Copyright: Rainer Radow's Dampfhilfe V.15.1 vom 20.02.1999
Citation: Radow's DampfHilfe V.15.1


Einleitung
1.1 Einleitung:

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Eigentlich wollte ich "grad mal schnell" die Steuerung für meine "Arkona" Schiffsdampfmaschine auslegen und berechnen. Dann habe ich eine Visualisierung hinzugefügt und es entstand das vorliegende Programm - und es wächst ständig weiter. Durch die Anschaulichkeit bewegter Bilder kann es aber auch dazu dienen, dem Dampfinteressierten die Funktionsweise und Leistungsberechnung dieser alten Maschinen näher zu bringen.

Damit auch andere Dampffreunde an meiner Entwicklung teil haben können, habe ich sowohl eine Dokumentation des eigentlichen Programms, als auch einige weiterführende Informationen erstellt. Auch derjenige, der nicht vor hat morgen eine eigene Dampfmaschine zu bauen, kann hier also ein paar Informationen erhalten - und vielleicht auch noch etwas lernen. Sie können alle Hilfetexte wie ein Buch lesen, in dem sie jeweils oben rechts auf den Text "Nächste Seite > " drücken.

Auf (fast) jedem Programmfenster kommt man mit der rechten Maustaste zu einem beschreibenden Infotext. Manchmal ist es etwas schwierig, für alle Lesergruppen den richtigen Detaillierungsgrad zu finden. Die Infotexte beginnen daher immer recht einfach und werden zum Schluß dann etwas komplizierter. Je nach Wunsch sollte man daher über die eine oder andere Textpassage hinweg lesen und zum nächsten Thema wechseln.

Bitte haben Sie Verständnis dafür, daß nicht immer alles so perfekt ist, wie man es von kommerziellen Programmen her kennt. Für Verbesserungsvorschläge, weiterführende Kommentare und kreative Anregungen bin ich daher immer sehr dankbar.

Rainer Radow, im Februar 1999

Tel. aus Deutschland: 0511 / 393 797

E-Mail: Steam99@Aol.com

Legitimierte Programmnutzer können sich von meiner Dampfhomepage die aktuellste Version des Programms und des Hilfetextes herunterladen. Da die restlichen Programmdateien unverändert bleiben, brauchen lediglich 3 Dateien ausgetauscht zu werden (komprimiert ca. 300 kb).

Sie finden meine Homepage im Internet unter:

http://members.aol.com/steam99/steamboat.html

Hier gibt es auch noch mehr zum Thema Dampfboot zu entdecken. Ein Besuch lohnt sich immer!


Schritt für Schritt
1.2 Schritt für Schritt:

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Wenn Sie dieses Programm zum ersten mal benutzen, so sollten sie einfach alle Fenster unter dem Menü "Ansicht" nacheinander öffnen und die zugehörigen Infotexte lesen. Dieses Vorgehen verdeutlicht Ihnen die Abhängigkeiten und Funktionsweise des Programms am besten.

Sie brauchen dazu keine Erfahrungen mit Dampfmaschinen zu haben. Die voreingestellten Geometriedaten und Parameter können Sie dabei aber schon einmal verändern, um die Auswirkungen auf das Gesamtergebnis zu erforschen. Keine Angst, Sie können nichts kaputt machen! Sollten Sie einmal alles verstellt haben, so genügt ein Mausklick auf das Menü "Einstellung" und anschließend auf  "Grunddaten Laden" - und alles ist wieder beim alten.

Viele der Eingabefelder sind nicht gegen Falscheingaben abgesichert. Dies würde einfach zu viel Programmieraufwand bedeuten. Daher kann es schon mal vorkommen, daß Sie durch zu große, zu kleine oder durch negative Werte einen Programmabsturz herbeiführen. Sollten Sie also ernsthaft mit dem Programm arbeiten wollen, so ist es empfehlenswert von Zeit zu Zeit eine Sicherungsdatei der gemachten Änderungen anzufertigen.


Der Programmaufbau
1.3 Programmaufbau

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Das vorliegende Programm wurde von mir unter Microsoft Visual Basic 5.0 geschrieben. Das Hauptfenster enthält Einstellmöglichkeiten für grundlegende Parameter und eine Menüleiste für die Programmsteuerung. Über diese Menüleiste werden alle weiteren Eingabe- und Anzeigefenster erreicht. Durch Schließen des Hauptfensters wird das gesamte Programm abgebrochen.

Die Geometrie aller Maschinenteile ist über diverse Eingabefenster einstellbar. Als Grundeinheit für das Längenmaß sind hier mm vorgesehen. Alle weiteren Angaben wie Volumina oder Leistungen basieren auf dieser Annahme. Alle Bewegungen werden aus diesen Daten errechnet und im Fenster "Maschine - Animation" angezeigt. Die zugehörige Geometriemathematik wurde von mir aufgestellt und programmiert. Wesentliche theoretische Grundlagen sowie Textpassagen in diesem Hilfetext übernahm ich aus dem Buch:

Dampfkolbenmaschinen

Baurat H. Kedenburg, Bremen 1952

Verlag: Der Betriebs-Ökonom" GmbH, Verden Aller

In den weiteren Ausgabefenstern werden wesentliche Meßdaten, wie das Steinspringen oder die Schieberstellung, ausgegeben und teilweise graphisch dargestellt. Nach klicken mit der rechten Maustaste kann man in vielen Fenstern weitere Einstellungen vornehmen oder die Graphiken ausdrucken lassen.

Wer sich schon mal mit der Steuerungsauslegung nach Müller-Reuleaux oder Zeuner auseinander gesetzt hat, der weiß, wie schwierig normalerweise an solche Daten heranzukommen ist - die Jungs hatten zur Jahrhundertwende (1800 - 1900) eben noch keine Computer. Wir haben es da nun leichter.

Als weitere Funktion kann auch eine Leistungsberechnung vorgenommen werden. Neben den rein theoretischen Betrachtungen wird hier auch versucht, realitätsnahe Leistungswerte auf der Basis bewährter Erfahrungswerte aus der Literatur aufzustellen. Dabei können Übertragungen in den Modellmaßstab natürlich nur bedingt möglich sein.


Die Installation
1.4 Installation

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Bei der Installation des Programm wählten Sie ein Installationsverzeichnis aus, in dem sich nun alle notwendigen Dateien befinden. Hierin sollten enthalten sein:

Dampf.exe	Ausführbares Programm

Dampf.hlp	Diese Hilfedatei

Dampf.cnt	Datei mit der Inhaltsangabe dieser Hilfe

Bild.ico	Icon-Datei zur Bebilderung Ihrer Geometriedateien

(Teilweise können diese Dateinamen auch noch mit einer Nummer zur Kennzeichnung der aktuellen Version versehen sein - z.b. Damp24.exe)

Visual Basic hat ein eigenes Konzept zur Programmspeicherung. Neben der eigentlichen *.exe Datei werden alle standardisierten Elemente des Programms in *.dll und *.ocx Dateien abgelegt und im Windows Verzeichnis installiert. Haben Sie diese einmal auf Ihren Rechner geladen, so brauchen Sie später nur die eigentliche Programmdatei *.exe für ein Update zu laden. Manchmal hat man einige oder alle der *.ocx oder *.dll Dateien bereits mit anderen Visual Basic Programmen installiert. Dann braucht man nur die fehlenden zu ergänzen (Das mitgelieferte Installationsprogramm erledigt diese Aufgabe für Sie selbsttätig).

Nach der Installation richtet das Programm Dampf.exe eine Datei namens:

Radow.reg

ein und Überträgt deren Inhalt in die Registrierungsdatei ihres Computers. Dadurch werden Dateien mit der Endung *.rdd als "Radow's Dampf Dateien" gekennzeichnet und im Dateimanager mit einer kleinen Dampfmaschine bebildert. In den *.rdd Dateien können Sie Ihre eigenen Geometrie- und Einstellungsdaten speichern und später jederzeit wieder aufrufen. Klicken Sie dazu einfach z.B. im Explorer auf die entsprechende Datei und das Dampf.exe Programm öffnet sich selbsttätig mit den ausgewählten Einstellungen.


Beschreibung des Hauptfensters
2.1 Hauptfenster

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Im Hauptfenster kann man die wesentlichen Daten zur Beeinflussung der Steuerungssimulation einstellen, die dann sofort in die Berechnung übernommen werden. Dies ist sozusagen der Steuerstand der Maschine. Weiterhin werden in ihm einige Meßdaten als Zahlenwert ausgegeben.

Der Schieber zur Einstellung der Umsteuerung ist hier das zentrale Element. Bewegt man ihn mit der Maus, so kann die Füllung der Maschine und folglich ihre Drehrichtung eingestellt werden. Weiterhin erreicht man von hier die Konfigurationsmenüs für die Maschinengeometrie und alle Anzeigefenster (siehe nächste Seite).

Für weitere Informationen zu einzelnen Elementen dieses Fensters klicken sie sie einfach mit der rechten Maustaste an.


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2.2 Menüpunkte

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In der oberen Zeile des Hauptfensters befindet sich eine Menüleiste, deren Elemente hier kurz erläutert werden soll:

Über den Menüpunkt Datei gelangt man zur Dateiverwaltung, zur Anzeige der Druckerparameter und erhält die Option das Programm zu beenden.

Unter dem Menüpunkt Ansicht können alle Anzeige- und Eingabefenster geöffnet und geschlossen werden.

Der Menüpunkt Einstellungen enthält drei direkte Auswahlpunkte, die Sie durch Anklicken aktivieren bzw. deaktivieren können.

Ein Anklicken des Punktes Grunddaten Laden setzt alle Geometriedaten auf die Ursprungswerte zurück. Sollte also einmal gar nichts mehr gehen, ist dies die letzte Rettung. Ihre Einstellungen sind dann allerdings verloren (Also immer mal ab und zu in einer eigenen Datei sichern!).

Nach Aktivieren (es wird ein kleines Häkchen angezeigt) der Zeile Beim nächsten Start wieder mit dieser Datei starten wird die aktuelle Datei, deren Dateiname oben links im Hauptfenster steht, beim nächsten Start geladen. Deaktivieren Sie diese Zeile, um beim nächsten Start wieder mit den Grunddaten zu starten.

In der fensterbasierte Programmumgebung von Windows werden Sie individuelle Einstellungen der Fensterpositionen und Fenstergrößen vornehmen. Das Dampf-Programm merkt sich diese Einstellungen immer für den nächsten Start. Durch aktivieren der Zeile Fensterpositionen beim Beenden nicht merken, wird der nächste Programmstart mit den Ursprungspositionen aller Fenster durchgeführt.

Der Menüpunkt Englisch steht momentan noch nicht zur Verfügung. Sollten Sie über dampfspezifische Vokabellisten Deutsch <-> English verfügen, so lassen Sie es mich bitte wissen! Die Programmstruktur läßt jedenfalls eine einfache Sprachanpassung zu, und für die Programmverbreitung über das Internet ist eine englische Version natürlich ein Muß.

Der Menüpunkt ? führt Sie zu den Hilfe- und Infotexten. Hier finden Sie auch eine Versionsinformation, anhand derer Sie die Aktualität Ihrer Programmkopie ermitteln können.


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3.1 Maschine - Animation

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Dieses Fenster zeigt die Maschinengeometrie und den Aufbau der Steuerung. Alle Einzelteile werden entsprechend den eingegebenen Geometriedaten verhältnismäßig zueinander dargestellt. Sie können das Fenster beliebig vergrößern und verkleinern, in dem Sie den Rahmen mit der Maus anpicken und entsprechend auf oder zu ziehen. Die Maschinendarstellung paßt sich der Fenstergröße automatisch an.

Ein Popup Menü (einfach mit der rechten Maustaste irgendwo auf das Fenster klicken) ermöglicht den Zugang zum Konfigurationsfenster, zum Druckfenster und zum Auswahlfenster der Hintergrundfarbe.

Die Bildschirmdarstellung der Elemente können Sie über das Konfigurationsfenster individuell anpassen.

In der linken Fensterhälfte ist standardmäßig der Kurbeltrieb und rechts die Steuerung dargestellt. Der Kurbeltrieb setzt sich aus dem Kurbelkreis(links unten), der eigentlichen Kurbel, der Pleuelstange, dem Kreuzkopfgelenk, der Kolbenstange und dem Kolben zusammen. Um den Kolben ist der Zylinder mit dem oberen und unteren Totraum gezeichnet

Die Dampfkanäle verbinden die Zylinderräume mit dem Schieberspiegel - also dem Dampfsteuerorgan. Auf dem Schieberspiegel gleitet der Schieber auf und ab. Der Frischdampf "steht" auf dem Schieber und drückt ihn an den Spiegel an. Zwischen den Schlitzen der Dampfkanäle ist eine dritte Öffnung zu sehen, die den verbrauchten Dampf zum Auspuff oder zum Kondensator leitet. Es handelt sich hier also um eine Schiebersteuerung mit äußerer Einströmung (Ob Flach- oder Rundschieber spielt hier keine Rolle).

Der Schieber wird von der Schieberstange auf und ab bewegt. Diese wird wiederum von dem Kulissenstein angetrieben, der in der Balkenkulisse geführt wird. Die Balkenkulisse wird von drei Elementen gehalten, deren Konstellation letztendlich die Schieberbewegung bestimmen. Dies sind die beiden Exzenterstangen für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt (rot und blau) und das Hängeeisen (schwarz).

Die Exzenterstangen werden über je einen Exzenter angetrieben, der mit auf der Kurbelwelle sitzt. Ein Exzenter ist nichts weiter als eine besonders gestaltete Kurbel. Der seitliche Versatz von Kurbelwelle und Exzenterwelle im Bild dient lediglich der besseren Übersichtlichkeit.

Die Dampfsteuerung wird über zwei Faktoren bestimmt. Der Winkelversatz zwischen Exzenter und Kurbelwelle des Kolbens wird nach der Maschinenerprobung fest eingestellt. Die Position des Hängeeisens wird während des Betriebs entsprechend der gewünschten Dampffüllung und Drehrichtung eingestellt.


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3.2 Konfiguration Maschinenanimation

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Einstellungen in diesem Konfigurationsfenster haben lediglich Auswirkungen auf die Darstellung der Animation. Die eigentliche Simulation wird hierdurch nicht beeinflußt.

Die Bildränder werden in % der entsprechenden Kantenlänge eingegeben. Der rechte Bildrand wird automatisch ermittelt.

Die Linienstärken einzelner Bildelemente sind in der Einheit Pixel anzugeben. Für die Gelenkpunkte kann der Durchmesser in Pixel angegeben werden.

Der X-Abstand zur Kurbelwelle sollte zur besseren Übersichtlichkeit so gewählt werden, daß sich die Elemente des Kurbeltriebs (links) und der Steuerung (rechts) nicht überdecken.

Über die Auswahlboxen Spiegel zeigen und Kanäle zum Zylinder kann die Darstellung dieser Elemente ein- und ausgeblendet werden.

Die Auswahlbox Dampfzustand aktiviert eine farbliche Kennzeichnung einzelner Steuerungsperioden. Hier bedeutet:

Rot	= Einströmen

Hellblau	= Expansion

Blau	= Ausströmen

Hellrot	= Kompression


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3.3 Maschine Drucken

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Hier kann der Ausdruck der Maschinenanimation konfiguriert werden. Das Programm wählt automatisch den in Windows vorgegebenen Standarddrucker aus. Einige der Druckereigenschaften werden unten im Fenster angezeigt.

Neben der Seiteneinstellung für Hoch und Querformat kann wiederum die Linienstärke der Maschinenelemente und der Durchmesser der Gelenke bestimmt werden.

Die Bildgröße auf dem Ausdruck wird proportional zur aktuellen Fenstergröße auf dem Bildschirm gewählt.


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4. Maschinenbewegung Tabelle

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Diese Tabelle ist für weiterführende Analysen des Bewegungsablaufs gedacht. In der ersten Spalte zeigt ein Cursor die für die Simulation aktuellen Kurbelwellenstellung an. Die zweite Spalte gibt den Zahlenwert der Kurbelwellenstellung in ° an. Die °-Teilung der Tabelle kann durch die Einstellung der Winkelschritte im Hauptfenster beeinflußt werden.

Die ständige Aktualisierung der Tabelle kostet etwas Rechenzeit und kann daher über eine Auswahlbox abgeschaltet werden. Hat man die Geometrie oder einzelne Einstellung der Maschine geändert, so muß man die Tabelle natürlich jedesmal neu aufbauen lassen, um die aktuellen Werte zu erhalten.


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5.1 Hub der Steuerung winkelbezogen

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Dieses Fenster zeigt die Schieberstellung über dem Kurbelwellenwinkel an.

Die vier waagerechten schwarzen Linien repräsentieren die Kanten der Dampfkanäle auf dem Schieberspiegel. Zwischen den oberen zwei Linien befindet sich also der Kanal zur Deckelseite - zwischen den unteren zwei Linien der Kanal zur Bodenseite.

Auf der waagerechten Diagrammachse ist die Kurbelwellenstellung aufgetragen. Von links nach rechts sind hier senkrechte Linien für den oberen Totpunkt (OT), für die KW-Stellung 90° (90°), für den unteren Totpunkt (UT), für die KW-Stellung 270° (270°) und schließlich wieder für den OT zu erkennen.

Die vier sinusförmigen Kurvenzüge repräsentieren die Kanten des Schiebers. Als Ergebnis kann nun die Öffnung der Kanäle zu jeder Kurbelwellenstellung abgelesen werden. Die roten Flächen verdeutlichen das Einströmen in den Kanal und die blauen Flächen das Ausströmen aus dem Kanal.

Im Programm kann nun die Veränderung dieser Bereiche - und damit die Leistungsbeeinflussung - durch Veränderungen der Steuerungsgeometrie verdeutlicht werden. Was passiert also bei Variation des Voreilwinkels oder Abändern der Lappenlänge? ...

Die Kuller auf den Schieberlinien werden entsprechend der Einstellung der Winkelschritte im Hauptfenster angezeigt. Der rote Kuller repräsentiert die aktuelle KW-Stellung.

Durch klicken mit der rechten Maustaste auf das Ausgabefenster erreicht man weitere themenbezogene Fenster.


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5.2 Hub der Steuerung winkelbezogen - Einstellungen

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In diesem Fenster können Sie die Ausgaben der Fenster "Hub der Steuerung winkelbezogen" und "Hub der Steuerung wegbezogen" beeinflussen.

Die Periodenanzahl legt fest, wieviele Kurbelwellenumdrehungen (= eine Periode) hintereinander angezeigt werden.

Der Kreisdurchmesser bestimmt den Durchmesser des durchlaufenden Kreises.

Die Auswahlbox Fadenlupe erzeugt eine senkrechte Linie, der die aktuelle Kurbelwellenstellung markiert. Diese Einstellung wird erst durch betätigen des Knopfes "Übernehmen" aktiv.


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6.1 Hub der Steuerung wegbezogen

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Die Darstellung in diesem Fenster entspricht im wesentlichen dem Fenster "Hub der Steuerung winkelbezogen" Als wesentlicher Unterschied repräsentiert die waagerechte Achse hier jedoch nicht den aktuellen Kurbelwellenwinkel, sondern die aktuelle Kolbenstellung im Zylinder.

Die wegbezogene Auswertung der Dampfverteilung berücksichtigt somit auch den Einfluß der endlichen Pleuelstangenlänge und gibt schließlich die Laufeigenschaften der Dampfmaschine wesentlich genauer wieder. Hat man ein sehr kleines Verhältnis zwischen Kurbelradius und Pleuellänge vorliegen, so kann selbst im Modellmaßstab eine entsprechende Anpassung der Steuerzeiten erforderlich werden.

Durch klicken mit der rechten Maustaste auf das Ausgabefenster erreicht man weitere themenbezogene Fenster.


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6.2 Hub der Steuerung wegbezogen - Einstellungen

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In diesem Fenster können Sie die Ausgaben der Fenster "Hub der Steuerung winkelbezogen" und "Hub der Steuerung wegbezogen" beeinflussen.

Die Periodenanzahl legt fest, wieviele Kurbelwellenumdrehungen (= eine Periode) hintereinander angezeigt werden.

Der Kreisdurchmesser bestimmt den Durchmesser des durchlaufenden Kreises.

Die Auswahlbox Fadenlupe erzeugt eine senkrechte Linie, der die aktuelle Kurbelwellenstellung markiert. Diese Einstellung wird erst durch betätigen des Knopfes "Übernehmen" aktiv.


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7.1 Steuerzeiten Graphik

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Diese Graphik entspricht dem Fenster "Hub der Steuerung - wegbezogen".

Zusätzlich werden hier die Steuerzeiten als Zahlenwerte in mm absolut und % des Kolbenweges genannt.

Auf bedeutet hier öffnen des Kanals.

Zu bedeutet hier schließen des Kanals

Die farbigen Striche markieren zusätzlich die Perioden des Einströmens (rot) und Ausströmens (blau). Sie sind bewußt etwas über bzw. unter die Spiegelkanten plaziert worden, um die eigentlichen Schnittpunkte zwischen Spiegelkante und Schieberkante zu sehen.

Die Steuerzeiten werden durch schrittweise Berechnung aller Maschinenteile ermittelt. Dazu berechnet das Programm die Schieberstellung für jede Kurbelwellenstellung in 0.25° Schritten (von 0° bis 360°). Wird nach einem Schritt das Öffnen oder Schließen der Kanäle anhand der Geometriedaten festgestellt, so wird der korrespondierende Kurbelwellen-Winkelwert für die Berechnung der Steuerzeiten eingesetzt.


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7.2 Steuerzeiten Tabelle

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Zur Überprüfung der Steuerungskonstruktion und für eigenen Berechnungen werden in dieser Tabelle alle wesentlichen Steuerzeiten aufgelistet.

Einige der Werte fehlen in dieser Programmversion noch...


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8.1 Dampfdiagramme - allgemein

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Dampfdiagramme dienen der Leistungsbestimmung von Dampfmaschinen. Es gibt zwei wesentliche Arten von Dampfdiagrammen: die gemessenen (indizierten) und die theoretischen Diagramme

Die an der Maschine gemessenen Diagramme stellen natürlich das Optimum der Leistungsbestimmung dar. Zwei Gründe können gegen das Messen sprechen. Wenn eine Maschine konstruiert wird, kann man einfach noch nicht messen (trivialer Fall). Wenn eine Maschine sehr klein ist (viele der Modelldampfmaschinen), kann der Aufwand sehr groß werden, um die Verluste durch den vergrößerten Totraum in den Zuleitungen zu den Meßgeräten möglichst klein zu halten.


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8.2 Dampfdiagramme - Druckeinheiten

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Den Dampfdruck maß man früher in der Einheit der technischen Atmosphäre [at]. Wenn man z.B. den Kesseldruck messen wollte, so nahm man als Bezugsmaß den Luftdruck der Umgebung: es ergab sich die Bezeichnung Atmosphärenüberdruck [atü].

Gerade bei Schiffsdampfmaschinen ist es jedoch üblich, den Abdampf in einem geschlossenen System hinter der Maschine zu kondensieren. Da das Wasser erheblich weniger Raum in Anspruch nimmt als der Dampf, entsteht durch diese Volumenabnahme ein Vakuum. Daher führte man zur Leistungsbestimmung einer solchen Dampfmaschine den Wert Atmosphären absolut [ata] ein. 1 ata entspricht dabei ca. 0 atü, je nach den momentanen Luftdruckverhältnissen.

Mit Einführung der SI-Einheiten (Système International d' Unites = Internationales Einheitensystem) sind die altbekannten Druckeinheit at, atü und ata entfallen. Das macht sicherlich Sinn, nimmt der Dampfromantik jedoch etwas den Zauber. Die SI-Druckeinheit heißt nun Pascal [Pa]. Ein Pascal entspricht dem Druck von 1N je m². Dies ist ein recht geringer Druck, weshalb auch die Druckeinheit Bar [bar] verwendet wird. 1 bar entspricht 100.000 Pa = 10^5 Pa. Um die Verwirrung nun noch komplett zu machen: 1 at entspricht 1,02 bar bzw. 1 bar entspricht 0,981 at. Für einfache Rechnungen können wir nun aber 1at gleich 1 bar setzen.

Nun haben wir uns gerade an die Einheit bar gewöhnt, da kommt auch schon wieder die nächste Abart, nämlich der absolute Druck in bar = bara. Warum nun eigentlich der Unterschied zwischen bar und bara? Übder die Einheit bara kann man den absoluten Druck angeben. Dies ist nötig, um verschiedene Druckzustände direkt miteinander vergleichen zu können. Ein in bar gemessener Wert hat keinen direkten Bezugswert bzw. Nullpunkt. Wir benötigen diese Einheit, um z.B. die auf den Kolben wirkende Kraft bestimmen zu können (dazu später mehr).


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8.3 Dampfdiagramme - Aufbau

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Im Dampfdiagramm wird der Dampfdruck P über dem Volumen V der Maschine aufgetragen. Der momentanen Druck im Zylinder wird hier auf der Y-Achse (vertikale Achse) in bara angegeben. Das auf der X-Achse (horizontale Achse) abgetragene Volumen wird in cm³ angegeben.

In diesem Programm wird zusätzlich zur Volumen-Achse auch noch die Füllung in % angezeigt. Diese Achse ist ansonsten unüblich für ein Dampfdiagramm.

Der Linienzug in einem Dampfdiagramm stellt immer eine geschlossene Kurve dar. Zur Vereinfachung der folgenden Erläuterungen laden Sie bitte die Grunddaten (über den Menüpunkt Einstellungen im Hauptfenster) und öffnen das Fenster "Dampfdiagramm - theoretisch".

Die obere linke Ecke markiert den Start des Kurvenverlaufs. Er beginnt mit dem Volumen 0 und dem Schieberkastendruck 11 bar. Anschließend zeichnet man eine waagerechte Linie bis zum Füllungsschluß. Hierbei setz man voraus, daß über diesen ganzen Kolbenweg der volle Schieberkastendruck auf der Kolbenfläche lastete. Jegliche Verluste werden hier vernachlässigt.

Nach Füllungsende expandiert der Dampf im geschlossenen Zylinder. Dabei kommt es natürlich zu einem Druckabfall. Theoretisch muß sich der Dampf hierbei nach dem Gesetz Anfangsdruck * Anfangsvolumen = Enddruck mal Endvolumen verhalten. Als Formel können wir hierfür schreiben:

P1 * V1 = P2 * V2.

Verwenden wir überhitzten Dampf, so erweitert sich die Formel noch um einen Exponenten n:

P1 *V1 ^ n = P2 * V2 ^ n

n setz man aus Erfahrung für schwach bis stark überhitzten Dampf auf 1,2 bis 1,3. Diese Einstellung kann im Fenster "Betriebsparameter" vorgenommen werden.

Am Ende des Kolbenweges geht man im theoretischen Diagramm davon aus, daß der Druck schlagartig auf den Umgebungsdruck abfällt. Hier also auf 1 bara.

Beim Rückgang des Kolbens bleibt dieser Druck dann theoretisch konstant auf dem Umgebungsdruck von 1 bara. Es herrscht also kein Gegendruck. Am Anfang des Kolbenwegs steigt der Druck schließlich wieder Schlagartig auf den Wert des Schieberkastendrucks an.

Der mittlere D


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8.4 Mittlerer Druck

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Der mittlere Druck auf den Kolben wird im Programm mathematisch aus den Kurvendaten ermittelt. Er wird am linken Diagrammrand mit PM in bar angegeben. Weiterhin ist eine waagerechte Linie in Höhe dieses Druckes eingezeichnet.

Wenn man die Kurvenfläche oberhalb dieser Linie abschneiden würde, so würde sie anschließen genau in den Raum zwischen der PM-Linie und der Expansionskurve passen. Aus diesem mittleren Druck kann anschließend die theoretische Leistung der Maschine berechnet werden (Dazu in einer späteren Programmversion einmal mehr)


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8.5 Auspuff

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Die Höhe des Auspuffdruckes entspricht dem rechten senkrechten Strich im Diagramm. Mit den Grunddaten und der Umsteuerstellung 45° beträgt die Füllung 86,2 % und der Auspuffdruck 9,6 bara. Ohne Kondensation also 8,6 bar. Dadurch geht hier sehr viel Energie verloren.

Durch einlegen der Steuerung auf 10,5° entsprechend 40 % Füllung kann man den Auspuffdruck dann auf 5 bara (4 bar) absenken. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit der Maschine erheblich, da die Expansionskraft des Dampfes stärker ausgenutzt wird.

Leider sinkt durch vergrößern der Expansion (=Verkleinern der Füllung) aber auch die Leistung der Maschine. Dies ist leicht einsichtig, da ja weniger Dampf (=Energie) in den Zylinder gegeben wird. Im Dampfdiagramm erkennt man dies durch das Absinken des mittleren Drucks von 9,9 bar bei 86,2 % Füllung auf 7,7 bar bei 40% Füllung.

Wenn wir bei kleinerer Füllung dann die gleiche Leistung erzeugen wollen, so müssen wir einfach das Zylindervolumen Vergrößern ...


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8.6 Überexpansion

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Die Darstellung eines weiteren Effektes möchte ich Ihnen nicht vorenthalten: Die Überexpansion. Bisher lag der Druck des Auspuffs immer oberhalb des Umgebungsdrucks von 1 bara. Treibt man die Expansion nun aber auf die Spitze, kommt es zur Überexpansion.

Stellen Sie dazu bitte wieder die Grundwerte ein, verändern im Fenster Betriebsparameter den Schieberkastendruck auf 2 bara und stellen die Umsteuerung auf 10,5 ° = 40 % Füllung ein.

Am Ende der Expansionslinie fällt diese nun tiefer als der Umgebungsdruck (Druck im Auspuffrohr) ab. Beim Öffnen des Schiebers zum Auspuff wird dann also Dampf oder Luft aus dem Auspuff in den Zylinder gesaugt, was einer negativen Arbeit entspricht.

Die beste Dampfausnutzung erhält man bei vollständiger Expansion. Stellen Sie dazu jetzt den Schieberkastendruck auf 2,2 bara ein. Die Expansionslinie reicht nun am Ende genau auf die Linie des Umgebungsdruck hinab.


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9 Betriebsparameter

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In diesem Fenster können wesentliche Parameter zur Beeinflussung des Dampfdiagramms und der resultierenden Betriebsparameter eingegeben werden.

Weiterhin werden wesentliche leistungsbestimmende Betriebsparameter berechnet und angezeigt.

Das Fenster ist dazu in die vier Bereiche Dampfzustand, drehzahlunabhängige Volumina, Drehzahlvorgabe und drehzahlabhängige Volumina gegliedert. Die Inhalte der Bereiche werden im Folgenden näher beschrieben.


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9.1 Dampfzustand

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Der Schieberkastendruck ist wohl einer der wesentlichen Parameter zur Leistungsbestimmung der Dampfmaschine. Er ist nicht mit dem Kesseldruck zu verwechseln.

Durch die Drosselverluste in den Ventilen und Zuleitungen vom Kessel bis zur Maschine findet immer ein gewisser Druckabfall statt, so daß der Schieberkastendruck immer niedriger ausfällt als der Kesseldruck. Dieser Druckabfall ist jedoch nicht der Maschinenkonstruktion, sondern der Anlagenkonstruktion zuzurechnen.

Der Gegendruck gibt den Druckzustand am Auspuff wieder. Arbeit die Maschine mit Kondensation, so spricht man hier auch vom Vakuum.

Der Schieberkastendruck und der Gegendruck werden dabei in der Maßeinheit bara eingegeben. Näheres hierzu siehe unter

Die Faktor der Überhitzung ist einheitenlos und wird auf 1 für keine Überhitzung und im Bereich 1,2 für schwache Überhitzung bis 1,3 für starke Überhitzung variiert.

Ändert man den Grad der Überhitzung z.B. von 1 auf 1,3 so kann man im Dampfdiagramm einen stärkeren Abfall der Expansionslinie beobachten. Dieses Phänomen wird durch die Eigenart von Dampf verursacht, daß bei steigender Überhitzung immer weniger Masse je Volumeneinheit vorhanden ist. Folglich "verbraucht" sich der Dampf auch schneller bei der Expansion (etwas trivial ausgedrückt - aber anschaulich, wie ich meine).


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9.2 Dampftafel

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Wasserdampf kommt in verschiedenen Zuständen vor. Vom Kochen her kennen wir alle den weißen Dampf, der aus dem Topf steigt. Wir wissen, das Wasser bei 100°C zu kochen beginnt. Und jeder hat auch schon mal was vom Dampfkochtopf (Verharmlost auch Schnellkochtopf genannt) gehört. Was bedeutet das?

Wasser kocht (siedet) um so später (bei höherer Temperatur), je höher der Druck ist. Füllt man Wasser in ein geschlossenes Gefäß (Kessel, Schnellkochtopf) und erhitzt dieses, so fängt das Wasser bei 100°C an zu kochen. Da das Gefäß geschlossen ist, weiß der Dampf nicht, wo er denn nun hin soll. Wenn der Kessel Dicht ist, wird der Druck in ihm steigen - und damit auch die Temperatur im Schnellkochtopf. Durch diese erhöhte Temperatur wird das Essen dann schneller gar. Aber Achtung! Natürlich muß ein Sicherheitsventil vorhanden sein, damit weder Temperatur und Druck übermäßig steigen. Der Dampf der hier entweicht ist heißer als 100°C!

Nun aber zurück zu unserer Dampfmaschine. Hier gilt das gleiche. Je höher der Dampf, desto höher die Temperatur. Diese Zusammenhänge sind in der Dampftafel aufgeführt, die Sie unter Ansicht aufrufen können. Hier finden Sie eine Dampftafel SI (Zustandsgleichung der Dämpfe: Aus Dubbel 15. Auflage, 1983, Seite 239) für alle Berechnungen, die auf dem Internationalen Einheitensystem (SI = System International), also auf Daten in Meter und Bar basieren. Für die Imperial Freaks unter Ihnen gibt es auch noch eine Dampftafel US (von Ron Fossum aus den USA erhalten), die den Dampfdruck in psi angibt.

Der Wert der Sättigungstemperatur wird über den von Ihnen eingegebenen Schieberkastendruck ermittelt. Da das Programm den Wert aus der Tabelle abliest, können nur die in der Tabelle aufgeführten Werte angezeigt werden. Haben Sie also z.B. Einen Druck von 9,9 bara angegeben, so wird der Wert für 10 bara ausgegeben.

Das spezifische Sattdampfvolumen ist ebenfalls temperaturabhängig. Es gibt an, wieviel m³ Dampf einem kg entsprechen. Bei niedrigen Drücken ist der Zustand der thermischen Zustandsgrößen von Dampf mit meist ausreichender Genauigkeit durch die thermische Zustandsgleichung idealer Gase gegeben. Bei kleinen spezifischen Volumen stimmen aber die mit dieser Gleichung errechneten Werte nicht ausreichend mit der Wirklichkeit überein. Nach Mollier beträgt das spezifische Volumen von Sattdampf bis etwa 30 bar:

v" = 1,778 / p ^0,957

mit p in bar und v" in m³/kg. Wenn nicht leistungsfähige Computer zur Verfügung stehen, bevorzugt man derzeit für den praktischen Gebrauch noch die Dampftafeln, in welchen die Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen über thermodynamische Eigenschaften von Dämpfen zusammengefaßt sind


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9.3 Drehzahlunabhängige Volumina

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Die drehzahlunabhängigen Volumina werden durch die Maschinenkonstruktion und die Auslegung der Steuerung bestimmt. Sie sind hier für eigene Berechnungen und Überlegungen aufgeführt.

Das Hubvolumen (100%) wird durch die Zylinderbohrung und den Kolbenhub bestimmt. Hiervon ist das Volumen der Kolbenstange abzuziehen. Liegt keine durchgehenden Kolbenstange vor, so ist das Hubvolumen oben größer als unten.

Die aktuelle Füllung ergibt sich aus der Steuerungsgeometrie und die Stellung des Umsteuerhebels. Diese Prozentzahl gibt an, während welchem Kolbenwegs der Zylinder über den Schieber mit der Dampfleitung verbunden war. Die hier gezeigten Werte sind direkt aus dem Fenster Steuerzeiten Tabelle übernommen.

Das Dampfvolumen / Umdrehung ermittelt sich aus dem Produkt des Hubvolumens und der aktuellen Füllung. Genau diese Menge Dampf wird dem Zylinder bei jeder Umdrehung zugeführt (verbraucht) und kann dort seine Energie in Arbeit umsetzen.


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9.4 Drehzahlvorgabe

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Über die Drehzahlvorgabe beeinflußt man die Größe aller weiteren in diesem Fenster aufgeführten Betriebsparameter. Über den Schieberegler stellt man die aktuelle Drehzahl ein. Die Zahl rechts daneben gibt den aktuell gewählten Wert an.

Die Grundwerte des Schiebereglers können in zwei Feldern am reckten Bildrand vorgegeben werden. Die Maximale Drehzahl sollte zur besseren Handhabung des Schiebereglers immer an die aktuelle Maschinenkonstruktion angepaßt werden. Die Drehzahlschrittweite gibt die kleinste Auflösung des Schiebereglers an. Beide Werte beeinflussen das Berechnungsergebnis nicht. Ausschlaggebend ist immer die angezeigte Drehzahlvorgabe.

Die Kolbengeschwindigkeit ist ein wesentlicher Wert zur Auslegung einer Dampfmaschine. Die Auslegung z.B. der Kolbenringe und der Kolbenschmierung werden hierdurch beeinflußt.


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9.5 Drehzahlabhängige Betriebsparameter

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Im Fenster Betriebsparameter werden wesentliche Parameter zur Beeinflussung es Dampfdiagramms eingegeben.


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10 Geometriedaten

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Die Geometriedaten bestimmen das Aussehen und die Funktion der Maschine. Die Einstellung erfolgt in mehreren Fenstern, die nach Funktionsgruppen gegliedert sind.

Durch das Verändern einzelner Geometriedaten kann die Maschine eventuell nicht mehr Funktionieren. Dies hat zwei mögliche Gründe:

-	Der Schieber öffnet die Dampfkanäle gar nicht oder im falschen Rhythmus.
Die Maschine kann dann gezeichnet werden, aber läuft nicht an.

-	Die Geometrie ist unzulässig, das heißt, Einige Daten sind außerhalb des gültigen Wertebereiches oder ergeben in Kombination mit anderen Geometriedaten keinen Sinn. Die Maschine kann dann nicht vollständig gezeichnet werden und läuft natürlich auch nicht an.


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10.1 Kurbeltrieb

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7) Totraum Oben [mm/inch]

6) Kolben Durchmesser [mm/inch]

5) Kolben Stärke [mm/inch]

4) Totraum Unten [mm/inch]

3) Kolbenstange Länge [mm/inch]

2) Pleuelstange Länge [mm/inch]

1) Kurbelwelle Radius [mm/inch]

Die Werte des Kurbelwellenradius, der Pleuellänge und der Kolbenstangenlänge und des Kolbendurchmesser erklären sich wohl von selbst. Hierüber ist auch die Lage des Zylindermantels im Raum definiert. Aus der Kolbendicke und dem Totraum oben und unten ergibt sich automatisch die Länge des Zylindermantels.

Mit Totraum bezeichnet man den Raum im Zylinder, der nicht durch den Kolben


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10.2 Umsteuerung

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1) Exzenterstangenlänge Vor [mm/inch]
2) Exzenterstangenlänge Rück [mm/inch]

3) Vor-Voreilwinkel [°]
4) Rück-Voreilwinkel [°]
3) / 4) Exzentrizität [mm/inch]

5) Balkenlänge [mm/inch]
6) Balkenüberstand [mm/inch]

7) Hängeeisen Länge [mm/inch]
8) Steuerhebel Länge [mm/inch]

1) X-Position Steuerwelle [mm/inch]

2) Y-Position Steuerwelle [mm/inch]

Infotext später


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10.3 Schieberkasten

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Spiegeldaten:

1) Lauffläche Oben [mm/inch]
2) Kanalweite Oben [mm/inch]
3) Damm Oben [mm/inch]
4) Kanalweite Mitte [mm/inch]
5) Damm Unten [mm/inch]
6) Kanalweite Unten [mm/inch]
7) Lauffläche Unten [mm/inch]

8) Freiraum Oben [mm/inch]
9) Freiraum Unten [mm/inch]

Schieberkastendaten:

1) Schieberkastenlänge [mm/inch]
2) Schieberkastenhöhe [mm/inch]
3) Gerader Kanalstutzen [mm/inch]
4) Frischdampf- / Abdampfleitung [mm/inch]

Position des Schieberkastens

Abstand der unteren Einlaßkante:
   1) zur Kurbelwelle X [mm/inch]
   2) zur Kurbelwelle Y [mm/inch]

Info später


T
10.4 Schieber

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Schieberabmessungen:

1) Gesamtlänge [mm/inch]
2) Schieberöffnung [mm/inch]
3) Lauffläche Oben [mm/inch]
4) Lauffläche Unten [mm/inch]
5) Schieberstärke [mm/inch]
6) Kanal innen [mm/inch]
7) Steuerstange Länge [mm/inch]

Überdeckung:

1) Überdeckung oben, außen [mm/inch]
2) Überdeckung oben, innen [mm/inch]

3) Überdeckung unten, innen [mm/inch]
4) Überdeckung unten, außen [mm/inch]

Info später


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T
Maschine Stop!

Lieber Programmnutzer,

ich hoffe, Sie haben ein wenig Spaß mit meiner Programmentwicklung gehabt! Ich würde mich sehr über eine Rückmeldung von Ihnen freuen. Schreiben Sie mir doch einfach Ihre Verbesserungsvorschläge oder Rufen Sie mich an. Über Lob freue ich mich natürlich auch.

Niemand ist so intelligent wie alle zusammen!

Ich werde das Programm sicherlich ständig weiterentwickeln - Fragen Sie also einfach mal nach einem Update.


Ablauf-Verzögerung
Mit der Ablaufverzögerung wird die Zeitspanne festgelegt, die das Programm zwischen dem Zeichnen der einzelnen Winkelschritte wartet. Bei 0 zeichnet das Programm so schnell, wie es die Computerleistung zuläßt.


Winkelschritte
Dieser Wert gibt die Winkelteilung an, in der die Einzelbilder des Bewegungsablaufs gezeichnet werden. Bei 10° werden dann also 360° / 10° = 36 Bilder für eine Kurbelwellenumdrehung gezeichnet. Je größer dieser Wert ist, desto weniger muß das Programm für eine Umdrehung zeichnen (und rechnen) und um so schneller dreht sich folglich die Maschine.


Umsteuerung
Über diesen Schieberegler wird direkt die Umsteuerwelle betätigt. Zeigt der Umsteuerhebel genau nach unten, so ist dies als 0° festgelegt. Dies sagt jedoch nichts über den Zustand der eigentlichen Dampfsteuerung aus. Nur wenn alle Abmessungen genau aufeinander abgestimmt sind, steht der Schieber bei 0° auch in der 0-Stellung.


Titel
Hiermit starten und stoppen Sie die Bewegung in allen geöffneten Fenster. Alle geschlossenen Fenster werden nicht animiert - je weniger Fenster Sie also geöffnet haben, desto schneller läuft Ihre Maschine.

Die Drehrichtung der Maschine wird automatisch aus der Schieberstellung ermittelt. Ist die Dampfverteilung ungünstig, oder sind die Kanäle über eine Kubelwellendrehung ständig geschlossen, so läuft die Maschine nicht an.


Titel
Die Kurbelwelle wird jeweils um einen Winkelschritt gegen den Uhrzeigersinn weiter gedreht.

Der kontinuierliche Bewegungsablauf wird angehalten.


Titel
Die Kurbelwelle wird in den oberen Totpunkt gebracht. Dies entspricht der 0-Grad-Stellung.

Der kontinuierliche Bewegungsablauf wird angehalten.


Titel
Die Kurbelwelle wird jeweils um einen Winkelschritt im Uhrzeigersinn weiter gedreht.

Der kontinuierliche Bewegungsablauf wird angehalten.


Titel
Dieser Wert gibt die Kolbenlage in mm wieder. Dabei gilt der untere Totpunkt als Kolbenlage = 0 mm. Im oberen Totpunkt entspricht die Kolbenlage dem Hub bzw. dem zweifachen Kurbelradius.


Titel
Dieser Wert gibt die Kolbenlage in % vom Hub an. Dabei gilt der untere Totpunkt als Kolbenlage = 0 %. Im oberen Totpunkt entspricht die Kolbenlage = 100 %


Titel
Dieser Wert gibt die aktuelle Kurbelwellenstellung in Winkelgrad (0° - 360°) an. Dabei entsprechen 0° = Oberer Totpunkt, 180° = unterer Totpunkt.


Titel
Dieser Wert gibt das maximale Steinspringen für die gewählte Geometrie und Stellung der Umsteuerwelle wieder. Unter dem Steinspringen versteht man die Relativbewegung des Kulissensteins auf der Steuerkulisse.


Titel
Dieser Wert gibt den maximalen Hub der Schieberstange für die gewählte Geometrie und Stellung der Umsteuerwelle wieder.


Titel
Dieser Wert gibt die Programmlaufdauer  für eine Kurbelwellenumdrehung wieder. Der Wert wird in Systemeinheiten gemessen und dient internen Testzwecken.


Titel
Diese Zeile enthält den Dateinamen  der aktuell geladenen oder gespeicherten Geometriedatei.


Titel
Für alle Elemente in diesem Fenster existiert ein kontextbezogener Hilfetext. Klicken Sie einfach mit der rechten Maustaste auf ein Element und ein kurzer beschreibender Text wird angezeigt. Durch klicken mit der linken Maustaste auf diesen Text schließen Sie das Hilfefenster wieder.


Titel
Dieses Fenster zeigt den Bewegungsablauf der Dampfmaschine. Alle Abmessungen werden Maßstäblich an die Fenstergröße angepaßt.


Titel
Dieser Wert gibt den maximalen Hub der Schieberstange für die gewählte Geometrie und Stellung der Umsteuerwelle wieder.

Der Aufhängepunkt der Balkenkulisse liegt auf der Aufhängung der Vorwärts - Exzenterstange fest. Diese Geometrie gewährleistet das geringste Steinspringen im Vorwärtsgang. Da Schiffsmaschinen zu 99% Vorwärts laufen, war dies eine gebräuchliche Anordnung