OVER DE

OVER DE

EXHAUST-WERKING

BIJ

LOCOMOTIEVEN.

' h

OVER DE

EXHAUST-WERKING BIJ LOCOMOTIEVEN.

P R O E F S C H R I F T

TER VERKRIJGING VAN DEN GRAAD VAN

DOCTOR IN D E TECHNISCHE W E T E N S C H A P

AAN DE

T E C H N I S C H E H O O G E S C H O O L T E D E L F T ,

OP GEZAG VAN DEN R E C T O R - M A G N I F I C U S

Dr. S. HOOGEWERFF,

HOOGLEERAAR IN DE AFDEELING DER SCHEIKUNDIGE TECHNOLOGIE EN MIJNBOUWKUNDE,

VOOR DEN S E N A A T T E V E R D E D I G E N

op den 26en Maart 1907, des namiddags ten 3 ure,

DOOR

FREDERIC CONSTANT HUYGEN, werkt. mgr

GEBOREN TE AMERSFOORT.

Electrische Drukkerij D. VAK SIJH & ZOON — Rotterdam,

\

I

S T E L L I N G E N .

- - " i ^ T w - f ^ n

W^'^ **»«•

S T E L L I N G E N .

I. De invloed, welke verschillende omstandigheden op den geforceerden trek van locomotieven uitoefenen, is nog niet voldoende bekend, zoodat bij elk nieuw locomotief-type de juiste afmeting van schoorsteen met exhaustpijp gedeeltelijk

door experimenteeren moet worden vastgesteld.

Wenschelijk is het voortzetten van proeven, ten einde tot meerdere kennis hieromtrent te geraken.

II. Tot nu toe hebben de Ingenieurs der Deensche Staatsspoor- wegen de meest rationeele formules gegeven tot het ontwerpen van locomotiefschoorsteenen met exhaustpijp.

(Zie voor deze formules het „Bulletin de la Commission internationale du Congres des Chemins de Fer." Vol. 14.

No. 7. ler fascicule, p. 3823. — 1900.)

III. Het is uit een technisch en economisch oogpunt wenschelijk,

dat elk bestuur van eene belangrijke spoorwegonderneming

over een „studiebureau" beschikke.

IV. De aanschaffing, de bouw en de verbetering van locomo- tieven, geschikt voor het moderne spoorwegverkeer, eischen oprichting van proefstations ter beproeving en bestudeering van die locomotieven.

Ter aanvulling van de waarnemingen in een proefstation zal ook onderzoek in den gewonen dienst beslist noodig zijn om positieve gevolgtrekkingen te kunnen maken.

V. De weerstanden tusschen de exhaustpijp-monding en de zuigers, en niet de weerstanden in de exhaustmonding zelve, hebben het grootste aandeel in den tegendruk eener locomotiefmachine.

VI. Bij locomotieven (behalve bij die, werkend met oververhitten stoom) kunnen, voor eene onderlinge vergelijking der ketels, verdampingscijfers niet als grondslag dienen.

VII. Het verminderen van het locoraotiefgewicht per ontwikkelde

P.K. (noodig bij zeer zware locomotieven) zal voor een deel

bereikbaar zijn door het op ruimer schaal toepassen van

nikkelstaai bij de constructie van verschillende onderdeelen.

AAN MIJNE O U D E R S .

W O O R D V O O R A F .

Bij het voltooien van dit proefschrift, is het mij eene behoefte uiting te geven aan de gevoelens van hoogachting en dankbaarheid, die mij vervullen. Deze publicatie toch is de vrucht van arbeid, waarbij ik zooveler welwillende medewerking mocht ondervinden.

Allereerst aan U, hooggeschatte Prof.

mijn Promotor, betuig tk mijne erkentelijkheid voor uwe hulp en voor de belangstelling, waardoor U deze studie aanmoedigde, en vooral voor Uw voorbeeld van methodisch werken, dat ik in U bewonderde gedurende de jaren, waarin ik na afsluiting van mijnen academischen studietijd, bij U als assistent mocht werkzaam zijn. Zulk een methodisch werken toch vormt den grondslag van welslagen, vooral waar het geldt het technisch- wetenschappelijk onderzoek, waarbij de ingenieur met zoovele bijkomende omstandigheden heeft te rekenen. Ook aan U heb ik de kennismaking te danken met bekwame mannen, als den Heer G.

Ingenieur, Chef der Centrale Werkplaatsen der S. S. te Zwolle, aan

wiens wetenschappelijken zin ik het te danken heb, dat eene locomotief der

serie Nos. joi—4'jj der Staatsspoorwegen tot mijne proefnemingen

beschikbaar werd gesteld. Hem en den Heer S. E.

Hoofd-Ingenieur- Werktuigkundige, Chef van den Dienst van Tractie en Materieel der Mij tot Expl. van Staatsspoorwegen, betuig ik hierbij mijne welgemeende erkentelijkheid. De moeite, die men zich te Zwolle getroost heeft om op het terrein der Centrale Werkplaatsen de proefnemingen te doen verrichten, getuigt van onbekrompenheid en van groote belangstelling in de studie der locomotiefconstructie.

Daarom zij ook hier dank gebracht aan mijne wakkere medewerkers, de Heeren J. H.

en B.

Adjunct-Ingenieurs der S.S. en den Heer D.

Wzn., Ingenieur bij de Semarang-Joana-Tramweg-maatschappij en niet het minst aan de Heeren B. J.

en M. E.

resp.

Werktuigkundige en Werkmeester der S.S.

Ook van U, Heeren Studenten aan de Technische Hoogeschool te Delft, die mij hielpen bij het verrichten van de talrijke waarnemingen en van allen, die mij overigens met bereidwilligheid ter zijde stonden, bewaar ik eene dankbare herinnering.

Ten slotte aan U, Hooggeleerde Dr. M.

mijnen

besten dank voor de raadgevingen en aanwijzingen die ik, na

afloop der proefnemingen, bij het bewerken der studie mijner

waarnemingen, van U mocht ontvangen op natuurkundig gebied.

INHOUD.

H O O F D S T U K I.

Blz.

Inleiding. Toelichting tot de wijze van den opzet van studie

ter oplossing van het exhaust-vraagstuk 3 H O O F D S T U K II.

Overzicht van en kritiek over de door anderen verrichte

Onderzoekingen 15 H O O F D S T U K III.

Verrichte eigen onderzoekingen.

I. Aanleiding tot het onderzoek 4 5 II. Methode van het onderzoek 5 ° III. Uitvoering van het onderzoek.

a) Inleiding 5 ° fc) Voorloopige waarnemingen O l

c) Eigenlijke metingen ^ I IV. Berekeningen H O

Aanhangsel van Hoofdstuk III 123 H O O F D S T U K IV.

Conclusion 137

B ij 1 a g e n:

I. Literatuur 163 II. Figuren.

III. Teekeningen.

IV. Tabellen.

I.

I N L E I D I N G .

TOELICHTING TOT DE WIJZE VAN DEN OPZET VAN STUDIE TER OPLOSSING VAN HET

EXHAUST-VRAAGSTUK.

„La profonde difference entre les conclusions des études allemandes et américaines est surprenante....

. . . . Cette divergence d'opinions montre combien ces experiences sont délicates; sans doute aussi les résultats en sont modifies par une foule de circonstances accessoires." ^)

*

Dit gezegde, geuit op het internationaal congres der spoor- wegen door den bekenden ingenieur

van de Compagnie des Chemins de Fer de 1' Ouest francais, als rapporteur over: „la Question de 1' Echappement et du Tirage dans les Locomotives," geeft stof tot denken en wekt op tot daden.

Het gezegde duidt aan, dat het nog niet mogelijk bleek het vraagstuk der exhaustwerking algemeen op te lossen, en de wetten vast te stellen, waaraan die werking onderworpen is.

En toch dient de kennis van die wetten vooraf te gaan aan het ontwerpen van locomotief-schoorsteenen. Het duidt op de nood- zakelijkheid eener studie, waarbij analytische onderzoekingen tot synthese worden bruikbaar gemaakt. Die noodzakelijkheid nu is niet altijd, in voldoende mate, in het oog gehouden bij het onder- zoek der exhaustwerking van locomotieven, vooral niet door de

') Bulletin de la Commission internationale du Congres des Chemins de

Fer. Vol, XIV. 1900. No. i. Janvier 1900, p. 3a.

4

eerste onderzoekers, die proeven namen met te ideale omstandig- heden, waardoor zij verre van de werkelijkheid afbleven. Andere onderzoekers trachtten alle veranderlijke grootheden in onderling verband te brengen, waardoor zij evenmin tot de gewenschte oplossing kwamen, aangezien de exhaustwerking van den stoom- straal van een te groot aantal invloeden afhankelijk is. De onder- zoekers van den laatsten tijd hebben dit wel ingezien, doch zij overdreven nu naar den anderen kant door te veel op bepaalde typen van locomotieven te letten, ten gevolge waarvan eene algemeene oplossing evenmin gevonden werd.

Het wil mij daarom voorkomen, dat een eenvoudiger weg kan ingeslagen worden, ter vaststelling van de afmetingen van den schoorsteen voor eene nieuw te bouwen locomotief en wel door enkele der veranderlijke grootheden als bekend te onderstellen, op grond van hetgeen bij dergelijke gevallen de praktijk ten opzichte van de waarde dier grootheden heeft aangetoond.

Het vraagstuk is dan belangrijk vereenvoudigd; men heeft een vasten grondslag, waarop kan worden voortgebouwd.

Het feit, dat in de laatste jaren uitgebreide en kostbare

proeven, zoowel in Duitschland als in Amerika, worden genomen,

ter bestudeering van de werking van den stoomstraal in den

locomotief-schoorsteen, ten einde zoo mogelijk te geraken tot een

beteren vorm van dien schoorsteen ter verhooging van het

economisch rendement van de locomotief, wijst reeds op de

belangrijkheid van het vraagstuk. Door de grootere eischen bij

»

5

het moderne spoorwegverkeer aan de stoomlocomotieven gesteld, is het noodig geworden locomotieven van zeer groot vermogen te maken. Dit vergrooten der locomotieven brengt o.a. met zich het gebruik van ketels van aanzienlijk verwarmend oppervlak, dus met groote rompmiddellijn. Voor eene gegeven spoorwijdte zal, wegens de beperkte hoogte in het vrije-ruimte-profiel, tengevolge van de grootere middellijn van den ketelromp, dus ook van de rookkast, de hoogte van den schoorsteen slechts gering kunnen zijn. Vandaar de abnormaal lage schoorsteenen der moderne sneltreinlocomotieven. De vroeger toegepaste, langs practischen weg gevonden, afmetingen, noodig ter verzekering van een goeden geforceerden trek, zijn voor deze korte schoorsteenen van onwaarde geworden; het is daarom gewenscht het verschijnsel van het aanzuigen der rookgassen, door den straal van den afgewerkten stoom, meer wetenschappelijk te bestudeeren ten einde te kunnen zorgen, dat de locomotief hare zwaardere taak naar behooren kan vervullen.

Waar in het algemeen met eene verbetering van het rendement van een werktuig ook eene financieele besparing gepaard gaat, is eene verbetering in het rendement der in aantal steeds toenemende locomotieven, van des te meer beteekenis, naarmate ook het vermogen in paardekrachten per locomotief aanmerkelijk grooter wordt. Zoo zal in ons land eene vermindering van slechts 2^ % in het kolenverbruik, dat in 1905 voor alle locomotieven te zamen een bedrag van i 4 millioen gulden vertegenwoordigde, eene jaarlijksche bate van i i ton

m

6

gouds ten gevolge hebben. Nog sterker spreekt de geldelijke zijde van het vraagstuk, of beter gezegd het maatschappelijk verlies aan kapitaal, wanneer het verlies aan brandstof in aanmerking wordt genomen, dat wordt veroorzaakt door een minder juist geconstrueerden schoorsteen voor eene bepaalde serie locomotieven gedurende den geheelen levensduur dier locomotieven.

Geven bovenstaande overwegingen aanleiding tot nader ingaan op het vraagstuk, dan rijst in de eerste plaats de vraag:

op welke wijze behoort het onderzoek naar de exhaustwerking te worden uitgevoerd?

De geschiedenis wijst ons hierbij den weg. Zij stelt ons in staat de beste oplossingswijze te benaderen, omdat gebreken in vorige onderzoekingen vermeden en goede inzichten bijbehouden kunnen worden. De critiek op de geschiedenis dier onderzoekingen is dus van veel belang. Zooals reeds is opgemerkt, leerde zij de onmogelijkheid van eene oplossing van het vraagstuk in zijne grootste algemeenheid en de wenschelijkheid van aanneming van eenige grootheden. Uit het historisch overzicht, enz. zal blijken waarom de keuze hierbij is gevallen op de volgende twee grootheden:

a. Eene in de practijk goed gebleken snelheid van de verbrandingsgassen in de vlampijpen.

b. Eene in de practijk niet te schadelijk gebleken snelheid van den stoom in de exhaustmonding.

Het vraagstuk is daardoor teruggebracht tot de volgende

opgave:

7

Te bepalen den vorm en de afmetingen van een schoorsteen rondom een, met gegeven snelheid uitsiroomenden, stoomstraal, ten einde in de vlampijpen eene gewenschte snelheid der gassen te bereiken.

Reeds hier kunnen eenige gronden worden aangegeven, waarom de keuze is gevallen op genoemde twee grootheden.

De snelheid der verbrandingsgassen door de vlampijpen beheerscht voor een groot deel het ketelrendement. Door deze snelheid gering te houden, kunnen de gassen eene grootere hoeveelheid warmte afgeven aan het water dat de pijpen omringt en verdwijnt dus minder warmte nutteloos door den schoorsteen, ook zullen zich in de rookkast minder onverbrande deeltjes brandstof verzamelen. Dit laatste is eene der belangrijkste oorzaken van niet zuinig stoken, bij Amerikaansche locomotieven gaat dikwijls + 13 •^ der verbrandingswarmte der steenkolen verloren alleen aan vonken en onverbrande kooldeeltjes in de rookkast. Door eene geringe snelheid der verbrandingsgassen toe te staan, heeft men het voorts in de hand de brandstof zonder eene te groote overmaat van lucht te doen verbranden, enz.

Met betrekking tot de wenschelijkheid om uit te gaan van eene aangenomen stoomsnelheid in de exhaustmonding, kan onder meer worden aangevoerd:

ie dat de geschiedenis heeft bewezen dat eene oplossing van

het vraagstuk nimmer is bereikt als men de minimale stoom-

snelheid trachtte te bereiken, d. w. z. den laagst mogelijken

tegendruk op de zuigers als ideaal stelde;

8

2e dat onder gewone omstandigheden de tegendruk op de zuigers voor het grootste deel te wijten is aan weerstanden tusschen de exhaustmonding en de zuigers, en niet aan den doortocht door de exhaustmonding;

3c dat eene zeer wijde exhaustmonding te plotselinge stoomstooten veroorzaakt, omdat de uitlaatstoom in te korten tijd ontwijken kan, hetgeen een stootsgewijze trek op het vuur tengevolge heeft, waardoor de verbranding onvoordeelig wordt.

In de gestelde opgave is echter nog de volgende vraag

vervat: in welk verband staat de snelheid der gassen in de

vlampijpen tot de te bereiken luchtverdunning? De kennis van

dit verband is noodig, omdat er is uitgegaan van eene bepaald

vereischte snelheid der gassen in de vlampijpen en deze snelheid

is slechts te verkrijgen door eene bepaalde luchtverdunning in de

rookkast. Dit verband is afhankelijk van de weerstanden, die de

gassen te overwinnen hebben op hunnen weg vóór de intrede in

de rookkast, terwijl ook de temperatuur, resp. het soortelijk

gewicht der gassen, van invloed is. Gesteld nu, dat de onder-

zoekingen zoover gevorderd zijn, dat het mogelijk ware te

berekenen, hoe groot de luchtverdunning in de rookkast moet zijn,

om voor eene bepaalde locomotief de vereischte snelheid der

gassen in de vlampijpen te bereiken, dan rijst de moeielijke

vraag: hoe verkrijgt men deze vereischte luchtverdunning door

middel van een schoorsteen met stoomstraal, in aanmerking

genomen dat omgekeerd de te behalen luchtverdunning weer

afhankelijk is van den weerstand der gassen? Het ontgaan van

9

te groote complicatie bij de oplossing van deze vraag is een vierde argument om eene bepaalde snelheid van den stoom in de exhaustmonding aan te nemen.

De geschiedenis der verschillende onderzoekingen is mij nog eene nadere aanleiding geweest ter vereenvoudiging. Het wil mij wenschelijk voorkomen vorm en afmetingen van den schoorsteen te scheiden, op grond van de gebleken mogelijkheid om met eiken vorm van schoorsteen (hetzij cilindrisch, hetzij kegelvormig, enz.) eene bepaalde luchtverdunning in de rookkast te bereiken, mits de afmetingen, welke dien vorm bepalen, goed gekozen worden.

Uit deze mogelijkheid volgt, dat het aangewezen is, dien vorm van schoorsteen (hetzij cilindrisch, hetzij kegelvormig enz.) te kiezen, die den meest zachten trek verzekert, d. w. z. die de stootsgewijze opflikkering van het vuur, bij eiken stoomstoot, zooveel mogelijk vermijdt. Nu is het waar, dat vorm en afmetingen beide, dit stooten kunnen tegengaan, maar m. i. is de vorm van den schoorsteen hierbij van grooteren invloed dan de afmetingen, hetgeen ook uit mijne proefnemingen gebleken is. Wordt dus eerst de vorm van een schoorsteen vastgesteld, dan kunnen daarna de afmetingen van dien vorm worden bepaald.

Ten slotte valt hier op te merken dat de hoogteligging

van de exhaustmonding van veel belang is. Zij toch heeft

grooten invloed op de gelijkmatige verdeeling van den trek over

den geheelen vlampijpen-bundel en daardoor op de gelijkmatige

verbranding van de brandstof over den geheelen rooster. Hier-

mede hangt dan weer samen het meer of minder verteren van

l O

sommige plaatsen van de vuurkist, het meer of minder opkoken van het water, het meer of minder nuttige gebruik van het verwarmend oppervlak, zoowel in de vuurkist als in de vlampijpen, het meer of minder wegzuigen van onverbrande kooldeeltjes, enz. Hieruit volgt dus, dat de plaats van uitstrooming van den stoomstraal binnen nauwe grenzen is vastgelegd.

Na bovenstaande beschouwingen kan de opgave nu meer gepreciseerd luiden:

Te bepalen de afmetingen van een schoorsteen van gegeven vorm i), rondom een stoomstraal, die met een gegeven snelheid 2) en op gegeven hoogte 3) uitstroomt, ten einde diè luchtverdunning in de rookkast te verwekken, door welke de gewenschte snelheid 4) der gassen in de vlampijpen wordt bereikt.

Het door mij ingesteld empirisch onderzoek, dat aan de eigenlijke studie van het vraagstuk moest voorafgaan, was er op gericht, een begin van oplossing voor de hierboven gestelde opgave te zoeken. Allereerst was daartoe noodig de nauwkeurige kennis van de eigenschappen van den stoomstraal, die de zuigende werking veroorzaakt. Ten einde tot die kennis te geraken en te onderzoeken waarom en op welke wijze de schoorsteen de

") Een vorm, die stootsgewijze opflikkering van het vuur zooveel mogelijk vermijdt.

•) Eene snelheid, die een niet te hoogen tegendruk op de zuigers veroorzaakt, enz.

*) Eene hoogte, die den trek gelijkmatig over alle vlampijpen verdeelt

*) Eene snelheid, die een hoog ketelrendement verzekert.

II

aanzuigende werking van dien stoomstraal verhoogt, waren de proefnemingen zooveel mogelijk gericht op het leeren kennen van het verloop van:

de temperatuur, ]

de snelheid, en / in elk punt om en in den stoomstraal.

den druk, '

Bij die proefnemingen is gebruik gemaakt van verschillende schoorsteenvormen en van verschillende exhaustmondingen. Alle metingen zijn verricht over de geheele hoogte van den stoom- straal, d. w. z. beginnende bij de exhaustmonding tot aan den bovenkant van eiken schoorsteen.

Tegelijk werd bij bovengenoemde waarnemingen gezocht

naar het verband tusschen: de snelheid van de locomotief, den

druk in de exhaustpijp, den vorm van den stoomstraal, zoowel

als de te bereiken verdunning in de rookkast.

i«rt!lvr.

IL

OVERZICHT VAN EN KRITIEK

OVER DE DOOR ANDEREN VERRICHTE

ONDERZOEKINGEN.

1804.

laat den afgewerkten stoom in den schoorsteen blazen, zonder evenwel het nut voor oogen te hebben, daardoor den trek te verbeteren. Hij nam dan ook geen patent op deze inrichting.

Mei 1813.

past bewust het beginsel toe van het aanzuigen van rookgassen door den straal van den afgewerkten stoom, en wel omdat zijne locomotief van Februari 1813 geen voldoenden stoom maakte zonder de exhaustwerking. Wegens het geraas van de stoomstooten in den schoorsteen, krijgt de verbeterde locomotief (Mei 1813) van

den naam van „Puffing Billy" (eerste ritten op de Merthyr-Tydwil railway). Dit geluid werd verminderd door den stoom eerst te voeren naar een reservoir en vandaar naar den schoorsteen.

en

en anderen passen daarna steeds den geforceerden trek toe. Op behoorlijke afmetingen en verhoudingen van schoorsteen en exhaustpijp werd bij deze eerste locomotieven niet gelet ^).

Naarmate men echter van de locomotief meer gaat vergen en het aantal paardekrachten per vierkanten meter verwarmend

') Toch is men er in een eeuw tijds niet in geslaagd de afmetingen van schoorsteen en exhaustopening reeds bij de ontwerpen der locomotieven geheel vast te stellen. Als voorbeeld mogen gelden de wereldberoemde nieuwste locomotieven van de „Compagnie du Chemin de fer du Nord" serie 2.643—2.675.

Na eenigen tijd met goed gevolg in dienst geweest te zijn, is alsnog eene wijziging in schoorsteen en exhaustmonding aangebracht, na voorafgaande interessante proeven, genomen door den ingénieur d'études KOECHLIN. Het gevolg is geweest, dat deze locomotieven, aanvankelijk voor 300 ton treingewicht

•*^

i 6

oppervlak opvoert, is het meer en meer noodig, het verschijnsel van het aanzuigen van gassen door den stoomstraal te bestudeeren.

1838. Als eerste onderzoeker zien wij optreden

die den regel opstelt, dat de exhaustpijpdruk recht evenredig is aan de zuigersnelheid en aan de per uur ontwikkelde stoomhoeveelheid en omgekeerd evenredig aan de doorsnede van de exhaustmonding.

Het twijfelachtige hierin is: de scheiding van zuigersnelheid en stoomhoeveelheid. Deze zuigersnelheid en stoomhoeveelheid

hangen in meer dan één opzicht van elkander af. Ook houdt D E

PAMBOUR

exhaustpijpdruk en tegendruk op de zuigers voor gelijkwaardig, iets wat in

1847 door

en

als onjuist bevonden wordt.

neemt proeven met variabele exhaustmonding, doch komt hiermede niet tot een resultaat.

1850.

doet proefnemingen met een groot aantal locomotieven.

Hij komt tot een tiental conclusies, waarvan er hier drie besproken zullen worden:

ie. „De exhaustmonding is afhankelijk van het rooster- oppervlak, van de vrije doortocht van de vlampijpen, van de schoorsteendoorsnede en van de grootte van de rookkast. Hoe grooter het roosteroppervlak en de doortocht der vlampijpen is,

gebouwd, later 335 ton trokken, dus nog een D-rijtuig meer, met behoud van dezelfde snelheid (iio a 120 K.M. per uur op horizontale baan of 90 è 92 K.M. op hellingen van 5 "1^), terwijl het stoomhouden vergemakkelijkt is. Dat wil zeggen: deze zoo uiterst geperfectionneerde loco- motieven zijn nu in staat 11,7 % meer nuttige last te vervoeren, alleen door verbetering der exhaustwerking.

Zie „Notice sur le materiel, les appareils et les tableaux exposes (^ Liège) par La Compagnie du Chemin de fer du Nord."

I?

hoe nauwer de schoorsteen kan zijn, en hoe kleiner de rookkast, des te grooter kan de exhaustmonding gehouden worden."

2e. „De kleinst onderzochte schoorsteendoorsnede is 1/15 van het roosteroppervlak en laat een wijdere exhaustmonding toe, dan welke andere (wijdere) schoorsteen ook. Voor zoover de waarnemingen gaan, is deze verhouding (1/15) het gunstigst."

3e „De exhaustmonding kan 1/66 tot 1/90 van het rooster- oppervlak bedragen, mits de vrije doortocht der vlampijpen (in de vuurkistpijpenplaat) 1/5 tot i/i© van het roosteroppervlak bedraagt."

CLARK

beschouwt dien schoorsteen als de werkzaamste, die de wijdste exhaustmonding toelaat. De nauwste schoorsteen is dan volgens hem de beste, maar deze geeft meestal een te scherpen trek, dus de verbranding geschiedt met een te groote overmaat van lucht en er zullen te veel vonken uitgeworpen worden. Om de vraag dus juist te stellen, had hij van eene bepaalde luchtverdunning moeten uitgaan. Dan was dus toch de nauwste schoorsteen volgens hem de beste gebleven, maar een nauwe schoorsteen kan bij eenzelfde luchtverdunning als van een wijden i), toch slechter zijn: ie wegens het in meerdere mate vonken, 2e wegens eene te wijde exhaustopening, die den uit- siroomenden stoom niet accumuleert, maar stoomstooten toelaat, die het vuur doen dansen en daardoor eene oneconomische verbranding veroorzaken.

Volgens de nieuwere onderzoekingen is de grootte van de ') Hoe men dit bereikt zal later blijken.

a

i6

rookkast van geen invloed. Wat

conclusies 2 en 3 betreft, gelden de maten die hij opgeeft alleen voor de Engelsche locomotieven van dien tijd, die een zeer klein roosteroppervlak hadden, omdat daarop goede kolen in dikke lagen werden verbrand. Door de onderzoekingen van

in den zomer van 1850, schonk

ook aandacht aan de hoogte van de exhaustmonding ten opzichte van den schoorsteenvoet.

1858. Acht jaar later begon Prof.

zijne studiën over de exhaust en verzamelde deze in zijn bekend werk: „Das Loco- motiven-Blasrohr." Hij gaf ook de eerste wiskundige beschouwing over het verschijnsel. Wel hadden

,

en

WEISBACH

dit getracht te doen, maar zij waren niet geslaagd.

Prof.

ondernam zijne onderzoekingen in de werkplaatsen der Zwitsersche Nordbahn te Zurich met een toestel, dat de exhaustwerking van locomotieven nabootste, echter met dit verschil, dat de stoomstraal volkomen continu bleef. Het aan- zuigen van de lucht geschiedde door ééne enkele opening, waarvan de doortocht veranderd kon worden (hij liet gewone koude dampkringslucht aanzuigen, dus geene verbrandingsgassen).

De schoorsteen kon vijf verschillende diameters hebben en de stoommonding twee, bovendien was het mogelijk de stoomspanning in de uitstroomingsbuis te varieeren van o tot 2 atm. overdruk.

Zoo toegerust, deed hij waarnemingen omtrent hoeveelheden

aangezogen lucht en de grootte van de luchtverdunning bij

veranderlijke luchttoestroomingsopening, veranderlijke stoora-

opening, veranderlijken stoomdruk en bij verschillende schoorsteen-

19

wijdten. Zijne uitkomsten wist hij op mathematische wijze te verifieeren en toe te passen op locomotieftoestanden, waarbij zeer interessant zyn de beschouwingen over de vier regelingsmethoden van den trek van locomotieven, n.l. het veranderen van de exhaustmonding, het veranderen van de schoorsleenmiddellijn, het dichtstoppen van vlampijpen en het varieeren van den weerstand, die de aangezogen gassen ondervinden.

ZEUNER

neemt aan dat de afstand van exhaustopening tot den voet van den schoorsteen van geen invloed is (uitgezonderd, zooals vanzelf spreekt, wanneer de stoomstraal tegen den voet van den schoorsteen terugslaat bij te diepen stand van de exhaust- monding) en verder dat de verschillende hoogten van den schoorsteen binnen zeer wijde grenzen (die grenzen waren hoogte 30 maal en 3 maal de diameter) dezelfde resultaten opleveren.

Latere onderzoekers moesten hem dit op goede gronden weer- spreken. Vorm en inhoud van de rookkast zijn, volgens hem, ook van geen invloed. Dat

niet veel aandacht gewijd heeft aan nauwkeuriger metingen omtrent den invloed van de schoorsteen- lengte is hierdoor verklaarbaar, dat de locomotiefschoorsteenen van dien tijd lang en altijd cilindrisch waren.

ZEUNER

stelt ook de wet op, reeds door

vermoed, maar door dezen laatste niet bewezen:

de luchtverdunning neemt in rechte reden toe met de

stoomspanning. En verder: de luchtverdunning hangt niet af van

de absolute grootte van stoomopening, luchttoestroomingsopening

en schoorsteenwijdte, maar van de verhouding:

2 0

schoorsteendoorsnede luchttoestroomingsopening stoomopening ' stoomopening Dan merkt hij nog op :

„Jedem bestimmten Werthe von n (verhouding van lucht- toestroomingsopening tot stoomopening) entspricht ein vortheil- haftester Werth i) von m (verhouding van schoorsteendoorsnede tot stoomopening), bei welchem also die Luftverdünnung am starksten, folglich auch die angesaugte Luftmenge ein Maximum ist.

Die theoretischen Betrachtungen liefern ein Formel, durch welche der genannte Werth mit voller Scharfe sich ergiebt."

Aangezien echter de afstand van exhaustopening tot schoor- steenvoet wel van invloed is, gaat dit zonder meer niet op, afgezien nog daarvan, dat de vorm van den schoorsteen van invloed is (dit behoefde

in zijn tijd van cilindrische schoorsteenen niet in aanmerking te nemen).

ZEUNER

komt verder tot deze conclusie:

Met dezelfde stoomopening en denzelfden schoorsteen neemt de hoeveelheid aangezogen lucht toe in rechte reden met den wortel uit den stoomoverdruk, en verder;

j L j - luchtverdunning in rookkast • , i-.i

de verhouding r—, ^ ,—; is veranderhjk en

*=* exhaustoverdruk •^

hangt bij de gewone exhaustinrichting af van de doorsnede der stoomopening en van eene coëfficiënt, die afhankelijk is van de weerstanden van de rookgassen. Deze verhouding schijnt weinig in grootte te verschillen bij verschillende locomotieven, eene normale snelheid en goed stoken voorop gesteld.

') Onafhankelijk van de stoomspanning.

21

De fout, welke

maakt door de conclusies van zijne proeven op locomotieven toe te passen, is gelegen in het feit, dat de verhoudingen der diameters van exhaustmonding en schoorsteen van zijn toestel niet dezelfde zijn, als bij uitgevoerde locomotieven. Zoo werkt

met eene stoommonding van

IC mM. en een schoorsteendiameter van 40, 80, 100, 120 en 150 mM. Vergelijkt men dit met eene locomotiefexhaustpijp en met een locomotiefschoorsteen, dan blijken de schoorsteenen van

ZEUNER

veel te wijd te zijn voor de gebruikte stoomopening van 10 mM. middellijn.

Dit alles neemt niet weg, dat Prof.

de verdienste heeft, het eerst het verschijnsel meer natuurwetenschappelijk te hebben opgevat, terwijl hij er eene zeer vernuftige theorie aan verbond.

De eindformule luidt:

L _ V / - V F J VF ;

waarin F = opp. der exhaustmonding, Fi = opp. der schoorsteendoorsnede,

Fa = opp. van den vrijen doortocht van alle vlampijpen, 1" = coëff. van weerstand voor de verbrandingsgassen, L = gewicht van de aangezogen lucht,

D = gewicht van den verbruikten stoom,

en voor de luchtverdunning in de rookkast § in mM. water

2 ( F i - , ) h

22

waarin h = overdruk van den exhauststoom in mM. kwik (over- druk op den atmospherischen druk)

en a = l i l ^ /3 (a + p)

y = dichtheid van den uitgestroomden stoom (in den schoorsteen) q == constante weerstandscoëfficiënt (weerstand in de monding

van de exhaustpijp)

Oil en /3 zijn constanten (binnen zekere grenzen van spanning) uit de formule van

voor de dichtheid van verzadigden stoom:

y = ai + /3p.

Uit de formule (i) blijkt het „automatische" van de exhaust- werking, aangezien bij zwaarder werk, dus grooter D, ook L bijna evenredig toeneemt. [L moet juist grooter worden om door heviger verbranding meer stoom (D) te kunnen leveren.]

(i) en (2) gecombineerd, levert na eenige berekening op:

waarin S = 0,009227 empirisch bepaald is.

Als

zijne theorie op locomotieven gaat toepassen en waarden invult voor ,u, 3 en « komt hij tot goede resultaten, als hij zijne uitkomsten vergelijkt met bestaande machines.

Toch kan zijne studie niet van direct nut voor moderne

locomotieven zijn, want gesteld dat men uit vele waarnemingen

juiste waarden voor bovengenoemde coëfficiënten kon invullen,

wat baat dit als de abnormale schoorsteenvorm (niet te ontgaan

23

door het profiel van vrije ruimte) de luchtverdunning anders doet zijn als de berekening aangeeft?

I860. Onafhankelijk van

begonnen in Frankrijk Nozo en

GEOFFROY

hunne onderzoekingen. Zij maakten slechts gebruik van cilindrische schoorsteenen; andere vormen waren er niet.

Ze stelden een toestel naast een locomotief ketel op, dat deheete verbrandingsgassen van dezen opzoog, door middel van de zuigende werking van een constanten stoomstraal De stoom werd geleverd door dienzelfden ketel en doorliep een reservoir van 320 L. inhoud, om kleine drukwisselingen te voorkomen. De buis die de rookgassen aanvoerde (250 mM. diameter), bevatte een anemometer, waarvan het aantal omwentelingen door een kijkglas kon worden afgelezen. Van deze buis kon door verschillende diaphragma's de doortocht zoodanig gewijzigd worden, dat men kon opkhmmen van een doortocht van 20 gaten, elk met een middellijn van 9 mM., tot op een van 320 gaten.

Er werden 4 exhaustmondingen van 10, 14, 20 en 28 mM.

middellijn gebruikt en 10 schoorsteenen van 35 tot 202 mM.

diameter. De hoogten der schoorsteenen waren gelijk aan achtmaal hunne middellijn. De spanning in het reservoir kon wisselen van 50 tot 600 mM. kwikdruk.

NOZO

en

hebben, behalve met het bovengenoemde

toestel, bovendien proeven op rijdende locomotieven genomen. Ze

gebruikten hierbij zeven verschillende schoorsteenen van eene door-

snede van: 226, 277, 319, 357, 391,422 en 452 mM. De lengten waren

voor alle gelijk 1900 mM. De resultaten met deze schoorsteenen ver-

24

kregen, werden alleen beoordeeld naar de bereikte luchtverdunning, met zuinig stoken, rustig branden, weinig overhalen van gloeiende kooldeeltjes naar de rookkast, enz. werd geen rekening gehouden.

Het onderzoek met het gebruikte speciale, hierboven bedoelde, toestel gaf aanleiding tot de volgende conclusies:

1. Die schoorsteenlengte, welke den grootsten trek geeft, is niet afhankelijk van de grootte van de exhaustmonding, noch van den totalen vrijen doortocht der vlampijpen, noch van den exhaustdruk, maar slechts van de schoorsteendoorsnede. De verhouding van lengte tot wijdte moet 6 ^ 8 bedragen.

2. De trechtervormige inloop aan den schoorsteenvoet schijnt zonder merkbaren invloed op den trek te zijn.

3. Een schoorsteen van doelmatige lengte kan in de rookkast tot in het vlak van de bovenste vlampijpen reiken, zonder dat de trek er onder lijdt, wanneer tegelijk ook de exhaustmonding dieper wordt aangebracht; daarentegen neemt de trek sterk af, als het onderste schoorsteeneinde tot in den stroom der gassen komt.

4. Bij genoegzame lengte van den schoorsteen (6 tot 8 maal den diameter) is de afstand van de exhaustmonding tot den onderkant van den schoorsteen van geen invloed, zoolang deze afstand minder dan I K maal den schoorsteendiameter bedraagt;

bij grooter afstand neemt de trek snel af.

Komt de monding in den schoorsteen, dan schijnt dit geen schadelijken invloed uit te oefenen, mits de schoorsteenlengte van af de exhaustmonding, de meergemelde lengte bezit.

5. Bij gegeven vrijen doortocht der vlampijpen en gegeven

25

uitstroomingssnelheid van den stoom, bestaat er eene schoorsteen- doorsnede welke den grootsten trek veroorzaakt (de schoorsteen moet weer 6 è 8 maal langer dan wijd zijn). In de nabijheid van deze doorsnede kan de wijdte van den schoorsteen tamelijk sterk varieeren, zonder dat het een grooten invloed op de aangezogen luchthoeveelheid heeft.

6. Wanneer, bij denzelfden vrijen doortocht der vlampijpen, de exhaustmonding van dubbele tot enkele grootte veranderd wordt, geeft toch de onder 5 genoemde schoorsteen den grootsten trek, wat ook het bedrag van de uitstroomingssnelheid van den stoom zijn moge.

7. Een gewone schoorsteen van gegeven doorsnede en de daarbij behoorende enkele exhaustpijp, kan door een meervoudigen schoorsteen en door een meervoudige exhaustpijp bij benadering worden vervangen, d. w. z. de enkele wijde exhaust, kan door een bundel nauwe pijpen vervangen worden.

Voor conclusie i is een te langen schoorsteen gevonden, als men eene toepassing op locomotieven op het oog heeft. Dit zal later blijken bij de onderzoekingen van

Deze lengte is waarschijnlijk te wijten aan de te geringe afmetingen van het voor de proefnemingen gebruikte toestel.

Ook conclusie 2 is gebleken niet juist te zijn. De trechter- vormige verwijding is wel degelijk van gunstigen invloed.

Bij conclusie 3 komen nog geheel andere overwegingen in

het spel, bijv. de ongelijkmatige verdeeling van den trek door de

verschillende vlampijpen.

26

Het onder 4 vermelde is ook niet juist gebleken bij moderne verhoudingen.

De conclusie 5 is dezelfde als die van

en bleek ook bij latere constructies waar te blijven op den slotzin na.

De gevolgtrekking 6 gaat ook niet op voor moderne locomotiefschoorsteenen, gelet op de proeven van Prof.

-1863.

experimenteert in de spoorwegwerkplaatsen te Lingen bij Meppen. Ook hij werkt daarbij met eene afzonderlijke inrichting, welke de exhaustwerking van locomotieven nabootst.

Hij komt meer dan een zijner voorgangers de werkelijkheid nabij.

Zijne proeven brengen hem tot de vinding van den konischen schoorsteenvorm.

Verder past hij zijne resultaten op bestaande locomotieven toe; wegens gedeeltelijke mislukking hiervan, bouwt hij een grooter proefapparaat om de vergelijking met gewone locomotieven beter te doen zijn. (Het eerste toestel had eene exhaustmonding van 8 m.M. diameter, de zes cilindrische schoorsteenen hadden middellijnen van: 31,75; 33,3; 38,0; 39,6; 42,8 en 44,45 m.M.) Dit tweede toestel heeft eene exhaustmonding van 19 m.M., en eene van 26 m.M. middellijn. De bijbehoorende schoorsteenen waren talrijk; ook kegelvormige werden hierop beproefd.

PRÜSMANN

komt tot de volgende resultaten:

C i l i n d r i s c h e s c h o o r s t e e n .

1, De exhaustdruk is zonder invloed op de juiste afmetingen van een schoorsteen (binnen de in praktijk voorkomende grenzen).

2. De afstand van onderkant schoorsteen tot exhaustmonding

27

is niet onverschillig. Vergroot men dien afstand, dan vergroot eveneens de luchtverdunning (tot op zekere grens).

3. Van de 6 proefschoorsteenen was die van 39,6 m.M.

het voordeeligst.

4. Heeft een schoorsteen de voordeeligste wijdte, dan moet zijne hoogte boven de exhaustmonding (gesteld, dat deze zich op juisten afstand van den schoorsteenonderkant bevindt) minstens

het viervoud van zijne wijdte bedragen.

5. Voor elke hoogte boven de exhaustmonding is eene bijzondere doorsnede van den schoorsteen noodig, om den grootsten trek te verzekeren.

6. De beste schoorsteenvorm is niet een cilindrische, maar een vorm waarbij de schoorsteendoorsnede met den afstand van de exhaustmonding verandert volgens eene zekere wet.

K e g e l v o r m i g e s c h o o r s t e e n .

7. Een stompere kegel als exhaustmondstuk vordert een naar boven toe grootere helling van den schoorsteenwand. Daarentegen is de koniciteit van dat mondstuk zonder eenigen invloed op den afstand van het vlak der nauwste schoorsteendoorsnede tot de exhaustmonding en zonder invloed op de grootte van die nauwste doorsnede.

8. Onder gelijke omstandigheden blijft de schoorsteenvorm voor alle locomotieven ten naastebij gelijkvormig, indien maar steeds eenzelfde verhouding van grootte der exhaustmonding tot roosteroppervlak behouden blijft.

9. ledere, voor eene bepaalde exhaustpijp, geconstrueerde

28

schoorsteen moet, als alle overige verhoudingen dezelfde blijven, en als men slechts eene wijdere exhaustmonding (van dezelfde koniciteit) wil aanwenden, worden verwijd met een bedrag gelijk aan het verschil der twee exhaustmondingen en zulks over de geheele hoogte van den schoorsteen.

lo. Het, boven het nauwste deel gelegen schoorsteeneinde, bestaat niet uit een enkelvoudigen afgeknotten kegel, maar uit drie afgeknotte kegels van verschillende helling; deze helling wordt naar boven toe grooter.

Ten slotte geeft

een aantal formules ter berekening van den schoorsteen en de exhaustpijp.

Tegen de onderzoekingen van

is in te brengen, dat de afmetingen van beide beproevingsinrichtingen te klein waren. Verder dat de meting van den stoomdruk te onnauw- keurig was.

Omdat de hoogste luchtverdunningen als de beste werden aangezien, komt men bij toepassing op locomotieven tot te nauwe schoorsteenen. Zijne formule voor den afstand der exhaust- monding tot het nauwste deel van den schoorsteen:

t = 2,3673 -I- 0,857045767 S - 0,136138202 ^i» + 0,525258551 J8 (waarin S de diameter van de exhaustmonding beteekent in Engelschen duim)

levert voor de praktijk onbruikbaar groote waarden op.

De gevolgtrekking 7 is hoogst onwaarschijnlijk, wat betreft

de afhankelijkheid van de helling van het bovenste schoorsteen-

deel van de koniciteit van het exhaustpijpmondstuk. Uit de

29

proefnemingen van

bleek, dat de vorm van het mondstuk geen invloed heeft.

De conclusie lo is waarschijnlijk een gevolg van de bedenkelijke methode om de beste cilindrische schoorsteen- wijdte te meten, door openingen in dunne platen te maken, welke platen op den schoorsteen gelegd werden. Men krijgt dan geen schoorsteen meer, maar een reservoir met opening. Door nu verschillende wijdten van openingen en verschillende hooge onderstukken te nemen en de gunstigste hoogte en wijdte te bepalen voor elke opening, kwam

tot een kegel- vormigen schoorsteen; wanneer hij nl. alle opgelegde platen in teekening bracht en de openingen door rechte lijnen verbond.

Had hij echter niet volgens deze foutieve methode gewerkt, dan ware waarschijnlijk nooit door hem den konischen schoorsteenvorm gevonden, die werkelijk, mits juist toegepast, hare goede eigen- schappen getoond heeft.

1870.

publiceert zijne merkwaardige theorie: „Ueber die Wirkung des Blasrohr-apparates bei Locomotiven mit conisch divergenter Esse." Jammer genoeg kende

de onder- zoekingen van

niet, zoodat de invloed van den afstand der exhaustmonding tot de nauwste schoorsteendoorsnede en de invloed van de schoorsteenhoogte onbehandeld blijven. Zijn betoog is zuiver theoretisch, waardoor m. i. de beide volgende onjuistheden zijn ingeslopen:

ie. In de ontwikkeUng van zijne formules neemt hij aan dat

de gasstroom, boven het nauwste deel van den schoorsteen, als

30

stroom overal den wand volgt. Dit houdt echter op boven een zekere grens van koniciteit. Zijne formules zijn dan m i. niet meer juist.

2e. Volgens mijne onderzoekingen is de snelheidsverdeeling der gassen zeer verschillend in elke bepaalde horizontale doorsnede van den schoorsteen, zoodat in de theoretische ontwikkeling van

de eenvoudige aanname eener gelijke snelheid voor elk horizontaal vlak (tenminste voor hedendaagsche schoorsteen- afmetingen) niet te aanvaarden is.

ZEUNER

komt tot de volgende gevolgtrekkingen:

1. Voor eene gegeven exhaustmonding en een gegeven vrijen doortocht der vlampijpen is er eene voordeeligste schoorsteen- doorsnede (op de nauwste plaats), waarbij de trek een maximum is.

2. De depressie in de rookkast en de aangezogen lucht- hoeveelheid nemen toe, naarmate men de schoorsteenen meer divergeerend maakt; toch is reeds eene matige verwijding van genoegzame uitwerking.

3. De konische schoorsteenen laten voor denzelfden trek eene grootere exhaustmonding toe dan de cilindrisch gevormde. Zij benadeelen daardoor bij gelijken trek in vergelijking met cilindrische schoorsteenen in mindere mate het vermogen van het stoomwerktuig wegens den kleineren tegendruk op de zuigers; zij verhoogen dus het nuttig effect en verminderen het brandstofverbruik.

Gevolgtrekking i is, wegens het niet er in opnemen van den exhaustmondingafstand, niet juist.

Gevolgtrekking 2 moest, gezien de latere onderzoekingen

31

van Prof.

juist tegenovergesteld luiden (indien de nauwste doorsnede gelijk blijft voor de verschillende schoorsteenen.)

Gevolgtrekking 3 is zonder meer niet neer te schrijven, want

bewees, dat een cilindrische en een konische schoorsteen bij eenzelfde exhaustopening, denzelfden trek kunnen opleveren, mits de verhoudingen goed gekozen worden.

1875.

stelt zijne theorie op en komt tot dezelfde formules als

Hij neemt er ook in op den invloed van den afstand van de exhaustmonding tot het nauwste deel van den konischen schoorsteen. Zijne formules leveren voor locomotieven met kleine roosteroppervlakken bruikbare waarden, voor grootere roosters vallen de berekende waarden te gering uit.

Wegens het onbekend zijn van den vorm van den stoom- straal durft

niet als schoorsteenvorm twee kegels aan- bevelen, die in het nauwste deel van den schoorsteen op elkaar sluiten, ofschoon hij zulks theoretisch ontwikkelt; doch hij raadt aan, een cilindrisch overgangsdeel te maken.

Dit cilindrisch gedeelte is volgens hem zoodanig aan te brengen, dat op de halve hoogte van dit deel, de berekende nauwste doorsnede zou vallen, zoo men twee direct aansluitende kegels gemaakt had.

Proeven nam Professor

niet, maar hij bepaalde zijne coëfficiënten naar bekende goede constructies.

Op het einde der negentiende eeuw breekt in Europa de

tijd aan, dat grootere ketelafmetingen afwijkende schoorsteen-

3a

vormen gaan eischen. Men was dus verphcht meer praktische onderzoekingen te doen. Zoo kon in Duitschland bij de Pruisische Staatsspoorwegen met een nieuw type sneltreinlocomotief geen voldoende stoom gehouden worden, niettegenstaande alle mogelijke hulpmiddelen, die in zoo'n geval, beproefd worden.

Regierungs- und Baurath

later Professor aan de Technische Hochschule te Berlijn, besloot daarom een uitgebreid onderzoek naar de oorzaken van het goed en slecht werken van de schoorsteenen in te stellen en liet een toestel maken, waarop allerlei typen van schoorsteenen, op ware locomotiefgrootte, konden worden geplaatst. Tegelijkertijd deed hij de aldus onderzochte schoorsteenen op rijdende locomotieven in gewonen dienst beproeven.

1892-1894. Het onderzoek met genoemd toestel werd door Regierungs- Baumeister

van 1892 — 1894 uitgevoerd; terwijl van 1893-1895. het onderzoek met rijdende locomotieven deels door denzelfde,

deels door den Regierungs-Baumeister

en deels door

VON BORRIES

werd gedaan.

Het apparaat bootste op ware grootte eene rookkast na,

de gebruikte stoomstraal was echter constant. De druk in de

exhaustpijp werd bij alle proeven op 100 m.M. kwikkolom

gehouden. Men kon vijf exhaustmondingen bezigen met 100, iio,

120, 130 en 140 m.M. raiddellijn, en vijf cilindrische schoorsteenen

met 350, 375, 400, 425 en 450 m.M. diameter (met verwijde

onderstukken); voorts vijf dubbelkegelvormige schoorsteenen met

300, 325, 350, 375 en 400 m.M. middellijn op de nauwste plaats

33

en met hellingen van i : 12 en i : 6 voor den bovenkegel; benevens drie trechtervormige schoorsteenen (zonder onderstukken). In het geheel werden meer dan 30.000 aflezingen gedaan.

ledere schoorsteen werd met de volle lengte en met drie verkortingen, en elke lengte (verkortingen inbegrepen) met de vijf verschillende exhaustmondingen onderzocht. In het geheel werden 320 combinaties van schoorsteenen met exhaustmondingen gemaakt. Bij iedere combinatie werden minstens 10 exhaust- afstanden beproefd, om 10 punten voor eene kromme, ten behoeve van een graphische voorstelling, te vinden (elk punt werd uit het gemiddelde van 6 aflezingen bepaald). Deze krommen hadden als abcissen den afstand van de exhaustmonding tot de nauwste plaats van den schoorsteen (bij de cilindrische schoor- steenen is dit het vlak, waar de schoorsteen cilindrisch wordt, dus waar het wijdere onderstuk eindigt) en als ordinaten de behaalde luchtverdunning in de rookkast in m.M. water.

Aangezien de stoomdruk constant op een druk van 100 m.M.

kwikkolom bleef, stellen die krommen dus voor: de verhoudingvan luchtverdunning tot exhaustdruk bij veranderlijken exhaustafstand en zulks successievelijk voor eiken schoorsteen.

noemt deze verhouding den „Wirkungsgrad" van den schoorsteen.

De voornaamste resultaten waren de volgende:

Indien men den stoomdruk wel veranderlijk maakte, bleek de luchtverdunning voor alle schoorsteenen in rechte reden met den stoomdruk toe te nemen.

Bij constanten exhaustdruk neemt de luchtverdunning, aan-

3

34

vankelijk langzaam, met den exhaustafstand toe en bereikt een maximum om daarna veel sneller te dalen. Dit geldt voor alle schoorsteenvormen.

Bij cihndrische schoorsteenen behoeft de totale hoogte tusschen exhaustmonding en schoorsteenbovenkant niet grooter dan 4,7 maal de schoorsteenmiddellijn te zijn.

Bij juiste keuze van de nauwste schoorsteenmiddellijn bij kegelvormige schoorsteenen behoeft de totale hoogte van exhaust- monding tot schoorsteenbovenkant niet meer dan vijfmaal die middellijn te zijn.

Bij denzelfden exhaustdruk wordt het maximum van lucht- verdunning bij grooter afstand van exhaustmonding tot nauwste schoorsteendoorsnede bereikt, naarmate de helling van het bovenste kegelvormige schoorsteenstuk grooter is. Deze afstanden zijn grooter, naarmate de schoorsteenen wijder zijn. (Dit laatste is ook voor cilindrische schoorsteenen geldig.)

Bij de proeven met trechtervormige en verkorte andere schoorsteenen bleek, dat slechts het bovenste deel van den schoorsteen werkzaam is. Verder werden proeven genomen met zoogenaamde „Stegen." Dit zijn smalle wigvormige bruggen, welke volgens eene middellijn over de cirkelvormige exhaust- monding gelegd worden. Zij doen de doorsnede van den stoom- straal elliptisch worden, omdat de stoomstraal gespleten wordt.

Aangezien de straal breeder is, kan men kortere schoorsteenen

toepassen om dezelfde luchtverdunning te bereiken. Hiervoor

worden waarden aangegeven.

35

Ook werd de grens van het optreden van het verschijnsel

„pruimen" bepaald. (Het uitwerpen van water uit den schoorsteen.) Dit verschijnsel treedt op als de kegel, waarvan de beschrijvende lijn is: de lijn gaande door den rand van de exhaust-pijp en den rand van den schoorsteen, meer helling heeft, dan i : 4,5 è i : 5 (helling van de 2 tegenovergestelde beschrijvende lijnen samen).

W a t betreft de studiën over de exhaustwerking op rijdende locomotieven, kan het volgende vermeld worden:

Men bepaalde den invloed van den bestaanden schoorsteen- vorm op den trek bij alle bestaande locomotieftypen der Kgl.

Eisenbahn Direction Hannover. Bij de sterk kegelvormige schoor- steenen, met hoog boven de exhaustmonding liggende insnoering, is de „Wirkungs-grad" goed, zoolang de machines matig werk verrichten; bij zwaar werk krijgt men eene stootende exhaust- werking en sterke stubbevorming (vorming van fijne, onverbrande kooldeeltjes, die zich gedeeltelijk in de rookkast verzamelen, en gedeeltelijk door den schoorsteen ontwijken). Bovendien zijn deze schoorsteenen uiterst gevoelig voor verandering van den afstand van de exhaustmonding tot het vlak van insnoering. Voor korte schoorsteenen bleken de formules van

niet op te gaan.

Een andere werking geeft de slagring (het ringvormig stuk, dat de exhaustmonding bevat) met eene lange, vertikale toestroomings- pijp in vergelijking tot een zelfden slagring met knievormige pijpen.

Met nieuwe vormen en andere afmetingen werden de locomotieven beproefd en de uitkomsten zorgvuldig geanalyseerd.

Hierbij vormen

en

(in verband met de

36

proeven met het toestel) meeningen over den vorm van den stoomstraal, op welken vorm later bij de uitwerking van mijn onderzoek nog zal worden teruggekomen.

VON BORRIES

is zeer ingenomen met de werking van den

„Steg," ten doel hebbende slechte schoorsteenen te verbeteren en bovendien blijkt dit middel ook goed om vuur, dat wegens te hooge exhaustmonding, te veel voor op den rooster brandt, meer gelijkmatig te doen branden, zonder lager stellen van deze monding.

Men kan dit zelfs tamelijk nauwkeurig afregelen door de breedte van den „Steg" juist te kiezen.

Als eindresultaat komt hij tot eenvoudige regels voor het ontwerpen van nieuwe schoorsteenen. ^)

VoN

betreurt het feit, dat bij het gebruik van het toestel, waarmede de proeven werden genomen, de verschillende invloed van kniebuizen, en van rechte verticale toestroomings-

') Men bepale eerst den diameter van de exhaustmonding volgens de formule:

, .-,/- S. XK. . . . d = o,is6 1 / ;r-i i^—; waarin d m meters;

' ^ K S + 0,3 R.

S = Totale vrije doortocht der vlampijpen in M.';

R = Roosteroppervlak in M.'

Daarna neme men de hoogte h van den schoorsteen boven de exhaust- monding, voor slagringen op eene korte kruis- of kniebuis, gelijk aan 13d en voor slagringen op rechte vertikale buis i4d. De bovenste middellijn van den schoorsteen, D,

bij kniebuizen D = 4,2 d., bij rechte buizen D = 3,8 d.

Bij slagringen, bevestigd op eene rechte toestroomingsbuis, doet men goed de werkelijke middellijn van opening di ~- 1,07 d (d geldt bij kniebuizen en hiervoor is de formule afgeleid) aan te houden en een „Steg" met breedte b = 0,1 d te nemen.

Het bovenste kegelvormige deel van den schoorsteen moet minstens lang zijn het 0,6 deel van den totalen afstand van de exhaustmonding tot aan den bovenkant van den schoorsteen. De insnoering moet 0,8 D bedragen.

Het vervolg van deze noot, zie blz. 37.

37

buizen, nog niet bekend was, en dus kleine fouten waren ingeslopen bij de toepassing van de proeven op locomotieven.

1896. Daarom werden op zijne aanwijzing iets later door den Regierungsbauftihrer

met hetzelfde toestel proeven genomen met een verticaal onderstuk van 300 mM. diameter, terwijl de vroeger gebruikte vertikale buis 160 mM. wijdte had.

De proeven werden met een slagring van 120 mM. gedaan. Het bleek, dat de wijde buis veel sterkere werking gaf. Gemiddeld werd, bij niet al te ongewone schoorsteenvormen, dezelfde luchtverdunning in de rookkast bereikt bij eene totaalhoogte van schoorsteen (van slagring tot bovenkant schoorsteen) gelijk aan het 0,8 deel van de vroegere hoogte.

Ten slotte wijst

er op, dat de waarnemingen op dienstdoende locomotieven onder zeer verschillende omstandig- heden gedaan werden. Daardoor heeft men niet altijd inwerkingen kunnen vermijden, waarvan de invloed onbekend was.

Naar beneden toe, zal dit nauwste deel zich zonder knik aan eenen slanken inloop aansluiten.

Is men om constructieve redenen genoodzaakt kortere schoorsteenen te gebruiken dan volgens den gegeven regel, dan moet men als volgt te werk gaan:

Teeken een kegeloppervlak, waarvan de beschrijvende lijnen boven door den bovenrand gaan van een volgens bovenstaande gegevens berekenden, niet verkorten schoorsteen en beneden door den omtrek van de exhaustopening.

De verkorte schoorsteen moet dan met den bovenrand op dien kegelmantel liggen. Hierbij is verondersteld, dat de tapschheid van den schoorsteenwand dezelfde gehouden is. Daarna moet de diameter van de exhaustmonding met a van het percentage van de verkorting van de schoorsteenlengte verkleind worden. Echter kan bij exhaustmondingen met „Steg" de berekende bovenste diameter D worden aangehouden, indien de „Steg" voor elke 25 mM. ver- minderde schoorsteenhoogte, i mM, breeder en de exhaustmonding 0,7 mM.

wijder wordt genomen.

Kan de schoorsteen langer dan de berekende lengte worden uitgevoerd, dan verlenge men den kegel naar boven.

38

Het is daarom, dat hij de wenschelijkheid uitspreekt, op locomotieven proeven te nemen, die op geremde rollen kunnen draaien. Zijn wensch bleef niet lang onvervuld, want het is ook omstreeks dezen tijd, dat Prof. Goss van de Purdue University Lafayette Ind. U. S. A. op deze wijze zijne proeven neemt in zijn uitstekend ingericht laboratorium. Aan

komt echter de verdienste toe het eerst goede samenhangende resultaten geleverd te hebben, die voor het ontwerpen van direct nut zijn, wegens de practische onderzoekingen op rijdende locomotieven, gepaard aan zijn laboratoriumwerk.

Voordat de arbeid van Prof. Goss in het kort besproken wordt, moet worden vermeld, dat in Amerika een ingenieur van de Chicago, Burlington & Quincy Railroad, nl. J. F.

in 1895. proeven nam, om den vorm van den exhauststoomstraal te bepalen.

Hij stelde zijne waarnemingen samen in eene verhandeling, die hij voordroeg in The Western Railway Club.

1896. In dit jaar werd door de American Railway Master Mechanic's Association een onderzoek ingesteld omtrent den exhauststraal, den slagring en de exhaustpijp. Een deel ervan werd ondernomen door Prof. Goss, en uitgevoerd aan de Purdue University, en een ander deel in het gebouw van onderzoekingen van de Chicago &

Northwestern R. R.

Aangezien Prof. Goss later vele zijner onderzoekingen samenstelde en in

1902. uitgaf in den vorm van een boek „Locomotive Sparks," terwijl

hij bovendien in datzelfde jaar zijne onderzoekingen voortzette

39

ten einde de afhankelijkheid der exhaustwerking van de hoogte 1902-1903. van de exhaustmonding en van den vorm van den schoorsteen te bepalen, is het voldoende de laatste resultaten van zijne proeven nader te bespreken.

Prof. Goss onderzocht onder meer den vorm van den stoomstraal, door het brengen van horizontale open buisjes tot in den stoomstraal. De plaatsen waar noch druk, noch zuiging heerschten, hield hij voor den buitenomtrek van den straal.

Hiertegen zijn bedenkingen in te brengen, zooals uit mijne proeven zal blijken.

Naar de meening van Prof. Goss vult de stoomstraal den schoorsteen eerst boven, omstreeks het laatste achtste deel, omdat op 0,75, 0,5 en 0,25 van de schoorsteenhoogte nog 38, 64 en 91 mM. (waterkolom) luchtverdunning gemeten werd, terwijl in de rookkast 65 mM. luchtverdunning heerschte. M. i. zijn deze proeven echter niet betrouwbaar, omdat Goss open buisjes in den schoorsteen bracht; door de snelheid toch van de gassen langs den rand van zulk een meetbuisje ontstaat eene extra zuigwerking.

Zeer interessant is hetgeen Prof. Goss waarnam omtrent de verdeeling van de hoeveelheid vonken in de monding van den schoorsteen. Bij eene schoorsteenmonding van 406 mM. wordt in den uitersten ringgordel van 50 mM. breedte, meer dan de dubbele hoeveelheid vonken uitgeworpen dan in het overblijvende gedeelte.

Voorts werd nog de vonkenverdeeling bepaald langs den spoorweg

op de vrije baan en dit wel bij regelmatig verkeer. Wit linnen

lakens werden opgesteld en de opgevangen hoeveelheden zorg-

40

vuldig gemeten; de windrichting en snelheid van den trein in aanmerking genomen.

Bij sneeuw en omstreeks 9 M. windsnelheid, waren op 240 M. afstand van de rails nog sporen van vonken en roet te ontdekken. De grootste hoeveelheden werden op 10—30 M.

afstand waargenomen en wel 0,6—1,5 gram per M? per locomotief.

Nergens was het linnen geschroeid bij een buitentemperatuur van 14 tot 2i<* C.

Tot zoover Prof. Goss in zijn boek „Locomotive Sparks."

Zooals ik boven reeds vermeldde, zette hij in hetzelfde jaar waarin dit werk verscheen, zijne onderzoekingen voort. Hierbij maakte hij voornamelijk gebruik van zijne locomotief-beproevings-installatie.

De proeven van

blijken grooten invloed op het systeem van werken van Goss gehad te hebben, hetgeen hij dan ook in zijne publicatie zegt. Hij gebruikt 7 exhaustpijp-onder- stukken, zoodat de mondingshoogte van 254 mM. onder tot 508 mM. boven het hart van den ketel kan worden gevarieerd.

Vier rechte en vier kegelvormige schoorsteenen met i : 6 helling werden toegepast, waarbij telkens een cilindrische schoorsteen denzelfden diameter had als een kegelvormige schoorsteen op de nauwste plaats. Deze diameters waren 207, 298, 349 en 400 mM.;

de hoogte van eiken schoorsteen boven het hart van den ketel was veranderlijk van 1398 —1652—1846 tot 2160 mM. Om een regelmatig vuur te hebben werd met petroleumresidu gestookt.

Steeds had de exhaustmonding 107 mM. diameter. De

belangrijkste onderzoekingen werden gedaan bij:

41

snelheden van 32 48 65 K.M./uur, waarbij het aantal omwentelingen bedroeg: 97 146 194 per minuut

met vuUingen van 23,8 25,3 26,9 % in de cilinders.

Als resultaten kunnen vermeld worden:

de exhaustdruk in het uitstroomingskanaal is niet afhankelijk van de hoogte der exhaustmonding, doch hangt alleen af van de snelheid en van den vuUingsgraad;

de „Wirkungsgrad" d. w. z. de verhouding van den exhaust- druk (mM. kwik), tot de luchtverdunning (in mM. water) in de rookkast wordt niet merkbaar veranderd door snelheidsver- anderingen of andere vullingen;

de luchtverdunning neemt met de snelheid en met de grootte der vulling toe, maar in rechte reden met den exhaustdruk. De beste „Wirkungsgrad" werd met de langste schoorsteenen en de laagste exhaustmondingen bereikt. ^)

') Prof. Goss leidt uit zijne cijfers formules af, waarin d = diameter van cilindrische schoorsteenen of van de nauwste doorsnede van kegelvormige schoorsteenen;

H = schoorsteenhoogte boven de rookkast;

D = diameter van de rookkast (bij de proeflocomotief = 1368 mM.) De cilindrische schoorsteen met

d = (0,246 - j - 0,00313 H) D en de kegelvormige schoorsteen met

d = 0,25 D

geven de beste „Wirkungsgrad." Daarbij is verondersteld, dat de exhaust- monding in het horizontale vlak ligt, dat door het hart van den ketel gaat.

Wanneer echter deze monding h boven of h onder dit vlak valt, krijgt men de beste afmeting voor cilindrische schoorsteenen met

d = (0,246 + 0,000048 H) D — 0,19 h en voor kegelvormige schoorsteenen met

d = 0,25 D — 0,16 h.

De invloed van petticoats kon niet met zekerheid onder cijfers worden gebracht

42

1903. VoN

wijzigde naar aanleiding van deze proeven zijne formules. ') Zie blz. 36.

Echter vond hierbij de verandering in de formule voor de grootte van de exhaustmonding hare voornaamste oorzaak in proefnemingen van

op nieuwe Pruisische locomo- tieven.

') En wel voor de exhaustmonding:

, 1 / • S. X R. . , ,

'^ = °'"5 l/s+^;rR'"'^-=

S = Totale vrije doortocht der vlampijpen in M.';

R = Roosteroppervlakte in M.';

en voor D = bovenste schoorsteendiameter:

D = o,i4h -f i,8d waarin

h = afstand van de exhaustmonding tot den schoorsteenbovenkant.

Verder moet -y voor rechte, verticale exhaustpijpen niet beneden 15 en voor „Stegen" of exhaustpijpen als kniestukken uitgevoerd niet beneden 14 bedragen. Bij slagringen op kniestukken is D 10% grooter te nemen. De eigenlijke schoorsteen (bij kegelvormige schoorsteenen het deel boven de nauwste plaats) moet 0,5 h tot 0,6 h lang zijn. De beste helling is i : 10 (aan elke zijde i : 20) en de inloop van den schoorsteen moet slank zijn afgerond.

Bij schoorsteenen, korter dan de berekende, moeten de bovenranden op een kegeloppervlak liggen, welk kegelvlak tot richtlijnen heeft de bovenste opening van den berekenden schoorsteen en een cirkel in het vlak van de exhaustmonding met eene middellijn - 1,8 d.

III.

VERRICHTE EIGEN ONDERZOEKINGEN.

I. AANLEIDING TOT HET ONDERZOEK.

II. METHODE VAN HET ONDERZOEK.

III. UITVOERING VAN HET ONDERZOEK.

a) INLEIDING.

*) VOORLOOPIGE WAARNEMINGEN.

e) EIGENLIJKE METINGEN.

IV. B E R E K E N I N G E N .

AANHANGSEL VAN HOOFDSTUK lü.

I. AANLEIDING TOT HET ONDERZOEK.

Prof.

en Prof. Goss zijn de eenigen, die kwamen tot resultaten, geschikt voor het ontwerpen. De formules, die zij opstelden, konden evenwel nooit algemeen zijn, omdat de onderzoekingen plaats vonden op een bepaald type van locomo- tieven, met een zeker soort van kolen.

Zulks werd ook gevoeld door de American Railway Master Mechanics' Association i), die de resultaten van Prof. Goss niet bruikbaar vindt voor zeer groote locomotieven. (Goss deed zijne proeven op eene vrij kleine machine; de exhaustmonding had slechts 107 m.M. diameter.) Genoemde vereeniging heeft dan ook de medewerking ingeroepen van alle groote Amerikaansche spoorweg- maatschappijen en locomotieffabrieken, ten einde in staat te worden gesteld, op eene zeer groote locomotief de noodige proeven te doen en wel in het machine-laboratorium van de bekende Purdue-University. De New-York Central R. R. stelde de locomotief ter beschikking; zij zou voorzien worden van

') Railway and Engineering Review. No. 24. 17 Juni '05.

/ " S X R

uitdrukking voor d = 0 , 1 5 6 1 / o - x 0 wijzigde in 0,1 en de

'O

46

verschillende schoorsteenen, welke men bij allerlei combinaties wilde beproeven, ^)

Dat de formules van

niet algemeen zijn, werd bewezen door het feit, dat

na nieuwe proeven op meer moderne Pruisische locomotieven in 1902, de coëfTiciënt 0,3 in de

S X R

coëfficiënt 0,156 in 0,115, ^^ verder tot wijdere verkorte schoor- steenen komt door de onderzoekingen van Goss. Bovendien geven zinnen als de volgende, door hem geschreven in 1903, 2) genoeg- zaam bewijs, dat de quaestie lang niet opgelost is:

„Die Lange der Schornsteinrohre, früher (1896) zu 0,6 h angegeben, könnte man nach den vorstehenden Ergebnissen (van Goss) erhebhch kürzer herstellen, ohne der Wirkung zu schaden.

Es ist indess zu berücksichtigen, dass dadurch die harte, das Feuer aufreissende Wirkung der einzelnen Dampfstösse wahrscheinlich starker werden würde, weil die ausgestossenen Dampfballe plötzlicher in den wirksamen Schornsteinquerschnitt

') De proeven zouden 15 October 1905 beginnen en het onderzoek behelzen van:

ie Een gewonen uitwendigen schoorsteen met 2 verschillende hoogten en 4 verschillende diameters (op de nauwste plaats).

2* Een schoorsteen met verlengstuk in de rookkast. Hierbij neemt men 3 verschillende hoogten en 4 verschillende diameters (op de nauwste plaats).

3e Een „False Top."

4^ Een „Draft pipe" met 3 verschillende diameters en 5 verschillende lengten. Alle schoorsteenen hebben dezelfde tapschheid (i|6totaal); zij komen alle op eene rookkast van 75" diameter binnenwerks. De afstand van den bodem der rookkast tot de exhaustmonding blijft constant = 25".

') Organ für die Fortschritte des Eisenbahnwesens. Bd. 40, p. 246. 1903.