Wenn man sich bei der Wahl des Antriebes eines Schiffsmodellsfür für eine Modell-Dampfturbine entscheidet, sind vor dem Bau einige notwendige Überlegungen anzustellen.
Frust und Enttäuschung über das Bauergebnis sind bis zu einem gewissen Maße vermeidbar, wenn man sich bereits in der Planungsphase eines Projektes über die wesentlichen Eckdaten des Antriebs Klarheit verschafft.
Die Vorstellungen über die Funktion der Dampfturbine sind häufig vom Wasserrad oder der Wasserturbine geprägt. Dampf verhält sich aber physikalisch anders als Wasser.
Während im Wasserrad oder der Wasserturbine die Bewegungsenergie der Wassermasse in mechanische Arbeit umgewandelt wird, handelt es sich bei der Dampfturbine um eine Wärmekraftmaschine, in der Wärmeenergie in Arbeit umgeformt werden soll.
Der Wasserdampf dient dabei als Träger der Wärmeenergie. Die Höhe des Arbeitsvermögens von Wasserdampf ist dabei gleichbedeutend mit der in ihm vorhandenen Wärmemenge bzw. seinem Wärmeinhalt.
Bei „Echt-Dampf“-Betreibern beschränken sich die theoretischen Kenntnisse über den Wasserdampf nicht selten auf den Zusammenhang von Druck und Temperatur.
Die Beziehungen der weiteren Zustandsgrößen des Dampfes, wie Wärmeinhalt, Dampf-Gehalt bzw. Feuchtigkeitsgrad oder spezifisches Dampfvolumen sind weithin ebenso unbekannt, wie ihr Einfluss auf Maschinenleistung und Dampfverbrauch.
Das Arbeitsvermögen des Dampfes beruht auf seinem Bestreben sich auszudehnen; zu expandieren. Diese Expansions-Energie ist in Wärmekraftmaschinen in zwei Formen nutzbar:
1. Potentielle Energie oder ruhende Energie in Form von Dampfdruck.
2. Kinetische Energie oder Bewegungsenergie in Form von Dampfgeschwindigkeit.
Den Dampfdruck mit seiner Kraftwirkung auf die Fläche des Kolbens nutzen wir in der Kolbendampfmaschine über den Kurbeltrieb zur mechanischen Arbeit.
In der Dampfturbine hingegen wird der Dampf durch die frei werdende Energie bei der Expansion in den Düsen auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt.
Aus ruhender Energie wird Bewegungsenergie, die durch Schaufelräder in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
Mit der Energie eines Dampfstrahls lässt sich zwar so ziemlich alles was irgendwelche Angriffsflächen bietet und sich dreht, auch in Bewegung versetzen, aber meistens mit fragwürdigem Nutzen und einem hohen (Dampf)-Preis.
Die meisten Modell-Dampfturbinen kennzeichnen sich durch zu geringe Leistung bei zu hohem Dampfverbrauch. Die Ursachen hierfür liegen nicht selten an Unzulänglichkeiten der Konstruktion u.a. mit hohen Wärme- also Energieverlusten und den häufig sehr ungünstigen oder völlig falschen, thermischen Betriebsbedingungen.
Fälschlicher Weise wird immer wieder davon ausgegangen, dass der Energieimpuls, also die Stoßkraft des Dampfes die Schaufeln des Turbinenlaufrades treibt. In Wirklichkeit ist es aber die, als Bahndruck bezeichnete Zentrifugalkraft der Dampfteilchen beim möglichst reibungs- und wirbelfreien Durchströmen der Schaufelkrümmungen.
Dem richtigen Schaufelprofil kommt daher eine besondere Bedeutung zu.
Die Leistung einer Dampfturbine ist von der durchströmenden Dampfmenge, sowie deren Zustandsgrößen abhängig. Von der durchströmenden Dampfmenge, sowie den jeweils vorherrschenden Werten von Dampfgeschwindigkeit und spezifischem Dampfvolumen werden die Querschnitte der Dampfkanäle von Düsen, Lauf- oder Leitschaufel oder Leitkammern bestimmt.
Anzahl, Form und Winkel von Schaufeln und Düsen sind mit dem zu verarbeitendem Wärmeinhalt des Dampfes, also den Werten Druck, Feuchtigkeitsgehalt oder Überhitzungstemperatur in Einklang zu bringen.
Um einen optimalen Wirkungsgrad am Rad zu erzielen, muss die Dampf-Geschwindigkeit am Düsenaustritt in einem bestimmten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit, also dem Durchmesser und der Drehzahl des Laufrades stehen.
Die Dampfgeschwindigkeit am Ausgang der Düse oder der Düsen ist wiederum vom Dampfdruckgefälle oder richtiger, vom Wärmegefälle abhängig.
Das Wärmegefälle ist die Differenz des Wärmeinhaltes vor und nach der Expansion und ist in etwa mit einem Wasserfall vergleichbar; je höher das Gefälle ist, umso höher ist die verfügbare Energie.
Erst die optimale Abstimmung aller mechanischen und thermischen Größen bringt bei Dampfturbinen die geforderte Leistung bei akzeptablem Dampfverbrauch.
Ein Vorgehen nach dem „Gefühl aus dem Bauch“ wird eine Kolbenmaschine bis zu einem gewissen Maß tolerieren, ein befriedigender, vor allem wirtschaftlicher Turbinenbetrieb ist aber damit schwer möglich. Man wird also vor der Turbinenkonstruktion um einige ggf. auch rechnerische Festlegungen nicht herum kommen.
Größe und Gewicht des Schiffsmodells.
Modellgeschwindigkeit und Fahrzeit.
Antriebsleistung (…vergleichbarer E-Antrieb).
Typ und Größe des Dampferzeugers.
Verdampfungsleistung und Kapazität des Kessels.
Art und Qualität des erzeugten Dampfes.
Kesselspeisung?
Kondensat-Gewinnung?
Antriebsstrang direkt (mech.) oder turbo-elektrisch.
Leistung, Größe und Bauart der Turbine.