behandelt Kolbendampfmaschinen: Sie waren von den Anfängen des Dampfschiffs zu Beginn des 19. Jahrhunderts bis nach dem Zweiten Weltkrieg im Einsatz. Ab dem ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurden sie zunehmend durch Dampfturbinen und Schiffsdieselmotoren ersetzt.

Die Entwicklung der Schiffe und ihrer Maschinen verlief im 19. Jahrhundert weitgehend parallel. Der Schaufelradantrieb wurde ab der Mitte des Jahrhunderts allmählich durch die von Josef Ressel erfundene Schiffsschraube ersetzt. Eisen- und später Stahlrümpfe machten größere Schiffe möglich, verlangten aber leistungsfähigere und komplexere Maschinen. Für große Passagierschiffe setzte sich um die Jahrhundertwende der Turbinenantrieb durch: Er ermöglichte höhere Geschwindigkeiten und ruhigeren Lauf, verbrauchte aber mehr Dampf. Kolbendampfmaschinen blieben bei Binnenschiffen sowie kleineren oder langsameren Schiffen, etwa Eisbrechern, Frachtern und Tonnenlegern, noch bis in die 1950er Jahre üblich.

Historische Meilensteine

Thomas Newcomen erfand die Dampfmaschine 1712; James Watt brachte sie in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts zur Funktionsreife. William Symington passte sie zu Beginn des 19. Jahrhunderts für den Schiffsbetrieb an und baute 1802 mit der Charlotte Dundas das erste praktisch verwendbare Dampfschiff. Robert Fulton baute 1807 mit dem North River Steamboat das erste kommerziell erfolgreiche Dampfschiff; es wurde von einer Watt’schen Dampfmaschine angetrieben. 1837 überquerte die Sirius erstmals den Atlantik allein mit Maschinenkraft.

Britische Entwicklungen waren bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts besonders einflussreich. Das lag an Englands Vormachtstellung in der Seefahrt und daran, dass sich der Maschinenbau zunächst von Großbritannien aus nach Europa verbreitete. So kamen alle frühen Schiffsdampfmaschinen der Ersten Donau-Dampfschiffahrts-Gesellschaft und des Österreichischen Lloyds aus England.

Die Vierzylinder-Dreifachexpansions-Maschinen der Olympic-Klasse von 1911 leisteten jeweils 15.000 PS. Sie waren die stärksten und größten jemals gebauten Schiffsdampfmaschinen und zugleich Höhe- und Schlusspunkt dieser Entwicklung bei großen Seeschiffen. Ab 1910 setzte sich Heißdampf auch im Schiffsbau durch. Heute fahren viele solche Schiffe saisonal als Nostalgie- oder Museumsschiffe; die 1953 in Dienst gestellte US-amerikanische Autofähre Badger ist vermutlich das letzte kommerziell eingesetzte Dampfschiff mit Kolbendampfmaschinen und Kohlefeuerung.

Indirekte Kraftübertragung

Die Seitenhebel-Balanciermaschine war in Europa in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts die meistgenutzte Schiffsmaschine. Seit etwa 1815 war sie bei Schaufelraddampfern in der Binnen- und Seeschifffahrt besonders verbreitet. Sie war eine Anpassung der Balanciermaschine, einer frühen Dampfmaschinenform.

Typisch waren zwei schwere parallele Eisenbalken, die Seitenhebel oder Balanciers. Sie waren an der Unterseite der Maschine mittig über eine Achse verbunden; dadurch war ihr Schwenkbereich begrenzt. Die Kolbenstange eines stehenden Zylinders war mit einem horizontalen Querhaupt verbunden. Von dessen Enden führten vertikale Seitenstangen zu den Seitenhebeln. Auf der anderen Seite waren die Balanciers durch ein horizontales Querstück verbunden. Dieses übertrug die Kraft über eine einzelne Pleuelstange an die Kurbelwelle.

Ein wesentlicher Nachteil waren Größe und Gewicht. Die Maschine arbeitete überwiegend mit niedrigem Dampfdruck von maximal 4 PSi und wurde deshalb relativ bald durch oszillierende Maschinen ersetzt.

Direktwirkende und schrägliegende Maschinen

Direktwirkende Maschinen sollten Maschinengröße und Gewicht verringern. Bei der um 1830 entwickelten oszillierenden Dampfmaschine sind die Kolbenstangen direkt mit der Kurbelwelle verbunden; Pleuel und Kreuzkopf werden dadurch überflüssig. Die Zylinder sind seitlich mittig an Drehzapfen beweglich aufgehängt und schwingen mit. Dampf wird durch die meist mit Stopfbuchsen verschlossenen hohlen Drehzapfen zu- und abgeführt.

Bei frühen Bauarten steuerte die Schwingbewegung über getrennte Öffnungen im Drehzapfen auch die Dampfzufuhr. Später übernahmen durch Exzenter gesteuerte Schieber diese Aufgabe. Bei späteren Bauarten ließ sich der Füllungsgrad der Zylinder verändern. Das erlaubte, etwa bei der Krippen, ein sanfteres Steuern und verband gute Handhabbarkeit mit kompakter Bauart. Joseph Maudslay baute 1827 die erste patentierte oszillierende Schiffsdampfmaschine; John Penn and Sons vervollkommnete die Bauart. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war sie bei Schaufelraddampfern am beliebtesten, wurde aber ab den 1880er Jahren zunehmend durch schrägliegende Maschinen mit Kreuzkopf verdrängt. Die Hebe war 1905 der letzte Neubau der Donau-Dampfschiffahrts-Gesellschaft mit einer damals bereits anachronistischen oszillierenden Maschine.

Schrägliegende Dampfmaschinen wurden ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bei Raddampfern eingesetzt. Gegenüber oszillierenden Maschinen waren sie leistungsfähiger und laufruhiger, benötigten wegen ihrer größeren Abmessungen jedoch mehr Platz. Besonders verbreitet waren sie als Verbunddampfmaschinen; außerdem gab es Einzylindermaschinen, im Donauschiffer-Jargon „Einspänner“, und Dreizylindermaschinen, sogenannte Triplexmaschinen. Für Binnenschiffe wurden sie bis in die Nachkriegszeit gebaut. Die 1947 gebaute Waverley besaß zuletzt eine dampfbetätigte Steuerung. Die Montreux erhielt 2001 eine neugebaute Zweizylinder-Verbund-Heißdampfmaschine von DLM, die von der Schiffsbrücke aus ferngesteuert wird.

Stehende Maschinen und Dampfdehnung

Mit der endgültigen Durchsetzung des Schraubenantriebs in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden Schiffe größer und leistungsfähiger. Damit war eine besonders gedrungene Maschine mit niedrigem Schwerpunkt weniger nötig. Ingenieure konnten größere, einfachere, effizientere und leichter wartbare Maschinen bauen; dadurch verbreitete sich die stehende Dampfmaschine.

Bei ihr stehen die Zylinder direkt über der Kurbelwelle. Kolbenstange, Pleuel und Kreuzkopf bilden eine senkrechte Linie. Verbrennungsmotore übernahmen später diese Bauart. Im englischsprachigen Raum heißen stehende Schiffsdampfmaschinen manchmal „Schmiedehammer-Maschinen“, weil ihr Aufbau an einen Dampfhammer erinnert. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts verdrängten sie fast alle anderen Typen. Wegen ihrer weiten Verbreitung werden sie meist nach ihrer weiteren Bauart bezeichnet, zum Beispiel als Dreifachexpansionsmaschine.

Je nach Epoche wurden Schiffsdampfmaschinen als Einfach- oder Mehrfachexpansionsmaschinen gebaut. Bei Mehrfachexpansion wird die Dampfdehnung in mehreren Stufen genutzt; die Dreifachexpansionsmaschine ist eine solche Bauart.