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- Die Dampfloktechnik -


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Einleitung
Dampflokomotiven, auch wenn sie nicht mehr im Bahndienst stehen, sind noch immer, wenn sie auf einer Bahnstrecke fahren eine schöne und imposante Erscheinung.
Zur Erinnerung: Dampflokomotiven waren die ersten selbstfahrenden, maschinell angetriebenen Schienenfahrzeuge und dominierten den Schienenverkehr von seiner Entstehung im 19. Jahrhundert bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts. Ohne die Dampfloks wäre der technische und auch soziale Fortschritt in Europa im 19. und 20. Jahrhundert nicht möglich gewesen.
Da aber der Wirkungsgrad - also der Einsatz von Energie und die daraus resultierende Bewegungsenergie - sehr niedrig ist und darüber hinaus auch die Umweltfreundlichkeit diese Technologie am unteren Ende der Skala angesiedelt ist, konnte sie sich gegen die aufkommende moderne Maschinentechnik wie Dieselantrieb und Elektroantrieb nicht mehr durchsetzen. Nicht zu vergessen ist dabei auch, dass die aufwendige Bedienung und die häufigen Wartungs- und Reparaturarbeiten sich betriebwirschaftlich gegenüber den anderen Antriebtechniken nicht lohnen.
Seit dem letzten Viertel des 20. Jahrhunderts ist deshalb der Dampflokbetrieb in Europa - außer bei Museumsfahrten - eingestellt..






Die Dampflokteile
Grundsätzlich besteht eine Dampflok aus:
    - dem Dampfkessel, in dem Dampf aus der Energie des Brennstoffes (Holz, Kohle, Öl) erzeugt wird
    - einer Kolbendampfmaschine, welche die Druckenergie des Dampfes in mechanische Bewegungsenergie umwandelt,
    - dem Fahrgestell mit Rahmen und Radsätzen
    - dem Führerstand zur Bedienung der Maschine
    - dem Behälter für Brennstoff (Tender)
    - dem Behälter für die Wasserbevorratung
Auf dem Lokomotivrahmen sind der Dampfkessel mit der darin eingebauten Feuerbüchse, die Dampfmaschine und der Führerstand montiert.
Die erforderlichen Brennstoff- und Wasservorräte werden entweder auf der Lokomotive selbst – man nennt sie dann Tenderlokomotive - oder in einem fest mit der Lok verbundenen Tender mitgeführt – dann nennt man sie Schlepptenderlokomotive mitgeführt.
Der Rahmen wird vom Treibradsatz, den über Kuppelstangen verbundenen Kuppelradsätzen und oft zusätzlichen antriebslosen Laufradsätzen getragen. Die Kolbendampfmaschine hat in der Regel zwei, kann aber auch drei und vier Zylinder, die seitlich außen am oder/und innerhalb des Rahmens angebracht sind. Die oszillierenden Bewegungen der Kolbenstangen werden mittels der Treibstangen auf die Kurbelzapfen der Radsätze übertragen und so in eine Drehbewegung umgewandelt.
Neben der weit verbreiteten Regelbauart mit Dampferzeuger und Kolbendampfmaschinen gibt es auch Sonderbauarten, wie feuerlose Lokomotiven, Zahnradlokomotiven, solche mit Einzelachsantrieb, Turbinen-, Kondens- und Hochdrucklokomotiven. Diese Dampfloks werden aber in diesem Aufsatz nicht behandelt.






Die Funktionsweise
Vereinfacht dargestellt wird in einem Kessel der Dampflok in dem sich Wasser befindet, das Waser durch einen Brennstoff (Kohle, Holz, Öl) zum Kochen gebracht wird. Der dadurch entstehende Dampf wird in einen Kolben geleitet, der die Maschine über ein Schubgestänge, die mit den Rädern verbunden ist, antreibt. Aus der nachfolgenden einfachen Systemskizze ist sehr schön zu entnehmen, wie der Wasserdampf, der in den Kolben geleitet wird, die Maschine antreibt.

Funktionsbild
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Natürlich ist die Dampflok wesentlich komplizierter aufgebaut, als in dem Bild dargestellt, da sie ja noch gesteuert werden muss und unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen laufen soll. Aber zur Erklärung des Grundprinzips halten wir es für sehr gut.






Die Bestandteile der Dampflok

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Der Kessel, Feuerbüchse und die Rauchkammer
Der klassische Dampflokomotivkessel besteht aus dem Hinterkessel mit der vollständig von einem Wassermantel umgebenen Feuerbüchse, dem meist aus mehreren Kesselschüssen bestehenden Langkessel und der Rauchkammer mit eingebauter Saugzuganlage und Schornstein zur Feueranfachung. Dieser Großraumwasserkessel um die Feuerbüchse mit den vielen Heizrohren besitzt eine große Verdampfungsoberfläche und ist unempfindlich gegen unregelmäßige Dampfentnahmen und den damit verbundenen Druck- und Wasserstandsschwankungen. Das darin befindliche Wasser wird über die Feuerbüchse aufgeheizt. Der Kessel wird zu 75 % bis 80 % mit Wasser gefüllt.
In der Feuerbüchse (ist der eigentliche Brennraum) wird die bei der Verbrennung erzeugte Wärme direkt an die Feuerbüchswände und das dahinter umlaufende Kesselwasser (Hinterkessel) abgegeben. Man spricht hier von der Strahlungsheizfläche. Die entstehenden warmen Rauchgase durchströmen dann die im Langkessel eingebauten Heizrohre und geben dabei die Wärme an die Rohrwandungen ab. Die Summe der Fläche der Rohrwandungen bildet die Rohrheizfläche. Bei Heißdampflokomotiven sind zusätzlich zu den Heizrohren noch Rauchrohre mit wesentlich größerem Durchmesser eingebaut. In diesen Rauchrohren sind die Überhitzerelemente eingeschoben, in denen der im Kessel erzeugte Dampf getrocknet und weiter erhitzt wird. Der nunmehr im Lokomotivbetrieb bis zu 400 Grad Celsius warme Heißdampf sorgt wegen seines besseren Kondensations- und Expansionsverhaltens für einen höheren Wirkungsgrad der Lokomotivdampfmaschinen.

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Zum Befeuern und zur vollständigen Verbrennung der Brennstoffe, ist das in der Rauchkammer angebrachte Blasrohr erforderlich. Der Maschinenabdampf wird durch eine genau ausgerichtete Düse – dem Blasrohrkopf - in den Schornstein geleitet. Der Abdampfstrahl füllt dabei den Querschnitt der Esse vollständig aus und reißt nach dem Injektorprinzip Rauch- und Pyrolysegase mit. Dadurch entsteht in der Rauchkammer ein Unterdruck, der sich durch die Rauch- und Heizrohre bis in die Feuerbüchse fortpflanzt. Die durch den Aschkasten und die Rostlage nachströmende Frischluft sorgt für die nötige Feueranfachung. Das System regelt sich dabei selbst, da bei höherem Dampfverbrauch mehr Abdampf ausgeblasen wird und damit auch ein höherer Unterdruck entsteht.
Da der Abdampf aus der Dampfmaschine nur während der Fahrt zur Verfügung steht, ist für die Feueranfachung bei Stillstand oder Leerlauffahrten zusätzlich ein Hilfsbläser eingebaut. Dieser besteht aus einem zentrisch um den Blasrohrkopf gelegten Rohrring mit feinen Löchern und wird bei Bedarf mit Nassdampf direkt aus dem Kessel versorgt. Vor Einführung des Hilfsbläsers mussten die Dampflokomotiven bei längeren Stillstandszeiten abgekuppelt und hin- und herbewegt werden, um den erwünschten Kesseldruck aufrechtzuerhalten.
Damit während der Fahrt keine größeren Glutteile oder Verbrennungsrückstände durch den Schornstein ins Freie gelangen können, ist in der Rauchkammer ein Funkenfänger eingebaut. Dieser besteht aus einem Drahtgeflecht, das den in die Rauchkammer ragende Schornsteinunterteil und den Blasrohrkopf vollständig umschließt.

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Der Dampfdom
Zur Entnahme eines möglichst "trockenen" Dampfes und zur Vermeidung des Überreißens von Kesselwasser, befinden sich auf dem Scheitel des Langkessels ein oder zwei Dampfdome. Der Dampfdom ist also Teil des Dampflokkessels. Da für den Betrieb möglichst trockener Dampf benötigt wird, wird durch das Aufsetzen eines Dampfdomes der Abstand zwischen Wasseroberfläche und Dampfentnahmepunkt vergrößert. In einem Dampfdom ist meistens der für die Regulierung der Dampfzufuhr der Maschine zuständige Naßdampfregler eingebaut, der vom Führerhaus aus gesteuert wird. Der erzeugte Nassdampf mit einer vom Kesselüberdruck abhängigen Temperatur von 170 bis 200 Grad Celsius ist eine Mischung aus Dampf und feinsten Wassertropfen. Deutsche Dampflokomotiven arbeiteten in der Regel mit Kesselüberdrücken von 12 bis 16 bar. Der Kesseldruck wird durch Kesselsicherheitsventile begrenzt, die bei Überschreiten des zulässigen Maximaldruckes Dampf in die freie Umgebung kontrolliert ausblasen.
Bei Lokomotiven mit Nassdampfregler passiert der im Dampfdom entnommene Dampf zunächst das Reglerventil und gelangt von dort in die Nassdampfkammer des Dampfsammelkastens in der Rauchkammer. Von hier wird er in die Überhitzerrohre geleitet und dort auf Temperaturen von etwa 370 Grad Celsius erhitzt. Der überhitzte Dampf gelangt dann in die Heißdampfkammer des Dampfsammelkastens und von dort in das Haupteinströmrohr der Dampfmaschine. Wird anstelle des Nassdampfreglers ein Heißdampfregler verwendet, so gelangt der überhitzte Dampf von der Heißdampfkammer des Dampfsammelkastens über das Heißdampfreglerventil zum Haupteinströmrohr der Dampfmaschine. In den Zylindern der Kolbendampfmaschine dehnt sich der Dampf aus und bewegt dabei die Kolben. So wird die im Dampf gespeicherte Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.

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Der Kolben und Zylinder
Die Kolben in den Zylindern der Dampfmaschine (mind. 2 links und rechts) werden abwechselnd von vorn und von hinten mit Dampf beaufschlagt. Die hin- und hergehende Bewegung der Kolben wird über die Treibstangen auf die Treibräder übertragen und damit in eine rotierende Bewegung umgewandelt. Damit die Dampflok auch bei der Totpunktlage einer Kurbelstellung anfahren kann, sind die Kurbelzapfen der gegenüberliegenden Räder einer Achse gegeneinander versetzt.
Während der Anfangszeit kamen die Dampfloks mit ein oder zwei gekuppelten Radsätzen aus. Mit den größer werden Zugverbänden waren weiterer Kuppel- oder Laufradsätze erforderlich. Die Größe der Treib- und Kuppelradsätze war durch das Lichtraumprofil und den konstruktiven Aufbau der Lokomotive allerdings begrenzt.
Ein weiteres Problem war die technisch mögliche Kolbengeschwindigkeit von 7 bis 9 m/s und die dadurch erreichte Drehzahl der Treibradsätze. Die max. Drehzahlen der Radsätze für "normale" Triebwerke lag bei rd. 400 Umdrehungen/min bei denen die Kraftübertragung durch Treib- und Kuppelstangen erfolgte. Die maximale Obergrenze der Treibräder war mit 2300 mm Laufkreisdurchmesser erreicht. Zur Erreichung eines höheren Drehmoments mussten deshalb leistungsstarke Güterzuglokomotiven viele Kuppelradsätze mit relativ kleinen Rädern besitzen. Damit sank aber auch die Geschwindigkeit der Loks..

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Die Steuerung bzw. Geschiebegestänge
Das Steuersystem besteht aus der Schwinge, Gegenkurbel, Schieberschubstange, Voreilhebel, Kreuzkopf, Steuerzylinder mit Kolbenschieber, Dampfzylinder und Steuerstange.
Die Anpassung der Leistung und damit des Dampfverbrauches an die wechselnden Betriebsbedingungen wird mit einer zusätzlichen Steuerung realisiert. Deren Hauptbestandteile sind die an den Arbeitszylinder angesetzten Schieberzylinder mit Schieberkolben. Sie steuern Seite und Menge des Dampfeintritts in den Arbeitszylinder.
Die Kolbenschieber-Steuerung hat im Gegensatz zu Flachschieber- Steuerung eine innere Einströmung. Im Betrieb eilen die Steuerschieber der Arbeitskolbenbewegung jeweils wechselnd voraus. Der Schieber öffnet den Zylinder, Dampf strömt ein. Nach etwa einem Drittel des Kolbenweges sperrt der Schieber den Einstrom ab. Die im Dampf vorhandene Energie treibt den Kolben durch Expansion weiter bis zu seinem Totpunkt. Die fortlaufende, wechselnde Schieberbewegung wird durch ein Steuergestänge bewirkt, das an das Antriebsgestänge angeschlossen ist. 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.

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Die Räder und Achsen
Im Dampflokbau sind die Radkörper vorwiegend als Speichenräder ausgebildet. Auf diesen Rädern werden die Radreifen mit dem eigentlichen Laufprofil (Spurkranz, Lauffläche) aufgeschrumpft. Diese komplette Einheit wird Radsatz genannt.
Die Räder einer Dampflok werden unterschieden in:
    - Treibradsatz
    - Kuppelradsatz
    - Laufradsatz
Die Treib- und Kuppelradsätze sind angetriebene Radsätze. Der Treibradsatz muss zur Aufnahme der von den Treibstangen übertragenen Kräfte besonders massiv ausgebildet und fest im Lokomotivrahmen gelagert werden.
Die Kuppelradsätze können leichter und im Rahmen seitenbeweglich ausgeführt werden.
Die von der Dampfmaschine erzeugte lineare Bewegung wird am Treibradsatz in eine Drehbewegung umgewandelt. Dabei erfolgt der Kraftfluss von den Treibstangen auf die Treibzapfen oder die als Kurbelwelle ausgebildete Radsatzwelle und über Kuppelstangen auf die Kuppelzapfen eventuell vorhandener Kuppelradsätze.
Da leistungsfähige Kessel Abmessungen erreichen (insbesondere bei den Loks mit Anhängetender) können sie nicht mehr allein durch die Kuppelachsen getragen werden. Hinzu kommt, dass die überhängenden Kessel die Laufeigenschaften maßgeblich verschlechtern und der Massenausgleich nicht mehr gewährleistet ist. Deshalb wurden Loks mit langen Kesseln zusätzlichen mit nicht angetriebenen Laufradsätzen ausgerüstet. Dadurch lassen sich die überhängenden Gewichte von Rauchkammer, Zylinderblöcken und Stehkessel wirkungsvoll reduzieren. Hintere Laufradsätze (also wo das Lokführerhaus sich befindet) ermöglichen außerdem, Feuerbüchse und Aschkasten hinter den Kuppelradsätzen anzuordnen und diese so größer und leistungsfähiger auszubilden.


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Technik der Dampflok Treibrad, Laufrad, Kuppelrad
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Zur Verbesserung des Bogenlaufes wurden die Laufradsätze seitenverschiebbar und radial einstellbar angeordnet. Rückstelleinrichtungen verbessern die Führung des Fahrzeuges im Bogen, besonders, wenn die Führungskräfte auf mehrere Radsätze verteilt werden.
Die Raddurchmesser hängen von der erzielbaren Fahrgeschwindigkeit ab. Da die Kolbenfrequenz bei Dampfloks nicht beliebig erhöht werden kann und es auch kein Getriebe wie bei einem Auto oder LKW geben kann, hängt die erreichbare Geschwindigkeit einer Dampflok immer vom Raddurchmesser ab. Deshalb besitzen die sog. Schnellzugloks wie die BR01 große Raddurchmesser, während die BR52, die als Güterzuglok zum Einsatz kam, kleine Raddurchmesser besitzt, da es hier auf Zugkraft und nicht auf die Geschwindigkeit ankam. Die großen Raddurchmesser haben aber Nachteile, sie sind bei gleicher Kesselleistung weniger zugkräftig gegenüber Güterzuglokomotiven mit kleinem Kuppelraddurchmesser. Güterzuglokomotiven mit relativ kleinem Raddurchmesser sind demgegenüber vergleichsweise langsam (max. 80 km/h), dafür zugkräftiger.
Um also mit einer Raddrehung einen möglichst langen Weg schnell zurück legen zu können, erfordert dies einen großen Raddurchmesser die bis bis 2,30 Meter reichten.
Ein Problem bei Dampfloks sind die sich bewegenden Kuppelstangen. Diese erzeugen bei der Umsetzung in die Drehbewegung erhebliche Unwuchten, die zu einem unruhigen Lauf der Lokomotive führen. Zum Ausgleich der hin- und herschiebenden Massen einer Kolbendampfmaschine müssen die Ausgleichsgewichte an den Rädern angeordnet werden. Dies führt aber zu einer Unwucht der Räder und kann im Extremfall sogar zum Verlust des Rad-Schiene-Kontakts führen.. Ein Kompromiss bei der Auslegung des Massenausgleichs ist deshalb wichtig bei der Konstruktion von schnell fahrenden Lokomotiven. In der Regel werden deshalb nur etwa 30 bis 50 % der hin- und hergehenden Massen über die Räder ausgeglichen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringem Komfortanspruch (Güterverkehr) wurde auf den Massenausgleich ganz verzichtet. Das Problem des Massenausgleichs weiter durch den Bau von Dampfloks mit mehr als zwei Zylindern verringert werden. Fast alle Schnellfahrlokomotiven hatten deshalb Triebwerke mit drei oder vier Zylindern.


Der Brennstoff bzw. die Energie
Dampflokomotiven beziehen ihre Energie aus der Verbrennung der mitgeführten Brennstoffe. In den Anfängen war dies, vor allem im Bergwerksbetrieb" Holz oder Torf.
Mit der zunehmenden Industrialisierung war dann das Hauptheizmittel Steinkohle und Braunkohle. Nach dem zweiten Weltkrieg wurde dann auch Schweröl eingesetzt.
Mit dem Brennstoff wurde der Kessel beheizt. Dieser erzeugt aus dem im Kessel enthaltenem Wasser den erforderlichen Dampf (Energie) für die Dampfmaschine.
Dampfloks haben in der Regel eine Rostfeuerung mit flachem Feuerbett. Diese Rostfeuerung war für Kohle und Holzverbrennung geeignet. Für Kohlenstaub, Schwer- oder Mineralöl wurde keine Rostanlage benötigt. Hier wurden spezielle Feuerkasten benötigt.
Schweröl musste mit Wärmetauschern vorgewärmt werden und im Brenner mit einem Heißdampfstrahl zerstäubt werden, da sonst eine ordentliche Verbrennung nicht möglich war.
Kohlenstaub wurde mit Druckluft eingetragen oder durch den im vollständig geschlossenen Feuerkasten anstehenden Unterdruck eingesaugt.
Alle Energierträger zum Betrieb einer Dampflok sind nicht sauber in der Verbrennung und dementsprechend auch nicht umweltfreudlich. Die Frischluftzufuhr für die Verbrennung erfolgt durch regelbare Luftklappen am Aschkasten, in dem bei Verbrennung fester Brennstoffe auch die Verbrennungsrückstände gesammelt werden.

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Der Führerstand
der Führerstand einer Dampflok enthält die Bedienelemente, die zum Betrieb der Lok erforderlich sind. Wegen der Hitze des Feuerbüchse und wegen der Beschickung durch das Brennmaterial über den Tender, kann es bei der Dampflok nur eine dreiseitige Führerhauskabine geben. Für den Lokführer gibt es nur eine einfache Sitzmöglichkeiten. Die Dampflokführer hatten aufgrund dieser Vorgaben keinen gesunden Arbeitsplatz. Den schlechteste Arbeitsplatz hatte der Heizer, der für die Beschickung der Feuerbüchse verantwortlich war. Es ist eine schwere scheißtreibende Arbeit eine Dampflok in Betrieb zu halten. Der Führerstand einer Dampflok erscheint gegenüber den modernen Diesel- und Elloks ungeordnet und chaotisch. Dies liegt daran, dass die entsprechenden Ventile und Leitungen so angeordnet werden, dass der Lokführer auch bei der Bedienung der Ventilhebel auch die Sicht auf die Strecke nicht verlor.

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