De gelijkstroommachine
Werking
Een stoommachine is een warmtemachine oftewel een werktuig dat in staat is warmte om te zetten in mechanische arbeid. De stoom die aan de machine wordt toegevoerd heeft een bepaalde druk. Deze druk wordt verkregen door het verhitten van water in de stoomketel. Door de druk wordt de zuiger in de cilinder van de stoommachine voortgedreven, waarbij een deel van de warmte wordt verbruikt.
Onze stoommachine is een zogenaamde "gelijkstroom"-stoommachine. Dit "gelijkstroom" heeft niet te maken met electriciteit, maar geeft aan dat de stoom in slechts een richting door de machine loopt, van inlaatpoort naar uitlaatpoort. Dit in tegenstelling tot de stoommachines van vorige generaties waarbij de inlaat en uitlaat via dezelfde poort verlopen. Daardoor gaat de stoom in deze machines heen en weer.
Kenmerken
Het karakteristieke kenmerk van deze stoommachine is de regeling van de stoomuitlaat door de zuiger, die als uitlaatschuif werkt. Om de zuiger de uitlaat te laten regelen moet deze zeer lang zijn, ongeveer 0,9 van de zuigerslag. De stoom wordt via het cilinderdeksel en de inlaatkleppen beurtelings aan elke kant van de cilinder toegelaten, waarbij het cilinderdeksel verwarmd wordt. Even voor het einde van de slag worden de uitlaatpoorten in het midden van de cilinder door de zuiger vrijgegeven en verlaat de afgewerkte stoom de cilinder. De stoom stroomt dus steeds in dezelfde richting door de cilinder, namelijk van de uiteinden naar het midden. Vandaar de naam gelijkstroom-stoommachine. Warmtetechnisch is dit een groot voordeel. In tegenstelling tot de wisselstroom-stoommachine, waar de stoom door dezelfde poort in- en uitstroomt, vindt bij de gelijkstroomstoommachine geen omkering van de stromingsrichting van de stoom plaats en dus ook geen sterke afkoeling ter plaatse van de inlaatpoorten. De verse stoom, die via de inlaatklep de cilinder binnenstroomt, zal bij een gelijkstroommachine minder afkoelen en condenseren. Het gevolg hiervan is dat het stoomverbruik afneemt en de machine veel zuiniger wordt. De grote doorlaat van de uitlaatpoorten zorgt ervoor dat de uitstromende stoom nagenoeg geen weerstand ondervindt waardoor een gelijkmatig temperatuurverloop ontstaat van het warme instroomeinde naar het koude uitlaatmidden. Het ontbreken van uitlaatkleppen en met het plaatsen van de inlaatkleppen in de cilinderdeksels wordt de schadelijke ruimte zeer klein, namelijk 3,8% van de cilinderinhoud. De kleine schadelijke ruimte veroorzaakt een hoge compressie. De met de hoge compressie verbonden oververhitting ondersteunt de dekselverwarming en vermindert het condensatieverlies aan de stoominlaat.
Voordelen van de gelijkstroomstoommachine zijn:
- Eenvoudige bouw,
- Lage fabricagekosten,
- Geringe plaatsruimte,
- Hoog rendement
Nadelen gelijkstroomstoommachine:
- Grote afmetingen en gewichten van zuiger, cilinder, zuigerstang en drijfstang,
- Hoog vacuüm noodzakelijk.
Een halve omwenteling
 |
De voorste inlaatklep is geopend en de achterste gesloten. De uitlaatpoorten zijn geopend waardoor de ruimte links van de zuiger met de condensor verbonden is. Rechts van de zuiger vindt toevoer plaats en links afvoer.
Door het drukverschil rechts en links van de zuiger zal deze naar links bewegen. |
 |
De voorste inlaatklep is nog steeds geopend en de achterste gesloten.
De zuiger heeft de uitlaatpoorten gesloten waardoor links van de zuiger compressie plaats vindt. Als de zuiger ongeveer 10 % van zijn slag heeft afgelegd zijn de uitlaatpoorten juist gesloten en begint links van de zuiger de compressie. |
 |
Beide inlaatkleppen zijn gesloten.
De zuiger staat op het punt de uitlaatpoorten te openen. Dit is het begin van de vooruitlaat. Links van de zuiger vindt nog steeds compressie plaats. Vlak voordat de zuiger het dode punt bereikt vindt de voorinlaat plaats. |
 |
De achterste inlaatklep is geopend en de voorste gesloten.
De uitlaatpoorten zijn geopend waardoor de ruimte rechts van de zuiger in verbinding staat met de condensor. Links van de zuiger vindt toevoer plaats en rechts afvoer. Door het drukverschil links en rechts van de zuiger zal deze zich naar rechts bewegen. |
Compressie
Tijdens de compressie wordt de nog in de cilinder aanwezige stoom, waar- van de druk bij het begin van de compressie gelijk is aan de condensordruk, door de zuiger samengeperst. Omdat de zuiger in de cilinder een heen- en weergaande beweging maakt moet zijn bewegingsrichting worden omgekeerd elke keer als hij in het dode punt is aangekomen. In het dode punt staat de zuiger even stil. Om het omkeren van de bewegingsrichting soepel en zonder stoten te laten verlopen moet de zuiger worden afgeremd. Dit afremmen gebeurt tijdens de compressie. Door het samenpersen van de stoom ontstaat als het ware een verend stoomkussen waarop de zuiger wordt afgeremd.
Voorinlaat
De drijfkracht, dit is de kracht die de zuiger voortdrijft moet bij het begin van de inlaatslag zo groot mogelijk zijn. Het is dus noodzakelijk dat de zuiger de inlaatslag begint onder volle stoomdruk. Opent de inlaatklep op het moment dat de zuiger in het dode punt staat dan zal de stoom niet snel genoeg toestromen waardoor de volle druk op de zuiger niet wordt bereikt. Daarom moet de inlaatklep bij het begin van de slag reeds een weinig geopend zijn zodat de stoomtoevoer begint voordat de zuiger in het dode punt is aangekomen. Omdat de stoomtoevoer begint voordat de zuiger in het dode punt is aangekomen noemen we dit de voorinlaat. Tijdens de voorinlaat wordt de schadelijke ruimte gevuld met stoom en op volle druk gebracht. De voorinlaat is niet groot omdat de schadelijke ruimte klein is en er dus weinig stoom nodig is om de ruimte te vullen. Daarbij is de zuigersnelheid aan het einde van de slag klein waardoor er relatief veel tijd beschikbaar is.
Vulling
De stoom wordt slechts over een gedeelte van de inlaatslag in de cilinder toegelaten. Hiermee bereikt men dat de toegelaten stoom kan expanderen, waarmee een groter gedeelte van het arbeidsvermogen dat in de stoom aanwezige is in arbeid wordt omgezet. Het gedeelte van de slag waarover inlaat plaatsvindt noemt men de vulling. De vulling is gedefinieerd als de weg die de zuiger aflegt vanaf het dode punt tot het moment waarop de desbetreffende inlaatklep sluit.
Expansie
Na de inlaat volgt de expansie (het uitzetten van de stoom). De inlaatklep is gesloten en de zuiger wordt voortgedreven door de stoom die nog in de cilinder aanwezig is. Tijdens de expansie neemt het volume van de stoom toe en daalt de druk. Dit komt doordat de ruimte achter de bewegende zuiger steeds groter wordt. Gedurende de expansie verricht de stoom nog arbeid. Deze arbeid wordt expansie-arbeid genoemd. Expansie-arbeid krijgen we zonder dat er extra stoom wordt toegelaten en is dus winst. Dit is de reden dat de meeste stoommachines met expansie werken.
Vooruitlaat
Als de zuiger circa 90% van zijn slag heeft afgelegd worden de uitlaatpoorten door de zuiger geopend. Omdat de uitlaat voor het einde van de slag begint noemt men dit de vooruitlaat. De vooruitlaat is ongeveer 10% van de zuigerslag. De vooruitlaat zorgt ervoor dat de stoomdruk aan het einde van de slag gedaald is tot de tegendruk. Bij stoommachines die met condensatie werken is de tegendruk lager dan de druk van de buitenlucht, de atmosferische druk. Deze lage tegendruk ontstaat door de werking van de condensor, waarop de uitlaatleiding is aangesloten. Door deze lage tegendruk ondervindt de zuiger minder weerstand bij de aanvang van zijn nieuwe slag.
De Stork machine
De Stumpf horizontale gelijkstroomstoommachine type SSK 5½a werkt met condensatie en verzadigde of oververhitte stoom. De type aanduiding SSK 5½a heeft de volgende betekenis:
- SSK staat voor Stork Stumpf Kleppen.
- Het getal 5½ wil zeggen dat de zuigerslag 550 mm is. Bij een zuigerslag van 550 mm hoort een cilinderdiameter van 400 mm.
- De zuigerslag is de weg die de zuiger in de cilinder aflegt.
- De letter “a” geeft aan dat de cilinderdiameter afwijkend is namelijk 450 mm.
De gelijkstroomstoommachine is uitgevonden door professor Stumpf. De eerste gelijkstroomstoommachines werden gebouwd in 1908.
Voor / Achter
De voorkant van de machine bevindt zich aan de vliegwielkant, de achterkant dus aan de andere kant, het einde van de machine.