Dampfmaschinen 
Interessantes und Wissenswertes aus 300 Jahren Technikgeschichte

Die Erfindung der Dampfmaschine brachte einen gewaltigen Schub  in der Technisierung und Industrialisierung Europas und der Neuen Welt. Inzwischen haben Turbinen und Verbrennungsmotoren die Dampfmaschinen weitgehend als Antriebsquelle abgelöst. Trotzdem  oder gerade deshalb übt die ursprüngliche, einfach durchschaubare Mechanik der Dampfmaschine heute noch eine große Anziehungskraft auf Menschen jeden Alters aus.

Das Grundprinzip

Eine Dampfmaschine ist eine mechanische Anlage zur Übertragung der Energie von Wasserdampf in mechanische Energie. Das Grundprinzip besteht darin, durch Dampfdruck einen Kolben anzutreiben. Dadurch wird mechanische Energie erzeugt, die in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Der Wasserdampf wird in der Regel in einem Dampfkessel gewonnen. Die einfachste Form eines Dampfkessels ist ein geschlossener, mit Wasser gefüllter Behälter, der mit einer Flamme so lange erhitzt wird, bis das Wasser zu Dampf wird. Großtechnische Anlagen zur Erzeugung von Elektrizität sind allerdings erheblich komplizierter aufgebaut und mit einer Reihe unterschiedlicher Zusatzgeräte ausgestattet. Der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen ist (bis jetzt) gering. Deshalb wurden sie bei der Elektrizitätserzeugung in den meisten Fällen durch leistungsfähigere Dampfturbinen ersetzt.

Die Historie

Der französische Physiker und Erfinder Denis Papin entwickelte 1690 die erste Kolbenkraftmaschine. Die Hauptleistung bei diesem "primitiven" Gerät wurde mit Luftdruck und nicht mit Dampfdruck erzielt. Auf den Boden des Zylinders, der gleichzeitig als Kessel diente, wurde eine geringe Menge Wasser geleitet und erwärmt, bis sich Dampf bildete. Der Dampfdruck hob einen in den Zylinder eingepassten Kolben. Die erste wirkliche Dampfmaschine baute 1705 der englische Schmied Thomas Newcomen, mit atmosphärischer Dampfpumpe und einem zweiarmigen Hebel. Zusammen mit Gegengewichten bewirkte Dampf, der mit geringem Druck unten in den Zylinder geleitet wurde, dass sich der Kolben zum oberen Zylinder bewegte. War der Kolben dort angekommen, öffnete sich automatisch ein Ventil, durch das kaltes Wasser in den Zylinder gespritzt wurde. Dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben wieder zum unteren Ende des Zylinders. Die Verbindungsstange zwischen Kolben und Gegengewicht bewegte den Kolben auf und ab und betätigte eine Pumpe. Der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt erfand 1765 ein Verfahren, bei dem ein sich hin- und herbewegender Kolben ein Schwungrad antreiben konnte. Das erreichte er zunächst durch ein System von Zahnrädern, das er später durch eine Kurbelwelle ersetzte. Außerdem führte er das Prinzip der Doppelwirkung ein, bei der Dampf abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so daß in beide Richtungen Druck ausgeübt wurde. Zusätzlich rüstete Watt seine Maschinen mit Drosselklappen aus, um die Dampfzufuhr und die damit abhängige Geschwindigkeit zu regeln. Erst Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und Erfinder Richard Trevithick und seinem amerikanischen Kollegen Oliver Evans, eine Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren. Zunächst wurde diese Art für den Antrieb von Lokomotiven genutzt. Später bauten Trevithick und Evans auch dampfbetriebene Kutschen. 

Arten der Dampfmaschine

Wärmekraftmaschine, bei der der Druck, den Wasserdampf auf einen oder mehrere Kolben ausübt, eine Hubbewegung des Kolbens im Zylinder bewirkt und über Kolbenstange, Kreuzkopf, Schub- oder Pleuelstange eine Drehbewegung der Kurbelwelle samt Schwungrad. Bei einer Tandemdampfmaschine liegen die Zylinder hintereinander. Bei einer Einfachexpansionsdampfmaschine wird das gesamte Druckgefälle des Dampfes in einem Zylinder in einer Stufe verarbeitet. Verbunddampfmaschinen (Compound Dampfmaschinen) sind zweistufige Expansionsdampfmaschinen. Bei Auspuffdampfmaschinen tritt der verarbeitete Dampf direkt ins Freie, bei Kondensationsdampfmaschinen tritt er in einen Kondensator ein, in dem er durch Kühlen zu Wasser verdichtet wird. Bei der Gegendruckdampfmaschine tritt der Abdampf in einen Raum von höherem als Atmosphärendruck, um u. a. für Heizzwecke entnommen zu werden.

Geschichte:
Die Dampfmaschine wurde 1769 erfunden. Ihre Grundlage war die Kolbendampfpumpe, und die Dampfmaschine gilt als die erste und wichtigste Erfindung im 18. Jahrhundert. Die Spannung des Wasserdampfes entdeckten griechische Gelehrte schon vor Christi Geburt. Man machte im 17.Jahrhundert immer wieder Experimente, diese Kraft auszunutzen. 1705 baute Thomas Newcomen die Kolbendampfpumpe mit geringer Leistung. 1735 stellte man zum ersten Mal Koks her, der bei der Verbrennung viel mehr Wärme gab als die bisher genutzte Holzkohle.1796 baute James Watt eine Dampfmaschine, bei deren Konstruktion er all diese Entdeckungen und Erfindungen miteinander verband und so die Leistung der Maschine entscheidend verbessern konnte

Dampf

Gasförmiger Aggregatzustand eines Stoffes, der mit der flüssigen oder festen Phase des gleichen Stoffes im Thermodynamischen Gleichgewicht steht; zumeist versteht man darunter Wasserdampf. Dampf ist als Gas unsichtbar, sichtbarer Wasserdampf enthält bereits fein verteiltes, tröpfchenförmiges Wasser; ein solches Gemisch (z.B. Nebel, Wolken) wird als Nassdampf bezeichnet. Dampfdichte und Dampfdruck sind stark temperaturabhängig. Steht der gasförmige Aggregatzustand nicht im Gleichgewicht mit einer anderen Phase, so spricht man von ungesättigtem Dampf, sonst von gesättigtem Dampf (Sattdampf). Heißdampf entsteht durch nachträgliches Erhitzen von gesättigtem Dampf.

Der griechische Ingenieur Heron von Alexandrien, Leonardo da Vinci und der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke hatten schon mit Dampf experimentiert. Jedoch die ersten Versuche eine Dampfmaschine überhaupt zu konstruieren, gehen auf den französischen Naturforscher Denis Papin zurück, der, angeregt durch Otto von Guerickes Versuche mit dem Luftdruck (1654), 1689 das Prinzip der atmosphärischen Dampfmaschine erfand. Er baute einen Messingzylinder, der mit einem Kolben, erhitzte Wasser im Zylinder, bis der entstehende Dampf den Kolben bis gegen eine Sperre durch den geschlossenen Zylinder schob. Entfernte er die Wärmequelle, dann kondensierte der Dampf wieder. Es bildete sich ein Vakuum, und der äußere Luftdruck presste den Kolben in den Zylinder zurück. Im selben Jahr entwickelte der Engländer Thomas Savery eine atmosphärische Dampfpumpe zum Entwässern von Bergwerken. Er ließ Dampf in einen Behälter strömen und spritzte dann Wasser ein. Durch Kondensation entstand ein Unterdruck, wodurch das Grubenwasser in den Behälter gesaugt wurde. Nach dem erneuten Öffnen eines Ventils strömte wiederum Dampf in den Kessel und drückte durch ein zweites Ventil das eingesaugte Wasser nach oben in ein Steigrohr. Nachdem nun diese beiden Naturforscher Experimente mit Dampfmaschinen durchgeführt hatten, bei denen ständig die Steigrohre und Dampfkessel geplatzt waren, realisierte 1705 der englische Schmied Thomas Newcomen in Devon zusammen mit John Cawley aufgrund der Papinischen Vorarbeiten erstmals der Bau einer wirtschaftlich und zuverlässig arbeitenden Dampfmaschine, einer so genannten Balanciermaschine, deren Grundprinzip noch anderthalb Jahrhunderte überdauerte. Sie arbeitete mit einem getrennten Dampfkessel. Ihre Kolbenstange wirkte auf ein Ende eines „Balanciers, eines Waagbalkens. Strömte Dampf in den Zylinder, dann hob sich der Kolben, wurde Wasser eingespritzt, kondensierte der Dampf, und der Luftdruck stieß den Kolben in den Zylinder zurück. Am anderen Ende betätigte der Balancier eine Pumpe. Bei zwölf Hüben in der Minute förderte die Pumpe 540l Wasser. Zwei Jahre später baute Papin die erste Hochdruckdampfmaschine.
1720 entwickelte Newcomen seine Dampfmaschine, eine Feuermaschine!
1765 verbesserte der schottische Apparatebauer James Watt die Dampfmaschine, die die Industrie und Wirtschaft grundlegend veränderte.

Aufgrund ihrer Konstruktion kam die Dampfmaschine bislang hauptsächlich als Pumpenantrieb zum Einsatz. Was aber immer nachdrücklicher gefordert wurde, war eine Maschine, die eine möglichst gleichmäßige Drehbewegung lieferte, also eine universell einsetzbare Betriebsmaschine. Diese Forderung erfüllt Watt in folgenden Schritten: Zunächst geht er von der einfach- zur doppeltwirkenden Maschine über, indem er die Räume über und unter dem Kolben abwechselnd mit dem Kondensator verbindet. So kann er beide Kolbenbewegungen als Arbeitshübe nutzen. Ein Gewicht zum Hochziehen des Kolbens ist nicht mehr nötig. Bei der doppeltwirkenden Maschine tritt allerdings das Problem auf, dass die Kolbenstange nicht nur auf Zug, sondern auch auf Druck beansprucht wird. Ihre Geradführung durch Ketten, wie sie schon Newcomen angewendet hat, ist daher nicht mehr geeignet. Von den verschiedenen Methoden der von Watt erdachten Geradführungen setzte sich schließlich die als Wattsches Parallelogramm berühmt gewordene Führung durch.

Der Dampf tritt in den Schieber ein. Je nachdem welche Seite im Schieber geöffnet ist, tritt der Dampf auf der Kurbel- oder der Deckelseite in den Zylinder ein. Dort übt er Druck auf den Kolben aus, welcher wiederum Druck auf die andere Seite des Kolbens ausübt und dort den Dampf hinaus presst. Der Kolben ist an einer Kolbenstange befestigt, diese wiederum am Kreuzkopf und dieser bewegt über eine Pleuelstange die Kröpfung. Diese setzt dann letztendlich über die Kurbelwelle das Schwungrad in Bewegung. Bei der doppelt wirkenden Dampfmaschine ist an der Kurbelwelle noch ein Excenter befestigt, welches den Schieber bewegt. So kann in beide Seiten des Kolbens Dampf eintreten und das Schwungrad eine Drehbewegung ausführen.

Für die Umwandlung der Pendelbewegung des Balanciers in die geforderte Drehbewegung war jetzt eigentlich nur noch eine Kurbel notwendig. Ihre Anwendung bei Dampfmaschinen war jedoch in England patentrechtlich geschützt. Um Ärger zu ersparen, musste Watt dieses unsinnige Patent umgehen. Dies gelang ihm durch sein Planetengetriebe, mit dem seine Maschinen bis zum Erlöschen des Kurbelpatents im Jahre 1794 ausgerüstet wurden. Mit dem Fliehkraftregler, der je nach Belastung die Dampfzufuhr drosselte und so für eine annähernd konstante Drehzahl sorgte, war 1787/88 die Forderung nach einer universell einsetzbaren Betriebsmaschine erfüllt. Unabhängig von Wassermangel und Windstille und weit über das menschliche und tierische Leistungsvermögen hinaus konnte die Dampfmaschine jetzt überall und jederzeit die so dringend benötigte Antriebskraft liefern. Zum gleichmäßigen Lauf der Wattschen Dampfmaschine trägt der Fliehkraftregler bei. 
James Watt (1736-1819) hatte zusammen mit Matthew Boulton eine Firma, in der sie Dampfmaschinen produzierten. Der Fliehkraftregler kam 1788 zur Regelung der Drehzahl der Dampfmaschinen hinzu (die Funktionsweise sollte hinlänglich bekannt sein). Boulton hatte ihn im Windmühlenbau entdeckt und Watt voller Begeisterung darüber berichtet. Nachdem sie ihn anfangs noch für Zuschauer unsichtbar einbauten, da er nicht patentiert war (zumindest nicht im Dampfmaschinenbau), war er später Blickfang an Boulton & Watts Dampfmaschinen

Watts Maschine trug entscheidend dazu bei, den Weg für die Serien- und Massenproduktion, für den Großbetrieb, die Fabrik zu ebnen. Die Industrialisierung mit all ihren sozialen und betriebswirtschaftlichen Folgen war nicht mehr aufzuhalten. Bereits 1783 hatte die Wattsche Dampfmaschine alle anderen Pumpen verdrängt. Sie pumpten große Wassermengen zu einem Fünftel der früheren Kosten aus den Bergwerken und machten dadurch viele Gruben wieder rentabel. 1790 war Watts Dampfmaschine dann so weit entwickelt, dass sie in Webereien und Spinnereien die Wasserkraft ersetzen konnte. Die Maschinen wurden jetzt erst voll leistungsfähig und der Standort der Fabriken war nicht mehr von der Wasserkraft abhängig. 1801 wurde die Dampfmaschine als Zugmaschine im Eisengewerbe eingesetzt. Im gleichen Jahr noch kam sie zum Einsatz in Dampfwagen. 1807 entstand dank ihr das erste Dampfschiff und 1814 konnte die erste Lokomotive mit dieser Erfindung die Strecke Nürnberg-Fürth zurücklegen. Die ersten Maschinen waren noch fast ganz aus Holz gefertigt. Erst 1825 baute Roberts seinen Selfactor zur automatischen Steuerung der Spinnmaschine ganz aus Metall. Die Folge war, dass die Eisenindustrie dem ansteigenden Bedarf zunächst hilflos gegenüber stand. Sie litt unter dem Holzkohlenmangel.

1739 gab es in England 60 Hüttenwerke mit einer Jahresproduktion von 70000 Tonnen- je Tag und Betrieb also eine durchschnittliche Erzeugung von nicht einmal vier Tonnen. So musste England Eisen einführen. Alle Versuche, mit Hilfe von Kohle Eisen zu schmelzen, schlugen fehl oder brachten nur unbefriedigende Ergebnisse. Nachdem Darby dies dann aber doch gelungen war stieg die Eisenproduktion bis 1796 auf 135000 Tonnen und erreichte1806 eine Viertelmillion. Zu Beginn des Jahrhunderts mussten die Briten noch über 60 % des im Lande verarbeiteten Stabeisens einführen, um1790 konnten sie es exportieren, ebenso wie schon seit langem die Kohle. Die Englischen Bergwerke verdreifachten im Laufe des Jahrhunderts ihre Förderung. Die Produktion von Dampfmaschinen kurbelte also die Eisenindustrie an und ihr Einsatz half den Bergwerken durch die Kohle mehr Gewinn zu machen.

Durch den Einsatz der Dampfmaschine in Fabriken, änderte sich der Arbeitsplatz der Menschen grundlegend. Die Fabriken, die sowieso meist ziemlich dreckig und keineswegs hygienisch waren, wurden noch staubiger und die Arbeiteten mussten Rauch und Ruß einatmen, den die Maschine erzeugte. Dazu kam noch, dass die Dampfmaschine in ihren Anfängen immer wieder explodieren konnte. Bei solchen, so genannten Kesselexplosionen wurden damals Hunderte von Menschen getötet und verletzt und ganze Fabriken zerstört. Nicht ungefährlich war, besonders in der Anfangszeit, der Einsatz von Dampfmaschinen, da es immer wieder zu Kesselexplosionen kam. Die Explosionen entstanden durch plötzlichen Überdruck, bei dem unversehens Dampf austreten und im Extremfall zu einer Explosion führen konnte. Die Folgen waren jedes Mal verheerend. Aus diesem Grund war die Dampfmaschine- und damit der Arbeitsbereich des Maschinisten- von der Fabrikhalle räumlich getrennt. Das hatte eine gewisse Einsamkeit des Maschinisten, der sich bereits durch seine Spezialistenrolle in der Fabrik von den übrigen Arbeiterinnen buchstäblich „abhob, zur Folge. Der Beruf des Maschinisten in einer Fabrik, deren gesamte Produktion vom klaglosen Funktionieren der Dampfmaschine abhing, war nämlich dementsprechend verantwortungsvoll. Er musste nicht nur entsprechendes technisches Verständnis und Gespür für die Dampfmaschine haben, sondern auch imstande sein, Schäden und sich abzeichnende Probleme rechtzeitig zu erkennen, einzugreifen und nötige Reparaturen selbständig durchzuführen.

England war die Führungsrolle in dieser Epoche zugeschrieben. Die Ursache dafür war ihre Erfindergabe, die England zum Mutterland der Technik machte und hierfür trug die Erfindung der Dampfmaschine ganz besonders bei. Denn durch diese Erfindung begann die Industrialisierung erst richtig ins Rollen zu kommen und ermöglichte unseren Fortschritt in der Technik.