Dampfmaschine

Dampfmaschine

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James Watt (* 19. Januar 1736 in Greenock; † 25. August 1819 in seinem Haus in Heathfield, Staffordshire) war ein schottischer Erfinder. Seine, aus heutiger Sicht, einflussreichste Erfindung war die Verbesserung des Wirkungsgrades von Dampfmaschinen durch Verlagerung des Kondensationsprozesses aus dem Zylinder in einen separaten Kondensator. Watt selbst hielt das von ihm entworfene Gestänge, das Wattsche Parallelogramm, für seine größte Erfindung.
1764 erhielt Watt den Auftrag, eine Dampfmaschine nach der Bauart von Thomas Newcomen zu reparieren. Watt beschloss, die Maschine – basierend auf Vorarbeiten von Denis Papin – zu verbessern. Er lernte neben Französisch und Italienisch auch Deutsch, um deutsche Schriften zur Wärmetheorie zu lesen. Um das fortwährende, wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden, verlegte er die notwendige Kondensation des Wasserdampfes in einen separaten Behälter, den Kondensator. Zusätzlich ließ er den Zylinder von außen in der sogenannten 'Steam Jacket' (deutsch etwa: Dampfjacke) mit Dampf umspülen, um die Wärmeverluste im Zylinder zu verringern. Diese Dampfumspülung isolierte er nach außen mit senkrecht angebrachten Holzbrettern. Erst wesentlich später konstruierte er den Zylinder auf Doppelwirkung um: Während bei den Vorgängermaschinen der Kolben durch den atmosphärischen Luftdruck nach unten sank, wurde der Vorgang nun durch Dampfkraft unterstützt. Für diese scheinbar kleine Änderung musste der Zylinderdeckel an der Kolbenstange abgedichtet werden und das kraftübertragende Gestänge vollkommen neu konstruiert werden. Watt erfand hierfür das Wattsche Parallelogramm, dessen Bedeutung er noch über der des separaten Kondensators sah.
http://de.wikipedia.org/wiki/James_Watt

Watt gab seine Stelle an der Universität Glasgow auf, um sich stärker der Weiterentwicklung der Dampfmaschine zu widmen. Obwohl er nebenbei als Feldvermesser arbeitete, häufte er in den folgenden Jahren Schulden an. Auch war er häufig krank. Erst 1769 fand er in dem Eisenfabrikanten John Roebuck (1718–1794) einen Finanzier und erhielt am 5. Januar 1769 das englische Patent Nr. 913.Watts Verbesserungen ermöglichten gegenüber der von John Smeaton optimierten Newcomen-Dampfmaschine eine Ersparnis an Steinkohle von über 60 Prozent.

Es gelang zunächst nicht, einen dampfdichten Zylinder herzustellen. Über den Versuchen ging sein Förderer John Roebuck pleite. Der Industriebaron Matthew Boulton erklärte sich bereit, Roebucks Nachlass zu übernehmen, wenn er die Verlängerung des Patentes um 25 Jahre bis zum Jahr 1800 erreichen könne. Nach erfolgreicher Lobbyarbeit wurde die Firma Boulton & Watt für die Dauer der Gültigkeit des Patents gegründet. Boulton sicherte sich für seinen Anteil 2/3 der Einnahmen zu. Die erste einsatzfähige Dampfmaschine nach dem Wattschen Prinzip wurde 1776 in der Fabrik von John Wilkinson installiert. Wilkinsons Firma war es gelungen, einen Zylinder aus Eisen in der erforderlichen Qualität zu fertigen: Er nutzte ein von ihm entwickeltes und patentiertes Verfahren zum Bohren von Kanonen in Eisen, bei dem der Bohrmeißel fixiert wird und sich das Werkstück um diesen dreht. In der Folge stellten 'Boulton & Watt' in Soho bei Birmingham wichtige Teile wie Kondensator und Luftpumpe her, zusammengebaut wurden die Dampfmaschinen erst beim Kunden. Wilkinson lieferte die Zylinder direkt an den Aufstellungsort und weitere benötigte Materialien wurden vor Ort dazugekauft und angepasst. Es ist eine Besonderheit, dass 'Boulton & Watt' die Dampfmaschinen anfangs nicht verkaufte, sondern über die Patentlaufzeit verleaste. Als Nutzungsentgelt verlangten sie ein Drittel der gegenüber der optimierten Newcomen-Dampfmaschine gesparten Brennstoffkosten. Zu dessen besseren Berechnung konstruierte Watt eigens einen manipulationssicheren Zähler für die Kolbenbewegungen.

1781 wandelte Watt den Kolbenhub mittels eines Schubkurbelgetriebes in eine Drehbewegung um. 1782 konstruierte er eine Dampfmaschine, bei der der Kolben von beiden Seiten durch Dampf bewegt wird. Damit hatte James Watt nun eine Dampfmaschine entwickelt, bei der die komplette Arbeit vom Dampf geleistet wurde, und nicht mehr ein Teil der Arbeit vom relativ niedrigen natürlichen Luftdruck. Auf diese Weise wurden wesentlich stärkere Maschinen möglich. Bei dieser Dampfmaschine drückt der Kolben den Balancier nach oben und zieht ihn nach unten. Damit diese in zwei Richtungen wirkenden Kräfte übertragen werden konnten, wurde statt einer Kette eine Kolbenstange benutzt. Zur linearen Führung der Kolbenstange am pendelnden Balancier erfand Watt 1784 das Wattsche Parallelogramm. 1788 stattete er seine Dampfmaschinen mit den bereits erfolgreich in Windmühlen benutzten Fliehkraftreglern zur Regelung der Drehgeschwindigkeit der Antriebsachse unter Belastungsschwankungen aus. Außerdem führte er die Pferdestärke (PS) als Maßeinheit für die Leistung ein.

Die Dampfmaschinen von Watt erreichten schließlich einen Wirkungsgrad von 3 %, das dreifache der optimierten Newcomen-Dampfmaschinen. Der Bau einer Hochdruckdampfmaschine verzögerte sich wegen Watts Angst vor Explosionen und seinem bis zum Jahr 1800 verlängertem Patent über die Dampfkonsensation außerhalb das Zylinders. Als Richard Trevithick (1771–1833) im Jahre 1804 eine auf Rädern und Schienen fahrende Hochdruckdampfmaschine konstruierte und mit fünffachem Atmosphärendruck betrieb, wünschte Watt ihm ob des Leichtsinns den Strick um den Hals.

Watt und Boulton behinderten während der Zeit, in der die Watt verliehenen Patente Gültigkeit hatten, erfolgreich die Weiterentwicklung der Dampfmaschine durch konkurrierende Ingenieure. So verklagten sie Jonathan Hornblower, dessen Verbunddampfmaschine einen höheren Wirkungsgrad möglich machte, wegen Patentverletzung und konnten so deren Weiterentwicklung stoppen.