Eine Dampflokomotive ist ein Kessel auf Rädern, an dessen Seite ein Motor angeschraubt ist. Nichts daran ist geheimnisvoll, und die Zahlen sind klein genug, um sie von Hand zu rechnen. Dieser Beitrag verfolgt die Energie von der Schaufel bis zur Schiene und beziffert am Ende die Zugkraft.
Von der Kohle zum Dampf
Kohle brennt auf einem Rost in der Feuerbüchse. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow Rauchrohre, die durch das Wasser laufen. Viele Rohre geben den Gasen eine weit größere Fläche, um ihre Wärme abzugeben, als ein einziger weiter Zug es täte.
Das Wasser kocht, und der Dampf sammelt sich unter Druck in einer Dampfglocke oben im Kessel. Übliche Betriebsdrücke späterer Dampflokomotiven lagen bei etwa 200 psi (etwa 14 bar), und manche fuhren höher. Der Druck ist der nutzbare Teil: Er drückt auf den Kolben.
Viele Lokomotiven leiten den Dampf dann durch einen Überhitzer, ein Bündel Rohre innerhalb der größeren Rauchrohre. Überhitzung hebt den Dampf deutlich über seinen Siedepunkt bei diesem Druck, sodass er trocken ist. Trockener Dampf kondensiert in den Zylindern nicht, wo Wasser Wärme verschwenden und den Motor beschädigen könnte, und er leistet mehr Arbeit aus jedem Kilogramm Wasser.
Zylinder, Stangen und Räder
Ein Ventil lässt Dampf in einen Zylinder und drückt den Kolben entlang. Die Kolbenstange und die Pleuelstange übertragen diesen Schub auf einen Kurbelzapfen am Treibrad, das es dreht. Die Drehung des Rades bringt den Kolben selbst wieder zurück.
Bahnzylinder sind doppeltwirkend. Steam is let in on one side of the piston for the push out, and on the other side for the push back. That gives two power strokes per cylinder for every turn of the wheel. A conventional locomotive has two cylinders, one on each side, with their cranks set a quarter of a turn apart so the engine can always start from rest. So:
2 Zylinder × je 2 Takte = 4 Arbeitstakte pro Radumdrehung
Daher kommen die vier Stöße pro Radumdrehung, die man bei einem zweizylindrigen Motor hört. Bei einem gleichmäßigen Tempo von einer Umdrehung der Treibräder pro Sekunde sind das vier Stöße pro Sekunde.
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Der Abdampf, der das Feuer speist
Nach jedem Takt verlässt der verbrauchte Dampf den Zylinder und wird durch einen engen Blasrohr. The jet of exhaust pulls gas out of the smokebox with it, which lowers the pressure there and draws air through the fire tubes and in through the firebox grate. This is the sharp bark of the exhaust, and it has a useful feature: the harder the engine works, the more steam it exhausts, and the harder the fire is drawn. The draught rises with the demand, without anyone touching a control.
Wie viel kann sie ziehen?
Die übliche Faustregel für eine zweizylindrige Lokomotive lautet:
Zugkraft = 0.85 × P × d² × s ÷ D
wobei P der Kesseldruck in psi ist, d der Zylinderdurchmesser in Zoll, s der Kolbenhub in Zoll und D der Treibraddurchmesser in Zoll. Das Ergebnis ist in Pound-force (lbf). Die 0.85 ist ein üblicher Abschlag dafür, dass die Zylinder während des gesamten Hubs nicht mit vollem Kesseldruck gefüllt sind. Es ist eine Schätzung, keine Messung.
Nimm einen anschaulichen Motor: 200 psi Kesseldruck, zwei Zylinder mit 20 in Durchmesser und 26 in Hub sowie Treibräder mit 68 in.
| Schritt | Wert |
|---|---|
| 0.85 × 200 | 170 |
| d² = 20 × 20 | 400 |
| 170 × 400 × 26 | 1,768,000 |
| ÷ 68 | 26,000 lbf |
| In Kilonewton (× 4.448) | etwa 115.7 kN |
Die Formel zeigt, wie die Konstruktion Kraft gegen Geschwindigkeit tauscht. Ein größerer Zylinder, ein längerer Hub oder mehr Druck erhöhen die Zugkraft. Ein größeres Rad senkt sie, weil derselbe Schub an einem längeren Hebel wirkt. Eine Umdrehung eines 68-in-Rades bewegt die Lok um π × 68 in, das sind etwa 5.43 m, daher legt ein großes Rad pro Takt mehr Strecke zurück und passt zu schnellen Zügen. Ein kleines Rad gibt mehr Zugkraft und passt zu schwerer Fracht.
Ob die Lok all diese Kraft nutzen kann, ist eine eigene Frage. Wie der Beitrag zu warum Bahnen Flüssen folgen erklärt, begrenzt die Haftung zwischen Rad und Schiene, was jede Lokomotive ziehen kann, egal wie stark ihre Zylinder drücken.
Eine Dampflokomotive ist ein schlechter Energiewandler. Typischerweise landet weniger als etwa 10 Prozent der Wärme in der Kohle als Arbeit an den Rädern. Der größte Teil entweicht als heißes Gas durch den Schornstein, als Abdampf und als Wärme aus dem Kessel.
Warum der Wirkungsgrad niedrig bleibt
Der Abdampf ist noch heiß und trägt viel von der Wärme fort, die ins Wasser ging. Eine Lokomotive kann sie nicht zurückgewinnen, weil der Abdampf zugleich den Zug im Feuer erzeugt. Überhitzung und bessere Ventile verbesserten die Lage, doch unter 10 Prozent blieb der übliche Bereich.
Kohle taucht auch als Fracht auf in Valley Rail, wo Güterzüge sie zusammen mit Holz, Öl, Eisenerz, Stahl und Waren zwischen Minen, Wäldern, Ölfeldern, Mühlen und Kraftwerken befördern.
Valley Rail: Train Tycoon hat sechs Zugmodelle für Personen und Fracht, vom Pendlerzug mit einem Wagen bis zum windschnittigen Express, die Kohle, Holz, Öl, Eisenerz und Stahl transportieren. Das Geld, das jede Fahrt einbringt, existiert nur im Spiel und hat keinen Barwert. Valley Rail ist im geschlossenen Test und noch nicht öffentlich verfügbar.