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Die Dampflokomotive begründete die Entstehung der Eisenbahn. Sie war das erste Zugmittel welches genügend Leistung mit kompakter Bauform vereinen konnte und so die Eisenbahn in neue Leistungsvermögen brachte. 1815 von Steven Müller auf die Gleise gestellt wurde sie kontinuierlich weiterentwickelt bis sie ab ungefähr 1960 immer mehr abgelöst wurde, zuerst von der E-Lok später auch immer mehr von der Diesellok. Stevenson baute nicht die erste Dampflok, aber die erste die sich durchsetzte.
Energieumwandlung
Die Dampflok wandelt chemische Energie gebunden in einem fossilen Energieträger wie Kohle oder Öl in mechanische Energie um. Dazu verbrennt sie den Energieträger und überträgt die Wämeenergie auf Wasser welches verdampft. Der gewonnene Dampf wird über Kolbenmaschinen oder Turbinen entspannt und dabei die Wärme in mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie kann man nun auf die Achsen übertragen und die Lok in Bewegung versetzen. Die meisten Dampfloks haben eine einfache Rostfeuerung mit flachem Feuerbett. Es gab auch Bauformen die mit Kohlenstaub und einem Brenner arbeiteten, oder mit einer Ölfeuerung. Dann kam ein spezieller Schwerölbrenner zum Einsatz, in dem das Schweröl vorgeheizt und durch einen Dampfstrahl zerstäubt werden musste. Bei ungenügender Kohle kann auf den Rosten ein totes Feuerbett aus Steinen errichtet werden , dass das Durchrieseln der feinen Braunkohle verhindert.
Luft und Rauchführung
Die Größe der Schornsteine ist durch das Lichtraumprofil eingeschränkt. Nach den bauchigen Schornsteinen der amerikanischen Lokomotiven wurden der Dampfbläser erfunden. Die nach dem Injektorprinzip arbeitenden Bläser sitzen am Boden der Rauchkammer und blasen durch den Schornstein. Dabei tritt an der Oberfläche das strömenden Gases eine Querkraft auf die das umgebende Medium mitreißt. Die meisten Bläser arbeiten mit dem Abdampf der Maschine, weil der nur während der Fahrt und nicht im Stillstand zur Verfügung steht, ist noch ein Hilfsbläser eingebaut der aus einem Rohring mit Blaslöchern um den Hauptbläser besteht. Die Frischluftzuführung erfolgt zwischen Aschkasten und Feuerrosten unterhalb der Roste. Geregelt wird die Luftzufuhr mit Luftklappen.
Die Energieübertragung im Dampfkessel
Die bei der Oxydation des chemischen Energieträgers frei werdende Wärmeenergie wird an den Wänden der Feuerbüchse und durch die über 100 Rauch und Heizrohre des Langkessels an das Wasser übertragen. Das verdampfende Wasser sammelt sich im Dampfraum und dem Dampfsammeldom. Bei der Weiterleitung zu den Dampfmaschinen geht der Dampf noch ein Umweg über so genannte Überhitzerelemente. Die Überhitzerelemente sitzen als Rohrbündel in den Rauchrohren. Von dort geht es zum Haupteinströmrohr der Dampfmaschine.
Dampfdiagramm
An dieser Stelle müssen wir ein paar Worte über das Dampfdruck Temperaturdiagramm verlieren. Der bei der Verdampfung entstehende Dampf ist so genannter Nassdampf der trotz des Drucks eine Menge feinster Wassertropfen enthält und nur eine Temperatur von 200 Grad Celsius aufweist. Durch die Überhitzung wir der Dampf auf eine Temperatur von 300 bis 400 Grad angehoben und die Wassertropfen verdampft. Ohne Drucksteigerung ist jetzt viel mehr Energie im Dampf enthalten. Durch die Expansion des Dampfes in der Dampfmaschine kühlt der Dampf ab und die Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Die Expansion kann solange weiter gehen, bis der Umgebungsdruck erreicht ist. Allerdings hört man bei Dampfloks eher auf, um Kondensationsschäden zu vermeiden.
Wir sprachen von einer Temperatur von 170 Grad Celsius für den Nassdampf, wie kommen wir auf diese Temperatur wenn doch Wasser bei 100 Grad Celsius kocht und verdampft. Der Überdruck im Kessel verhindert das Kochen des Wassers, die Siedetemperatur steigt in diesem Bereich des Diagramms noch linear mit dem Druck an. In dieser Eigenschaft ist auch die Gefährlichkeit des Dampfes begründet. Wird der Druck im Kessel abgesenkt, so muss auch die Temperatur des Dampfes abfallen, jetzt ist aber die Wassertemperatur zu hoch für den Druck und das Wasser beginnt nachzuverdampfen bis sich das Gleichgewicht wieder herstellt. Bricht der Kessel geht das gesamte Wasser schlagartig in Dampf über, das Volumen vergrößert sich um ein mehrfaches und die in Wärme gespeicherte Energie wird als mechanische Energie freigesetzt.
Kolbendampfmaschine der Dampflok
Die Maschine der Dampflok besteht aus doppelt wirkendem Zylinder, Kreuzkopf und Schieber mit Schieberkasten. Der Zylinder wird abwechselnd von vorn oder hinten mit Dampf beaufschlagt. Die Bewegung des Kolbens wird auf die Kolbenstange übertragen die mit der Treibstange des Fahrwerks verbunden ist. Mit dem Rad das am Umfang einen Zapfen hat und dem Kreuzkopf entsteht so ein Kurbeltrieb der die translatorische Bewegung der Dampfmaschine in eine rotierende Bewegung umwandelt.
Soweit ganz einfach, aber eine Dampflokmaschine muss an die Bedingungen des Lokbetriebes angepasst werden. Sie muss Anfahren können mit hoher Zugkraft und eine hohe Endgeschwindigkeit erreichen, dazu muss die Fahrtrichtung umkehrbar sein. Dies alles wird mit der Steuerung und den Schiebern realisiert. Die Schieber eilen dem Zylinder je nach Fahrtrichtung vor und geben den Dampfweg frei. Ist der Schieber offen so wird der Kolben mit Dampf beaufschlagt. schließt der Schieber so kann nur noch der vorhandene Dampf expandieren. durch Öffnen der Gegenseite wird die Gegenbewegung des Kolbens hervorgerufen.
Mit diesen einfachen Vorgängen lässt sich nun ein hohe Anfahrzugkraft durch lange Dampffüllzeiten über den Kolbenweg erreichen. Durch Verminderung der Füllzeiten bei hoher Geschwindigkeit wird der Dampfverbrauch reduziert. Der Dampf benötigt im thermischen Prozess eine gewisse Zeit um zu expandieren. Bei schneller Kolbenbewegung länger als 10% des Kolbenweges Dampf zu füllen, ist Verschwendung. Damit kann schneller gefahren werden, als die theoretische Dampfleistung des Kessels bei voller Füllzeit es zulässt. Durch Umsteuern der Füllreinfolge kann die Gegendrehrichtung erzwungen werden. Damit eine Dampflok aus jeder Stellung anfahren kann, sind die Kolben nicht um 180° sondern um 120° oder 90° versetzt angeordnet, je nach dem ob es sich um eine 2 oder 3 Zylindermaschine handelt. Der Lokführer hat die Möglichkeit über den Druck im Schieberkasten und den Füllweg die Leistung der Dampfmaschine einzustellen. Einen gegengesteuerten Dampfdruck verwendete man auch als Gegendampfbremse um den Zug zu bremsen.
Regler
Der Regler regelt den Dampfdruck im Schieberkasten. Der Regler besteht aus Hilfs- und Hauptkolben. Der Lokführer betätigt einen kleinen Hilfskolben an dem der Kesseldruck anliegt. Durch die Vorsteuerung dieses Drucks wird der Hauptkolben nachgeführt der den Schieberkasten füllt.
Pumpen
Jeder Dampfkessel muss mit zwei unabhängig wirkenden Kesselspeisepumpen ausgerüstet sein. Zur Ausführung kamen gewöhnlich Kolbenpumpen oder Injektorpumpen. Die Injektorpumpe arbeitet wie der Bläser. Ein Dampfstrahl reißt Wasser in der Injektorkammer mit und drückt es in den Kesselraum. Dabei muss an den Düsen eine Druck zu Geschwindigkeit und wieder eine Geschwindigkeit zu Druck Umwandlung stattfinden um den Kesseldruck wieder überwinden zu können. Die primäre Pumpe ist gewöhnlich eine doppelt wirkende Kolbenpumpe. Ein beidseitig mit Dampf beaufschlagter Dampfkolben treibt einen kleineren parallelgeschalteten Wasserkolben an der das Wasser in den Kessel drückt.
Fahrwerk
Die Ingenieure stehen bei der Entwicklung einer Dampflok vor weitreichenden Entscheidungen in der Konstruktion. Wird die Dampfmaschine als Einzelmaschine ausgelegt, so muss die Kraft doch über mehrere Achsen auf die Schiene übertragen werden, weil die begrenzte Haftreibung zwischen Rad und Schiene bei der Paarung Stahl auf Stahl nicht ausreichend wäre. Das wiederum bedingt eine mechanische Kupplung der Antriebsachsen mit begrenzter Beweglichkeit der Achsen. Die Drehmomentenwandlung und die geforderte Höchstgeschwindigkeit erzwingen einen Kompromiss zwischen der Größe der Räder und der erzielbaren Anfahrzugkraft. In der Regel werden nicht mehr als 4 bis 5 Achsen starr gekuppelt. Durch die eingeschränkte Beweglichkeit leidet die Bogenfahrfähigkeit des Fahrwerks. Dem wird durch leichte Seitenverschiebbarkeit der Achsen im Rahmen und durch geschwächte Spurkränze auf den inneren Radsätzen entgegengewirkt. Die Anfahrzugkraft wird bestimmt durch Kolbendurchmesser, Dampfdruck, Raddurchmesser des Treibrades und Anzahl der Zylinder. Alle Parameter sind begrenzt. Beim Dampfdruck hat man sich bei 16 bar Betriebsdruck geeinigt. Es gab auch Dampfloks mit höherem Druck, aber hier wurden die Instandhaltungskosten über die Laufzeit unverhältnismäßig groß. Die Zahl der Zylinder lässt sich aus dem Platzmangel im Lichtraumprofil nicht über 4 steigern. Der Raddurchmesser ist entscheidend für die Höchstgeschwindigkeit, weil die Unwuchten der bewegten Massen im Kurbeltrieb nicht vollständig aufgefangen werden können, das führt zu Hopsern des Laufwerks bei zu hoher Geschwindigkeit. Eine weiter Geschwindigkeitssteigerung lässt sich nur mit einem größeren Raddurchmesser bei kleineren Anfahrzugkräften ermöglichen. Kolbendurchmesser und Anzahl ist auch eine Instandhaltungsfrage, es gab Exemplare die mit einer Hochdruckdampfstufe und einer Niederdruckdampfstufe versuchten das Arbeitsvermögen des Dampfs besonders gut auszunutzen, aber die Instandhaltungskosten steigen dabei an. So haben sich Zweizylinderloks oder Dreizylinderloks mit nur einer Expansionsstufe durchgesetzt.