Eine Dampflokomotive (kurz "Dampflok") ist eine Zugmaschine der Eisenbahn.
Die Dampflokomotive besteht im Prinzip aus einem stählernen Rahmen mit dem Dampfkessel, der Feuerbüchse und der Kolbendampfmaschine samt Übertragungsgestänge. Der Rahmen ruht auf den Treibrädern und oft zusätzlichen Stütz-Laufrädern.
Dampflokomotiven beziehen ihre Primärenergie aus der Verbrennung der zumeist mitgeführten Brennstoffe (Holz, Kohle, Kohlenstaub, Torf oder Mineralöl). Der damit beheizte Dampfkessel erzeugt aus ebenfalls mitgeführtem Wasser den Dampf für die Dampfmaschine, deren Kolben über Kurbelstangengetriebe die Treib- und Kuppelräder drehen.
Die Dampflokomotive war die ursprüngliche und lange Zeit vorherrschende Lokomotivbauart. Sie war das erste Zugmittel, das größere Leistung mit kompakter Bauform vereinen konnte und so die erfolgreiche Verbreitung des Eisenbahn-Systems bewirkte.
1769 Straßen-Dampfwagen von Nicholas Cugnot als technischer Vorläufer der Dampflok.
1824 wurde die Eisenbahnstrecke zwischen Stockton und Darlington, England, mit der von Stephenson gebauten Locomotion eröffnet.
Ab 1839 werden einzelne Lokomotiven auch in Deutschland gefertigt, nachdem die ersten öffentlichen Bahnen zunächst mit importierten Lokomotiven betrieben wurden. Die erste brauchbare in Deutschland gefertigte Dampflokomotive wurde bei der Maschinenbau-Anstalt Übigau von Prof. Johann Andreas Schubert gebaut.
1848 wird die erste von den Henschel-Werken in Kassel produzierte Lokomotive, der "Drache", ausgeliefert.
Die Verbrennung des Brennstoffs erzeugt im Dampfkessel der Lokomotive unter Druck stehenden Dampf.
Die meisten Dampfloks haben eine einfache Rostfeuerung mit flachem Feuerbett. Es gab auch Bauformen, die mit Kohlenstaub oder mit einer Ölfeuerung und einem Brenner arbeiteten. Spezielle Schwerölbrenner heizten hier das Schweröl vor, das dann mit einem Dampfstrahl zerstäubt wurde.
Die Verbrennungwärme wird an den Wänden der Feuerbüchse und durch über 100 Rauch- und Heizrohre längs durch den Langkessel an das Wasser übertragen. Das verdampfende Wasser sammelt sich im Dampfraum und dem Dampfsammeldom. Der so entstandene Satt- oder Nassdampf mit einer Temperatur von 170 bis 200 Grad Celsius enthält wegen des Drucks noch eine Menge feinster Wassertropfen.
In modernen Dampflokomotiven wird der Dampf vom Dampfdom weitergeleitet in eine Überhitzereinrichtung. Diese besteht aus U-förmig gebogenen, in den Rauchrohren verlaufenden Rohren.
Durch die Überhitzung steigt die Dampftemperatur auf 300 bis 400 Grad und die Wassertropfen verdampfen ebenfalls. Ohne weitere Druckerhöhung enthält damit der Dampf mehr Energie.
Vom Überhitzer wird der Dampf zum Haupteinströmrohr der Kolbenmaschine geleitet, wo er die Kolben bewegt. So wird die die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.
Kolbendampfmaschine der Dampflok
Die Kolben im Zylinder der Dampfmaschine werden wechselnd von vorn oder hinten mit Dampf beaufschlagt. Gegenüber anderen Antriebsmaschinen ist bei der Dampfmaschine kein Getriebe notwendig, um vom Stillstand weg bis zur Höchstgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die hin- und hergehende Bewegung der Kolben wird über die rechte und linke Treibstange auf ein Paar von Treibräder übertragen und damit in eine rotierende Bewegung umgewandelt. Zur Erhöhung der Reibung und damit der Kraftübertragung auf die Schiene kann das Treibräderpaar über eine Kuppelstange mit einem oder mehreren Kuppelrädernpaaren verbunden sein. Damit wird die Antriebskraft der Dampfmaschine auf mehrere Räder und damit auf mehrere Stellen auf der Schiene verteilt.
Die Anpassung des Dampfverbrauchs an die wechselnden Betriebsbedingungen wird mit einer zusätzlichen Gestänge-Steuerung und deren Schieberkolben in einem Schieberzylinder realisiert. Die Schieber eilen der Kolbenbewegung jeweils wechselnd voraus. Ist der Schieber offen, so wird der Kolben mit Dampf beaufschlagt; schließt der Schieber, so expandiert der eingefüllte Dampf.
Durch variables Einstellen der Steuerung lässt sich z.B. eine hohe Anfahrzugkraft durch lange Dampffüllung über den Kolbenweg erreichen. Durch Verminderung der Füllzeiten bei hoher Geschwindigkeit wird der Dampfverbrauch pro Kolbenhub auf das notwendige Maß reduziert, die Energieausnutzung wirtschaftlicher. Ein Regler mit einem Hilfs- und Hauptkolben regelt zusätzlich den Dampfdruck im Schieberkasten. Der Lokführer betätigt den Hilfskolben, an dem der Kesseldampfdruck anliegt. Durch die Vorsteuerung dieses Drucks wird der Hauptkolben nachgeführt der den Schieberkasten füllt. Damit wird gewährleistet, dass bei schnellerem Lauf und höherer Füllfrequenz genügend Dampf zur Zylinderfüllung verbleibt.
Durch Umsteuern der Füllreihenfolge kann die Fahrtrichtung umgekehrt werden.
Damit eine Dampflok auch bei Totpunktlage eines Kurbelangriffspunktes anfahren kann, sind die Kurbelzapfen der gegenüberliegenden Räder um 90° (bei Dreizylinder-Maschinen um 120°, bei Vierzylindermaschinen wieder um 90°) versetzt angeordnet.
Einen gegengesteuerten Dampfdruck verwendete man auch als Gegendampf-Bremse um den Zug zu bremsen.
Fahrwerk
Gekuppelte Räder
Die Zugkraft einer Kolbendampfmaschine mit Rädern lässt sich nur dann zur maximalen Wirkung bringen, wenn zwischen Rädern und Schienen genügend Haftreibung vorhanden ist, damit die Räder nicht schleudern (durchdrehen). Ein Mittel dazu ist, die Last auf dem Rad bzw. der Achse zu erhöhen. Diese Möglichkeit ist aber begrenzt, daher werden mehrere Räder an Zapfen durch Kuppelstangen miteinander verbunden, um das gesamte Reibungsgewicht für den Antrieb zu erhöhen.
Daher ergibt sich vor allem für zugstarke Güterzugloks das Bild von vielen relativ kleinen Rädern (vier bis sechs auf jeder Seite), die mit Kuppelstange verbunden sind.
Radgröße
Schnellzugloks sollen mit jeder Radumdrehung einen möglichst langen Weg zurücklegen. Dies bedingt dann größere Räder (bis 2,30 Meter Durchmesser), von denen dann jedoch nicht so viel wie bei einer Güterzuglok unter dem Rahmen untergebracht werden können (zwei bis vier auf jeder Seite). Als Folge sind daher Schnellzugloks bei gleicher Kesselleistung weniger zugkräftig.
Durch die eingeschränkte Beweglichkeit der hintereinandergekuppelten Achsen leidet die Kurvenlauffähigkeit des Fahrwerks. Dem wird durch leichte Seitenverschiebbarkeit der Achsen im Rahmen und durch geschwächte Spurkränze auf den inneren Radsätzen entgegengewirkt.
Wasserversorgung
Da im Fahrbetrieb der Dampf aus den Zylindern über den Schornstein oder über Zylinderventile (beim Anfahren) in die Umgebung entlassen wird, muss der Wasservorrat im Kessel ständig nachgefüllt werden. Dafür wird ein Wasservorrat in Zusatztanks oder in einem Schlepptender mitgeführt.
Für die Auffüllung des unter Druck stehenden Kessels werden gewöhnlich Kolbenpumpen oder Injektorpumpen verwendet. In der Injektorpumpe reißt ein Dampfstrahl Wasser in der Injektorkammer mit und drückt es in den Kesselraum. Die primäre Pumpe ist gewöhnlich eine doppelt wirkende Kolbenpumpe. Ein beidseitig mit Dampf beaufschlagter Dampfkolben treibt einen kleineren parallelgeschalteten Wasserkolben an, der das Wasser in den Kessel drückt.
In der Frühzeit geschah das Speisen des Kessels meist mit Plungerpumpen oder Fahrpumpen. Diese wurden über eine Hubscheibe auf einer Achse (Exzenter) oder gekröpfte Achse während der Fahrt der Lokomotive betrieben. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sich die Fördermenge annähernd proportional zum zurückgelegten Weg verhält, die Regelung der Menge geschah durch einen regelbaren Bypass. Allerdings musste die Lokomotive bei längeren Aufenthalten häufig vom Zug abkuppeln und auf einem freien Gleis hin- und her fahren, bis der Wasserstand wieder die gewünschte Höhe erreicht hatte.
Kolbenpumpen und Plungerpumpen ist gemeinsam, dass sie kaltes Wasser in den Kessel speisen, sofern keine spezielle Speisewasservorwärmung vorhanden ist.
Luft- und Rauchgasführung
Die Frischluftzuführung für die Verbrennung erfolgt zwischen Aschkasten und Feuerrosten unterhalb der Roste. Geregelt wird die Luftzufuhr mit Luftklappen.
Für eine genügende Durchzugswirkung sind lange Schornsteine wie bei den frühen amerikanischen Lokomotiven günstig. Bei zunehmender Größe der Lokomotiven wurde die Größe der Schornsteine jedoch durch das Lichtraumprofil der Strecke eingeschränkt. Daher wurde schon durch Trevithick das Blasrohr entwickelt, das am Boden der Rauchkammer sitzt und den Maschinenabdampf durch den Schornstein bläst. Nach dem Injektorprinzip werden dabei die umgebenden Rauchgase mitgerissen. Weil der Abdampf nur während der Fahrt unter Last und nicht im Leerlauf oder Stillstand zur Verfügung steht, ist noch ein Hilfsbläser eingebaut, der aus einem Rohrring mit Blaslöchern um den Blasrohrkopf besteht. Vor der Einführung des Hilfsbläsers wurden die Dampflokomotiven bei längeren Stillstandszeiten teilweise abgekuppelt und auf dem Parallelgleis hin- und hergefahren, um das Feuer zu entfachen und den erwünschten Kesseldruck zu erreichen.
Führungsmannschaft
Dampflokomotiven haben in der Regel über dem Rahmen und hinter der Feuerbüchse ein Führerhaus. Von dort werden sie von einem Zwei-Mann-Team gesteuert. Der Lokführer steuert die Fahrbedienungen (vor allem Regler, Zylindersteuerung und Bremse) und ist hauptamtlich für die Strecken-und Signalbeobachtung zuständig, der Heizer überwacht und betreibt die Feuerung und Dampferzeugung (Brennstoff- und Wasser-Nachschub, Druckerzeugung) und unterstützt den Lokführer bei der Signal-Beobachtung (Meldung und Bestätigung).
Die Leistungen der Dampflokomotive werden bestimmt durch Kolbendurchmesser, Dampfdruck, Zylinderzahl, Anzahl der Treibräder und ihrem Durchmesser. Alle diese Parameter sind jedoch nur begrenzt veränderbar.
Der Raddurchmesser ist entscheidend für die Höchstgeschwindigkeit, kann aber nicht beliebig gesteigert werden, ohne die Größe anderer Bauteile - besonders des Kessels - sowie die Zugkraft zu beeinträchtigen. Die Unwuchten der bewegten Massen im Kurbeltrieb können auch nicht vollständig ausgeglichen werden, sie führen bei höheren Geschwindigkeiten zu unruhiger Fahrt.
Beim Dampfdruck sind 16 bis 20 bar Betriebsdruck sehr verbreitet. Dampfloks mit höherem Dampfdruck (bis 60 bar) erforderten langfristig aufwendigere Instandhaltungsarbeiten und wurden daher nicht weiterentwickelt.
Baulich bedingt lässt sich die Zylinderzahl nur bis vier Stück steigern. Es gab Lokomotiven, die mit Hochdruckzylindern und nachgeordneten Niederdruckzylindern (Verbundmaschinen) das Arbeitsvermögen des Dampfes besonders gut auszunutzen versuchten. Da die Instandhaltungskosten dabei stiegen, haben sich letztlich (allerdings regional unterschiedlich) Loks mit zwei oder drei Zylindern und nur einer Expansionsstufe durchgesetzt: z.B. USA, England und Norddeutschland einfache Dampfdehnung, insb. Frankreich und Süddeutschland hauptsächlich Verbundmaschinen.
Aber keine Regel, die man nicht zu durchbrechen versucht: Die amerikanischen Baldwin-Werke bauten 1914 bis 1916 so genannte Triplex-Lokomotiven (die 2-8-8-8-2 Erie Railroad Triplex und die 2-8-8-8-4 Virginian Railroad Triplex). Dies waren prinzipiell Mallets, die unter dem Tender einen zusätzlichen Antriebssatz mit zwei Niederdruckzylindern besaßen. Diese Maschinen hatten allerdings das Problem, dass die Befeuerung der riesigen Kessel problematisch war. Da der Abdampf des Antriebssatzes unter dem Tender über einen zweiten Schornstein am Tender geführt wurde, stand er wohl zur Vorheizung des Kesselspeisewassers, nicht jedoch am Blasrohr der Lok zur Entfachung des Feuers zur Verfügung. Triplex-Lokomotiven wurden kein Erfolg.
In den 1920er Jahren entstanden in Deutschland ELNA-Dampflokomotiven. Die Abkürzung ELNA steht für 'Engerer Lokomotiv-Normen-Ausschuß'. Die Lokomotiven sollten durch Vereinheitlichung wirtschaftlicher produziert und betrieben werden können.
Unter den mitteleuropäischen Bedingungen entstanden mit den Verbundmaschinen Lokomotiven, die bis 200 km/h Spitzengeschwindigkeit erreichten (Deutsche Reichsbahn Lok 05 002, Achsfolge 2`C 2`h3 und die britische LNER-Lok Mallard mit der Achsfolge 2`C1`) und bis zu 5300 PS bzw. 4000 kW Leistung hatten (SNCF Baureihe 242 A1, Achsfolge 2`D 2` h4v). Letztere war das Werk des genialen französischen Ingenieurs André Chapelon, der wegen der finanziellen Lage seiner Arbeitgeber für die französischen Eisenbahnen nur Umbauten, jedoch nie Neukonstruktionen von Dampflokomotiven durchführen konnte. Seine bei den Umbauten unter Beweis gestellten Fähigkeiten und seine Pläne für Neukonstruktionen hätten Dampflokomotiven erwarten lassen, die bis in die heutige Zeit mit Groß-Diesellokomotiven hätten konkurrieren können.
Die weltweit größten Dampfloks waren die Mallet-LokomotivenBig Boy der amerikanischen Union Pacific Railroad mit der Achsfolge (2`D)` D 2`.
Bezogen auf das Leistungsgewicht (Kilogramm pro PS bzw. kW) galt die von André Chapelon umgebaute 232 U1 der französischen SNCF, eine 2'C2'-hv4-Maschine, als leistungsfähigste Maschine.
Vordergründig der geringe ökonomische Wirkungsgrad (meist ca. 8 bis 10%), und die Verschmutzungen durch Kohlenruß führten dazu, dass die Dampflok immer mehr von Diesel- und Elektroloks abgelöst wurde. Allerdings sind - wie oben erwähnt - die konstruktiven Möglichkeiten der Dampflokomotive zu dieser Zeit noch nicht vollständig ausgenutzt worden.
Geschwindigkeits-Entwicklung
1769 Frankreich, Dampfwagen von Cugnot, 3-4,5 km/h
1830 England, Liverpool-Manchester, "Rocket", 48 km/h
1835 England, Liverpool-Manchester, die 100 km/h-Marke wird überschritten mit einer Lokomotive von Sharp und Roberts
1890 Frankreich, "Crampton n°604" erreicht 144 km/h
1936 Deutsche Reichsbahn, 05 002 erreicht 200,4 km/h
1938 England, LNER, A4 "Mallard" erreicht 201,1 km/h auf leicht geneigter Strecke
Sonder-Entwicklungen
Höhere Anforderungen, günstige oder ungünstigere Bedingungen, haben zu Sonderbauformen von Dampflokomotiven geführt. Hier sind vor allem die zu Beginn in Frankreich und Deutschland sehr verbreiteten Crampton-Lokomotiven, die später erscheinenden Mallet- und Garratt-Lokomotiven sowie Antriebs-Varianten zu nennen.
Speicherdampflokomotiven entsprechen einer Dampflokomotive ohne Feuerung, die durch von außen zugeführten Dampf betrieben wird.
Kondensationslokomotiven mit Rückgewinnung der Wärmeenergie und des Speisewassers aus dem Dampf durch Kondensation
Dampflokomotiven mit elektrischer Dampferzeugung, die aus einer Oberleitung gespeist wurde (zeitweise in der Schweiz), dies scheint eine verrückte Idee, machte aber zu Zeiten des Zweiten Weltkrieges Sinn. Kohlen waren teuer, die Schweiz hatte Elektrizität aus Wasserkraft im Überschuss, so wurden einige kleine Rangierlokomotiven zusätzlich zur Kohlebefeuerung mit einer aus dem Fahrdraht gespeisten Widerstandsheizung versehen.
Fowler's Ghost war eine "emissionsarme" Dampflokomotive für die Londoner U-Bahn, die in den Tunnelabschnitten mit heißen Ziegeln beheizt werden sollte (die Lokomotive wurde von Robert Stphenson & Co. 1861 gebaut, die Versuche mit der Maschine misslangen und wurden bald wieder eingestellt).
Dampfturbolokomotiven als dampfturbomechanische oder dampfturboelektrische Lokomotiven. In den 1920ern und 1930ern gab es Versuche mit dem Einsatz mit dem stationär bereits erfolgreichen Dampfturbinenantrieb. Die Turbine setzt die Dampfkraft direkt in eine Drehbewegung um, wovon man sich eine höhere Leistung und einen niedrigeren Verbrauch versprach. Besonders verbreitet waren Verusche diverser europäischer Lokomotvhersteller mit den Bauarten Zoelly (Schweiz) und Ljungström (Schweden). Neben dem direkten Antrieb der Achsen mittels der Dampftturbine gab es auch Versuchslokomotiven, welche die Turbinenkraft in elektrische Energie wandelte und Fahrmotoren antrieb. Nach dem 2. Weltkrieg wurden auch Überlegungen angestellt, den Dampf für die Turbine ähnlich wie in einem Kernkraftwerk mittels nuklearer Energie zu erzeugen. Um den Druckunterschied zwischen vor und hinter der Turbine zu erhöhen, wurden auf den Turbinenlokomotiven vielfach Abdampfkondensatoren eingesetzt, um die Effektivität der Lokomotive weiter zu steigern. Die große Komplexität der Lokomotiven machten sie aber störanfällig und wartungsintensiv, so dass es zumeist bei den Versuschslokomotiven blieb.
Stromlinienlokomotiven sind von Ihrer Bauart her meist normale Dampflokomotiven die jedoch für höhere Fahrgeschwindigkeiten vorgesehen sind und zur Verminderung des Luftwiderstands mit einer aerodynamisch günstigen Voll- oder Teilverkleidung versehen sind.
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