modellen

Over de aandrijving van de modellen van de Newcomen- en Wattmachines
Dr Ir Jan A Verbruggen januari 1993

Inleiding

Het museum heeft drie modellen van enkelwerkende niet-roterende stoompompmachines, ca. 1965 gemaakt door de leerlingenwerkplaats van de Rotterdamse Droogdok Maatschappij ‘naar gegevens van John Farey’, d.w.z. gebaseerd op diens standaardwerk ‘Treatise on the Steam Engine’ [1827]. Alle drie modellen zijn gemaakt om met stoom te kunnen werken, en ze hebben dat ook wel gedaan.

• Een Newcomen-machine met houten balans en kwadrant-rechtgeleiding uit 1772. In Farey staat op blz. 134…155 een beschrijving, geïllustreerd met platen II, III en IV, die kennelijk als voorbeeld voor dit model heeft gediend. Het origineel was een mijnpomp-werktuig dat de ca. 100 m diepe kolenmijn Long Benton bij Newcastle drooghield. Twee in serie geplaatste zuigpompen voerden het water elk 30 m op, de tweede naar de op 40 m diepte gelegen afvoergang. Dat pompgedeelte is in het model (overmatig) vereenvoudigd tot één zuigpompje zonder voetklep. De rest lijkt tamelijk nauwkeurig overeen te komen met de platen II en III.
• Een Watt-machine met houten balans en kwadrant-rechtgeleiding uit 1788. Farey beschrijft het voorbeeld op blz. 353…383, met plaat X. De balans van het model wijkt af van Farey, en is afgeleid van die van de Mijdrechtse machine uit 1792.
• Een Watt-machine met ijzeren balans en lemniscaat-rechtgeleiding uit 1804. Deze wijkt alleen op details af van de vorige, zoals ook Farey op blz. 715…723 (met platen XXIII en XXIV) schrijft. Een bordje op het model verwijst naar de machine voor de Krimpenerwaard. Daar was inderdaad in  1804 een Watt-machine met ijzeren balans neergezet, en daaraan is de extra hefboom voor de warmwaterpomp in het model ontleend (blijkens een illustratie in Huet’s ‘Stoombemaling van Polders en Boezems’ [1885].

Stoom-bedrijf van zulke modellen is nogal kritisch en, meer nog dan bij een machine op ware grootte, afhankelijk van voortdurend kundig toezicht.
Belangrijke problemen zijn stabiel bedrijf van een lagedruk-modelketel, en het luchtvrij houden van de cilinder. Alle drie modellen vertonen aanpassingen (ketelconstructie, peilglazen, kleppen e.d.) om aan de problemen tegemoet te komen.
Voor regelmatige demonstratie aan het museumpubliek blijft stoom-bedrijf echter ongeschikt. Daarom is besloten tot een elektrische aandrijving, zódanig uit te voeren dat stoom-bedrijf mogelijk blijft.

Bewegingspatroon ‘echte’ machines

Dit is voor alle drie machines in beginsel gelijk; het wordt beschreven voor de Newcomen-machine, op basis van de uitvoerige uitleg van Farey.

• In ruststand staat de stoomzuiger boven, door overwicht aan de pompzijde; via het ‘Potter-koord’ (een koord/ketting aan de klossenstang) is de pal van de injectiehefboom gelicht, en de injectiekraan staat dus open. De toevoer van injectiewater is echter nog afgesloten door een leren flap op de afvoer van de hoog geplaatste waterbak (die flap ontbreekt in het model).
• Om te starten wordt de stoomklep met de hand geopend en de cilinder opgewarmd en luchtvrij gemaakt. Het is zover, als de ‘snuifklep’ – een naar buiten openende terugslagklep aan de cilinder – krachtig stoom afblaast. Dan wordt de stoomklep gesloten en de waterbak-afvoer geopend. De stoom condenseert, en het vacuüm trekt de zuiger krachtig (eenparig versneld) omlaag.
• Even voor het eind van de slag wordt de injectie gesloten en de stoomklep geopend, dit stopt de zuiger. De toegevoegde stoom is vrijwel atmosferisch en wordt ten dele verbruikt voor opwarmen; de beweegkracht komt van het overwicht aan de pompzijde. Dit is niet veel méér dan nodig is voor het overwinnen van de wrijving en de stromingsweerstand, dus de beweging is rustig en vrijwel eenparig. De benodigde startversnelling wordt geleverd door het terugstromende water, zolang de voetklep van de pomp nog niet is gesloten. Lucht wordt uitgedreven via de snuifklep, water via de uitlaatklep.
• In de bovenste stand sluit een klos de stoomklep, en het Potter-koord licht de pal van de injectiekraan, waardoor de cyclus zich herhaalt.
• Stoppen gebeurt simpelweg door de afvoer van de waterbak te sluiten; zodra het water in de valpijp op is, blijft de machine in de ruststand staan.
• Over het tuimel-katarakt (dat ook op de illustratie staat) zegt Farey aanvankelijk niets. Pas verderop (blz. 188) noemt hij het als middel om een pauze tussen stoom- en vacuümslag te maken en aldus het slagental te regelen. Het licht de injectie-pal via een tweede koord, en werkt alléén als het Potter-koord wordt losgenomen.
• De cilinder is aan de bovenkant open. De zuigerdichting is gevlochten hennepkoorden in een pakkingkamer, aangedrukt door het gewicht van gietijzeren segmenten, en tegen uitdrogen beschermd door een laag water op de zuiger van ‘enkele inches’, gehandhaafd door een toevoerpijpje met kraan vanaf de waterbak (ontbreekt in het model). Via een overlooprand wordt een teveel afgevoerd.

Farey zegt niet veel over het slagental van deze Newcomen-machine, en nog minder over de snelheidsverhouding tussen stoomslag en vacuümslag. In meer algemene zin noemt hij 12 à 15 slagen/minuut, en snelheden van ca. 1 m/s (vermoedelijk gemiddeld over de hele vacuümslag van ruim 2 m).
Filmopnamen uit ca. 1950 van de uit ca. 1790 daterende Newcomen-pompmachine van de kolenmijn Elsecar bij Sheffield tonen een machine die 8 à 10 slagen per minuut maakt, met een stoomslag die ca. 4 maal zo lang duurt als de vacuümslag. Er is geen katarakt, dus zijn er geen pauzes. Het is natuurlijk onzeker of dit de oorspronkelijke werkcyclus weerspiegelt. Opnamen van het Leawood kanaal-gemaal bij Cromford, een Watt-machine, tonen een verhouding 1:2.

Een groot deel van de kracht tijdens de vacuümslag is nodig voor het tillen van water en overwicht, slechts 15 à 20 % (van wat meestal zo’n 70 % vacuüm is) is beschikbaar voor versnelling, d.w.z. ca. 0,1 à 0,15 bar (maal het zuigeroppervlak). De afremkracht aan het eind van de vacuümslag is veel groter: watergewicht plus overwicht plus stoomdruk, samen ca. 1,7 bar, dus meer dan tien maal de versnellingskracht.

De werking van de Watt-machine verschilt van de Newcomen-machine alleen in zóverre, dat het condenseren gebeurt in een aparte condensor, en dat de cilindertop dicht is en gevuld met (vrijwel atmosferische) stoom. De uitvoering en de bediening van de kleppen is volledig anders. Beide Watt-machines zijn zonder katarakt uitgevoerd. Dat maakt voor het bewegingspatroon allemaal weinig uit.

Bewegingspatroon modellen

Het model mag langzamer bewegen dan de ‘werkelijkheid’, een factor 2 à 3 is aanvaardbaar; gekozen is voor een motor-reductor met 5,4 omw/min (KMF type TE430-5,4). Het bewegingspatroon is goed te realiseren met een hefboom, aangedreven via een kurveschijf. Zonder pauzes, en met slagverhouding 1:3 (0,25 omwentelingen voor de vacuümslag en 0,75 omwentelingen voor de stoomslag).
In beginsel zou het voor het Newcomen-model mogelijk zijn om katarakt-besturing te realiseren door het inlassen van een stop, die beëindigd wordt door het katarakt. Het eenvoudiger pauzeloze bedrijf is echter evenzeer ‘natuurlijk’ voor zo’n machine, en daarvoor is dan ook gekozen.

Op basis van het voorgaande zijn de bewegingsverschillen afgeleid, resulterend in een grafiek van het bewegingspatroon (zie dossier).
Op basis daarvan zijn uitdrukkingen afgeleid voor de vorm van de kurveschijf, en voor rolkracht en asmoment. De twee laatstgenoemde berusten op schattingen van de onbalanskracht en van de bewegende massa, en zijn dus niet nauwkeuriger dan die schattingen.
Dit is vervolgens uitgewerkt in een computerprogramma, resulterend in rapporten voor de drie modellen, met o.a. tekeningen van de kurveschijven (zie dossier). Hierbij is op te merken, dat een fout in de veronderstellingen voor de hefbomen heeft geresulteerd in een slaglengte die ca. 10 % kleiner is dan voorgenomen; dit is zo gelaten omdat het bewegingspatroon goed blijft, en afwijkende slaglengten niet ongewoon waren.