Die Dampfmaschine: Erster Band: Allgemeiner Teil, Theorie, Berechnung und Konstruktion

1013 Pages·1928·132.657 MB·German

by  Max F. Gutermuth

DIE
DAMPFMASCHINE
VON
M. F. GUTERMUTH
DR.~ING.E.h.
GEH. BAURAT, PROFESSOR AN DEI{ TECHNISCHEN HOCHSCHULE
IN DARMSTADT
BEARBEITET IN GEMEINSCHAFT MIT
DR.-ING. A. WATZINGER
PROFESSOR AN DER NORWEGISCHEN
TECH!•;ISCHEN HOCHSCHULE
IN DRONTBEIM
IN DREI BANDEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1928
DIE
DAMPFMASCHINE
ERSTER BAND
ALLGEMEINER TEIL
THEORIE, BERECHNUNG UND
KONSTRUKTION
MIT I230 TEXTFIGUREN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1928
ISBN 978-3-662-32447-9 ISBN 978-3-662-33274-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-33274-0
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER ÜBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN
COPYRIGHT 1928 BY SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG
URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1928
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1928
Vorwort.
Die Dampfmaschine steht heute am Ende ihrer Entwicklung, die ihrerseits in
ihren Anfängen in die Kindheit wissenschaftlicher Technik zurückreicht. Sie ist
daher wie keine andere Kraftmaschine geeignet dem Ingenieur durch ihr Werden
die Bahn zu weisen, die er als Gestalter neuer technischer Ideen und als Beurteiler
bestehender Schöpfungen und Einrichtungen technischer Art zu beschreiten hat.
Bei der geschichtlichen Betrachtung der Dampfmaschine muß es auffallen,
daß es, trotzsturmartiger Entwicklung der Technik und ihrer grundlegenden Wissen
schaften, so lange dauerte bis der heute allgemein gewordene Aufbau der Dampf
maschine bei einfachster Steuerung und Regelung erreicht war. Der Grund hierfür
ist wesentlich darin zu suchen, daß die Dampfmaschinenindustrie lange Zeit ihr
Streben weniger zielbewußt auf die wärm technisch und konstruktiv ideale
Lösung des Dampfmaschinenproblems an sich einstellte, als vielmehr ihre Ausfüh
rungen nach kaufmännischen Gesichtspunkten oder nach Konkurrenzrücksichten und
daraus sich ergebenden Patentforderungen einrichtete. Maßnahmen, die zu einer
Vervollkommnung der Dampfmaschine führten, waren dabei dem Zufall überlassen
oder der Intuition genialer Köpfe, die, ihrer Zeit vorauseilend, zu fortschrittlichen
Lösungen durch gefühlsmäßiges Empfinden für das Richtige gelangten.
Als Beleg hiefür braucht nur darauf hingewiesen werden, daß nach einer langen
Periode empirischer Wandlungen in der Ausbildung der Dampfmaschine, ihr theo
retisch einwandfreier Aufbau, sowie die Einführung der Präzisionssteuerung auf
das Genie eines Corliß zurückzuführen ist und der Heißdampfbetrieb, nachdem
Hirns praktisch verfrühte Anregung bis Ende vorigen Jahrhunderts in Vergessen
heit geraten war, seine erfolgreiche Aufnahme der Intuition Wilhelm Schmidt 's
verdankt. Daneben hat sich in Jahrzehnte währender Umwandlung aus zahllosen,
mehr oder weniger umständlichen Steuerungs- und Reglerkonstruktionen einer
individualistisch schaffenden, technischen Zeitperiode erst allmählich auch die
sachliche Erkenntnis für die natqrgemäße einfachste Steuerung und Reglerart,
in Form der Exzenterregler-Steuerung herausgebildet, mittels welcher es nunmehr
gelingt, die Ausbildung der Dampfmaschine auf wenige Typen zu beschränken, deren
konstruktiver Unterschied nur noch durch die voneinander abweichenden inneren
Steuerorgane, der Schieber oder Ventile, bedingt wird.
Nicht mangelndes konstruktives Geschick oder ungenügende Leistungsfähigkeit
der Werkstattechnik verlangsamte diese Entwicklung, sondern der Umstand,
daß jahrzehntelang in der Dampfmaschinenindustrie die Ausbildung eigener,
patentfähiger Präzisionssteuerungen aus Konkurrenzrücksichten, als eine technisch
und wirtschaftlich wichtige Aufgabe betrachtet wurde. Das Ziel einer Vereinheit
lichung der Dampfmaschinenkonstruktion zur rationelleren und damit auch
billigeren Herstellung war dabei vollkommen aus den Augen verloren.
Eine ähnlich empirische statt wissenschaftliche Genesis weist auch die mit der
Dampfmaschine ungefähr gleichalterige Wasserturbine auf, von deren mannig
fachen Konstruktionsarten sich im modernen Turbinenbau nur die Fraucisturbine
und das Peltonrad als theoretisch und praktisch wichtigste Typen herausschälten.
Auch Ottos ingenieuse Lösung eines leistungsfähigen Luftmotors nahm ihren
Ausgang in der empirischen, wirtschaftlichen Erkenntnis des praktischen Bedürf
nisses nach einem bequemen Kleinmotor und war nicht in erster Linie getragen von
VI Vorwort.
der Absicht einer praktischen Lösung des ideellen Wärmemotors. Deshalb konnte
auch der durch rein wirtschaftliche Erwägungen geförderte Groß-Gasmotorenbau
keinen allgemein bedeutsamen Fortschritt in der Entwicklung der Wärmekraft
maschinen Ycrursachen.
Erst mit der bewußten Einstellung der neuzeitlichen Technik, bei der praktischen
Verfolgung einer Aufgabe von der ideellen Lösung auszugehen, ist der Stand
punkt gewonnen, welcher zum zielbewußten Fortschritt führt. Abweichend von der
gekennzeichneten Entwicklung unserer ältesten Kraftmaschinen zeigt sich daher
diejenige unserer jüngsten, der Dieselmotoren und Dampfturbinen. Ihre Urheber
stützten sich in der formalen Ausgestaltung dieser neuesten \Värmekraftmaschinen
von vornherein auf klar erkannte, praktisch zu erstrebende ideelle Lösungen, so
daß ihre technische Vollkommenheit nur noch von der praktischen Beherrschung
der schwierigen Konstruktions- und Arbeitsbedingungen abhängt, die beiden Ma
schinengattungen eigen sind.
Angesichts dieser verschiedenartigen Entwicklung der Wärmekraftmaschinen
und der allgemeinen Erkenntnis, daß die Technik, als augewandte Kunst und
Wissenschaft, vornehmlich die Grundlage unseres Kulturzeitalters und seiner
weiteren Entwicklung bildet, ergeben sich für den akademisch gebildeten Ingenieur
und seine geistige Erziehung Grundsätze, auf die im folgenden noch kurz ein
gegangen werden soll.
Xachdem wirtschaftliche Dauererfolge auf irgendeinem Gebiete menschlicher
Betätigung stets hervorragende Leistungen auf diesem voraussetzen, so können
erstere nur insoweit auf kaufmännischen oder organisatorischen Erwägungen be
ruhen, als Absatz- und Preisfragen in Betracht kommen, darüber hinaus aber bleibt
die rationelle Befriedigung praktischer Bedürfnisse durch konstruktive, künstle
rische oder technische Überlegenheit der Ausführungen, d. i. durch Qualitätsarbeit
im weitesten Sinne, ausschlaggebend.
Die Erzielung solcher Leistungsergebnisse hat aber zur Voraussetzung, daß die
praktischen Ausführungen technischer Aufgaben sich ihren ideellen Lösungen soweit
nähern, als der Stand der Technik erlaubt und die Anpassung an äußere Bedingungen
zuläßt. Auch der dabei anzustrebenden Arbeitsteilung im Sinne der Massenfabrikation
und Fließarbeit kann nicht der \Virtschaftsgedanke als führend zugestanden werden,
denn auf diesen Fabrikationsweg führt der Rationalismus technischer Überlegung
von selbst und ist zu seiner Beschreitung nicht in erster Linie kaufmännisches Ge
schick, sondern technische Intelligenz erforderlich.
Von dieser geisteswissenschaftlichen Betrachtungsweise hat daher auch der
akademisch gebildete Ingenieur auszugehen, um im späteren Berufsleben die
Vielgestaltigkeit der praktischen Aufgaben mit zielbewußtem Willen und schöpfe
rischem Geiste intuitiv zu meistern. Hierbei erweisen sich nicht wirtschaft
liche Erwägungen als untrüglichste Lehrmeisterin , sondern die Natur, deren
Studium nach der physikalischen und chemischen Seite seither für den Ingenieur
als ausreichend erachtet wurde. In Anbetracht des für beiderlei Naturvor
gänge maßgebenden Kausalgesetzes ist leider auch die Auffassung entstanden,
daß alle technischen Schöpfungen als mathematisch ausdrückbare Rechenbeispiele
zu betrachten seien und somit im wesentlichen handwerksmäßigET Betätigung
gleichkommen.
Bei dieser irrtümlichen Beurteilung der Leistungen des Ingenieurs wird voll
ständig übersehen, daß die einer praktischen Ausführung zugrunde liegende Idee
ihrer Berechnung vorausgehen muß. Dieses ideelle Leitmotiv ist aber das Produkt
freier Gestaltungsfähigkeit des Ingenieurs, ähnlich wie die Konzeption eines Kunst
werkes geistiges Eigenturn des Künstlers ist. Zur schöpferischen Betätigung des
Ingenieurs reicht somit die Kenntnis der mathematischen und energetischen Wissen
schaften nicht aus, vielmehr gehört zu ihr noch die künstlerische Befähigung
zur praktischen Gestaltung einer technischen Idee. Diese Fähigkeit würde die
wirksamste Förderung erfahren durch Erweiterung des akademischen Studiums auf
Vorwort. VII
die Morphologie der Tier- und Pflanzenwelt, deren technische Ausdrucksformen das
Höchstmaß an Vollkommenheit und Zweckmäßigkeit darstellen. Für die Steigerung
der Schöpferkraft des Ingenieurs müssen sich daher die lebensvollen Anregungen
einer organischen und anorganischen Formenwelt fruchtbringender erweisen, als die
nur zeitlich gültigen wirtschaftlichen Erkenntnisse, deren Besonderheiten überdies
im Berufsleben autodidaktisch rascher erfaßt werden als durch schulmäßigen
Unterricht.
Das Schöpferturn des Ingenieurs läßt sich bezeichnen als die Fähigkeit zur künst
lerischen Zusammenfassung verschiedengearteter Funktionen in einer realen Ein
heit von ideell einfachster Gestaltung zur Erfüllung eines bestimmten prak
tischen Zweckes. Die damit zusammenhängende zweckhafte Formgebung ist als
geistige Tat in Parallele zu stellen mit dem teleologischen Aufbau alles Organischen
in der Natur und daher nicht im Sinne eines profanen Utilitarismus zu deuten. Das
Kriterium der Wirtschaftlichkeit wird somit für den schöpferischen Ingenieur auch
nicht zur Ursache oder zum Leitmotiv seiner technischen Leistungen, sondern ledig
lich zur naturgemäßen Folgeerscheinung geisteswissenschaftlicher Betä
tigung.
Die deutsche Technik und Industrie kann im Wettbewerb mit den übrigen durch
Katurreichtum gesegneten Kulturnationen nur dann ihre seitherige Vorzugsstellung
aufrecht erhalten, wenn der Schwerpunkt der geistigen Einstellung ihrer Ingenieure
nicht im Materialismus, sondern in der Auswirkung der verfügbaren geistigen
Kräfte gesucht wird, die sich in der alle Kulturentwicklung fördernden tech
nischen Intuition zu entfalten haben.
Diese aus der geschichtlichen Entwicklung der Dampfmaschine einerseits und
dem neuzeitlichen Vorgehen in der Maschinentechnik andererseits für den aus
übenden Ingenieur sich ergebenden Leitgedanken, bildeten die Grundlage für den
Aufbau des vorliegenden Werkes. Es ist versucht, in einheitlicher Bearbeitung die
Ausbildung der Dampfmaschine während ihrer letzten Entwicklungsperiode und ihre
von wärmetechnischen und mechanischen Arbeitsverhältnissen abhängige Wirt
schaftlichkeit zu veranschaulichen, sowie erkennen zu lassen, welcher Grad der An
näherung an ideelle Forderungen der Dampfausnützung und der Dampfmaschinen
konstruktion technisch erreicht werden konnte.
Bei Sichtung und Verarbeitung des reichen literarischen und konstruktiven
Materials auf dem Gebiete der Dampfmaschinentechnik wurde daher keine Rück
sicht auf dessen zeitliches Entstehen genommen, sondern lediglich auf seine Eignung
in wissenschaftlicher Hinsicht, zur Charakterisierung der für die wärmetechnischen
Betriebsverhältnisse, sowie für die Formgebung, Steuerung und Regelung maßgeben
den theoretischen Leitmotive.
Diese Behandlung des Dampfmaschinenproblems soll dem ausübenden Ingenieur
und den Studierenden die Grundlage für jene rationelle, geistige Einstellung ge
winnen lassen, die eine vorurteilsfreie, theoretische und praktische Beurteilung
jedweder Dampfmaschinenkonstruktion bzw. Anlage ermöglicht und von der aus
die konstruktiv und betriebstechnisch cinwandfreieste Lösung neuer Dampfma
schinenanlagen zu erfolgen hat.
Auch hoffe ich hierdurch eine Anregung in dem Sinne gegeben zu haben, daß
in der literarischen Behandlung technischer Leistungen, wirtschaftliche Gesichts
punkte als Leitmotive wissenschaftlicher Analyse oder künstlerischer
Synthese mehr und mehr verschwinden.
Von dieser Auffassung hat das akademische Studium getragen zu sein, wenn
es sich über den einseitigen, fachlichen Charakter erheben soll. Das Was bedenke,
mehr bedenke Wie - lautet eine Goethesche Maxime. Das Was praktischer
Betätigung lehrt uns die objektive Erkenntnis, das Wie bleibt subjektiver Intuition
vorbehalten. Diese didaktische Einsicht hat auch bei Verwertung des verfügbaren
Materials der Bearbeitung des Dampfmaschinenwerkes zugrunde gelegen.
VIII Vorwort.
Die stoffliche Gliederung des dreibändigen Werkes ergab sich zweckmäßiger
weise derart, daß im ersten Band behufs Klärung der konstruktiven Grundsätze
die wärmetechnischen und mechanischen Verhältnisse der Dampfmaschine im
allgemeinen behandelt werden. Im wärmetechnischen Teil sind die in der Litera
tur zerstreut enthaltenen wärmetechnischen Versuche und eigene Versuche an
Dampfmaschinen so zusammengeiaßt und bearbeitet, daß genügend Klarheit
über den tatsächlichen Einfluß bestimmter Betriebsbedingungen, wie Dampf
beschaffenheit, Steuerungsart, Belastung oder Umdrehungszahl der Maschine
gewonnen wird. Einfach- und Mehrfachexpansionsmaschinen sind dabei getrennt
behandelt. Das anschließende Kapitel erstreckt sich auf die formale und rech
nerische Behandlung der konstruktiven Einzelheiten der ruhenden Maschinenteile
und des Triebwerkes. Bei der folgenden eingehenden Behandlung der Steuerungen
sind die inneren Steuerorgane getrennt von dem äußeren Steuerungsmechanismen
betrachtet. Zur Systematik und Kritik der letzteren ist vom theoretischen Be
wegungsgesetz der inneren Steuerorgane ausgegangen, aus dem die beiden kon·
struktiven Lösungsformen der Ausklinkmechanismen und der zwangläufigen
Steuerungen sich ableiten.
Die anschließende theoretische Betrachtung der Regler geht von der Dynamik
des Regelvorganges aus, aus der die betriebstechnischen Forderungen für die Wir
kungsweise des Reglers sich ergeben, während für die rationelle konstruktive Lösung,
sowie für die technische Beurteilung der zahlreichen, bestehenden Reglerkonstruk
tionen die ideelle Reglerform als Grundlage dient.
In dem die Kondensationseinrichtungen behandelnden Schlußkapitel ist beson
derer \Vert darauf gelegt, die relative Bedeutung der für Oberflächenkondensatoren
in Betracht kommenden zahlreichen, in der Literatur bekannt gewordenen und
eigenen Untersuchungen über den Wärmedurchgang durch Röhren zu klären und
durch Diagramme zu veranschaulichen. Bei der Verfolgung der Vorgänge in Rück
kühlwerken bildete die sehr wertvolle Forschungsarbeit des Dr. Ing. C. Geibel die
wesentliche Grundlage zu deren Veranschaulichung.
Der zweite Band umfaßt ein Tafelwerk ausgeführter Einfach- und Mehrfach
expansions-Dampfmaschinen nebst einer Darstellung konstruktiver Einzelheiten
der ruhenden und bewegten Maschinenteile, einschließlich der Steuerungen und
Regler, sowie der Kondensationseinrichtungen. Ein das Tafelwerk und den Textteil
ergänzender Anhang enthält noch vergleichende, rechnerische und graphische Un
tersuchungen an Steuerungen, Reglern und Triebwerksteilen.
Im dritten Band sind die wärmewirtschaftliehen Ergebnisse von Dampfma
schinenuntersuchungen unter Kennzeichnung der Konstruktion der untersuchten
:Maschinen und ihrer Versuchsbedingungen, in Tabellen und Diagrammen über
sichtlich zusammengestellt; außerdem sind für die wichtigsten Dampfmaschinen
typen die Gesetzmäßigkeiten graphisch veranschaulicht, nach denen der tatsäch
liche Dampf- und Wärmeverbrauch sich ändert.
Ein Anhang von Tafeln theoretischer Natur dient zum Teil als Ergänzung der
:\Iollierschf·n Entropietafeln durch Veranschaulichung der Gesetzmäßigkeiten, in der
Veränderung der theoretischausnutzbaren Wärmemengeunddes theoretischenW ärme
'.'erhrauchs der verlustloseil Maschine mit Änderung ihrer Betriebsbedingungen; zum
<!Tldcren Teil dazu, die mit Dampfspannung und Füllungsgrad sich ergebenden Ver
~nderungen des mittleren Dampfdruckes zu veranschaulichen d. i. der wesentlichen
Rf~chnungsgröße, von welcher die grundlegenden Abmessungen einer Dampfmaschine,
Cylinderdurchmesser und Kolbenhub, für eine bestimmte Leistung abhängig werden.
Diese tabellarische und graphische Übersicht über die wärmewirtschaftliehen
Ergebnisse ausgeführter Dampfmaschinen und die theoretischen Tafeln des Anhangs
gewähren nicht nur die Möglichkeit einer leichten und raschen Berechnung
des Arbeitsvolumens einer Dampfmaschine, sondern auch einer zuverlässigen
Festsetzung der Garantieziffern über Wärme- und Dampfverbrauch auf Grund
praktischer Versuchsergebnisse.
Vorwort. I :X
Obwohl nun mit dem Höchststand der konstruktiven Entwicklung und werk
stattechnischen Vollendung der Dampfmaschine zufällig ihre dominierende Stellung
als Wärmekraftmaschine abschließt und sie für große Leistungseinheiten durch die
Dampfturbine, sowie auch in vielen Fällen durch die Gas-und Ölmaschine verdrängt
wird, so bleibt ihre technische Bedeutung doch bestehen, nicht nur wegen der noch
in Betrieb befindlichen, zahllosen Dampfmaschinenanlagen des In- und Auslandes,
sondern auch infolge der noch vielfachen Anwendungsmöglichkeiten in Betrieben mit
stark veränderlicher Leistung und geforderter größtmöglicher Dampfausnützung, so
wie bei Lokomobilen, bei Gegendruckbetrieb oder Abdampfverwertung u. dgl. Außer
dem gehört die Dampfmaschine nach wie vor, wegen der weitgehenden theoretischen
Klärung ihrer wärmetechnischen und mechanischen Arbeitsverhältnisse zu den wich
tigsten Disziplinen des maschinentechnischen Unterrichts an Technischen Hoch- und
Fachschulen. Vom didaktischen Standpunkt aus darf daher unbedenklich behauptet
werden, daß die Bedeutung der Dampfmaschine für die Ausbildung des technischen
Intellekts gleichwertig ist derjenigen der klassischen Sprachen für die gymnasiale
Bildung.
Die beabsichtigte wesentlich frühere Herausgabe des Werkes, dessen Inangriff
nahme in die Vorkriegszt>it fällt, seit welcher ich mich der ständigen Mitarbeiter
schaft Professor W atz i ng er s, meines damaligen Assistenten erfreute, ist leider einer
seits durch den Weltkrieg und die Ereignisse der Nachkriegszeit, andererseits durch
den Umstand vereitelt worden, daß mit Beginn des 20. Jahrhunderts beide Verfasser
ihre akademische Tätigkeit auch auf das neue Gebiet der Turbomaschinen einzustellen
hatten, so daß die literarische Beschäftigung mit der plötzlich in den Hintergrund
gedrängten Dampfmaschine zeitlich sehr erschwert wurde und längere Unterbrechung
erfahren mußte.
Bei der zeitraubenden Nachforschung und Sichtung des Literaturmaterials wur
den geeignete Diplomkandidaten zugezogen, die mit großem Interesse und Fleiß,
sowie anerkennenswerter Gewissenhaftigkeit sich der einheitlichen Bearbeitung
von Tabellen und Diagrammen, sowie zugehörigen graphischen und rechnerischen
Untersuchungen widmeten. Unter diesen Hilfsarbeitern möchte ich die Dipl.-Ing.
Mies und Nissen noch besonders hervorheben.
Den Firmen und Ingenieuren der Dampfmaschinenindustrie, welche durch Über
lassung wertvollen Materials das Werk bereicherten, spreche ich auch an dieser Stelle
meinen Dank aus. Besonders anerkennend muß ich hiPr bei noch die Mitwirkung
meines ehemaligen Assistenten, jetzigen Direktors Heilmann, bei der Bearbeitung
des wärmetechnischen Teils erwähnen. Im Kapitel Kulissen- und Lenkersteue
rungen für Schieber haben von Herrn Ingenieur Kolkmann zur Verfügung ge
stellte textliche und zeichnerische Unterlagen willkommene Verwendung gefunden.
Bereitwillige Unterstützung leisteten bei der Fahnenkorrektur meine Assi
stenten Dipl.-Ing. Klepp, Dr. Ing. Mehner und Wengler, sowie mein Sohn
cand. mach. Max Gutermuth, der außerdem die mühevolle Aufstellung des Sach
registers durchführte.
Schließlich ist es mir eine angenehme Pflicht, das dauernde lebendige Interesse
und die Förderung zu betonen, deren ich mich während der, viele Jahre beanspruchen
den, Bearbeitung des Werkes seitens der Verlagsbuchhandlung in entgegenkommen
der Weise zu erfreuen hatte.
Darmstadt, Oktober I927. M. F. Gutermuth.
Ubersicht
über den Inhalt der Bände I, II und II I.
Band I.
Theorie, Berechnung und Konstruktion.
Erster Abschnitt. Wärmetechnischer Teil. Seite
A. Wärmetheoretische Grundlagen 3
B. Theoretische Arbeitsvorgänge 30
C. Der wirkliche Arbeitsvorgang 68
D. Die Einfachexpansion. . . . 105
E. Die Mehrfachexpansion . . . 197
F. Die Verwendung des Abdampfes und Aufnehmerdampfes für Heiz- und
Vorwärmzwecke . . 289
G. Die Berechnung der Dampfmaschine 313
Zweiter Abschnitt. Konstruktiver Teil.
A. Die ruhenden Teile der Maschine 331
B. Mechanik des Kurbeltriebes . 379
C. Die Triebwerkteile 428
D. Steuerungen .. . 529
E. Regler .... . 755
F. Kondensationseinrichtungen . 868
Band 11.
Ausgeführte Konstruktionen.
Erster Abschnitt: Rahmen, Ständer, Lager. I
Zweiter Abschnitt: Cylinder 40
Dritter Abschnitt: Triebwerksteile 68
Vierter Abschnitt: Schwungräder und Regulatoren I2I
Fünfter Abschnitt: Schiebersteuerungen . . . . . 157
Sechster Abschnitt: Corliß-Schieber und Corliß-Steuerungen 219