mini|Lokomotive 41 018 der DB-Baureihe 41 auf der Schiefen Ebene, 2016|alternativtext=41 018 der Deutschen Reichsbahn auf der Schiefen Ebene, November 2016 mini|41 018 auf der Schiefen Ebene mit 01 1066 als Schiebelokomotive (Video, 49,2 MiB)
mini|Güterzug-Dampflokomotive 52 7596 der EFZ in Rottweil
Die Dampflokomotive (kurz Dampflok, als Metapher auch Dampfross oder Stahlross genannt) ist eine Bauform der Lokomotive, die mit Wasserdampf angetrieben wird. Neben der weit verbreiteten Regelbauart mit Dampferzeuger und Kolbendampfmaschine mit Kurbeltrieb-Fahrwerk gibt es Sonderbauarten wie feuerlose Lokomotiven, elektrische Dampflokomotiven, Zahnraddampflokomotiven, solche mit Einzelachs- oder Turbinenantrieb, Kondens- und Hochdrucklokomotiven.
Dampflokomotiven waren die ersten selbstfahrenden, maschinell angetriebenen Schienenfahrzeuge und dominierten den Schienenverkehr von seiner Entstehung bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts. Dampflokomotiven waren auch Träger der nunmehr einsetzenden rasanten Entwicklung der Transporttechnik sowie des nationalen wie des internationalen Handels. Die Dampflokomotive ist ein Symbol für das Industriezeitalter: Ohne die erst durch sie ermöglichten Transportleistungen riesiger Mengen von Rohstoffen, Energieträgern (Kohle) und Waren auf dem Landweg wäre die etwa Mitte des 19. Jahrhunderts voranschreitende Industrialisierung nicht möglich gewesen. Mit dem Aufkommen modernerer Antriebstechnologien wurden die Dampflokomotiven wegen ihres vergleichsweise schlechten Wirkungsgrades und wegen des hohen Bedienungs-, Wartungs- und Reparaturaufwandes nach und nach von Diesel- und Elektrotriebfahrzeugen abgelöst. Seit dem letzten Viertel des 20. Jahrhunderts ist der Neubau von Dampflokomotiven eine Ausnahme.
Technik Dampflokomotiven wurden in einer unüberschaubaren Vielzahl verschiedener Typen und Varianten gebaut. Nachfolgend wird hauptsächlich die europäische Regelbauart des 20. Jahrhunderts mit klassischem Rohrkessel und Kolbendampfmaschine beschrieben. Davon abweichende Ausführungen sind im Artikel Dampflokomotive (Bauart) zu finden.
Konstruktiver Gesamtaufbau rahmenlos|zentriert|hochkant=3|Baugruppen einer Schlepptenderlokomotive mit der Achsfolge 1’C1’ Baugruppen einer Schlepptenderlokomotive mit der Achsfolge 1’C1’:
mini|Lokomotivrahmen mit aufgebautem Kessel
Dampflokomotiven der Regelbauart bestehen hauptsächlich aus dem Dampfkessel, in dem mittels Heizenergie des Brennstoffes aus Wasser Dampf erzeugt wird, einer Kolbendampfmaschine, die die Druckenergie des Dampfes in mechanische Bewegungsenergie umwandelt, dem Fahrgestell mit Rahmen und Radsätzen und einem Führerstand zur Bedienung der Maschine. Die erforderlichen Brennstoff- und Wasservorräte werden entweder auf der Lokomotive selbst (Tenderlokomotive) oder in einem fest mit ihr gekuppelten Fahrzeug, dem Tender, mitgeführt (Schlepptenderlokomotive).
Auf dem oder am Lokomotivrahmen sind der Dampfkessel mit der darin eingebauten Feuerbüchse, die Dampfmaschine und der Führerstand montiert. Dieser Rahmen wird vom Treibradsatz, den über Kuppelstangen verbundenen Kuppelradsätzen und oft zusätzlichen antriebslosen Laufradsätzen getragen. Die Kolbendampfmaschine hat in der Regel zwei, aber auch drei und vier Zylinder, die seitlich außen am und/oder innerhalb des Rahmens angebracht sind. Die oszillierenden Bewegungen der Kolbenstangen werden mittels der Treibstangen auf die Kurbelzapfen der Radsätze übertragen und so in eine Drehbewegung umgewandelt.
Dampferzeugung und Energieumwandlung In Dampflokomotiven wird thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Meist handelt es sich bei diesen um ein offenes System, bei dem der Dampf nach der Arbeitsleistung in den Dampfzylindern als Abdampf in die Atmosphäre entlassen wird. Bei Auspuffmaschinen wird er zuvor noch zur Feueranfachung durch ein Blasrohr geleitet. Bei Kondensationslokomotiven wird dagegen der Abdampf zu einem Kondenstender geleitet, dort wieder verflüssigt und als Kesselspeisewasser erneut verfügbar.
Befeuerung Dampflokomotiven beziehen ihre Primärenergie aus der Verbrennung der mitgeführten Brennstoffe. In den meisten Fällen sind dies Kohle oder Schweröl, aber auch Holz, Kohlenstaub, Torf und Mineralöl. Der damit beheizte Kessel erzeugt aus Wasser den Dampf für die Dampfmaschine. Üblicherweise haben Dampflokomotiven eine Rostfeuerung mit flachem Feuerbett. Kohlenstaub, Schwer- oder Mineralöl benötigen keine Rostanlage, sondern werden in einem speziellen Feuerkasten mit geeigneten Brennern verheizt. Schweröl muss mit Wärmetauschern vorgewärmt werden und wird im Brenner mit einem Heißdampfstrahl zerstäubt und verbrannt. Kohlenstaub wird mit Druckluft eingetragen oder durch den im vollständig geschlossenen Feuerkasten anstehenden Unterdruck eingesaugt. Eine Sonderform stellen elektrisch beheizte Dampflokomotiven dar, die besonders in der Schweiz zu Rangierzwecken verwendet wurden.
mini|Aschkasten Bauart Stühren
Die Frischluftzufuhr für die Verbrennung erfolgt durch regelbare Luftklappen am Aschkasten, in dem bei Verbrennung fester Brennstoffe auch die Verbrennungsrückstände gesammelt werden. Zur besseren Luftversorgung bei vollem Aschkasten sind an neuzeitlichen Reko-Lokomotiven am Rahmen aufgehängte Aschkästen der Bauart Stühren verbaut, die eine Luftzufuhr unabhängig von dessen Füllungsgrad direkt unter die Rostlage ermöglichen. Bei anderen Feuerungsarten wird die erforderliche Luft durch spezielle Taschen, Schlitze oder durch die Brenner (Kohlenstaubfeuerung) selbst eingetragen.
Zur Feueranfachung und vollständigen Verbrennung ist das schon von Trevithick entwickelte, in der Rauchkammer angebrachte Blasrohr unentbehrlich. Der Maschinenabdampf wird durch eine Düse, den Blasrohrkopf, in den Schornstein geleitet. Der Abdampfstrahl füllt dabei den Querschnitt des Schornsteins vollständig aus und reißt nach dem Injektorprinzip Rauch- und Pyrolysegase mit. Dadurch entsteht in der Rauchkammer ein Unterdruck, der sich durch die Rauch- und Heizrohre bis in die Feuerbüchse fortpflanzt. Die durch den Aschkasten und die Rostlage nachströmende Frischluft sorgt für die nötige Feueranfachung. Dabei ist vorteilhaft, dass sich dieses System selbst regelt, weil bei höherem Dampfverbrauch mehr Abdampf ausgeblasen wird und damit auch ein höherer Unterdruck entsteht. Weil der Abdampf aus der Dampfmaschine nur während der Fahrt zur Verfügung steht, ist für die Feueranfachung bei Stillstand oder Leerlauffahrten zusätzlich ein Hilfsbläser eingebaut. Dieser besteht aus einem zentrisch um den Blasrohrkopf gelegten Rohrring mit feinen Bohrungen und wird bei Bedarf mit Nassdampf direkt aus dem Kessel versorgt. Vor Einführung des Hilfsbläsers wurden Dampflokomotiven bei längeren Stillstandszeiten abgekuppelt und hin- und herbewegt, um den erwünschten Kesseldruck aufrechtzuerhalten. Zur optimalen Feueranfachung und vollständigen, wirtschaftlichen Verbrennung sind eine absolut luftdichte Rauchkammer und dichte Rohrdurchführungen erforderlich.J.J.G. Koopmans: The fire burns much better … NL-Venray 2006, ISBN 90-6464-013-0.
Damit bei angestrengter Fahrt keine größeren Glutteile oder Verbrennungsrückstände durch den Schornstein ins Freie gelangen können, wird in die Rauchkammer ein Funkenfänger eingebaut. Dieser besteht aus einem Drahtgeflecht, welches das in die Rauchkammer ragende Schornsteinunterteil und den Blasrohrkopf vollständig umschließt. Ein zur Rohrwand hin pendelnd aufgehängtes Prallblech sorgt für die Selbstreinigung der Vorrichtung.
Sonderbauformen der Dampflokomotiven, die nicht mit diesem System ausgerüstet sind (Turbinen- und Kondenslokomotiven), haben zur Feueranfachung besonders regelbare Saugzuggebläse. Zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Dampflokomotiven hat der Österreicher Adolph Giesl-Gieslingen 1951 mit dem nach ihm benannten Giesl-Ejektor die klassische Saugzuganlage erheblich verbessert. Ergebnis waren Brennstoffeinsparungen von acht bis zwölf Prozent.
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Für die Erzeugung des erforderlichen Wasserdampfes unter den beim Eisenbahnbetrieb ständig wechselnden Betriebsbedingungen eignet sich am besten ein Großraumwasserkessel mit vielen Heizrohren. Ein solcher Kessel hat eine große Verdampfungsoberfläche und ist unempfindlich gegen unregelmäßige Dampfentnahmen und die damit verbundenen Druck- und Wasserstandsschwankungen. Der klassische Dampflokomotivkessel besteht aus dem Stehkessel mit der vollständig von einem Wassermantel umgebenen Feuerbüchse, dem meist aus mehreren Kesselschüssen bestehenden Langkessel und der Rauchkammer mit eingebauter Saugzuganlage und Schornstein zur Feueranfachung. Bei diesem Konstruktionsprinzip handelt es sich um den sogenannten Stephensonschen Röhrenkessel.
In der Feuerbüchse wird die bei der Verbrennung erzeugte Wärme direkt an die Feuerbüchswände und das dahinter umlaufende Kesselwasser abgegeben. Man spricht hier von der Strahlungsheizfläche. Die entstehenden heißen Rauchgase durchströmen dann die im Langkessel eingebauten Heizrohre und geben dabei die Wärme an die Rohrwandungen ab. Die Summe der Fläche der Rohrwandungen bildet die Rohrheizfläche. Bei Heißdampflokomotiven sind zusätzlich zu den Heizrohren noch Rauchrohre mit wesentlich größerem Durchmesser eingebaut. In diese Rauchrohre sind die Überhitzerelemente eingeschoben, in denen der im Kessel erzeugte Dampf getrocknet und weiter erhitzt wird. Der nunmehr im Lokomotivbetrieb bis zu 400 Grad Celsius warme Heißdampf sorgt wegen seines besseren Kondensations- und Expansionsverhaltens für einen höheren Wirkungsgrad der Lokomotivdampfmaschinen.
Zur Entnahme möglichst trockenen Dampfes und zur Vermeidung des Überreißens von Kesselwasser befinden sich auf dem Scheitel des Langkessels ein oder zwei Dampfdome. In einem Dampfdom ist meist der für die Regulierung der Dampfzufuhr der Maschine zuständige Nassdampfregler eingebaut. Der erzeugte Nassdampf mit einer vom Kesselüberdruck abhängigen Temperatur von 170 bis 210 Grad Celsius ist eine Mischung aus Dampf und feinsten Wassertropfen.
Deutsche Dampflokomotiven arbeiten in der Regel mit Kesselüberdrücken von 12 bis 16 bar. Die Herstellung von Mitteldrucklokomotiven mit 20 bis 25 bar und Hochdrucklokomotiven mit bis zu 400 bar Kesseldruck waren wegen seinerzeit nicht beherrschbarer Werkstoffeigenschaften meist auf wenige Exemplare beschränkt. Viele solcher Maschinen wurden später zu Normaldrucklokomotiven umgebaut. Der Kesseldruck wird durch mindestens zwei Kesselsicherheitsventile verschiedener Bauformen begrenzt, die bei Überschreiten des zulässigen Maximaldruckes Dampf in die freie Umgebung kontrolliert abblasen.
Moderne Dampflokomotiven haben einen effizienteren Verbrennungskammerkessel. Sonderbauarten wie der Flammrohrkessel, der Brotankessel oder der Wellrohrkessel konnten sich nicht durchsetzen.
Kolbendampfmaschine der Dampflokomotive Zylinder und Kolben mini|Linker Zylinderblock, aufgeschnitten