Ansichten der Kompletten Maschinenanlage

Ansichten der Verbunddampfmaschine mit Ventilsteuerung

Schwungradgenerator, Zentrifugalregulator, Zylinderschmierapparat, manuelle Durchdrehvorrichtung

 Schalttafel, "Maschinen Anfahrstand",  Werkbank und Regal mit Maschinenteilen     

Technische Daten:

Abmessungen:    

Gesamtlänge         :  505 mm

Gesamtbreite        :  345 mm

Gesamthöhe          :  295 mm

Gewicht                :  19,5 kg

Maßstab                :  1 : 22,5 (Hierzu gibt es jedoch keine entsprechende Originalmaschine)

Baujahr                 :  2014 (Fertigstellung)

Ausführung:

Ventilgesteuerte Verbund-Dampfmaschine mit Schwungradgenerator

Modell mit zwei doppelwirkenden Zylinder, liegend in Zwillingsanordnung,

Zylinderbohrung:   HD = 18 mm, ND = 28 mm, Hub: 33 mm,

Zylinder mit eingeschrumpften Bronze-Zylinderlaufbuchsen,

Kolben mit je zwei Kolbenringen.

Dampfsteuerung HD- und ND-Zylinder durch metallisch dichtende Ventile, Betätigung mittels Exzenterwellen, Schieberstangen und Kipphebel.

Wälzgelagerte Kurbelwelle, Kurbellager und Steuerwellen.

Von der Steuerwelle angetriebener Zentrifugalregulator, welcher über ein Gestänge auf ein Drosselventil wirkt.

Eine über Ratschenantrieb angetriebene Zylinderschmierpumpe mit 2 Schmierstellen zur Versorgung der Zylinder mit Schmieröl.

Manuelle, mechanische Durchdrehvorrichtung (Klinken-Schaltwerk),

Abdampfkondensator ø 50 mm, 100 mm hoch, mit Schornstein,

Schwungrad-ø 115 mm mit Konusklemmung.

Auf der Kurbelwelle der Maschine ist ein weiterer 3-Phasen-Wechselstromgenerator des Typs Generator GL-AM10G  als "Schwungradgenerator" montiert.

Rotor      : 32 Permanentmagnete 25x4x2 mm auf Träger ø 49 mm,

Stator     : 12 Spulen mit je 80 Windungen im Blechpaket.

Erregereinrichtungsattrappe mit 6 Kohlehaltern,

Schaltschrank mit Messerschaltern, Volt- und Amperemeter,

Zwei funktionsfähige Lampen in der mit Mauerwerk (Backsteinmauerwerk im Blockverband) verkleideten Maschinenhalle.

Ferner ist im Maschinenhaus noch eine Werkbank mit Schraubstock, ein Regal mit vielen Ersatzteilen und Werkzeugen, sowie ein Bock mit einer Reserve Schubstange und HD-Kolbenstangeneinheit untergebracht.

Oberflächenbehandlung:

Die Teile der Maschine sind hauptsächlich mattschwarz, stein-grau (Fundamente) purpurrot (Schwungrad innen), eisenglimmer dunkelgrau (Schaltschrank und Lampen) und moosgrün (Kondensator) pulverbeschichtet. Die Messing und Stahlteile sind vorwiegend brüniert (Schwarzbeize), einige Teile auch glanz-verzinnt und manche auch nur poliert und/oder leicht geölt.

Der Aufbau und die Wirkungsweise dieser doppelwirkenden Verbunddampfmaschine mit Ventilsteuerung:

Bei der doppelwirkenden Dampfmaschine erfolgt während einer Kurbelumdrehung auf jeder Seite des Kolbens ein Arbeitsprozess. Die Dampfsteuerung erfolgt zwangsläufig durch je ein Ein- und Auslassventil in jedem Arbeitsraum. Auf jeder Zylinderseite befindet sich eine durch ein Kegelradpaar angetriebene Steuerwelle. Die einzelnen Ventile werden von Exzentern über die Schieberstange und Kipphebel betätigt.

Die Einlassventile sind von Oben und die Auslassventile von Unten in die Zylinder montiert.

Die Einlassventile sind als Tellerventile ausgeführt, welche von oben mit Dampf beaufschlagt und durch den Dampfdruck gegen den Ventilsitz gedrückt werden. Die Auslassventile sind normale Sitzventile, wie sie auch in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, welche zum Zylinderraum hin öffnen.

Der Zentrifugalregulator regelt die Drehzahl der Maschine in dem er, über einen Hebelmechanismus und eine Gestänge, auf ein Drosselventil vor dem Dampfeingang zum HD-Zylinder wirkt.

Die Arbeitskolben sind über die Kolbenstangen mit den Kreuzköpfen verbunden und die Kreuzköpfe sind mit Schubstangen an die um 90° gekröpfte Kurbelwelle gekuppelt. Die Kreuzköpfe laufen in Führungen in den Bajonettrahmen. Sie dienen der Abstützung des Momentes vom Kurbeltrieb und somit der Entlastung der Kolbenstange.

Die Besonderheit bei der Verbunddampfmaschine ist hierbei, dass der Frischdampf zuerst in den Hochdruckzylinder (HD-Zylinder) eintritt, dort während des Arbeitshubes expandiert und dann über das Auslassventil in das Zwischenpufferrohr (Receiver) gelangt. Von dort aus wird der Niederdruckzylinder (ND-Zylinder) gespeist und der Dampf nach einer weiteren Expansion im Arbeitsraum über das Auslassventil in den Abdampfkondensator geleitet. 

Die Vorgänge während einer Umdrehung der ventilgesteuerten Verbunddampfmaschine:

Kurz vor dem hinteren Totpunkt des Kolbens im kurbelseitigen Zylinderraum beginnt der Einlassexzenter das Einlassventil zu öffnen, der Frischdampf kann auf der Kurbelseite in den HD-Zylinder einströmen und bewegt den Kolben nach vorne. Schon weit bevor der Kolben den vorderen Totpunkt erreicht hat wird das Einlassventil geschlossen und der Dampf im Zylinder kann noch ein wenig expandieren. Nachdem der Kolben den vorderen Totpunkt durchlaufen hat, wird das Auslassventil geöffnet und der Dampf kann über den Auslasskanal aus dem Zylinder in den Zwischenpuffer entweichen. Eine gewisse Zeit vor dem Erreichen des hinteren Totpunktes wird das Auslassventil wieder geschlossen und der im Zylinderraum befindliche Restdampf wird nun ganz leicht komprimiert. Wenn die Maschine im hinteren Totpunkt angekommen ist beginnt der Zyklus von neuem. Der Prozess in dem deckelseitigen Zylinderraum erfolgt mit einem 180° entsprechenden Phasenversatz.

Durch den 90° Versatz der Kurbelzapfen von der HD- und ND-Seite kann der vor entspannte Dampf aus dem HD-Zylinder im Zwischenpuffer kurz verweilen. Kurz nach dem hinteren Totpunkt des Kolbens im kurbelseitigen Zylinderraum gelangt der Dampf dann über das Einlassventil in den ND-Zylinder und bewegt den Kolben nach vorne. Auch hier wird schon weit bevor der Kolben den vorderen Totpunkt erreicht hat das Einlassventil geschlossen und der Dampf im Zylinder kann weiter expandieren. Nachdem der Kolben den vorderen Totpunkt durchlaufen hat, wird das Auslassventil geöffnet und der Dampf kann über den Auslasskanal aus dem Zylinder in den Abdampfkondensator entweichen. Eine gewisse Zeit vor dem Erreichen des hinteren Totpunktes wird auch hier das Auslassventil wieder geschlossen und der im Zylinderraum befindliche Restdampf wird ebenfalls ganz leicht komprimiert. Wenn die Maschine im hinteren Totpunkt angekommen ist beginnt auch auf der ND-Seite der Zyklus von neuem. Im ND-Zylinder erfolgt der Prozess im deckelseitigen Zylinderraum ebenfalls mit einem 180° entsprechenden Phasenversatz.

Besonderheiten:

Der bauliche Aufwand von ventilgesteuerten Dampfmaschinen ist gegenüber den oszillierenden und den schiebergesteuerten Maschinen wesentlich größer (mehr Teile und erheblich aufwendigere Einstellung).

Der Arbeitskolben ist zur besseren Abdichtung mit je zwei PTFE-Kolbenringen bestückt und die Kolben- und Ventilstangen mit Stopfbuchsen (Runddichtringen) abgedichtet.

Diese Maschine ist, bei Verwendung eines gesonderten Anfahrventils für den ND-Zylinder, selbstanlaufend (Doppelwirkend und 90° Kurbelwellenversatz).

Die Dampfmaschine hat bedingt durch die feste Einstellung der Exzenter nur eine Drehrichtung. 

Die Maschine benötigt zur Überbrückung der Totpunkte und zur Harmonisierung des Laufes ein Schwungrad.

Die beiden Balkenrahmen waren Gussteile aus dem Sortiment von Torsten Schür (TSM-L30). Hier habe ich jedoch, um einen größeren Hub zu erreichen, einige Änderungen vorgenommen. Die sonstigen Teile (bis auf die Wälzlager, die Zahnräder und die Modellbauschrauben) der Maschine wurden aus Stangenware, bzw. aus Halbzeugen angefertigt.

Bis auf einige Teile der Zylinder habe ich die Maschine, auch anhand verschiedener Vorlagen, komplett konstruiert. Hierzu wurden auch diverse Teile mit CAD gezeichnet. Einen vollständigen Bauplan dazu habe ich jedoch, auch auf Grund der Komplexität, nicht erstellt.

Nachtrag:

Da es bei verschiedenen Ausstellungen schon Probleme mit der Druckluft (konstanter und ausreichender Druck) gab und die Maschine dann nicht ganz "rund" lief habe ich sie von Verbund- auf Volldruck-Betrieb umgebaut. D.h. beide Zylinder sind nun als ND-Zylinder ausgeführt und der HD-Zylinder ziert nun "nur noch" das Maschinenhaus.

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Stand: 31. Dezember 2023