De Gelijkstroom Stoommachine (Uniflow Steam Engine)

Meer en wat dieper over de techniek van de gelijkstroom machine klik op de link hier onder:
Gelijkstroom Stoomwerktuigen door Prof. G. Brouwer
uit het weekblad de Ingenieurs

Een van de nieuwste uitvindingen op stoomgebied is de gelijkstroom stoommachine van Prof. Stumpf, Charlottenburg.

Prof. Stumpf noemt de werking van de stoom in zijn machine gelijkstroom, om dat hij in tegenstelling van de voorgaande werking van de stoommachine waarbij de stoom steeds in de zelfde richting stroomt.
Daar gaat de stoom langs de zelfde weg uit de cilinder, als waar langs hij is binnen gestroomd.
Op het plaatje hier naast kan je ziet dat de stoom afwisselend aan beide zijden van de cilinder binnenstroomt en in het midden door op de omtrek van de cilinder aangebrachte openingen, welke door de cilinderuiteinde in de cilinder en verlaat dezen door de in het midden van de cilinder aangebrachte uitlaatopeningen, zo dat de binnentredende verse stoom niet met de oppervlakken in aanraking komt, waarlangs de afgewerkte stoom met lage temperatuur afgevoerd wordt.
Het condenseren bij het instromen kan hier dus niet plaatsvinden en een verdeling van de stoomexpansie over meer dan een cilinder is niet nodig.
Hieruit kan je opmaken dat de gelijkstroom niet alleen op de een cilinder wisselstroom machines maar ook op die met meer cilinders sterk concurrentie uitoefent.
Prof. Stumpf noemt de werking van de stoom in zijn machine gelijkstroom, om dat hij in tegenstelling van de voorgaande werking van de stoommachine waarbij de stoom steeds in de zelfde richting stroomt.
 

Het is dan ook gebleken, dat een gelijkstroom stoommachine ongeveer het zelfde stoomverbruik heeft als een triple expansiemachine.
Het ligt voor de hand dat de gelijkstroom machine veel goedkoper zal zijn.
Omdat de stoomuitlaat in het midden van de cilinder ligt vind het proces van stoomtoevoer, expansie en afvoer voor elke zijde van de cilinder plaats in de halve cilinderruimte.
De machine is dus feitelijk een tandemmachine, waarbij beide cilinders in een samengevat zijn en elk voor zich stoom ontvangt.
De stoomtoevoer ligt bij de cilinderdeksels terwijl de afvoer van de ene cilinderzijde ook die van de andere zijde is.
In het midden van de cilinder bevindt zich dus steeds afgewerkte stoom, terwijl aan beide einden een hoge temperatuur heerst, zonder dat dit van onvoordelige invloed op de cilinder zelf is, daar de materiaalspanning bij de optredende temperaturen niet van belang zijn.
Daar de uitlaatopeningen voor de afgewerkte stoom in de cilinder zelf en niet, zo als bij wisselstroommachines, in een bijzonder ruimte zijn aangebracht, kan de uitlaatdoorsnede ongeveer 3 maal zo groot worden als bij wisselstroom.
Dit is een groot voordeel bij machines met condensatie daar men, wanneer de afgewerkte stoomleiding wijd genoeg is en de condensor zich direct aan de machine bevind, achter de zuiger een bijna even hoog luchtledig kan krijgen als in de condensor zelf, wat bij de andere machines zeer moeilijk is, daar de stoom, tengevolge van de kleine uitlaatopeningen, niet zo snel ontwijken kan.
De gelijkstroom stoommachine deelt dit voordeel met de stoomturbine.
Er werden ook machines ontwikkeld die bestonden uit meer cilinders, maar dan met verschillende cilinders, zo werd voor de hogen druk gedeelten een wisselstroomcilinder, en voor de lagendruk een gelijkstroom toegepast. (heel zeldzaam met twee gelijkstroomcilinders)

Stoommachines  gemaal Appeltern

Aantal
2 identieke machines ( op de tekening een daarvan)
Fabrikaat Gebr. Stork & Co.
Bouwjaar 1918
Type Een cilinder gelijkstroom stoommachine (Stumpf) met druksmering en schommelnokken
Typeaanduiding SSK 5½ a
Vermogen 340 ipk
Toerental 200 omw/min
Cilinderboring 450 mm
Zuigerslag 550 mm
Gewicht vliegwiel 3.500 kg
Condensor Injectiecondensor met natte luchtpomp

Pompen
Fabrikaat
Gebr. Stork & Co.
Bouwjaar
1917
Type
Centrifugaalpomp met horizontale as
Capaciteit
220 m3/min bij 200 omw/min en 4 meter opvoerhoogte

Doorsnede tekening ongeveer zoals de gelijkstroom machine hiervoor.
de kleppen worden geregeld door een kleplichter, een plaatje naar onder is zo klep van dichtbij te zien.

R is een rollertje, N de nok waar het rollertje tegenaan drukt en zo de klep licht.

De gunstige voorwaarden, die de gelijkstroommachine voor de werking van de stoom biedt, gaan, zoals de afbeelding hier boven te zien is, samen met een uiterst eenvoudige constructieve bouw.

De cilinder is aan een krachtig gebouwd frame bevestigd.

De toevoer stoomverdeling wordt door een excentriek op de hoofdas geregeld, waarvan de excentriciteit door een as regulateur versteld kan worden.

Door een juk met hefbomen wordt de beweging van het excentriek overgebracht op de doorlopende stang, die de beide inlaatkleppen na elkaar beweegt.

Aan deze horizontale stang zijn hefbomen aangebracht, die bij de heen en weergaande beweging van deze stang tegen met de klepstangen verbonden rollen drukken en zo doende de kleppen lichten.

De plaat hier naast zie men een klep, deze wordt gelicht op eenvoudige wijze, lees het stukje daarnaast.

Ander type stoomverdeling door middel van kleppen bij gelijkstroom machines zijn die van Sulzer, Konig, Lents, Proell, Collmann, Jaffa, en niet te vergeten de Meier Matttern oliedruk klepbeweging.

meer over kleppen

Door speciale constructie van Gebr. Stork & Co. zijn deze machines geschikt voor smering onder druk. Hierbij gaan hoge omwentelingssnelheden gepaard met grote bedrijfszekerheid en gering olieverbruik. Ook in de afgebeelde machine heeft een gesloten frame en smering onder druk.
De firma bouwt de gelijkstroommachines in alle grootten als cilindermachines van 20 tot 1800 PK, boven dit vermogen als tweelingmachines.
Zij kunnen zoowel voor werking met als zonder condensatie ingericht worden, waarbij in het eerste geval zoowel oppervlak als injectiecondensatie kan worden toegepast

De gelijkstroommachine heeft een langen zuiger (lengte= ongeveer 0,90 x zuigerslag), welke de uitlaatopeningen bedekt houdt tot de laatste 10 of 12 % van de slag na; al de tijd welken de zuiger gebruikt om dit gedeelte van zijn slag heen en terug af te leggen.

 zie fig.1 heeft de A.S. gelegenheid om te ontwijken, echter niet langer, daar de zuiger de openingen weer afsluit.
De korte afvoer is voldoende om druk van de A.S. te laten dalen tot nagenoeg die van de condensor, te eerder, omdat bij deze machines geen begincondensatie optreedt en er dus bij de afvoer geen water is te verdampen.

De afvoer (a) gedurende de terugslag duurt bij de gewone cilindermachine ongeveer 85 a 90% van de zuigerslag, zie fig.2 maar bij de gelijkstroommachines 10 a 12%.

Bij beide volgt hierop de compressie (c) dat wil zeggen de A.S. nog in de cilinder, wordt door de teruggaande zuiger samen geperst.

De tegendruk zal dan stijgen, laten we even aannemen volgens de wet van Boyle, zodat de druk zoveel maal groter wordt als het volumen kleiner.

De tegendruk zal bij de gelijkstroommachine aanzienlijk stijgen, daar de compressie zo groot is.

Laat deze 90% van de zuigerslag zijn en de schadelijke ruimte 3%.

Het compressie meervoud = compressie + schadelijke ruimte

Schadelijke ruimte
Is dan = 90 + 3 = 31
                   3
De einddruk van de compressie zou dus 31-veelvoud zijn van de tegendruk.

Als deze 0,2 Kg. ABS. is, zou de einddruk = 31 x 0,2 = 6,2 Kg. Zijn.

De stoom wordt door de compressie echter sterk verhit, wat door de cilinderwanden niet belet wordt, daar zij, evenals de turbinekasten, een naar het begin toenemende hogere temperatuur hebben.

De stoomdruk stijgt dus veel sneller dan volgens de wet van Boyle en zou aan het einde van de compressie waarschijnlijk 19,3 Kg. ABS. zijn, wat te hoog is.

Bij 0,1 Kg. ABS. tegendruk wordt de einddruk van de compressie slechts 9,75 Kg. ABS, wat voldoende de belangrijkheid van een hoog luchtledig aantoont.

Bij locomotieven ontwijkt de a.s. door de aanjager (blaastoestel onder de schoorsteen) in de dampkring, zodat de tegendruk hier ongeveer 1,1 Kg. ABS. is en de einddruk van de compressie zo oplopen tot ruim 90 Kg. Wat zondermeer begrepen zal worden als onuitvoerbaar.

De tegendruk zou dus lager moeten worden, wat niet kan, omdat locomotieven geen condensor kunnen hebben wegens gebrek aan koelwater, zodat hier slechts overblijft de schadelijke ruimte groot te maken, namelijk ongeveer 15%.

Bij de gelijkstroommachine mag men dus aannemen, dat de schadelijke ruimte bij het begin van de slag gevuld is met stoom van gelijke spanning als die van de ketelstoom, maar dan met hogere temperatuur.

hierdoor ontstaat het voordeel, dat 1e. de wanden van de cilinder, zuiger en stoompoorten niet afkoelend kunnen werken op de instromende stoom, zodat deze temperatuur en volumen behoudt; 2e. voor de vulling niet meer stoom nodig is dan de toelaatruimte na aftrek van de schadelijke ruimte bevatten kan.
Het verlies is dus bij gelijkstroommachines zeer gering.
Bij de stoomuitlaat organen moet men er op letten dat er voldoende doortochten is en geringe weerstand.
Terwijl ook de vooruitlaat in verband met het aantal omwentelingen goed gekozen moet worden om geen onnodige drukverhoging te doen ontstaan.
Belangrijk is hierbij ook de compressie; deze kan echter door de keuze van de voorloophoek van het excentriek gewoonlijk op bevredigende wijze bepaald worden.
Dit wordt echter anders, zodra, men de stoomuitlaat gaat verleggen van het cilindereinde naar het midden, zoals dat bij de gelijkstroommachine het geval is.
Zoals men weet, moet dan de zuiger als afsluitorgaan dienst doen en onverbiddelijk krijgt men een korte uitlaattijd en een zware compressie.
Werkt het werktuig met een hoog luchtledig, dan loopt de compressie nog niet tot de inlaat stoomdruk op; wordt echter het luchtledig slechter, dan zou deze compressiedruk te hoog kunnen oplopen en daarom moet men zulke werktuigen aan de cilindereinden voorzien van veiligheidskleppen, om het hieraan verbonden gevaar tegen te gaan.
Deze hoge compressie bij werken zonder of met een klein luchtledig is bepaald een groot bezwaar bij de gelijkstroommachine, iets wat vooral zwaar weegt bij een landinstallatie, waarbij men BV. In de wintermaanden de afgewerkte stoom in de lokaalverwarmingen gebruiken wil, maar in de zomer met condensatie wenst te werken.
In zo geval moet men het werktuig dan voorzien van organen, om bij het werken met tegendruk de uitlaattijd te verlengen, welke organen dan met de hand versteld moeten kunnen worden, zodra men op condensatie overgaat.
Men kan dit doen, door in de zuiger hulp uitlaatorganen te plaatsen.
Deze uitlaatklep is gesloten bij werking met condensatie. Moet met tegendruk gewerkt worden, dan wordt de uitlaatklep ingesteld en deze laat de stoom uit, ook nadat de zuiger de uitlaatpoorten heeft afgesloten.
Hierdoor wordt de compressieperiode verkleind.
Ook kan men het werktuig voorzien van zogenaamde compressieruimten, dat wil zegen doelmatig in het deksel onder te brengen ruimten van 14 tot 15% van het cilindervolume, welke door de zogenaamde, compressieklep bij geschakeld kunnen worden en waarvoor de schadelijke ruimte zodanig wordt vergroot, dat de druk niet te sterk oploopt.
Bij de Meier Mattern stoommotor van Werkspoor was het ook mogelijk om een extra uitlaat klep te laten monteren die een te hoog oplopende kompressie moet voorkomen.
Deze decompressie kleppen kwamen ook voor bij de skinner (Skinner Engine Company) gelijkstroommachine, deze klep werd door een nokkenas gelicht.

ook bij de Louis Smulders & Co (Jaffa) zijn meerdere machines enkelwerkend uitgevoerd, zie de plaat hier onder, een daar van.

deze plaat groot

Deze enkelwerkende gelijkstroom stoommachine is gekoppeld met een pomp.

Een twee cilinder dubbel werkende gelijkstroom stoommachine

deze plaat groot

Een vier cilinder enkelwerkende gelijkstroom scheepsmachine.

deze plaat groot

In de Locomotiefbouw was Rusland het eerste land, dat de gelijkstroom toepaste en wel op de spoorlijn Moskou-Kasan bij een 4/4 gekoppelde goederentrein locomotief.

Later nadat deze locomotief in Rusland goede resultaten getoond had, begon ook de Stettiner Maschinenbau A.G Vulkan in Stettin met de bouw van gelijkstroom-machines.

hiernaast een foto daarvan. 

Deze locomotief. bezit ook een gelijkstroom machine