Veiligheidskleppen aan de stoommachines

*Ontlastkleppen van de hoofdstoommachines (aangegeven met witte pijlen).*

Veiligheidskleppen beschermen installaties tegen te hoge druk. Een te hoge druk kan (grote) schade aan installaties opleveren doordat de krachten in die installaties dan zo groot kunnen worden dat verbindingen gaan lekken of erger dat onderdelen breken of scheuren. In het ergste geval kan dit een explosie veroorzaken. Er kunnen niet alleen in de stoomketels hoge drukken ontstaan, ook in de stoommachines kunnen (ontoelaatbare) hoge drukken ontstaan. Daarom zijn ook de stoommachines van overdrukkleppen voorzien.

De hoofdstoommachines zijn ieder van 4 overdrukkleppen voorzien. De enkelwerkende hogedrukcilinder heeft één overdrukklep, de dubbelwerkende lagedruk cilinder heeft er twee (één per kant) en er zit er ook één op de receiver (dit is de ruimte tussen de uitlaat van de hogedruk cilinder en de inlaten van de lagedruk cilinders).

Ontlastklep hogedruk cilinder

De klep die de hogedrukcilinder tegen te hoge druk beschermd is in de volgende figuur afgebeeld:

Bouwkundige tekening van de ontlastklep op de hogedruk cilinder van de hoofdstoommachines. Dit is een detail van een grotere tekening, de volledige tekening is in de bronvermelding te vinden. ^[1.1.]

De werking van deze klep is als volgt: De veer (onderdeel E) drukt via de klepstang (onderdeel C) de klep (onderdeel A) op de zitting (onderdeel B). Bij deze klep zijn zowel de klep als de zitting van staal gemaakt. Deze afblazende drukbeveiliging is van het direct werkende type met een veerbelasting. De klep is bevestigd in de einddeksel van de hogedruk cilinder, bij openen blaast deze af in de machine hal.

De middellijn van de klepopening is 50mm, de veerspanning is 266kg. Uit deze twee gegevens volgt dat de klep opent bij een druk van 13,5 kg/cm². De hogedruk clinders van de hoofdstoommachines zijn door deze veiligheidskleppen beschermd tegen drukken groter dan 13,5 kg/cm².

Veiligheidsklep receiver

*Bouwkundige tekening van de veiligheidsklep op de receiver van de hoofdstoommachines. Dit is een opgeschoond detail van een grotere tekening, de volledige tekening is in de bronvermelding te vinden.* ^[1.2.]

De receiver is de ruimte tussen de uitlaat van de hogedruk cilinder en de inlaten van de lagedruk cilinders. De receiverruimte bestaat voor een groot deel uit een pijpleiding met een binnendiameter van 225mm, deze bevindt zich onder de machine in de kelderruimte. De versimpelde tekening van de receiver veiligheid is hiernaast weergegeven.

Bij deze veiligheid houdt een gewicht de klep gesloten. De werking van deze klep is als volgt: Het gewicht (onderdeel A) hangt met de ophangbeugel (onderdeel J) aan de hefboom (onderdeel H). De hefboom constructie zorgt ervoor dat de kracht die het gewicht uitoefent bijna 5 keer vergroot wordt. De hefboom drukt vervolgens via het drukstukje (onderdeel D) de klep (onderdeel C) op de zitting (onderdeel B). Bij deze klep zijn zowel de klep als de klepzitting van brons gemaakt.

Deze veiligheid is geplaatst op de receiver pijp, onder de machine. Bij openen blaast deze af in de kelderruimte. De middellijn van de klepopening is weer 50mm. Volgens de legenda bij de tekening opent deze veiligheidsklep bij 5 kg/cm² (als je het doorrekent kom je achter de komma nog iets hoger uit). De receivers van de hoofdstoommachines zijn door deze veiligheidskleppen beschermd tegen drukken groter dan 5 kg/cm².

Ontlast- en compressieregelklep lagedruk cilinder

De constructie van kleppen die de lagedruk cilinders beschermen tegen te hoge drukken lijkt erg op die van de veiligheidskleppen van de hoge druk cilinders. De klep is echter uitgebreid met een tweede functie waardoor de gehele constructie wat ingewikkelder wordt. Behalve de cilinder tegen te hoge druk te beschermen kan er met een handwiel op deze klep ook een extra ruimte bijgeschakeld worden. Deze tweede functie wordt de compressieregelklep genoemd. Een doorsnede van deze bijzondere klep is hieronder gegeven.

Bouwkundige tekening van de ontlastklep en compressieregelklep op de lagedruk cilinder van de hoofdstoommachines. Dit is een detail van een grotere tekening, de volledige tekening is in de bronvermelding te vinden. ^[1.3.]

Het gedeelte van klep in bovenstaande tekening dat de veiligheids functie verzorgt lijkt erg op de veiligheidsklep die de hogedruk cilinder beschermd tegen hoge drukken. De werking van de overdruk functie is als volgt: De veer (onderdeel K) drukt via de klepstang (onderdeel H) de klep (onderdeel N) op de zitting (onderdeel M). Bij deze klep zijn zowel de klep als de zitting van nikkelstaalstaal gemaakt.

De middellijn van de klepopening is 50mm, de veerspanning is 189kg. Uit deze twee gegevens volgt dat de klep opent bij een druk van 9,6 kg/cm². De lagedruk clinders van de hoofdstoommachines zijn door deze veiligheidskleppen beschermd tegen drukken groter dan 9,6 kg/cm². Bij openen van de klep blaast deze (via de holle as waar het handwiel op gemonteerd zit) af in de machinehal.

Zoals al even genoemd heeft de tweede functie van deze klep te maken met de compressie in de cilinder op de teruggaande slag. De lagedrukcilnder is uitgevoerd als een zogenaamde gelijkstroom cilinder. Één van de voordelen van dit gelijkstroom cilinder ontwerp is dat er geen uitlaatkleppen nodig zijn. De cilinder heeft uitlaatpoorten aan de omtrek van de cilinder en als de zuiger voorbij de uitlaatpoorten schuift komen deze vanzelf vrij en kan de afgewerkte stoom de cilinder verlaten. Dit voordeel heeft echter ook een nadeel in zich verscholen. Bij de teruggaande slag zal de uitlaat weer vrij vroeg gesloten worden, bij een uitvoering met kleppen (zoals de hogedruk cilinder) wordt de uitlaatklep veel langer opengehouden bij de teruggaande slag. Vanaf het moment dat de uitlaat poorten afgesloten zijn door de cilinder vindt er compressie plaats van de opgesloten stoom, tot het moment dat de inlaat klep opent.

Bij de lagedruk cilinders van de hoofdstoommachines beginnen de uitlaatpoorten op 84% van de slag te openen en bij 92% van de slag zijn ze volledig geopend. Dit betekend ook dat bij de teruggaande slag de uitlaatpoorten al volledig gesloten zijn als de cilinder nog 84% van zijn slag moet maken. Aan het einde van de teruggaande slag blijft er een kleine ruimte over. Om te voorkomen dat de zuiger tegen de cilinder deksel zou kunnen slaan is hier een kleine ruimte overgelaten. De minimale inhoud van de cilinder aan het einde van de slag heet “schadelijke ruimte”. In de berekeningen van Jaffa is er voor de schadelijke ruimte van de lagedruk cilinder 1,7% aangehouden. Aan het einde van de teruggaande slag is alle stoom die achterbleef in de cilinder samengeperst tot nog maar 1,7% van het cilinder volume. De compressievoud is daarmee maar liefst 50 maal! [(84%+1,7%)/1,7%].

Bouwkundige tekening van de achterdeksel van de lagedruk cilinder van de hoofdstoommachines. De pijl in toont waar de extra schadelijke ruimte zich bevindt. Dit is een detail van een grotere tekening, de volledige tekening is in de bronvermelding te vinden. ^[1.4.]

Deze hoge compressie hoeft geen probleem te zijn als de uitlaatdruk maar heel laag is, bijna vacuüm. Als de uitlaatdruk oploopt wordt de druk aan het einde van de teruggaande slag al snel heel groot. Een goede werking van de condensor en bijbehorende pompen is dan ook essentieel. Als we een eenvoudig benadering gebruiken dat druk maal volume constant blijft kunnen we de compressiedruk eenvoudig uitrekenen bij verschillende condensor drukken (voor het gemak verwaarlozen we dan ook de drukverliezen over de poorten en leidingen).

Heerst er een goed vacuüm in de condensor (95% vacuüm) dan is de condensordruk 50 mbara (de “a” achter “mbar” staat voor absoluut, we rekenen hier met absolute drukken). Aan het eind van de compressie is het volume 50 maal zo klein en moet de druk dus ook 50 maal zo groot geworden zijn. Dit komt overeen met een druk van 2,5 bara (wederom een absolute druk). Dit is mooi laag, maar 1,5 bar boven de luchtdruk. Bij een wat minder goed vacuüm van 90% wordt de compressie druk 5 bara en ben je al in de buurt of zelfs over de receiverdruk gekomen. Bij een ronduit slecht vacuüm van 75% loopt de druk al op tot 12,6 bara. Deze hoge druk ligt al boven de beveiligings druk van de cilinderveiligheid. De veiligheidsklep zal dan telkens openen aan het eind van de slag. Dit is uiteraard een ongewenste situatie.

Om toch te kunnen draaien met een slecht vacuüm zijn er verschillende mogelijkheden, hier is de meest eenvoudige oplossing gebruikt. Door het vergroten van de schadelijke ruimte kan de compressievoud namelijk flink verlaagd worden. Als de schadelijke ruimte met bijvoorbeeld 10% van de cilinder inhoud vergroot kan worden daalt de compressievoud tot 8 maal [(84%+1,7%+10%)/(1,7%+10%)]. Om de schadelijke ruimte te kunnen vergroten is er in de cilinder deksels een holle ruimte opgenomen. Met de compressie regelklep kan deze ruimte in verbinding gesteld worden met de cilinder ruimte.

*Detail van de klepzitting (onderdeel L) en de gecombineerde klep/klepzitting (onderdeel M) bij geopende compressieregelklep.*

In bovenstaande afbeelding van de cilinderdeksel is aangegeven waar de extra schadelijke ruimte zich bevindt. Om deze extra schadelijke ruimte bij te schakelen wordt het handwiel van de compressieregelklep verdraaid. Bij het verdraaien van het handwiel (onderdeel C) wordt de draadbus (onderdeel E) verdraaid, de schroefdraad hierop zorgt ervoor dat de klepsteel (onderdeel D) verschoven wordt. Hierdoor bewegen de onderdelen L en M van elkaar af en ontstaat er een verbinding vanuit de cilinder met de extra schadelijke ruimte met behoud van de overdruk beveiligings functie. Onderdeel L is de zitten (wederom van nikkelstaal) en onderdeel M heeft een dubbelfunctie. Voor de veiligheidsfunctie is het de zitting maar voor de compressieregelfunctie is het de klep. In geopende toestand ziet dit er uit als in bijgaande detail afbeelding.

Het vergroten van de schadelijke ruimte is slechts voor het rendement van de stoommachine, het stoom verbruik zal stijgen. Maar het geeft wel de mogelijkheid om bij een storing aan het vacuüm door te kunnen draaien en niet meteen te hoeven stoppen.

Overzicht beveiligingsdrukken

De verschillende machine onderdelen van de hoofdstoom machines zijn uitgerust met overdrukkleppen met de volgende beveiligingsdrukken:

Hogedruk cilinder: 13,5 kg/cm²
Receiver: 5 kg/cm²
lagedruk cilinder: 9,6 kg/cm²

Bronnen

Tresoar, Tekeningen- en kaartenarchief Provinciale Waterstaatsdienst van Friesland 1876-1986 (archief nr. 9-05)

1.1. Inv. nr. 910: Bouwkundige tekening betreffende een ontlastklep. De bouwtekening is vervaardigd door Machinefabriek Jaffa Louis Smulders & Co te Utrecht, tekeningnrs. 8.469 en 12.995. [Link naar tekening]

1.2. Inv. nr. 939: Bouwkundige tekening betreffende de veiligheid 50 mm. doorlaat. De bouwtekening is vervaardigd door Machinefabriek Jaffa Louis Smulders & Co te Utrecht, tekeningnr. 9.592. [Link naar tekening]

1.3. Inv. nr. 994: Bouwkundige tekening betreffende een ontlast- en compressieregelklep. De bouwtekening is vervaardigd door Machinefabriek Jaffa Louis Smulders & Co te Utrecht, tekeningnr. 6.848. [Link naar tekening]

1.4. Inv. nr. 1006: Achterdeksel L.D. cilinder. De bouwtekening is vervaardigd door Machinefabriek Jaffa Louis Smulders & Co te Utrecht, tekeningnr. 8.563. [Link naar tekening]