Sonderzubehör und Tipps zu Modell-Dampfmaschinen

Author: Lutz Pietschker
Version: 2014-09-04

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Inhalt

• Allgemeine Informationen und Tipps
  • Bauprinzip Wilesco
  • Maßstäbe Wilesco
  • Druck, Drehzahl, Leistung
  • Öl und Schmiere (bzw. zu viel davon)
• Dreiwegehähne: Wie man medizinische Dreiwegehähne in Modellen nutzen kann

Allgemeine Informationen und Tipps

• Bauprinzip der Wilesco-Maschinen
  Bei den Wilesco-Kolbendampfmaschinen handelt es sich durchweg (mit Ausnahme der Schiffs-Dampfmaschinen, die technisch aufwändiger sind) um doppeltwirkende, ungeregelte, einstufige Auspuffmaschinen mit Kolbenschiebersteuerung als Einzylinder- oder Zwillingsmaschine:
  • Doppeltwirkend: Hin- und Herbewegung des Kolbens sind jeweils Arbeitshübe, es gibt keinen "leeren" Rückhub.
  • Ungeregelt: Es gibt keine Regelung der Drehzahl oder des Drehmomentes.
  • Einstufig: Der Dampf wird im Zylinder in einer Stufe auf Atmosphärendruck entspannt, es gibt keine Hoch- und Niederdruckstufe.
  • Auspuffmaschine: In den Zylindern arbeitet der Kolben jeweils gegen den Atmosphärendruck, der Dampf verlässt den Kolben in die Atmosphäre und kondensiert nur "zufällig" an kälteren Maschinenteilen oder in der Atmosphäre; bei einigen Maschinen wird der Abdampf in einen Schlot geleitet, wo er den Eindruck von "Rauch" vermittelt.
  • Kolbenschieber: Die Dampfzufuhr zu den beiden Seiten des Kolbens wird durch einen Kolbenschieber gesteuert.
  • Bei den Zwillingsmaschinen arbeiten beide Kolben auf die gleiche Kurbelwelle. Im Gegensatz zu Einzylindermaschinen sind sie selbstanlaufend.
  Alle Maschinen arbeiten mit Satt- bzw. Nassdampf, der Dampf verlässt den Kessel als gesättigter Dampf und beginnt (vor allem zu Beginn des Betriebs) bereits in der Dampfleitung zu kondensieren; es findet also keine Überhitzung statt. Der Kesseldruck liegt bei 1-2 bar über Atmosphärendruck (siehe "Druck, Drehzahl, Leistung").
  Die Hauptteile der Konstruktion (nach Wagenbreth, Düntzsch & Gieseler) haben die folgenden Eigenschaften:
  • Der Kessel ist ein liegender Walzenkessel oder ein stehender Rauchrohrkessel. Als Feuerung dienen Brennstofftabletten, die über einen Schieber in den Brennraum "beschickt" werden; es ist somit kein kontinuierlicher Betrieb möglich, weil keine Nachbeschickung möglich ist.
    Es gibt als Nachrüstsätze von dritter Seite Spiritus- oder Gasbrenner für Dauerbetrieb, die jedoch von Wilesco nicht unterstützt werden und zu Garantieverlust führen. Bei ungeeigneten Nachrüstbrennern besteht die Gefahr einer Kesselüberhitzung, die zum Auslöten von Leitungen oder sogar des Kesselbodens führen kann, was einen unkontrollierten, sehr gefährlichen Dampfaustritt zur Folgen hätte. Aus 1 ml Wasser entstehen fast 1,7 Liter Wasserdampf von 100°, die bei einem Kesselversagen schlagartig frei würden– das ist für alle Umstehenden sehr gefährlich!
    Bis auf ganz wenige Ausnahmen haben die Maschinen keine Speisewasserpumpe, d.h. das Kesselwasser kann nur bei drucklosem Kessel nachgefüllt werden; dies ist der zweite Faktor, der längeren kontinuierlichen Betrieb verhindert. Eine "Arbeitsperiode" wird also sowohl durch die Brenndauer der Brennstofftabletten als auch durch durch die Kesselfüllung begrenzt, in der Regel auf 10-20 Minuten.
  • Die Dampfleitungen führen direkt in den Schieberkasten, bei einigen Modellen direkt (z.B. D14), bei den meisten über ein zwischengeschaltetes Dampfventil (Nadelventil) oder einen Dampfhahn, mit denen der Dampfzulass ganz oder teilweise abgesperrt werden und und somit Drehzahl bzw. Leistung (grob) gesteuert werden können.
  • Zylinder und Kolben können liegend oder stehend angeordnet sein.
  • Das Triebwerk besteht fast durchweg aus einer Kolbenstange, die gleichzeitig als Geradführung dient, einer Schubstange und einem Schwungrad zur Überwindung der Totpunkte. Einige Kleinstmaschinen haben statt der Schubstange einen oszillierenden Zylinder.
  • Zur Steuerung dient ein Kolbenschieber, dessen Gehäuse fest mit dem Zylinder verbunden ist und der über einen Exzenter an der Antriebskurbel bewegt wird. Der Antrieb ist durch eine Kulisse im Exzenter symmetrisch, die Maschine kann also in beiden Drehrichtungen laufen. Die Steuerung ist fest, d.h. sie kann nicht zusätzlich beeinflusst werden, um z.B. den Füllungsgrad des Zylinders zu ändern.
  • Ein Regler für Drehzahl oder Drehmoment ist nicht vorhanden; einige Maschinen haben zwar einen "Fliehkraftregler", der jedoch ein funktionsloses, rein optisches Imitat ist.
  • Als Maschinengestell dient bei den ortsfesten Maschinen eine Blechplatte, die teilweise auch die Basis für eine Transmissionswelle oder einige Antriebsmodelle bildet.
  • Als Abtrieb (=Antrieb für angeschlossene Arbeitsmaschinen) dient ein Riementrieb für Drahtspiralen von 2 oder 2,5 mm Durchmesser, typischerweise über eine oder zwei Riemenscheiben auf dem Schwungrad. Eine einzige Maschine (die D32 el, die heute nicht mehr gebaut wird) hat einen kuppelbaren Abtrieb, bei allen anderen läuft der Abtrieb ständig mit.
  Abschließend ist zu sagen, dass sich Wilesco selbst nicht einig ist, ob es sich bei ihren Maschinen um Spielzeug oder technische Modelle handelt. Nun gut, sie sind sich vermutlich einig, aber aus rechtlichen Gründen dürfen sie das wohl nicht zugeben. In Katalogen wird einerseits darauf hingewiesen, dass es sich nicht um (Kinder-) Spielzeug handelt, aber wenn man Leistungsdaten der Maschinen haben will, bekommt man den Hinweis, dass es sowas für Spielzeugmmaschinen natürlich nicht gibt…
• Maßstab der Wilesco-Maschinen
  Hinweis: Gemeint ist der geometrische Maßstab; Strömungsphysik und Kinetik folgen der Geometrie nicht linear.
  • Die fahrbaren Wilesco-Maschinen und die Anhänger haben einen Maßstab von 1:12 bis 1:18; das ist ein grober Richtwert, ermittelt aus den Gesamtmaßen der Modelle und denen ihrer realen oder vermuteten historischen Vorbilder. Wilesco selbst gibt weder einen Maßstab noch ein genaues historisches Vorbild an; für die Dampffeuerwehr D305 wird zwar explizit auf die Magirus-Dampffeuerwehr von 1903 verwiesen, aber Details des Modells ähneln eher einigen Magirus-Feuerspritzen von 1907. Optisch sehen Figuren im Maßstab 1:12 wohl am besten neben den Fahrmodellen aus (d.h. Figurengröße 14 bis 15 cm). Die 8-cm-Figuren, die Wilesco einmal geliefert hat (Z231, Z362), sehen neben den Modellen und Antriebsmodellen lächerlich klein aus, auch die Feuerwehrleute (Z311, Z312) mit ihren gut 12cm (ohne Helm) wirken auf der Feuerwehr D305 zu klein.
  • Der Maßstab der Antriebsmodelle liegt bei etwa 1:12, d.h. dem typischen Puppenstuben-Maßstab.
  • Für die ortsfesten Maschinen ist es relativ sinnlos, einen Maßstab anzugeben, ihre Bauteile sind schon in sich zu unterschiedlich (man vergleiche z.B. die Größe des Antriebszylinders mit dem Schornstein). Die einzigen Hinweise geben die Größen der Leitern und Geländerstützen, die sinnvollerweise als Maßstab für Figuren dienen könnten; bei einer Geländerhöhe von ca. 20 mm am Modell und 1 m in der Realität (Mindesthöhe nach Bauordnung) ergibt sich ein Maßstab von 1:50, also weit entfernt von dem der Antriebsmodelle. Da wird man einen Kompromiss finden müssen, denn 1:12-Figuren wirken neben diesen Maschinen viel zu groß.
• Druck, Drehzahl und Leistung
  Dampfdruck und Dampfleistung (d.h. die Kesselleistung) bestimmen die maximale Leistung einer Dampfmaschine. Die abgegebende meschnische Leistung ist das Produkt aus Drehmoment (bestimmt durch Kolbengröße und Dampfdruck) und Drehzahl .
  • Der Druck wird heutzutage in bar angegeben, früher waren atm, at und kp/cm3 (oft auch fälschlich als kg/cm3 bezeichnet) üblich; die Zahlenwerte für den Druck sind bei Verwendung aller dieser Einheiten im Rahmen unserer Modellbau-Messgenauigkeit praktisch gleich. Weitere Druckeinheiten sind das Pascal (Pa, 10.000 Pa entsprechen 1 bar) und Meter Wassersäule (mWS, 10 mWS entsprechen etwa 1 bar). Heute nur noch für medizinische Zwecke üblich und zulässig ist die Einheit Torr = Millimeter Quecksilbersäule (mmHg, 760 mmHg entsprechen etwa 1 bar).
  • Die Drehzahl wird in der Technik üblicherweise in Umdrehungen pro Minute angegeben (1/min, auch –unkorrekt– U/min).
  • Das Drehmoment ist das Produkt aus der Länge des "Lastarmes" und der dort auftretenden Kraft und wird korrekt in Newtonmeter gemessen (Nm, kg*m2/s2); bei einem Riementrieb ist der Lastarm der Radius der Riemenscheibe. Eine historische Einheit für das Drehmoment ist kp*m (auch kg*m), es gilt ungefähr 1 kp*m = 10 Nm.
  • Die Leistung wird in Watt (W) angegeben; weiterhin üblich ist auch die Einheit Pferdestärke (PS, 1 PS entspricht etwa 735 Watt). Die Einheit Pferdestärke geht auf James Watt zurück, der auf Druck eines Kunden ein stark idealisiertes (bzw. misshandeltes) Pferd als Vergleichsbasis für die Leistung seiner Dampfmaschinen nahm; die heutige SI-Einheit "Watt" ist nach eben diesem James Watt benannt und müsste demzufolge eigentlich "britisch" ausgesprochen werden (was aber niemand tut).
  • Den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment bei einem bestimmte Dampfdruck bezeichnet man als Kennlinie einer Dampfmaschine; die Kennlinienschar für veschiedene Betriebsdrücke gehört zur wesentlichen Dokumentation einer Dampfmaschine. Die Kennlinie wird wesentlich bestimmt durch Kesselleistung, Zylindergröße und -zahl und durch die Art und Charakteristik der Steuerung.
  Hier nun ein paar Zahlen mit Bezug zu den Wilesco-Modelldampfmaschinen:
  • Druck: Wilesco-Maschinen arbeiten mit einem Überdruck von 1-3 bar (d.h. 1-3 bar über dem Atmosphärendruck); die Manometer zeigen, wie technisch üblich, den Überdruck und haben einen Messbereich von 0-2,5 bar (einige auch Manometer 0-3 oder 0-4 bar), wobei als Arbeitsdruck (Nenndruck) immer 1,5 bar Überdruck markiert sind (darüber beginnt der "rote Bereich"). Die sicherheitsrelevanten Anlagenteile (also vor allem der Kessel) werden im Werk in einer Stückprüfung mit dem 3-fachen Betriebsdruck geprüft.
    Ein Vergleichswert aus dem Alltag: Fahrradreifen werden mit 2 bar (Ballonreifen) bis 9 bar (Rennreifen) Überdruck aufgepumpt. Also fahren unsere Dampfmaschinen mit weniger Druck als ein schlecht aufgepumptes Fahrrad und sind deswegen vollkommen ungefährlich, richtig? Falsch: Das Problem ist nicht der Druck an sich, sondern die Tatsache, dass im Kessel auch unverdampftes kochendes Wasser ist. Bei einem schlagartigen Kesselversagen (z.B. Auslöten eines Kesselbodens) wird nicht nur der Dampf im Kessel frei, sondern durch Nachverdampfung wird auch ein Teil des siedenden Wassers schlagartig zu Dampf- aus jedem so verdampfenden Milliliter Wasser sofort ca. 1,6 Liter Dampf von 100° Temperatur! Das reicht für lebensbedrohliche Verbrühungen, selbst wenn einen keines der umherfliegenden Teile trifft. Der Hinweis, dass die Maschinen kein Kinderspielzeug sind, ist also berechtigt. Und hier die Entwarnung: Trotzdem ist es nicht nötig, Angst vor Dampfmaschinen zu haben. Kesselversagen ist bei normalem Betrieb paraktisch ausgeschlossen, und das angesprochene "Entlöten" passiert allenfalls bei leergekochtem Kessel, so dass es nicht ganz so katastrophal ist wie oben geschildert. Vermeiden Sie aber
    • Unbeaufsichtigten Betrieb
    • Betrieb mit falschem oder blockiertem Sicherheitsventil
    • Betrieb mit leerem Kessel (macht ohnehin wenig Spaß)
    • Benutzung von falscher, vor allem zu starker Heizung
    • Aufbewahrung der Brennstoffe oder Gastanks zu dicht an der Maschine
    • Eigenreparaturen und Fummeleien am Kessel
    und haben Sie auf jeden Fall immer ein paar feuerfeste Handschuhe und Löschmittel zur Hand.
  • Die Drehzahl der Maschinen liegt, bei Nenndruck, voll geöffnetem Dampfventil und ohne Last, bei einigen hundert bis einigen tausend 1/min (der Drehzahlmesser der D32 el, der größten Wilesco-Maschine, geht bis 2000 1/min, was auch in der Anleitung als zulässige Maximaldrehzahl angegeben ist). Richtwert: Je kleiner die Maschine, desto höher die Drehzahl; das liegt an der Eigenfrequenz der Antriebseinheit, die bei kleinen Maschinen höher ist.
  • Kennlinien für seine Dampfmaschinen veröffentlicht Wilesco nicht, mit Hinweis auf den Spielzeugcharakter der Geräte.
  • Leistungswerte gibt Wilesco selbst nur in Form einer relativen "Sternchen"-Skala an. Jede Maschine mit Abtriebsrad und jedes Antriebsmodell haben eine Kennung in Form von Sternen (zu finden im Katalog); die Summe der verlangten "Sterne" der Antriebsmodelledarf höchstens so groß sein wie die von der Maschine gelieferten "Sterne". Bei den Antriebsmaschinen sind dabei jeweils bereits die mitgelieferten Antriebsmodelle oder Aggregate abgezogen, so kommt die D141 z.B. auf 0 Sterne– die gesamte Leistung wird durch die mitgelieferte Werkstatt verbraucht. Beispiele:
    • D3 = 1 Stern, D6 = 2 Sterne, D14/D16 = 9 Sterne, D20 = 20 Sterne, D24 = 25 Sterne
    • Dampfwalze, -traktor, Lokomobile im Standbetrieb = 5 Sterne, Showman's Engine = 2 Sterne (gleicher Antrieb, aber vorsichtiger Abzug wegen des mitlaufenden Generators)
    • Schleifbock, Kreissäge = 1 Stern; Exzenterpresse, Bügelsäge, Karussell, Riesenrad= 3 Sterne; Bohrmaschine, Betonmischer = 4 Sterne; Generator = 5 Sterne
    Aus anderen Quellen bekommt man Leistungszahlen, die aber in der Regel völlig wertlos sind, weil nicht dazu gesagt wird, worauf sie sich beziehen: Leistung am Kessel? An der Kurbelwelle? An der Transmission verfügbar? Trotzdem ein paar Angaben, die ich gefunden habe und von denen ich vermute, dass sie als "verfügbar an der Transmission", also als nutzbare mechanische Abtriebsleistung, gemeint sind:
    • dampfmaschinen24.de gibt für die "D20 bis D24" (20 bzw. 25 Wilesco-Sterne) "1 bis 2 Watt" an. Die Sterne verhalten sich wie 1:1,2, die Leistung wie 1:2…
    • Für die historische D32 el findet man auf dem Typenschild die Angabe "0,25 PS", das entspricht 184 Watt (Wilesco-Sterne gab es damals noch nicht). Sie hat eine elektrische Heizleistung von 1300 bis 1500 W (je nach Baujahr), was allerdings für die Maschine wohl übertrieben ist, sie wird oft mit reduzierter Spannung gefahren. Nehmen wir 1000 W an, dann entspricht das einem Wirkungsgrad von 18%, was ich für so ein Modell für realistisch halte, die 0,25 PS könnten also in etwa stimmen. Warum dann allerdings die D24 (als D242 mit elektrischer Heizung von 500 W) nur 2 Watt leisten soll, ist mir unklar… die D32 hat als Antriebseinheit 2 gekoppelte Einheiten, wie sie einzeln auch in den Maschinen D20, D21 und D24 verwendet werden. Bei ausreichender Kesselleistung sollten diese Maschinen also in etwa die halbe Leistung der D32 bringen. Umgekehr könnte man daraus schließen, dass die D32 etwa 40 bis (wahrscheinlicher) 50 Wilesco-Sterne leistet.
    Nun ja, was immer es wert sein mag. Am Ende bleibt nur, selber zu messen.
• Anfängertipp: Öl und Schmiere
  Es wird richtigerweise überall gesagt, dass Maschinen gut geschmiert sein müssen, um einwandfrei zu laufen und lange zu halten. Was nicht überall steht: Dieses Öl verteilt sich beim Betrieb auch in der Umgebung. Die Kurbeln schleudern bei den hohen Drehzahlen der Modellmaschinen Öl und (vor allem bei Vertikalmaschinen) Öl-Wasser-Gemisch um die Maschine herum und vor allem in der Kurbelebene ziemlich weit. Also: Bitte die guten Tischtücher vorher abnehmen!

Dreiwegehähne

Vorerst nur ein Bild

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