Oszill. 2-Zyl. Dampfmaschine für Seitenrad-Dampfer

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbaufreunde,
in meinem Beitrag
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,21130.0.html
habe ich direkt am Anfang eine stehende 2-Zylinder Schiffsmaschine vorgestellt, die weder über äußere Steuerorgane wie Exzenter, Schieberstangen oder Schieber verfügt, noch über die recht schwierig herzustellenden Stevenson-Kulissen zur Umsteuerung.
Ich habe diesen Entwurf in einschlägigen Foren präsentiert und hatte dabei Schiffs-Modellbauer im Auge, die eine echte Alternative zu den mehrheitlich verwendeten, sehr einfachen ,,Oszies" suchen, aber den Aufwand einer Stevenson-Steuerung scheuen bzw. denen die nötige technische Ausrüstung oder die Erfahrung zum Selbstbau fehlen.

Ich wurde sehr früh mit der Frage konfrontiert, ob dieser Entwurf auch in liegender Bauweise z.B. für Seitenrad-Dampfer verfügbar ist.
Darauf habe ich mich der Unterstützung erfahrener Dampf-Schiffsmodellbauer versichert, um mit ihnen gemeinsam einen entsprechenden Entwurf zu erarbeiten; unter ihnen unser neues Mitglied Gerharddampf.
Im Anhang findet ihr eine entsprechende Entwurfszeichnung und Bilder vom Bau eines Prototyps. Im Gegensatz zu dem oben genannten Demo-Modell für Druckluftbetrieb,  ist dieser Entwurf für den Betrieb mit Echtdampf.
Wie ihr seht handelt es sich um eine schräg liegende 2-Zylinder Maschine mit Kreuzköpfen und entsprechenden Geradeführungen als leicht herzustellende Drehteile. Nach meiner Kenntnis ist sie für Gerhards Schaufelradschlepper ,,Eppleton Hall" gedacht.

Für sein zukünftiges Projekt ,,Rad-Korvette Danzig" waren wir uns aber einig, dass in das Modell eines so schönen alten Schiffes, zumindest zeitgenössisch anmutende Dampfmaschinen gehören. Die ,,Danzig" verfügte bekanntlich über zwei oszillierende 2-Zylinder-Maschinen. Hierüber später mehr.

[Turbo-Georg]

Seit vielen Jahren sind es die Schiffsdampfmaschinen, die mich im besonderen Maße faszinieren. Ich muss aber zu meinem Bedauern gestehen, dass meine Hauptinteressen im Wesentlichen den Maschinen der Seeschiffe der letzten hundert Jahre galten. Ich habe zu diesem Thema in meinen Veröffentlichungen bzw. in diesen Forum hierüber berichtet.
Siehe:   Schiffs-Dampfmaschinen
Dem aufmerksamen Leser diese Beitrags wird nicht entgangen sein, dass dabei ein bestimmter Typ von Schiffsmaschinen von mir aus heutiger Sicht, sträflich vernachlässigt wurde, nämlich die Maschinen der früher auch See gehenden, später aber vorwiegen auf den großen Strömen und Flüssen sowie den großen Binnenseen Europas beheimateten Seitenrad-Dampfer.

Angeregt durch Raddampfer-Freunde habe ich mich der Herausforderung gestellt, nach einer Vielzahl von Konstruktionen anderer Bauformen, nunmehr eine Modelldampfmaschine speziell für Seitenrad-Dampfer zu entwickeln.
Bevor ich meine Konstruktion vorstelle, jedoch einige Anmerkungen zum Thema Raddampfer-Maschinen.

Ein besonders augenfälliges Merkmal dieses Maschinentyps ist die oben liegende Kurbelwelle. Während bei Maschinen für Schraubenantrieb die Welle unterhalb der Wasserlinie liegen muss, liegt sie bei Seitenraddampfern oberhalb, in der Regel auf der Höhe des Hauptdecks.
Wenn wir die alten Balancier- und Seitenhebelmaschinen aus den Anfängen der Schiffsdampfmaschinen außer Acht lassen, waren es im Wesentlichen zwei Bauformen die sich hierbei bewährten.
Es war einerseits die schräg liegende Bauweise mit Kreuzköpfen auf Gleitbahnen zur Geradeführung und andererseits die Bauweise mit stehend schwingenden (oszillierenden) Zylindern. Letztendlich zwei unterschiedliche Verfahren, die lineare (hin und her) Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umzuwandeln.
Die ersten brauchbaren Maschinen beider Bauformen kamen am Ende der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts vorwiegend aus England und waren reine Volldruck-Maschinen. Im Laufe der nächsten drei Jahrzehnte wurden aus wirtschaftlichen Gründen bei diesen Bauformen zuerst die einfache Expansion und etwas später auch die Zweifach-Expansion eingeführt. Dieser Maschinentyp wurde auch als Verbund- bzw. Compoundmaschinen bezeichnet.
Beim Verbundbetrieb wurde durch die bessere Ausnutzung der Dampf-Energie Brennstoff gespart.
Verbund- bzw. Compoundmaschinen erkennt man an den unterschiedlichen Durchmessern ihrer Zylinder; sie hatten zwei Zylinder, einen so genannten Hochdruck-Zylinder (Hd) und einen entsprechenden Niederdruck-Zylinder (Nd).
Die Wärmeenergie des Dampfs wird in beiden Zylindern stufenweise in mechanische Arbeit umgewandelt. Hierzu muss der Dampf über so genannte Receiver (Dampf-Zwischenspeicher) von Hd-Zylinder zum Nd-Zylinder ,,weitergereicht" werden.
Die ,,Zwischenspeicherung" ist notwendig, da durch den Kurbelversatz  die jeweiligen Auslass- bzw. Einlasszeitpunkte nicht identisch sind. Der Kurbelversatz ist erforderlich, damit die Maschine in jeder Kurbelwellenstellung anspringt.

Diese Schiffsmaschinen wurden anfänglich fast ausschließlich mit Muschel-Schiebern gebaut, aber es gab um 1850 herum auch bereits die ersten, durch Ventile gesteuerten, liegenden oder schräg liegenden Kreuzkopf-Maschinen. Dabei kamen die verschiedensten Steuer-Systeme zum Einsatz. Diese Steuerungen mussten die für Schiffsmaschinen notwendige Fähigkeit besitzen, zum Manövrieren die Maschine auf eine gegensätzliche Drehrichtung umzusteuern.

[Turbo-Georg]

Wer letztlich die oszillierende Dampfmaschine erfunden hat, ist nicht mehr feststellbar. Vermutlich war es der Engländer Richard Trevithnik; als erste Erbauer werden hingegen seine Landsleute Manby und Murdock genannt. Mit Sicherheit nachweisbar sind bereits 1823 die geneigte Flussdampfer-Maschine von Cavé, Paris und 1828 die etwas größere, aufrecht oszillierende Maschine für den Raddampfer ,,Endeavour", erbaut von Maudslay. 
Ihren Durchbruch erlangte diese Bauweise jedoch erst in den dreißiger Jahren durch den Konstrukteur John Penn mit der Einführung der nach ihm benannten Penn'schen Kulisse. Durch sie konnte die Steuerung von oszillierenden Maschinen für die Praxis brauchbar gestaltet werden. Sie erlaubte den Ausgleich der Pendelbewegung der, mit den Zylindern schwingenden Schieber. Die, am Zylinder beweglich montierten, gebogenen Lenker der Schieberstangen wurden hierzu über Hebel mit dem Gleitstein der Penn'schen Kulisse verbunden. Die wiederum über eine ausklinkbare Stange mit dem Steuer-Exzenter verbunden war und an den Stützsäulen auf und ab glitt. Die Exzenter waren als loser Schlepp-Exzenter ausgelegt. Zum Umsteuern der Maschine wurden die Stangen ausgeklinkt und die Schieber über die Penn'sche Kulisse von Hand verstellt. Diese umständlichen Umsteuer-Manöver der  Maschinen mit Penn'schen Steuer-System entfielen erst nach Kombination mit zusätzlichen Stevenson-Schwingen und ihren zwei festen Steuerexzentern.
Im Anhang ein Foto des Hd-Zylinders des Elbdampfers ,,Meissen" mit dem Hd-Schieber und seinem bogenförmigen Lenker. Das zweite Foto zeigt die Steuerung. Ihr seht, die Penn'sche Kulisse an den Stützsäulen und darüber die durch eine Spindel zur Fahrtrichtungs-Änderung verstellbare Stevenson-Kulisse.

[Gerharddampf]

Hallo Georg
Vielen Dank für Deine Lobende Erwähnung, aber die Hauptarbeit machst ja nach wie vor Du!!
Ich bin "nur" der Modellbauer, der sich halt bemüht, so gut als irgend möglich zu Bauen. Da aber ja bis zum Baubeginn der Danzig noch etwas Wasser die Donau runterfliesst, haben wir ja noch genügend Zeit, um uns eingehend mit der Technik der stehenden oszillierenden Schiffsmaschine zu befassen.  In der Danzig habe ich jedenfalls genügend Platz, um 2 Maschinen mit den dazugehörenden Kessel(n), Gasvorrat und Leitungen unterzubringen. Bei der Eppleton Hall schaut das etwas anders aus, ihr Rumpf ist recht schmal und auch relativ nieder, sodass ich mir dort jeden Millimeter genau überdenken muss. Vor Allem sollte ich ja auch bei ihr 2 Mascinen unterbringen, um eine "Artgerechte" Steuerung zu erreichen, ich möchte kein überlanges Ruder statt der getrennten Ansteuerung der Räder bauen. Da kann es gut sein, dass ich statt "unserer" liegenden Zweizylinder-Maschine 2 Boxer-Oszis aus eigener Konstruktion einbauen muss. Die sind zwar länger, aber dafür wesentlich schmaler, und liessen sich so leichter im Rumpf unterbringen.
LG Gerhard

[Turbo-Georg]

Hallo Gerhard, hallo Modellbauer,
trotz intensiver Recherche ist mir bisher nicht gelungen, den Hersteller der Dampfmaschinen der ,,Danzig" heraus zu finden. Ich habe ernsthafte Zweifel, dass es sich um eine in Preussen hergestellte Maschine handelt, auch die Aussage von Wiki, dass es sich um Expansionsmaschinen handelt, fand ich nirgends bestätigt. Vielleicht verfügst du oder ein Foren-Mitglied über aussagekräftiges Material.

[Gerharddampf]

Hallo Georg, Hallo auch an alle Interessierten
Die Danzig hatte englische Maschinen an Bord! Ich habe mir in Vorbereitung auf den Bau das Buch "Erinnerungsblätter an die Königlich Preussische Flotte" von 1902, von L.ARENHOLD,  in einem Nachdruck bei ABE-Books gekauft.
http://www.abebooks.de/?cm_mmc=ggl-_-DE-Branded-Google-_-Branded+Typos-_-abebooks%23
Aber selbst in diesem Buch steht nicht, welcher Maschinentyp nun wirklich verbaut worden war!
Allerdings die wesentlichen Abmessungen, sowie Mannstärke sind erwähnt. Über meine Bemühungen zur Informationsfindung werde ich dann im Baubericht genauer eingehen. Soviel vorweg: es ist gar nicht einfach, über das Schiff etwas in Erfahrung zu bringen.................
Aber deshalb ja auch meine Signatur!
LG Gerhard

[Turbo-Georg]

Hallo Gerhard,
vielen Dank. Du bestätigst mit der Aussage, dass die Maschinen aus England stammen, meine Vermutungen. Ich sehe schon klarer. Auch ist der Begriff ,,Expansionsmaschinen" mehrdeutig.
Es handelt sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Zwillingsmaschinen mit Einfach-Expansion.
Das heißt: Ihre Zylinder waren gleich groß.

[Gerharddampf]

Hallo Georg
Es gab aber schon VOR 1900 auch Dreizylinder - Expansionsmaschinen, hier z.B. von einem Herrn Ziese http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj264/ar264049, sogar in A-Form (umgedrehtes V)
Diese Maschine ist allerdings um ca 30Jahre zu jung für die Dresden Ich bin weiterhin auf der "Netzfahndung" nach Quellen über die Dampfmaschinen der richtigen Epoche!
LG Gerhard

[Turbo-Georg]

Hallo Gerhard,
... in England sogar noch früher.
Solche frühen Mehrfachexpansions-Maschinen sind mir bekannt, aber ich war auf der Suche nach dem vermutlichen Aussehen der ,,Danzig"-Maschinen. Ich bin zwischenzeitlich fündig geworden.
Ich kann die Zeichnungen allerdings nicht ins Netz stellen. Ich hänge sie an eine Email und sende sie dir.

[Gerharddampf]

Hallo Georg
Ich suche noch immer Aber bisher kann ich in der Richtung noch nix vorweisen, ausser dem schon oben gezeigten Buchausschnitt. Und auch über die Farbgebung von Schiff und Maschine habe ich noch nichts aussagekräftiges gefunden! Wird Zeit, dass ich bald meinen Thread zum Bau aufmache!
LG Gerhard

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbauer,
Bei meinen Recherchen bin ich auf einige Darstellungen von Oszillations-Maschinen gestoßen, wie sie für die Zeit des Baues der ,,Danzig" typisch waren.
Neben Maschinen von Penn & Sons aus Greenwich, waren es Maschinen nach dem Penn-System von Caird & Co, Greenock (Schottland) und eher zum Ende der in Frage kommenden Zeit von James Watt & Co in London gebaute Maschinen. 
Wie ihr seht, ausschließlich Maschinen aus England bzw. Schottland.
Maschinen mit der von Penn eingeführten und nach ihm benannten Kulisse wurden von seiner Firma offensichtlich mit unterschiedlichen Zylinder-Abmessungen, nachweislich ab 1843 gebaut und u.a. 1850 auf der englischen Räder-Fregatte ,,Magicienne" mit beachtlichen 1310 PS verwendet.
Diese Maschinen gelten daher als meine Favoriten.
Nach meiner Meinung kamen solche Maschinen mit hoher Wahrscheinlichkeit 1851 auf der ,,Danzig" zum Einsatz, denn die Maschinen von Caird & Co bzw. James Watt & Co, datieren mit 1854 und 1857 um einige Jahre später und verkörpern bereit einige Entwicklungs-Sprünge. So besaßen beide bereits eine Expansionssteuerung über zusätzliche Gitterschieber und die Maschine von James Watt hatte bereits statt der alten Klink-Steuerung eine Stevenson-Kulissen-Steuerung.

Das Prinzip der oszillierenden Zylinder mit der Penn'schen Kulisse hat sich offensichtlich so bewährt, dass es damals kaum unter ,,Innovationsdruck" geriet. Das zeigen auch die frühen Maschinen des aufstrebenden Schiffsmaschinenbaus auf dem europäischen Festland, obwohl man ihm seinerzeit blinde Nachahmung vorwarf. Ein Beispiel ist die Maschine des Raddampfers ,,Gisela", der Prager Maschinenbau AG von 1870, einer nahezu authentischen Maschine nach dem alten Penn-System. Selbst oben gezeigte, deutlich jüngere Maschine des Elbdampfers ,,Meissen" arbeitet mit ihrer Kombination von Penn-Kulisse und Stevenson-Kulissen-Steuerung nach einem Prinzip, dass bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts angewendet wurde.
Video Raddampfer "Gisela"

   

[Turbo-Georg]

Wie oben angeführt, kann ich also bei meinem Entwurf einer in etwa zeitgenössischen Modelldampfmaschine für die ,,Danzig" davon ausgehen, dass es sich bei den Vorbildern um oszillierende 2-Zylinder Niederdruck-Maschinen mit einfacher Expansion handelte.
Demnach waren die beiden Zylinder von gleicher Größe; im Gegensatz zu den späteren Verbundmaschinen, bei denen die Zylinderdurchmesser bekanntlich verschieden waren.

Bei Modell-Dampfmaschinen wäre auf Grund der fehlenden thermodynamischen Voraussetzungen eine Mehrfach-Expansion sowieso nicht realisierbar.
Kurz gesagt, der Dampf mit Modellbau üblichem Druck beinhalten eine zu geringe Expansionsfähigkeit, um diese auf zwei oder gar mehr Zylinder zu verteilen. Darüber hinaus wären die Wärmeverluste bei der Überströmung (Receiver, Steuerorgane) so hoch, dass im Nd-Zylinder keine Arbeit mehr verrichtet wird.
Gelegentlich präsentierte Modelle von Verbundmaschinen sind in Wirklichkeit ,,Mogelpackungen". Durch ein so genanntes Bypass-Ventil wird dem Nd-Zylinder Frischdampf zugeführt; somit ist es in Wirklichkeit eine Zwillingsmaschine mit unterschiedlich großen Zylindern.
Bei einem vorbildtreuen Nachbau würden verschieden große Zylinder im Parallelbetrieb bedeuten, dass die Leistung nicht gleichmäßig verteilt ist und die Maschine ,,unrund" läuft.

Bei oszillierenden Maschinen, müssen Frischdampf und Abdampf, bei Verbundmaschinen ggf. auch der Zwischendampf, jeweils über die durchbohrten Achsstümpfe (...auch Schwungzapfen genannt.) den Zylindern zu- bzw. von ihnen abgeführt werden. Das bedeutet aber, dass die erforderlichen Dampf-Steuerorgane (Schieber) an den Zylindern, deren Pendelbewegung mit vollziehen. Gesteuert werden diese Schieber aber letztlich von Stangen der Exzenter auf der Kurbelwelle. Wie wir wissen, wurde dieses Problem durch die Einführung der Penn'schen Kulisse gelöst; sie gleicht diese Bewegungen aus. 

Warum gehe ich in einem so besonderen Maße auf die Beschreibung dieser Gegebenheiten bei den Vorbildern ein?
Es soll zeigen, wie komplex die Umsteuerung von Oszillations-Maschinen in Wirklichkeit ist und welche immense Herausforderung es selbst für einen äußerst versierten Modellbauer darstellt, solch eine Maschine vorbildtreu nachzubauen.
Die Bauweise der mehrheitlich verwendeten einfachen ,,Oszis" gibt es nur im Modellbau; sie hat mit den Maschinen des Großbetriebs absolut nichts gemein.
Ich habe daher den Versuch unternommen, die Steuerung wiederum so zu vereinfachen, dass sie eine echte Alternative zu diesen ,,Oszis" darstellt und trotzdem von einem möglichst großen Kreis von Modellbauern nachgebaut werden kann.
Die, bei den eingangs genannten Maschinen erfolgreich angewande Kolbenselbststeuerung, mit ihren steuernden bzw. gesteuerten Verbindungen zwischen den Zylinder, ist allerdings bei oszillierenden Zylindern nicht realisierbar.
Die angehangene Zeichnung zeigt den ersten Versuch eines 3-D ähnlich angelegten Entwurfs

[Gerharddampf]

Hallo Georg
Du bist mir eindeutig zu schnell
Bis ich soweit bin, die Maschinen zu bauen, dauert`s  sicher noch lang! Aber schön zu wissen, dass die "Dinger" bis dahin schon durchkonstruiert sein werden:
LG Gerhard

[Turbo-Georg]

Hallo Gerhard,
ich werde mich trotzdem bemühen die Bauzeichnungen zu erstellen, falls andere Modellbauer Interesse zeigen.

[Gerharddampf]

Hallo Georg
Würde mich persönlich freuen, wenn auch Andere noch Interessenten für grade diese Maschine hier wären. Mehr Mitspieler heisst ja auch mehr Ideen, wie etwas dann auch praktisch umgesetzt werden kann.
LG Gerhard