1500 bis 2008

Kraftmaschinen

Deutsches Museum

Von der Muskelkraft zur Gasturbine
Deutsches Museum/2012

Kraftmaschinen hatten und haben als Antriebsaggregate entscheidenden Anteil an der Entwicklung der Arbeitsmaschinen, der Verkehrsmittel zu Land, zu Wasser und in der Luft aber auch der Stromerzeuger. Sie waren und sind wesentliche Antriebskräfte der gesamten technischen, wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung.

Unterteilt werden sie hier in folgende Kategorien:

- Muskelkraftmaschinen

- Windkraftmaschinen

- Wasserkraftmaschinen

- Dampfkraftmaschinen

- Verbrennungsmotore

- Gasturbinen

Muskelkraft-maschinen

Muskelkraftmaschinen werden diejenigen Aggregate genannt, mit denen menschliche oder tierische Kraft in Arbeit umgesetzt wird.

Anfänglich nutzten die Menschen der Vorzeit nur die Kraft ihrer Muskeln. Tätigkeiten, die über die Kräfte eines Einzelnen hinausgingen, wie z. B. die Bewässerung der Felder und der Transport großer Lasten, wurden durch die Bündelung der Kräfte von mehreren bewältigt.

Doch schon vor mehr als 8000 Jahren entstanden einfache Maschinenelemente wie der Hebel und der Keil. Als Werkzeug und Hilfsmittel dienten sie dazu, physikalische Größen wie Kräfte, Momente und Geschwindigkeiten zu leiten und zu wandeln. Die Kombination derartiger Maschinenelemente führte vor über 2000 Jahren zu ersten Muskelkraftmaschinen wie Göpel und Tretmühlen. Schon im dritten Jahrtausend v. Chr. dürfte die erste Werkzeugmaschine mit Muskelantrieb erfunden worden sein: der Fidelbogen, der dem Bohren von Löchern und dem Entzünden des Feuers diente.

Windkraft-maschinen

Durch unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche entstehen strömende Luftmassen – die Winde. Die Strömung des Windes stellt wie die des Wassers eine saubere, unerschöpfliche Energiequelle dar. Ihre technische Nutzung ist aber eingeschränkt: Winde wehen unbeständig und ungleichmäßig oder entwickeln zu starke, nicht mehr nutzbare Kräfte. Technisch gesehen sind Windkraftmaschinen – Windmühlen und Windturbinen – Energieumwandler, in denen mechanische Energie entsteht. In Windmühlen wird sie zum Antrieb der Mühleneinrichtungen oder Schöpfwerke verwendet; in Windturbinen zum Betrieb von Generatoren, deren elektrische Energie ins Stromnetz eingespeist wird.

Wasserkraft-maschinen

Die ersten Maschinen, die ohne Muskelkraft auskamen, waren Wasserkraftmaschinen. Unter diesem Begriff werden Wasserräder, Wasserturbinen und als Sonderform die Wassersäulenmaschinen zusammengefasst. 

Die älteste Wasserkraftmaschine, das Wasserrad, nutzt je nach Bautyp das Gewicht und/oder die Strömungsenergie des Wassers zur Erzeugung eines Drehmomentes. Zusammen mit dem Windrad war es bis zur industriellen Revolution der wichtigste Energieerzeuger und wurde zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, wie z. B. Schöpfwerken, Mühlen, Bohrwerken, Ketten- und Seilwinden, eingesetzt.

Der wichtigste Wasserkraftmaschinentyp ist heutzutage die Wasserturbine. Turbinen laufen mit wesentlich höheren Drehzahlen als Wasserräder und liefern folglich eine vielfach höhere Leistung.

Wassersäulenmaschinen verwenden insbesondere den hydrostatischen Druck einer Wassersäule und setzen ihn in Arbeit um, ähnlich wie der Druck des Wasserdampfes in einer Dampfmaschine. Im 19. und 20. Jh. wurden sie zumeist für Pumpzwecke eingesetzt.

Dampfkraft-maschinen

Neue maschinelle Vorrichtungen erforderten mehr Energie, als die natürlichen Energiequellen Wasser und Wind decken konnten, zumal diese nicht überall zur Verfügung standen. Erst die Dampfkraftmaschine – ein Kind der neuen naturwissenschaftlichen Erkenntnisse – lieferte die Lösung für beide Probleme: Mit ihr war es nun möglich, an fast jedem Ort und in nahezu beliebiger Menge mechanische Energie für den Antrieb verschiedenster Maschinen zur Verfügung zu stellen, Brennstoffanfuhr vorausgesetzt.

Die Kolbendampfmaschine war die erste Dampfkraftmaschine. Ihre Erfindung hat im 18. Jh. die industrielle Revolution – das heißt den Übergang von handwerklicher zu industrieller Produktion – wenn nicht ausgelöst, so doch ermöglicht. Ende des 19. Jahrhunderts gelang die Konstruktion der vielfach leistungsstärkeren Dampfturbine: Dampfenergie konnte nun unmittelbar in eine Drehbewegung umgesetzt werden.

Die Energiequelle aller Dampfkraftmaschinen ist die Wärme, die z. B. durch Verbrennung von Kohle, Erdgas, aufbereitetem Erdöl oder durch Kernspaltung freigesetzt wird.

Verbrennungsmotore

Verbrennungsmotore sind heute und wohl noch auf lange Sicht die wichtigsten Wärmekraftmaschinen. Sie umfassen einen Leistungsbereich von etwa 100 W bei kleinen Modellbaumotoren bis hin zu nahezu 100 MW bei großen Schiffsdieselmotoren. Sie funktionieren alle nach einem vergleichbaren Prinzip: Das Brennstoff-Luft-Gemisch muss in einen Zylinder eingebracht, dort zusammengedrückt und dann entzündet werden. Die Entzündung bewirkt eine explosionsartige Verbrennung und die dabei frei werdende Wärme wird in mechanische Energie am Kolben bzw. am Kurbeltrieb gewandelt. 

Zwar verbesserten sich die Kolbenmotore von Otto und Diesel im Laufe ihrer etwa 130-jährigen Entwicklungsgeschichte, doch konnten sie ein grundsätzliches Problem nicht beheben: Durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens entstehen Trägheitskräfte, die den Wirkungsgrad beschränken. Im Rotationskolbenmotor, der von Felix Wankel in den 1950er-Jahren zur Serienreife entwickelt wurde, treten diese störenden Kräfte nicht auf.

Gasturbinen

Gasturbinen sind die jüngste Kraftmaschinenart. Sie gehören zur Gruppe der hochtourigen Verbrennungskraftmaschinen und werden mit den Gasen flüssiger Treibstoffe betrieben. Je nach Bauart geben Gasturbinen mechanische Energie in Form von Wellenleistung ab oder liefern Schubleistung wie beim Strahltriebwerk. Im Gegensatz zu den Dampfturbinen arbeiten die Gasturbinen mit wesentlich niedrigeren Drücken (max. bis 40 bar, Dampfturbinen bis 280 bar), erheblich höheren Temperaturen (bis 1500 °C, Dampfturbinen kleiner 580 °C) und mit wesentlich kleineren Stufenzahlen (etwa 3 bis 8, Dampfturbinen 20 bis 40). Aufgrund großer technologischer Fortschritte, insbesondere durch leistungsstarke Verdichter, aber auch durch die Entwicklung neuer warmfester Werkstoffe und der Schaufelkühlung, ist die Gasturbine in Anwendungsgebiete vorgedrungen, die bisher von Dampfturbinen, Diesel- und Elektromotoren beherrscht wurden. Die Gasturbine zeichnet sich gegenüber der Dampfturbine durch ein niedrigeres Leistungsgewicht und geringeren Raumbedarf aus. Sie erfordert weniger Wartungsaufwand und Personal und vor allem geringere Investitionen (Dampfturbine etwa 2000 €/kW, Gasturbine 600 €/kW).

Gasturbinen werden daher heute vor allem auf folgenden Gebieten eingesetzt:

- als Wellentriebwerk in Kraftwerken zur Stromerzeugung, zum Antrieb von Schienen- und Schifffahrzeugen und in gewissen Grenzen auch für Straßenfahrzeuge und von Hubschraubern;

- als Turbostrahltriebwerk in nahezu allen großen Verkehrs- und Transportmaschinen der zivilen Luftfahrt weltweit und in den meisten Militärflugzeugen.

Mitwirkende: Geschichte

Kurator — Karl Allwang
Kurator — Thomas Röber

Quelle: Alle Medien
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