Die CORLISS Maschine

Helmut Harhaus
Mit freundlicher Genehmigung der Fachzeitschrift Journal Dampf & Heißluft

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Da steht sie nun – fertig und in einer Pracht, die jeden Dampf-Fan ehrfurchtsvoll erstaunen lässt: Das neue Werk von Dieter Strube, das Modell der legendären CORLISS-Maschine. Über 15 Monate wurde an diesem Modell gearbeitet, Teile und Baugruppen hatte man schon mal zu Gesicht bekommen und bereits diese Einzelteile ließen große Erwartungen aufkommen. Und nun ist sie montiert, mit all ihren Hunderten von Einzelteilen zieht sie den Betrachter in ihren Bann. Das ist kein „Modell“, das ist ein „Werk“! Eine Maschine, wie sie nur von Dieter Strube zu erwarten ist. Und eigentlich überflüssig zu erwähnen, dass sie selbstverständlich läuft und die komplizierte Corliss-Steuerung auch im Modell äußerst sensibel funktioniert.

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Die Vorarbeiten

Die Grundlagen und das Prinzip stammen aus der Literatur. Danach entsteht in Strubes Werkstatt dann zuerst auf dem Papier eine Maschine, die in ihrer Größe den Möglichkeiten der Werkstattausrüstung angepasst wird. Wie all seine Maschinen, hat der Mechanikermeister auch diese nach eigenen Berechnungen, Skizzen und Dimensionen gebaut. Dimensionsbestimmend sind dann immer die größten Bauteile, wie z.B. das Schwungrad. Alles andere wird dann proportional dazu ausgerichtet. Eine solcher CORLISS-Maschinen entstand vor vielen Jahren in Frankreich und wurde von Jean-Paul Delaby gebaut. In einem Bildbeitrag berichtete 1994 die Fachzeitschrift „Das Dampf-Modell“ darüber. Diese sechs Fotos und ein paar Skizzen aus alten Technikbüchern waren die Ausgangsbasis für die neue Konstruktion. Das Besondere an diesem System ist die äußerst sensible Steuerung der Dampffüllung. Der Amerikaner George Henry Corliss, er lebte von 1817 bis 1888, konstruierte in den 1860er-Jahren gigantische Maschinen. Einige wurden in Frankreich von der Firma Granier et Faure, Beaulieu de Paris et Crepelle et Garrand de Lille gebaut. Sie zeichneten sich durch einen sehr guten Wirkungsgrad aus, sie hatten deutlich weniger Dampfverbrauch und sie ließen sich sehr feinfühlig in der Drehzahl regeln.

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Das Prinzip der Dampfsteuerung basiert auf der bekannten Rundschiebersteuerung. Üblicherweise ist der Rundschieber mit dem Exzenter gekoppelt und macht somit eine oszillierende, pendelnde Bewegung entsprechend der Sinuskurve. Im Ablauf öffnet sich der Rundschieber langsam, lässt auf dem Höhepunkt einen ungehinderten Dampfeinlass zu, schließt dann langsam wieder – und das in symmetrischer Winkelgeschwindigkeit. Das langsame Schließen des Rundschiebers lässt also auch immer noch Dampf eintreten, auch noch nach der eigentlichen „Offen-Phase“. Corliss kam nun auf die Idee, diese Öffnen-/Schließbewegung nicht starr an den Exzenter zu koppeln, er unterteilte das Gestänge und machte somit ein „Ausrasten“ von der Pendelbewegung möglich.

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Das Prinzip der Corliss-Steuerung

Das funktioniert nun so: Der Exzenter schiebt über das Gestänge den Rundschieber „Dampfeinlass“ auf. Das läuft noch symmetrisch zur Exzenterdrehung, also sinusförmig. Im Augenblick des Totpunktes ist der Dampfeintritt ungehindert offen und Dampf strömt in den Zylinder ein. Und nun – in diesem Augenblick – wird über die Klinke das Gestänge ausgekuppelt. Eine Feder holt das Steuergestänge schlagartig zurück, der Rundschieber schließt schlagartig die Dampfzufuhr. Nun ist also der Zylinderraum über dem Kolben mit Dampf gefüllt, der kann sich entspannen und seine Arbeit leisten. Es strömt kein weiterer Dampf mehr nach. Ist der untere Totpunkt erreicht, rastet die Klinke wieder auf der Schubstange ein – ein neuer Hub kann beginnen.

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Schematischer Vergleich der Steuerkurven eines normalen Rundschiebers und eines Rundschiebers nach Corliss.

Diese Klinke hat eine genau berechnete Kurve. Sie bewegt sich damit unter einem Stift/Anschlag durch, der in seiner Position vom Fliehkraftregler angesteuert wird. Wird die Maschine nun langsamer, vielleicht weil ihr mehr Leistung abverlangt wird, dann hebt sich der Stift etwas. Das bewirkt, dass das Ausklinken zu einem etwas späteren Zeitpunkt erfolgt. Demnach ist die Dampfzufuhr länger geöffnet und der Maschine wird länger bzw. mehr Dampf zugeführt. Erhöht sich die Maschinendrehzahl, rückt der Stift wieder näher an die Klinke heran und bewirkt ein früheres Ausrasten: ergo, weniger Dampffüllung.Dieses System arbeitet unglaublich sensibel. Der gesteuerte Punkt des Ausrastens bewirkt nur geringfügigste Änderung im Drehwinkel der Schließphase. Das bringt winzige Änderungen des Füllgrades, der Verdichtung und damit feinst mögliches Einregeln auf die vorgegebene Drehzahl.

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Durch die sichelförmige Form der Klinke werden Maschinen dieser Bauart in Frankreich auch „Lame de sabre“, die „Säbel-Klingen“ genannt.
Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine doppelwirkende Maschine. Der Kolben wird also in jeder Bewegungsrichtung mit Dampf beaufschlagt. Somit muss die Dampfeinlass-Steuerung à la Corliss natürlich doppelt gebaut und beidseitig im Zylindergehäuse platziert werden. Diese Einlass Drehschieber liegen oben, über den Auslass-Drehschiebern. Der Dampfauslass wird auch über separate Drehschieber-/Rundschiebersteuerung geleitet – ebenfalls doppelt vorhanden. Diese sind aber wie üblich zum Exzenter gekuppelt, öffnen und schließen symmetrisch.

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Die Maschine

Als nun die ganze Mechanik geplant und dimensioniert war, konnte der erste Span fallen. Ausschlaggebend und als Bezugsreferenz wurde das Schwungrad mit 200 mm Durchmesser geplant. Daraus ergaben sich die Zylinder-Parameter: Hub = 52 mm, Bohrung = 26 mm. Die Grundplatte für alle Aggregate wurde mit 490 x 290 mm festgelegt.

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Das Schwungrad wurde aus Einzelteilen montiert. Es besteht aus der Nabe, den 6 Speichen und dem äußeren Reif. Alle Teile sind gedreht. Zur Montage sind die Speichen mit Zapfen in die Nabe eingepresst. Dann wurde der Reif aufgesetzt und mittels Messing-Dübeln Reif und Speichen verbunden. Es wurde darauf geachtet, dass die von außen eingetriebenen Dübel aus dem gleichen Messing gefertigt wurden, wie der Reif, damit man die Verstiftung nach Abdrehen und Verschleifen möglichst nicht mehr sehen kann. Da mit „Übermaß“, annähernd Passung „J“ (Schiebesitz), gearbeitet wurde, gibt es keine Spalten.

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Die Lagerböcke sind aus massivem Messing gefräst und bearbeitet. Um eine völlig spielfreie Lagerung zu erreichen, sind die Lager halbiert, die Hälften der Lagerschalen sind exakt einstellbar. Auf ihnen sind Tropföler montiert. Die Lagerböcke ruhen auf Säulen.

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Auf der Achse befindet sich noch ein kleineres Riemenrad, das in gleicher Art hergestellt wurde wie das Schwungrad. Dann natürlich die Exzenter zur Steuerung und ein Exzenter für den Antrieb der Pumpe.

Auf der anderen Seite befindet sich die Zylindereinheit. Sie ist auf einem Tisch montiert, der von sechs Säulen getragen wird.

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Darunter erkennt man den Tank für Kondensation und Abdampfreinigung/Ölabscheider. Die Baugruppe „Zylinder“ besteht aus einer Vielzahl von Einzelteilen. Die größten sind natürlich der Zylinder und die beiden Zylinderdeckel – alles Messing, pur. Bei genauer Betrachtung erkennt man auf den Zylinderdeckeln noch einen weiteren aufgeschraubten Deckel. Die Deckel sind ausgefräst und werden vom Abdampf/heißem Wasser nach Kondensation beheizt. In den Zylinderabdeckungen befinden sich die Dampfkanäle, sie bestehen aus drei eng nebeneinander liegenden Bohrungen und bieten so einen großen Querschnitt. In einer sehr exakten, aufgeriebenen Querbohrung sind die Rundschieber platziert. Das sind Rundstäbe aus VA, an die eine entsprechende Fläche angefräst wurde. Sie müssen so präzise passen, dass sie dampfdicht sind, aber andererseits so leicht laufen, dass sie ohne großen Kraftaufwand anzusteuern sind – hier ist nicht nur „Feinmechanik“, sondern vielmehr „Feinst-Präzision“ gefragt!

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Auf den Zylinderdeckeln sind ebenfalls Tropföler angebracht, die sich in den Dampfkanal entleeren und den Dampf mit Öl vermischen, das dient der Kolbenschmierung. Oben auf dem Zylinder ist ein großvolumiges Küken-Ventil montiert und damit ist die gesamte Dampfzufuhr absperrbar.

Auf dem pleulstangenseitigen Zylinderdeckel ist die Kreuzkopfführung montiert. In ihr gleiten die Sohlen des Kreuzkopfes auf einem ölgetränkten Bett. Spielfrei ist so die Kolbenstange gelagert und gibt die Schub-/Zugkräfte an die Pleuelstange weiter. Diese wirkt dann auf die Kurbel der Kurbelwelle. Beachtenswert auch die Lager dieser Maschinenelemente: Alle Lager sind geteilt und können über leicht trapezförmige Steine hochpräzise eingestellt werden!

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Eine schöne Holzverkleidung dient nicht nur dem Aussehen, es ist vielmehr eine gute Isolierung gegen Wärmeverlust. Das geätzte Typschild ist dagegen „nur“ ein optisches Highlight – wohl das einzige Bauteil ohne wirkliche Funktion.

Die Baugruppe „Zylinder“ und die Baugruppe „Schwungrad“, beide auf Säulen montiert, sind mit einem Joch verbunden. Dieses Element fixiert erstens die o.g. Baugruppen exakt und stabil miteinander, trägt zweitens die Lagerungen für die Corliss-Steuerung und den Fliehkraftregler. Das Joch ist ein sehr massives Bauteil, bestehend aus zwei Grundkörpern, die gefräst und in aufwändiger Handarbeit profiliert wurde. Eigentlich hätte ein „Stück Vierkant“ ausgereicht, um diesen Zweck zu erfüllen – aber nicht bei einer Strube-Maschine! So wurde die äußere Kontur gefällig gerundet, Übergangsradien angefräst, Flansche montiert und so weiter. Die Montage der beiden Grundkörper erfolgt zusammen mit dem Lagerelement des Fliehkraftreglers. In exakter Position sind dann die Teile weich verlötet worden, um die Spalten zu füllen und Bewegungen wirklich auszuschließen.

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Unter dem Joch finden wir noch eine Pumpe, die vom Exzenter der Kurbelwelle angetrieben wird. Da die Maschine hier mit Druckluft betrieben wird, läuft die Pumpe ohne Funktion mit. Konzipiert ist sie als Kondensat-und Kesselspeisewasserpumpe und arbeitet dann auch doppelwirkend. Sie weist eine Innenpleuelstange auf und stellt somit selbst ein sehr interessantes Modul dar.

Das wichtigste Bauteil für einen störungsfreien, drehzahlstabilen Betrieb ist dann letztendlich der Fliehkraftregler. Auch er ist mit der größtmöglichen Präzision gefertigt. Die Lagerung ist auf drei Feinst-Kugellager aufgeteilt. Es ist das System mit den „stehenden Kugeln“, die also bei Drehung gegen die exakt zu definierende Kraft einer Feder drückt. Das ist genauer und vor allem einstellbar, wogegen das System mit den „hängenden Kugeln“ nur gegen die Schwerkraft wirkt.

Der Fliehkraftregler hebt/senkt den Stift, der für den Ausrast-Zeitpunkt der Klinke zuständig ist. Somit ist die Drehzahl selbst maßgeblich für den Grad der Füllung im Zylinder. Läuft der Regler zu schnell (weil die Maschine zu schnell dreht), rastet die Klinke früher aus und schließt die Dampfzuführung eher, wodurch natürlich weniger Dampf durch seine Ausdehnung für Leistung sorgen kann. Und damit sinkt die Drehzahl wieder...

Die Mechanik der Corliss-Steuerung besteht fast ausschließlich aus Werkzeugstahl, gelagert in Buntmetall. Die rastenden Elemente von Klinke und Stößelstange sind zudem gehärtet. Alle Elemente weisen die Möglichkeiten für Justierungen auf, denn durch das sehr sensible Regelverhalten müssen auch die Schaltpunkte ganz exakt eingestellt sein. Und das dann alles „mal zwei“ – denn die Maschine ist doppelwirkend und der Kolben wird von beiden Seiten abwechselnd mit Dampfdruck beaufschlagt. Einfacher ist das Montieren/Einstellen der Abdampfschieber, da diese nicht mechanisch unterbrochen und gerastet ausgeführt sind; sie laufen synchron zur Exzenterbewegung. Eine kleine aber sinnreiche Mechanik erlaubt das Aushängen der antreibenden Exzenterstange zur Corlissmechanik. Damit ist dann alles „auf Null“ gesetzt – nichts geht mehr. Es diente wohl bei den großen Maschinen auch der Sicherheit in Falle von Reparatur- oder Wartungsarbeiten. Auch wenn bei der Modellmaschine nicht mit Quetschungen zu rechnen ist – dieses Detail fehlt dennoch nicht!


Finish

Nachdem nun alle Teile gefertigt waren, wurde alles montiert und auf Funktionalität geprüft. Einstellen, testen, justieren, verbessern – die üblichen Arbeiten. Als dann der „grüne Haken“ für FERTIG gesetzt werden konnte, wurde alles wieder zerlegt und gereinigt. Die Messingteile wurden galvanisch vergoldet. Um einen schönen Effekt zu erzielen, sind einige Oberflächen vor dem Vergolden poliert, andere durch Sandstrahlen mattiert worden. Diese Oberflächenstruktur erkennt man auch noch nach dem Vergolden und das lässt die Maschine sehr schmuckvoll aussehen. Die Stahlteile sind poliert. Die Säulen weisen Längsriefen auf, die nach dem Vergolden mit einer blau-grauen Farbe ausgelegt wurden. Dann konnte alles wieder auf der Grundplatte montiert werden. Aber auch diese ist schon für sich betrachtet ein Schmuckstück: Eine solide Multiplexplatte (verzugfrei) ist mit einem vergoldeten Messingrahmen umfasst. Natürlich sind auch die Rahmenprofile selbst gefräst, auf Gehrung montiert sowie vergoldet worden. Ein Metallrahmen von unten sichert das Ganze nochmals gegen Verzug.

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Dann ist die Platte mit einem Parkett aus rechteckigen Wurzelholz-Plättchen belegt worden, die durch eine Imprägnierung gegen eventuell herab tropfendes Öl geschützt wurde.

Eine Plexihaube schützt das Werk gegen Verstaubung. Und an hohen Feiertagen, oder wenn sich mal meine Wenigkeit mit Kamera dazu gesellt, wird die Maschine hervorgeholt. Ein kleiner Kompressor steht griffbereit. Der Betrieb mit Luft ist sauberer als mit Dampf, so kann diese, wie auch alle anderen Strube-Maschinen, in der „guten Stube“ in Betrieb genommen werden. Natürlich erst, nachdem die weißen Handschuhe angezogen worden sind, damit keine Fingerabdrücke auf dem glänzenden Gold hinterlassen werden.

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Der Baumeister stellt das Schwungrad auf den Startpunkt, der irgendwo mittig zwischen den Totpunkten liegt. Leise fauchend strömt die Druckluft in den Zylinder. Und langsam, sicher und präzise läuft das Wunderwerk selbstständig an – obwohl es eine Einzylindermaschine ist! Bei jeder Umdrehung vernimmt das lauschende Ohr zwei Knackgeräusche. Sie stammen vom Ausrasten der Klinken und von den per Federkraft zurück schnellenden Stößelstangen. In langsamen Drehzahlen drängt sich der Vergleich zum Ticken der altehrwürdigen Standuhren auf... Dazu gesellt sich das leise Surren des Fliehkraftreglers, der Kurbelwelle mit dem imposanten Schwungrad. Und wer dann noch gut hinhört, vernimmt das satte Schmatzen aus den Lagern und der Kreuzkopfführung. Das alles ist Musik in den Ohren eines jeden Dampf-Fans! Man wird sich schwer entscheiden können, ob nun die akustischen Reize oder die optischen Reize von Gold und Stahl dominieren. Und um das herauszukriegen, sitzt man gut und gerne zwei Stunden vor dem Werk – genießt und schweigt!

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Technische Daten
Typ: Einzylinder, doppelwirkend
Grundplatte: 490 x 290 mm
Schwungrad: 200 mm
Hub: 52 mm
Bohrung / Kolben: 26 mm
Drehschieber: 6 mm
Winkelbewegung Dampfeinlass nach Corliss: ca. 30°, variabel, je nach Füllgrad
Winkelbewegung Dampfauslass: ca. 35°

Weitere Baugruppen
10 Säulen
Pumpe für 2x Kesselspeisewasser und 1x Kondensat
Kondensator unter der Zylindereinheit
Fliehkraftregler „stehend“
Bauzeit: ca. 15 Monate
Unterlagen: Eigenkonstruktion, angelehnt an Maschinen nach dem Corliss-System.
Weitere Maschinen von Dieter Strube sind erschienen in dieser Fachzeitschrift Journal Dampf & Heißluft:
Ausgabe 2/2007: Die Lilienthal-Maschine
Ausgabe 3/2007: Die Helsingör-Maschine
Ein Beitrag über Corliss und sein Werk ist erschienen im Journal Dampf & Heißluft, Ausgabe 2/2008, Seite 60.

Hinweis

Eine 1000-PS-Corliss-Dampfmaschine, die als kombiniertes Dampf- und Wasserkraftwerk arbeitete, findet man noch in Waldkirch-Kollnau von der ehemaligen Kollnauer Baumwollspinnerei und -weberei. Gebaut und aufgestellt 1903 von der „Elsässischen Maschinenbau-Gesellschaft“ in Mülhausen, zählt diese Corliss-Dampfmaschine (nach meiner Kenntnis) zur einzigen erhaltenen Anlage in Deutschland.

Fotos: Helmut Harhaus
 
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