Wie funktioniert eine Dampflokomotive?

Ein Zug fährt ein

Wer auf dem Bahnsteig steht, wenn eine Dampflokomotive einfährt, bemerkt zuerst ihre Größe. Die Treibräder einer großen Schnellzuglok sind so hoch wie ein Mensch, und der Kessel ragt höher auf als ein Bus. Dann hört man sie: Der Schlag aus dem Schornstein wird langsamer, tief vorn zischt der Dampf seitlich heraus, und wenn der Zug hält, heben sich oben die Sicherheitsventile mit einem Dröhnen. Nichts an einer Dampflokomotive ist in einem verschlossenen Kasten verborgen. Alles, was sie tut, tut sie offen, in einer Größe, neben der man stehen kann.

Dieses Exponat beginnt genauso. Eine koreanische Schnellzuglok der Bauart Pashi von 1942 fährt in einen Bahnhof ein und hält neben Ihnen. Die Person auf dem Bahnsteig ist auf Ihre Körpergröße eingestellt, sodass Sie sehen, wie die 1850-mm-Treibräder im Vergleich wirken. Von dort aus können Sie die Lok selbst fahren: den Kessel befeuern, den Regler öffnen, die Steuerung umlegen, Reisezugwagen oder Güterwagen anhängen, die Strecke in eine Steigung legen und beobachten, was der Kesseldruck, das Wasser im Wasserstandsglas und die Zugkraft an der Schiene tun. Fünf weitere Lokomotiven stehen auf demselben Gleis: Stephensons Rocket von 1829, eine amerikanische 4-4-0 der Bauart aus den 1870er-Jahren, die koreanische Güterzuglok Mika, die stromlinienförmige Mallard vom Geschwindigkeitsrekord 1938 und die Gelenklok Big Boy von 1941.

Der Kessel lässt sich der Länge nach in der Mitte aufschneiden, sodass man das Feuer, die Rohre und das Wasser sieht. Die Zylinder öffnen sich und zeigen den Kolben, den Kolbenschieber und den Dampf in jedem Zylinderende, eingefärbt danach, was er gerade tut. Ein kleines Diagramm, das Indikatordiagramm, zeichnet den Druck in einem Zylinder gegen die Stellung des Kolbens, während sich die Räder drehen. So haben Ingenieure vor einem Jahrhundert die Arbeit einer Lokomotive gemessen. Der Rest dieser Seite erklärt, was Sie vor sich sehen, mit den Zahlen, die das Modell verwendet, und mit ihrer Herkunft.

Warum eine Lokomotive ein Feuer in einem Kasten voll Wasser braucht

Eine Dampflokomotive trägt ihr eigenes Kraftwerk mit sich. Das Feuer macht aus Wasser Dampf, der Dampf drückt die Kolben, und die Kolben drehen die Räder. Schwierig ist es, genug Wärme schnell genug aus einem Feuer ins Wasser zu bringen, und das in einer Maschine, die schmal genug ist, um zwischen Bahnsteige und unter Brücken zu passen.

Das Feuer brennt auf einem Rost am hinteren Ende der Lokomotive, in der Feuerbüchse. Die Feuerbüchse ist ein Kasten im Kasten: eine innere Büchse, in der die Kohle brennt, und ein äußerer Mantel, wobei Wasser den Raum dazwischen an den Seiten, vorn, hinten und oben füllt. Die Oberseite der inneren Büchse, die Decke, ist das heißeste Metall der Lokomotive und muss immer von Wasser bedeckt sein. Im Modell sehen Sie das, wenn der Kessel aufgeschnitten ist: das glühende Feuerbett, die innere Feuerbüchse und das blaue Wasser rundherum.

Die Kohle kommt durch die Feuertür an der Rückseite der Feuerbüchse hinein, Schaufel für Schaufel. Im Führerhaus des Modells dreht sich der Heizer zur Kohle vorn im Tender um, füllt die Schaufel, dreht sich zurück, und die Feuertüren öffnen sich gerade lange genug, dass die Kohle hineingeht. Drücken Sie auf der Bühne auf „Feuern“, damit er eine Schaufelladung nachlegt. Eine Pashi, die im Modell hart arbeitet, verbrennt etwa 1,8 Tonnen Kohle pro Stunde, und jedes Stück davon wird von Hand angehoben. Die Feuerrate des Modells, ein einziger Schieberegler, steht für all diese Arbeit.

Frische Kohle auf einem heißen Feuer gibt zunächst Gas ab, bevor sie sauber verbrennt, und wenn nicht genug Luft da ist, wird der Schornsteinrauch dunkel. Im Modell wird der Rauch aus dem Schornstein nach jeder Beschickung dunkler und ebenso, wenn mehr Brennstoff aufliegt, als bei diesem Luftzug verbrennen kann; er wird wieder zu weißem Dampf, wenn das Feuer aufgeholt hat.

Rockets Antwort: ein Kessel voller Rohre

Das heiße Gas des Feuers muss auf dem Weg zum Schornstein durch das Wasser hindurch, und je mehr Fläche es dabei berührt, desto mehr Wärme gibt es ab. Die Beschreibung der Rocket durch die Science Museum Group, der Lokomotive, die Robert Stephenson für die Rainhill-Wettbewerbe von 1829 entwarf, sagt, sie habe zwei Entwicklungen in einer Maschine vereint, die das Muster für spätere Lokomotiven setzten: den Mehrrohrkessel und das Blasrohr.

In einem Mehrrohrkessel strömt das Gas aus der Feuerbüchse durch Dutzende oder Hunderte kleiner Rohre, die der Länge nach im Wasser liegen, nach vorn und tritt vorn in die Rauchkammer unter dem Schornstein aus. Viele kleine Rohre haben weit mehr Oberfläche als ein einziger großer Rauchgaskanal mit demselben Querschnitt. Der National Park Service sagt, der Kessel einer Big Boy habe mehr als eine Meile Rohre und Rauchrohre gehabt. Im aufgeschnittenen Kessel des Modells sehen Sie die Rohre von der Feuerbüchse zur Rauchkammer verlaufen, das Wasser um sie herum, und oben die größeren Rauchrohre, die bei den späteren Lokomotiven den Überhitzer tragen.

Rocket gewann. Die Science Museum Group sagt, sie sei die einzige Lokomotive gewesen, die den Wettbewerb beendete, mit einem Durchschnitt von 12 mph und einer Höchstgeschwindigkeit von 30 mph, und die Stephensons erhielten den Preis von 500 £ sowie den Auftrag, Lokomotiven für die Liverpool & Manchester Railway zu bauen. Fünf Lokomotiven hatten teilgenommen: Cycloped, Novelty, Perseverance, Sans Pareil und Rocket. Rocket selbst blieb nicht lange, wie sie war. Sie wurde innerhalb von 18 Monaten grundlegend umgebaut und innerhalb von zehn Jahren abgestellt, und das Museum besitzt die umgebaute Lokomotive, die 1862 unvollständig und halb verfallen bewahrt wurde.

Das Wasser im Glas

Ein Kessel erzeugt Dampf, indem er sein eigenes Wasser verkocht, daher muss Wasser so schnell hinein, wie Dampf hinausgeht. Lokführer und Heizer beobachten den Stand im Wasserstandsglas an der Stirnwand im Führerhaus, einem Glasrohr, das oben und unten mit dem Kessel verbunden ist, sodass das Wasser darin auf derselben Höhe steht wie das Wasser im Kessel. Im Modell ist es das kleine Rohr neben dem Manometer, und die Anzeige gibt den Stand als Prozentsatz des Glases an.

Wasser gelangt durch den Injektor hinein. Die Science Museum Group besitzt einen originalen Giffard-Injektor von 1858, beschrieben als ein Gerät, das einen Dampfkessel während des Betriebs mit Wasser speist. Das Problem, das er löst, ist, dass das Wasser in ein Gefäß unter vollem Kesseldruck eintreten muss, und eine Pumpe, die von der Bewegung der Lokomotive selbst angetrieben wird, arbeitet nur, solange die Lokomotive fährt. Im Modell hält der Injektor das Glas von selbst etwa dreiviertel voll, solange die Einstellung „Injektor“ eingeschaltet ist, zum Preis eines kleinen Druckverlusts, denn das hineinfließende kalte Wasser kühlt den Kessel ein wenig ab.

Schaltet man den Injektor aus, während die Lokomotive hart arbeitet, sinkt der Stand. Sinkt er so weit, dass die Decke der Feuerbüchse frei liegt, hat sie nichts mehr, was sie kühlt. Die Sicherung ist ein Schmelzpfropfen: ein Pfropfen in der Decke mit einem Metallkern, der bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als das Blech. Die Science Museum Group besitzt drei Schmelzpfropfen von 1862 und erklärt, dass bei zu niedrigem Wasserstand der Pfropfen freigelegt wird, das Metall schmilzt und Dampf in die Feuerbüchse bläst, was die Besatzung warnt.

Im Modell schmilzt der Pfropfen bei ausgeschaltetem Injektor und einer hart arbeitenden Pashi mit 400 t nach etwa sechs Minuten. Der Dampf löscht das Feuer, der Druck fällt, und die Lokomotive leistet keine Arbeit mehr. Ein Bericht des US-amerikanischen National Transportation Safety Board über einen Feuerbüchsenschaden in Pennsylvania 1995 hält fest, dass eine Lokomotive, bei der ein Schmelzpfropfen angesprochen hat, zur Reparatur ins Werk muss und dass die Bahnen unterschiedlich handhabten, ob sie eingebaut werden.

Druck und Sicherheitsventile

Während das Feuer das Wasser kocht, sammelt sich Dampf im Raum darüber, und der Druck steigt. Das Manometer im Führerhaus zeigt ihn, und der Balken in der Anzeige zeigt ihn gegen die rote Linie, den Druck, auf den die Sicherheitsventile eingestellt sind. An der roten Linie heben sich die Ventile, und Dampf dröhnt aus ihnen heraus, bis der Druck ein wenig gefallen ist. Das ist das Dröhnen, das man hört, wenn eine Lokomotive mit gutem Feuer im Bahnhof steht.

Ein Kessel, der abbläst, verschwendet Kohle: Das Feuer macht mehr Dampf, als verbraucht wird. Ein guter Heizer hält den Druck knapp unter der roten Linie, baut das Feuer vor einer Steigung auf und lässt es vor einem Halt herunterbrennen. Eine der Aufgaben im Labor verlangt genau das: den Druck von 80 % auf 95 % des Vollen zu bringen und ihn 30 Sekunden lang zu halten, ohne dass sich die Ventile heben.

Die Drücke im Modell sind in bar und in Pfund pro Quadratzoll angegeben. Die Pashi und die Mika arbeiten mit etwa 14 bis 15 bar (etwa 200 bis 220 psi), die Mallard mit 17,2 bar (250 psi), die Big Boy mit 20,7 bar (300 psi) und die Rocket mit 3,4 bar (50 psi). Soweit keine Quelle sie angibt, sind dies Modellwerte für eine typische Lokomotive jeder Art, und die Seite kennzeichnet sie als solche.

Vom Regler zu den Zylindern

Der Dampf, der die Zylinder erreicht, wird am höchsten Punkt des Kessels entnommen, meist in einem Dom, damit möglichst wenig Wasser mitkommt. Dort sitzt das Reglerventil, und der Lokführer bedient es vom Führerhaus aus mit einem langen Griff. Im Modell ist die Einstellung „Regler“ dieser Griff: Geschlossen geht nichts zu den Zylindern; ganz offen geht Dampf mit nahezu vollem Kesseldruck hin. Der Dampf läuft dann durch das Hauptdampfrohr nach vorn zur Rauchkammer.

Bei den späteren Lokomotiven im Modell durchläuft er unterwegs den Überhitzer: kleine Rohre, die durch die großen Rauchrohre zurücklaufen, wo das heiße Gas den Dampf trocknet und weit über seinen Siedepunkt erhitzt. Heißdampf leistet pro Kilogramm mehr Arbeit, weil er sich weiter ausdehnen kann, bevor er zu kondensieren beginnt. Im Modell verbrauchen die Lokomotiven mit Überhitzer etwa dreiviertel des Dampfes nach Gewicht, den die Nassdampflokomotiven, Rocket und die 4-4-0, für dieselbe Zylinderfüllung brauchen.

Von der Rauchkammer führen Dampfrohre hinunter zu den Schieberkästen oben auf den Zylindern. Im aufgeschnittenen Kessel können Sie den Kupferrohren vom Dom nach vorn und hinunter zu den Zylindern folgen.

Der Dampf drückt einen Kolben, erst auf der einen, dann auf der anderen Seite

Jeder Zylinder ist an beiden Enden geschlossen. Dampf tritt an einem Ende ein und drückt den Kolben zum anderen; dann wird er abgelassen, Dampf tritt am anderen Ende ein und drückt den Kolben zurück. Jeder Zylinder gibt also zwei Stöße je Radumdrehung. Die Kolbenstange tritt hinten aus dem Zylinder aus und führt zu einem Kreuzkopf, der zwischen Gleitbahnen gleitet, und eine Treibstange verbindet den Kreuzkopf mit einem Kurbelzapfen am Haupttreibrad. Kuppelstangen verbinden die Kurbelzapfen aller Treibräder auf dieser Seite, sodass sie sich gemeinsam drehen.

Die beiden Seiten sind um eine Vierteldrehung versetzt. Wenn der eine Kolben am Ende seines Hubs steht, wo sein Stoß das Rad nicht drehen kann, befindet sich der andere in der Mitte seines Hubs. So kann die Lokomotive aus jeder Stellung anfahren, in der sie zum Stehen kam. Im Modell sind die drei Kurbeln der Mallard um je eine Drittelumdrehung versetzt, wobei der dritte Zylinder zwischen den Rahmen liegt.

Öffnen Sie die Zylinder mit „Blick ins Innere“, dann können Sie das beobachten. Rot ist frischer, einströmender Dampf, Orange ist Dampf, der sich hinter dem Kolben ausdehnt, nachdem der Schieber geschlossen hat, Blau ist verbrauchter Dampf auf dem Weg zum Auspuff, und Violett ist der kleine Dampfrest, der am Ende des Rückhubs eingeschlossen und zusammengedrückt wird.

Der Schieber: Überdeckung, Voreilung, Füllungsende, Vorausströmung

Über dem Zylinder, im Schieberkasten, gleitet ein Kolbenschieber auf seiner eigenen Schieberstange hin und her. Seine beiden Köpfe öffnen und schließen die Kanäle an beiden Enden des Zylinders, erst für den Dampf aus dem Kessel, dann für den Auspuff. Der Schieber muss auf den Kolben abgestimmt sein: Er muss den Kanal für den Dampf genau dann öffnen, wenn der Kolben seinen Hub beginnt, ihn nach einem Teil des Kolbenhubs wieder schließen und ihn zum Auspuff öffnen, bevor der Hub endet.

Zwei kleine Maße machen das möglich. Die Überdeckung ist das Übermaß, mit dem jeder Schieberkopf seinen Kanal überdeckt, wenn der Schieber in der Mitte seines Wegs steht; dadurch kann der Schieber den Kanal für den Dampf schon lange vor dem Hubende schließen. Die Voreilung gibt an, wie weit der Kanal für den Dampf schon geöffnet ist, wenn der Kolben ganz am Ende seines Hubs steht, sodass der volle Druck bereitsteht, wenn er zurückgeht. Das Modell verwendet eine Voreilung von 0,18 der Überdeckung.

Während sich die Räder drehen, durchläuft jedes Zylinderende dieselben sechs Vorgänge in dieser Reihenfolge: Einströmung (Dampf tritt ein), Füllungsende (der Schieber schließt und der Dampf dehnt sich aus), Vorausströmung (der Schieber öffnet zum Auspuff, ein wenig vor dem Hubende), Ausströmung (der Kolben schiebt den verbrauchten Dampf auf dem Rückweg hinaus), Kompression (der Schieber schließt zum Auspuff und der restliche Dampf wird zusammengedrückt) und wieder Einströmung. Das Labor hat eine Aufgabe, sie in die richtige Reihenfolge zu bringen, und die Tabelle unter dem Indikatordiagramm gibt für jeden Vorgang die Kolbenstellung bei der aktuellen Steuerungseinstellung an.

Walschaerts-Steuerung und Umsteuerung

Der Schieber wird von der Steuerung bewegt. Die größeren Lokomotiven im Modell tragen außen eine Walschaerts-Steuerung, weshalb man sie sehen kann. Sie addiert zwei Bewegungen. Die eine kommt von einer Gegenkurbel am Haupt-Kurbelzapfen, eine Vierteldrehung gegen die Kurbel versetzt, über die Exzenterstange zum Fuß einer geschlitzten, gekrümmten Schwinge, die hin und her pendelt. Ein Gleitstein gleitet in dieser Schwinge, und die Schieberschubstange führt die Bewegung vom Gleitstein nach vorn zum Voreilhebel. Die andere Bewegung kommt vom Kreuzkopf selbst, über eine Lenkstange zum unteren Ende des Voreilhebels. Der Hebel addiert beide und treibt die Schieberstange an.

Der Lokführer verstellt den Gleitstein mit der Umsteuerung in der Schwinge auf und ab. Steht der Stein an einem Ende der Schwinge, legt der Schieber den weitesten Weg zurück, und die Lokomotive fährt vorwärts; am anderen Ende ist die Bewegung umgekehrt, und die Lokomotive fährt rückwärts. Nahe der Mitte, in Mittelstellung, erreicht die Bewegung der Schwinge den Schieber kaum. Der Kreuzkopf bewegt ihn dann nur noch um den für Überdeckung und Voreilung nötigen Weg. Die Science Museum Group besitzt Schnittmodelle der Walschaerts-Steuerung, die zur Vorführung gebaut wurden.

Im Modell ist die Schieberstellung die Summe aus einem Anteil von der Gegenkurbel, skaliert mit der Einstellung der Umsteuerung, und einem Anteil vom Kreuzkopf, der an den Totpunkten Überdeckung und Voreilung liefert. Die Vollfüllung ist so eingestellt, dass der Dampf bei 75 % des Hubs abgeschnitten wird. In Mittelstellung öffnet der Schieber um jeden Totpunkt herum immer noch um die Voreilung, was für sich allein Dampf für etwa 9 % des Hubs einlassen würde; aber die Öffnung ist so klein und kommt, wenn die Kurbel das Rad kaum drehen kann, sodass es keinen Schub gibt. Probieren Sie es in der Laboraufgabe: Umsteuerung in der Mitte, Regler halb offen, und nichts bewegt sich.

Füllungsgrad: den Dampf zweimal arbeiten lassen

Die Umsteuerung tut mehr, als die Fahrtrichtung zu wählen. Indem sie festlegt, nach welchem Anteil des Kolbenhubs der Schieber schließt, bestimmt sie den Füllungsgrad, und das ist die wichtigste Art, wie ein Lokführer eine Lokomotive steuert, sobald sie in Fahrt ist.

Bei Vollfüllung wird Dampf während drei Vierteln des Hubs eingelassen. Das gibt den stärksten Schub, den man braucht, um einen schweren Zug anzufahren, aber der größte Teil des Dampfes verlässt den Zylinder noch unter hohem Druck. Bringt man die Umsteuerung zur Mitte zurück, also in eine kleinere Füllung, schließt der Schieber früher. Der Dampf strömt dann etwa ein Viertel des Hubs ein und dehnt sich für den Rest aus, wobei er die ganze Zeit mit fallendem Druck schiebt. Der Schub ist kleiner, aber jedes Kilogramm Dampf leistet viel mehr Arbeit.

Das Indikatordiagramm zeigt es. Das Modell zeichnet den Druck in einem Ende eines Zylinders gegen sein Volumen, während sich die Räder drehen, und die Fläche innerhalb der Schleife ist die Arbeit eines Hubs. Bei Vollfüllung ist die Schleife dick; bei kleiner Füllung ist sie dünn, mit einer langen abfallenden Linie, wo sich der Dampf ausdehnt. Beim Start aus dem Stand mit vollem Druck beträgt der mittlere Druck der Pashi über den Hub 12,9 bar bei 75 % Füllung, also 85 % des Kesseldrucks, und 6,0 bar bei 25 % Füllung, also 40 % davon.

Die Ersparnis ist im Modell real. Bei 60 km/h verbraucht die Pashi, die bei 25 % Füllung mit geöffnetem Regler dieselbe Kraft aufbringt, 2,1 kg Dampf pro Sekunde; bei 60 % Füllung mit entsprechend zurückgenommenem Regler sind es 2,8 kg pro Sekunde. Das ist ein Viertel weniger Dampf und damit ein Viertel weniger Wasser und Kohle für dieselbe Arbeit. Die Aufgabe „Füllung zurücknehmen“ im Labor verlangt, 80 km/h mit 400 t bei höchstens 25 % Füllung zu halten.

Der Auspuffschlag facht das Feuer an

Der verbrauchte Dampf verlässt jeden Zylinder durch die Auspuffkanäle, geht durch eine Düse in der Rauchkammer, das Blasrohr, und tritt aus dem Schornstein aus. Jeder Auspuffstoß ist ein Schlag, das Schnaufen, das man hört. Bei zwei Zylindern gibt es vier Schläge je Umdrehung der Treibräder, bei dreien sechs. Bei ihrer Rekordgeschwindigkeit von 126 mph drehten sich die 2032-mm-Räder der Mallard fast neunmal pro Sekunde, was im Modell etwa 53 Schläge pro Sekunde ergibt, viel zu schnell, um sie einzeln zu hören.

Das Blasrohr hat noch eine zweite Aufgabe, und für sie ist Rockets Konstruktion in Erinnerung geblieben. Jeder Dampfstrahl den Schornstein hinauf reißt das Gas in der Rauchkammer mit und senkt dort den Druck. Das zieht das Gas des Feuers durch die Rohre und frische Luft durch den Rost nach oben. Je härter die Lokomotive arbeitet, desto stärker zieht sie ihr eigenes Feuer an: mehr Dampf verbraucht, mehr Blasrohrwirkung, mehr Luft, mehr Hitze, mehr Dampf. Im Modell brennt das Feuer nur dann so schnell, wie der Heizer es nachlegt, wenn der Auspuff zieht; im Stand liefert der Bläser einen sanfteren Zug, und die Verdampfung, die das Feuer schaffen kann, sinkt.

Die Science Museum Group besitzt ein Modell einer Rauchkammer mit Blasrohr im Maßstab 1:6, und das National Railway Museum nennt das Kylchap-Auspuffsystem der Mallard unter den Neuerungen, die sie zu einer Kandidatin für den Geschwindigkeitsrekord machten.

Drei Grenzen der Zugkraft

Wie stark kann eine Lokomotive ziehen? Der Artikel der Encyclopedia of Korean Culture über Eisenbahnen gibt eine klare Antwort. Er nennt drei Zugkräfte: die Reibungskraft, den Halt der Treibräder auf den Schienen, bevor sie durchdrehen; die Zylinderkraft, die mit den Zylindern wächst und mit der Größe der Räder fällt; und die Kesselkraft, also die Zugkraft, die der Kessel mit seiner laufenden Dampferzeugung aufrechterhalten kann. Die tatsächliche Zugkraft wird von der kleinsten der drei begrenzt. Ob der Zug schneller wird, langsamer wird oder seine Geschwindigkeit hält, hängt davon ab, ob diese Zugkraft größer, kleiner oder gleich dem Widerstand aus Geschwindigkeit, Steigungen und Kurven ist.

Das Labor zeichnet alle drei gegen die Geschwindigkeit für die Lokomotive auf der Bühne. Die Haftungslinie ist flach: das Gewicht auf den Treibrädern mal einem Reibungsbeiwert, im Modell 0,25 auf trockener Schiene und 0,33 mit Sand. Die Zylinderlinie ist im Stillstand am höchsten und fällt, wenn die Lokomotive schneller wird, weil der Dampf weniger Zeit hat, durch die Kanäle zu kommen. Die Kessellinie fällt mit der Geschwindigkeit steil ab: Der Kessel kann nur eine bestimmte Leistung liefern, und Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit. Eine gestrichelte Linie markiert die kleinste der drei. Dort, wo sie die blaue Linie, den Widerstand des gewählten Zuges auf der eingestellten Steigung, schneidet, liegt die höchste Geschwindigkeit, die die Lokomotive erreichen kann.

Bei niedriger Geschwindigkeit entscheidet meist die Haftungsgrenze, und mehr Kraft auf die Räder bringt sie nur zum Durchdrehen. Bei hoher Geschwindigkeit entscheidet der Kessel. Dazwischen entscheiden die Zylinder und die Wahl von Füllung und Regler durch den Lokführer.

Zugkraft nach der Faustformel

Ingenieure bewerteten eine Lokomotive nach ihrer Anfahrzugkraft, berechnet aus ihren Abmessungen. Für zwei Zylinder: 0,85 mal Kesseldruck mal Quadrat der Zylinderbohrung mal Hub, geteilt durch den Treibraddurchmesser. Die 0,85 berücksichtigen den Druckverlust zwischen Kessel und Kolben. Für drei Zylinder multipliziert man mit 1,5, für vier mit 2.

Mit den drei Zylindern der Mallard von 18,5 mal 26 Zoll, 250 psi und Rädern von 80 Zoll ergibt die Regel 35.455 Pfund-Kraft (157,7 kN). Mit den vier Zylindern der Big Boy von 23,75 mal 32 Zoll, 300 psi und Rädern von 68 Zoll ergibt sie 135.375 Pfund-Kraft (602 kN). Der eigene Wert des Modells, berechnet aus dem Indikatordiagramm bei Vollfüllung und vollem Druck, liegt bei allen sechs Lokomotiven innerhalb von 2 % der Regel.

Es gibt eine Gegenprobe an einem veröffentlichten Wert. Der Korea Heritage Service führt die Mika Nr. 304, aufbewahrt auf Jeju, mit Treibrädern von 1450 mm Durchmesser, einem Gewicht von 90,65 t und einer Zugkraft von 15.430 kg. Die Mika des Modells mit Zylindern von 530 mm Bohrung und 660 mm Hub und einem Druck von 13,73 bar ergibt 15.216 kg, also 1,4 % weniger. Diese Zylindermaße und dieser Druck sind Modellwerte. Das Labor hat eine Aufgabe, den Wert der Mika selbst zu berechnen.

Teilt man das Gewicht auf den Treibrädern durch die Zugkraft, erhält man den Adhäsionsfaktor. Ist er zu niedrig, rutscht die Lokomotive, sobald sie hart arbeiten muss; ist er zu hoch, wird Gewicht mitgeführt, dessen Haftung größere Zylinder hätten ausnutzen können. Im Modell kommt er bei den fünf späteren Lokomotiven auf 3,9 bis 4,5 und bei der Rocket auf 6,9, die für die Größe ihrer Zylinder viel Gewicht auf ihrer einzigen Treibachse hat.

Schleudern und Sand

Öffnet man den Regler bei einem schweren Zug weit, können die Zylinder stärker schieben, als die Räder greifen. Die Räder drehen durch, die Lokomotive zieht nicht mehr, und die Stangen rasen herum. Im Modell rasen die Räder ebenfalls, von den Schienen sprühen Funken, und der Zugkraftbalken in der Anzeige wird rot.

Die erste Lokomotivaufgabe im Labor zeigt es. Die Mika hat 1000 t Güterwagen an einer Steigung von 1 zu 100. Den Zug an der Steigung zu halten, erfordert 112,5 kN, und ihn ins Rollen zu bringen, erfordert für den Widerstand der Wagen weitere etwa 15 kN. Der Halt der 60 t auf ihren Treibrädern beträgt auf trockener Schiene 147 kN. Bei ganz offenem Regler schieben die Zylinder mit 149 kN, etwas mehr als der Halt, und die Räder drehen durch. Bei kaum geöffnetem Regler reicht der Schub nicht, und nichts bewegt sich.

Es gibt zwei Auswege. Man öffnet den Regler behutsam, sodass der Schub zwischen dem liegt, was gebraucht wird, und dem, was die Schiene aufnimmt. Oder man drückt „Sand“: Sand, der vor die Treibräder fällt, hebt den Halt im Modell auf 194 kN, und die Lokomotive kommt los. Im Modell sitzt der Sandkasten oben auf dem Kessel, mit Rohren hinunter zur Schiene vor den Rädern.

Steigungen und das Gewicht des Zuges

Der Widerstand eines Zuges kommt von den Lagern, von den Rädern auf den Schienen und von der Luft, und an einer Steigung von der Schwerkraft. Das Modell verwendet die Formel, die W. J. Davis 1926 in der General Electric Review veröffentlichte: ein Teil, der vom Gewicht auf jeder Achse abhängt, ein Teil, der mit der Geschwindigkeit wächst, und ein Luftanteil, der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, mit einem größeren Luftbeiwert für das vorderste Fahrzeug als für den Rest des Zuges. Bahnen verwenden noch heute Fassungen davon.

Die Schwerkraft überwiegt bald alles andere. Die Pashi mit 400 t Reisezugwagen trifft bei 100 km/h in der Ebene auf 28 kN Widerstand; eine Steigung von 1 zu 100 fügt 54,8 kN hinzu, das Doppelte noch einmal. Die Was-wäre-wenn-Tabelle des Labors gibt die höchste Geschwindigkeit an, die die Lokomotive auf der Bühne mit vollem Druck bei 45 % Füllung halten kann, für vier Zuggewichte und fünf Steigungen, und sagt, wann sie den Zug gar nicht halten kann.

Mallards Rekord ist der deutlichste Fall. Mit dem 240 t schweren Rekordzug bei 200 km/h beträgt der Widerstand im Modell 43,9 kN; auf einem Gefälle von 1 zu 200 gibt die Schwerkraft davon 19,9 kN zurück. Im Modell überschreitet die Mallard, wenn sie mit 120 km/h dieses Gefälle hinab startet, mit offenem Regler und 40 % Füllung, die 200 km/h, wie es laut National Railway Museum die echte auf der Stoke Bank tat. In der Ebene mit demselben Zug erreicht das Modell etwa 176 km/h.

Räder zählen: die Whyte-Notation

Lokomotiven werden nach ihren Rädern benannt. In der Whyte-Notation, die der US-amerikanische National Park Service in seiner Studie über die Sammlung von Steamtown darlegt, zählt man die Räder beider Seiten in Gruppen von vorn: die Laufräder des vorderen Drehgestells, die Treibräder, die Nachlaufräder. Rocket ist 0-2-2: keine vorderen Laufräder, ein Paar Treibräder, ein Paar Nachlaufräder. Mallard ist 4-6-2. Big Boy, mit zwei Gruppen von Treibrädern, ist 4-8-8-4.

In Amerika hatten die Anordnungen Namen. Die 4-4-0 hieß American, die 4-6-2 Pacific, die 2-8-2 Mikado. Korea verwendete dieselben Bauarten unter kurzen japanischen Namen. Das Railroad Museum in Uiwang erklärt, Pashi komme von Pacific und Mika von Mikado, und die Pashi sei etwa ab 1922 die Schnellzuglok zwischen Seoul und Busan gewesen, während die Mika um 1919 für den Güterverkehr zwischen Busan und Sinuiju kam.

Die vorderen Laufräder führen die Lokomotive in die Kurven, und die Nachlaufräder tragen das Gewicht einer Feuerbüchse, die zu groß ist, um zwischen die Treibräder zu passen. Mehr Treibräder legen mehr Gewicht auf die Schiene, mit dem sie greifen können, was für den Güterverkehr passt; größere Treibräder drehen sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit weniger oft pro Minute, was für Reisezüge passt. Das Labor hat ein Quiz mit sechzehn Anordnungen, von der Seite gezeichnet: Nennen Sie drei hintereinander.

John Bull und die amerikanische 4-4-0

Das National Museum of American History der Smithsonian Institution besitzt John Bull, 1831 von Robert Stephenson & Co. in England als Standard-0-4-0 der Bauart Planet für die Camden and Amboy Railroad gebaut. Sie wurde in New Jersey von Isaac Dripps zusammengebaut, einem jungen Dampfschiff-Mechaniker, der laut Museum noch nie zuvor eine Lokomotive gesehen hatte. Auf dem unebenen amerikanischen Gleis entgleiste sie immer wieder, und so fügte Dripps vorn ein Paar Leiträder in einem Rahmen hinzu. Das Museum sagt, dieses Drehgestell sei bei praktisch allen amerikanischen Dampflokomotiven außer den Rangierlokomotiven übernommen worden. John Bull fuhr 35 Jahre lang; 1981 fuhr sie wieder, als älteste noch betriebsfähige Lokomotive der Welt.

Fügt man ein zweites Paar Treibräder und vorn ein vierrädriges Drehgestell hinzu, hat man die 4-4-0, die laut National Park Service in der Mitte des 19. Jahrhunderts für die Vereinigten Staaten so typisch wurde, dass man sie die American-Bauart nannte. Jupiter von der Smithsonian Institution, eine schmalspurige 4-4-0, 1876 von Baldwin für die Santa Cruz Railroad gebaut, hat eine Ausgleichsfederung: Während jedes Rad über unebenes Gleis schaukelt, bleibt das Gewicht auf jedem Treibrad nahezu gleich. Die 4-4-0 des Modells folgt der allgemeinen Form der 1870er-Jahre, mit einem hölzernen Führerhaus, Messingdomen, einem Funkenfänger-Schornstein mit diamantförmig erweitertem Aufsatz und einem Schienenräumer; ihre Maße sind Modellwerte.

Mallard und der Geschwindigkeitsrekord

Mallard ist eine A4, eine von 35 stromlinienförmigen Pacifics, die Sir Nigel Gresley für die London & North Eastern Railway entwarf. Der Eintrag der Science Museum Group sagt, die A4 seien 1935 eingeführt worden und die ersten 4 seien silbergrau lackiert gewesen; 1938 war die Standardfarbe Garter-Blau. Das National Railway Museum sagt, ihre Form sei im Windkanal verfeinert worden, um die Luft zu durchschneiden, wodurch 120 mph und mehr möglich wurden.

Am 3. Juli 1938 erreichte Mallard bei einer Reihe von Bremsversuchen auf der Stoke Bank zwischen Grantham und Peterborough 126 mph. Der Blog des Museums sagt, die Fahrt sei unter dem Vorwand eines Bremsversuchs gemacht worden, und sein Bericht über die Fahrt sagt, der Messwagen hinter der Lokomotive habe auf dem Gefälle über 5 Meilen 120 mph aufgezeichnet. Dieser Wagen war ein fahrendes Labor, das die Geschwindigkeit des Zuges auf Papierrollen aufzeichnete. Der Flaman-Geschwindigkeitsschreiber im Führerhaus der Mallard, französischer Bauart, ist noch immer dort.

126 mph sind etwa 203 km/h, und das ist weiterhin der Rekord für Dampf. Es ist nicht das erste Mal, dass von einer Dampflokomotive gesagt wurde, sie habe 100 mph überschritten. Ein Brief in der Sammlung der Science Museum Group betrifft die Veröffentlichung der 102,3 mph, die ein Zeitnehmer am 9. Mai 1904 hinter City of Truro aufzeichnete; das National Railway Museum nennt jedoch Flying Scotsman offiziell die erste Dampflokomotive, die 1934 100 mph erreichte. Das Rekorddiagramm im Labor kennzeichnet den Wert von 1904 als nicht offiziell.

Mallard wurde 1963 ausgemustert, wurde im Museum of British Transport in Clapham ausgestellt und steht seit der Eröffnung 1975 in der Great Hall des National Railway Museum in York.

Big Boy

Um schwere Güterzüge über Gebirge zu ziehen, ließ die Union Pacific von der American Locomotive Company 25 Big Boys bauen, 20 im Jahr 1941 und fünf 1944. Der National Park Service, der die Nr. 4012 im Steamtown National Historic Site aufbewahrt, sagt, sie seien auf Leistung gebaut worden: Sie zogen in den Bergen von Utah und Wyoming Züge mit 120 Wagen und 3800 short tons bei 40 mph. Jede hatte 16 Treibräder von 68 Zoll, einen Rost von 150 Quadratfuß und mehr als eine Meile Rohre und Rauchrohre; mit dem Tender war sie 132 Fuß 9 Zoll lang und wog dienstbereit 1.189.500 Pfund.

Eine so lange Lokomotive konnte scharfe Kurven mit einem starren Rahmen nicht durchfahren, daher sitzt die vordere Gruppe von Treibrädern auf einem eigenen Rahmen, der gelenkig mit dem Rest verbunden ist, und jede Gruppe hat ihr eigenes Zylinderpaar. Der NPS schreibt das Gelenk dem Schweizer Konstrukteur Anatole Mallet zu und fügt eine Tatsache hinzu, die die meisten Menschen überrascht: Die Big Boys waren nicht die leistungsstärksten Lokomotiven, obwohl sie die schwersten waren.

Im Modell zieht die Big Boy 3447 t, das metrische Äquivalent von 3800 short tons, in der Ebene bis zu etwa 100 km/h, und ihre Spitzenleistung beträgt etwa 6300 hp gegenüber den 6200 hp, die der NPS angibt. Von den 25 sind acht erhalten. Die Nr. 4014 wurde 2019 wieder betriebsfähig hergestellt, und im Juli 2026 durchquerte sie, wie das Magazin der Smithsonian Institution berichtet, die Vereinigten Staaten zum 250. Jahrestag des Landes.

Dampf in Korea

Koreas Eisenbahn begann mit Dampf. Die Encyclopedia of Korean Culture sagt, die Züge hätten am 18. September 1899 erstmals auf der Gyeongin-Linie zwischen Noryangjin und Incheon verkehrt, mit einer Lokomotive von Brooks aus den Vereinigten Staaten; das Korea Rail Industry Information Center beschreibt sie als Tenderlok der Bauart Mogul. Tenderlokomotiven der Bauart Prairie und Schlepptenderlokomotiven der Bauart Teou folgten 1905 aus Amerika, Schlepptenderlokomotiven der Bauart American 1911, Heißdampflokomotiven 1914, Mika-Bauarten 1919 und Pashi-Bauarten 1921 und 1923. 1927 baute das Werk in Seoul zwei Lokomotiven der Bauart Teou, die ersten in Korea gebauten Lokomotiven.

Am 27. Dezember 1945 absolvierte laut derselben Chronik die erste von koreanischen Ingenieuren gebaute Lokomotive Probefahrten zwischen Yeongdeungpo und Suwon: 2000 hp, fähig, mit 20 Wagen 100 km/h zu fahren. Diesel-elektrische Lokomotiven kamen während des Koreakrieges, und nach dem 31. August 1967 verkehrte auf den Hauptstrecken Koreas kein Dampf mehr.

Mehrere Lokomotiven sind als nationales eingetragenes Kulturerbe erhalten, eingetragen am 17. Oktober 2008. Die Pashi Nr. 23, in Japan gebaut und 1942 im Werk Seoul zusammengebaut, ist die einzige Pashi, die in Korea übrig ist; der Heritage Service gibt ihre Treibräder mit 1850 mm und ihre Höhe mit 4750 mm an. Nach der Befreiung wurde sie auf Schweröl umgestellt und zog bis in die 1960er-Jahre Reisezüge auf den Hauptstrecken, und ihre Konservierung wurde 2024 im Railroad Museum in Uiwang abgeschlossen. Die Mika Nr. 304 von 1944 steht im Samu-Park auf Jeju. Die Mika Nr. 129 auf dem Nationalfriedhof in Daejeon wurde am 12. Juni 2025 aus dem Register genommen.

Das 1988 eröffnete Railroad Museum bewahrt außerdem die Teou Nr. 700. Sie wurde 1914 gebaut, von 1919 bis 1935 eingesetzt, an einer Eisenbahnschule aufgeschnitten und mehr als 80 Jahre lang genutzt, um Schülern zu zeigen, wie eine Lokomotive innen arbeitet, ähnlich wie der aufgeschnittene Kessel und die Zylinder in diesem Exponat.

Wenden und Wasser nehmen

Am Ende einer Strecke wird eine Lokomotive, die mit dem Schornstein voran zurückfahren müsste, gewendet. Auf der Drehscheibe im Modell stehen Lokomotive und Tender auf einer Bühne in einer kreisrunden Grube, und die Bühne dreht sich um einen mittigen Zapfen, mit Rädern an ihren Enden, die auf einer kreisförmigen Schiene laufen. Mit den Pfeilen oder dem Schieberegler „Drehscheibe“ drehen Sie sie in die andere Richtung; die Aufgabe verlangt 180° auf ein Grad genau. Eine Drehscheibe muss länger sein als die längste Lokomotive mit Tender, die sie bedient, und die Grube des Modells misst 44 m im Durchmesser, damit die Big Boy hineinpasst.

Das Wasser geht lange vor der Kohle aus. Im Modell bringt jedes Kilogramm Kohle sechs bis sieben Kilogramm Wasser zum Kochen, sodass ein Tender dem Gewicht nach mehrfach so viel Wasser wie Kohle mitführt. Der Tender der Pashi fasst im Modell 25.000 Liter, etwa zwei Stunden bei voller Leistung des Kessels. Am Wasserkran auf dem Bahnsteig schwenkt der Arm über den Einfüllstutzen des Tenders, und der Lederschlauch füllt den Behälter. Mit eingeschaltetem „Blick ins Innere“ können Sie beobachten, wie das Wasser im Tender steigt.

Wie das Modell von echten Lokomotiven abweicht

Die sechs Lokomotiven sind aus den allgemeinen Proportionen jeder Bauart aufgebaut, nicht nach den Zeichnungen der Hersteller, und tragen keine Nummern, Herstellerschilder oder Kennzeichen. Wo eine Quelle ein Maß nennt, wird es verwendet: Mallards Räder von 2032 mm und 104,6 t, die Räder der Pashi von 1850 mm, die Räder der Mika von 1450 mm und 90,65 t, die Räder der Big Boy von 68 Zoll und ihr Gesamtgewicht. Zylindergrößen, Drücke, Kesselleistungen und alles Übrige sind Modellwerte.

Der Kessel ist ein einziger Vorrat heißen Wassers, dessen Druck mit der Differenz zwischen erzeugtem und verbrauchtem Dampf steigt und fällt. Das Feuer ist eine einzige Zahl, die der Befeuerungsrate folgt und durch den Luftzug begrenzt wird. Echte Kessel reagieren langsamer, und echtes Heizen ist ein Handwerk, das man über Jahre lernt. Der Dampf in den Zylindern dehnt sich entlang einer einfachen Kurve aus; echte Zylinder verlieren Wärme an ihre Wände, und die Kanäle drosseln den Dampf auf Weisen, die das Modell nur mit einem Faktor annähert, der mit der Kolbengeschwindigkeit wächst. Der Zugwiderstand folgt Davis, und Kurven sind ausgelassen. Die Strecke ist gerade und eben, abgesehen von der Steigung, die Sie einstellen und die das Modell anwendet, ohne die Szene zu neigen.

Die Zeit lässt sich auf ein Zehntel verlangsamen, um die Steuerung zu beobachten, oder dreißigfach beschleunigen, um eine ganze Steigung zu durchfahren. Die Besatzung und die Person auf dem Bahnsteig sind glatte Schaufensterpuppen ohne Gesichter.