Stoomverdeling door middel van kleppen

naar: een stukje over Kleppenbeweging met vergrote klepheffing. Kopieën uit de Ingenieur no.1 1936

naar: Stoomverdeling door middel van Lents kleppen door ir. F.muller. Kopieën uit de Ingenieur No.32 9 Augustus 1924

Verder naar onder hoe worden de kleppen bewogen.

1.Corlisskranen

2.Zuigerschuif

3.Riedler Stumpf

4.Proelll klepbeweging

5.Lentz klepbeweging

Hanomag liggende tandem-compound stoommachine van groot formaat: zij kon 410 i.p.k. ontwikkelen.
Bij deze machine werd de klepaansturing langs mechanische weg geregeld, namelijk via de z.g. “Praezisions Steuerung” van Sulzer. (naar het verhaal van de plaat boven)

Het gebruik van schuiven voor de stoomverdeling heeft verschillende nadelen;
1 Schuiven hebben een groot oppervlak dat gemakkelijk kan beschadigen. Vooral indien de schuif niet is ontlast, zullen de langs elkaar glijdende vlakken spoedig groeven kunnen gaan vertonen, waardoor er ernstig lekken kan ontstaan.
2 Door de optredende wrijving komen op de stoom schuifbeweging grote krachten, en ontstaan er een belangrijk mechanisch verlies.
3 Het zuiver pasmaken van de sluitvlakken, vooral van de spiegel, is een lastig en tijdrovend werk.
4 Het openen en het sluiten van de stoompoorten gebeurt betrekkelijk langzaam; daardoor wordt in het bijzonder aan het einde van de toevoer de stoom sterk geknepen; dat betekent een aanzienlijke verkleining in diagramoppervlak en dus ook in cilindervermogen.
5 Bij het gebruik van onverhitte stoom is het gehele schuifoppervlak mogelijk afdoende te smeren; bij sterk oververhitte stoom kan de schuif gemakkelijk kromtrekken en gaan lekken.
6 Schuiven regelen in het algemeen zowel de toe als de afvoer van de stoom, en als gevolg hiervan zijn verschillende schuifwanden voordurend aan de ene kant met de verse en aan de andere kant met afgewerkte stoom in aanraking; dat geef een belangrijke nutteloze overdracht van warmte. Bovendien worden nu ook de stoompoorten beurtelings met verse en afgewerkte stoom doorstroomd; dat veroorzaakt een sterke begincondensatie.
7 Door de aanwezigheid van de grote vlakke spiegel op enige afstand van de cilinder zijn ook de stoompoorten groot, zodat ook de schadelijke ruimte van de cilinder belangrijk is.
8 Men kan de toevoerfuncties niet wijzigen zonder ook de afvoerfuncties te veranderen en omgekeerd.
Het gebruik van kleppen voor stoomverdeling doet een groot deel van de bovengenoemde nadelen vervalen: Bij kleppen hebben we geen langs elkaar glijdende oppervlakken, zodat er geen ondichtwoorden door slijtage optreedt.
Kleppen kunnen gemakkelijk worden ontlast, zodat er geen grote kracht nodig is om ze te bewegen.
Het passchuren van kleppen met zittingen is zeer veel eenvoudiger te bewerkstelligen dan het vlakken van een schuif met spiegel en ontlastbak.
Kleppen worden in het algemeen geopend en gesloten door middel van nokken op een nokkenas, en door aan de nokken een geschikte vorm te geven, kan dat snel gebeuren, zodat onnodig knijpen van de stoom vervalt.
Het gebruik van sterk oververhitte stoom geeft bij kleppen geen moeilijkheden; alleen de kleppenstangen moeten dan een weinig worden gesmeerd.
Het geeft geen bezwaren om voor toe en voor afvoer afzonderlijke kleppen te nemen, zodat verse en afgewerkte stoom niet door dezelfde openingen stromen.
Hierdoor zal de begincondensatie veel verminderen. Bovendien kan de afvoer nu worden geregeld onafhankelijk van de toevoer, en omgekeerd.
Plaatst men de kleppen dicht bij de cilinders, dan is de schadelijke ruimte van de cilinder slechts gering.
Al deze voordelen maken bij het gebruik van oververhitte stoom vrijwel altijd kleppen worden toegepast, geen schuiven.
Bij verbrandingsmotoren gebruikt men steeds kleppen met een enkele sluitrand; bij stoommachines echter gebruik men dubbele kleppen, dus met twee sluitranden.
Daarvan is in de eerste plaats het gevolg, dat de lichthoogte slechts gering behoef te zijn, en verder, dat de klep zo goed als geheel is ontlast, zodat voor het bewegen ervan zeer weinig kracht nodig is.
Volledig kan de klep niet worden ontlast, omdat de binnenste klep een kleinere middellijn moet hebben dan de buitenste met het oog op het aanbrengen en het uitnemen.

In het plaatje hiernaast is een toevoerklep afgebeeld voor een lentz-kleppenmachine.
De bovenzitting is hier groter dan de onderzitting; de verse stoom staat boven de klep, dus wordt deze klep behalve door een veer ook nog door de stoom op de zitting gedrukt.
De beide zittingen zijn vlak gedraaid, waardoor het klemmen van de klep wordt voorkomen.
Ten einde vormverandering ten gevolge van ongelijkmatige uitzetting zoveel mogelijk te verhinderen, geeft men aan de kleppen een dunne wand, en maakt men ze van fijnkorrelig gegoten ijzer met een hoge treksterkte, zg. perlitisch ijzer.
Het trekken van de klep bij temperatuursveranderingen, en vooral ook bij het krimpen na het gieten, tracht men te voorkomen door de verbindingsruggen tussen het binnen en het buiten gedeelte tangentieel te plaatsen (zie doorsnede schuin hier boven links).

plaatje hiernaast is een toevoerklep afgebeeld voor een lentz-kleppenmachine

Door het gebruik van afzonderlijke klepkorven is het mogelijk om klep en korf van precies hetzelfde materiaal te maken, door ze beide uit dezelfde pan direct na elkaar te gieten.
Aldus zullen klep en korf bij verwarming ongeveer een gelijke uitzetting coëfficiënt hebben, waardoor de klep in het gebruik beter zal sluiten.
Toch zal altijd nodig zijn om de kleppen op te schuren terwijl de machine zoveel mogelijk op temperatuur is.
Schuurt men de kleppen als ze koud zijn, dan zullen ze tijdens het gebruik onherroepelijk lekken

Op het afbeelding hier naast is een onderklep afgebeeld die nu eigenlijk onder de zitting hangt.
De klep is door middel van een moer F bevestigt aan de klepsteel D.
Onder de moer liggen sluitringen van zodanige dikte dat de klep geen speling heeft op de stang in verticale richting, maar dat ze in warmer toestand toch niet vast op de stang zit.
Daarmede bereikt men, dat de klep in het gebruik voortdurend iets zal draaien, zodat steeds andere gedeelte van de klep en zitting tegenover elkaar komen.

Op het afbeelding hier naast is een onderklep afgebeeld die nu eigenlijk onder de zitting hangt

Dat verhindert het inslaan van de klep.
De stalen klepstang heeft aan de omtrek een groot aantal groeven; zij gaat zonder pakking door de gegoten ijzeren bus C.
Stang en bus zijn pasgeslepen, en de groeven doen dienst als een labyrint, zodat een goede stoomdichte doorvoering is verzekerd.
De klepstangen worden gesmeerd met cilinderolie.
Daartoe is er op elk klephuis een olieleiding aangebracht, die aansluit op kanaal A, waardoorheen de olie wordt toegevoerd door een pompje.

de volgende onderwerp gaat over hoe de kleppen worden bewogen.
met welk mechanisme het tot stand komt, en hoe heten deze stoomverdelingen.

we beginnen met de aandrijving door Corlisskranen

Al tientallen jaren geleden heeft men ingezien, dat, om een juiste werking van stoom in de stoomcilinder te verkrijgen, de uit en inlaatmechanismen volledig van elkaar gescheiden moesten worden.
En bij moderne, voor zuinig stoomverbruik geconstrueerde zuigermachines wordt dit grondbeginsel dan ook steeds toegepast.
De eerste, die dit deed, was de Amerikaan Corliss met de toepassing de Gorliss kranen.
Eigenlijk waren dat niets anders dan ronde, en daardoor ontlaste schuifjes, welke dan dienden of voor de inlaat of voor de uitlaat.
Een excentriek op de hoofdas bewoog een tuimelschijf, op het midden van de cilinder aangebracht, zoals afb.125 doet zien, welke tuimelschuif dan weer de kraanstangen bewoog.
De onder aan de cilinder aangebrachte uitlaatkranen verkregen een gedwongen beweging vanuit deze tuimelschijf, de inlaatkranen hadden deze niet.
Hierbij nam de bewegingsstang van de tuimelschijf wel de kraanhefboom mee voor het openen en openhouden door een meenemer, maar toch op een gegeven moment liet de meenemer de kraanhefboom ontsnappen en nu kon het afsluitmechanisme in werking treden.
Verbonden met de kraanstang werd namelijk de inlaatkraan voorzien van een bufferpot, onder de stoomcilinder geplaatst, welke bufferpot uit een cilinder met zuiger bestond, alleen van boven open.
Door het lichten van de kraanhefboom ging de zuiger in deze bufferpot omhoog en zo ontstond onder de zuiger een luchtledig, zodat, zodra de kraanhefboom vrijkwam, de luchtdruk boven de zuiger van de bufferpot zorgde voor een snelle daling van deze zuiger en dus ook voor het sluiten van de inlaatkraan.
Deze constructeur verkreeg in de jaren 1870-1880 dan ook zeer verminderde stroom verbruiken, mede tengevolge van de snelle afsluiting en geringe schadelijke ruimte.
Echter werden de werktuigen aanzienlijk hoger in prijs, en daar in die tijden de steenkolenprijs laag was, werkte deze vooruitgang slechts langzaam door, zonder dat er nog veel moeite werd gedaan, om de schuifconstructie te verbeteren.
De Corliss-kranen waren met haar grote wrijvende oppervlakken echter al evenmin geschikt voor temperaturen boven 230 °C als de schuiven, terwijl de zware bewegende delen niet geschikt waren voor de hoge snelheden, welke van de moderne werktuigen verlangd worden.

Het principe van afzonderlijke afsluitingen volgende, werd met de ervaring met de Corliss-machine door van den Kerckhove te Gent in 1900 een stoomverdeling geconstrueerd met vier verticaal werkendezuigerschuiven (afb.1), evenals de Corliss kranen vlak achter de eindvlakken van de cilinder zodanig ingebouwd, dat de schadelijke ruimte en de afkoelende vlakken uiterst gering zijn.
Door een doelmatige constructie van de veren en juiste keuze van de veerspanning is de wrijving van de schuiven zo gering, dat een schadelijke invloed daarvan op de stoomverdeling en regeling niet is waar te nemen.
In afb.1 zijn de veren geconstrueerd met een brede ringvormige binnenveer, onder de beide buitenveren aangebracht.
Deze zuigerschuiven hebben slechts geringe slag, zijn geschikt voor grote snelheden, vooral het type met dubbele poort, hoge drukken en temperaturen en blijven daarbij ook op den duur dicht.
Voor 1cilindermachines als gelijkstroomwerktuigen is dit laatste nog van groter belang dan voor compoundmachines.

Het plaatje hiernaast is geen klep maar schuif (zuigerschuif of bosschuif).

Deze schuif wordt op de zelfde manier bewogen als  bij kleppen.

Er bestaan verschillende uitvoeringen van deze schuiven

een doorsnede tekening van zuigerschuiven met kleppenmechanisme van den Kerckhove

plaatje hiernaast  een machine met bosschuiven schuiven (  van den Kerchove) zoals afb.1

deze tekening groot 800

deze tekening groot 2000

Immers verricht bij de laatste de door lekkage van het toelaatorgaan te veel toegelaten stoom nog arbeid in de lagendruk cilinder, bij 1cilindermachines laat dat verlies zich in zijn geheel voelen.

Ook de 1 cilinderstoommachine fig.103 hier boven is voorzien van zuigerschuiven.
De uitlaatschuiven zijn echter horizontaal geplaatst voor betere toegankelijkheid.
Toen bij de stijging van stoomdruk en de toepassing van oververhitting de schuif en kraanmachines, behalve dan die uitgerust met zuigerschuiven, het moesten afleggen, kwam de klep, door de Zwitserse fabrikant Sulzer ingevoerd, in het laatst van de vorige eeuw meer en meer op de voorgrond.
Neemt men hier nu bij in aanmerking, dat door verbetering van werkmethoden de prijs van de klepconstructie en -beweging zeer daalde, terwijl de steenkolenprijs steeg, dan is het begrijpelijk, dat moderne zuigermachines voor laag stoomverbruik veelal als kleppenmachine worden gebouwd.

Zo klep kan zijn een 1zittingklep, waar dan de volle stoomdruk op de klep staat, zodat de opening nog al kracht kost, wordt deze altijd uitgevoerd als dubbel zittingklep zogenaamde evenwichtsklep zoals fig.127 aangeeft.
De te overwinnen stoomdruk komt dan slechts overeen met het verschil in oppervlak van de cirkels met de middellijnen D1 en D, en waar men dan liefst de klep groot in middellijn maakt, is er slechts een geringe licht- hoogte nodig om voldoende opening voor de stoom te verkrijgen.
In dat opzicht is de klep bijzonder geschikt voor hoge temperaturen en heeft dat stoomverdeelingsorgaan met toenemende verhoging van de stoomdruk en -temperatuur dan ook zeer veel toepassing gevonden.

Het is echter ook gebleken, dat de klep bij wijziging van de over- verhittingstemperatuur trekt.
Het gevolg daarvan is, dat het stoomverbruik gedurende het bedrijf stijgt.
De zorgvuldige keuze van hetzelfde materiaal van klep en zitting, opdat beide eenzelfde uitzettingscoëfficiënt hebben een zinrijke plaatsing van de klep, zodanig, dat klepzitting en klep niet ongelijk worden verwarmd, dat wil zeggen de klep bij afsluiten hoofdzakelijk door de er op staande zeer hete inlaatstoom en de zitting door de veel koudere uitlaatstoom in de cilinder zelfs het verend maken van de onderste zitting, dat alles heeft deze lastige eigenschap, die toeneemt naar mate de klep hoger en groter wordt en de stoomdruk en temperatuur stijgen, niet geheel kunnen terzijde stellen.
En daar, zoals hiervoor al werd aangevoerd,  de invloed van een lekkend toelaatorgaan op het stoom- verbruik het grootst is bij 1cilindermachines en deze tot zeer grote afmetingen dus met grote verdelingsorganen,  als gelijkstroom- condensatie of wisselstroom tegendruk machine bij steeds hogere stoomdrukken en temperaturen voor krachtopwekking in fabriek bedrijven hoe langer hoe meer op de voorgrond treden,  is er een neiging waar te nemen om aan de zuigerschuiven in vele gevallen de voorkeur te geven.
Bij het begin van het openen is de klep in rust en bij afsluiten moet de klep weer op de zitting komen.
Om het knijpen van de stoom te beperken moet aan de klep dus een zeer grote versnelling bij openen en vertraging bij sluiten gegeven worden.
De massakrachten worden daardoor bij de klep groter dan bij een zuigerschuif en is de laatste dan ook beter geschikt voor hoog aantal omwentelingen, alweer een eis, welke meer en meer aan de moderne machine word  gesteld,  ten einde de aanmaakkosten per pk te doen dalen.

Riedler-Stumpf

De evenwichtskleppen en zuigerschuiven worden bijna zonder uitzondering bewogen vanuit een zij as, die bij horizontale machines evenwijdig daarnaast op het hart van de cilinder is aangebracht en aan een eind gedraaid wordt door een paar kegeltandraderen (I: I) vanuit de krukas (fig.148).
De op en neer gaande klepbeweging wordt tegenwoordig algemeen verkregen door een door middel van een excentriek gedreven stangenmechanisme.
Intussen zijn er heel wat constructies van klepbeweging vanuit deze as gekomen, omdat men vooral sterk zag op zeer snelle opening en dat was met de aanvankelijke excentriek beweging slechts beperkt mogelijk.
Het grootste deel dezer constructies leed echter aan te grote complicatie en daardoor slijtage, redenen waarom verreweg de meesten in onbruik zijn geraakt.
Men onderscheidt deze bewegingen in zulke met gedwongen bewegingen en in uitklinkbewegingen.

Van gedwongen klepbewegingen bestaan talrijke constructies, maar toch  past men het meeste toe de klep heffer met nok en rolt omdat de beweging uiterst eenvoudig is, weinig slijtage geeft, een vrij hoog aantal omwentelingen toelaat en daarbij de gelegenheid bestaat de klep met een snelheid nul te openen en te sluiten.
De klep wordt daarbij gelicht met een daaraan verbonden rol, terwijl de nok dient om de rol te heffen.
De meer of mindere snelheid van openen hangt dan natuurlijk af van de vorm, welke de nok heeft.
Deze nok kan rechtlijnig bewogen worden, zoals fig.128 aangeeft.
Boven de cilinders is dan een stang gemaakt, bewogen van de hoofdas met een excentriek en waarop deze nokken zijn bevestigd.
Hier heeft men dus eens geen zij as, welke de klep beweegt.
Men ziet deze beweging nog vaak bij oude gelijkstroommachines volgens het patent Riedler  Stumpf.
Zij hebben echter een groot nadeel bij toepassing van oververhitte stoom, omdat de cilinder dan meer uitzet dan de bewegingsstang,  zodat de stoomverdeling ongunstig versteld raakt.

Men gebruikt tegenwoordig bijna overal de schommelnok, dat is een nok bevestigd op een tuimelschijf.
Van invloed op de verplaatsing is dan de hoek, welke wordt ingesloten door de bewegingrichting  van de nok en van de rol.
Deze hoek kan dan zijn stomp of scherp.
De stompe hoek wordt gebruikt bij de Proell klepbeweging, zoals fig.129 aangeeft.
De excentriek op de zij as beweegt een tuimelaar welke aan de bovenzijde een nok k draagt.
Tegen deze nok zit een rol r, bevestigd op het uiteinde van de hefboom h, welk uiteinde tevens de klepstang S beweegt.
De veer boven de klep zorgt, dat de rol steeds tegen de nok wordt aangedrukt, zodat de rol volledig de beweging uitvoert, welke de nok voorschrijft.
Kies men voor deze hoek de scherpe hoek, dan krijgt men de klepbeweging van Lentz welke dus een andere vorm van de nok heeft maar verder overeenkomstig is geconstrueerd, zie fig.130.
Bij beide klepbewegingen worden de uitlaatkleppen direct met hefbomen door een excentriek gedreven.

naar: Stoomverdeling door middel van Lents kleppen door ir. F.muller. Kopieën uit de Ingenieur No.32 9 Augustus 1924

naar: een stukje over Kleppenbeweging met vergrote klepheffing. kopieen uit de Ingenieur no.1 1936

Lentz klepbeweging

Tandem Compound machine

Machinefabriek Breda

deze tekening groot 800

deze tekening groot 2000

deze tekening groot 4000

kleppenbeweging bij een Skinner-machine

Te halver hoogte van de cilinder loopt horizontaal de nokkenas Z, waarop twee aan twee drie stellen nokken Y zijn geplaatst, telkens twee nokken bij elkaar, de bovennok voor de toevoerklep aan top van de H.D cilinder, en de ondernok voor die aan bodem
Evenzo is er een stel van twee nokken voor de overstroomkleppen, en een derde stel voor de beide afvoerkleppen van de L.D. cilinder.
De nokken zijn elk met twee bouten bevestigd tegen een flens die vast zit op de nokkenas.
De gaten waardoor die bouten gaan, zijn ovaal, zodat de nokken desgewenst langs de omtrek van de as iets kunnen worden verdraaid.
Hebben de nokken eenmaal de juiste stand op de as verkregen, dan wordt er een trapeziumvormig stuk AA tussen geplaatst, dat het draaien van de nokken verhindert.
De nokkenas zelf draait niet rond, doch voert een schommelende beweging uit.
Daartoe draagt zij hefboom BB, waaraan een trekstang is bevestigd, die op en neer wordt bewogen door een excentriek op de as.
We zien, dat de oplopende kant van de nokken zeer steil is uitgevoerd, zodat de rollen W en dus ook de kleppen zeer snel zullen openen en sluiten.
Dit laatste wordt bewerkstelligd door veren waarvan de spanning kan worden geregeld.