Schiffs-Dampfmaschinen

[Turbo-Georg]

Im Wettbewerb mit dem Dieselmotor, der als Antrieb kleinerer, später auch mittlerer Schiffseinheiten eine immer größere Verbreitung fand, stand die Wirtschaftlichkeit eindeutig im Vordergrund. Das betraf in erster Linie die Brennstoffkosten, denn der Personalaufwand war in etwa vergleichbar oder spielte eine mehr oder weniger untergeordnete Rolle.
Auch die Baukosten, zumindest bei den ersten Ventil gesteuerten Doppelverbundmaschinen, waren nicht wesentlich niedriger als die, eines vergleichbaren Dieselmotors. Wenn man aber den geringeren Raumbedarf des Dieselantriebes und die geringeren Investitionen durch den Wegfall der Kesselanlage mit in Betrachtung zieht, war die Herausforderung an die Dampfmaschinen-Konstrukteure recht beachtlich.

Wie die Beispiele ausgeführter Doppelverbundmaschinen System  Lentz zeigen, fanden diese Maschinen im Leistungsbereich bis etwa 6000 PS ihre Käufer. Auf fruchtbaren Boden fielen bei den etwas konservativeren Kunden die Argumente zu Gunsten der Doppelverbundmaschine mit Kolbenschiebern, wie z.B. die von Christiansen & Meyer mit entlasteten Hd-Gleichstromzylindern. Sie kamen besonders auf Schleppern, Fischdampfern und kleinen Frachtern mit einer Leistung bis etwa 1000 PS zum Einsatz.
Für den Leistungsbereich bis etwa 20.000 PS, also größeren Frachtdampfern bzw. mittleren und größeren Fahrgastschiffen mit einer oder zwei Schrauben, hatten Dreifach- bzw. Vierfach-Expansionsmaschinen gegenüber dem Dieselantrieb eine gute Chance, wenn sie in der Lage waren die Vorteile auch höherer Dampftemperaturen bis zu 400 Grad Celsius und ggf. auch den Wärmeinhalt des Abdampfes zu nutzen.
Solche Maschinen waren dann für die direkte oder indirekte Heißdampfverwendung ausgelegt, also zumindest die Hd- und Md-Zylinder Ventil gesteuert; die ein oder zwei Nd-Zylinder wurden dagegen häufig mit Penn-Flachschiebern versehen.
Die Ausnutzung der Energie des Abdampfes erfolgte durch Abdampfturbinen.

Direkte Heißdampfverwendung bedeutete, dass der Betriebsdampf überhitzt wurde. Diese Überhitzung erfolgte bekanntlich durch die heißen Rauchgase in einem so genannten Überhitzer, einem Rohrsystem im Rauchgaszug des Kessels.
Bei den älteren Mehrfach-Expansionsmaschinen mit Kolbenschiebern wurde gelegentlich Heißdampf mit Temperaturen bis zu 250 Grad Celsius zur Anwendung gebracht. Erst bei den moderneren Mehrfach-Expansionsmaschinen mit Ventilsteuerung konnte die Dampftemperatur auf etwa 300 Grad Celsius und bei einigen leicht gebauten, schnell laufenden Doppelverbundmaschinen mit Lentz-Ventilen auf bis zu 380 Grad Celsius erhöht werden.
Im Laufe der technischen Entwicklung beherrschte man offensichtlich auch bei den etwas kostengünstigeren Maschinen mit Kolbenschiebern die Probleme mit Heißdampf immer besser, so dass auch hier Dampftemperaturen von deutlich mehr als 300 Grad Celsius möglich wurden.

Übrigens: Die  unter der Antwort # 16 abgebildete Dreifach-Expansionsmaschine (Bild-Titel: Steuerstand) wurde 1944 als Backbordmaschine eines kleineren Kriegsschiffs mit zwei Schrauben gebaut. Sie hatte Kolbenschieber und wurde mit Heißdampf von 320 Grad Celsius betrieben.
http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,12823.15.html
Man setzte wegen der Materialknappheit in den letzten Jahren des Krieges als Antrieb wieder die schneller und billiger herzustellenden  Dampfmaschinen ein. Auch die Ausbildung des Maschinenpersonals hierfür, war weniger aufwändig und damit kürzer.
Diese Maschine wurde wieder aufgearbeitet und als Antrieb in einem der ersten Nachkriegs-Neubauten verwendet. Sie versah danach nicht nur dreißig Jahre ihren Dienst, sondern ist noch heute auf einem Traditionsschiff im Einsatz.

Indirekte Heißdampfverwendung kennen wir bereits unter der Bezeichnung ,,Zwischenüberhitzung" aus dem der Beitrag über die Schiffs-Dampfturbinen unter der Antwort # 13 vom 2.11.2010.      http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,13029.0.html
Bei den Dampfturbinen galt die Zwischenüberhitzung vorrangig als geeignete Maßnahme zur Minderung der Dampfnässe im Nd-Teil einer Dampfturbinenanlage, obwohl sie auch hier eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades um etwa 2% erbrachte.

Bei den Mehrfach-Expansionsmaschinen war man ebenfalls bestrebt, sich die Vorteile höherer Dampftemperaturen bis 400 Grad Celsius zu Nutze zu machen, obwohl Dampf in diesem Zustand  in deren Hd-Zylindern nicht verarbeitet werden konnte.
Daher musste zunächst der Frischdampf abgekühlt werden. Das erfolgte in einem ,,Zwischenüberhitzer" durch Wärmeübergabe an den Zwischendampf, der aus dem Hd-Zylinder in den Md-Zylinder strömte.
Dieser Zwischenüberhitzer, einer Art Wärmetauscher, war ein geschlossener Behälter mit einem Röhrensystem, durch welches der  Frischdampf auf dem Weg zum Manövrierventil geleitet wurde. Der Zwischendampf strömte durch den Behälter, der gleichzeitig ganz oder teilweise als Receiver (Dampfspeicher) fungierte. Während der Frischdampf auf eine verarbeitbare Temperatur abkühlte, wurde der Zwischendampf auf eine höhere Temperatur und somit zu einem größeren Wärmeinhalt gebracht.
Es gab aber auch Überhitzer in denen der Zwischendampf elektrisch erhitzt wurde. Ich werde bei der Behandlung der Abdampfturbinen hierauf zurückkommen.

In den folgenden Beiträgen werde ich einige Varianten solcher Dreifach-Expansionsmaschinen beschreiben und bezüglich ihrer thermischen Wirkungsgrade die entsprechenden Expansionskurven in Mollier-Diagrammen miteinander vergleichen.

[RonnyM]

...auch ich muß mal unserem Turbo-Georg ein großes Lob aussprechen . In meinem Berufsleben war ja der Bleistiftanspitzer mein "Arbeitsgerät"  . Aber wie du deine techn. Erläuterungen rüberbringst - ich fühle mich schon als halber Inschinör  .

Hätte ich das damals schon gelesen, wäre ich Schwarzfuß-Indianer geworden .

Nochmals Danke sagt der Radarmixer
Ronny

[Captain Hans]

Hallo Georg

deine Beiträge sind nicht nur lehrreich sondern auch klasse verständlich geschrieben

freu mich schon auf die nächsten Beiträge.

liebe Grüße aus Costa Rica

Hans

[Turbo-Georg]

Hallo RonnyM, hallo Hans,

ich muss aber auch ein Mal ein paar Komplimente an die Mitglieder und Gäste dieses Forums verteilen.
Ich habe selten eine so kompetente und vielseitig interessierte Leserschaft gefunden, wie hier.
Es macht mir sehr viel Freude für Euch zu schreiben.

Wie meine Signatur besagt, ist mir die leicht verständliche Darstellung komplexer technischer Zusammenhänge ein besonderes Anliegen.

[Albatros]

Sie versah danach nicht nur dreißig Jahre ihren Dienst, sondern ist noch heute auf einem Traditionsschiff im Einsatz.

Hallo Georg, magst du uns sagen auf welchem ?.......



Manfred

[Turbo-Georg]

Hallo Manfred,
gemeint ist der Antrieb des ehemaligen Tonnenlegers ,,Kapitän Meyer" in Wilhelmshaven.

http://www.sk-stoertebeker.de/index-frame.htm

[Turbo-Georg]

Hallo Freunde,

hier eine Aufnahme vom Maschinenraum der ,,Kapitän Meyer" mit Blick vom Kesselraum-Schott nach achtern. Wir sehen die Steuerstände der beiden Dreifach-Expansionsmaschinen..

Vielleicht mache ich irgendwann mit euch einen Foto-Rundgang durch den gesamten Antrieb.

[RoaringThunder]

Tach auch!
Klasse Idee, die Bilder werden sicherlich gerne gesehen. Es ist ja auch nichts was alltäglich ist.

[Albatros]

Vielleicht mache ich irgendwann mit euch einen Foto-Rundgang durch den gesamten Antrieb.

Ja , gerne



Manfred

[Turbo-Georg]

Weiter geht's!

Bei Kolbendampfmaschinen mit Kondensator lag die wirtschaftliche Grenze des Gegendrucks (Kondensatordruck) bekanntlich bei etwa 0,15 ata.
Bei weiter sinkendem Druck nimmt das spezifische Volumen des Dampfes so stark zu, dass nicht nur der Nd-Zylinder, sondern vor allem die Durchtritts-Querschnitte seiner Steuerorgane sehr groß würden. Auch die Luft aus dem Kondensator währe bei höherem Vakuum nicht mehr mit einfachen Kolbenpumpen zu entfernt. Höhere Baukosten, aber auch der höhere Leistungsbedarf der Luftpumpen würden ggf. die Vorteile eines größeren Wärmegefälles aufheben.
Der vergleichsweise geringe thermische Wirkungsgrad, auch der moderneren Heißdampfmaschinen von etwa 25 %, erklärt sich mit dem Wärmeinhalt des Abdampfes, der im Kondensator an das Kühlwasser abgegeben wird und nutzlos entweicht.
Nicht erst die Konkurrenz zum Dieselantrieb ließ den Wunsch aufkommen, diese im Abdampf von Kolbendampfmaschinen enthaltene Energie, zumindest teilweise zu nutzen. Bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts war bekannt, dass in der Dampfturbine auch sehr geringe Dampfdrücke in Dampfgeschwindigkeit und diese wiederum mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Arbeit umgewandelt werden können.
Auf diesen Überlegungen beruhte die Verwendung von Abdampfturbinen bei Kolbendampfmaschinen.

Abdampfturbinen wurden zuerst auf Schiffen mit drei, seltener mit vier Schrauben eingesetzt. Während die beiden Seitenschrauben von Kolbendampfmaschinen angetrieben wurden, wirkten die Abdampfturbinen direkt auf die jeweiligen Mittelwellen. Manövriert wurde nur mit den Kolbenmaschinen auf den Außenwellen, da sich bekanntlich Dampfturbinen, und somit auch Abdampfturbinen nicht umsteuern lassen.
Die  Turbinen wurden beim Manövrieren abgeschaltet, indem der Abdampf aus den Kolbenmaschinen nicht in die Turbinen, sondern über große Umschaltventile bzw. Schieber direkt in den Kondensator geleitet wurde.
Eines der ersten deutschen Dreischrauben-Schiffe mit Abdampfturbinenanlage war der Passagierdampfer ,,Cap Trafalgar" (25.800 t) der Hamburg-Süd..., erbaut 1913/14 von den Vulcan-Werken Hamburg und Stettin AG. Die Gesamtleistung der Antriebsanlage betrug 16.200 PSi, wovon auf die Abdampfturbine 5.650 PSi, also ≈ 35 % entfielen.

Bei kleineren bis mittleren Schiffen war das Prinzip einer eigenen Schraubenwelle für die Abdampfturbine nicht anwendbar. Bei einem Zwei-Schraubenschiff die Kolbenmaschine auf die eine und die Abdampfturbine auf die andere Welle zu schalten, war in Hinblick auf die Manövrierbarkeit des Schiffes nicht zweckmäßig. 

Soll die Abdampfturbine ihre Leistung an dieselbe Schraubenwelle abgeben wie die Kolbenmaschine, so muss zum Ausgleich des stark schwankenden Drehmoments der Kolbendampfmaschine sowie der Gleichförmigkeit der Leistungsabgabe der Abdampfturbine eine elastische Kupplung zwischen geschaltet werden.
Darüber hinaus lagen die wirtschaftlich sinnvollen Drehzahlen von Dampfturbinen deutlich höher, als die der Kolbendampfmaschinen und der, mit ihnen direkt gekoppelten Schraubenwellen.
Mit der schnell aus- und einschaltbaren hydraulischen Kupplung System Bauer-Wach, in Verbindung mit einem Untersetzungs-Getriebe konnten diese Probleme schließlich gelöst werden.

[Turbo-Georg]

Das System Bauer-Wach bestand aus folgenden Komponenten:

1. Umschaltklappe oder Schieber in der Abdampfleitung der Kolbendampfmaschine,
2. Abdampfturbine.
3. Getriebe 1,
4. Kupplung mit Primärrad, Sekundärrad und Drucköl-Pumpe,
5. Getriebe 2.

Siehe hierzu:  http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Bauer_Wach_Turbine.PNG

In der verlinkten Zeichnung ist die, meistens am Kupplungsgehäuse angebaute Drucköl-Pumpe nicht eingezeichnet.

Über die grundsätzliche Funktionsweise einer hydrodynamischen Kupplung (Föttinger-Transformator), wurde bereits im Beitrag ,,Schiffs-Dampfturbinen" unter Antwort # 11 vom 30.10.2010 kurz berichtet.
http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,13029.0.html

Die Kupplung in einem Bauer-Wach-System, auch als so genannte Vulcan-Kupplung bekannt, war eine Strömungskupplung wie ein Föttinger-Transformator mit 1 : 1 - Untersetzung. Sie wurde allerdings nicht mehr wie ihr altes Vorbild mit Wasser, sondern mit Druck-Öl betrieben. Sie hatte ebenfalls ein Pumpen- und ein Turbinenrad durch welche das Öl im Kreislauf strömte. Die radial beschaufelten Räder (Schalen) waren von einem Deckel umschlossen, der an seinem Umfang über Öffnungen (Entleerungsdüsen) verfügte, die im Betrieb (Eingeschaltet) durch einen seitlich verschiebbaren Ring geschlossen waren. Dieser Ring (Entleerungsring) wurde von außen durch einen Handhebel betätigt. Beim Entleeren (Ausschalten) konnte das Öl durch diese Öffnungen in das Kupplungsgehäuse entweichen, ohne Arbeit zu verrichten. Die Füllung der Räder erfolgte durch die permanent mitlaufende  Drucköl-Pumpe über eine Hohlbohrung in der Welle.
Beim Manövrieren war damit die Abdampfturbine durch einen nur wenige Sekunden dauernden Vorgang schnell aus- und einschaltbar bzw. lief beim Manövrieren leer mit.

Im Betrieb, also eingeschaltet entstand zwischen Primärrad und Sekundärrad ein ,,Slip" von etwa 3%, der umgesetzt in Wärme in einem Ölkühler abgeführt wurde.

[Turbo-Georg]

Nach dem System Johannsen-Götawerke treibt die Abdampfturbine einen mehrstufigen Radialkompressor. Dieser, zwischen den Maschinenständern der Dampfmaschine montierte Kompressor, verdichtete den Abdampf aus dem Hd-Receiver von etwa 4,5 ata auf einen Druck von etwa 7 ata. Gleichzeitig wurde die Dampftemperatur beim Komprimieren, sowie durch die Verlustleistung des Kompressors um ca. 100 Grad Celsius  auf etwa
290 Grad Celsius erhöht.
Der Hd-Receiver bestand aus zwei Kammern, die erste Kammer für den Abdampf aus dem Hd-Zylinder und die zweite Kammer für den, vom Kompressor verdichteten Dampf.
Im Störungsfall wurde die zweite Kammer durch einen ,,Bypass" umgangen und der Dampf dem Md-Zylinder direkt zugeführt.
Der Turbo-Kompressor musste beim Manövrieren nicht abgeschaltet werden, sondern stand für beide Fahrt-Richtungen zur Verfügung.
Dieses Verfahren beinhaltete demnach neben einer Zwischenüberhitzung auch die unter Antwort # 89 vom 14.6.2011 genannte
Turbo-Rekompression.

Bei Abdampfturbinen System Lindholmen-Motala war die Turbine mit einem Generator gekoppelt, dessen Strom über Heizstäbe im Überhitzer zwischen Hd- und Md-Zylinder zur Erhöhung der Temperatur des Zwischendampfes benutzt wurde.
Auch dieses System war für beide Fahrt-Richtungen geeignet.

[Albatros]

Ich hoffe ich darf den Hinweis für alle Dampf-Freunde hier anfügen.
Am zweiten Wochenende im Juli 2011 findet das 10. Flensburger DAMPF RUNDUM statt.
http://www.flensburger-dampf-rundum.de/Dampfrundum/dampfrundum.html



Manfred

[Turbo-Georg]

Nunmehr kennen wir die verschiedenen Bauformen von Dreifach-Expansionsmaschinen mit Zwischenüberhitzung und Abdampfturbinen.
Dabei liegen die wesentlichen Unterschiede in der Art der Ausnutzung der, durch die Turbine gewonnenen Leistung.

Wir unterscheiden nach Kolbendampfmaschinen bei denen,

-   Abdampfturbinen direkt auf eigene Schraubenwellen eines Mehrschraubenschiffes wirken,

-   Abdampfturbinen mit den Kolbendampfmaschinen auf gemeinsame Wellen arbeiten,

-   Abdampfturbinen, die Kompressoren (Turbo-Kompressor) zur Erhöhung von Druck und Temperatur des Zwischendampfes treiben ,

-   Abdampfturbinen, die mit Generatoren (Turbo-Generator) gekoppelt sind und der Zwischendampf mit dem gewonnene Strom überhitzt wird.     

[Turbo-Georg]

Liebe Dampf-Freunde, liebe Leser,

hier nun die ersten zwei, der vier Beispiele der Bauformen von Dreifach-Expansionsmaschinen mit erhöhtem Wirkungsgrad.

Wir sehen jeweils eine vereinfachte Draufsicht mit den wichtigsten Bau-Komponenten zur Darstellung der Dampftemperaturen auf dem Weg des Dampfes durch die Maschine, sowie in einem Ausschnitt des Mollier- bzw. h-s-Diagramms den Verlauf der Expansionslinien.
Die Expansionslinien der einzelnen Zylinder sind zum besseren Verständnis farbig angelegt:
Hd-Zylinder in Gelb,
Md-Zylinder in Orange,
Nd-Zylinder in Rot und ggf.
Abdampfturbinen in Magenta.
Die jeweiligen theoretischen Expansionslinien sind in Grau gezeichnet.

Die Beispielmaschinen verfügen an den Hd- und Md-Zylindern über Ein- bzw. Auslassventile System Lentz und an den Nd-Zylindern über Penn-Flachschieber.

Wir beginnen mit dem Beispiel 1, einer
Heißdampf-Dreifach-Expansionsmaschine.

Wir ersehen aus der Zeichnung (Bspl. 1), dass der Frischdampf mit einer Temperatur von 292 Grad Celsius am Manövrierventil ansteht und über das Einlassventil V1 in den Hd-Zylinder gelangt.
Über das entsprechende Auslassventil V2 strömt der teilweise entspannte Dampf mit 182 Grad Celsius in den ersten Receiver und zum gegebenen Steuerzeitpunkt von hier über das Einlassventil V3 in den Md-Zylinder. Nach dem zweiten Schritt der Entspannung verlässt der Dampf mit einer Temperatur von 115 Grad Celsius den Md-Zylinder über das Ventil V4 und strömt in den zweiten Receiver, um von hier über den Penn-Steuerschieber S in den Nd-Zylinder zu gelangen. Letztendlich strömt der Dampf nach dem dritten Schritt seiner Entspannung über die Abdampfkanäle des Penn-Schiebers in den Kondensator.

Ausgangspunkt im zugehörigen h-s-Diagramm-Ausschnitt (Bspl. 1) ist Heißdampf von etwa 16 at_a mit einer Überhitzungstemperatur von 300 Grad Celsius. Am Eingang des Hd-Zylinders (gelb) beträgt der Dampfdruck 15,2 at_a bei 292 Grad Celsius. Der Dampf tritt mit 5,2 at_a und etwa 180 Grad Celsius in den Md-Zylinder (orange) und mit rund 1,7 at_a bei etwa 110 Grad Celsius in den Nd-Zylinder.
Beim Überströmen in den jeweils nächsten Zylinder entstehen geringfügige Verluste.
Im Kondensator herrscht ein Druck von 0,15 a_ta, also ein Vakuum von 85%.

Die theoretischen Wärmegefälle h_t der einzelnen Zylinder, also ohne Verluste, belaufen sich auf:
Hd = 57 + Md = 51 + Nd = 85 kcal/ kg, zusammen 193 kcal/kg und
die wirklichen (indizierten) Wärmegefälle h_i auf:
Hd = 48 + Md = 39 + Nd = 44 kcal/kg, zusammen 131 kcal/kg.

Es ergeben sich folgende Gütegrade (η_g = h_i : h_t):   
Hd = 0,84, Md = 0,76, Nd = 0,51.

Die mittlere Güte ist 0,70

Beispiel 2, eine
Dreifach-Expansionsmaschine mit Zwischenüberhitzung.

Die Zeichnung (Bspl. 2) zeigt uns, dass der Frischdampf nun auf 400 Grad Celsius überhitzt ist. Dieser Heißdampf kann nicht unmittelbar im Hd-Zylinder verarbeitet werden.
Er durchläuft auf seinem Weg zum Manövrierventil zuerst den Zwischendampf-Überhitzer und übergibt hier Wärme an den Dampf, der aus dem Hd-Zylinder in den Md-Zylinder strömt.
Der Frischdampf vor dem Manövrierventil hat wiederum 292 Grad Celsius, er wurde also um mehr als 100 Grad Celsius ,,abgekühlt". Der Dampf tritt demnach wie im Bspl. 1 auch mit 182 Grad Celsius aus dem Hd-Zylinder aus, nunmehr aber mit 285 Grad Celsius in den Md-Zylinder. Hierdurch ist auch die Dampftemperatur im zweiten Receiver mit 165 Grad Celsius höher als im Bspl. 1.
Der Kondensatordruck beträgt 0,15 at_a.

Im h-s- Diagramm-Ausschnitt (Bspl. 2) sehen wir, durch den Pfeil A gekennzeichnet, den Verlauf der ,,Abkühlung" des Frischdampfes von 400 auf 292 Grad Celsius am Eingang des Hd-Zylinders, durch Wärmeübergabe (Pfeil B) an den Zwischendampf. Wir sehen auch, dass die Expansionslinien von Md- und Nd-Zylinder (orange und rot) in das Heißdampfgebiet verschoben wurden und somit der negative Einfluss zunehmender Dampfnässe entfällt.

Die theoretischen Wärmegefälle h_t der einzelnen Zylinder belaufen sich auf:
Hd = 56 + Md = 59 + Nd = 92 kcal/kg, zusammen 207 kcal/kg und
die wirklichen (indizierten) Wärmegefälle h_i auf:
Hd = 47 + Md = 49 + Nd = 55 kcal/kg, zusammen 152 kcal/kg.

Es ergeben sich folgende Gütegrade (η_g = h_i : h_t):   
Hd = 0,84, Md = 0,83,  Nd = 0,59.

Die mittlere Güte ist 0,75

Demnächst zwei Beispiele mit Abdampfturbine.