mini|Das Schiff Die Weser gilt als das erste von einem deutschen Schiffbauer gebaute und einem deutschen Reeder betriebene Dampfschiff. Schiffsmaschinen oder Schiffsmotoren sind Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Dieselmotoren und Gasturbinen, die den über Jahrtausende für Schiffe genutzten Windantrieb mittels Segel seit Beginn des 19. Jahrhunderts zunehmend ersetzen. Kriterien für die Auswahl des Antriebs sind: Wirkungsgrad: Die ersten Dampfmaschinen erreichten weniger als 1 % Wirkungsgrad und konnten kaum mit Segelschiffen konkurrieren. Leistungsdichte (kw/kg): Gasturbinen sind leicht und preiswert, haben aber wegen des geringeren Wirkungsgrades einen höheren Verbrauch als Dieselmotoren. Brennstoffkosten: Dampfturbinen fahren mit allem, was Wasser erhitzen kann, also auch mit Industrieabfällen Verfügbarkeit: Ein Flettner-Rotor wirkt, wie ein Segel, nur bei Wind und versagt bei Flaute. Reichweite: Ein nuklear getriebener Eisbrecher muss seine Fahrten während der Saison nicht zum Bunkern unterbrechen.
Geschichte
Im Jahr 1819 überquerte die Savannah den Atlantik von New York nach Liverpool zum Teil noch unter Segeln und zum Teil mit Maschinenkraft. Mit dieser Fahrt der Savannah war der Beweis für die Zweckmäßigkeit einer Antriebsmaschine für Seeschiffe erbracht – es begann das Maschinen-Zeitalter für die Schiffe, wenn auch nach 1900 noch große Tiefwassersegler gebaut wurden. Als Antriebsorgan der maschinengetriebenen Schiffe diente zunächst das Schaufelrad, das sich im rauen Nordatlantik jedoch nicht bewährte. Ab 1860 setzte sich der Propeller durch. Die Schiffsmaschine hat in der kurzen Zeit ihres Bestehens eine grundlegende Wandlung des Schiffbaues und der Schifffahrt bewirkt. Die Konstruktion der Schiffe, ihre Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit wurden nachhaltig von ihr beeinflusst. Obwohl heutige Handels- oder Marineschiffe ohne Maschinenanlage nahezu undenkbar sind, findet man in einzelnen Regionen Südostasiens noch einzelne gewerblich genutzte Segelschiffe ohne Schiffsmaschine und forscht weiter am Segel als Hilfsantrieb für Schiffe, wie aktuelle Entwicklungen der Harburger Firma SkySails oder Enercon zeigen.
Dampfschiffe
mini|Eine der zwei Antriebsmaschinen der Deutschland (1900), 35.000 PS
Dampfmaschinen
Es dauerte nahezu 200 Jahre, bis die erste Idee, eine Kraftmaschine zum Antrieb eines Schiffes zu verwenden, zu einer brauchbaren Lösung führte und zum Vortrieb eines Seeschiffes, der Savannah, genutzt wurde. Die folgenden 180 Jahre dienten vor allem der Verbesserung der Maschinen hinsichtlich der Betriebssicherheit, der Wirtschaftlichkeit und der Bedienung. Während der ersten 100 Jahre bis um 1910 beherrschte die Kolbendampfmaschine in vielen verschiedenen Arten und Formen fast ausschließlich das Feld. Es wurden zuerst Maschinen mit oszillierenden Zylindern, später Kreuzkopfmaschinen mit einfacher und dann mit mehrfacher Dampfdehnung (Drei- bzw. Vierfach-Expansionsmaschinen) gebaut.
Bei dem ersten von Deutschen gebauten Dampfschiff Die Weser leistete die Anlage 14 PS, hatte einen spezifischen Kohlenverbrauch von etwa 8½ kg/PSh, entsprechend einem thermischen Wirkungsgrad um 1 % und einem Leistungsgewicht um 1000 kg/PS. In der Zeit zwischen 1900 und 1910 – also etwa 100 Jahre nach dem Bau der ersten Schiffsdampf-Maschine – erreichten die Kolbendampfmaschinen ihren Höhepunkt als Antriebsmaschinen für Seeschiffe. mini|Dreifach-Expansionsmaschine Die großen Schnelldampfer wurden mit Maschinenleistungen um 2× 20.000 PS gebaut. Der Kohlenverbrauch dieser Maschinen lag nur noch bei etwa 0,75 kg/WPSh, entsprechend einem thermischen Wirkungsgrad von 13 %. Jede Wache zogen 50 Heizer und Trimmer in den Kesselraum. Fast 30 Zentner Kohle wurde von jedem Heizer pro Wache verfeuert. Die Trimmer schafften die Kohlen heran und sorgten für den Abtransport der Schlacke. Wohl war damit der Höhepunkt der Kolbendampfmaschine erreicht, doch wurden Antriebsanlagen für Seeschiffe mit Dampfmaschinen noch bis in die 1950er Jahre gebaut.
Dampfkessel mini|Flammrohrkessel Die Kesselentwicklung hatte zunächst nur sehr langsame Fortschritte gemacht. Die anfangs üblichen Kofferkessel gestatteten nur Dampfdrücke bis 2 bar. Erst mit der Entwicklung der Oval- und später der Zylinderkessel konnte man höhere Dampfdrücke anwenden. Bei den Zylinderkesseln setzte sich der einfache und robuste Schottische Kessel so durch, dass man ihn während mehrerer Jahrzehnte schlechthin als „Schiffskessel“ bezeichnete. Die Kessel wurden anfangs nur mit Kohle beheizt, die Ölfeuerung wurde 1897 erstmals bei einem russischen Marineschiff eingesetzt. Der Einsatz der Treibstoffe erfolgte nicht nur nach wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten. Es spielte auch nationales Autarkiedenken eine Rolle, und es fehlten häufig genügend Heizer, obwohl Kohle vielfach billiger war.
Der empfindliche Wasserrohrkessel mit deutlich höherem Dampfdruck und Temperaturen konnte sich dagegen zunächst noch nicht behaupten, obgleich er verschiedentlich an Bord von Schiffen, vor allem auf Marineschiffen, eingebaut wurde. Der Durchbruch für diesen Kesseltyp kam vor allem durch die Ölfeuerung und mit den Einbau von Dampfturbinen. Eine besonders anspruchsvolle und interessante Entwicklung im Schiffskesselbau war der Bensonkessel, der zuerst auf der Uckermark der HAPAG mit einer Antriebsleistung von 6000 PS eingesetzt wurde. Mit über 225 bar im Kessel und 70 bar und 460 °C vor Turbine war es ein sogenannter Höchstdruckkessel, der einen um 17 % höheren Wirkungsgrad gegenüber vergleichbaren Schiffskesseln erzielte.
Dampfturbinen
mini|Rotor einer Schiffs-Dampfturbine In der Handelsschifffahrt, besonders in der Transatlantikfahrt mit Schnelldampfern und bei den Marineschiffen wurden immer höhere Schiffsgeschwindigkeiten gefordert. Für ein Schiff steigt der Leistungsbedarf etwa mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit an. Die Antriebe der Schnelldampfer mit Kolbendampfmaschinen stießen um die Jahrhundertwende an technische Grenzen, da sich höhere Leistungen nur noch durch den Einbau von mehreren Dampfkolbenmaschinen realisieren ließen. Die Einzelleistungen lagen bei 15.000–17.000 PS, es wurden zwei oder vier Dampfmaschinen eingebaut und es wurde viel Platz und Gewicht für die Kessel, Maschinen und Kohle benötigt. Die Vibrationen dieser Riesenmaschinen waren schwer zu beherrschen; der Schnelldampfer Deutschland, der 1900 das Blaue Band gewann, hieß beim internationalen Reisepublikum „Cocktail Shaker“. Die Forderungen nach höheren Leistungen auf kleinem Raum und mit niedrigerem Gewicht führte zur Entwicklung und Einsatz der Dampfturbinen. Die Dampfturbine ist eine Strömungsmaschine; Dampf strömt in der Turbine durch ein Laufrad und treibt dieses vergleichbar einer Wasserturbine an – im Gegensatz zur Kolbenmaschine, worin der Dampfdruck auf der Kolbenfläche eine Kraft erzeugt, die über oszillierende, Vibrationen verursachende Kolbenbewegung und das Triebwerk über Pleuel und Kurbelzapfen in rotierende mechanische Energie umgesetzt wird. Die erste betriebsfähige Dampfturbine wurde 1883 von de Laval gebaut. Bereits ein Jahr später stellte Parson eine Dampfturbine in anderer Bauweise vor. mini|Die Turbinia war 1897 das erste Schiff mit Dampfturbinenantrieb Turbinen benötigen hohe Umfangsgeschwindigkeiten, das heißt hohe Drehzahlen, damit gute Wirkungsgrade erreicht werden können. Für einen Propellerantrieb werden zur Erzielung hoher Wirkungsgrade aber niedrige Drehzahlen angestrebt. Um die Jahrhundertwende standen noch keine leistungsfähigen Untersetzungsgetriebe zur Verfügung, daher war hier ein Kompromiss nötig. Die ersten Turbinenanlagen wurden ohne Getriebe ausgeführt. So erhielt der Schnelldampfer Imperator der Hamburg-Amerika Linie, gebaut 1912 (Vulcan Werke, Hamburg) vier Turbinen, die direkt mit je einer Propellerwelle verbunden waren. Die Gesamtleistung betrug 60.000 WPS bei einer Drehzahl von 175/min. Für die Dampferzeugung waren 46 Wasserrohrkessel erforderlich, die mit dem Kesseldruck von 17 bar ausgelegt waren. Da Turbinen nur für eine Drehrichtung geeignet sind, ist für die Rückwärtsfahrt noch eine weitere Turbine, die Rückwärtsturbine, notwendig. Da die Antriebsanlagen auf „Zurück“ nur im Hafen für kurze Zeit betrieben werden, sind Rückwärtsturbinen einfache Turbinen mit niedrigem Wirkungsgrad (meistens zweistufige Curtis-Räder), die nur etwa 40 % der Vorausleistung erzeugen können.
Wegen der anfangs nicht vorhandenen Getriebe wurden auch turbo-elektrische Antriebe gebaut, die sich für die Rückwärtsfahrt elektrisch umsteuern ließen. Eine weitere Möglichkeit war der Einbau von Föttinger-Transformatoren. Erst die Entwicklung von leistungsfähigen Schiffsgetrieben und Hochdruckkesseln führte zum Durchbruch des Turbinenantriebes. Diese Anlagen wurden für extrem hohe Leistungen ausgeführt, sie hatten ein geringeres Leistungsgewicht als Dampfmaschinen oder eine entsprechende Anzahl von Dieselmotoren und benötigten weniger Platz. Sie waren vor dem Zweiten Weltkrieg der ideale Antrieb für große schnelle Frachtschiffe und Passagierschiffe, ab 1950 auch für große Tanker und Supertanker und ab 1967 für große schnelle Containerschiffe.
Turbinenanlagen konnten zwar nicht den hohen Wirkungsgrad des Dieselmotors erreichen, sie waren aber sehr zuverlässig, hatten lange Wartungsintervalle und verursachten nur geringe Reparaturkosten. Der höhere Brennstoffverbrauch war von geringerer Bedeutung, da als Brennstoff für die Kessel sehr schweres Heizöl ausreichte, das billig war. Mit der Ölkrise 1973 stieg der Preis für schwere Bunkeröle innerhalb kurzer Zeit stark an, die Anlagen wurden unwirtschaftlich. Eine Fahrt mit reduzierter Leistung, um Kraftstoffkosten einzusparen, ist bei Turbinenanlagen wenig sinnvoll, da sich bei Turbinenanlagen der Wirkungsgrad bei reduzierter Leistung stark verschlechtert. Der Dieselmotor bot eine Alternative, er war zwischenzeitlich in der Leistung erheblich gesteigert worden und mit technischen Zusatzeinrichtungen ebenfalls in der Lage, billiges Schweröl zu verbrennen.
Auch auf schnellen Marineschiffen wurden Dampfturbinen während der 60er und 70er Jahre ersetzt. (Köln-Klasse (1961) in Deutschland mit Baubeginn 1957, Amazon-Klasse (1971) in Großbritannien, Spruance-Klasse, Oliver-Hazard-Perry-Klasse in den USA.) Heute werden Dampfturbinen nur noch in nuklear angetriebene Marineschiffe eingebaut. Auch bei Supertankern und Containerschiffen der 5. und 6. Generation werden heute zum Antrieb Dieselmotoren eingesetzt. Gastanker sind in der Schifffahrt zusammen mit Marineschiffen und Nuklear-Eisbrechern einer der wenigen verbliebenen Einsatzbereiche. Da ständig ein geringer Teil der Ladung, Flüssiggas, verdampft, wird dieses Boil-off-Gas als Kesselbrennstoff verwendet; seine Nutzung unterwegs spart die sonst notwendige Rückverflüssigungsanlage ein. Seit 2000 werden jedoch auch Schiffsdieselmotoren entwickelt, die mit gasförmigen und flüssigen Brennstoffen betrieben werden können.
Dieselmotor mini|Großer Zweitakt-Dieselmotor zum Schiffsantrieb mini|Zylinderstation eines Zweitakt-Dieselmotors für ein großes Containerschiff