Die Konstruktion der Dampflokomotive Bauart Mallet

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Vor der Erfindung seitenverschiebbarer Achsen zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die einzige Lösung zur Erhöhung der Anzahl der Kuppelachsen von Lokomotiven die Teilung des Triebwerks in zwei bewegliche Treibgruppen. Um alle Kuppelachsen antreiben zu können, waren auf beiden Rahmen je zwei Zylinder unterzubringen. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Maschine bot sich das damals bereits bekannte Verbundprinzip an. Der Dampf verrichtet nach Entnahme aus dem Kessel zunächst einen Teil seiner Arbeit in den Hochdruckzylindern, die das hintere, unbewegliche, Fahrwerk antreiben. Nachdem er sich dort etwa zur Hälfte entspannt hat, treibt er die Kolben der Niederdruckzylinder (ND) im beweglichen Drehgestell an und entweicht anschließend durch den Schornstein. Auch hier ist er noch nicht völlig entspannt (ca. 1,2 bis 1,8 Bar), da sonst keine Saugwirkung zur Feueranfachung mehr bestehen würde. 

Da die Mallet-Lokomotive als einzige Gelenk-Dampflok nur eine kurvenbewegliche Treibgruppe besitzt, benötigt ihre Konstruktion auch nur die Hälfte beweglicher Teile. Da wäre zunächst die Anlenkung des Drehgestells an den Hinterwagen, wobei ebenfalls das Verbundrohr von den Hochdruck (HD)- zu den Niederdruckzylindern (ND) beweglich angeordnet sein muss. Außerdem muss der Abdampf aus den (vorderen) Niederdruckzylindern nach oben zum Schornstein geführt werden, was eine weitere „Knickstelle“ bedeutet. Zu guter Letzt wären noch diverse kleinere Dampf- und Schmierleitungen sowie Sandfallrohre, welche zwischen Kessel und vorderer Treibgruppe beweglich sein müssen. Die Dampfleitungen zu und von den Zylindern benötigen insgesamt drei Gelenke. Eines befindet sich in der Verbindungsleitung zwischen Hochdruck- und Niederdruckzylinder, welche in Lokomotivmitte liegt. Zwei weitere Gelenke befinden sich in den Ausströmrohren. Die Dichthaltung der gelenkigen Rohre erfolgt über Stopfbuchsen (sogenannte „Weichpackungen“). 

Der Dampf wird, in der Menge vom Lokführer geregelt, am Dampfdom auf dem Kesselscheitel entnommen und durch die Dampfleitungen den Hochdruckzylindern zugeführt (Abb. 1: rote Farbe). Bis zu diesem Punkt entspricht der Ablauf dem jeder normalen Steifrahmenlokomotive. Die Hochdruckzylinder sitzen auch bei einer Mallet-Lokomotive am Hauptrahmen, wodurch die Dampfleitungen zu den Zylindern unbeweglich sind. Dies unterscheidet die Bauart Mallet von allen anderen verwirklichten Gelenklok-Bauarten und hatte in der Anfangszeit den großen Vorteil, dass keine Undichtigkeiten in den Gelenken der Dampfleitungen entstehen konnten. Zu Ende des 19. Jahrhunderts bereiteten die bei anderen Bauarten vorhandenen Gelenke größere Schwierigkeiten und führten zu häufigen Schäden und hohen Unterhaltungskosten.

Der teilentspannte Dampf verlässt die HD-Zylinder und tritt in das Verbundrohr zu den ND-Zylindern ein (Abb. 1: gelbe Farbe). Die beiden Ausströmungen der HD-Zylinder sind unbeweglich und treffen in einer Stopfbuchse zusammen, aus der das drehbar gelagerte Verbundrohr zu den ND-Zylindern nach oben austritt (Abb. 2). Es knickt oberhalb der Stopfbuchse senkrecht nach vorn ab (Krümmer). Seine vertikale Lage in der Stopfbuchse kann durch eine Nachstellschraube justiert werden. Das Verbundrohr ist im Vorderwagen fest gelagert, hat jedoch zwei weichverpackte Flansche, um Ausdehnungen in Längsrichtung ausgleichen zu können.

Abb. 2: Verbundrohr zwischen HD- und ND-Zylindern (vereinfachte Darstellung)

Nachdem der teilentspannte Dampf seine restliche Energie in den ND-Zylindern abgegeben hat, tritt er aus diesen durch die Ausströmrohre aus, wird durch das Blasrohr geleitet und strömt durch den Schornstein ins Freie (Abb. 1: blaue Farbe). Da aber bei einer Mallet-Lokomotive ND-Zylinder und Schornstein nicht unbeweglich zueinander sind, ist eine weitere gelenkige Führung der (Ab-) Dampfleitungen erforderlich. Das vordere Triebgestell weicht bei Kurvenfahrt seitlich von der Geradeaus-Lage ab, so dass sich die Querschnitte von Schornstein und Ausströmrohr relativ zueinander verschieben. Als Verbindung dient ein Rohr, das in zwei Kugelgelenken beweglich gelagert ist. In Kurvenfahrt ergibt sich durch die Schräglage des Dehnungsstückes eine Längenänderung, die wiederum durch ein Dehnungsstück mit Kolben und Dichtringen ausgeglichen wird. In der weiteren Entwicklung der Mallet-Lokomotiven wurde die hier gezeigte Konstruktionen den einzelnen Baureihen entsprechend abgewandelt.

HD- und ND-Zylinder unterscheiden sich bei Verbundmaschinen durch unterschiedliche Kolbendurchmesser. Da der ND-Maschine nur noch etwa der halbe Kesseldruck zur Verfügung steht, benötigt der Dampf eine entsprechend größere „Angriffsfläche“, um die gleiche Arbeitsleistung verrichten zu können. Die ND-Zylinder haben also einen entsprechend größeren Durchmesser, und die Zylinderräume haben etwa das 2- bis 2,5fache Volumen der HD-Zylinder. Dieses Verhältnis war während der gesamten Entwicklung von Mallet-Maschinen Gegenstand intensiver Forschungen, Versuche und Berechnungen. So wurden beispielsweise die Loks der BR 96 (erste Lieferung, 10 Stück) Mitte der 20er Jahre mit größeren Hochdruckzylindern ausgestattet, was eine Minderung der Schleuderneigung und eine deutliche Leistungssteigerung zur Folge hatte. Bei diesen Heißdampf-Maschinen wurde das Volumenverhältnis von 1:2,37 auf 1:1,78 verringert.

Großer Vorteil des Verbundprinzips ist eine Steigerung des Wirkungsgrades durch Verringerung der Abkühlungsverluste, was zu einem um bis zu 15% niedrigeren Dampfverbrauch führt (Nassdampf). Das wiederum verringert den Verbrauch an Wasser und Brennstoff. Bei den üblichen Wechselstrom-Dampfmaschinen tritt der Dampf in den Zylinder ein, kühlt bei der Entspannung im Zylinder ab und verlässt ihn wieder durch den gleichen Kanal. Dieser kühlt durch den kühleren Abdampf entsprechend ab, was bei dem nun wieder eintretenden Frischdampf zu Kondensationen und Leistungsverlust führt. Die ersten Heißdampfmaschinen, bei denen das Temperaturgefälle vernachlässigt werden kann, kamen erst nach 1900 auf. Daher war die Umsetzung der Verbund-Dampfmaschine auf Eisenbahnfahrzeugen ein wesentlicher Schritt zur Erhöhung des Wirkungsgrades.

Bei hohen Füllungsgraden wird das sogenannte Anfahrventil geöffnet, welches auch den Niederdruckzylindern Dampf mit vollem Kesseldruck zuführt. Dieses schloss in der Regel selbsttätig bei Verminderung des Füllungsgrades durch die Steuerung (Füllung < 70%). Das Anfahrventil ist im Jahr 1874 patentiert worden - konstruiert ebenfalls von Anatole Mallet. Die ersten Verbund-Lokomotiven hatten nur jeweils einen HD- und einen ND-Zylinder, wobei ein Anfahren unmöglich war, wenn die Kurbel des Hochdruckzylinders im Totpunkt stand. Deshalb sah Mallet die Zuführung von Frischdampf in die ND-Maschine vor, um in jeder Fahrwerksstellung anfahren zu können. Eine Vierzylinder-Verbundlokomotive kann zwar in jeder Kolbenstellung anfahren, doch sind auch hier besondere Anfahrvorrichtungen beibehalten worden, um das Anfahren vor schweren Zügen zu ermöglichen.

Mallet-Lokomotiven hatten entweder Flach- oder Kolbenschieber. Da durch den Lokführer mittels Handrad und Spindel vier Zylinder samt Gestänge gleichzeitig umgesteuert werden müssen, ersann man Hilfseinrichtungen. So wurde z.B. die BR 96 nachträglich mit Druckluftumsteuerung ausgerüstet, die auch in den USA verwendet wurde.

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