Die Bedeutung der Rädergetriebe für den Antrieb von Handelsschiffen. Von Dipl.-Ing. Kraft in Berlin. KRAFT: Die Bedeutung der Rädergetriebe für den Antrieb von Handelsschiffen Ungeheuer rasch, in einem Zeitraum von kaum zehn Jahren, hat sich auf dem Gebiete des Schiffsantriebes durch das Erscheinen der Dampfturbine ein Wandel vollzogen, der der ganzen schiffbaulichen Entwicklung ein beschleunigtes Tempo aufgeprägt hat. Die Dampfturbine hat nicht allein Geschwindigkeiten ermöglicht, an die man unter der Herrschaft der Kolbenmaschine nicht zu denken wagte, sie hat auch wirtschaftlich neue Ziele gewiesen. Der Eintritt der Dampfturbine in das Arbeitsgebiet des Schiffsantriebes kennzeichnet damit eine Entwicklung, die in ihrer Tragweite heute noch garnicht abzuschätzen ist. Auf keinem Gebiete hat die Turbine, die mit zwingender Konsequenz die Konkurrenz der Kolbenmaschine schrittweise ausschaltete, eine so beherrschende Stellung errungen, wie im Kriegsschiffsbau. Hier waren die ersten Grundbedingungen gegeben, die der Turbine einen erfolgreichen Wettbewerb mit der Kolbenmaschine ermöglichten. Die hohe Umdrehungszahl des Propellers, mit der man im Kriegsschiffsbau mit Rücksicht auf die geringe Bauhöhe der Maschinen zu rechnen genötigt ist, kam den Konstruktionsbedingungen der Dampfturbine fördernd entgegen. So wurde die Turbine rasch die typische Antriebsmaschine für leichte und schnelle Fahrzeuge wie Torpedoboote und kleine Kreuzer. So wurde sie mit stetiger Steigerung der Maschinenleistung der Linienschiffe und Panzerkreuzer aus einer mächtigen Rivalin der Kolbenmaschine auch hier allmählich zu einer konkurrenzlosen Beherrscherin dieses ganzen wichtigen Arbeitsgebietes. Mag sie auch nicht überall und unter allen Verhältnissen der Kolbenmaschine die Wage halten – bei stark verringerter Leistung steht die Turbine bekanntlich der Kolbenmaschine wirtschaftlich wesentlich nach –, ihre Gleichwertigkeit, wenn nicht Ueberlegenheit in allen anderen Punkten haben der Turbine heute als Antriebsmaschine von Kriegsschiffen eine Monopolstellung verschafft, die als unbestritten anzusehen ist. Im Handelsschiffbau hat die Turbine bisher eine ähnliche beherrschende Stellung nicht zu erringen vermocht. Auch hier sind indessen beachtenswerte Ansätze zu verzeichnen, die klar erkennen lassen, daß die Turbine über den ihr gezogenen engen Rahmen ihres bisherigen Arbeitsgebietes energisch hinausstrebt. Im wesentlichen liegt die Beschränkung des Arbeitsfeldes der Turbine als Handelsschiffsmaschine wohl darin begründet, daß hier das wirtschaftliche Moment bei der Typenwahl der Antriebsmaschine die Hauptrolle spielt. Es spricht dabei natürlich nicht nur die Höhe der Anlagekosten mit, sondern mehr noch die Wirtschaftlichkeit im Betriebe, die durch den Verbrauch an Betriebsmitteln und die Kosten der Instandhaltung und Wartung der Maschine beeinflußt wird. So erklärt es sich, daß es bisher nur wenige eng umrissene Arbeitsgebiete im Handelsschiffbau sind, welche die Turbine als ihre Domäne betrachten kann, im wesentlichen handelt es sich dabei um zwei verschiedene Schiffstypen, die für den Turbinenantrieb in Frage kommen, den Schnelldampfer größter Maschinenleistung und Geschwindigkeit und den schnellen Revierdampfer und ähnliche Fahrzeuge. Bei ersterem empfiehlt sich die Turbine aus rein wirtschaftlichen Gründen, weil die großen Dampfmengen trotz der nicht übermäßig hohen Umdrehungszahl der Propeller einen so guten Turbinen-Wirkungsgrad gewährleisten, daß die Dampfökonomie der Kolbenmaschine, die ja bei ganz großen Leistungen konkurrenzlos ausscheidet, erreicht, wenn nicht übertroffen wird. Die höheren Kosten der Turbinenanlage spielen in diesem Falle natürlich keine ausschlaggebende Rolle. Für den zweiten Schiffstyp, den schnellen Revierdampfer, ist die Turbine deswegen die gegebene Antriebsmaschine, weil sie der Kolbenmaschine gegenüber eine wesentliche Gewichtsersparnis ermöglicht. Die etwaige Ersparnis an Brennstoffkosten, die an sich in Anbetracht der verhältnismäßig kleinen Leistungen nicht erheblich sein kann, spielt eine geringere Rolle, als die mögliche Verringerung der Verdrängung bzw. des Raumgehalts, weil damit die Hafenabgaben kleiner werden. Auch die Rücksicht auf die Hafenverhältnisse selbst macht oft Beschränkungen der Schiffsabmessungen notwendig, so daß sich hier die hochtourige Turbinenanlage trotz schlechter Propellerverhältnisse empfiehlt, Alles in allem ist die Zahl der Anlagen, die unter diesen Verhältnissen für den Turbinenantrieb in Frage kommen, naturgemäß beschränkt, so daß die in ihnen verkörperte Maschinenleistung, gemessen an der Gesamtleistung, die für Schiffsantriebszwecke heute zur Verfügung steht, nur einen verhältnismäßig bescheidenen Bruchteil derselben ausmacht. Gerade das ungeheure Arbeitsfeld, das heute die Dreifach- und Vierfach-Expansionsmaschine als Antriebsmaschine für Frachtdampfer, Fracht- und Passagierdampfer, Schnelldampfer (bis zu 21 Kn Geschwindigkeit etwa) nahezu unumschränkt behauptet, ist der Turbine bisher ihrem Wesen nach fast vollkommen verschlossen geblieben. Die Wege, die auch auf diesem Arbeitsgebiete die Turbine zu weiteren Erfolgen führen sollen, sind erst in den letzten Jahren gebahnt und schrittweise weiter ausgebaut worden. Die Richtlinien, die den einzuschlagenden Weg kennzeichneten, waren gegeben durch eine sinngemäße Anpassung an die bereits angedeuteten Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Turbinenbetrieb, hohe Umfangsgeschwindigkeit und großes Dampfvolumen. Da die Verwendung hoher Umfangsgeschwindigkeiten bei den genannten Handelsschiffstypen im Gegensatz zu der im Interesse eines guten Propeller-Wirkungsgrades zu fordernden niedrigen Umdrehungszahl steht, ist mehr oder weniger die Notwendigkeit für die Benutzung von Uebersetzungsgetrieben gegeben. Ein zweiter Weg, der neben der Verwendung von Zwischengetrieben der Turbine eine Erweiterung ihres Arbeitsbereiches sichert, knüpft an die zweite vorerwähnte Voraussetzung für wirtschaftlichen Turbinenbetrieb an, die Ausnutzung großer Dampfvolumina. Dieser Weg führt zu den sogenannten gemischten Anlagen, die aus einer Vereinigung der Hochdruck-Kolbenmaschine mit einer Niederdruckturbine bestehen. Diese Kombination bedeutet wirtschaftlich gegenüber der reinen Kolbenmaschine einen nennenswerten Fortschritt. Die Hochdruck-Kolbenmaschine sichert der Anlage alle ihre thermischen Vorzüge in der Ausnutzung hochgespannten Zudampfes, während die mit niedriggespanntem Abdampf betriebene Turbine einen mustergültigen Ersatz für den nicht sonderlich ökonomisch arbeitenden Niederdruckzylinder abgibt. Gerade für diese Rolle ist die Turbine ihrem Wesen nach hervorragend geeignet. Naturgemäß kann eine derartige Kombination nur in Frage kommen für mittelgroße oder große Maschinenanlagen, d.h. für Antriebsmaschinen größerer Fracht- und Passagierdampfer oder Schnelldampfer. Es handelt sich dabei also um Schiffstypen, bei denen die durch den Einbau der gemischten Maschinenanlage erzielte Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, die auf etwa 10 bis 15 v. H. gegenüber einer reinen Kolbenmaschinenanlage zu veranschlagen ist, eine genügend große Rolle spielt, um den Mehraufwand an Gewicht und Kosten gerechtfertigt erscheinen zu lassen. Hieraus geht hervor, daß trotz der stets wachsenden Bedeutung, die diese Anlagen neuerdings gewinnen, auch sie nur eine bescheidene Sondergruppe auf dem weiten Gebiet des Schiffsantriebes darstellen. Wesentlich weiter greifende Perspektiven als die gemischten Anlagen eröffnen die Turbinen mit Zwischengetrieben, und zwar nicht nur nach der wirtschaftlichen Seite hin, sondern auch bezüglich ihres Verwendungsbereiches. Nach den bisherigen Erfahrungen kommen im wesentlichen zwei verschiedene Systeme von Zwischengetrieben für den Schiffsantrieb in Frage, die Rädergetriebe der Bauart Melville-Macalpine und Parsons und der Föttinger-Transformator. Beide Getriebearten, das mechanische wie das hydraulische, sind praktisch erprobt und haben ihre Brauchbarkeit erwiesen. Ihr Verwendungsbereich ist, abgesehen von Festigkeitsverhältnissen, hauptsächlich bestimmt durch die Höhe des Uebersetzungsverhältnisses, das sie ermöglichen, und den erreichbaren Wirkungsgrad. Der Föttinger-Transformator beschränkt sich seinem Wesen nach auf Uebersetzungsverhältnisse bis etwa 5:1 oder 6:1 und erzielt dabei einen Wirkungsgrad bis zu 90 v. H., höhere Uebersetzungsverhältnisse bis zu 10:1 etwa sind zwar konstruktiv erreichbar, jedoch auf Kosten des Wirkungsgrades. Demgegenüber sind bei den Rädergetrieben auch bei hohen Uebersetzungsverhältnissen bis zu 25 oder 30:1 Wirkungsgrade von 98 v. H. jederzeit mit Sicherheit zu erzielen. Es bleibt bei Beurteilung dieser Zahlen allerdings zu berücksichtigen, daß von dem hohen Wirkungsgrade der Rädergetriebe ein Abzug zu machen ist zur Deckung des Verlustes im Drucklager sowie des Ventilationsverlustes der Rückwärtsturbine. Es ist daher wohl möglich, daß der Wirkungsgrad des Föttinger-Transformators mit Berücksichtigung dieser Verluste dem des Parsons-Getriebes ziemlich nahe kommt. 2 bis 3 v. H. wird man je nach Art der Drucklagerkonstruktion und der Größe der Rückwärtsleistung sicher von dem Höchstwert des Wirkungsgrades der Rädergetriebe von 98 v. H. in Abzug bringen können. Wie weit die vom Arbeitswasser des Föttinger-Transformators aufgenommene Wärmemenge für Vorwärmung des Speisewassers nutzbar zu machen ist, wird abzuwarten sein; der Rückgewinn ist natürlich zu Gunsten des Föttinger-Transformators zu verbuchen. Aus dem Vergleich der praktisch erreichbaren Uebersetzungsverhältnisse und Wirkungsgrade ist zu schließen, daß da, wo auf große Uebersetzungsverhältnisse Wert gelegt wird, d.h. also bei Anlagen kleinerer Leistung, wie wir sie in unseren normalen Typen von Frachtdampfern und Fracht- und Passagierdampfern vertreten finden, die Rädergetriebe in erster Linie in Frage kommen. Handelt es sich dagegen um Leistungen, die über die damit gezogenen Grenzen hinausgehen – hier kommen also die Maschinenanlagen größerer Fracht- und Passagierdampfer sowie Schnelldampferanlagen in Frage –, so wird nach den bisherigen Erfahrungen der Föttinger-Transformator den Vorrang beanspruchen dürfen. Das hydraulische Getriebe ist bezüglich seiner Leistungsaufnahme praktisch nicht an so enge Grenzen gebunden wie das Rädergetriebe, bei dem die Rücksicht auf die Größe des Zahndruckes und die Sicherung richtiger Eingriffsverhältnisse vorläufig der aufzunehmenden Leistung gewisse Grenzen zieht. Aber auch hier wird man abwarten müssen, ob die künftige konstruktive Entwicklung dieser Getriebe nicht den Rahmen ihres Arbeitsgebietes wesentlich weiter spannt. Die bisher vorliegenden Erfahrungen mit ausgeführten Getrieben lassen diese Erwartung nicht ungerechtfertigt erscheinen. Textabbildung Bd. 328, S. 771 Abb. 1.Turbinensatz mit Parsonsgetriebe für den Kanaldampfer „Normannia“ (ND-Turbine geöffnet) Ein drittes System von Zwischengetrieben, das elektrische, scheint vor der Hand, abgesehen davon, daß es bisher wenig erprobt ist, für Handelsschiffsanlagen eine umfassendere Bedeutung nicht zu besitzen. Schon allein die Gewichts- und Platzverhältnisse dürften ihm, abgesehen von der Kostenfrage, eine Konkurrenz mit den anderen Systemen sehr erschweren. An Wirkungsgrad kommt es höchstens dem hydraulischen Getriebe gleich. Die beiden bisher praktisch erprobten Typen von Rädergetrieben unterscheiden sich ihrem Wesen nach nur sehr wenig voneinander. Der Zahl ihrer Ausführungen nach ist von ihnen das Parsons-Getriebe (Abb. 1) bisher am meisten bekannt geworden. Das Melville-Getriebe ist bis jetzt nur bei einer Bordanlage, dem amerikanischen Flotten-Kohlendampfer Neptune, zur Ausführung gelangt, dagegen hat es bereits mehrfach bei stationären Anlagen Verwendung gefunden. Für beide Getriebe sind mit Rücksicht auf die zu übertragende große Leistung und im Interesse ruhigen Ganges Winkelzähne gewählt worden. Bei gleichem Sprung lassen sich hierbei seitliche Drücke innerhalb des Getriebes vollkommen vermeiden. Die gewählte Teilung ist stets sehr klein, einerseits, um eine möglicht große Zähnezahl gleichzeitig zum Eingriff bringen zu können und damit die spezifische Belastung möglichst niedrig zu halten, anderseits, um den Ritzeldurchmesser möglichst zu beschränken. Sie beträgt etwa 20 bis 30 mm, entsprechend sind Zahnhöhe und Zahndicke bemessen. Der Sprung der Räder ist sehr verschieden, er schwankt zwischen 20° und 45°. Die gewählte Zahnform ist stets die Evolvente, weil diese gegen kleine Unterschiede der Achsenentfernung weniger empfindlich ist. Zu jedem Rade des Parsons-Getriebes gehören zwei mit ihm im Eingriff stehende Ritzel. Während der Radkörper im allgemeinen aus Gußeisen hergestellt ist, besteht der die Verzahnung tragende Radkranz, der meist zweiteilig ausgebildet und auf den Radkörper aufgeschrumpft ist, aus hochwertigem Spezialstahl. Die Ritzel sind fast stets aus Nickelstahl gefertigt, und zwar sind die Zähne direkt in die entsprechend stärker gehaltenen Ritzel wellen eingeschnitten. Ein Parsons Getriebe, das für einen schnellen Revierdampfer bestimmt ist, zeigt Abb. 2. Textabbildung Bd. 328, S. 771 Abb. 2.Parsons- Getriebe des Revierdampfers King Dry. Textabbildung Bd. 328, S. 772 Abb. 3.Schnitt durch den Schwingrahmen des Melville-Getriebes Die Ritzel sind zumeist dreifach gelagert, doch fällt auch bisweilen bei ungeteilter Ausführung des Radzahnkranzes das mittlere Ritzellager weg. Da die Lagerung der Ritzel für die Sicherung eines einwandfreien Eingriffs der Zähne von größter Bedeutung ist, hat man beim Melville-Getriebe diese Lagerung derartig ausgebildet, daß sich das Ritzel – bei diesem Getriebe ist nur eins vorhanden – dem getriebenen Rade gegenüber jederzeit richtig einstellen kann. Zu diesem Zwecke hat die Ritzelwelle in einem sogen. Schwingrahmen eine feste Lagerung erhalten. Dieser selbst ist beweglich angeordnet und sichert damit dauernd ein Anliegen der Zähne über die ganze Zahnbreite. In welcher Weise dies erreicht wird, läßt Abb. 3 erkennen, die einen Schnitt durch die Lagerung des Ritzels zeigt. Der die Welle tragende Schwingrahmen ist an den drei Lagerstellen oben und unten durch Oeldruckkolben gegen das feste Rahmengestell, das mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden ist, abgestützt. Die Kolben halten die Ritzelwelle dadurch dauernd im Gleichgewicht, daß sie bei einseitig überwiegendem Zahndruck mittels der dadurch verursachten Verstellung des Rahmens selbsttätig eine Entlastung der Druckkolben auf der entgegengesetzten Seite bewirken, die ihn sich wieder in die frühere Lage einstellen läßt. Die vorerwähnte selbsttätig wirkende Entlastung vermittelt die in der Abbildung mit G gekennzeichneten Reguliervorrichtung. Die Betätigung der die Verteilung des Drucköls regelnden Ventile geschieht mittels des Armes B, der die geringen Kippbewegungen des Rahmens A vergrößert auf das Regulierventil überträgt. Der auf den Kolben ruhende Oeldruck wird manometrisch gemessen. Er gibt ein Maß für den Zahndruck und gestattet daher, die übertragene Leistung sehr einfach zu ermitteln. Sorgsame Schmierung derartiger Getriebe, deren Arbeitsgeschwindigkeiten bis auf 30 bis 40 m/Sek. und höher steigen, ist natürlich für ihr einwandfreies Arbeiten von der größten Wichtigkeit. Die Schmierung erfolgt stets durch Drucköl, das mittels eines Spritzrohres reichlich über die Eingriffstellen der Räder verteilt wird. Bei dem geringen Spiel der Zähne wird das Oel infolge der zwischen den Zahnflanken auftretenden hohen Pressungen überall gut verteilt, so daß eine metallische Berührung der arbeitenden Flächen fast völlig verhindert wird. Die Oeldruckleitung, die das Getriebe bedient, ist natürlich unabhängig von derjenigen für die Turbinentraglager. Mit Rücksicht auf die Preßschmierung ist das ganze Getriebe stets von einem festen öldichten Gehäuse umschlossen. Textabbildung Bd. 328, S. 772 Schnitt durch HD- und ND-Turbine der Maschinenanlage eines kleinen Revierdampfers (Typ Curzon) Während das Melville-Getriebe des Dampfers„Neptune“, wie bereits erwähnt, nur mit einem Ritzel arbeitet, das mittels beweglicher Welle und elastischer Kupplung mit einer kombinierten Aktions-Reaktions-Turbine der Bauart Westinghouse-Parsons gekuppelt ist, besitzen die bisher ausgeführten Parsons- Getriebe für Schiffsantrieb sämtlich zwei Ritzel; das eine Ritzel erhält seinen Antrieb von einer Hochdruck-, das andere von einer Niederdruckturbine. Die Verbindung zwischen Ritzel und Turbinenwelle stellt eine bewegliche Kupplung her. Mit der Niederdruckturbine ist die Rückwärtsturbine in einem Gehäuse vereinigt. Bei Rückwärtsfahrt läuft also Hochdruckritzel mit Hochdruckturbine leer mit. Die konstruktive Ausbildung einer derartigen Anlage, und zwar der Zweiwellenanlage eines kleinen Revierdampfers lassen die angefügten Abb. 4 und 5 erkennen. Die Bauart der Turbinen weicht von der normaler Schiffsturbinen etwas ab. Das ist schon allein bedingt durch die Notwendigkeit des Einbaues kräftiger Ausgleichkolben für den Dampfschub. Da das Drucklager naturgemäß hinter dem Getriebe angeordnet ist, kann der Propellerschub nicht für den Ausgleich des Dampfschubes mit herangezogen werden. Besondere Form hat die Rückwärtsturbine erhalten, die im Gegensatz zu der als reine Reaktionsturbine gebauten Vorwärtsturbine meist mit einem Aktionsrade und kurzer Trommel gebaut wird (Abb. 5). Die kräftige und gedrungene Bauart derselben ist natürlich geboten mit Rücksicht auf den Ventilationsveriust der Rückwärtsturbine, den das Parsons-Getriebe im Gegensatz zum Föttinger-Transformator mit zu decken hat. Die Verteilung von Hochdruck- und Niederdruckturbine auf zwei Ritzelwellen gibt die Möglichkeit, beide Turbinen mit verschiedener Umlaufzahl zu betreiben. Diese Möglichkeit bietet insofern wirtschaftliche Vorzüge, als die höhere Drehzahl der Hochdruckturbine ihr einen besseren Wirkungsgrad sichert. Der Durchführung einer entsprechenden Steigerung der Drehzahl bei der Niederdruckturbine zieht die Rücksicht auf den Austrittsverlust eine Grenze. (Fortsetzung folgt.)