mini|Vierzylinder-Verbundlokomotive Bayerische S 3/6 Eine Verbunddampflokomotive hat eine Dampfmaschine mit zweifacher Ausnutzung der Dampfdehnung in getrennten Zylindern, die als Verbundwirkung bezeichnet wird. Eine Verbunddampflokomotive hat demgemäß mindestens zwei Zylinder, weiterentwickelte Bauarten hatten zwei Zylinderpaare.
Betriebsmerkmale Im ersten Zylinder, dem Hochdruckzylinder mit kleinerem Durchmesser, wird ein Teil des Wärmegefälles des Dampfes durch Ausdehnung und Kolbenbewegung in Arbeit umgesetzt. Der nach der Ausdehnung austretende Dampf wird in einen Zwischenbehälter (Aufnehmer oder Receiver) geleitet, der den Dampf an den Niederdruckzylinder abgibt. Betragen die Kurbel-Versatzwinkel zwischen den Treibradgestängen des Hoch- und Niederdruckzylinders 90°, so muss der Aufnehmer einen ziemlich großen Inhalt aufweisen, um einen Rückdruck auf den Hochdruckkolben zu vermeiden. Sind die Bewegungen von Hochdruck- und Niederdruckkolben dagegen gleich oder genau gegenläufig, genügt statt des Zwischenbehälters ein einfaches Dampfleitungsrohr. Durch Ausnutzung der Dampfdehnung in zwei Dampfzylindern hintereinander werden wesentliche Ersparnisse erzielt. Die effiziente Ausnutzung der Verbundwirkung ist an einen hohen Dampfdruck gebunden, die Anwendung bei Kesseldrucken von weniger als 13 Atm. Überdruck erscheint unzweckmäßig.
Für den Betrieb mit Nassdampf von 12 bis 16 Atm. Druck wurde eine Verminderung des Dampfverbrauchs von 15 bis 25 % festgestellt sowie ein im gleichen Maße verminderter Brennstoffverbrauch. Beim Vergleich mit einer Lokomotive mit einfacher Dampfdehnung ist die Steigerung der Wirtschaftlichkeit oft noch größer, da der weniger beanspruchte Kessel der Verbundlokomotive einen besseren Wirkungsgrad hat. An Lokomotiven mit hoch überhitztem Dampf ist der Gewinn durch die Verbundwirkung dagegen weniger ausgeprägt, da sich bei Heißdampf die Abkühlungsverluste im Dampfzylinder weniger bemerkbar machen. Der Gewinn durch die Verbundwirkung beschränkt sich an Heißdampflokomotiven auf 10 bis 15 %.Roell: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens. Berlin, Wien 1912
Besondere Anfahrvorrichtungen ermöglichen, Frischdampf mit höchstem Druck in alle Zylinder zu leiten, um bei Fahrtbeginn oder niedrigen Geschwindigkeiten die größtmögliche Zugkraft zu erreichen.
Als wesentliche Nachteile der Verbunddampflokomotiven werden angesehen, dass das Anfahren besondere Einrichtungen erfordert, und dass durch deren Schwachpunkte die maximale Zylinderzugkraft geringer ist als bei vergleichbaren Zwillingslokomotiven. Die optimale Verteilung der Arbeit auf beide Zylinder gelingt nur bei bestimmten Betriebszuständen. Allerdings hat sich im Betrieb gezeigt, dass selbst stärkere Unregelmäßigkeiten an zweizylindrigen Verbundlokomotiven ohne wesentliche Nachteile bleiben. Vierzylindrige Verbundlokomotiven sind in dieser Hinsicht noch weniger empfindlich.
Eine unerwünschte Folge des großen Zylinderrauminhaltes der Niederdruckzylinder ist der größere Laufwiderstand im Leerlauf, der sich bei schnell fahrenden Lokomotiven besonders auswirkt. Hier müssen wirksame Methoden zur Verringerung der sonst beträchtlichen Luftpumparbeit eingesetzt werden.
Da sich die Vorteile der Verbundwirkung nur innerhalb gewisser Grenzen auswirken, ist der Entwurf von erfolgreichen Vierzylinder-Verbundlokomotiven erheblich schwieriger als von Lokomotiven mit einfacher Dampfdehnung. Dieser Umstand ist nicht immer für eine allseitig zufriedenstellende Konstruktion beachtet worden.
Entwicklungsgeschichte mini|Mallets erste Verbundlokomotive
Erste Versuche bei Dampflokomotiven mit der bei ortsfesten Dampfmaschinen bereits eingeführten Verbund-Technologie führte ab 1876 Anatole Mallet durch. Er rüstete eine zweizylindrige Lokomotive für die Eisenbahn Biarritz-Bayonne mit einem Hoch- und einem Niederdruckzylinder aus, in denen die Dampfdehnung nacheinander erfolgte. Dieses Fahrzeug erreichte im Betrieb eine Brennstoffersparnis von 25 % gegenüber Lokomotiven mit einfacher Dampfdehnung.
Bei den Preußischen Staatseisenbahnen kam 1880 mit der Baureihe T 0 erstmals eine von August von Borries entworfene zweizylindrige Verbunddampflokomotive zum Einsatz. In England baute Francis William Webb ab 1879 auf der London and North Western Railway mehrere Baureihen dreizylindriger Verbundlokomotiven mit zwei Hochdruckzylindern und einem Niederdruckzylinder, die je eine besondere, ungekuppelte Achse antrieben, die jedoch keinen Erfolg hatte. Darunter die Dreadnought-Klasse von der sogar ein Exemplar in die Vereinigten Staaten verkauft wurde. Einer 1892 in Österreich gebauten dreizylindrigen und dreifach gekuppelten Verbundlokomotive, der StEG II 581, war ebenfalls kein überzeugender Erfolg beschieden.
Um 1876 untersuchte Alfred de Glehn in Frankreich die Möglichkeiten der Verbundwirkung zur Verwendung auf Dampflokomotiven. Daraus ergab sich 1886 die zusammen mit Gaston du Bousquet entwickelte erste vierzylindrige Verbundlok Nord Nr. 701 mit zwei Hochdruckzylindern für den hinteren Antriebsradsatz und zwei Niederdruckzylindern für den Antrieb des vorderen Treibradsatzes. Die mit diesem Prinzip ab 1890 für die französische Chemins de fer du Nord in Serie gebauten Lokomotiven der 2'B-1' -„Atlantic“-Type mit vier Zylindern erwies sich als sehr erfolgreich, und ihr Konstruktionsprinzip wurde von vielen anderen Bahngesellschaften übernommen. Die Preußischen Staatseisenbahnen orderten 79 Maschinen dieser Bauart, die als Gattung Preußische S 7 in den Bestand eingeordnet wurden. Drei Exemplare wurden von der britischen Great Western Railway und eine Maschine von der US-amerikanischen Pennsylvania Railroad bestellt.
In Süddeutschland wird die Verbunddampflokomotive in Baden durch Courtin, in Bayern durch Joseph Anton von Maffei, in Sachsen durch Lindner, in Württemberg durch Kittel eingeführt. In Preußen wird nach anfänglich ausgedehnter Beschaffung und Einsatz von Verbundlokomotiven das Verbundprinzip nahezu völlig wieder aufgegeben, da inzwischen Heißdampf und der Überhitzer verwendet wurden.
Ausgefeiltere Entwicklungen sowie auch hohe Brennstoffkosten führen demgegenüber in Frankreich, Süddeutschland, Österreich und der Schweiz zu weiterer Bevorzugung des Verbundprinzip auch mit Heißdampf, um eine möglichst hohe Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Lokomotive zu erreichen. So trat 1908 u. a. Karl Gölsdorf für die Beibehaltung der Verbundwirkung ein. Es folgen bei den österreichischen Staatsbahnen zahlreiche Heißdampf-Verbundlokomotiven, die z. T. leistungsfähige Gebirgslokomotiven mit fünf und sechs gekuppelten Achsen sind. In Russland sorgten Alexander Borodin und Albert Czeczott für die Anwendung des Verbundprinzips.
In England erfolgte 1898 der erfolgreiche Umbau einer „Class 3CC“-Maschine der North Eastern Railway zur Dreizylinder-Verbundlokomotive durch Walter Mackersie Smith (1842–1906). Nach diesem Vorbild wurden von Samuel Waite Johnson bei der Midland Railway fünf 2'B n3v-Maschinen als Class 1000 konstruiert. Davon wurden unter Richard Deeley (1855–1944) weitere 40 Stück mit geringfügigen Änderungen gebaut und alle ab 1914 mit einem Überhitzer für den Heißdampfbetrieb ausgestattet. Ab 1924 wurden von mehreren englischen Lokomotivfabriken für die London, Midland and Scottish Railway (LMS) insgesamt 195 Verbund-Maschinen eines nahezu baugleichen Typs geliefert.
Höhepunkte der Leistungsentwicklung von Verbundlokomotiven wurden in den 1940er Jahren in Europa mit den von André Chapelon durchgeführten „Rekonstruktionen“ einzelner Lokomotiven erreicht. So erfolgte 1943 in Frankreich der Einzelstück-Umbau der vormaligen 2'D1' h3-Lokomotive 241-101 der Compagnie des chemins de fer de l'État zur 2'D2' h3v-Type SNCF 242 A 1 durch André Chapelon, die mit einer indizierten Leistung von 3900 kW als stärkste jemals in Europa gebaute Dampflokomotive gilt.
Bedeutende Varianten Bauart de Glehn mini|Badische IV e
Bei der Bauart de Glehn (1890) treibt ein Kolbenpaar die erste, das andere die zweite Treibachse, die Arbeit wird also auf zwei Achsen verteilt. Das äußere Hauptmerkmal der Bauart de Glehn waren die außen am Rahmen und relativ weit hinten angebrachten Hochdruckzylinder für die zweite Treibachse. Die zwei Niederdruckzylinder für den Antrieb der ersten Treibachse lagen weiter vorne innerhalb des Rahmens. Diese Aufteilung sollte vor allem eine seitliche Beweglichkeit der Achsen im Kurvenlauf gegeneinander ermöglichen. Mit der ersten Ausführung wurde dabei auf die mechanische Kupplung der gewissermaßen mit „Einzelachsantrieb“ versehenen Treibradsätze durch Kuppelstangen verzichtet. Da die Lokomotive jedoch zum Schleudern neigte, erhielten die nachfolgenden Konstruktionen wieder die üblichen Kuppelstangen.
Ein besonderes Betriebsmerkmal sind die vollständig getrennten Steuerungen für Hoch- und die Niederdruckzylinder, die vom Lokomotivführer mit besonderen Umsteuerungen individuell eingestellt werden können. Das hat den Vorteil, jeweils die vorteilhaftesten Füllungen in beiden Zylindergruppen anzuwenden, die vom Grad der Beanspruchung und von der Fahrgeschwindigkeit abhängig sind. Die mit der Bauart verbundene Anfahrvorrichtung hat einen vom Führerstand aus bedienten Schaltzylinder, außerdem kann durch dünne Rohrleitungen gedrosselter Frischdampf in die Niederdruckschieberkästen eingelassen werden. Daraus ergeben sich vier verschiedene Betriebszustände: Verbundwirkung als Regel für den Beharrungszustand; Vierlingswirkung mit Frischdampf in allen vier Zylindern für das Anfahren; Zwillingswirkung der Hochdruckzylinder allein; Zwillingswirkung der Niederdruckzylinder allein. Die beiden letzten Schaltungen wurden lediglich für den Notfall der Beschädigung einer der beiden Expansionsstufen betrachtet.Die Lokomotive 1906, H. 5, S. 78, Abb. 8 Eine ähnliche Anfahrvorrichtung von Borsig verwendet an Stelle der Drehschieber Umschalthähne; die Frischdampfzuführung zu den Niederdruckschiebern wird hierbei zwangsläufig bei Stellung der Hähne auf Hochdruckauspuff geöffnet.Die Lokomotive 1904, H. 5, S. 103.
Die Bauart zahlreicher weiterer deutscher, französischer und anderer Dampflokomotiven wird auf de Glehn zurückgeführt: so die badischen Lokomotiven der Gattung IV e, die bayerische C V, die Lokomotiven der Reichseisenbahnen in Elsaß-Lothringen S 12, S 5 und T 17, den preußischen Lokomotiven der Gattungen P 7, S 10, S 5 und S 7, der sächsischen X V, den württembergischen Klassen D und F 1c, sowie den DDR-Umbauten ehemaliger französischer Lokomotiven DR 07 1001 und DR 08 1001. Auch die Lokomotiven der Jura–Simplon-Bahn A 3/5 waren „de-Glehn“-Maschinen.
Bauart von Borries mini|Pfälzische P 4, Bauart von Borries
Lokomotiven nach de Glehn mit einzeln steuerbaren Zylindern setzten eine besondere Vertrautheit des Lokomotivführers mit diesen speziellen Eigenheiten voraus und nahmen die Aufmerksamkeit für den reinen Maschinenbetrieb im Verhältnis zur Streckenbeobachtung in höherem Maße in Anspruch. Hinzu kommt bei dieser Betriebsauslegung eine große Vielteiligkeit der Steuerungen an einer ohnehin schon komplexen Beschaffenheit vierzylindriger Lokomotiven. Dies waren Gründe dafür, dass die Bauart de Glehn nicht durchgängig als einzige Art der Verbundlokomotive Verwendung fand. So wurde bei der 1897 von August von Borries entwickelten Vierzylinderlok die Steuerungen beider Zylindergruppen derart zusammengelegt, dass nur zwei äußere Steuerungsgestänge vorhanden sind. Alle vier Kolben wirken dabei auf die Kurbelwelle der ersten Treibachse, deren innere und äußere Kurbelwangen entgegengesetzt gerichtet sind, so dass die Kolben in jeweils entgegengesetzter Richtung arbeiten, sich die Beschleunigungskräfte der Triebwerksmassen dabei größtenteils ausgleichen und daher keinen Ausgleich durch Gegengewichte mehr erfordern. Von Borries verbesserte dazu die Anfahrvorrichtungen und schuf auch die theoretischen Grundlagen für eine zweckmäßige Berechnung der Zylinderabmessungen und der Steuerungen.