Steuerung (Dampfmaschine)
Die Dampfmaschinensteuerung auch kurz Steuerung genannt ist, der Teil einer Kolbendampfmaschine der das Einströmen des Dampfes in den Zylinder steuert und so einen Hin- und Hergang des Kolbens ermöglicht.
Allgemeiner Aufbau
Bei der Steuerung wird zwischen Innerer und Äußerer Steuerung unterschieden.
Innere Steuerung
Unter Innerer Steuerung versteht man die Teile die unmittelbar mit dem Dampf in Berührung kommen und seine Einströmung in den Zylinder beeinflussen. Das Zentrale Bauteil der inneren Steuerung ist der Schieber. Dieser kann als Flachschieber (Muschelschieber) oder als Rundschieber (Kolbenschieber) ausgeführt sein.
Flachschieber
Der Flachschieber liegt auf einer ebenen Fläche, dem Schieberspiegel auf, in die schlitzförmige Kanäle eingearbeitet sind durch die der Dampf in den Zylinder und aus diesem wieder zurück gelangt. Die Kanäle werden durch die Schieberbewegung abwechselnd mit der Dampfzufuhr und dem Auspuff verbunden. Der Druck des Frischdampfes lastet von oben auf dem Schieber und drückt diesen dichtend auf den Schieberspiegel. Er kann dadurch nur mit erheblichem Kraftaufwand bewegt werden, was ein wesentlicher Nachteil des Flachschiebers ist. Andererseits liegt er jedoch, vom auf ihm lastenden Druck abgesehen, lose auf dem Schieberspiegel auf und kann sich von der Fläche abheben und so eventuelles Kondenswasser aus dem Zylinder auch bei an sich abgeschlossenen Kanälen ablassen. Letzteres ist ein großer Vorteil des Flachschiebers, da dadurch Schäden an der Dampfmaschine durch Wasserschläge verhindert werden können.
Rundschieber
Bei dem Rund- oder auch Kolbenschieber handelt es sich um die zylindrische Ausführung eines Schiebers. Anstelle der ebenen Fläche des Schieberspiegels tritt hier die Wandung einer zylindrischen Bohrung die von den Dampfkanälen durchbrochen ist. Der eigentliche Schieber besteht aus zwei Kolbenkörpern die auf einer gemeinsamen Schieberstange sitzen. Da der Dampf nicht wie beim Flachschieber auf diesem lastet, sondern auf die Flächen der beiden Schieberkolben in gegensätzlicher Richtung wirkt, lässt sich der Kolbenschieber ohne großen Kraftaufwand unabhängig vom Dampfdruck frei bewegen. Da der Kolbenschieber die abgeschlossenen Dampfkanäle jedoch nicht wie der Flachschieber durch Abheben freigeben kann, müssen zusätzliche Maßnahmen zur Vermeidung von Wasserschlägen getroffen werden.
Ventilsteuerung
Anstelle von relativ schweren Schiebern können auch kleine leichte Ventile, wie dies beim Verbrennungsmotor der Fall ist, verwendet werden. Die Ventile werden über schwingende oder rotierende Nocken angetrieben. In ersterem Fall erfolgt der Antrieb wie bei Schiebersteuerung über eine Heusingersteuerung (z.B. Lentz-Steuerung), in letzterem Fall über Kardanwellen (Caprotti-Steuerung, siehe Bild).
Schieberkasten
Der gesamte Schieber mit Schieberspiegel wird vom Schieberkasten umgeben. Der Schieberkasten dichtet diese Teile nach außen hin dampfdicht ab. Der Schieberkasten kann jedoch geöffnet werden um den Schieber zu Wartungs- und Reparaturzwecken auszubauen, und er enthält Öffnungen, durch die die Stellung des eingebauten Schiebers überprüft werden kann. An Schieberkästen können mancherlei Zusatzventile, die zur Inbetriebnahme und für den Leerlauf einer Dampfmaschine notwendig sind, angeflanscht sein.
Steuerung
1 - Gegenkurbel, 2 - Schwingenstange, 3 - Steuerstange, 4 - Hängeeisen, 5, 6 - Steuerstangenhebel, 7 - Schwinge, 8 - Schieberschubstange, 9 - Lenkeransatz am Kreuzkopf, 10 - Schieberstangenführung, 11 - Lenkerstange,12 - Voreilhebel, 13 - Schieberstange, 14 - Kolbenschieber
Als äußere Steuerung bezeichnet man den Teil der Steuerung, der die Bewegung des Schiebers aus der Bewegung des Kolbens ableitet. Es handelt sich dabei meist um ein Gestänge, es sind jedoch auch Ausführungen von Nockenantrieben wie bei Verbrennungsmotoren möglich. Die äußere Steuerung bewirkt, dass sich der Schieber in einer um 90° zur Kolbenbewegung versetzten Phase bewegt. Die Äußere Steuerung kann auch eine veränderliche Hebelübersetzung enthalten, durch die der Hub des Schiebers während des Betriebs verändert werden kann, man spricht dann von einer Kulissensteuerung. Durch die Umkehr der Bewegungsrichtung des Schiebers wird die Drehrichtung der Maschine geändert.
Bevor umstellbare und regelbare Steuerungen entwickelt wurden, konnte die Dampflokomotive nur mittels Dampfregler gesteuert werden, für die Umkehr der Fahrtrichtung mussten Teile des Triebwerks in aufwendiger "Handarbeit" umgestellt werden, wie etwa aus der Beschreibung der von Robert Stephenson 1831 gebauten Lokomotive John Bull ersichtlich wird.
Da der prinzipielle Aufbau der Äußeren Steuerung unabhängig von der Inneren Steuerung ist, werden spezifische Steuerungsbauarten nach dem Aufbau der Äußeren Steuerung benannt.
Steuerungsbauarten
Die folgende Auflistung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
- Stephensonsteuerung, von Robert Stephenson
- Steuerung von William T. James, 1832, an einer Lok der Baltimore and Ohio Railroad, USA
- Allan- oder Tricksteuerung, von Josef Trick
- Goochsteuerung
- Heusingersteuerung (engl. 'Walschaerts gear'), von Edmund Heusinger von Waldegg bzw. Egide Walschaerts
- Joysteuerung
- Hackworthsteuerung von Timothy Hackworth
- Caprotti-Ventilsteuerung von Arturo Caprotti (Antrieb über rotierende Wellen)
- O&K Patentsteuerung