Gemaalontwerp uit 1904

In 1902 werd er een commissie opgericht, de Lauwerszee-commissie, met als opdracht te onderzoeken hoe de waterbeheersing in de provincies Friesland en Groningen verbeterd kon worden. Dit draaide om het plan om de Lauwerszee af te sluiten (waar zowel de provincie Friesland als de Provincie Groningen op afwateren). Deze commissie kwam met adviezen voor het verbeteren van de afwatering van de Friese boezem richting de Lauwerszee (wat Lauwersmeer is gaan heten na de afsluiting). Daarnaast adviseerde de commissie ook om een stoomgemaal te bouwen in de buurt van Lemmer.

De commissie heeft de overtuiging dat er niet langer met de uitvoering van de plannen tot verbetering van de waterafvoer "gedraald mag worden". En besluit daarom de plannen voor stoombemaling verder uit te laten werken. De grote bemalings capaciteit in combinatie met de geringe opvoerhoogte zorgt ervoor dat de kosten van het gemaal behoorlijk zullen afwijken van de eenheidsprijzen (per waterpaardenkracht) die normaal gehanteerd worden. De commissie besluit Prof. J. C. Dijxhoorn "Hoogleeraar in de werktuigbouwkunde aan de Polytechnische school te Delft" te vragen de plannen voor het stoomgemaal verder uit te werken. Dijxhoorn ontwerpt een gemaal met verticale stoommachines, welke door middel van tandraderen langzaam lopende centrifugaalpompen met verticale as aandrijven.

In 1904 kwam de commissie met het zijn eindverslag. De aanbevelingen van de commissie zijn niet (direct) overgenomen. Dijxhoorn schrijft hierover in het Ingenieur artikel De werktuigen van het provinciaal stoomgemaal: "De plannen van de Lauwerzee-commissie zijn niet door de Hooge Regeering overgenomen. De Provinciale Besturen van Friesland en van Groningen hebben echter later afzonderlijk de boezembemaling ter hand genomen."

Locatie van het te bouwen gemaal, nabij Tacozijl.

Uitgangspunten van de commissie

Locatie

Voor de bouw van het stoomgemaal met bijbehorende kanalen en andere bouwwerken was een terrein voorzien in de nabijheid van Tacozijl (een uitwateringssluis). "Een vlak terrein, weiland, gelegen aan de zuidzijde van de Groote Brekken, van waar uit een buitenkanaal behoort te worden aangelegd naar zee, uitmondende op ruim 1 kilometer afstand oostelijk van Tacozijl en bij de uitmonding van eene in den zeedijk te leggen keersluis."

Deze locatie is vrij dichtbij de locatie waar het gemaal uiteindelijk gebouwd is.

Situatie van de stoomgemalen nabij tacozijl.

Binnensluis of spuisluis met aan weerszijden een stoomgemaal, ketelhuis en woningen voor het personeel.

Het voorgestelde ontwerp ziet er nogal anders uit dan we nu gewend zijn. De constructie van het gemaal gedeelte bestaat uit een (spui)sluis in het midden met stoomgemalen aan weerszijden daarvan. Omdat het dus feitelijk om twee onafhankelijke stoomgemalen gaat wordt in de beschrijving ook het meervoud gebruikt (stoomgemalen). Na het gemaal komt het water in en tussenstukje, waarna het door een zeesluis naar zee kan stromen.

Capaciteit van het gemaal

De Lauwerszee-commisie onderzocht de periode "van groot waterbezwaar" in augustus 1894 en wat ervoor nodig zou zijn om dit te beperken. De commissie concludeerde dat er in de twee weekse periode van wateroverlast 65 miljoen m³ water extra afgevoerd had moeten worden om de gevolgen aanvaardbaar te houden.

Voor de bemalings capaciteit van het gemaal werd daarom geadviseerd:

• 65 miljoen m³ in een periode van 14 dagen,
• ofwel afgerond 4.650.000 m³ per etmaal.
• Waarbij het gemaal 23 uur per dag maalt (1 uur per dag was nodig voor controles en onderhoud),
• ofwel afgerond 202.000 m³ per uur (dit komt overeen met 3.367 m³ per minuut of 56 m³ per seconde).

Dit is de capaciteit van het beoogde gemaal bij een opvoerhoogte van 1 meter. Bij een lagere opvoerhoogte moet het gemaal meer kunnen leveren, maximaal 275.000 m³ per uur. Bij een hogere opvoerhoogte moet het gemaal kunnen blijven malen tot een opvoerhoogte van 1,60 meter, hierbij mag de opbrengst lager zijn.

Opvoerhoogte

De eerdergenoemde ontwerp opvoerhoogte van 1 meter is als volgt opgebouwd:

• Binnenwater (bij het gemaal) op zomerpeil (het Friese zomerpeil (afgekort FZP of ZP) komt overeen met 0,66 m onder NAP).
• Buitenwater (Zuiderzeestand) 0,90 m boven zomerpeil (komt overeen met 0,24 m boven NAP).
• Binnenwaterstand in de boezem 0,05 m boven zomerpeil. Bij het in werking zijn van het gemaal wordt lokaal de boezemstand tot zomerpeil neergemalen.
• Voor het verval vanaf het gemaal, door de buitensluis tot zee wordt 10 cm aangehouden.

Bij lagere binnenwaterstanden moet er nog tot 0,20 m onder zomerpeil gemalen kunnen worden. Bij hogere zeewaterstanden dan 1,60 meter boven zomerpeil (0,95 m boven NAP) worden de sluisdeuren van de keersluis gesloten en wordt er niet gemalen.

Variatie in buitenwaterstand komt door eb en vloed, dit verschil is echter maar circa 0,20 meter. Een grotere invloed heeft de wind, opstuwing (door de wind) van het water in de Zuiderzee geeft een grotere variatie in buitenwaterstanden. Verwachte variatie in waterstanden wanneer het gemaal in bedrijf zal zijn:

• Binnenwater; tussen 0,20 en 0,40 m boven zomerpeil (-0,46 tot -0,26 m t.o.v. NAP).
• Buitenwater; tussen 0,70 en 0,90 m boven zomerpeil (+0,04 tot +0,24 m t.o.v. NAP).

Op basis van bovengenoemde getallen is de verwachting dat de werkelijke opvoerhoogte voor het gemaal meestal nog een stuk onder de ontwerp opvoerhoogte van 1 meter zal liggen.

Vermogen

Een capaciteit van 202.000 m³ per uur bij een opvoerhoogte van 1 meter levert een vermogen van 750 Waterpaardekrachten (W.P.K.). Uitgedrukt in moderne eenheden komt het vermogen van 750 WPK overeen met 550 kW (kilowatt).

Spuimogelijkheid

Het gemaal moet voorzien worden van een spuisluis. Vooral in het voorjaar kan er op deze wijze dan water gespuid worden. De commissie vind dit zeer nuttig. De waterstanden in de Friese boezem lagen toen een stuk hoger dan het huidige streefpeil, hierdoor kon er op de Zuiderzee gespuid worden.

Er is toen al voorzien dat wanneer de Zuiderzee afgesloten zal worden de mogelijkheid ontstaat om zoet IJsselmeerwater de Friese boezem in te laten. Inmalen van zoetwater door het gemaal bij tacozijl wordt niet nodig geacht omdat het waterhoogte verschil tussen het te vormen IJsselmeer en de Friese boezem voldoende zal zijn.

Zeesluis of keersluis in de zeedijk.

Keersluis

In die tijd vond men het nogal risicovol om een grote constructie in een zeedijk op te nemen. Men was bang dat dit een zwak punt zou kunnen zijn, het bezwijken van een dergelijk constructie zou dan een groot gat in de zeedijk kunnen veroorzaken. Men hield zich liever bij techniek die zich al bewezen had, namelijk relatief smalle sluizen in een zeedijk. Hierom is er destijds gekozen voor een (breed)gemaal een stukje landinwaarts en een relatief smalle zeesluis in de zeedijk.

De keersluis in de zeedijk waar de opbrengst van het gemaal door naar zee stroomt krijgt een breedte van 18 meter en een slagdrempel op 3 meter onder zomerpeil. In de uitwerking is de opening opgesplitst in 3 openingen van ieder 6 meter breed.

Aantal maaldagen

Op basis van de waargenomen boezemwaterstanden in de jaren 1883-1898 kwam Hoofdingenieur H. E. de Bruijn tot een inschatting van het te verwachte aantal draaidagen. Zijn inschatting was; gemiddeld 12 etmalen per jaar, dit is inclusief het testen van de installaties (een half etmaal elke winter en een kwart etmaal elke zomer). Hij gaf al aan dat het aantal maaldagen zeer wissend zal zijn, uit zijn berekening volgde totaal 10 etmalen in de vijfjarige periode van 1883-1887 en 115 etmalen in de vijfjarige periode van 1894-1898.

Om aan de veilige kant te blijven is de commissie in haar berekeningen uitgegaan van een inzet van gemiddeld 15 dagen per jaar. De commissie schrijf over het beperkte aantal draaidagen het volgende:

Hoewel van meer dan eene zijde als bezwaar tegen bemaling wordt aangevoerd de korte periode van werking per jaar, wordt dit argument door de commissie in geen enkel opzicht gedeeld; zij meent toch, dat de beantwoording van de vraag of stoombemaling gewenscht is, alleen beheerscht wordt door de overweging of haar nut opweegt tegen de kosten. De schade alleen in 1894 en die in latere jaren aan den landbouw in Friesland toegebracht, acht de commissie reeds van dien aard dat de kosten, voor bemaling vereischt, als een nuttige uitgave te beschouwen zijn.

Het gemaal ontwerp van prof. J.C. Dijxhoorn

Om een goed onderbouwd kostenoverzicht te krijgen van het beoogde gemaal wordt professor Dijxhoorn ingeschakeld. Hij onderbouwd de keuze voor de te gebruiken bemalingswerktuigen, stoommachines en dergelijke. En geeft onderbouwing aan de te verwachten bedrijfskosten zoals het kolenverbruik.

Keuze der wateropvoerwerktuigen

Bovenaanzicht van één van de pompen met verticale as, het pomphuis, aan- en afvoerkanalen zijn geheel onder de machinevloer geconstrueerd.

Bij stoomgemalen met een opvoerhoogte tussen de 2 en 4 meter hebben centrifugaalpompen "zonder twijfel" de voorkeur, zowel wat aanlegkosten betreft als wat betreft de onderhouds- en bedrijfskosten. Het is de vraag of deze keuze voor centrifugaalpompen ook de meest geschikte is voor een gemaal met zeer geringe opvoerhoogte (dikwijls 0,50 meter en nog wel minder). Omdat het gemaal maar zelden gebruikt wordt zal de keuze van de wateropvoerwerktuigen meer bepaald worden door de aanleg- en onderhoudskosten. Het rendement (kolenverbruik per waterpaardekracht) is minder van belang.

Dit doet de keuze op centrifugaalpompen vallen, immers:

• Centrifugaalpompen hebben lage aanleg- en onderhoudskosten ten opzichte van schepraderen, pompen en vijzels.
• Bij afnemende opvoerhoogte zullen centrifugaalpompen een hoger opbrengst hebben zonder dat het toerental verhoogd hoeft te worden. Dit wordt als een groot voordeel gezien in verband met de sterk wisselende opvoerhoogte van dit gemaal.

Omdat de te verpompen waterhoeveelheid zeer groot is en de opvoerhoogte maar erg klein is hebben wrijvingsverliezen een grote invloed. Denk hierbij aan de wrijvingsverliezen in de aan- en afvoerkanalen en in het pomphuis zelf. Er wordt daarom gekozen voor centrifugaalpompen met een verticale as.

Over hevel-centrifugaalpompen wordt geschreven:

Het is voor dit geval dus niet rationeel om, zooals bij hevel-centrifugaalpompen geschiedt, het water eerst door een zuigleiding te leiden naar eene pomp, die boven den hoogsten buitenwaterstand wordt geplaatst, en het daarna weder omlaag te voeren. Zulke buisleidingen zouden wegens hare groote lengte den bedoelden schadelijken weerstand verhoogen.

Interessant genoeg zijn in het uiteindelijke ontwerp voor het gemaal wel hevel-centrifugaalpompen gebruikt. Het rendement daarvan viel ook wat tegen.

Bij de centrifugaalpompen met een verticale as ligt het slakkenhuis op zijn kant. Door het slakkenhuis geheel onder water te bouwen zijn de aan- en afvoerleidingen maar heel kort, waardoor de wrijvingsverliezen heel laag zijn.

De waaiers kunnen met een bovenloopkraan uit de pomphuizen getild worden, dit dient voor onderhoud, om vrije lozing (spuien) mogelijk te maken en voor het verwijderen van vreemde voorwerpen die in de waaier klem kunnen komen te zitten.

Centrifugaalpompen met verticale as zijn tot dan toe maar weinig in Nederlandse gemalen toegepast. Genoemd wordt dat het stoomgemaal in Drongelen ook pompen heeft met verticale as. ook wordt genoemd dat dit type centrifugaalpompen veel voorkomen in Noord-Duitsland en in westelijke staten van Amerika. Een ander toendertijd zeer bekende toepassing zijn de vijf centrifugaalpompen met verticale as die te Khatatba op de Nijl uitslaan. Deze leveren bij 32 omwentelingen per minuut ieder 360 m³ per minuut met een opvoerhoogte van 3 meter.

Schematische dwarsdoorsnede van het gemaal Khatatba.

In het ontwerp van Dijxhoorn zijn 8 grote bemalingspompen voorzien. Ieder van deze centrifugaalpompen zal bij een opvoerhoogte van 1 meter 420 m³ water per minuut kunnen opvoeren en bij een opvoerhoogte van 0.5 meter ongeveer 575 m³ per minuut. De grootste opvoerhoogte, waarmede de centrifugaalpompen dienst zullen doen, bedraagt 1.60 meter waarbij de wateropbrengst dan ongeveer 350 m³ per minuut zal zijn.

De grote capaciteit per pomp vraagt om grote waaiers. Een lage opvoerhoogte vraagt echter een lage omtreksnelheid aan de buitenomtrek van de waaier. Samen geeft dit een laag toerental voor de waaiers, tussen 24 en 34 omwentelingen per minuut afhankelijk van de opvoerhoogte.

Hoofdafmetingen pompen

Waaier diameter	3,6 m
Diameter van de toevoerpijp onder de pomp	2,55 m
Kleinste doorsnede aanzuigkanaal	5,1 m2
Kleinste breedte aanzuigkanaal	2,55 m
Kleinste hoogte aanzuigkanaal	2,0 m

Per machinelokaal zijn er vier centrifugaalpompen met verticale as, deze worden per twee pompen door één stoommachine aangedreven. Er is een haakse overbrenging nodig om de uitgaande as van de stoommachine aan de verticaal staande as van de centrifugaalpompen te verbinden. Hiervoor wordt een tandwiel overbrenging gekozen (met kegelraderen ofwel kamwielen). Om de stoommachine effectiever te laten werken is het gewenst om deze op een hoger toerental te laten draaien dan de pompen. Deze wens laat zich gemakkelijk combineren met de gekozen haakse tandwiel overbrenging, een overbrengingsverhouding van 2 op 1 wordt gekozen. De stoommachines draaien dan twee maal zo snel als de pomp waaiers.

Bovenaazicht van één van de twee machinelokalen met vier centrifugaalpompen en twee stoommachines per machinelokaal.

Keuze der stoomwerktuigen

Voor de keuze van de stoommachines redeneert Dijxhoorn als volgt: Eenvoudige constructie in verband met het geringe aantal draaidagen. Moderne middelen om stoomverbruik te verminderen zoals oververhitte stoom zijn niet op hun plaats. Ook geen hoge stoomdruk zoals dit bij tripple expansie machines gebruikt wordt. Compound machines (expansie in twee trappen) met een keteldruk van ongeveer 8 kg/cm² "zijn de aangewezen stoomwerktuigen voor dit geval". De voorkeur gaat uit naar verticale stoomwerktuigen, dit in verband met lagere slijtage aan de cilinders en pakkingbussen ten opzichte van horizontale stoommachines. Ook hebben verticale machines minder vloeroppervlak nodig waardoor de machinekamer kleiner kan.

De keuze valt op verticale compound stoommachines met ieder één hogerduk cilinder en twee lagedruk cilinders, waarbij de krukken op de krukas 120° ten opzichte van elkaar verdraaid zijn. Dit geeft een rustige loop wat prettig is voor de kamwiel overbrenging. De lagedruk zuigers zullen even zwaar worden als de hogedruk zuiger zodat het geheel geheel gebalanceerd is. Per stoommachine zijn er twee vliegwielen voorzien, aan weerszijden van de hogedruk cilinders.

Voor het vermogen van de stoommachines wordt berekend dat 550 indicateur-paardekrachten (IPK) voldoende zal zijn. Echter wordt er wel van uitgegaan dat dit vermogen zonder bezwaar tot 700 indicateur-paardekrachten kan worden opgevoerd. Het aantal omwentelingen, dat deze stoomwerktuigen per minuut maken, kan naar behoefte worden gewijzigd van ongeveer 44 tot 66 per minuut (in verband met de variatie in opvoerhoogte)

Hoofdafmetingen stoommachine

1 hogedruk cilinder, diameter	0,93 m
2 lagedruk cilinders, diameter	1,07 m
Zuigerslag	0,9 m
Tandwielen op de machine-as, diameter	1,05 m
Tandwielen op de pompassen, diameter	2,1 m

Keuze der stoomketels

Bovenaazicht van één van de twee ketelhuizen ieder met eigen kolenloods en schoorsteen.

Om niet in "buitengewoon groote afmetingen te vervallen" kiest Dijxhoorn voor Lancashire-ketels, 3 stoomketels per stoommachine, 6 per ketelhuis en 12 totaal. Per ketelhuis is er één schoorsteen. Reserve ketels worden niet nodig geacht, bij uitval van een ketel bij het grootste vermogen kunnen de andere ketels bijspringen, desnoods met een wat hoger kolenverbruik.

In verband met het te verwachten grote verbruik van steenkolen worden de kolenbergplaatsen dicht bij de stookplaaten gesitueerd. De kolenloods bevind zich aan de waterkant zodat de kolen gemakkelijk uit schepen direct in de kolenloods gelost kunnen worden.

Hoofdafmetingen stoomketels

Verwarmd oppervlak	110 m2
Stoomdruk	8 kg/cm2
Diameter	2,5 m
Inwendige diameter van de binnenvuurgangen	0,9 m
Lengte van de binnenvuurgangen	10,5 m

Kolenverbruik

Het kolenverbruik wordt, wanneer de pompen met eene opvoerhoogte van 1 meter werken, begroot op hoogstens 2,8 kg/uur per waterpaardekracht. Dit kolenverbruik is in het geval van een gewoon normaal bedrijf. Wanneer er bij een beproeving, wanneer alle voorzorgen worden genomen om een zuinig kolenverbruik te bereiken, zal men tot een lager cijfer kunnen komen.

Bij een grotere opvoerhoogte dan 1 meter zal het kolenverbruik per waterpaardekracht gunstiger zijn; bij een kleinere opvoerhoogte zal het daarentegen meer bedragen.

Bij een verbrandingswaarde van steenkool van 35 MJ/kg komt het genoemde verbruik van 2,8 kg/uur neer op 27.222 W. Dit is per waterpaardenkracht, één waterpaardekracht komt overeen met 735,5 W. Door deze twee getallen te delen op elkaar wordt het rendement van de gehele installatie gevonden; 735,5 / 27.222 * 100% = 2,7 %. Dit rendement is exact gelijk aan het rendement dat is gemeten bij de garantiemetingen van het uiteindelijk gebouwde gemaal, zie de pagina Rendement voor details.

Personeel

Om tot een goede schatting van de bedrijfskosten te komen is het ook nodig om te weten hoeveel mensen er nodig zijn om het gemaal te bedienen. Dit wordt opgesplitst in een aantal personeelsleden in vaste dienst en een (groter) aantal die ingehuurd kunnen worden op het moment dat het gemaal moet draaien.

Vaste personeelsleden:

• 1 chef-machinist (werktuigkundige).
• 4 machinisten, waarvan één als plaatsvervanger van de chef-machinist.
• 4 stokers.

Los ingehuurd personeel:

• 4 hulpmachinisten.
• 20 stokers.

Wanneer het gemaal moet draaien wordt het personeel verdeeld in een dag- en een nachtploeg (2 ploegendienst).

Kosten

In het verslag van de commissie wordt uitgebreid ingegaan op de te verwachten kosten van de stoombemaling in Friesland, zowel de bouwkosten als de operatione kosten worden hier uitgebreid gespecificeerd. Op deze pagina zullen we daar niet verder op ingaan.