Reformgedanken für eine rationelle Bauart im Schiffsmaschinenbau auf Grund der Fortschritte im Bau ortsfester Dampfkesselanlagen. Von Prof. Fr. Freytag, Chemnitz. Reformgedanken für eine rationelle Bauart im Schiffsmaschinenbau usw. Die Vervollkommnung der Energieumwandlung in unseren Wärmekraftmaschinen bildet das grosse Ingenieurproblem, das durch seine kulturelle und wirtschaftliche Bedeutung zu einer immer brennender werdenden Daseinsfrage für die Menschheit auswächst. In diesem Sinne hat auch die geniale Schöpfung von James Watt – die Dampfmaschine – den gesteigerten Anforderungen angepasst und weiterer Vervollkommnung entgegengeführt werden müssen, obschon sie bezüglich ihrer Arbeitsweise in der Hauptsache dieselbe geblieben ist. So gewährt denn der vergleichende Augenschein zwischen einer modernen Dampfmaschine und einer Wattschen Originalmaschine ein wesentlich verschiedenes Bild. In erster Linie sind es die Rücksichten auf Erzielung eines geringen Dampf- bezw. Kohlenverbrauches, d.h. diejenigen auf Betriebsersparnisse gewesen, welche im Laufe der Jahre zu immer weiteren Fortschritten im Dampfmaschinenbau geführt haben. Die hochwichtige Frage der Wirtschaftlichkeit des Betriebes einer Dampfmaschinenanlage steht mit Recht an der Spitze aller hierher gehörigen Bestrebungen; nicht nur gewährleistet sie den Besitzern von Dampfmaschinenanlagen bezw. den Verwaltungen industrieller Werke einen willkommenen Betriebsgewinn und eröffnet dem Fabrikanten verbesserter Maschinen im Wettbewerbe mit der Konkurrenz günstige Geschäftsaussichten, sondern sie bringt auch eine rationellere Verwendung der in der Erde aufgespeicherten fossilen Brennstoffe für die Allgemeinheit mit sich. Sodann spielen Einfachheit und Betriebssicherheit, Gleichförmigkeit und Ruhigkeit des Maschinenganges, kleiner Platzbedarf und geringe Anschaffungskosten, sowie aus letzterem Grunde auch die Anwendung hoher Dampfspannungen und Umlaufzahlen im Dampfmaschinenbetriebe eine beachtenswerte Rolle. In der Neuzeit gesellt sich hierzu, nachdem hinreichend praktische Erfahrungen gesammelt sind, die schon längst als vorteilhaft anerkannte Erzeugung und Verwendung hoch überhitzten Dampfes. Es lassen sich demnach die Forderungen, denen eine zeitgemässe Dampfmaschine entsprechen soll und unter deren Berücksichtigung sie in ihren Einzelteilen durchgebildet werden muss, in folgenden drei leitenden Gesichtspunkten zusammenfassen: 1. Verwendung hoher Dampfspannungen; 2.           „           „     Umlaufzahlen bei grossen Lineargeschwindigkeiten; 3. Verwendung hoch überhitzten Dampfes. Der Uebergang zu hohen Dampfspannungen ist bereits allgemein vollzogen. Die früheren unwirtschaftlichen Niederdruckmaschinen sind verschwunden. Die heute üblichen Kesselspannungen betragen zu Land selten noch unter 10 Atm. und im Schiffsbetrieb ist man damit bereits bis gegen 20 Atm. gegangen. Hohe Spannungen stellen allerdings höhere Anforderungen an die konstruktive Ausbildung der Dampfmaschinen; diese müssen solid gebaute Zapfen, Lager und Stopfbüchsen mit sicher wirkender Druckschmierung, sowie nicht zuletzt Steuerorgane erhalten, bei denen schädliche Wirkungen der gewaltigen Pressungen des hochgespannten Dampfes vermieden – Reibung und Abnutzung der miteinander in Berührung stehenden Teile auf das erreichbar kleinste Mass beschränkt werden. Abgesehen von dem gänzlich entlasteten Kolbenschieber zwingt diese Ueberlegung zur grundsätzlichen Verwerfung des Schiebers in jeder Form. Wird dieser doch durch den beträchtlichen Dampfdruck derart auf seinen Spiegel gepresst, dass durch die damit verbundene Reibung nicht nur Abnutzungen hervorgerufen, sondern auch infolge Anfressens der Laufflächen der Betrieb geradezu gefährdet erscheint, ganz abgesehen von den Kraftverlusten bezw. dem von der Reibungsarbeit abhängigen verringerten mechanischen Wirkungsgrade der Maschine. Man hat sich allerdings in gekünstelten Notbehelfen versucht und die verschiedenartigsten Entlastungsvorrichtungen für Schieber ersonnen, die aber niemals vollständig zuverlässig sind und sich durch häufiges Versagen auszeichnen. Von den kinematisch möglichen Abschlussorganen für die innere Steuerung verbleiben demnach lediglich der entlastete Kolbenschieber und das Ventil. Der erstere hat in der Regel den Ein- und Austritt des Dampfes auf beiden Zylinderseiten zu steuern; er erhält infolgedessen zumeist sehr bedeutende Längsabmessungen und bedingt einen unverhältnismässig grossen schädlichen Raum. Für die Dampfökonomie erweisen sich ferner die grossen, verschieden temperierten Schieberflächen sowohl in bezug auf Wärmebewegung in den Wandungen als auch in bezug auf die Kondensation des mit ihnen in Berührung kommenden Frischdampfes besonders nachteilig. Dazu kommt, dass der Kolbenschieber kaum dauernd gut dicht hält und stets eine gewisse Dampfdurchlässigkeit aufweist. Schliesslich ist die Schieberbewegung eine schleichende und erzeugt daher nicht so präzise Dampfabschlüsse, wie sie mit dem Ventil zu erreichen sind. Zu hohen Umlaufzahlen und Lineargeschwindigkeiten drängt das Bedürfnis nach der Entwicklung grosser Kraftleistungen mit Hilfe kleiner Maschinenaggregate. Diese Bestrebung hat ihre besondere Berechtigung da, wo es vor allem auf Gewichts- und Raumersparnis ankommt, – abgesehen davon, dass auch die Anschaffungskosten mit den infolge hoher Geschwindigkeiten herabgeminderten Abmessungen wesentlich zurückgehen. Mit Rücksicht auf die auftretenden Massenbeschleunigungskräfte erfordern hohe Umlaufzahlen und Geschwindigkeiten eine genaue Werkstättenausführung und einen gewissenhaften Zusammenbau der in Betracht kommenden Einzelteile der Maschine. Der heutige Stand unserer Werkstättentechnik bietet jedoch in dieser Hinsicht keinerlei Schwierigkeiten mehr. Andererseits stellen raschlaufende Maschinen an ihre Konstrukteure gesteigerte Ansprüche, indem sie ein gründliches Eingehen auf die mechanischen und physikalischen Vorgänge beim Dampfmaschinenbetriebe, verbunden mit einer gediegenen Durchbildung aller Einzelteile der Maschine erheischen. Insbesondere gilt dies auch von der Steuerung, die infolge des rasch aufeinander folgenden Spieles der Abschlussorgane mancherlei Schwierigkeiten mit sich brachte. Lange Zeit hindurch benutzte man deshalb bei raschlaufenden Dampfmaschinen mit Vorliebe Kolbenschiebersteuerungen – trotz ihrer bereits angedeuteten Nachteile – weil sie bei vollständiger Zwangläufigkeit der Bewegung entlastet und daher nur noch geringen Abnutzungen in den Gleitflächen ausgesetzt sind. Häufig wurden auch Flachschieber, und in Amerika Drehschieber angewendet. Weil jedoch bei schnellaufenden Maschinen nach Massgabe der bekannten Kontinuitätsgleichung entsprechend grosse Kanalquerschnitte nötig werden, weil ausserdem die Schieber einen schleichenden Abschluss besitzen und weil ferner der Schieberhub mit Rücksicht auf die Exzenterausbildung nicht über eine gewisse eng gezogene Grenze hinaus vergrössert werden konnte, so musste dieses Steuerorgan erhebliche Abmessungen in seiner Breite erhalten. Bisweilen wurde sogar zu dem Auskunftsmittel gegriffen, zwei Kolbenschieber oder zwei Flachschieber zu beiden Seiten eines Zylinders zu verwenden, um den nötigen Querschnitt herauszubringen. Es weisen demnach solche Schieberschnelläufer im allgemeinen ein starkes Missverhältnis zwischen dem Schieberkasten- und dem Zylinderraume auf. Der erstere übersteigt in einigen Fällen sogar den letzteren, wie aus veröffentlichten Zeichnungen der englischen Fachzeitschrift „Engineering“ hervorgeht. Es ist dies z.B. bei dem Hochdruck- und Mitteldruckzylinder des russischen Dampfers „Moskau“ (Engineering, 26. Mai 1899), ferner bei sämtlichen Zylindern des britischen Kreuzers „Pelorus“ (Engineering, 19. März 1897) und bei dem deutschen Kreuzer „Friesland“ (Engineering, 1. Juli 1898) der Fall. Das gleiche gilt von dem Mitteldruckzylinder des deutschen Schnelldampfers „Kaiser Wilhelm der Grosse“, der zwei getrennte Kolbenschieber enthält (Engineering, 8. April 1898). Diesem Uebelstande könnte durch das Ventil in hervorragender Weise abgeholfen werden, das nicht allein wesentlich günstigere Eröffnungsdiagramme liefert, sondern auch durch die Einführung eines besonderen Organes für die Ein- und Ausströmung des Dampfes zu beiden Zylinderseiten kleine schädliche Räume und Flächen und höhere Präzision für die Dampfverteilung gewährleistet. Freilich musste von der Verwendung des so viele Vorteile in sich schliessenden Ventiles so lange abgesehenwerden, als keine Steuerung bestand, welche für hohe Umlaufzahlen geeignet erschien. Für auslösende Ventilsteuerungen bilden ungefähr 100 minutliche Umläufe die Grenze, bis zu welcher man zu gehen pflegte; das gleiche galt von den älteren zwangläufigen Ventilsteuerungen, von denen jedoch einige neueren Systems bis auf 150 Umläufe in der Minute hinaufgegangen sind. Eine weitere Steigerung der Umlaufzahl mit diesen Steuerungen scheiterte zumeist an der komplizierten Bauart der mit einer grossen Anzahl von Hebeln, Stangen und Gelenken arbeitenden Steuerungen. Um so grösseren Erfolg aber verspricht jene Ventilsteuerung, welche die komplizierten Mechanismen vermeidet, also möglichst wenig Hebel und Gelenke besitzt und für die Ventilbewegung eine hervorragende Stetigkeit ohne ruckweise Beschleunigungen erzeugt. Eine derartige, überaus einfache Steuerung ist z.B. die Lentz-Steuerung (siehe D. p. J. 1901, 316, 37), sowie alle jene Konstruktionen, für welche diese vorbildlich geworden ist. Diese Ventilsteuerungen haben sich im Landdampfmaschinenbau in Verbindung mit einem unmittelbar einwirkenden Beharrungs-Achsenregler bei hoher Umlaufzahl bewährt und sind heute schon Ausführungen von Ventildampfmaschinen, Bauart Lentz, mit 300 Umläufe in der Minute anstandslos im Betriebe. Andererseits erwies sich das Ventil auch als das geeignetste Steuerorgan für die Einführung des überhitzten Dampfes im Dampfmaschinenbetriebe. Gerade die Dampfüberhitzung bedeutet einen der bemerkenswertesten Fortschritte für die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Wärmeausnutzung. Erhöht man doch mit ihr das verfügbare Temperaturgefälle, mit dessen Steigerung bekanntlich der thermodynamische Wirkungsgrad wächst. Ebenso genügt man bei der Dampferzeugung der Forderung, die Wärmezuführung zum Kraftträger bei möglichst hoher Temperatur vor sich gehen zu lassen, was durch Entropiebetrachtungen ebenfalls als rationell erkannt ist. Neben der höheren thermo-dynamischen Wertigkeit des überhitzten Dampfes, dessen Arbeitsfähigkeit durch einen verhältnismässig äusserst geringen Mehraufwand an Brennstoff erreicht wird, besitzt der überhitzte Dampf in der Anwendung verschiedene vorteilhafte Eigenschaften, die einem wirtschaftlichen Betriebe zugute kommen. So verschwindet z.B. der Wasserbeschlag an den Zylinderwänden fast ganz – wenigstens in den ersten Zylindern, in denen der Dampf sich noch im Ueberhitzungsgebiete befindet. Ausserdem wird infolge der schlechten Leitungsfähigkeit die Wärmeaustauschbewegung zwischen Dampf und Wandungen herabgemindert. Nebenbei mag nicht unerwähnt bleiben, dass hochüberhitzter Dampf zufolge seiner grösseren Elastizität höhere Strömungsgeschwindigkeiten ohne Nachteil verträgt, also die Rohrweiten und die Dampfführungsquerschnitte an der Maschine wesentlich kleiner gehalten werden können, als bei einer mit gesättigtem Dampf betriebenen Maschine. Damit verringert sich nicht nur die Grösse des Leitungsverlustes infolge der Verkleinerung der ausstrahlenden Oberfläche, sondern auch das Gewicht der meist nicht unbeträchtlichen Rohrleitungen und sonstigen Dampfführungen, während dem Konstrukteur die verkleinerten Abmessungen der Steuerungsorgane besonders willkommen sind. Allerdings musste der letztere auch den Besonderheiten des überhitzten Dampfes Rechnung tragen, die erst in langen, heute glücklich hinter uns liegenden Betriebserfahrungen gewonnen werden konnten. Vornehmlich erheischten die bei hoher Temperatur eintretenden Wärmedehnungen die eingehendste Berücksichtigung durch zweckentsprechende Durchbildung gewisser Einzelteile der Dampfmaschine, vor allem solcher bei der inneren Steuerung. Die erste Forderung, der ein hierfür geeignetes Steuerorgan genügen muss, ist die, dass es ohne die Gefahr der Klemmungen und Erhöhung des Kraftbedarfes stets gut dichthält und einer Abnutzung oder gar der Möglichkeit des Fressens so gut wie nicht ausgesetzt ist. Dass dieser Bedingung flache Schieber – obendrein bei hohen Pressungen – nicht mehr gerecht werden, ebensowenig wie der Drehschieber, haben leider traurige Betriebserfahrungen zur Genüge bestätigt, obwohl eine einfache Ueberlegung. dies von vornherein hätte klarstellen können. Selbst entlastete Kolbenschieber bergen noch manche Gefahren in sich, weil sich die stark erhitzten Wände und Rippen in ihnen vordrängen. Auf Grund dieser Gesichtspunkte ist daher jede Art von Schiebern beim Betriebe mit Heissdampf zu verwerfen! Die genannten Uebelstände werden beim Schieber noch dadurch vermehrt, dass die Schmierung für überhitzten Dampf einerseits wärmebeständige, dickflüssige Oele, andererseits eine rationelle reichliche Zuführung zu den Schmierstellen unerlässlich notwendig machen, worin eigene Schwierigkeiten begründet liegen. Alles dieses weist einzig und allein auf das Ventil als das geeignetste der in Frage kommenden Steuerorgane hin. Das Ventil besitzt keinerlei Materialanhäufungen, es zeichnet sich vielmehr durch gleichmässige symmetrische Gestaltung und Materialverteilung aus, so dass es der Gefahr des Verziehens nicht ausgesetzt ist und die Wärmedehnungen nicht schädlich wirken. Infolgedessen verbleibt dem Ventil allein der äusserst schätzenswerte Vorzug eines dauernd dampfdichten Schlusses. Als entlastetes Organ ohne irgendwelche schleifende Flächen besitzt es auch keinerlei Reibung und ist deshalb der Abnutzung nicht unterworfen. Der Kraftbedarf der Steuerung ist daher infolge der geringen Widerstände nur unbedeutend, welcher Umstand dem mechanischen Wirkungsgrade der Maschine nicht unwesentlich zugute kommt. Das Ventil eignet sich ferner in hervorragendem Masse unter Beibehaltung kleiner schädlicher Räume zur Trennung von Ein- und Auslass des Dampfes. Dadurch wird eine grosse Unabhängigkeit in der Dampfverteilung und in der Wahl des Steuerungsantriebes erzielt. Gegenüber den gewaltigen Gewichten des Schiebers ist das Gewicht eines Ventiles verschwindend klein. Es kommen daher die Massen- und Gewichtswirkungen eines Ventiles gegenüber denen des Schiebers fast gar nicht in Frage, während sie bei letzterem sich in den Abmessungen des Steuerungsgestänges äusserst nachteilig geltend machen. Man muss häufig zu verschiedenen Mitteln seine Zuflucht nehmen, um die Gewichtswirkungen des Steuergestänges usw. zu verringern und hat z.B. bei stehenden Dampfmaschinen zu dem Zwecke mehr oder minder fragwürdige Entlastungskolben angeordnet. Wasserschläge, wie sie bei Schiebermaschinen trotz angeordneter Sicherheitsventile auftreten können, sind in gleichem Masse bei Ventilmaschinen nicht zu befürchten. Hier stellen die beiden Einlassventile gleichzeitig reichlich bemessene Sicherheitsventile dar, die infolge ihres stetigen Gebrauches sich immer in Ordnung befinden und daher schädliche Wirkungen infolge der Unzusammendrückbarkeit des im Zylinder eingeschlossenen Wassers zuverlässig verhüten. (Schluss folgt.)