Verbunddampfmaschine

Grundidee und Bedeutung

Eine Verbunddampfmaschine, auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt, ist eine Dampfmaschine mit mindestens zwei in Dampfrichtung nacheinander geschalteten Arbeitseinheiten. Der Dampf verrichtet seine Arbeit also nicht nur in einem einzigen Zylinder, sondern wird stufenweise entspannt. Anatole Mallet meldete 1874 die Verwendung des Verbundprinzips im Lokomotivbau zum Patent an.

Die Aufteilung der Expansion auf mehrere Stufen wird als Verbundwirkung bezeichnet. Der effektive Wirkungsgrad einer Verbunddampfmaschine mit geheizten Mänteln und Receiver wurde 1893 mit 7,2 % angegeben. Ziel des Verbundprinzips ist eine bessere Ausnutzung der im Dampf enthaltenen spezifischen Energie, der Enthalpie.

Stufenweise Expansion im Kolbenmotor

In einer Kolben-Verbunddampfmaschine expandiert der Hochdruckdampf zunächst im Hochdruckzylinder bis auf einen mittleren Druck. Danach wird der teilentspannte Dampf nicht wie bei einer Einfachmaschine an die Atmosphäre abgegeben oder direkt einem Kondensator zugeführt. Stattdessen gelangt er mit seinem Restdruck in eine weitere Zylindereinheit.

Diese besitzt einen größeren Hubraum, weil sich die Dampfportion durch die erste Expansion bereits auf ein größeres Volumen ausgedehnt hat. Im weiteren Zylinder wird sie bei niedrigerem Druck nochmals zur Arbeitsleistung genutzt. Möglich sind mehr als zwei Expansionsstufen; bei dreifacher Dampfdehnung gibt es beispielsweise Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckstufen.

Die Temperatursenkung des Dampfes wird bei dieser Arbeitsweise auf räumlich voneinander getrennte Maschinenteile verteilt. Dadurch verringert sich der Flächenschaden: Der Dampf verliert weniger Wärme an kühle Wandungen als bei einer einstufigen Expansion beziehungsweise Abkühlung. Die mehrstufige Nutzung des Dampfdrucks verbessert deshalb die Ausnutzung der Enthalpie und senkt gegenüber vergleichbaren einstufigen Dampfmaschinen den Brennstoff- und Wasserverbrauch.

Am Ausgang des letzten Zylinders befindet sich meist ein Kondensator. Dort wird der Dampf verflüssigt und das Wasser in den Kreislauf zurückgeführt.

Zylindergrößen und Kurbelanordnung

Da der Dampf im Hochdruckzylinder bereits teilweise entspannt wird, benötigt die Niederdruckstufe eine größere Arbeitsfläche. Unterschiedlich lange Kolbenstangen schieden aus praktischen Gründen aus. Anfangs wurde die Fläche des Niederdruckzylinders im Verhältnis zum Hochdruckzylinder verdoppelt, weil man vereinfachend von einer Halbierung des Dampfdrucks ausging. Später wurde die Niederdruckfläche weiter vergrößert, um die Energieausbeute zu optimieren. Bei dreifacher Dampfdehnung wurde der Mitteldruckzylinder bei der Berechnung im Verhältnis zum Niederdruckzylinder so behandelt, als wäre er ein Hochdruckzylinder.

Die im Artikel angegebenen Verhältnisse lauten:

• Bei zwei oder vier Zylindern und doppelter Dampfdehnung betragen die Zylinderflächen Hochdruck : Niederdruck = 1 : (2,25 … 3); die Kolbendurchmesser Hochdruck : Niederdruck = 1 : (1,5 … 1,7).

• Bei drei Zylindern und doppelter Dampfdehnung betragen die Zylinderflächen Hochdruck : Niederdruck = 1 : 2×(1,125 … 1,5); die Kolbendurchmesser Hochdruck : Niederdruck = 1 : 2×(1,06 … 1,23).

• Bei drei Zylindern und dreifacher Dampfdehnung betragen die Zylinderflächen Hochdruck : Mitteldruck : Niederdruck = 1 : (2,25 … 2,8) : (5 … 7); die Kolbendurchmesser = 1 : (1,5 … 1,7) : (2,25 … 2,7).

• Bei vier Zylindern und dreifacher Dampfdehnung betragen die Zylinderflächen Hochdruck : Mitteldruck : Niederdruck = 1 : (2,25 … 2,8) : 2×(2,5 … 3,5); die Kolbendurchmesser = 1 : (1,5 … 1,7) : 2×(1,59 … 1,87).

Die Kurbelversetzung wurde so gewählt, dass die Kurbelkräfte der verschiedenen Zylinder annähernd gleich stark auf die Treibachse wirkten. Bei Zwei- und Vierzylindermaschinen lag sie bei 90°. Spätere Vierzylindermaschinen besaßen zwischen den Hochdruckzylindern beziehungsweise den Niederdruckzylindern 180° und zwischen unterschiedlichen Druckstufen 90°. Dadurch sollte ein möglichst guter Massenausgleich erreicht werden; zugleich wurde die Herstellung der Kropfachsen vereinfacht.

Bei Dreizylindermaschinen mit doppelter Dampfdehnung gab es verschiedene Anordnungen. 120° ermöglichten ein fast gleichmäßiges Drehmoment und einen guten Massenausgleich, wie bei den Lokomotiven der Schweizer Baureihe B 3/4. Andere Konstruktionen hatten 90° zwischen den Niederdruckzylindern und 135° zwischen Nieder- und Hochdruckzylinder, wie die Güterzuglokomotiven der württembergischen Baureihe G. Es gab sogar ansonsten identische Baureihen mit teils 120° und teils 90°+2×135° Kurbelversetzung.

Einsatz und technische Grenzen

Das Verbundprinzip wurde bei Dampflokomotiven mit Zwei-, Drei- und Vierzylinder-Triebwerken eingesetzt. Bei Kolbenmaschinen sind auch mehr als zwei hintereinander geschaltete Stufen der Dampfdrucknutzung möglich.

Vierfach-Expansionsmaschinen waren wegen ihrer Größe und Laufeigenschaften sehr selten. Die erste Maschine dieser Bauart wurde 1898 in den Passagierdampfer Kaiser Friedrich eingebaut. Sie besaß fünf Zylinder, die auf drei Kurbeln wirkten. Der Niederdruck wurde in zwei Zylindern verarbeitet; alle anderen Stufen bestanden aus jeweils einem Zylinder.

Der besseren Energienutzung stehen ein höherer Bauaufwand und Schwierigkeiten bei der Regelung gegenüber. Mehrere Zylinder, Kolben sowie Schieber beziehungsweise Steuereinrichtungen müssen gebaut und betrieben werden. Bei wechselnden Lastfällen, etwa bei einer Dampflokomotive, ist es fast unmöglich, Hochdruck- und Niederdruckstufe gleichzeitig optimal einzustellen. Eine Dampfmengensteuerung beeinflusst grundsätzlich beide Stufen, weil kein Zwischenaustritt des Dampfes erfolgt. Meist wurde daher auf eine getrennte Beeinflussung der Einzeltriebwerke verzichtet, damit die Steuerungsmechanik nicht zu komplex wurde. Für die Anfahrt waren spezielle Vorrichtungen erforderlich.

Kontinuierlicher Verbund in der Dampfturbine

Nahezu jede heutige Dampfturbine ist eine Verbunddampfmaschine. Anders als bei der Kolbenmaschine erfolgt die Expansion kontinuierlich in Längsrichtung der Turbine.

Dabei sind die Schaufelraddurchmesser gestaffelt: Am Anfang, bei hohem Kesseldruck, sind die Durchmesser klein. In Richtung des Umgebungsdrucks werden die Schaufelraddurchmesser immer größer. Auf diese Weise wird die im Dampf enthaltene Energie stufenweise und kontinuierlich von Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die Anordnung soll diese Energieumwandlung möglichst nahe am thermodynamisch maximal Möglichen durchführen.