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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 oder Öl). Der damit geheizte 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 welches größere Leistung mit kompakter Bauform vereinen konnte und so die erfolgreiche Verbreitung des Eisenbahn-Systems bewirkte.
| Table of contents |
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2 Kolbendampfmaschine der Dampflok 3 Fahrwerk 4 Führungsmannschaft 5 Grenzen der Entwicklung und Sonderbauformen 6 Weblinks |
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. 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°) versetzt angeordnet.
Einen gegengesteuerten Dampfdruck verwendete man auch als Gegendampf-Bremse um den Zug zu bremsen.
Dampflokomotiven haben in der Regel über dem Rahmen und hinter der Feuerbüchse ein Führerhaus. Von dort wird sie von einem 2-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).
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 4 Stück steigern. Es gab Lokomotiven, die mit Hochdruckzylindern und nachgeordneten Niederdruckzylindern das Arbeitsvermögen des Dampfes besonders gut auszunutzen versuchten. Da die Instandhaltungskosten dabei steigen, haben sich letztlich Loks mit zwei oder drei Zylindern und nur einer Expansionsstufe durchgesetzt.
Unter den mitteleuropäischen Bedingungen entstanden damit Lokomotiven, die bis 200 km/h Spitzengeschwindigkeit erreichten (Deutsche Reichsbahn Baureihe 05, Achsfolge 2`C 2`h3 und die britische LNER-Lok ?Mallard?, Achsfolge 2`C1`) und bis zu 3000 PS bzw. 2260 kW Leistung hatten (Deutsche Reichsbahn Baureihe 45, Achsfolge 1`E 1` h3)
Die größten Dampfloks waren die Mallet-Lokomotiven "Big Boy" der amerikanischen Union Pacific Railroad mit der Achsfolge (2`D)` D 2`
Der geringe ökonomische Wirkungsgrad (ca. 10%) und die Verschmutzungen durch Kohlenruß führten dazu, dass die Dampflok immer mehr von Diesel- und Elektroloks abgelöst wurde.
Dampferzeugung und Energieumwandlung
Dampferzeugung - Naßdampf
Durch Verbrennung von Holz, Kohle oder Öl wird im Dampfkessel der Lok unter Druck stehender Dampf erzeugt.
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 Langkessels 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 entthält trotz des Drucks noch eine Menge feinster Wassertropfen. (siehe auch Dampfkessel)Heißdampf
In modernen Dampflokomotiven wird der Dampf vom Dampfdom weitergeleitet in eine Überhitzereinrichtung. Diese sitzen als U-förmig gebogene Rohre in den Rauchrohren.
Durch die Überhitzung steigt die Dampftemperatur auf 300 bis 400 Grad und die Wassertropfen verdampfen ebenfalls. Ohne Drucksteigerung enthält daher der Dampf mehr Energie.
Vom Überhitzer wird der Dampf zum Haupteinströmrohr der Kolbenmaschine geleitet
und bewegt dort die Kolben. 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. Die Bewegung des Kolbens wird auf die Treibräder und damit in eine rotierende Bewegung übertragen. 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 ?ziehen? können ohne durchzudrehen (?Schleudern?). 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 (4 bis 6 auf jeder Seite), die mit Kuppelstange verbunden sind. Radgröße
Schnelllzugloks 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 Gürerzuglok unter dem Rahmen untergebracht werden können (2 bis 4 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 de 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.Luft- und Rauchführung
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 das Lichtraumprofil der Strecke eingeschränkt. Daher wurden Dampfbläser entwickelt, die am Boden der Rauchkammer sitzen und Dampf durch den Schornstein blasen. Nach dem Injektorprinzip werden dabei die umgebenden Rauchgase mitgerissen. Weil der Abdampf nur während der Fahrt und nicht im Stillstand zur Verfügung steht, ist noch ein Hilfsbläser eingebaut, der aus einem Rohrring mit Blaslöchern um den Hauptbläser besteht.Führungsmannschaft
Grenzen der Entwicklung und Sonderbauformen
Allgemeine Grenzen
Die Leistungen der Dampflokomotive werden bestimmt durch Kolbendurchmesser, Dampfdruck, Zylinderzahl, Anzahl der Treibräder und ihrem Durchmesser. Alle diese Parameter sind jedoch nur begrenzt erweiterbar.
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 aufgefangen werden, sie führen zu unruhiger Fahrt bei höheren Geschwindigkeiten. Geschwindigkeits-Entwicklung
Sonder-Entwicklungen
Höhere Anforderungen, günstige uder 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 Garrat-Lokomotiven sowie Antriebs-Varianten zu nennen. Weblinks