Hieronder verstaat men een werktuig waarin arbeid verricht wordt door de spanning van dampen, waarin door warmte arbeidsvermogen opgehoopt is. Ofschoon men in het algemeen waterdamp gebruikt, heeft men ook werktuigen gebouwd waarin andere dampen, als b.v. van zwaveligzuur, arbeid verrichten.
Gewoonlijk beperkt men het begrip stoommachine tot die waarin de stoom werkt op een heen en weergaanden zuiger (fig. 1, blz. XVII). Voert men den stoom in eenen cylinder c waarin een zuiger z, dan verplaatst zich deze door de drukking. Aan het eind van den cylinder gekomen, wordt hij door stoom aan de andere zijde,, teruggedreven, terwijl de stoom aan de eerste zijde wordt afgevoerd. De heen en weergang van den zuiger wordt nu door den stang s medegedeeld aan den kruiskop k, welke in horizontale banen (geleidbanen) nauwkeurig wordt geleid. Door middel van den drijfstang of connector D en de kruk R. wordt de heen en weergaande in ronddraaiende beweging omgezet en overgebracht op de as A, waarop het vliegwiel V.
De as A rust in het z.g. hoofdkussenblok, dat met den cylinder verbonden is door het z.g. frame of bajonetbalk; d en d' zijn cylinderdeksels. In d' zit eene uitsparing voor de zuigermoer, aan d zit de pakkingbus P tot stoomdichte doorlating van den zuigerstang. De toe- en afvoer van den stoom geschiedt door de stoomverdeelingsorganen (zie later).
Werking van den stoom in den cylinder
De drukking op den zuiger is het verschil tusschen die van den werkenden stoom en den tegendruk van den afgewerkten stoom. De laatste bedraagt ruim 1 atmosfeer bij; z.g. hoogdrukmachines, die in de buitenlucht uitblazen, daarentegen 1/8 atmosfeer bij z.g. condensatiemachines, waarbij; de stoom in een gesloten vat (condensor) wordt afgevoerd en door koud water afgekoeld.
Men kan nu den stoom gedurende den geheelen gang van den zuiger doen instroomen (voldrukmachines), wat echter hoogst onvoordeelig is, of den stoom op esn gedeelte van den zuigergang afsluiten, na welk oogenblik hg werkt als een gespannen veer, die zich uitzet. .(Expansiemachines.) De spanning daalt dan volgens een bepaalde wet, naarmate het volume van den stoom toeneemt. (Wet van Boyle-Mariotte.) Denkt men zich den zuigergang, voorgesteld door AB (fig. 2), verdeeld in een willekeurig aantal b.v. vier gelijke deelen, in welke deelpunten verticale lijnen worden opgericht, en past men op een bepaalde schaal boven A b.v. zes atmosferen volledigen druk af, zoo geeft deze figuur het verloop van de spanning bij afsluiting van den stoom op >/4 van den zuigergang, dus in stand I. Bij II, III en B is de spanning resp. 1/2, V3 en V4 van óe beginspanning. Verbindt men de bovenste deelpunten van E tot U, zoo ontstaat de z.g. lijn van Boyle-Mariotte of expansielijn. Beredeneering leert dat het oppervlak van de schoenvormige figuur (diagram) A. 6. E. U.
B. A. den arbeid van den stoom voorstelt. In de werkelijkheid worden, door onvolkomenheid van de stoomverdeeling en de condensatie, van deze figuur stukken afgesneden, zoo b.v. de afronding bij het expansiepunt E, — bij U door de vervroegde uitlaat van den stoom, — tusschen de lijn AB en de lijn daarboven en tenslotte bij punt C, door de samendrukking (compressie) van het restant afgewerkten stoom bij teruggang van den zuiger, (welke samendrukking werkt als stootkussen bij de omkeering van beweging) en bij I door het iets vervroegd toelaten van den stoom vóór het begin van den nieuwen zuigerslag. De geteekende figuur geldt voor de linkerzijde van den zuiger. Die voor de rechterzijde is het spiegelbeeld van deze. De juiste ligging der punten E, U, C en I speelt in de goede werking eener stoommachine eene voorname rol.
In het behandelde voorbeeld spreekt men van viervoudige expansie. Bij de moderne meer samengestelde stoomwerktuigen gaat men tegenwoordig tot 18- a 20-voudige expansie, waarbij dan stoom van 12 atm. aanvangsdruk en hooger. Aangezien echter zulk eene sterke uitzetting samengaat met eene belangrijke temperatuurdaling, laat men de wisseling tusschen de uiterste temperatuurgrenzen niet plaats grijpen in een enkelen cylinder, waarvan groot stoomverlies tengevolge van afkoeling der cyiinderwanden het gevolg zou zijn, doch verdeelt de expansie over twee, drie en meer cylinders, (compound machines met dubbele-, triple-, quadruple expansie enz.) wier zuigers op meerdere krukken werken, daarbij zorg dragende, dat iedere zuiger evenveel arbeid verricht. Door de invoering van oververhitten stoom is men bij land- en fabrieksmachines van het bouwen van triplecompound machines teruggekomen, waar toch thans met dubbele compound machines dezelfde of nog hoogere economie wordt bereikt.
Stoomverdeeling
De in- en uitwendige organen aan eene stoommachine, welke zorgen voor de juiste inlaat en afvoer van den stoom in den cylinder, vormen tezamen het stoomverdeelingsmechanisme. Daartoe zitten aan de uiteinden van den cylinder kanalen, die afwisselend worden geopend en gesloten: le door eene heen- en weergaande schuif, 2e door draaiende kranen of ronde schuiven, 3e door op- en neergaande kleppen of 4e door op- en neergaande zuigerschuiven. De beweging dezer organen geschiedt door excentrieken, soms in verbinding met gespannen spiraalveeren en luchtzuigers (dashpots) of door nokken en onronde schijven.
Aan den cylinder C bevindt zich een z.g. schuifkast K, waarin de schuif S over een geschaafd vlak (spiegel) heen en weer beweegt. In dit vlak monden uit drie kanalen, (stoompoorten) waarvan de buitenste voeren naar de uiteinden van den cylinder, het middelste naar de buitenlucht of naar den condensor door de opening U. De stoom, bij I in de schuifkast komend, kan in de afbeelding aan de linkerzijde van den zuiger drukken, terwijl de afgewerkte stoom van den voorafgaanden zuigergang door het rechter kanaal door de holte H van de schuif door U kan ontwijken. De schuif wordt heen- en weer bewogen door een excentriek, hetwelk een bepaalden stand moet innemen ten opzichte van de kruk. Ook moet het bedrag, waarmede de schuif in den middelstand de stoompoorten overdekt (buitenlap en binnenlap) aan bepaalde voorwaarden voldoen.
Bij het grooter worden der stoomwerktuigen was het aanbrengen van groote, vlakke stoomschuiven zeer bezwaarlijk, wegens den enormen druk waarmede dit heen- en weergaande deel door den stoom op den spiegel wordt gedrukt, waarom men overgegaan is tot cylindrisch opgerolde schuiven (zuigerschuiven), die in cylindrische spiegels bewegen en geheel van stoomdruk ontlast zijn.
Met een enkele schuif kan men geene vroege afsnijding verkrijgen, zonder daarmede ook de compressie belangrijk te vergrooten. Om dit te ontgaan heeft men twee schuiven aangewend, de z.g. grondschuif, welke zorgt voor de uitlaat, en de expansieschuif, welke de inlaat beheerscht. Door Meyer is de laatste tevens zoo ingericht, dat, door versmallen en verbroeden van de schuif, de toelaat van stoom onder het loopen van de machine naar willekeur kan geregeld worden door den machinist om de machine meer of minder arbeid te doen verrichten. (Expansie schuifbeweging van Meyer). Ten einde deze regeling automatisch door den regulateur te doen geschieden, heeft Rider de expansieschuif gewijzigd in den vorm van een cylindrisch opgerolden gelijkbeenigen driehoek, glijdende op den cylindrisch uitgeholden rug van den grondschuif. Door eene draaibare koppeling aan den expansieschuifstang kan hieraan een hefboomstelsel worden aangebracht, dat door draaiing aan dezen stang de expansieschuif ten opzichte der stoompoorten doet versmallen of verbreeden. Deze expansieschuifinrichting van Rider komt aan kleinere fabrieksstoomwerktuigen algemeen voor.
Voor machines, welke in beide richtingen moeten draaien, als in stoombooten, bij walswerken, bij stoomlieren enz., heeft men voor iedere schuif twee excentrieken noodig, in verschillenden stand op de as bevestigd, één voor vooruit-, één voor achteruit draaien. Door een samengesteld stangenmechanisme (schaarbeweging) is het mogelijk de beide excentrieken snel met elkaar te verwisselen of door tusschenstanden van de schaarbeweging verschillende graden van expansie te bereiken. Bekende schaarbewegingen zijn die van Stephenson, Go och, Joy, Klug e. a. Bij stationnaire machines van eenige afmeting gebruikt men kranen en kleppen, die eene veel snellere afsluiting geven en waarbij eene absolute regeling van den arbeid mogelijk is door automatische verlegging van het expansiepunt E, fig. 2. De eersten stammen uit Amerika van den ingenieur Corliss. Gelijktijdig paste Sulzer in Europa kleppen toe.
De bewegingsmechanismen hiermede verbonden, zijn uiterst samengesteld en worden in tallooze wijzigingen door de machinefabrieken gemaakt. Bekende kraansystemen zijn die van ReynoldsCorliss, Ingliss & Spencer, Wheeloek, Frikart e. a. Klepsystemen van naam zijn die van Sulzer, Collmann, König, Lentz, Widnmann, Proell e. a., terwijl door van den Kerckhove eene bepaalde beweging wordt aangebracht voor vier afzonderlijke zuigerschuiven.
Fig. 4, 5 en 6 vertoonen een schema eener Corliss-stoomverdeeling met kranen. Aan den cylinder C (fig. 4) zit boven en onder een kast aangegoten, aan ieder uiteinde waarvan een kraan, I± en I2 voor de inlaat, en U2 voor de uitlaat. Deze kranen zitten met vlakke sponningen, op de inwendig plat afgewerkte kraanspillen, en worden door den stoom dus steeds goedsluitend aangedrukt, ook na eenige slijtage. De vier naar buiten uitstekende kraanspillen worden nu gedraaid door een schommelschijf S (fig. 5) draaiende om O, waarop twee pennen px en p2, die hunne schommelende beweging door stangen mededeelen aan de hefboomen op de kraanspillen, op de onderste spillen direct en onveranderlijk, op de bovenste spillen voor de inlaat op meer samengestelde wijze (fig. 6). De beweging van de schommelschijf S ontstaat door een excentriek E op de hoofdas, met stangen werkende op de pen p. De beweging van de inlaatkraan is in detail afgebeeld in fig. 6.
De van px uitgaande schommeling wordt aan den hefboom A medegedeeld, die met een stalen aanslagstuk grijpt onder een stalen haakstang H, aan het ondereind scharnierend verbonden met eenen zuiger Z van dubbele doorsnede, sluitend in een cylinder (dashpot). Deze zuiger is tevens door een kort koppelstangetje verbonden aan den hefboom van de kraanspil Sx. Bij het omhooggaan van den hefboomsarm Ax zal de haakstang worden opgetild en daarmede de zuiger Z, terwijl de kraan opent om stoom toe te laten. Tegelijk vormt zich onder het dunne gedeelte van den zuiger een luchtledig. Op een zeker oogenblik glipt echter de stalen haak H van den hefboom At af, gedwongen door het rolletje R, waardoor de kraan met een slag terugdraait. Deze slag wordt oogenblikkelijk na het afsluiten van den stoom gedempt door een ringvormig luchtkussen onder het dikke gedeelte van den zuiger.
Bij het dalen van A1 drukt een veer den haakstang weer over het aanslagstuk van Het rolletje R, kan door den regulateur naar links of rechts worden versteld, waardoor de haakstang vroeger of later van AL afglipt en daardoor de stoom vroeger of later wordt afgesloten. De inlaatbeweging voor kraan I2 vertoont natuurlijk het spiegelbeeld van fig. 6.
Dikwijls is de luchtcylinder horizontaal geplaatst, of onder den vloer van de machinekamer gebracht.
Een der eenvoudigste van de tallooze klepsystemen, dat van Widnmann, is afgebeeld in fig. 7 in dwarsdoorsnede van den cylinder. Aan ieder uiteinde daarvan zit bovenop een klep I voor de inlaat, onderaan een, II, voor de uitlaat Deze kleppen hebben dubbele zittingen, waardoor de doorstroomingsopening bij bepaalde lichthoogte verdubbeld, en de kracht noodig om de klep te openen, tegen den stoomdruk, zeer gering is. Hunne beweging gaat uit van eene as A, welke evenwijdig naast den cylinder loopt en hetzelfde aantal omwentelingen maakt als de vliegwielas, door middel van conische raderen. Het excentriek E beweegt nn de uitlaatklep U onveranderlijk door tuimeling van den gebroken hefboom H2 over het tafeltje T2. Deze uitlaatklep gaat naar boven open. Het openen en sluiten van I heeft plaats door de tuimeling van hefboom Hx over tafeltje T± door middel van de schommelende balans B en stang S. Het draaipunt O van B kan door hooger of lager gaan van den regulateurhuls naar links of rechts verplaatst worden, waardoor de stang S meer schuin of meer verticaal de schommeling op Hi overbrengt, zoodat de klep meer of minder hoog wordt opgetild.
Typen van stoommachines
Naar den stand van den cylinder onderscheidt men horizontale en verticale machines. Zelden ligt de cylinder hellend. (Raderbootmachine.) Zijn zuigerstang en drijfstang door eene schommelende balans verbonden, dan spreekt men van balansmachines, die echter zoo goed als verdwenen zijn. Bij eene machine kunnen meerdere cylinders voorhanden zijn, somtijds zes, zooals bij vierkruk-scheepsmachines. Verder kan eene machine op eene fundeering gelegd (landmachine) of op een onderstel verplaatsbaar zijn (locomobiel, zie ald.). Eindelijk onderscheidt men machines naar hun doel in: drrjfmachines, pompmachines, blaasmachines (hoogovens), kabelmachines (mijnen) en stoomdynamo’s. In de laatste tientallen jaren heeft de stoommachine in bepaalde vormen reusachtige afmetingen aangenomen; zoo zijn b.v. de grootste tegenwoordige Atlantische stoomers met dubbele machines van 16000 paardekrachten uitgerust. („Deutschland”, „Kaiser Wilhelm II”.) Ook voor het drijven van dynamo’s heeft men eenheden van over 10000 P.K. gebouwd. Deze vermogens worden verkregen met stoomspanningen van 12—15 atmosferen, cylindermiddellijnen tot 2.50 Meter en zuigersnelheden van 3.5—4 Meter per secunde.
Het stoomverbruik bij: verschillende stoommachines variëert van 12—4 K.G. per P.K. per uur. Het laatste bereikt men met eene moderne compound stoommachine van niet te i geringe afmetingen, met oververhitten stoom. | Voor het drijven van dynamo's heeft men I voor directe koppeling verticale machines ! gebouwd met een groot aantal omwentelingen, waarbij meestal de stoom alleen aan de boven| zijde der zuigers werkt. Bekende typen daar; van zijn die van Willans, Westinghouse, Belliss e. a.
Geschiedenis van de stoommachine
(Zie daarvoor ook: Scholl, Gids voor machinisten.) Als ! de ware uitvinder van de stoommachine moet ; beschouwd worden Dyonisius Papin, die ontj dekte dat stoom zich door afkoeling laat neer| slaan en tot een klein volume water overgaat.
Geschiedt dit in een gesloten vat, zoo ont! staat een luchtledig. Bevindt zich boven dit luchtledig een verplaatsbare zuiger, zoo zal de atmosferische druk dezen naar beneden duwen. Hierin ligt de grondslag van de door Newcomen vervaardigde atmosferische machine. Hier werd n.l. een zuiger telkenmale omhoog geduwd door stoom in een verticalen cylinder, die van boven open was. Aan het eind van den slag werd door een kraan koud water in den stoom gespoten om dezen te verdichten. De luchtdruk dreef daarop den zuiger weer naar beneden.
De beweging werd door een balans overgebracht meestal op verticale pompstangen in mijnputten. De opening en sluiting der verschillende kranen geschiedde spoedig automatisch. James Watt kwam op de gedachte de verdichting (condensatie) van den stoom in een afzonderlijk vat (condensor) te : doen plaats hebben, waardoor in den eigen: lijken stoomcylinder belangrijk aan stoom werd gespaard. Bovendien wendde hij' stoom van hoogere drukking aan en verbeterde de : inrichting voor toe- en afvoer van den stoom.
Ook stamt van James Watt de beroemde parallelogramgeleiding voor het uiteinde van den zuigerstang. De naar hem genoemde Watt’sche balansmachine heeft tot het midden der 19e eeuw zich staande gehouden. Intus! schen waren door Woolf, Mc.Naught e. a. machines met twee cylinders gebouwd, waarin de stoom achtereenvolgens werkte, en waarmede wederom belangrijke stoombesparing gepaard ging. Allengs begon men het balansmodel te verlaten en werden meer horizontale en verticale machines met directwerkende drijfstangen gebouwd. In vereeniging met de expansie over meerdere cylinders zijn hieruit ontstaan de vroeger genoemde compound machines met 2—4 krukken op dezelfde as. Nog moeten genoemd worden de machines met oscilleerenden (schommelenden) cylinder, welke laatste draait om een holle stoomdoorlatende spil.
Bij deze machines is drijfstang en züigerstang één geheel, zoodat de machine zeer gedrongen wordt en daarom voor raderboóten veelvuldig is aangewend loodrecht onder de krukas. (Dagbooten der Mij'. „Zeeland”.) Bij nieuwere machines is echter dit systeem geheel verlaten. Literatuur: Scholl, De gids voor machinisten (Leiden), Herm. ‘Haeder, Dampfmaschinen I en II (Duisburg).
