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Geschichte - Dampfmaschine


Watt-Gestänge bei starrer Hinterachse


Auch unter Fachleuten gibt es die Auffassung, am Verbrennungsmotor sei schon bis in die Zwanziger Jahre des vorigen Jahrhunderts hinein zumindest mechanisch schon alles Wesentliche erfunden worden. Da ist zweifellos etwas dran, wenn man die Elektronik weglässt. Umgekehrt kann man aber auch behaupten, dieser Typ Motor habe erst durch die Abgas-Restriktionen seinen letzten Schliff erhalten.

So ähnlich ist es der Dampfmaschine ergangen. Die hatte auch einige Probleme, die behoben schienen, als gerade der Verbrennungsmotor ihr den Rang ablief. Wir wollen die Entwicklung bis zu diesem Zeitpunkt einmal aus deren Blickwinkel betrachten. Man kann zwar nicht unbedingt sagen, sie habe die Industrielle Revolution ausgelöst, aber gegenseitig beflügelt haben sich beide schon sehr.

Es ist der beschwerliche Weg zu einer kontinuierlich Drehkraft liefernden Maschine, die am Ende auch noch einen einigermaßen akzeptablen Wirkungsgrad erzielt. Die mehr oder weniger gebrauchstüchtigen Fahrzeuge mit Dampfantrieb hatten wir schon. Aber wie verhält es sich mit der Notwendigkeit, überhaupt Dampfmaschinen zu entwickeln? Aber das wissen Sie vermutlich schon, dass sie aus Problemen beim Bergbau entstanden sind, oder?

Schon bei Dennis Papan sind dessen Erfindungen bis nach Hessen gedrungen und er wurde eingeladen, dort eine Kohlengrube zu retten. Es scheiterte an der Technik für die Herstellung. Aber warum fördert man denn eigentlich Steinkohle, um mit dieser eine Maschine zu füttern, die das Grundwasser abpumpt? Man sagt, der Abbau von Kohle sei in England besonders forciert worden, weil man dort, angesichts des angelsächsischen Klimas, einen großen Teil der Wälder verfeuert hatte.

Es war zumindest so, dass die Vertriebswege für Holz, z.B. durch Kanäle erweitert werden mussten, weil es mit den bisherigen Transportmethoden nicht mehr in genügendem Maße verfügbar war. Hinzu kam, dass Holz und keineswegs Metall vor der Industriellen Revolution der Werkstoff schlechthin war, denken Sie nur an den Schiffsbau in Großbritannien, wo man zu der Zeit Weltgeltung erlangte.

Nein, die ersten Versuche, Eisen in Formen zu gießen, endeten häufig bei Kanonenkugeln mit den nun wirklich geringsten Ansprüchen. Übrigens wurden zu der Zeit auch Vorläufer heutiger Hochöfen mit Holz beschickt. Würde man die Entwicklung der Reihe nach betrachten, dann waren auch mit der nächsten Entwicklungsstufe nur Töpfe, Pfannen usw. möglich. Keine Aussicht auf die enormen Anforderungen an die Passungen bei einer Dampfmaschine.

Die Kanäle ermöglichen also zunächst auch den Transport von Steinkohle. Wir befinden uns am Ende des 17. Jahrhunderts und der Abbau von Steinkohle wird immer schwieriger. Immerhin leisten Pferde die Arbeit an den Pumpen. Vielleicht kommt ja die Pferdestärke daher. Aber Sie können sich denken, dass so eine Pferdestärke Platz braucht, auch und gerade, wenn sie dauernd im Kreis läuft. Außerdem muss man Pferde mit Hafer ernähren. Bei einer Dampfmaschine hätte man die Chance, etwas von der reichlich geförderten Kohle verwenden zu können.

Immerhin gelang es Thomas Newcomen (1663-1829), das drohende Ende der Kohleförderung durch eine Maschine hinauszuzögern. Da kaum jemand Erfindungen größeren Ausmaßes jemals allein zustande brachte, nutzt auch Newcomen außer Papins Vorarbeiten auch noch die von Thomas Savery. Den häufig bei Dampfmaschinen anzutreffenden Waagebalken (Balancier) hatte die erste brauchbare Dampfmaschine schon, aber noch keinen einen Kurbeltrieb antreibenden Kolben.

Atmosphärische Dampf-/Feuermaschine

Newcomen war Schmiedemeister und das hat der Genauigkeit seiner Arbeit gewiss gut getan. So konnte er mehr Dichtigkeit in so ein System einbringen und die Passungen des durch Dampfkraft angetriebenen Kolbens auf der einen Seite und des Wasser pumpenden auf der anderen erhöhen. Leider hat er sich nicht anders zu helfen gewusst, als den außerhalb in einem Dampfkessel erzeugten Druck im Arbeitszylinder zum geeigneten Zeitpunkt durch eingespritztes Wasser abzusenken.

Es ist vom Wirkungsgrad her eine kleine Katastrophe, mühsam und teuer erzeugte Wärme einfach so der Umwelt anzuvertrauen. Immerhin war so aber eine gewisse Kontinuität gegeben, die allerdings in später bis zu 16 Hübe und mehr in der Minute ausgedrückt wurden und noch nicht in Umdrehungen pro Minute. Immerhin musste sich niemand mehr um die Pferde kümmern und nachher lief die Maschine bis auf die Kohlezufuhr automatisch.

Mit der Erwähnung des Wirkungsgrades haben wir den Knackpunkt schon erwähnt, der irgendwann die Förderung von Kohle wieder an ihre Grenzen brachte. Denn wenn man bei der nun gewonnenen, doppelt so großen Fördertiefe fast alle gewonnene Kohle an die Maschine verfüttern muss, die diese Förderung ermöglicht, dann ist das Ganze sinnlos. James Watt (1736 - 1819) arbeitet kurz nach der Mitte des 18. Jahrhundert als Mechaniker an der Universität von Glasgow.


Watt hat also keineswegs die Dampfmaschine erfunden, aber so wesentliche Bestandteile hinzugefügt, dass man später die Einheit für die Leistung nach ihm benannt hat. Dazu gehört ein Kondensator, der dafür sorgt, dass die Wärme im System bleibt. Allein damit soll er Ersparnisse von über 60 Prozent (Wikipedia) erzielt haben. Es blieb zunächst bei der Hin- und Herbewegung und auch bei der Tatsache, dass der Dampfdruck schon, wie das Schießpulver bei Huygens, den zusätzlich beschwerten Kolben anhob und der erst beim Gang nach unten Arbeit verrichtete.

Es war die Angst vor dem Hochdruck, nicht ganz unberechtigt. Immerhin ist unser heutiger TÜV nicht wegen der Prüfung von Kraftfahrzeugen, sondern der dringend nötigen Überwachung von Dampfkesseln gegründet worden. Erst viel später gelang es Watt, die Effizienz der Maschine durch Treiben des Kolbens in beide Richtungen mit Hochdruck noch einmal deutlich zu steigern.

In die Zeit fällt dann auch die Erfindung des Watt-Gestänges. Im Kfz-Bereich kennt man es zum Beherrschen der Seitenkräfte an einer starren (Hinter-) Achse. Wichtig ist das Prinzip. Während z.B. ein Panhardstab (Bild unten) die Achse beim Ein- oder Ausfedern zur jeweils gleichen Seite zieht, bleibt sie hier weitgehend seitlich unversetzt. Watt hat das Gestänge benutzt, um den Kolben samt Kolbenstange möglichst gerade zu führen.


Später trat dann anstelle eines Gestänges diese Konstruktion, bei der die Hubbewegung des Kolbens auf eine Welle zu übertragen. Es handelt sich durch das starr mit dem Pleuel verbundene, umlaufende Zahnrad um eine Art Planetentrieb, der das Drehmoment so auf die untere Welle übertragt, wie es auch ein Kurbeltrieb tun würde.


Natürlich war zu jener Zeit der Kurbeltrieb schon bekannt und Watt hätte diesen gerne eingesetzt. Aber leider war der zu dieser Zeit noch patentrechtlich geschützt, so dass Watt den Umweg über diesen Plantenantrieb nehmen musste. Grundsätzlich hat diese Art der Übertragung der Dampfkraft auf eine Welle hat natürlich die Gedanken an einen Dampfmotor zum Antrieb von Fahrzeugen beflügelt. James Watt hat sie wohl zunächst einmal benutzt, um durch einen angeschlossenen Fliehkraftregler eine zu hohe Drehzahl seiner Maschine zu verhindern.







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