STOOMKETELS EN STOOMTURBINES

In 1985 behaalde ik het diploma Scheepswerktuigkundige A, na het volgen van de Middelbare School voor Scheepswerktuigkunde. De vakken Motoren, Stoomturbines, Stoomketels, Smeermiddelen, Oliën  en Materialen, Vaktekenen, Meet- & Regeltechniek, Elektrotechniek staan mij helder voor de geest. Evenals het (machine)bankwerken, lassen, wis- en natuurkunde. Na de bijbehorende vaartijd is daar het Staatsdiploma SWTK A aan toegevoegd. Soms heb ik nog wat te doen met dieselmotoren, bij zelfwerkzaamheid. Maar beroepsmatig ligt het wachtlopen in de machinekamer al decennia achter mij. Ook de schoolboeken van toen zijn opgeruimd, behalve dan het boek ‘Scheepsoliemotoren en Gasturbines’ van H.W. Tijen en C. Kapsenberg. En het boek ‘Turbines’ van J. van der Borden en J. La Heij. Met daaraan toegevoegd de ‘Stoomtabellen’ door G.J.W. Esseling. Om mijn eigen geheugen op te frissen deze pagina. Hoe stoomturbines stoomdruk omzetten in vermogen.

Stoomturbines

Je hebt stoommachines en stoomturbines. De eerstgenoemde, de stoommachine is de meest bekende van de twee, de machine met cilinders en zuigers en zuigerstangen en drijfstangen en een krukas, al dan niet voorzien van een vliegwiel met zichtbare op en neer en heen en weer en draaiende onderdelen, tot de verbeelding sprekend als een archetype van de vooruitgang. De stoomturbine spreekt minder tot de verbeelding maar is niet minder een wonder van stoomtechniek. Compacte stoomturbines zijn naast de ‘gewone’ stoommachine al in een vroeg stadium van de stoomtechniek toegepast als hulpwerktuig bijvoorbeeld als aandrijving van een generator om elektrische stroom op te wekken. De oceaanreuzen zoals ss Rotterdam, ss Nieuw Amsterdam en ss Statendam ss Queen Elisabeth II, ss France en ss United States werden voortgestuwd door stoomturbines, evenals Shell-tankers van de K-Klasse en menig mammoettanker uit de jaren zeventig.werden voortgestuwd door stoomturbines. Maar stoomturbines worden tot op de dag van vandaag toegepast bij uitzonderlijk grote vermogens zoals in energiecentrales ongeacht of deze nu gas, kolen, cokes, huisvuil of kernenergie als brandstof gebruiken.

Principe

De basis van een stoomturbine is dat de stoom wordt geproduceerd in de stoomketel(s). Deze verlaat onder druk de ketel en gaat naar de oververhitter waar aan de stoom een hogere temperatuur wordt gegeven. Vandaar gaat de stoom via hoofd- en regelafsluiters naar de stoomturbine. Een stoomturbine bestaat uit een rotor met één of meerdere schoepenwielen welke door de stoom in een roterende beweging wordt gebracht. In een eenvoudige voorstelling: als een molen in de wind. Hedendaagse windmolens worden ook ‘windturbines’ genoemd. De uitgewerkte stoom wordt van de turbine naar de condensor geleid waar een deze wordt afgekoeld tot water. Deze afkoeling creëert ook een onderdruk, een vacuüm in de condensor. Het warme water vanuit de condensor wordt via een voorwarmer, de economiser weer naar de stoomketel(s) gepompt, tegen de heersende druk in de ketel in. Waarmee de kring van circulerende stoom en water rond is.

Stoomdruk versus stoomsnelheid

Stoomturbines zijn minder eenvoudig ingericht dan zoals hierboven beschreven. Een stoomturbine is een complex geheel van straalbuizen, loopschoepen en leidschoepen. Er is onderscheid tussen ‘gelijkdrukturbines’ en ‘overdrukturbines’, turbine-installaties kunnen zijn samengesteld uit hogedruk-, middendruk- en lagedrukturbines, aan boord van schepen een aparte ‘achteruit-turbine’ in een complex geheel van stoomketel, oververhitter, stoomturbine, condensor en economiser waarbij stoom, condens en water circuleren in een gesloten systeem. Een belangrijk verschil tussen stoommachine en stoomturbine: het vermogen van een stoommachine is gebaseerd op stoomdruk, het vermogen van een stoomturbine op stoomdruk in combinatie met stoomsnelheid. De constructie van straalbuizen, loopschoepen en leidschoepen zijn daarin essentieel.

HOOFDSTUK 1 STOOM

Natte stoom

Water kent drie aggregatietoestanden: ijs, water en damp. Bij natte stoom bevinden zich waterdruppels of beter gezegd waterdeeltjes in de damp. Zowel de damp als de waterdruppels hebben dezelfde temperatuur. Natte stoom heeft door deze zwevende waterdeeltjes een relatief grote soortelijke massa per volume-eenheid. Anders verwoord: natte stoom is zwaarder. Door natte stoom op hogere temperatuur te brengen worden de aanwezige waterdeeltjes omgezet in damp en gaat de natte stoom over in verzadigde stoom.

Verzadigde stoom

Bij verzadigde stoom is er sprake van het maximale aantal minuscule waterdeeltjes. Deze waterdeeltjes zijn dus geen druppels meer. Bij verzadigde stoom is er een evenwicht in de damp tussen de temperatuur, de druk en de soortelijke massa. Waarbij verzadigde stoom weer natte stoom zal worden wanneer er afkoeling of drukverlaging plaats vindt in de damp: dit wordt het dauwpunt genoemd. Dit doet zich bijvoorbeeld voor wanneer verzadigde stoom vanuit een stoomleiding in een grotere ruimte uitmondt, of in de cilinders van een stoommachine. Dan treedt er condensvorming op en wordt verzadigde stoom natte stoom. Door verzadigde stoom op een hogere temperatuur te brengen wordt verzadigde stoom oververhitte stoom. De afkorting voor verzadigde stoom is VS. Verzadigde stoom is wel geschikt voor zuigerstoommachines maar niet voor turbines.

Oververhitte stoom

Wanneer aan verzadigde stoom extra warmte is toegevoegd ontstaat oververhitte stoom. Met als resultaat dat een hoeveelheid oververhitte stoom warmte kan afgeven ofwel een lagere temperatuur aan kan nemen zonder het dauwpunt te bereiken, dus zonder dat zich waterdeeltjes gaan vormen. In stoomturbines bereiken de schoepen op de schoepenwielen hoge snelheden: 10.000 omwentelingen per minuut kunnen zich voordoen. Waterdruppeltjes zouden door erosie de schoepen ernstig beschadigen. Door het toepassen van oververhitte stoom worden waterdeeltjes in de turbines voorkomen. OS is de afkorting voor oververhitte stoom.

Soortelijke warmte

De soortelijke warmte sw is een grootheid die aangeeft hoeveel warmte-energie er nodig is om 1 kg van een stof 1° Kelvin of 1° Celsius in temperatuur te laten stijgen. Het symbool van soortelijke warmte is c. De eenheid is Joule per Kelvin per kilogram J/(K·kg) of J/(°C·kg). Met andere woorden: de soortelijke warmtecoëfficiënt beschrijft hoeveel energie (J) men moet toevoegen aan 1 kg van die stof om de temperatuur 1° K of C te laten stijgen. Om de temperatuur te laten dalen dient een evenredige hoeveelheid warmte ofwel energie nodig te worden afgenomen.

Soortelijke warmte

De hoeveelheid warmte in Joule die nodig is om de temperatuur van een massa van 1 Kg van een gegeven stof met 1° C of °K te verhogen

De soortelijke warmte van zuiver water is 4186 J/kg °K. Dit betekent dat men 4186 Joule ofwel 4,186 KiloJoule warmte ofwel energie moet toevoegen aan 1 liter zuiver water om de temperatuur ervan 1° Kelvin te doen stijgen.

Enthalpie

In water of stoom van een bepaalde druk en temperatuur bevindt zich een hoeveelheid energie. De enthalpie van water of stoom H is de waarde opgebouwd uit de parameters druk P in Bar, volume V in m³ en inwendige energie U. In formule enthalpie H = energie U + druk P * volume V.

De enthalpie van stoom is de toestand waarin de damp zich bevindt: wanneer de enthalpie bekend is, met daarbij de karakteristieke parameters druk P en entropie S, dan kunnen alle andere toestandsgrootheden waaronder absolute temperatuur T, volume V worden bepaald.

Een belangrijke eigenschap is dat de verandering van de enthalpie gedurende een proces waarbij de druk constant blijft, dat de enthalpie gelijk is aan de toegevoerde of afgenomen warmte. De enthalpieverandering ten gevolge van een temperatuurverandering T bij constante druk P is een maat voor de soortgelijke warmte sw van stoom bij constante druk P.

Enthalpie

De Enthalpie H  is de hoeveelheid warmte in kJ die nodig is om 1 kg water tot natte-, verzadigde- of oververhitte stoom te vormen.

Een van de eigenschappen van de enthalpie blijkt uit het proefondervindelijke smoorproces: door een buis met een tussenschot waarin een kleine opening is aangebracht laat men stoom stromen. Wanneer de druk P zowel voor en na de doorstroom-opening constant blijft zal de enthalpie H van de stoom voor en na de opening gelijk zijn gebleven.

Verdampingswarmte

De Verdampingswarmte is de hoeveelheid warmte-energie nodig om de toestand van een stof (in deze beschrijvingen ‘water’ te veranderen van een vloeistof in een damp (in deze beschrijvingen ‘stoom’. Een andere benaming van Verdampingswarmte is ‘Verdampingsenthalpie’ met als eenheid Joule/kG of kJoule/kG.

Specifiek Volume

Specifiek Volume S.V. wordt gedefinieerd als het aantal kubieke meters dat wordt ingenomen door één kilogram van een stof, in deze beschrijvingen ‘water’ en ‘waterdamp’. Het Specifiek Volume is in de stoomtabellen de verhouding van het volume van de damp tot de massa van de damp. Het specifieke volume is omgekeerd evenredig met de dichtheid van de damp. Bij een hogere druk en hogere temperatuur neemt het Specifieke Volume S.V. in m³/kg af. De dichtheid is hoger, de watermoleculen bevinden zich dichter bij elkaar, maar in een vrije omgeving is het volume per kilogram minder.

Stoomtabellen

Een natuurkundige wetmatigheid is dat 1 kg zuiver water kookt bij 100° Celsius en bevriest bij 0° Celsius bij een atmosferische druk van 1000 mBar. En dat 1 kg zuiver water bij 1000 mBar en een temperatuur van 4° Celsius het minimale  volume heeft, een soortelijk gewicht van 1000 kg/m³ ofwel 1 kg/dm³, zijnde 1 Liter. Vandaar dat ijs op het water gaat drijven. IJs is lichter dan water.

De stoomtabellen geven de eigenschappen weer van waterdamp (stoom) bij gegeven drukken en temperaturen. In de door mij gehanteerde Temperatuur Stoomtabel vind ik dat Verzadigde Stoom V.S. ofwel ‘pure stoom zonder waterdruppels’ van 100° Celsius in een gesloten ruimte een druk heeft van 1,01 Bar en een Enthalpie H (energie-inhoud) van 2674,4 kJoule/kG stoom. Dit betekent is dat er 2674,4 kJoule/kG aan warmte per kg Verzadigde Stoom V.S.  is toegevoegd. Het het Specifiek Volume S.V. van 1 Liter water is toegenomen tot 1,673 m³ Verzadigde Stoom V.S.! Dit is dus bij benadering het effect van een Liter ‘bluswater’ bij ‘Vlam in de Pan’! Goed om te beseffen: 1 dm³ water van 100° Celsius bevat 418 kJoule ofwel 418 kWatt.

Wordt een specifieke kilogram Verzadigde Stoom V.S. op de temperatuur van 200° Celsius gebracht, dan is de druk volgens de tabel 15,55 Bar bij een Enthalpie H van 2793,7kJoule/kG. In de tabel is te zien dat Verzadigde Stoom V.S. een ‘kritische waarde’ heeft rond de 250° Celcius. Tot 250° Celsius neemt de Enthalpie toe, bij hogere temperaturen neemt de Enthalpie H weer af. Het vraagt minder warmte (ofwel energie) om de temperatuur van de waterdamp te verhogen. De theoretische verklaring is de hogere dichtheid van de waterdamp, de ‘waterdampmoleculen’ bevinden zich dichter bij elkaar, bewegen sneller langs en om elkaar heen en dragen de warmte gemakkelijker aan elkaar over. (In ‘Jip & Janneke-taal’).

Verdampingsvoud

Het Verdampingsvoud is het aantal kg stoom dat per eenheid brandstof uit voedingwater wordt gevormd. Hoe hoger de Stookwaarde Ho en hoe hoger het Ketelrendement ηk, hoe hoger het verdampingsvoud van de ketel. Wanneer er per kg brandstof bijvoorbeeld 15 kg stoom wordt geproduceerd bedraagt de Verdampingsvoud 15.

Verdampingsvoud

Het verdampingsvoud is het aantal kg stoom dat per eenheid brandstof uit voedingwater wordt gevormd.

Thermisch Ketelrendement

Een rendement η van 100% is ideaal, maar stel dat er er brandstof met een Verbrandingswaarde Ho van 42000 kJoule/kG (Heavy Oil Fuel) wordt toegevoerd aan de Stoomketel, en deze Ketel produceert met een Verdampingsvoud van 10 Verzadigde Stoom V.S. met een Enthalpie van 3000 kJoule/kG. En stel dat daarbij het Voedingwater V.W. een Enthalpie heeft van 400 kJoule/kG. Het verschil in de Enthaphie van het Voedingwater en de geproduceerde Verzadigde Stoom V.S. is 3000 – 400 = 2600 kJoule bij een stoomproductie van 10 kg op 1 kg brandstof. Het Thermisch Ketelrendement η is dan 26000 kJoul : 42000 kJoule = 61% De warmteverliezen bestaan uit schoorsteenverliezen en stralingsverliezen. Het ketelrendement wordt verbeterd door toevoegen van een oververhitter, een economiser, het effectief benutten van het Verwarmd Oppervlak V.O. en het verbeteren van de isolatie. Thermische Ketelrendementen η van rond de 90% zijn haalbaar. Het Ketelrendement als geheel ligt bij moderne ketels rond de 85%, mits alle componenten zich in optimale staat bevinden. Oorzaken van een verminderd ketelrendement kunnen zijn:

Onvolledige verbranding van de brandstof
Brandstof met een lagere Verbrandingswaarde Ho
Vervuilde – of niet correct ingestelde branders
Water in de brandstof, stoom in de verbrandingsruimte (roetblazers?)
Gebrekkige aanvoer van verbrandingslucht (ventilatoren, kleppen)
Gebrekkige rookgassenafvoer
Roetaanslag op de te verwarmen oppervlakten (verminderde warmteoverdracht)
Kalkaanslag op het binnenwerk van de ketel (verminderde warmteoverdracht)

Invloeden op Ketelrendement η
Brandstof
Verbrandingslucht
Verhouding brandstof & lucht
temperatuur
Rookgassen
Warmteoverdracht

HOOFDSTUK 2 STOOMKETELS

Stoomketels zijn in hoofdlijnen in twee categorieën te verdelen: de categorie ‘Vlampijpketels’ en de categorie ‘Waterpijpketels’. In de eerst genoemde categorie bevindt het te verwarmen water zich rondom pijpen waar vuur en hitte doorheen gaan. Bij de tweede categorie bevinden water  en stoom zich in drums, pijpen en pijpenbundels, en bevinden het vuur en de hete gassen zich aan de buitenzijde van deze pijpen en drums. Verhoudingsgewijs bevindt zich in een vlampijpketel meer water dan in een waterpijpketel. Bij wisselende stoomafname vraagt een waterpijpketel dus meer controle. Ook ligt het verwarmd oppervlak V.O. bij een waterpijpketel hoger in verhouding tot de water- en stoomcapaciteit. En daarmee de drukken en temperaturen. Waterpijpketels hebben dan ook een groter rendement maar zijn in meerdere opzichten complexer. Veel voorkomende vlampijpketels zijn de liggende ‘Schotse Ketels’ en de staande ‘Cochran Donkey Ketels’. Tot de categorie vlampijpketels behoren de Babcock & Wilcox ketels, Yarrow ketels en Forster-Wheeler ketels al dan niet in licentie gebouwd bijvoorbeeld door machinefabrieken als De Schelde en Stork in verschillende uitvoeringen.

Verwarmd Oppervlak V.O.

Het Verwarmd Oppervlak van een stoomketel is de totale oppervlakte in m² dat aan de ene zijde in aanraking is vuur en hete gassen, en aan de andere zijde in aanraking met water of waterdamp.


Schotse Ketel

Schotse Ketel, een cilindrische Vlampijpketel

De Schotse Ketel is van het type ‘vlampijkketel’, waarbij zowel het vuur van de verbranding en de hete gassen door dikke en dunnere pijpen wordt gevoerd, en zodoende het omgevende water verwarmd. Schotse Ketels kunnen gestookt worden door kolen en door stookolie. Vanwege de ruime vuurgang konden van oorsprong kolengestookte ketels eenvoudig worden omgebouwd tot oliegestookte ketels, door het plaatsen van een oliebrander bij de ingang van de vuurgang. Schotse Ketels kunnen zijn uitgevoerd met één, twee of drie vuurgangen. Voorheen werd de kolen handmatig in de vuurgang(en) geschept. Het vuur en de hete gassen verlaten de vuurgang(en) via de vlamkast om naar de vlampijpen te worden getrokken door de natuurlijke schoorsteentrek. Hete gassen hebben een lager soortelijk gewicht dan koudere gassen en stijgen daarom op door de schoorsteen naar buiten. Bij een vlampijpketel is het van belang dat alle gangen, kasten en pijpen omgeven worden door ketelwater om niet ‘droog’ te stoken. Met name de vlampijpen worden aangewalst. Droogstoken heeft oververhitting tot gevolg met kans op vervorming en lekkages. Het ketelwater in het peilglas dient dan ook voortdurend op peil te staan. Vlampijpketels leveren in principe ‘verzadigde stoom’, en zijn daarom in principe uitsluitend geschikt voor het produceren van stoom voor zuigerstoommachines, voor het hulpbedrijf (lieren en pompen) en als verwarmingsketel voor bijvoorbeeld (dikvloeibare) stookolie. Toch kunnen minder geavanceerde stoomturbines gevoed worden door de Schotse Ketel, waarvan de stoomdruk ligt rond de 8 en 25 Bar. Vlampijpketels leveren verzadigde stoom tot een temperatuur van rond de 225° Celsius. De stoomdom is bedoeld om het risico op waterslag op een beweeglijk schip zo klein mogelijk te houden. Vlampijpketels bevatten naar verhouding meer water dan waterpijpketels (waarover later meer) dus de niveauverschillen bij wisselende stoomafname zijn geringer. De vuurgang is het heetste deel van de ketel, de golvende wanden zijn bedoeld om krimp- en uitzetspanningen in het staal op te vangen. Bijkomend voordeel van de golvende wand in de vuurgang is het grotere ‘Verwarmd Oppervlak’ van dit type stoomketel.

Cochran (Donky) Ketel 

De Cochran Ketel is evenals de Schotse Ketel een Vlampijpketel met een vlamkast en vlampijpen. Door de verticale opbouw neemt de Cochran Ketel minder vloeroppervlakte in en is daarmee geschikt voor kleine ruimten.

Cochran Donky Vlambuisketel

Vlampijpketels

Bij Vlampijpketels bevinden water en stoom zich in een cilindrisch vat,
rookgassen begeven zich door vuurgang en vlampijpen.

Relatief groot onverwarmd oppervlak dat warmte
afgeeft aan de omgeving wanneer isolatie beperkt is.

Relatief lange opwarmtijd.
Vlampijpketels zijn eenvoudig te bedienen.
Vlampijpketels zijn ongevoelig voor verontreinigd water.
Vuurgangen en vlampijpen vragen onderhoud vanwege roetaanslag

Werkdrukken van Vlampijpketels liggen tussen de 12 en 25 Bar

Vlampijpketels leveren Verzadigde Stoom van 150° tot 225° Celcius

Vlampijpketels leveren tot 30.000 kg / uur stoom

Babcock & Wilcox waterpijpketel

Babcock-Wilcox Waterpijpketel met Oververhitter en Economiser

De Babcock-Wilcox is een waterpijpketel van een vroeg ontwerp, de Water- / Stoomdrum is groter dan bij latere waterpijpketels en bevat daarmee verhoudingsgewijs meer water. De waterpijpen bevinden zich in een schuine stand onder de stoomdrum. Achter deze waterpijpen bevindt zich de Oververhitter, indien aanwezig in het koelste gedeelte van de vuurhaard de Economiser. De Babcock-Wilcox ketel is vaak toegepast als ‘walketel’ zoals in stoomgemalen en fabrieken, en is een compromis tussen de eenvoudig te bedienen Schotse Ketel en de complexere waterpijpketels.

Yarrow waterpijpketel

Yarrow Waterpijpketel

De Yarrow Stoomketel is een Vlampijpketel toegepast op schepen van verschillend formaat. Water bevindt zich in de waterdrums aan de onderzijde van de ketel, in de water-/stoomdrum aan de bovenzijde en in de waterpijpen die de drums met elkaar verbinden. De vuurhaard en de verbrandingsgassen bevinden zich tussen de water- en stoomdruk en pijpenbundels in waar deze het water verhitten tot stoom. In de tekening hierboven is deze niet aangebracht maar het geheel is in werkelijkheid ingepakt in een behuizing. Het ketelwater in de waterpijpen wordt verhit door de vuurhaard en de verbrandingsgassen. Deze waterpijpen zijn bundels pijpen met onderlinge afstand tussen de pijpen waar de hete gassen omheen stromen. Door de vergroting van het soortelijk volume m²/kg en daarmee de daling van het soortelijk gewicht kg/³ van het water stijgt het verwarmde water naar de water-/stoomdrum. Er vindt daarmee een natuurlijke circulatie plaats. Het water circuleert door de drums en pijpen, in de valpijpen die gelegen zijn buiten de vuurhaard maakt het water een dalende beweging terug naar de waterdrums. De Verzadigde Stoom V.S. wordt boven uit de water-/stoomdrum afgenomen. In de stoomdrum bevinden zich de inwendige stroompijp om geen ‘bulb’ in het wateroppervlak te creëren en daarmee ‘waterslag’ te voorkomen. Daarover later meer. In de water-/stoomdrum bevindt zich ook de inwendige voedingwaterpijp om warmtespanningen te minimaliseren. In verhouding tot Vlampijpketels heeft een waterpijpketel zoals de Yarrow Ketel een groter verwarmd oppervlak, een geringere waterinhoud en produceert de ketel meer stoom van hogere temperatuur en druk. Deze combinatie vraagt een adequate niveauregeling van het waterpeil. Voordeel van de waterpijpketel is een kortere voorwarmtijd.

Foster-Wheeler Waterpijpketel

Foster-Wheeler Waterpijpketel met vuurhaardkoeling, oververhitter en economiser

Een ver doorontwikkelde stoomketel voor installaties met groot vermogen zoals energiecentrales aan de wal is de Foster-Wheeler Waterpijpketel. Maar ook als ketel voor stoominstallaties aan boord van schepen is de Forster-Wheeler goed toepasbaar, zeker in combinatie met een tweede ketel in spiegelbeeld met de Oververhitters naast elkaar. De Stoom-/Waterdrum is door meerdere pijpenbundels verbonden met de ‘hoofd’ Waterdrum. De wanden van de ketel worden ‘gekoeld’ door waterpijpen die eveneens in verbinding staan met de waterdrums en de stoomdrum en produceren daarmee ook stoom. De Oververhitter afgekort OVO bevindt zich tussen de hoofdbundels, de economisers afgekort ECO’s bevinden zich in het verbrandingsgassenkanaal. De Foster-Wheeler ketels hebben een relatief hoog Verwarmd Oppervlak m² in het bijzonder omdat zowel de drie wanden ook boven de branders en het ‘dak’ voorzien zijn van waterpijpen. De Foster-Wheeler ketel heeft dan ook een opmerkelijk hoog rendement en een grote capaciteit.

Waterpijpketels 
Bij Waterpijpketels bevindt het water zich in pijpenbundels en drums.
Bediening vraagt gekwalificeerde werktuigkundigen / operators.
Hoge eisen aan de waterkwaliteit.
Relatief korte opwarmtijd.

Werkdrukken van 40 tot 160 Bar

Stoomtemperaturen tot 550° Celsius Oververhitte Stoom

In energiecentrales stoomproductie tot 1800.000 kg / uur

VOORBEELD Schelde-Yarrow Ketels ss Nieuw Amsterdam (1938)

Één van de zes Schelde-Yarrow ketels ss Nieuw Amsterdam

De doorsnede van Schelde-Yarrow Stoomketel hierboven is complexer in aanzicht van het eerder getoonde concept. Maar in grote lijnen is het ‘Yarrow-model’ herkenbaar, met de volgende toelichting. Centraal in de tekening is de stoom-/waterdrum te zien, met links onderin de grote waterdrum. Deze beide drums zijn met rechte waterpijpen met elkaar verbonden. Rechts zijn twee kleinere waterdrums te zien, eveneens met pijpenbundels verbonden met de grote stoom-/waterdrum. Tussen de beide kleinere waterdrums is een derde drum te zien met een pijpenbundel, dit is de oververhitter. De stoom verlaat vanuit de stoomdrum als Verzadigde Stoom V.S. en wordt in de oververhitter in de situatie gebracht van Oververhitte Stoom O.S. De geruite vakken links- en rechtsboven zijn de luchtverhitters. Rechtsboven in de tekening bevindt zich een in toerental regelbare gelijkstroommotor welke een ventilator aandrijft. De aangezogen lucht stroomt door de pijpen terwijl de verbrandingsgassen om de pijpen heen stromen. De verhitte lucht wordt naar de branders rechtsonder aan het ketelhuis gevoerd. Met de ventilator kan de natuurlijke trek naar de rookgaskanalen worden ondersteund. Met de kleppen bovenin de ketel in de rookgaskanalen kan de temperatuur van de oververhitter worden geregeld. Wanneer de ene klep meer wordt gesloten wordt in dezelfde beweging via een stangenstelsel de andere meer geopend. De hete rookgassen worden daarmee meer of minder door de oververhitter geleid. Waarmee oververhitting kan worden voorkomen bij geringe stoomafname zoals opstoken en bij bij manoeuvreren. Links van de waterpijpketel is een stoomleiding te zien, deze voert naar de ‘roetblazers’ waarmee op gezette tijdens vol bedrijf de vuurkast wordt schoongeblazen door stoom onder hoge druk en van hoge temperatuur.

Brander zoals toegepast in een waterpijpketel

Hierboven een weergave van een stookoliebrander zoals toegepast in De Schelde-Yarrow waterpijpketels van ss Nieuw Amsterdam. Onderlangs wordt de verbrandingslucht aangevoerd afkomstig van de door een regelbare gelijkstroom elektromotor aangedreven ventilator, waardoor er ten opzichte van de omgeving een overdruk heerst. De voorverwarmde stookolie wordt toegevoerd via de toevoerleidingen en naar de branderkop gevoerd waar het verneveld wordt in de aangevoerde verbrandingslucht. De toevoer van de verbrandingslucht verloopt via een convergerend-divergerende straalbuis waarin continu de stookolie wordt gespoten en zo volledig mogelijk verbrand. De branderkop is zo ingericht dat door een kring van kleine openingen de brandstof wordt geperst.

Technische gegevens

Verwarmd Oppervlak V.O. pijpen 785 m²
Verwarmd Oppervlak V.O. Oververhitter 365 m²
Verwarmd Oppervlak V.O. Luchtverwarmer 879 m²

Stoomdruk 39 Bar
Stoomtemperatuur 395° Celsius
Stoomproductie 30 m³ / uur
Voedingwatertemperatuur 166° Celsius

Ketelrendement Hoge Verbrandingswaarde Ho 87%
Ketelrendement Lage Verbrandingswaarde Ho 92%

Verdampingsvoud 15,2
Stookolieverbruik 2 Ton / uur

Uitgaande van deze gegevens van ss Nieuw Amsterdam en de Stoomtabellen heeft de Oververhitte Stoom O.S. bij een temperatuur van 395° Celsius en een druk van 38 Bar een Enthalpie van 3204,35 kJ/kG.

HOOFDSTUK 3 STOOMTURBINES

Straalbuizen 

In stoomturbines wordt de oververhitte stoom via straalbuizen naar de schoepenwielen geleid. Oververhitte stoom betekent dat er zich geen waterdeeltjes in de stoom bevinden. Waterdeeltjes zouden erosie doen ontstaan aan zowel de straalpijpen als de schoepen. Straalbuizen zijn daarop ingericht dat richtingverstoringen, wervelingen plaatsvinden en dat er daarmee geen energie weergegeven in het begrip ‘Enthalpie verloren gaat.

Stel: we laten stoom ‘adiabatisch’ een straalbuis passeren. ‘Adiabatisch’ wil zeggen dat er geen warmte-uitwisseling plaats vindt tussen de stoom en de straalbuis. Het materiaal van de straalbuis is van dezelfde temperatuur als de stoom. Maar de stoomdruk voor de straalbuis ligt hoger dan de druk na de straalbuis. Dan zal de stoom van de ene zijde van de straalbuis naar de andere zijde gaan stromen. Wanneer daarbij de druk aan de ‘lagedrukzijde’ constant wordt gehouden en wanneer dit ‘Adiabatisch’ plaats vindt zal blijken dat de Enthalpie van de stoom vóór en ná de straalbuis constant is gebleven. Deze ‘proef’ wordt de ‘smoorproef’ genoemd.

Straalbuis Formules

Volume stoom per tijdseenheid

Stel, een straalbuis heeft een bepaalde doortocht F in m² waar stoom met een snelheid C in m/sec doorheen stroomt. Dat betekent dat er in een bepaalde tijd een bepaalde hoeveelheid stoom door de straalbuis is gegaan. Hoe sneller de stoomsnelheid C, hoe meer stoom in een bepaalde tijd. Hoe groter de doortocht F bij een bepaalde tijd, hoe meer stoom.

Stel, de Doortocht F bedraagt 0,002 m² en de stoomsnelheid C bedraagt 225 m/sec. Per seconde passeert er dan 0,002 * 225 = 0,45 m³ stoom. Bij een stoomsnelheid van 400 m/sec passeert er 0,002 * 400 = 0,8 m³ stoom.

Volume / tijd = Doortocht * Snelheid 

V m³/sec = F m² * C1 m/sec

Massa bij soortelijk volume

Stoom van een bepaalde druk en temperatuur heeft een bepaald soortelijk volume sv, op te maken uit de Stoomtabellen. Wanneer een Volume V stoom van een gegeven soortelijk volume sv in een bepaalde tijd een straalbuis passeert, dan heeft zich een bepaalde Massa M door de straalbuis verplaatst.

Bijvoorbeeld: in de Stoomtabellen is te lezen dat Oververhitte Stoom met een druk van 32 Bar en een temperatuur van 250° Celsius een soortelijk volume sv heeft van 0.0655 m³/kg. Op een zeker moment is er een Volume 1,2 m³ stoom gepasseerd. Het gewicht M van de stoom is dan 1,2 / 0,0655 = 18,3 kg Oververhitte Stoom O.S.  Met de getallen van het andere voorbeeld: Stel er is een Volome V van 0,8 m³ de straalbuis gepasseerd met een druk P van 36 Bar en een temperatuur van 350° Celsius, volgens de Stoomtabellen voor Oververhitte Stoom is het soortelijk volume sv 0,0745 m³/kg, 0,8 / 0,0745 = 10,7 kg.

Volume = Massa * soortelijk volume

V m³ = M1 * sv1 kg/m³

Massa = Volume / soortelijk volume

M1 kg = V m³ / sv1 kg/m³

Volume uit Doortocht F en Snelheid C in relatie tot Massa en Soortelijk Volume

Uit de bovenstaande blijkt dus dat Volume V in m³ het product is van de Doortocht F in m² maal de Snelheid C in m/sec en dat Volume V in m³ het product is van de Massa M in kg maal het soortelijk volume s.v. in m³/kg. Vandaar uit gelden de volgende formules:

Doortocht * Snelheid = Massa * soortelijk volume 

F1 m² * C1 m/sec = M1 kg * sv1 kg/m³

Massa = Doortocht * Snelheid  / soortelijk volume

M1 kg = (F1 m² * C1 m/sec) / sv m³/kg

Het product van de Doortocht F en de Snelheid C voor de straalbuis van stoom met een bepaald soortelijk volume is bij een Adiabatische passage van de straalbuis gelijk aan het product van de Doortocht F en de Snelheid C en het soortelijk volume na de straalbuis. In formule weergegeven:

Doortocht 1 * Snelheid 1  / soortelijk volume 1

=

Doortocht 2 * Snelheid 2 / soortelijk volume 2

(F1 m² * C1 m/sec) / sv1 m³/kg = (F2 m² * C2 m/sec) / sv2 m³/kg

Verklaring van letters en cijfers

M = de massa stoom in Kg/sec
Fo = de doortocht in m² bij de intredezijde
F1 = de doortocht in m³ bij de uittredezijde

Vb = het volume van de stoom in m³ bij de intrede (beginvolume)
Ve = het volume van de stoom in m³ bij de uittrede (eindvolume)

Ca = de snelheid van de stoom in m/sec bij intrede (beginsnelheid)
Co = de snelheid van de stoom in m/sec bij uittrede (eindsnelheid)

Pb = druk in Bar van de stoom bij intrede (begindruk)
Pe = druk in Bar van de stoom bij uittrede (einddruk)

Straalbuizen in verschillende vormen

Rechte straalbuizen

Een rechte straalbuis is vergelijkbaar met een pijp waarbij de doortocht M over de gehele lengte gelijk blijft. In werkelijkheid zal de in langsstromende stoom weerstand ondervinden langs de wanden. In theorie gaan we er vanuit dat er geen adiabatische afkoeling of opwarming plaats vindt en geen wrijving.

Divergerende straalbuizen

Een divergerende straalbuis heeft een nauwe ingang en loopt uit op een wijde uitgang. Het resultaat is dat de uitsroomsnelheid van de stoom wordt verlaagd bij een gelijkblijvende massa M bij uittreden, mits het soortelijk volume constant is gebleven.

Gegeven: van een straalbuis bedraagt de intrede doortocht F0 = 0,001 m² en de uittrede doortocht 0,002 m². De intrede snelheid van de stoom bedraagt 400 m/s bij een druk van 34 Bar en een Temperatuur van 350° Celsius. Bereken de uittrede snelheid C1

Oplossing: Bij een Bruk van 34 bar en een temperatuur van 350° Celsius heeft Oververhitte Stoom O.S. volgens de stoomtabellen een soortelijk volume van 0,0792 m³/kg en een Enthalpie van 3106,0 kJoule/kg.

F0 * Co = V m³/sec

0,001 m² * 400 m/sec = 0,4 m³/sec

F1 * C1 = V m³/sec

0,002 m² * C1 = 0,4 m³/sec

C1 = 0,4 / 0,002

C1 = 200 m/sec

Convergerende straalbuizen

Een convergerende straalbuis heeft een wijde ingang en loopt uit op een nauwere uitgang. Het effect op de stoom is dat de snelheid van de stoom in m/sec toeneemt, anders gezegd vindt is een hogere uitstroomsnelheid na de straalbuis plaats. Stel dat de uittrede doortocht F1 van de straalbuis 0,0005 m³ bedraagt, dan wordt de uittredesnelheid:

F0 * Co = V m³/sec

0,001 m² * 400 m/sec = 0,4 m³/sec

F1 * C1 = V m³/sec

0,0005 m² * C1 = 0,4 m³/sec

C1 = 0,4 / 0,0005

C1 = 800 m/sec

Deze 800 m/sec overschrijdt verre de Kritische Snelheid Ck van 450 m/sec waarbij de Enthalpie van de stoom voor en na de straalbuis niet gelijk zullen zijn, er zal in de straalbuis energie omgezet zijn in Kinetische Energie (energie in snelheid) welke niet meer als druk, warmte of mogelijkheid tot expansie beschikbaar is na de straalbuis. Om onder de Kritische Snelheid van 450 m/sec te blijven ‘mag’ de straalbuis convergeren tot:

F1 * C1 = V m³/sec

F1 m² * 450 m/sec = 0,4 m³/sec

F1 = 0,4 / 450

F1 = 0,0008 m²

Convergerend-divergerende straalbuizen

De convergerend-divergerende straalpijp zet de druk om in snelheid. In het eerste deel van de convergerend – divergerende straalpijp neemt de snelheid van de stoom toe, na de vernauwing neemt het soortelijk volume van de stoom toe. Wanneer dit proces in een adiabatische expansie plaatsvindt, ofwel er geen warmte-uitwisseling plaats vindt blijft voor en na de straalbuis de Enthalpie ofwel de energie per kg stoom geheel behouden.

Straalbuis met Regelkegel

Hierboven een weergave van een ronde Convergerend – Divergerende Straalbuis, waarbij in het convergerende een afsluitende kegel is geplaatst welke verplaatst kan worden om de Doortocht F af te sluiten en te regelen. De oppervlakte van een cirkel wordt berekend door de formule π/4 D². We concentreren ons op het vlak bij de intrede van de Stoom aan de linkerzijde van de straalbuis. Stel dat de Intrede van de straalbuis een diameter heeft van 5 centimeter. De totale oppervlakte van dit cirkelvormige vlak bedraagt dan π/4 5² is 19,625 cm². Wanneer de kegel in de rechter positie bijvoorbeeld in het vlak van de intrede 3 centimeter van de diameter afsluit (rondom een vrije doorlaat van 1 centimeter) dan bedraagt die oppervlakte π/4 3² is 7,065 cm². De Doortocht is dan 19,652 – 7,065 = 12,587 cm² ofwel een Doortocht F van  0,00126 m². Met de kegel in de linker positie met in het vlak van de intrede een ‘bedekking’ van 1,5 centimeter wordt de situatie als volgt: π/4 *1,5 maakt 1,766 cm². 19,652 – 1,766 = 17,886 cm² ofwel een Doortocht F van 0,00178 m².

HOOFDSTUK 4 WERKINGSPRINCIPES TURBINES

Gelijkdruk – of impulsturbine

Bij gelijkdruk stoomturbines vindt de volledige expansie van de stoom plaats in de vaststaande straalbuizen of leischoepenkrans voor de draaiende schoepenwielen. De druk en de potentie tot expanderen van de stoom wordt omgezet in snelheid van stoom. De met snelheid gepaard gaande stoomstraal strijkt langs bewegende loopschoepen en stilstaande leischoepen waarbij de druk constant blijft en de snelheid meermalen wordt hersteld bij de doorstroom langs de serie schoepen.

Gelijkdrukturbines

Gelijkdrukturbines werken volgens het principe van kinetische energie. De snelheid van de stoom brengt de turbine in beweging bij een gelijke druk gedurende het hele proces van energieomzetting.

Overdruk – of reactieturbine

Bij overdrukturbines expandeert de stoom zowel in de stilstaande straalbuis of leischoepenkrans, en in de daaropvolgende loopschoepen- en leischoepenkransen. Bij overdrukturbines neemt de de doortocht van de leischoepen af, waardoor de stoomsnelheid weer toeneemt en daarmee de reactiekracht wordt uitgeoefend op de loopschoepen. De stoomdruk is bij intrede in de turbine hoog en neemt af gaandeweg langs de schoepenkransen.

Overdrukturbines

Overdrukturbines werken volgens het principe van zowel de snelheid als het expanderen van de stoom langs de loop en leischoepen. Gedurende het proces van energieomzetting daalt geleidelijk de stoomdruk.

Turbineschoepen

De oververhitte stoom wordt door de straalbuizen naar de schoepen op de turbinewielen geleid. Hieronder is één schoep weergegeven ter illustratie. In werkelijkheid bevinden zich meer tientallen schoepen op een loopwiel. Waar stoom uit de straalbuizen de schoepen als reactie in beweging zet. Uit de tekening hieronder valt op te maken dat bij deze ene symmetrische schoep uitsluitend in het midden van de schoep de kracht evenwijdig aan de schoep in beweging wordt gezet. Aangezien de schoep een gebogen oppervlak heeft werken er te ontbinden krachten in op de schoep. Een stoomdeeltje werkt loodrecht in op het oppervlak van de schoep. Buiten het midden van de schoep zijn er ook zijdelingse krachten Kh en diagonale krachten Kr werkzaam op de schoep. R zijn reactiekrachten, de reactie tussen een stoomdeeltje en de schoep. De som van alle ontbonden Kv krachten is de totale kracht per schoep die via de schoepen het schoepenwiel in beweging brengen en houden.

Resultanten van stoomkrachten op een schoep

HOOFDSTUK 5 TYPEN STOOMTURBINES

GELIJKDRUK TURBINES

De Laval stoomturbine

De Zweedse ingenieur De Laval heeft in 1883 een (bruikbare) gelijke drukturbine geconstrueerd, die de naar hem vernoemde De Lavalturbine wordt genoemd.  Een stoomturbine van het De Laval-type is een axiale gelijkdruk stoomturbine met één of meerdere parallel geplaatste straalbuizen en één loopwiel met daarop een schoepenkrans. De stoomdruk expandeert in de straalbuizen tot de gewenste druk en snelheid en zet het loopwiel in beweging. Na het loopwiel is niet de druk maar wel de snelheid in meter per seconde gedaald, de snelheid van de stoom is zoveel mogelijk omgezet in snelheid van de schoepenkrans en daarmee in omwentelingen per minuut, gelegen tussen de 15.000 a 20.000 omwentelingen per minuut. Vandaar dat door middel van een tandwielkast een vertraging nodig is om tot bruikbare toerentallen te komen. Een De Laval turbine is een gelijkdruk turbine met één druktrap gevolgd door één snelheidstrap; bestaande uit de straalbuizen en het loopwiel met schoepenkrans.

De Laval-turbine

Een De Laval-turbine is een gelijkdruk turbine met één druktrap gevolgd door één snelheidstrap

De Laval turbine doorsnede
De Laval turbine Druk en Snelheidsdiagram

Curtis stoomturbine

Een stoomturbine van het Curtis-type heeft evenals het Laval-type één loopwiel, en er zijn meerdere straalbuizen aangebracht. Op het ene loopwiel bevinden zich twee (soms drie) schoepenkransen van gelijke diameter. Tussen de schoepenkransen in bevinden zich le- of keerschoepen die de uittredende stoom uit de eerste rij schoepen ombuigen richting de tweede rij loopschoepen. De Curtis-stoomturbine werkt daarmee volgens het tweetraps- of drietraps gelijkdrukprincipe. De stoomdruk na de laatste loopschoepen is gelijk aan de stoomdruk na de straalbuizen ofwel bij de eerste loopschoepen, maar de snelheid van de stoom is verlaagd en omgezet in beweging van het loopwiel. Het toerental van het loopwiel ligt beduidend lager dan bij de Lavalturbine, in de orde van grootte van 1500 a 1800 omwentelingen per minuut. Energieomzetting vindt plaats in twee a drie druktrappen, bestaande uit straalbuizen, loopschoepen en keerschoepen. Een Curtisturbine is een gelijkdrukturbine met één of meer druktrappen, elk met meer dan één snelheidstrappen.

Curtis-turbine

Een Curtis-turbine is een gelijkdrukturbine met één of meer druktrappen, elk met meer dan één snelheidstrappen

Curtis Turbine doorsnede
Curtis turbine Druk en Snelheidsdiagram

Zoelly stoomturbine

Stoomturbines van het Zoelly-type zijn gelijkdrukturbines met tien tot twaalf druktrappen. Qua opbouw is de Zoelly-turbine te beschouwen als een aaneenschakeling van twee of drie Curtis-turbinewielen op één turbinerotor. te De straalbuizen bij intrede van de stoom bestaan uit een ring van stilstaande lei- of keerschoepen. In de volgende druktrappen blijft de stoomdruk gelijk maar het soortelijk volume van de stoom neemt toe. Daarom neemt per druktrap de lengte van de loop- en leischoepen toe om het volume van de expanderende stoom zo effectief mogelijk te benutten. Het toerental van de rotor met de in lengte toenemende loopschoepen bedraagt 2500 a 3000 omwentelingen per minuut. Een Zoelly turbine is een gelijkdruk turbine met meer dan één druktrappen, elk met een eigen snelheidstrap.

Zoelly-turbine

Een Zoelly turbine is een gelijkdruk turbine met meer dan één druktrap, elk met een eigen snelheidstrap

Zoelly Turbine doorsnede
Zoelly turbine snelheid- en drukdiagram

OVERDRUKTURBINES

Parsons stoomturbine

In 1884 construeerde de Engelse constructeur Parsons een overdrukturbine die als volgt kan worden gedefinieerd: een Parsons-turbine is een overdrukturbine waarbij de stoom zowel in loop als leischoepen/keerschoepen expandeert. Bij de intrede wordt de stoom door stilstaande leischoepen deels geëxpandeerd naar de eerste krans loopschoepen gevoerd. De stoom heeft daarbij ook snelheid gekregen en brengt de rotor in beweging. Vervolgens stroomt de stoom naar de volgende krans leischoepen, waar wederom expansie plaatsvindt, waarbij er drukdaling optreedt. Dit proces herhaald zich langs alle drukgroepen van de turbine tot de stoomdruk gelijk is geworden aan de afvoerdruk. Er vind in de Parsons turbine doorlopend expansie van de stoom plaats waarbij de druk van begin tot eind gelijkmatig en evenredig afneemt. Bij dit type turbines wordt niet gesproken van ‘snelheidstrappen’ maar van ‘druktrappen’. Omdat de stoom zowel in de leischoepen als in de loopschoepen expandeert is de benaming ‘dubbele drukgroep’.  Een dubbele drukgroep bestaat uit lei – en loopschoepen. De Parsons-turbine is daarmee een reactie- ofwel een overdrukturbine.

Parsons-trurbine

Een Parsons-turbine is een overdrukturbine waarbij de stoom zowel in loop- als keerschoepen expandeert

HOOFDSTUK 6 SNELHEIDSDRIEHOEKEN

Gelijkdrukturbines werken op basis van de snelheid van stoom langs de schoepen. Waarmee een samenspel van verschillende snelheden ontstaat. Om te beginnen is er de schoepsnelheid U. Daarbij wordt gerekend met een gemiddelde schoepsnelheid, genomen op de gemiddelde radius ofwel straal van de schoep ten opzichte van het middelpunt van de as van het loopwiel. Immers: de uiteinden van de schoepen hebben een grotere snelheid in m/s dan de voeten van de schoepen. Vandaar dat de schoepsnelheid U een gemiddelde snelheid is in meters pers seconde.

Vervolgens is er de absolute stoomsnelheid ofwel absolute intredesnelheid C1. Dit is de snelheid van de stoom in meter per seconde die in de straalbuis is opgebouwd en waarmee de stoom de straalbuis verlaat en de loopschoepen bereikt. Deze stoom treedt de bewegende schoepen binnen onder absolute de intredehoek α1 Deze intredehoek β1 is constructief vastgelegd, het is de hoek die de straalbuizen maken met de loopschoepen. De Absolute intredehoek α1.

Maar de schoepen staan niet stil; deze zijn in beweging met een snelheid U in m/s. Hieruit volgt dat de stoom met een relatieve snelheid W1 bij de schoepen intrede. Het is de werkelijke snelheid waarmee stoom en schoepen met elkaar in aanraking komen, technisch gesproken de relatieve snelheid W1. Waarbij er ook sprake is van een relatieve intredehoek β1, het resultaat van de schoepsnelheid U en de absolute intredesnelheid C1, resulterend in een relatieve intredehoek van de stoom onder hoek β1.

Snelheidsparallelogram in ideale situatie

Intredeparallelogram

Om de hoeken en snelheden te construeren gaan we als volgt te werk. Stel we weten de stoomsnelheid C1 en de absolute hoek van de straalbuizen ten opzichte van de loopschoepen α1 en we berekenen de snelheid U uit de omwentelingssnelheid van de turbine. Dan zetten we eerst C1 uit onder hoek α1. Vervolgens construeren we lijn U’ als hulplijn, U’ is gelijk aan de lengte en de richting van schoepsnelheid U. Van hieruit construeren we een tweede hulplijn parallel aan de vector van de absolute intredesnelheid C1. Waarna in het geconstrueerde parallellogram de relatieve intredesnelheid W1 en de relatieve intredehoek β1 kunnen worden aangebracht.

Het kan ook volgens deze methode: allereerst worden de absolute intredesnelheid C1 en de schoepsnelheid U uitgezet, waarna de vector van de relatieve intredesnelheid W1 met de relatieve intredehoek β1 worden geconstrueerd. Hierbij kunnen de hulplijnen achterwege blijven en beperken we ons tot de intrededriehoek.

Uittredeparallelogram

Een vergelijkbare werkwijze kan worden toegepast aan de uittredezijde. Begonnen wordt met het intekenen van de relatieve uittredesnelheid W2 onder de hoek gelijk aan relatieve hoek W1. Vervolgens wordt vanuit deze vector U’ uitgezet waaruit de relatieve snelheid C2 kan worden geconstrueerd. De basis van het uittredeparallelogram is de snelheid W1 = W2 en β1 = β2. Hieruit volgt de absolute uittredesnelheid C2.

Belang van snelheid-regulering

Het toerental en vermogen van een gelijkdrukturbine wordt geregeld door de snelheid van de stoom langs de turbineschoepen. Deze regeling vindt plaats bij de intrede van de stoom van de straalbuizen ofwel de eerste leischoepenkrans. Daarbij is het streven om de turbine zo efficiënt mogelijk te laten functioneren. Dit resulteert in een lager stoomgebruik, de stoomdruk in Bar en het aantal kilogrammen stoom per seconde dient immers in de stoomketel geproduceerd te worden hetgeen brandstof kost.

Een overhoeveelheid aan stoom werkt ook erosie in de hand. De stoom stroomt met overmatige snelheden langs de loop- en leischoepen zonder deze efficiënt in beweging te brengen. De relatieve intredehoeken en uittredehoeken zijn andere dan waar de stoomturbine voor is geconstrueerd. Vibraties en resoneren van de turbineschoepen en daarmee van de gehele stoomturbine als gevolg, waardoor overmatige belasting en slijtage van lagers en afdichtingen. Ook ‘overtoeren’ kan zich voordoen, waarbij de omwentelingssnelheid hoger ligt dan de bijbehorende vermogensvraag.

Verstoringen van de balans tussen geleverd vermogen Pe, de omwentelingssnelheid U, de stoomsnelheden C1 en C2 en de intredehoeken β1 en β2 kunnen zich om verschillende redenen voordoen.

Schoepsnelheid U reguleren

De absolute intredehoek van de stoom α1 ligt constructief vast. Maar door een hogere schoepsnelheid, een lagere vector U heeft de relatieve intredesnelheid W1 een lagere waarde en heeft de relatieve intredehoek β1 een grotere waarde. De turbine draait minder efficiënt. Aan de uittredezijde is de uittredehoek β2 eveneens toegenomen. De schoepen slepen als het ware de uittredende stroom mee wat een remmende werking op het schoepenwiel heeft. De uittredesnelheid C2 is hoger geworden, de vector C2 is langer, maar de navolgende schoepenkransen, zowel de leid- als de loopschoepen ondervinden een nadelige instroom. Op het ‘ontwerp-toerental’ levert de turbine rendabeler energie. Het komt dus aan op het reguleren van de Intredesnelheid C1. En daarmee de absolute uittredesnelheid C1, en daarmee de stoomconsumptie.

Doortocht * Snelheid = Volume/tijd

F1 * C1 = V m³/s

Snelheidsparallelogram en samengesteld snelheidsdiagram

Stoombedrijf ter illustratie, ss Nieuw Amsterdam (1938)

ss Nieuw Amsterdam machinekamer en ketelruim

1 Twee sets Hoofdturbines bestaande uit Parsons Hogedruk-, Parsons Middeldruk- en Parsons Lagedruk turbine, en een Parsons Achteruit turbine, via tandwielkasten aan de schroefassen verbonden.

2 Drie Turbine aangedreven generatoren voor het opwekken van elektrische stroom, bestemd voor elektrische pompen, dekwerktuigen, verlichting, luchtverversing en navigatie apparatuur.

3 Twee Dieselmotor aangedreven generatoren voor het opwekken van elektrische stroom wanneer er (nog) geen stoom van de Hulpketel of Hoofdketels beschikbaar is.

4 Zes Schelde-Yarrow waterpijpketels voor het produceren van stoom voor zowel de Hoofdturbines, de Turbine generatoren en het hulpbedrijf.

5 Een Schotse (Hulp) Ketel voor het opwekken van stoom in havenbedrijf. De Hulpketel kan stoom leveren aan de Turbine generatoren, de diverse pompen, dekwerktuigen en kan gebruikt worden voor de verwarming van dikvloeibare stookolie.

10 Ketelvoedingwaterpompen, deze pompen het circulerende voedingwater van de condensors van zowel de Hoofdturbines als de Turbine Generatoren naar de Stoomketels.

11 Smeeroliepompen, deze laten smeerolie circuleren door de Hoofdturbines en de tandwielreductiekasten.

12 Koelwaterpompen smeeroliekoelers, deze pompen koelwater door de koelers om warmte van de circulerende smeerolie vanuit de Hoofdturbines en de tandwielreductiekasten af te voeren.

13 Circulatiekoelwaterpomp, deze verpompen koelwater om de afgewerkte stoom van de Hoofdturbines in de (Hoofd)condensors te laten condenseren tot condensaat, dit is water dat gebruikt gaat worden als ketelvoedingwater.

14 Ballast- en Lenspompen, bedoeld om trimtanken (ballasttanks) vol of leeg te pompen en om lek- en condenswater overboord (uit het schip) te pompen.

15 Condensaatpompen Hoofdturbines, deze tappen de Hoofdcondensors af en verpompen het condensaat naar de ketelvoedingpompen.

20 Circulatiepompen Turbine generatoren, deze verpompen koelwater om de afgewerkte stoom van de Turbine generatoren in de generator condensors te laten condenseren tot condensaat, dit is water dat gebruikt gaat worden als ketelvoedingwater.

21 Noodlens- en Brandbluspomp, bedoeld om lek- en condenswater uit het schip te pompen en zeewater naar de brandblusleiding te pompen.

22 Koelwaterpompen Turbine generatoren, deze verpompen koelwater om de afgewerkte stoom in de condensors af te koelen tot condensaat.

23 Condensaatpompen Turbine generatoren, deze tappen de condensors van de Turbine generatoren af en verpompen het condensaat naar de ketelvoedingpompen.

24 Startlucht Compressoren, deze brengen lucht in startluchtvaten op een druk van 30 Bar waarmee de dieselgeneratoren worden gestart.

25 Stookolie Transportpompen, deze verpompen de stookolie naar de stookoliebranders aan de ketels.

26 Stookolie Trimpompen, deze verpompen stookolie van het ene naar het andere stookoliebunker om het schip recht te trimmen.

27 Lenspomp, bedoeld om lek- en condenswater overboord (uit het schip) te pompen.

28 Voedingpomp Hulpketel, pompt voedingwater naar de Schotse (Hulp)ketel.

ss Nieuw Amsterdam, Holland Amerika Lijn

6 Schelde-Yarrow Waterpijpketels
Stoomproductie 30 m³ oververhitte stoom / uur
Stoomdruk: 39 Bar
Stoomtemperatuur: 395 graden Celcius
1 Schotse ketel verhit stoomoppervlak 260 m2
Stoomdruk: 10 Bar
Voortstuwingsturbines: 2 maal 4 Parsons stoomturbines op 2 schroefassen
Vermogen: 19500 apk

Deze pagina is in ontwikkeling
en wordt gaandeweg uitgebreid

Disclaimer

Het bovenstaande is zo betrouwbaar mogelijk beschreven maar hieraan kunnen geen consequenties worden verbonden aangaand technische berekeningen of het slagen voor toetsen en examens. Deze zijn uitsluitend weergegeven om te komen tot inzicht van de werking van Stoomwerktuigen.