besturing

Inleiding

De Cruquius machine heeft een bijzonder en ingenieus kleppen-besturingssysteem, het kloswerk. Ergens eind 2003 werden we als webmasters benaderd met de vraag of we iemand wisten die de werking van dit kloswerk zou kunnen uitleggen. Natuurlijk wisten we direct wie we daarvoor moesten benaderen. Jan Verbruggen was een van weinige personen die de werking door en door kende. Jan wilde het natuurlijk best proberen, maar, zei hij, ‘Die uitleg is een hele opgave – ik probeerde het wel eens, staande bij de machine, met echt bewegen van de hefbomen, en dan nog zijn het meestal de doorzetters onder de techneuten die dat tot het eind volhouden’.
Niet een gemakkelijk onderwerp dus. Maar het is interessant om te zien hoe men er indertijd in geslaagd is de bediening van de grote en zware kleppen van de Cruquius te ‘automatiseren’. Op deze pagina vertellen we u over de ontwikkeling van dat kleppen-besturingssysteem. De onderstaande beschrijving zal voornamelijk uit tekst bestaan, gebaseerd op aantekeningen van Jan Verbruggen. Voor een grafische weergave van het complexe stelsel van stangen en hendels, en de werking van het kloswerk, kunt u naar onze speciale kloswerk uitleg pagina aan de hand van verschillende 3-D animaties gaan.

Drie kleppen

Het moet indertijd een hele opgave en uitdaging zijn geweest voor de ingenieurs om voor het bedienen van de kleppen van pompmachines, volgens Newcomen, Watt en de ontwerpers uit Cornwall, een besturingssysteem te ontwikkelen. De Cornwall-machine, dus ook de Cruquius, toont het hoogtepunt van die ontwikkeling. De besturing is zo ingewikkeld omdat de machine geen draaiende onderdelen heeft, en dus niet bestuurd kan worden met behulp van betrekkelijk eenvoudige mechanismen als nokkenas of excentriek. De kleppen moeten op het juiste moment openen en sluiten, daarvoor is nauwkeurige timing vereist. In de Cruquius machine is dit hele proces ‘geautomatiseerd’. De machinist moet voortdurend opletten, maar hij komt alleen in actie als handmatig ingrijpen noodzakelijk is, en om de machine op te starten.
Om te beginnen kunt u voor een kort overzicht van de plaats en functie van de kleppen naar de animatie op de demo pagina gaan, voor een uitvoeriger beschrijving kunt u de stoomcyclus pagina bezoeken.

Er zijn drie kleppen te bedienen, 1. de stoomklep of inlaatklep, 2. de evenwichtsklep en 3. de uitlaatklep. Hierboven in de tekening weergegeven. Aan het begin van een slag zijn de zuigers in hun laagste stand en in rust, alle kleppen zijn dicht, en in de condensor en onder de ringzuiger heerst vacuüm. Eerst wordt de uitlaatklep geopend, waardoor de afgewerkte stoom van de vorige slag wordt uitgelaten naar de condensor, waar zij gecondenseerd wordt door injectie van water, zodat het vacuüm gehandhaafd wordt. Door openen van de stoomklep wordt vervolgens verse stoom toegelaten onder de middenzuiger. Verse stoom en vacuüm samen bewegen de middenzuiger met de eraan gekoppelde ringzuiger omhoog, de pompzuigers zakken naar beneden. Ergens halverwege omhoog sluit de stoomklep, de verse stoom zet nu verder uit (expansie). Aan het eind van de slag sluit ook de uitlaatklep. De machine komt tot stilstand in de bovenste stand. Nu opent een klep in een omloopleiding tussen de ruimten boven en onder de zuiger, de evenwichtsklep, want door die te openen wordt de stoomdruk boven en onder de middenzuiger gelijk, de zuiger is dus in evenwicht. Vandaar de naam van de klep. Zuigers en kruishoofd (dat hier tevens het gewicht is) dalen door de zwaartekracht, geholpen door het drukverschil over de ring- of LD-zuiger. De stoom zet verder uit. De pompzuigers voeren water op. Aan het eind van de pompslag sluit de evenwichtsklep en de machine komt tot stilstand in de startpositie. Een nieuwe cyclus kan beginnen.

Ontwikkeling kleppenbesturing

De drie kleppen van de Cruquius machine zijn dubbelzittingkleppen, dat wil zeggen dat ze twee klepzittingen hebben. De kleppen worden bediend via stangen, hefbomen en een gewicht. Dat gewicht trekt de klep open, dus zijn er nog mechanismen om deze te sluiten of gesloten te houden. Van elke klep loopt een trekstang via een haakse overbrenging naar een as met een hefboom en handgreep. Zo hebben we dus drie assen, de stoomas, de evenwichtsas en de uitlaatas, die op een centraal punt, de machinistenplaats, boven elkaar in lagers aan een frame zitten. En elke as met een overeenkomstig genoemde handgreep. Met die handgreep kan de klep gesloten worden, maar met wat we totnutoe hebben, gaat hij door het gewicht meteen weer open als je hem loslaat. Om dat te voorkomen, zit op de as een palwiel met één pal en aan het frame zit een palhefboom met handgreep. Voor een demonstratie van de werking van de klep kun je naar de speciale dubbelzittingklep pagina gaan.
Wat gebeurt, als alle drie kleppen open staan? Dan kan de verse stoom rechtstreeks naar de condensor stromen. Dat moet uiteraard worden voorkomen, meestal door te zorgen dat uitlaat- en evenwichtsklep niet tegelijk open kunnen. Om dat te bereiken, worden op de uitlaatas en de evenwichtsas kwart wielen of ‘kwadranten’ gemonteerd. Als de evenwichtsklep open is, is het kwadrant daarvan gedraaid, zodat het in de weg zit van het uitlaatkwadrant – en omgekeerd.

Aan het begin van de cyclus moet zowel de inlaatklep als de uitlaatklep openen. Welke van de twee het eerst opengaat is in wezen van minder belang, maar de machine werkt het beste als de inlaatklep pas na de uitlaatklep opengaat. Op vele (maar niet alle) machines is daarvoor dan ook een of ander mechanisme gemonteerd waardoor de stoomklep geblokkeerd wordt zolang de uitlaatklep nog niet open is. Nu hebben we een kloswerk waarmee een machinist de kleppen met de hand opent en sluit.
Om de werking volautomatisch te maken, hebben we twee verdere toevoegingen nodig: een sluitmechanisme en voorzieningen voor timing. Aan de balans hangt, al of niet via een hefboom, een stang (of, zoals by de Cruquius, een dubbele stang), de ‘klossenstang’, die dus gelijk met de zuiger op en neer beweegt. Aan die stang zitten uitsteeksels, ‘klossen’ of ‘schenen’, die de hefbomen op de assen kunnen bewegen zodat de bijbehorende kleppen sluiten. Dat is ‘halve’ automatisering: de machinist hoeft nu alleen nog maar de kleppen te openen door de palhefbomen op de juiste momenten te lichten. Op deze wijze start hij de machine gewoonlijk op. Als het condensor-vacuum eenmaal is opgebouwd en de machine soepel loopt, kan ook het resterende werk van de timing van de kleppenbeweging de machinist uit handen worden genomen, en wel op diverse manieren:
(a). Laat de pallen op de uitlaat- en evenwichts-assen achterwege. Aan het einde van de stoomslag, als de uitlaatklep gesloten is, wordt via de kwadranten de evenwichtsklep meteen vrijgegeven, en die opent dus. Aan het eind van de pompslag gebeurt het omgekeerde: de sluitende evenwichtsklep geeft de uitlaatklep vrij. Als die bijna open is, bedient hij een stangetje dat de palhefboom van de stoomklep licht. Resultaat: de machine loopt zonder pause achter elkaar door op maximumsnelheid, bepaald door de stoomtoevoer. Dit is het systeem in de machines in Crofton, Engeland.
(b). Laat alleen de pal op de evenwichts-as achterwege. Verschil met vorige oplossing: aan het eind van de pompslag houden de uitlaat- en inlaat-palhefboom hun kleppen dicht, en de volgende slag begint niet, de machine stopt. Voor het starten van de volgende cyclus gebeurt dat lichten van die twee hefbomen nu door een apart mechanisme: het ‘katarakt’ (heeft niks met oogziekte te maken, historisch wel met een klein watervalletje, maar dat laat ik nu maar even in ‘t midden). Zo waren en zijn de meeste Cornwall-machines ingericht. Als je geïnteresseerd bent in de werking van de katarakten dan kun je naar de speciale katarakt pagina gaan.
(c). Op enkele Cornwall-machines (o.a. Cruquius) wilde men ook tussen stoom- en pompslag een regelbare pauze. Dat kan makkelijk: breng de pal op de evenwichts-as weer aan en bedien die met een tweede katarakt. Bij Cruquius is die pauze nodig om de enorme pompkleppen tijd te geven om dicht te vallen.