Titel: Dupuy de Lôme, über die Woolf'schen Dampfmaschinen mit drei gleich großen Cylindern, für Schraubenschiffe.
Autor: Lôme, Dupuy de
Fundstelle: 1867, Band 186, Nr. XXXVIII. (S. 178–184)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj186/ar186038

XXXVIII. Ueber die Woolf'schen Dampfmaschinen mit drei gleich großen Cylindern, für Schraubenschiffe; von Dupuy de Lôme.

Nach den Comptes rendus, t. LXV p. 93; aus dem polytechnischen Centralblatt, 1867 S. 1110.

Die sämmtlichen Schraubenschiffsanlagen für die kaiserl. französische Marine, welche in Paris ausgestellt sind, gleichviel ob aus Privatwerkstätten oder aus der Staatsfabrik zu Indret hervorgegangen, haben eine neue und eigenthümliche Anordnung des Woolf'schen Expansionsprincips. Dieselbe besteht darin, daß drei Kolben von gleichem Durchmesser und gleichem Hub zur Anwendung kommen, welche so auf eine und dieselbe Welle wirken, daß die todten Punkte nicht zusammenfallen. Der eine Kolben nimmt die Wirkung des frischen Dampfes auf, die beiden anderen die des expandirenden.

Der Verf. hat durch diese von ihm getroffene Anordnung folgende Vortheile zu erreichen gesucht:

1) Brennmaterialersparniß;

2) Möglichkeit, die Grenze der Umdrehungszahlen, welche man für Schrauben ohne Uebersetzung erreichen darf, weiter hinauszurücken;

3) fast vollständiges statisches Gleichgewicht in Bezug auf die Treibwelle, welches auch die Lage des Schiffes bei seiner Bewegung seyn mag.

Die drei gleich großen Cylinder liegen neben einander, so daß ihre Achsen in eine gemeinschaftliche Ebene fallen, und die drei Kolben wirken auf eine und dieselbe dreimal gekröpfte Welle. Die beiden Kröpfungen der Seitenkolben stehen rechtwinkelig gegen einander und die des den directen Dampfdruck empfangenden Mittelkolbens steht in der Rückwärtsverlängerung derjenigen Linie, welche die Stellungen der Seitenkröpfungen |179| halbirt, weicht also von jeder der letzteren um 135º ab. Zur Verdichtung des aus den beiden Seitencylindern austretenden Dampfes dienen zwei Condensatoren, von denen jeder mit einer Luftpumpe versehen ist.

Der Dampf wird nach seinem Austritt aus dem Kessel in einen am Fuß des Schornsteins angebrachten Trockenapparat geleitet, welcher die Wärme der abziehenden Verbrennungsgase noch insoweit ausnutzt, als der Dampf ein wenig überhitzt wird, ohne Beschränkung des natürlichen Luftzuges. Die der Belastung der Sicherheitsventile entsprechende Dampfspannung im Inneren des Kessels beträgt 2,75 Atmosphären oder 209 Centimeter Quecksilbersäule. Dieß ist die höchste Spannungsgrenze, welche die Speisung mit Salzwasser ohne Gefahr zuläßt. Die dieser Spannung entsprechende Temperatur des gesättigten Dampfes würde 131º C. betragen; durch den Trockenapparat wird aber die Temperatur um 25º C., also bis auf 156º C. gesteigert.

Nach dem Austritt aus dem Trockenapparat vertheilt sich der Dampf in zwei gleiche Rohrleitungen, welche ihn in zwei die beiden Seitencylinder umgebende Dampfmäntel überführen.

Der in den Mänteln circulirende Dampf erwärmt die Wände der bezüglichen Cylinder und überläßt ihnen dabei einen Theil seiner Ueberhitzungswärme; nach dem Austritt aus den Mänteln gelangt er von zwei Seiten in die Schieberkammer des Mittelcylinders. An den Uebergangsstellen zwischen den Dampfmänteln der Seitencylinder und der Schieberkammer des Mittelcylinders befinden sich zwei Schieber, welche zur Regulirung dienen. Wenn man nämlich die Schieberöffnung verkleinert, um den Gang der Maschine zu verlangsamen, so erhält man dagegen den in den Dampfmänteln befindlichen und zur Erwärmung der Seitencylinder dienenden Dampf auf einer höheren Spannung, was von großer Wichtigkeit ist. Wenn die Schieber ganz offen sind und die Spannung des Dampfes in den Kesseln bis auf ihre höchste Grenze getrieben wird, so beträgt die Spannung des Dampfes bei seinem Eintritt in den Mittelcylinder ungefähr 200 Centimeter Quecksilbersäule.

Nachdem der Dampf im Mittelcylinder gewirkt hat, verläßt er denselben, indem er sich in die beiden Seitencylinder vertheilt; er tritt in die beiden Schieberkammern durch breite Canäle ein, die vermöge ihres Volumens zugleich den Zweck haben, als Zwischenreservoirs zu dienen. Nach der Wirkung in den Seitencylindern gelangt der Dampf in die zugehörigen Condensatoren.

In den Mittelcylinder tritt der Dampf auf 0,84 bis 0,80 des Kolbenhubes, in die beiden Seitencylinder auf 0,78 bis 0,75.

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Bei dieser Größe des Dampfeintrittes, bei der oben erwähnten Dampfspannung, bei der angegebenen Lage der Wellenkröpfungen, bei zweckmäßig angeordneten Luftpumpen, bei hinreichend großen Querschnitten aller Dampfdurchgänge und bei völlig geöffneten Regulatorschiebern erhält man den durchschnittlichen effectiven Dampfdruck auf den Mittelkolben zu 88 Centimeter und auf die Seitenkolben zu 82 Centimeter Quecksilbersäule.

Die Querschnitte der Eintrittsdampfwege sind 0,035 Fv, wenn F den Kolbenquerschnitt und v die in Metern per Secunde ausgedrückte Kolbengeschwindigkeit bezeichnen; die Querschnitte der Austrittsdampfwege sind noch etwas größer.

An der auf der Ausstellung im Gange befindlichen Maschine dieses Systems ist der Cylinderdurchmesser 2,1 Meter und der Kolbenhub 1,3 Meter. Bei diesen Dimensionen und mit 84 Centimeter Quecksilbersäule effectivem Durchschnittsdampfdruck sämmtlicher Cylinder muß die Maschine in der Minute 57 3/4 Umdrehungen machen, um 4000 Indicatorpferdestärken Leistung zu ergeben. Die durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit beträgt hierbei 2,5 Meter in der Secunde, und die Maximalgeschwindigkeit beim halben Hube 3,93 Meter. Diese Maschine ist für den „Friedland,“ Panzerfregatte erster Ordnung, bestimmt, welcher mit vollständiger Ladung an Munitionen und Kohlen 7200 Tonnen wiegen wird. Die Schraube hat 6,1 Meter Durchmesser und 8,5 Meter Ganghöhe. Bei 57 3/4 Umdrehungen in der Minute und ruhigem Wetter wird das Schiff eine Geschwindigkeit von 14 1/2 Knoten oder 27 3/4 Kilometer in der Stunde haben. Das Gewicht der vollständigen Maschine, einschließlich Schraube, Fundament und allem Zubehör, besteht aus:

415 Tonnen Gewicht der Maschine,
280 „ „ der Kessel, des Trockenapparates und Schornsteins,
115 „ „ des Kesselwassers
––––––––––––––––––––
810 Tonnen zusammen, oder 203 Kilogr. per Pferdestärke.

Eine gewöhnliche zweicylindrige Maschine würde mindestens dasselbe Gewicht haben.

Die oben aufgestellten Eigenschaften der neuen dreicylindrigen Maschinen sind durch folgende Ursachen begründet:

Zunächst läßt man den Dampf in diesen Maschinen mit dem Expansionsverhältniß 4 : 10 arbeiten, während man in den gewöhnlichen zweicylindrigen Schiffsmaschinen, um die erforderliche Leistung ohne die Anwendung von Kolben, die wegen ihres Gewichtes oder ihres Hubes |181| eine zu große Trägheit besitzen, zu erhalten, den Dampf bis zu 0,7 des Kolbenweges eintreten läßt, wenn man die Maschine mit ihrer ganzen Kraft arbeiten lassen will. Nur für kleinere Geschwindigkeiten arbeitet man mit geringerer Dampfzuführung. Die Maschinen aber, bei welchen die Expansion in demselben Cylinder vor sich geht, in den der frische Dampf eintritt, ziehen aus dem nämlichen Expansionsgrad bei weitem nicht denselben Vortheil, welchen man bei Maschinen mit für Volldruck und Expansion getrennten Cylindern gewinnt. Dieß geht so weit, daß bei den gewöhnlichen Schiffsmaschinen, wenn mall sie mit schwacher Cylinderfüllung arbeiten läßt, die gewonnene Leistung kaum weniger Brennmaterial kostet, als wenn man die Drosselventile verengte und mit 0,7 Cylinderfüllung bei geringerer Spannung arbeitete, trotz der Dampfmäntel und der Ueberhitzungsapparate, deren volle Thätigkeit man nicht einmal ohne Gefahr der Beschädigung der Cylinder in Anspruch nehmen darf. Die Abkühlung, welche die Innenwände durch die lange Expansionswirkung erfahren, ist die Ursache der geringen Ersparniß, welche die Expansion in Maschinen mit Mitteldruck und Condensation gewährt.

Durch die Einführung des frischen Dampfes in den Mittelcylinder auf 0,8 des Kolbenhubes, statt auf 0,5, wodurch der Spannungsabfall zwischen dem beendigten Kolbenhube des Mittelcylinders und dem beginnenden Hube der Seitencylinder vermieden werden würde, entsteht allerdings ein Arbeitsverlust von 4 Procent. Der Verfasser hat aber deßhalb diese Anordnung getroffen, um nicht zu große Cylinder oder Kesselspannungen von mehr als 2,75 Atmosphären, die für die Speisung mit Seewasser nicht mehr taugen, zu erhalten.

Bei den neuen, noch in der Ausführung begriffenen Maschinen wendet der Verf. Oberflächencondensatoren an, weil er dann mit destillirtem Wasser speisen und mithin mit höheren Spannungen arbeiten kann. Bei diesen neueren Maschinen wird der Dampfeintritt, sowohl in den Mittelcylinder als in die Seitencylinder, auf 0,5 des Kolbenhubes beschränkt werden.

Die Brennmaterialersparniß in den schon existirenden Maschinen, welche trotz des plötzlichen Spannungsabfalles zwischen dem Mittelcylinder und den Seitencylindern vorhanden ist, hat also ihren wesentlichen Grund darin, daß man es vermeidet, den stark gespannten Dampf in Cylinder einzuführen, deren Innenwände durch die Expansion und durch die Ablagerung des durch Condensation gebildeten Wassers abgekühlt sind. Die Abkühlung wird vermieden durch die Dampfmäntel, in welchen der Dampf eine höhere Spannung hat, als der in den Cylindern arbeitende.

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Bei den fraglichen Maschinen gelangt der Dampf in die Dampfmäntel der Seitencylinder mit einer Spannung von 200 Centimeter Quecksilbersäule und einer Temperatur von ungefähr 148º C., da er seit seinem Austritt aus dem Trockenapparat bereits 10 Centimeter Quecksilbersäule an Spannung und 7 bis 8º C. an Temperatur verloren hat.

Die Wände der Seitencylinder suchen sich also auf eine Temperatur von mindestens 145º zu setzen, während der im Inneren dieser Cylinder befindliche Dampf, da er mit einer Spannung von höchstens 100 Centimeter Quecksilbersäule ankommt, nur einer Temperatur von 107º bedürfen würde, um keine Feuchtigkeit an den Innenwänden abzusetzen. Der Dampf von 100 Centimeter Spannung hat also bei der Berührung mit den Wänden vielmehr ein Bestreben sich zu expandiren.

Die für die besten geltenden zweicylindrigen Schiffsmaschinen mit Dampftrockenapparat und Speisung durch Seewasser verbrauchen zur Dampferzeugung mindestens 1,6 Kilogr. guter Steinkohlen auf die stündliche Pferdestärke, durch den Kolbendruck gemessen. Dagegen ist der Verbrauch der beschriebenen dreicylindrigen Maschinen nur zu 1,28 Kilogr. anzuschlagen, was eine Ersparniß von 20 Procent ergibt.

Hieraus kann man einen Schluß auf das Gewicht der dreicylindrigen Maschinen ziehen, von welchem man von vorn herein glauben könnte, daß es größer als das der zweicylindrigen von gleicher Leistungsfähigkeit sey.

Bei zweicylindrigen Maschinen würde man unter der Voraussetzung, daß man mit zwei Cylindern ohne Gefahr der Erhitzung die nämliche Umdrehungszahl von 57 3/4 in der Minute für jede Schiffsgeschwindigkeit erreichen könnte, und unter der Annahme, daß die Kessel ebenfalls mit Seewasser gespeist würden und mit derselben Spannung arbeiteten, ohne Anwendung von Dampfmänteln 90 Tonnen am Maschinengewicht sparen. Die Maschine würde 325 statt 415 Tonnen wiegen; aber die Kessel würden im Verhältniß des Brennmaterials 160 : 128 schwerer werden und daher 350 statt 280 Tonnen wiegen. Das Wassergewicht im Kessel würde in demselben Verhältniß vermehrt werden und daher 143 statt 115 Tonnen betragen. Im Ganzen würde sich das Gewicht der zweicylindrigen Maschine, einschließlich Kessel und dessen Füllung, auf 818, das der neuen dreicylindrigen Maschine auf 810 Tonnen belaufen.

Die mit den neuen Maschinen zu gewinnende Brennmaterialersparniß kommt daher vollständig der Belastung des Schiffes zu Gute.

Was die erweiterte Grenze der Umdrehungszahl, bis zu welcher man die dreicylindrige Schraubenmaschine treiben kann, ohne durch Erhitzungen |183| der Kurbelstangen- und Wellenlager behindert zu werden, betrifft, so hat diese Möglichkeit ihren Grund in der erheblichen Verminderung des Druckes auf die Lager bei gleicher Arbeitsentwickelung.

Man muß in dieser Hinsicht nicht allein die durchschnittlichen Drücke, sondern vielmehr die Maximal-Anfangsdrücke in Betracht ziehen.

Bei der dreicylindrigen Maschine beträgt

die Anfangsspannung im Mittelcylinder 198 Centimeter,
der Gegendruck 102 „
––––––––––––––
so daß für den effectiven Druck verbleibt 96 Centimeter.
––––––––––––––
Die Anfangsspannung in den Seitencylindern ist 100 Centimeter,
der Minimai-Gegendruck 10 „
––––––––––––––
daher verbleibt für den Anfangsdruck 90 Centimeter.

Bei einer zweicylindrigen Maschine mit denselben Kolbendurchmessern, Kolbenhüben und Umdrehungszahlen müßte die mittlere Spannung im Verhältniß von 3 : 2 größer seyn, also 126 anstatt 84 Centimeter. Es bedürfte daher, um das Diagramm für 126 Centimeter mittlere Spannung bei der Cylinderfüllung 0,7 und mit einem auf 10 Centimeter reducirten Gegendruck zu erhalten, derselben Anfangsspannung von 198 Centimeter, die dem effectiven Druck von 188 Centimeter entspricht, während bei der dreicylindrigen Maschine mit Einführung des frischen Dampfes in nur einen Cylinder der effective Druck, wie wir oben sahen, nur 96 Centimeter, also wenig über die Hälfte jenes, beträgt.

Der Druck von 188 Centimeter Quecksilbersäule auf einen Kolben von 2,1 Meter Durchmesser oder 34600 Quadratcentimeter Querschnitt berechnet sich zu 85728 Kilogrammen; in der dreicylindrigen Maschine dagegen beträgt der Anfangsdruck in den todten Punkten nur 43776 Kilogramme. Beachtet man nun noch, daß der Durchmesser der Kurbelzapfen 42 Centimeter, die Umfangsgeschwindigkeit derselben also bei 57 3/4 Umdrehungen in der Minute 1,27 Meter in der Secunde beträgt, so begreift man den Werth dieser Druckverminderung, da selbst der auf die Hälfte reducirte Druck immer noch auf 40 Kilogr. per Quadratcentimeter sich berechnet.

Der dritte Vorzug der dreicylindrigen Maschine besteht in dem fast vollständigen statischen Gleichgewicht in Bezug auf die Treibwelle, welches auch die Lage des Schiffes in der Ruhe oder in der Bewegung seyn mag.

Es ist einleuchtend, daß das Gleichgewicht ein vollständiges wäre, wenn die drei Kurbeln um je 120º von einander abständen. Um aber einen regelmäßigeren Gang ohne Anwendung eines großen Zwischenreservoirs, |184| welches der Dampf auf seinem Wege von dem Mittelcylinder nach den Seitencylindern zu passiren hätte, zu erhalten, hat es der Verfasser zweckmäßiger gefunden, die beiden Seitenkurbeln, wie oben erwähnt, um 90º gegen einander und die Mittelkurbel um 135º gegen die Seitenkurbeln zu verstellen. Das Gleichgewicht ist hierbei zwar kein vollständiges mehr, aber die Stellung ist immerhin noch viel günstiger, als wenn man zwei Kolben durch rechtwinkelig stehende Kurbeln kuppelt.

Auf Grund dieser Anordnung kann die große Maschine des „Friedland“ bei kaum 10 Umdrehungen eben so regelmäßig arbeiten als bei reichlich 60 Umdrehungen, ohne eine andere Schwungmasse als die der Schraube, deren Trägheit im Verhältniß zu der Größe der geradlinig bewegten Massen ganz unbedeutend ist.

Eine zweicylindrige Maschine mit rechtwinkelig verstellten Kurbeln würde unter solchen Verhältnissen entweder stehen bleiben, wenn der Dampfdruck unzureichend wäre, oder mit einer gefahrvollen Heftigkeit umlaufen, wenn man die Schieber öffnete, um die beweglichen Theile, während beide Kurbeln im Aufsteigen begriffen sind, zu heben.

Der genannte Vorzug der dreicylindrigen Maschine ist für den Dienst mit sehr kleinen Geschwindigkeiten und für die Regelmäßigkeit des Maschinenbetriebes bei bewegtem Meere von ganz besonderem Werthe.

Endlich ist noch der Anordnung der Luftpumpen zu gedenken, welche ungeachtet der großen Geschwindigkeiten der Pumpenkolben eine sehr starke Verdünnung erzeugen.

Da beim „Friedland“ die Luftpumpen direct an die Dampfkolben angehängt sind, so haben die Luftpumpenkolben dieselbe Geschwindigkeit wie die Dampfkolben, nämlich im Durchschnitt 2,5 Met. und im Maximum 3,93 Met. per Secunde. Wenn diese Pumpen aus gewöhnlichen massiven Kolben in den gewöhnlichen Pumpencylindern beständen, so würde das Wasser, wenn der Cylinder an den beiden Enden auf seinen ganzen Durchmesser frei wird, unter dem geringen Druck von 10 Centimeter, den man im Condensator erzeugen will, dem Kolben bei seiner Maximalgeschwindigkeit in der Hälfte des Weges nicht folgen, wie groß man auch den Oeffnungsquerschnitt der Fußventile machen würde; die Folge wären Stöße, erhebliche Verluste an dem theoretischen Volum der Luftpumpe und endlich ein unzureichendes Vacuum im Condensator. Der Verfasser vermeidet diese Uebelstände dadurch, daß er den Plungerkolben in zwei weiten Ventilkammern arbeiten läßt, in welchen das Wasser bei geringem Druck auf die Ventile eine auf- und abgehende Bewegung hat.

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