Werking van stoom
Werking
Hoewel er diverse typen stoomlocomotieven zijn ontwikkeld, is de werking steeds gelijk. Uitzonderingen zijn hybride stoom/diesellocomotieven en locomotieven met aandrijving door een snellopende stoommotor. Verder zijn er locomotieven die aangedreven worden door een stoomturbine.
Stoomvorming
Afb. 1: Indeling van stoomlocomotief
De nummers in de volgende beschrijving verwijzen naar afbeelding 1. Een stoomlocomotief heeft een stalen frame, met daarop een cilindervormige stoomketel. Achter en onder de ketel (3), deels in het machinistenhuis (5), bevindt zich de vuurkist (1). Hierin wordt de brandstof verbrand. De rook stroomt door een groot aantal vlampijpen naar de rookkamer (4) en vandaar naar de schoorsteen. De schoorsteen is niet hoog, maar de afgewerkte stoom gaat hier ook langs en trekt de rook mee, zodat de schoorsteen toch goed trekt. De hitte van het vuur wordt rechtstreeks en via de vlampijpen afgegeven aan het water in de ketel. Door de verhitting verdampt het water en verandert het in stoom. Stoom neemt 1325 maal zoveel ruimte in als water, maar aangezien de ketel afgesloten is, kan de stoom niet expanderen en daarom stijgt de druk, tot 15 à 20 bar.[1] De stoom, die een temperatuur heeft van circa 200 graden, wordt verzameld in de bovenkant van de ketel, zo hoog mogelijk, zodat er geen waterdruppels meekomen, bij voorkeur in een aparte stoomdom (7), dat is een verhoging op de ketel. Bij de meeste moderne stoomlocs wordt die stoom nog extra verhit tot meer dan 300 graden celsius door een oververhitter.
Daarvandaan gaat de stoom naar de cilinders (11), waarbij de stoomverdeling (12) zorgt voor de toevoer van stoom naar de cilinders (op het juiste moment en in de juiste hoeveelheden).
Apparatuur
Om een stoomlocomotief goed te laten functioneren is een veelheid aan apparatuur nodig. Hiervan is (onder meer) te noemen:
- De veiligheidsklep (8), die bij een bepaalde druk in de ketel opent, stoom afblaast en daarmee de druk in de ketel beperkt. Gaat de klep open, dan is de druk maximaal en dan weet de stoker dat hij zijn werk goed heeft gedaan. De veiligheidsklep moet echter niet te vaak opengaan, want er gaat stoomdruk mee verloren.
- De reeds genoemde stoomverdeling (13), die de stoom zo efficiënt mogelijk in de cilinders leidt. Tevens kan men hiermee de loc vooruit of achteruit laten rijden.
- De oververhitter (10), die de gevormde stoom droogt en verder verhit, waarmee een grotere expansiegraad wordt bereikt, hetgeen de efficiëntie verhoogt.
- De injecteur en de voedingspomp (21), die ervoor zorgen dat water in de ketel gepompt wordt.
- Bij sommige stoomlocs wordt het voedingswater eerst voorverwamd door een voorverwarmer die haar warmte krijgt van de afgevoerde stoom en/of rookgassen.
- De luchtpomp, voor de instandhouding van de druk in het remsysteem van de trein.
- De loodnagels. In de bovenwand van de vuurkist bevinden zich gaten die met loodnagels – loden proppen – zijn afgesloten. De loodnagels staan onder water en kunnen dus niet heter worden dan 200 graden (de temperatuur van het water bij een druk van 15 bar). Bevat de ketel te weinig water, dan smelten de loodnagels. De stoom blaast dan de vuurkist in en dooft het vuur. De stoker heeft dan wel wat uit te leggen, maar de schade blijft beperkt.
- De stoomfluit (23).
Brandstof
Als brandstof wordt meestal steenkool gebruikt, maar soms ook stookolie, hout of bruinkool. Meestal moet de stoker de brandstof op het vuur scheppen, maar bij grotere kolengestookte stoomlocomotieven gebeurt de aanvoer van brandstof automatisch, door middel van een schroef van Archimedes, die door een eigen kleine stoommachine aangedreven wordt.
Verder is er water nodig. Dit wordt met een voedingspomp aangevoerd.
Het is de taak van de machinist erop te letten dat er steeds voldoende stoomdruk is.
Aandrijfmechanisme
Afb. 2: Schematische werking
In de cilinder bevindt zich een zuiger met dubbele werking: de zuiger wordt heen en weer geduwd door er beurtelings stoom voor en achter te blazen. De stoomschuif (6, afbeelding 2) zorgt ervoor dat de verse stoom (rood) beurtelings voor en achter de zuiger komt, terwijl de afgewerkte stoom (wit) aan de andere kant via de stoomschuif naar de schoorsteen wordt geleid.
De zuiger is met een drijfstang verbonden met een kruk op een wiel, waardoor de heen-en-weergaande beweging van de zuiger wordt omgezet in een draaiende beweging. De andere wielen zijn met koppelstangen met het aangedreven wiel verbonden.
Een aparte kruk (2) op het wiel zorgt via de schaar (1) voor het bedienen van de stoomschuif. In de afbeelding beweegt de drijfstang (3) van de stoomschuif (6) tegengesteld aan de kruk, doordat de schaar (1) de beweging omkeert. Met hendel 8 kan de machinist de drijfstang (3) van de stoomschuif naar de onderkant van de schaar verplaatsen. De drijfstang beweegt dan in dezelfde richting als de kruk, en de locomotief rijdt achteruit.
De afgewerkte stoom gaat via de rookkast (4, afbeelding 1) (aan de voorzijde van de locomotief) naar de schoorsteen. De trek van de schoorsteen fungeert als “blaasbalg” voor het vuur in de vuurkist.
Vanuit stilstand
Op het eerste gezicht lijkt het onnodig dat de cilinder zowel heen als terug wordt geduwd. Door de snelheid zal de machine immers toch wel doorlopen. Het is dan echter niet mogelijk de machine vanuit stilstand in beweging te krijgen. Om ook vanuit het dode punt (als de zuiger in de uiterste positie staat) in beweging te kunnen komen, heeft een locomotief met twee cilinders, een links en een rechts, een faseverschil van 90o. Er zijn ook locomotieven met drie of vier cilinders.