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.

1e HOOFDSTUK

STRAALBUIZEN

§ 1 Rechte straalbuizen

§ 2 Divergerende straalbuizen

§ 3 Convergerende straalbuizen

§ 4 Convergerend – Divergerende straalbuizen

2e HOOFDSTUK

STOOMTURBINES

§ 5 Gelijkdruk – of impulsturbine

§ 6 Overdruk – of reactieturbine

§ 7 Turbineschoepen

3e HOOFDSTUK

TYPEN STOOMTURBINES

§ 8 De Laval stoomturbine

§ 9 Curtis stoomturbine

§ 10 Zoelly stoomturbine

§ 11 Parsons stoomturbine

4e HOOFDSTUK

SNELHEIDSDRIEHOEKEN

§ 12 Intredeparallelogram

§ 13 Uittredeparallelogram

5e HOOFDSTUK

STOOMBEDRIJF

HOOFDSTUK 1

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.

Adiabatisch

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.

Hierin is

F de doortocht in m²

C de snelheid in m/sec

V het volume in m³

 

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)

§ 1 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.

§ 2 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. Bereken de uittrede snelheid C1

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

§ 3 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

§ 4 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.

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 2

WERKINGSPRINCIPES TURBINES

§ 5 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 over het verloop van een snelheidstrap, bestaande uit een set leischoepen en loopschoepen. Bij uittrede van de loopschoepen begint (bij een turbine met meerdere trappen) de volgende trap waar leischoepen de stoom snelheid en richting geven en energieomzetting plaats vindt door middel van kinetische energie in de volgend de volgende loopschoepen.

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.

§ 6 Overdruk – of reactieturbine

Bij overdrukturbines expandeert de stoom zowel in de stilstaande straalbuis of leischoepenkrans, en in de daaropvolgende loopschoepen- en leischoepenkransen. Bij overdrukturbines wordt de stoom door de leischoepen in de gewenste richting omgebogen en naar de loopschoepen geleid, het streven van de constructeurs is om de stoom zo min mogelijk tussen de leischoepen te laten expanderen, maar om de expansie in de loopschoepen te laten plaatsvinden, zodat er een combinatie van kinetische energie en expansie van de stoom plaats vindt.  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.

§ 7 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.

HOOFDSTUK 3

TYPEN STOOMTURBINES

GELIJKDRUK TURBINES

§ 8 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

§ 9 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

§ 10 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

OVERDRUKTURBINES

§ 11 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 4

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.

§ 12 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.

§13 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

HOOFDSTUK 5

STOOMBEDRIJF

Hierboven een schematische voorstelling van een voortstuwingsinstallatie. Links in het schema de stoomketel waarin uit ketelwater (donkerblauw) verzadigde stoom (rood) wordt geproduceerd. Deze verzadigde stoom wordt in de oververhitter (afgekort OVO) omgezet in oververhitte stoom. Deze wordt via de regelafsluiters naar ‘vooruit’ turbines of naar de ‘achteruit’ turbine geleid. De ‘vooruit’ turbines bestaat uit een groep van drie: als eerste wordt de oververhitte stoom de Hogedrukturbine ingeleid. Na de eerste energieomzetting verlaat deze stoom de HD-turbine en naar de Middeldrukturbine geleid, waar opnieuw een energieomzetting plaats vindt. Na de MD-turbine volgt de Lagedrukturbine. Daar verlaat de afgewerkte stoom de LD-turbine, en wordt deze opgevangen in de condensor waar deze waterdamp wordt omgezet in gecondenseerd water.

In de condensor heerst een vacuüm, deels door het afnemen van het soortelijk volume van de waterdamp vanwege afkoeling, deels door een vacuüm onderhouden door ejectoren.  De condensaatpomp pompt het water uit de condensor naar de voedingspomp, welke tegen de heersende keteldruk in naar de stoomketel voert. Via rondsels aan de turbineassen in de tandwiel- ofwel vertragingskast wordt de schroefas in beweging gezet. Voor het tegengesteld ofwel het achteruit laten draaien van de scheepsschroef is er een daarvoor bestemde ‘acheruit-turbine’ geïnstalleerd. Schematisch zijn de stoomafsluiters voor ‘vooruit‘ en ‘achteruit’ met elkaar verbonden zoals ook in werkelijkheid het geval is. Dit om te voorkomen dat turbines tegen elkaar in gaan werken. Aangezien een schip hoofdzakelijk vooruit zal varen en ‘achteruit’ alleen nodig heeft bij het manoeuvreren in havens en sluizen is het vermogen achteruit beperkt.

ss Nieuw Amsterdam

Stoombedrijf ter illustratie, ss Nieuw Amsterdam (1938)

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.

Ketelruim ss Nieuw Amsterdam

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

Zie ook de sloop van ss Nieuw Amsterdam

ss Rotterdam (1959)

ss Rotterdam is eind jaren ‘50 van de vorige eeuw gebouwd voor de Holland Amerika Lijn / NASM werd uitgerust met vier De Schelde waterpijpketels en twee Parsons turbinegroepen die elk een eigen schroefas en schroef aandreven met een vermogen van 17.500 Pk (12.870 KW) aan de as per groep bij 132 omwentelingen per minuut. Daarmee kon een kruissnelheid van 21 Knopen worden gevaren. Een maximum vermogen per groep van 19.250 Pk (14.150 KW) aan de as was haalbaar wanneer de omstandigheden daarnaar waren, bijvoorbeeld in crisistijd en varen in konvooi met marinebescherming. Op kruissnelheid kon worden gevaren op drie van de vier ketels in bedrijf, met één als reserve of in onderhoud. De schroefassen maakten op vol vermogen 135,5 omwentelingen per minuut.

De twee hoofdturbinegroepen voor de voortstuwing zijn elke opgebouwd uit een hogedruk-, een middendruk- en een lagedruk Parsonsturbine. De lagedrukturbines zijn uitgevoerd als een diabolo. Tevens zijn er aan de schroefas hogedrukachteruitturbines geïnstalleerd welke een alvermogend van 10.500 APK konden leveren bij 108 omwentelingen per minuut van de schroefas. De reden dat de bovenstaande tekst in voltooid verleden tijd is geschreven is omdat de machinekamer van ss Rotterdam weliswaar grotendeels in tact is maar niet meer geschikt om in bedrijf te zijn, min het bijzonder omdat de stoomketels vanwege aanwezig asbest wel zichtbaar zijn maar afgeschermd achter doorzichtige panelen.

Technische gegevens ss Rotterdam

Scheepswerf: Rotterdamse Droogdok Maatschappij
Bouwnummer: 300
Opdrachtgever: Holland Amerika Lijn/NASM/N.V. Mailschip Rotterdam
Kiellegging: 14 december 1956
Tewaterlating: 13 september 1958
Technische proefvaart 1 August 1959
Overdracht en proefvaart: 20 en 21 augustus 1959

Lengte over alles: 228,12 meter
Lengte tussen de loodlijnen: 198,12 meter
Breedte over alles: 28,65 meter
Diepgang: 9 meter
Waterverplaatsing: 31,016 m³
Bruto Register Ton: 38.645 ton
Kruissnelheid: 21.5 Knopen

Voortstuwing: 2 x 3 Schelde-Parsons stoomturbines
Voortstuwingsvermogen: 38500 APK (28.300 KW)
Scheepsschroeven: 2 driebladige schroeven 135,5 omw/min
Diameter scheepsschroeven: 6,096 meter
Gewicht per scheepsschroef: 23,5 ton
Boordnet: 4 turbine aangedreven draaistroomgeneratoren
capaciteit per generator: 1875 KVA 440 Volt

ss Rotterdam is het grootste passagiersschip ooit in Nederland gebouwd. Het voer van september 1959 tot oktober 1971 voor de Holland Amerika Lijn op de lijn Rotterdam – New York. Op 6 oktober 1971 was de laatste afvaart vanuit Rotterdam, waarna de HAL het schip inzette als cruiseschip. Na voor verschillende rederijen te hebben gevaren en gered te zijn van de slopershamer heeft het nu een bestemming in de Rotterdamse Rijnhaven gekregen met als functies logeren, leren en recreëren.

Zie ook Parsons turbines ss Rotterdam

Zie ook RDM archief bouwnummer 300

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.