Geschiedenis van de techniek in Nederland. De wording van een moderne samenleving 1800-1890. Deel V

Techniek, beroep en praktijk

[p. 222]

Doorsnede van de hoge- en lage-drukcilinder van het stoomschip de Batavia uit 1840. Na enkele jaren van experimenteren kreeg de compoundmachine van Roentgen omstreeks 1835 zijn uiteindelijke vorm met twee cilinders. De opstelling van cilinders was hierbij zo dat de zuigerstangen nooit in fase of tegenfase waren. Hierdoor kon een belangrijk probleem, dat van de manoevreerbaarheid, worden opgelost. Omdat de stoom uit de kleine, verticale hoge-drukcilinder hierdoor niet onmiddellijk in de grote schuine lage-drukcilinder kon worden toegelaten, was een opvangruimte, die later ‘receiver’ zou worden genoemd, noodzakelijk.

[p. 223]

9
De compoundmachine

Roentgen en de compoundmachine
De stoommachine van Woolf
De uitvinding van de compoundmachine: een reconstructie
De verspreiding van de compoundmachine
De bijdrage van Roentgen
De internationale doorbraak
De herintroductie van de compoundmachine in Nederland
Het ontwerpen van compoundmachines

In 1889 werd David Croll benoemd tot directeur van de Nederlandsche Stoombootmaatschappij (nsbm). Croll was een Schot die na zijn opleiding op de beroemde scheepswerven aan de Clyde naar Nederland was gekomen. Via verschillende Nederlandse bedrijven kwam hij uiteindelijk bij de nsbm terecht. Croll trof daar een aantal tekeningen aan uit de beginperiode van de onderneming. Van oudere medewerkers begreep hij dat bij een uitbreiding van het bedrijf in 1870 het grootste gedeelte van het archief inclusief tekeningen was opgeruimd, dat wil zeggen gewoon verbrand. Dankzij het hoofd van de tekenkamer was echter een aantal oude tekeningen van scheepsmachines bewaard gebleven. Croll herkende meteen het belang ervan en stuurde ze op naar het Engelse vakblad The Engineer, dat in 1890 een serie artikelen aan deze tekeningen wijdde en de mooiste publiceerde.^1.

Waarom waren deze tekeningen nu zo opzienbarend? Vanaf omstreeks 1870 waren compoundstoommachines in snel tempo de belangrijkste aandrijving van stoomschepen geworden. Een compoundmachine is samengesteld uit een hogedruk en een lage-drukcilinder, vandaar de naam. De stoom verricht in een compoundmachine twee keer arbeid, eerst in de hoge-drukcilinder en vervolgens in de lage-drukcilinder. Uit de tekeningen die bij de nsbm gevonden waren, bleek nu overduidelijk dat tussen 1830 en 1845 bij dit Nederlandse bedrijf een groot aantal compoundmachines voor de scheepvaart was gebouwd, dus ruimschoots voordat Engelse bedrijven met de bouw van dergelijke machines waren begonnen en andere bedrijven, ook Nederlandse, dit van de Engelsen hadden overgenomen. De toenmalige directeur van het bedrijf, G.M. Roentgen, staat op grond hiervan sinds die tijd in de internationale literatuur bekend als de uitvinder van de compoundmachine.^2.

De publikaties in The Engineer leidden tot verschillende reacties. De Fransman A. Mallet schreef in een ingezonden brief dat hem in 1874 door de Nederlandse marine-officier B.J. Tideman een lijst van 18 compoundmachines was verstrekt, die door de nsbm voor 1843 waren gebouwd. Bovendien wees Mallet op twee octrooien die Roentgen, weliswaar onder een andere naam, op zijn machine in Engeland en Frankrijk had verkregen.^3. In hetzelfde nummer waarin het laatste artikel van de serie was opgenomen, stond ook een brief van een zekere Harvey. Deze schreef dat de machine van Roentgen voortbouwde op de machine van Woolf, die de eerste samengestelde machines met twee cilinders had gebouwd. Zijn vader N.O. Harvey had bij Woolf gewerkt, voordat hij in de jaren twintig door Roentgen naar de nsbm was gehaald om de technische leiding van het bedrijf op zich te nemen. Roentgens machine bouwde volgens Harvey niet alleen voort op een al bestaande machine, hij claimde ook dat zijn vader waarschijnlijk verantwoordelijk was geweest voor de ontwikkeling van de compoundmachine.^4.

De artikelen in The Engineer en de reacties hierop roepen twee interessante vragen op. De eerste betreft de compoundmachines van de nsbm. Het is onomstreden dat de nsbm ver voordat dit type machine gebruikelijk werd, op tamelijk grote schaal compoundmachines heeft gebouwd en toegepast in de eigen schepen. Dit is op zichzelf al hoogst opmerkelijk, gezien het karakter van de stoomtechniek in Nederland in de negentiende eeuw in het algemeen. Hoe deze machines zijn ontwikkeld, waar de kennis vandaan kwam en wat uiteindelijk het aandeel van Roentgen hierin is geweest, is echter veel minder duidelijk dan in de literatuur meestal wordt gesuggereerd. In het eerste deel van dit hoofdstuk zullen we de compoundmachine van Roentgen en

1. I.W. Pearce, ‘Compound marine engines sixty years ago’, The Engineer (1890), 21 maart, 232-233. Volgende afleveringen verschenen in de uitgaven van 4 april, 11 april, 2 mei, 16 mei, 27 juni, 8 augustus en 19 september.

2. Zie bijvoorbeeld C. Matschoss, Die Entwicklung der Dampfmaschine (Berlin 1908), dl. 1, 339, e.v.

3. A. Mallet, ‘Old compound engines’, The Engineer (1890) 4 april, 278.

4. H.N. Harvey, ‘Compound marine engines sixty years ago’, The Engineer (1891) 17 april, 306.

[p. 224]

de verspreiding ervan behandelen. Zeker tot omstreeks 1850 zijn dergelijke machines in Rotterdam maar ook op enkele andere plaatsen gebouwd.

Opvallend is ook dat de machines van Roentgen na die tijd min of meer in de vergetelheid zijn geraakt. In de tweede helft van de negentiende eeuw werd in Groot-Brittannië een nieuw type compoundmachine gebouwd. Omdat dit type machine vanaf 1870 in veel schepen werd toegepast en ook in Nederland werd (na)gebouwd, dringt zich op de tweede plaats de vraag op in hoeverre er sprake was van continuïteit, met name bij de nsbm, maar ook bij de andere machinefabrieken die scheepsmachines bouwden. Indien dit niet het geval was, dan is de volgende vraag hoe deze bedrijven aan de benodigde kennis kwamen om concurrerende machines te kunnen bouwen. Een belangrijk verschil met de eerste periode was dat het inzicht in de werking van de stoommachine was gegroeid en dat de constructeurs en ontwerpers nieuwe en betere hulpmiddelen ter beschikking stonden om zo efficiënt mogelijke machines te bouwen. Ook aan dit aspect zullen we aandacht besteden.

Roentgen en de compoundmachine

Het levensverhaal van Roentgen en de uitvinding van de compoundmachine is herhaaldelijk beschreven.^5. Het komt in hoofdlijnen op het volgende neer. Roentgen werd in 1795 geboren in Oost-Friesland, een streek die in de Franse tijd bij Nederland was ingelijfd. Toen hij te kennen gaf marineofficier te willen worden, werd hij naar Enkhuizen gestuurd. Bij de inlijving van Nederland in het Franse keizerrijk kwam Roentgen automatisch bij de Franse marine terecht. Nadat hij in 1813 was ontsnapt, meldde hij zich weer bij de Nederlandse marine. Enkele jaren later werd hij naar Oost-Indië gestuurd, maar door de gebrekkige toestand waarin het schip waarop hij voer verkeerde, strandde de reis in Engeland. In de tijd dat hij in Engeland was, stelde Roentgen zich op de werven in Zuid-Engeland op de hoogte van de scheepsbouw. Door zijn belangstelling kreeg hij enige tijd later ook officieel de opdracht van zijn commandant om de stand van de techniek in Engeland te bestuderen. Tijdens dit verblijf werd zijn aandacht getrokken door de stoomvaart, die op dat moment ook in Engeland nog in zijn kinderschoenen stond.

Bij zijn terugkeer in Nederland wist Roentgen de minister van Marine te interesseren voor de stoomvaart. Hij kreeg de opdracht om een stoomveerboot te ontwerpen en hij mocht zelf toezicht houden op de bouw van deze boot in Engeland. Tijdens dit tweede verblijf in Engeland in 1821 deed hij een onderzoek naar de Engelse ijzer- en machine-industrie. Na een derde verblijf schreef Roentgen zijn bekende Memorie over het nut dat uit de toepassing van stoomwerktuigen op de schepen van oorlog zou kunnen getrokken worden. Roentgens ideeën vonden bij de Marine maar weinig weerklank. Bovendien kwam zijn positie als machine-offcier steeds meer in het gedrang door zijn andere activiteiten. In 1822 was hij technisch directeur geworden van de rederij Van Vollenhoven, Dutilh & Co, die een jaar later in de nsbm werd omgezet. Nadat hij met enige moeite en met steun van Willem i ontslag had genomen, kreeg hij eindelijk de kans om zijn ideeën uit te voeren. Tegelijkertijd werd hij adviseur voor werktuigkundige zaken in dienst van het departement van Nijverheid en inspecteerde hij enkele jaren stoominstallaties.

De nsbm begon zelf de door Roentgen ontworpen machines en schepen te bouwen. In 1825 kreeg de nsbm de opdracht van de Nederlandse regering een sleepboot te bouwen die marineschepen in ondiep binnenwater en in havenmondingen zou kunnen slepen. Deze boot, de Hercules, was door financiële problemen in 1828 nog niet gereed. Roentgen besloot toen de machine van een ander schip, dat op dat moment niet in gebruik was, voor de sleepboot te gebruiken. ‘Bij het overbrengen van de machine van de Agrippina in de Hercules’ - aldus De Boer, de biograaf van Roentgen - ‘kwam Roentgen op het denkbeeld, om bij dezelve aan te brengen een grote cilinder van lage drukking, welke bewerkt kan worden door de stoom die reeds is gebruikt in de cilinders van hoge drukking en die anders in de lucht ontvliedt’.^6. Daarmee was de compoundmachine geboren. Deze combinatie van een hoge met een lage-drukcilinder was op zichzelf niet nieuw, maar het essentiële verschil met een eerdere machine, die van Woolf, was dat de machine van de Hercules een ‘receiver’ of reservoir had, die diende om de stoom uit de hoge-drukcilinders op te vangen, zolang de inlaatklep van de lage-drukcilinder nog gesloten was. Een dergelijke ‘receiver’ is het kenmerk bij uitstek waardoor een compoundmachine zich onderscheidt van een machine van Woolf. Volgens De Boer was Roentgen - op zoek naar een oplossing voor een nijpend probleem - op dit briljante idee gekomen, dat hem beroemd zou maken. De uitvinding van de compoundmachine zou dus in 1829 hebben plaats gevonden, het jaar waarin de Hercules werd verbouwd. Hoe sympathiek dit wijd verspreide beeld van Roentgen als een geniale uitvinder ook is en hoe graag we ook verhalen over een Nederlandse heroïsche uitvinder willen geloven, dit beeld doet helaas geen recht aan de manier waarop de compoundmachine tot stand is gekomen, noch aan de werkelijke bijdrage van Roentgen. In het volgende zullen wij proberen een reconstructie van het ontstaan van de compoundmachine te geven.

5. De belangrijkste bron is M.G. de Boer, Leven en bedrijf van Gerhard Moritz Roentgen (z.pl. 1923). Het volgende is ook voornamelijk hierop gebaseerd.

6. De Boer, Roentgen, 83.

[p. 225]

De Gouverneur van Ewijck werd in 1849 door Van Vlissingen & Dudok van Heel gebouwd voor de lijn Londen-Amsterdam. Dit schip was het eerste ijzeren stoomschroefschip dat in Nederland werd gebouwd. De Gouverneur van Ewijck had geen compoundmachine. Dergelijke machines met twee of meer cilinders, waarbij de stoom eerst in een hoge-drukcilinder expandeerde en vervolgens nog een keer in een lage-drukcilinder, konden nog niet op zee worden toegepast. Het condenseren van het zoute zeewater verstoorde de werking van de machine. Van Vlissingen & Dudok van Heel zouden pas later naar Engels voorbeeld compoundmachines voor schepen gaan bouwen.

[p. 226]

Tekening van de opstelling van de cilinders en ketels van de stoomsleepboot de Hercules (1829), opgenomen in The Engineer van 1890. De tekeningen en ontwerpen van de door de nsbm tussen 1825 en 1850 gebouwde schepen waren bij toeval ontdekt. De nieuwe directeur van de nsbm, van Schotse afkomst, zag het belang van deze tekeningen in en gaf ze aan het Engelse tijdschrift. De Hercules was de eerste stoomboot, waarin de directeur G. Roentgen een machine met meerdere cilinders toepaste, in dit geval twee hogedruk en een lage-drukcilinder. De lage-drukcilinder werd toegevoegd om het vermogen van de sleper op te voeren. Roentgen gebruikte hiervoor noodgedwongen een cilinder uit een ander schip. Het gevolg was dat de cilinders niet op elkaar waren afgestemd. Hiervoor diende de constructie met tandraderen. De bijschriften bij de onderdelen waren van de Engelse redactie. Met name de aanduiding ‘receiver’ was een anachronisme. Roentgen noemde dit zelf de refrigerator.

De stoommachine van Woolf

In 1781, enkele jaren nadat James Watt een octrooi op zijn bekende stoommachine met condensor had gekregen, verwierf een andere Engelsman, J. Hornblower, een octrooi op een stoommachine met twee cilinders en tweevoudige expansie. In deze machine expandeerde de stoom tweemaal, eerst in een kleine en vervolgens in een grotere cilinder met condensor. Door het octrooi van Watt moest Hornblower zich behelpen met een gebrekkige condensor. Bovendien werkte hij met een te lage druk om goede resultaten te kunnen behalen. Het verhogen van de werkzame druk stuitte in die tijd nog op veel technische problemen. Richard Trevithick was rond 1800 de eerste die er in slaagde een goed werkende hoge-drukmachine te laten bouwen. Dankzij een overdruk van 1,7 atmosfeer was het mogelijk de stoom sterker te laten expanderen, zodat zijn machine een stuk zuiniger was dan voorgaande types.^7.

A. Woolf (1766-1837) had meer succes dan Hornblower met zijn meervoudige expansie-machine. Woolf, die enkele jaren met Hornblower had samengewerkt, slaagde erin de voordelen van de hoge-drukmachine van Trevithick te verenigen met die van de twee-cilinder machine van Hornblower. Hij koppelde als het ware een hoge-drukmachine (3 tot 4 atm overdruk) aan een stoommachine van Watt. De ‘afgewerkte’ stoom die de hoge-drukcilinder verliet, expandeerde in een Woolf-stoommachine nogmaals in de grotere lage-drukcilinder. Het octrooi van Watt was inmiddels verlopen en Woolf kon dus diens condensor gebruiken. Zelf kreeg Woolf in 1804 een octrooi op zijn machine.

Het belangrijkste voordeel van een machine met expansie in twee cilinders was dat deze zuiniger was met stoom en dus met brandstof of - wat op hetzelfde neerkomt - meer arbeid verrichtte bij een gelijk brandstofverbruik. De stoom expandeerde eerst in de hoge-drukcilinder - de druk liep dan bijvoorbeeld terug van 4 tot 1,5 atm - en verrichtte daarbij arbeid. Daarna ontsnapte de stoom niet in de atmosfeer, maar ging via een stoomkanaal naar de lagedrukcilinder, waarin de stoom nog een keer tijdens de expansie van 1,5 tot 0,5 atm arbeid verrichtte, voordat deze in de condensor condenseerde. Het feit dat de stoom tweemaal arbeid verricht, was

7. Matschoss, Entwicklung, dl. 1, 339 e.v.

[p. 227]

voor Woolf ook het belangrijkste voordeel van zijn machine. Het was in principe ook mogelijk de stoom in één cilinder te laten expanderen van 4 tot 0,5 atm, maar hiertegen bestonden grote technische bezwaren. Deze komen in het kort op het volgende neer. Omdat stoom bij een druk van 4 atm een veel hogere temperatuur heeft dan bij het bijna vacuüm in de condensor, ontstaan er grote temperatuurverschillen in een dergelijke stoommachine. De verse stoom uit de ketel staat warmte af aan de cilinderwand, waardoor de temperatuur daalt en een gedeelte van de stoom condenseert. Als aan het eind van de slag de uitlaatklep naar de condensor opent, daalt de temperatuur van de stoom sterk, waardoor de relatief warme cilinderwand weer warmte afstaat aan de stoom. Het water dat tevoren was neergeslagen, verdampt. Deze warmte-uitwisseling doet afbreuk aan de werking van een hoge-drukstoommachine met condensor. Een bijkomend probleem in het begin van de negentiende eeuw was dat het materiaal waarvan de cilinders waren gemaakt, gietijzer, nauwelijks tegen deze grote en snelle temperatuurwisselingen bestand was. Daarentegen werd in een compoundmachine de temperatuurdaling over twee cilinders verdeeld, hetgeen minder problemen met zich meebracht.^8.

Een nadeel van de Woolf-machine was de relatief grote loze ruimte, waardoor stoom verloren ging. Naast de schadelijke ruimte die elke zuiger heeft - de zuiger is zo afgesteld dat hij de uiteinden niet raakt, dit volume wordt dus niet door zuiger bestreken - behoorde ook het volume van de kleppenkast, die de toevoer en de uitlaat van de stoom regelde tot de schadelijke ruimte. Bij een machine van Woolf lagen de twee cilinders meestal zij aan zij. Als de zuigers gelijktijdig bewogen, dan moest de stoom via een relatief lange leiding van de onderzijde van de hoge-drukcilinder naar de bovenzijde van de lage-drukcilinder. Dit nadeel kon worden voorkomen door de zuigers tegengesteld te laten bewegen, dus met een faseverschil van 180 graden. Op die manier werd de lengte van het stoomkanaal verwaarloosbaar.

De stoommachine van Woolf werd geleidelijk steeds meer toegepast in mijnen en fabrieken. In Nederland werd in de katoenfabriek van Thomas Wilson in Haarlem in 1841 een stoommachine, ‘geconstrueerd volgens het plan van Woolf,’ geïnstalleerd.^9. Daarnaast werd ook in drie oliemolens een Woolf-machine geplaatst, de eerste in Delft in 1831. Deze machines waren uit België en Frankrijk afkomstig.^10.

De machine van Woolf was vooral aantrekkelijk op plaatsen waar de aanvoer van brandstof problematisch en zuinig omspringen met brandstof een vereiste was. Dit gold onder andere voor de scheepvaart. Een stoomboot moest voldoende brandstof aan boord hebben om de reis te kunnen voltooien. Het bijladen van steenkool was slechts op een beperkt aantal plaatsen mogelijk. Zeker voor zeereizen waren daarom aanzienlijke hoeveelheden brandstof noodzakelijk. Dit beperkte ook de transportcapaciteit van een schip aanzienlijk; een groot deel van de laadruimte was met kolen gevuld. Een machine die zuinig in het brandstofgebruik was, bood daarom potentieel grote mogelijkheden in de scheepvaart. Een bezwaar hierbij was dat men huiverig was om hoge-drukmachines aan boord van schepen te installeren. Het gevaar van een ketelexplosie was bij hogere drukken veel groter en stond het gebruik van hoge-drukmachines lange tijd in de weg. Na een ongeluk met een stoomschip in Engeland werd in Nederland in 1829 een verbod uitgevaardigd om hoge-drukstoommachines in passagiersschepen te gebruiken. Deze bepaling werd overigens vier jaar later weer ingetrokken.^11. De marine schrok lange tijd terug voor het gebruik van hoge-drukmachines in verband met de kwetsbaarheid van de installatie bij beschietingen. Voor sleepboten golden deze bezwaren veel minder en het was dan ook dit scheepstype waarop de eerste hoge-drukmachines en Woolf-machine werden ingebouwd.

Een ander nadeel van de Woolf-machine in de scheepvaart en in het bijzonder de stoomsleepvaart was de geringere mogelijkheid om te manoeuvreren. De zuigers van de beide cilinders bewogen namelijk, zoals we hebben gezien, gelijktijdig (of tegengesteld), waardoor ze zich tegelijkertijd in de uiterste stand bevonden. Als de zuiger in de uiterste stand stond, bevond de kruk zich in het dode punt. Zolang de machine draaide, was dit geen probleem, want dan vloog de kruk als gevolg van zijn impuls (eventueel dankzij een vliegwiel) door het dode punt heen. Maar tijdens het maoeuvreren van een schip, wat vooral bij een sleper veelvuldig voorkwam, draaide de machine niet constant. In dat geval werd hij juist vaak stilgezet of in de omgekeerde richting gezet. Bovendien was het gebruik van een vliegwiel door de beperkte ruimte in de scheepsromp niet wenselijk. R. Wright bedacht al in 1816 een oplossing hiervoor. Hij kreeg een octrooi op een machine met twee cilinders waarvan de krukken een hoek van 90 graden maakten. Hierdoor werkten de cilinders ook met een faseverschil van 90 graden. Het gevolg hiervan was dat de stoom die uit de eerste cilinder kwam, niet direct in de tweede cilinder kon stromen, maar eerst tijdelijk opgevangen moest worden in een tussenruimte, de receiver. Wright wilde echter geen stoom onder hoge druk gebruiken. Voor zover bekend is zijn ontwerp nooit in de praktijk gebracht.^12. Een andere oplossing was twee afzonderlijke stoommachines te gebruiken. In dit geval was het geen enkel probleem om de cilinders niet evenwijdig te installeren maar zodanig dat

8. Matschoss, Entwicklung, dl. 1, 434-455.

9. R. Steenaard, Stoom en Stoomwezen 1824-1850 (Rotterdam 1989), doctoraalscriptie Erasmus universiteit, bijlage, nr. 38. Dit stoomwerktuig was in een afzonderlijk klein gebouw naast de fabriek opgesteld. De ketel bevond zich in de open lucht.

10. Steenaard, Stoom, bijlage nrs. 90, 91 en 93.

11. Zie M. Bakker, ‘De overheid’, in: H.W. Lintsen e.a., Geschiedenis van de Techniek in Nederland. De wording van een moderne samenleving 1800-1890 (Zutphen 1994), dl. vi, hoofdstuk 5.

12. In het ontwerp van Wright waren beide cilinders even groot. Dit geeft eveneens aan dat hij geen goed inzicht had in de mogelijke voordelen van een machine met twee cilinders. Het vraagstuk van de verhouding van de twee cilinders komt nog aan de orde. E. Brückmann, ‘G.M. Roentgen: der Erfinder der Mehrfach-Expansions-Dampfmaschine’, Zeitschrift der Verein Deutscher Ingenieure, 36 (1892), no. 33, 941-947, 978-986.

[p. 228]

de zuigerstangen van de machines een hoek met elkaar maakten. Dit werd vooral in sleepboten, maar ook in veel gewone stoomboten de gangbare oplossing voor het manoeuvreerprobleem.

De uitvinding van de compoundmachine: een reconstructie

In 1823 kreeg Roentgen de gouden medaille van het Provinciaal Utrechts Genootschap van Kunsten en Wetenschappen voor zijn verhandeling over stoomboten. Het genootschap had een prijsvraag uitgeschreven over de mogelijkheden van de stoomvaart op de Nederlandse binnenwateren. Tevens werd om een ontwerp van een dergelijk vaartuig gevraagd. Roentgen, die kort tevoren dezelfde opdracht van de minister had gekregen, gaf in zijn verhandeling een beschrijving van een dergelijke stoomboot. Naast een pleidooi voor de toepassing van de stoommachine gaf Roentgen ook een overzicht van de stand van zaken. Hoewel Roentgen zelf een gewone balansmachine van Boulton & Watt in zijn ontwerp had opgenomen, waren er dankzij de ontwikkeling van de stoomtechniek volgens hem ook verschillende alternatieven, die de stoomvaart ook op zee mogelijk zouden maken. Een van de methodes was, aldus Roentgen, ‘het plaatsen van twee Stoom-machines in eene boot, elk werkende op eene bijzondere kruk, die aan derzelver as gehecht, een regten hoek met elkander maken’.^13.

Daarnaast bood vooral het gebruik van hogere drukken volgens Roentgen in de toekomst grote voordelen voor de ‘stoomnavigatie’. ‘De Stoommachine [van hoge drukking] is minder kostbaar, minder zwaar, en vereischt mindere ruimte en brandstoffen, in evenredigheid van den graad van drukking’. Helaas durfde men alleen nog in de Verenigde Staten deze stap te zetten. Door ondeskundigheid waren weliswaar in Engeland enkele stoomketels gebarsten - de reden waarom geen hoge-drukmachines meer werden toegepast - maar de stoomvaart was volgens Roentgen veel minder gevaarlijk dan de zeilvaart of het vervoer in rijtuigen. Wel gaf hij verschillende mogelijkheden om de veiligheid te verbeteren, zoals een regelmatige controle, een verzegelde veiligheidsklep en het verbeteren van de opleiding van de machinist. De machinist zou volgens hem niet alleen een examen maar ook een eed dienen af te leggen.^14.

Een jaar later diende Roentgen zijn al eerder genoemde memorie over het nut van stoommachines voor de scheepvaart in. Van zijn drie projecten - het bouwen van stoomsleepboten, het inbouwen van een stoommachine in een bestaand schip en het bouwen van een geheel nieuw stoomoorlogsschip - zouden de laatste twee mislukken en alleen het eerste tot de bouw van de Hercules leiden.^15. De machines voor deze en de meeste andere Nederlandse stoomschepen in die tijd werden geleverd door de firma Cockerill uit Seraing. Een conflict tussen de nsbm en Cockerill (zie hoofdstuk 8), die volgens een eerdere afspraak exclusief scheepsmachines voor de nsbm zou bouwen, had tot gevolg dat de nsbm zelf een machinefabriek inrichtte. Vanaf 1826 bouwde de nsbm haar eigen machines.^16.

De technische leiding had Roentgen in handen gegeven van de Engelse ingenieur N.O. Harvey (1801-1861). Diens oom H. Harvey had in Hayle, in Cornwall, een ijzergieterij en machinefabriek. In de Hayle Foundry, zoals het bedrijf heette, werkte Woolf aan de perfectionering van zijn machine. Een tante van Harvey junior trouwde bovendien met Richard Trevithick, een andere stoomexpert, zodat Harvey van jongs af aan met de grootste Engelse ingenieurs kon werken. Hij deed niet alleen ervaring op in het familiebedrijf maar ook in enkele andere bekende fabrieken van stoommachines. Een van de ingenieurs die Harvey kende, bracht hem in 1824 in contact met Roentgen. Deze bood hem de leiding over de nieuwe machinefabriek op Fijenoord aan. Met Harvey kreeg Roentgen dus een van de grootste specialisten op het gebied van de Woolf-machine in huis.^17.

Volgens een van de biografen van Roentgen werd in een van de volgende jaren een ontwerp voor een dubbele Woolfse machine voor een stoomboot gemaakt. Dit ontwerp was aan Cockerill aangeboden. Deze zou het afgewezen hebben omdat hij juist een slechte ervaring had gehad met het bouwen van een Woolf-machine naar het ontwerp van een Berlijnse ingenieur.^18. Niet duidelijk is of deze machine was bestemd voor de sleepboot waar de nsbm aan werkte. Zeker is in elk geval dat Roentgen en Harvey allerlei plannen hadden om Woolf-machines in de scheepvaart te gebruiken. Trevithick, die het bedrijf in 1828 bezocht, was zeer onder de indruk van de capaciteiten van de jonge werf waar niet alleen met machines maar ook met scheepsvormen werd geëxperimenteerd.^19.

We beperken ons nu tot de totstandkoming van de stoomsleepboot. De nsbm had in 1825 van de regering de opdracht gekregen zo'n schip te bouwen dat onder andere marineschepen op de binnenwateren en in de binnenmondingen zou kunnen slepen, een idee dat Roentgen zelf in zijn Memorie had geopperd. Toen drie jaar later deze boot, de Hercules, nog niet gereed was, besloot Roentgen de tweeling-machine uit de Agrippina in de sleper over te brengen. Dit was een hoge-drukmachine met twee cilinders die afzonderlijk werkten. De Agrippina zou nu - Roentgen was als belangrijkste adviseur van de overheid ongetwijfeld op de hoogte van het op handen zijnde verbod voor hoge-drukmachines op

13. G.M. Roentgen, Verhandeling over de stoombooten (Utrecht 1825), 3-17. De verhandeling werd uitgegeven door het Provinciaal Utrechts Genootschap van Kunsten en Wetenschappen.

14. Roentgen, Verhandeling, 19-21, 28-35 en 52-54.

15. J.M. Dirkzwager, ‘Scheepsbouw’, in: Geschiedenis van de Techniek in Nederland. De wording van een moderne samenleving 1800-1890 (Zutphen 1993), dl. iv, 73-80.

16. Zie hoofdstuk 8 en Dirkzwager, ‘Scheepsbouw’, 74-75.

17. L.U. Scholl, ‘Nicholas Oliver Harvey (1801 bis 1861). Ein englischer Schiffbauingenieur am Niederrhein um 1830’, Technikgeschichte 45 (1978), 89-92.

18. Brückmann, ‘Roentgen’, 945.

19. Scholl, ‘Harvey’, 91.

[p. 229]

passagiersschepen - toch ingericht kunnen worden voor het vervoer van passagiers en dan door de Hercules gesleept worden.

Door de aanwezigheid van twee afzonderlijke machines was het manoeuvreerprobleem bij voorbaat opgelost. Om het vermogen van de Hercules te vergroten wilde Roentgen echter twee extra lagedrukcilinders aanbrengen. Van dit ontwerp is een ruwe schets bewaard gebleven. Omdat het te duur was, werd het niet uitgevoerd. Roentgen maakte daarom in 1830 een nieuw ontwerp, waarin slechts één lage-drukcilinder aan de twee hoge-drukcilinders werd toegevoegd. Het vormen en gieten van een geheel nieuwe cilinder zou echter te veel tijd en geld kosten. Roentgen besloot daarom een ander stoomschip, de Atlas, te ontmantelen en de lagedrukcilinder uit dit schip naar de Hercules over te brengen. Het project stond onder grote tijdsdruk. Roentgen schreef in 1829: ‘Het werk van de Hercules moet zoo veel mogelijk bespoedigd worden op dat dit schip weer in 't water kan gelaten worden.’^20. Desondanks was bij het uitbreken van de Belgische opstand in 1830 de ombouw nog niet helemaal voltooid. De regering had de sleepboot op dat moment dringend nodig en de Hercules werd onder andere bij het beleg van Antwerpen ingezet. Hierbij werd alleen gebruik gemaakt van de hoge-drukcilinders. Daarna werd de machine verder afgebouwd. Bij proeven bleek dat het brandstofverbruik bijna met de helft daalde in vergelijking met het gebruik van alleen de hoge-drukcilinders.^21.

Het koppelen van een lage-drukmachine aan de tweeling-machine leverde twee problemen op. Op de eerste plaats was de cilinder van de Atlas kleiner dan in het tweede ontwerp was voorzien. Dit betekende dat niet alle stoom die uit de hoge-drukcilinders kwam in de lage-drukcilinder zou kunnen expanderen. De ingenieurs van de nsbm losten dit op met behulp van een tandwiel-constructie. Hierdoor kon de lage-drukzuiger meer toeren maken. Deze ingewikkelde constructie was noodzakelijk omdat met bestaande cilinders werd gewerkt. Bij volgende machines kon dit probleem al in de ontwerpfase voorkomen worden. Het tweede probleem was dat de stoom op verschillende tijdstippen uit de beide hoge-drukcilinders kwam en bovendien niet rechtstreeks in de lage-drukcilinder kon stromen. Hiervoor werd een tussenruimte, in de vorm van een extra brede pijp, aangebracht waar de stoom tijdelijk kon worden opgeslagen. Voor het geval dat de machine alleen op de hoge-drukmachines werkte, bezat deze pijp een uitlaatklep waaruit de stoom kon ontsnappen. Een deel van de warmte kon dan nog gebruikt worden om het voedingswater voor de ketels voor te verwarmen. Omdat de stoom hierbij een deel van haar warmte verloor, noemde Roentgen dit onderdeel de ‘refrigerator’.

Detail van het ontwerp van een stoommachine uit 1827 en 1828. In dezelfde tijd dat Roentgen werkte aan de Hercules, kreeg de nsbm de opdracht om de James Watt te verlengen en van een nieuwe stoommachine te voorzien. Het schip dat omgedoopt zou worden in de Stad Keulen, kreeg evenals de Hercules een machine met drie cilinders. Door de oorlogsomstandigheden kwam het schip pas in het begin van de jaren dertig in de vaart. De tekening was waarschijnlijk afkomstig van een van de Engelse ingenieurs die bij de nsbm werkten. Hoewel Roentgen meestal als de grote uitvinder wordt beschreven, was de inbreng van deze buitenlandse technici zeker niet te verwaarlozen.

Het voor de Hercules gemaakte machine-ontwerp wilde Roentgen ook gebruiken voor het in Engeland gebouwde stoomschip James Watt, dat op de werf van de nsbm werd verlengd en werd omgedoopt in de Stad Keulen. Door de omstandigheden liet ook de uitvoering van dit plan enkele jaren op zich wachten. In 1835 deelde Roentgen de directie en aandeelhouders van de nsbm mee dat de Stad Keulen inmiddels was voorzien van een machine met twee hoge-drukcilinders en een lage-drukcilinder. ‘Dit stelsel’ aldus Roentgen, ‘is tot nog toe maar met oude stoomwerktuigen op een onvolmaakte en gebrekkige wijze beproefd, maar op dit ogenblik worden zowel door ons als in Duitschland verschillende nieuwe stoomwerktuigen daarnaar vervaardigd, waardoor alleen het gehele voordeel dezer uitvinding zal worden verkregen.’^22. De werf in Duitsland waar Roentgen op doelde was Die gute Hoffnungshütte van Haniel in Ruhrort. In 1829 had

20. Pearce, ‘Marine-engines’, 11 april 1890, 296.

21. Th.P. Löhnis, ‘De maatschappij voor scheeps- en werktuigbouw “Fijenoord”, voorheen de Nederlandse Stoomboot Maatschappij’, Tijdschrift voor economische geografie (1916), 15 april, 138.

22. De Boer, Leven, 107.

[p. 230]

Harvey de nsbm verlaten om naar Haniel te gaan. Zijn plaats in Rotterdam was ingenomen door Roentgens zwager, de Engelse ingenieur S. Bennet. In dezelfde tijd - omstreeks 1833 - kwam Roentgen op het idee om een van de twee hoge-drukcilinders weg te laten. In een machine met expansie in meerdere cilinders was het immers overbodig om twee hoge-drukcilinders met faseverschil naast elkaar te leggen. Eén hoge-druk- en één lage-drukcilinder die met faseverschil werkten, volstonden ook om de dode punten in de aandrijving te vermijden. Zo ontstond de typische gecombineerde hoge- en lage-drukmachine, die later compoundmachine is genoemd. De eerste machine van dit type is misschien al in 1833 maar zeker in 1834 toegepast in de ijzeren roverboten die door het ministerie van Koloniën waren besteld voor de bestrijding van de piraterij.^23.

Roentgen probeerde bescherming te krijgen voor zijn ideeën. In 1832 kondigde hij aan dat hij in binnen- en buitenland octrooi wilde aanvragen. Van een Nederlandse octrooi-aanvrage is niets bekend, terwijl in 1833 een poging om in Pruisen een octrooi te krijgen niet succesvol was.^24. Een jaar later had hij meer succes. Roentgen kreeg in Frankrijk en Engeland via een agent octrooi op zijn machine.^25. Het systeem van Woolf, zo voerde Roentgen in het octrooi aan, was niet geschikt voor toepassing op stoomschepen. Voor een regelmatige aandrijving en om goed te kunnen manoeuvreren waren twee afzonderlijke stoommachines noodzakelijk. Om dit met een Woolfse machine te kunnen bereiken, waren twee complete machines, dus vier cilinders nodig. Zijn ontwerp had deze nadelen niet en in vergelijking met het gebruik van twee gewone machines, kon in het systeem van Roentgen aanzienlijk op brandstof worden bespaard. Roentgen betoogde verder dat in principe een willekeurig aantal cilinders in serie geplaatst kon worden, dus in feite meer dan tweevoudige expansie kon worden toegepast. De combinatie van twee of meer cilinders in zijn ontwerp kon op schepen worden toegepast om een goede stuurbaarheid mogelijk te maken, maar ook op andere plaatsen, zoals op locomotieven of in fabrieken. De zuigerstangen hoefden bovendien niet op dezelfde aandrijfas te worden aangesloten, zodat ze ook voor verschillende toepassingen ingezet konden worden. De titel van het Franse octrooi, ‘Machine à vapeur expansive à cilindres indépendants et combinés’, maakt dit duidelijk. De tekeningen hierbij lieten een fabrieksmachine zien, die balansen gebruikte voor de overbrenging.^26. Verder deed Roentgen de aanbeveling tussen de twee cilinders een tussenruimte - in het Engelse octrooi ‘intermediate reservoir’ genoemd - aan te brengen. Dit zou tot een rustiger en gelijkmatiger beweging leiden. Bovendien kon men deze tussenruimte in het onderste gedeelte van de rookkamer inbouwen, via welke de verbrandingsgassen van de stookruimte werden afgevoerd. Door de warmte van deze gassen kon de temperatuur en daarmee ook de druk van de doorstromende stoom verhoogd worden. Een dergelijk reservoir kon ook dienen om rechtstreeks extra ‘hulpstoom’ te laten instromen. Een andere mogelijkheid om de werking te verbeteren was een stoommantel om de lagedrukcilinder. Een stoommantel is een dubbele wand rondom de cilinder, waardoor een ruimte ontstaat die gevuld wordt met verse stoom uit de ketel.

Roentgen benadrukte telkens dat zijn ideeën ook op bestaande machine-installaties konden worden toegepast. Elke bekwame ingenieur was in staat om bijvoorbeeld een lage-drukcilinder toe te voegen in een situatie waar extra vermogen werd vereist. Juist deze flexibiliteit in toepassingen, mede mogelijk gemaakt door het reservoir, was het nieuwe van zijn ontwerp. Expansie in meerdere cilinders was inmiddels zeker in Engeland al lang bekend. Het Engelse octrooi uit 1834 had dan ook de bescheiden titel A certain improvement or certain improvements in steam engines.^27.

23. Volgens Van Overbeeke werd de eerste compoundmachine voor de Simson in 1833 nog uit oude machines samengesteld. Over een compoundmachine voor de Agrippina, die weer voor het passagiersvervoer kon worden ingezet, ontbreken nadere bijzonderheden. Voor de Ternate en de Banda zijn met zekerheid nieuwe compoundmachines met twee cilinders gebouwd. P. van Overbeeke, De Compound-machine: Nederlandse ingenieurs en de ontwikkeling van scheepsmachines in de 19e eeuw (Eindhoven 1992), doctoraalscriptie tue, 20-31 en met name tabel 28-29.

24. G. Doorman, Het Nederlandsch octrooiwezen en de techniek der 19e eeuw (Den Haag 1947), 80-81. Löhnis vermeldt dat een Duitse rederij die haar schepen door de fabriek van Haniel liet bouwen, voor de nsbm een octrooi kreeg, maar dit is niet teruggevonden. Löhnis, ‘Feijenoord’, 138.

25. In Engeland stond het octrooi op naam van E. Wolff (patent specification No. 6600 van 26 april 1834, op 24 oktober 1834 toegewezen). In Frankrijk was A. Koechlin de agent. Op 23 juli van hetzelfde jaar kreeg deze voor tien jaar een octrooi. Brückmann, ‘Roentgen’, 978.

26. Bij het Engelse octrooi bevonden zich dezelfde tekeningen. Brückmann, ‘Roentgen’, 978-981.

27. Brückmann, ‘Roentgen’, 979-980. Pearce geeft de Engelse tekst van het octrooi, The Engineer, 1891, 3 april, 268-269.

De verspreiding van de compoundmachine

Dankzij de ontwikkeling van dit nieuwe machinetype was de nsbm in staat om goede en concurrerende stoomschepen te bouwen. De nsbm kreeg de beschikking over schepen die minder brandstof nodig hadden voor dezelfde prestatie en dus goedkoper te exploiteren waren of, een tweede mogelijkheid, over schepen die bij gelijk gewicht en afmetingen meer stuwvermogen hadden dan de gangbare schepen. De mogelijkheid om schepen uit te rusten met bijzonder krachtige machines werd met name toegepast bij sleepboten. Deze sleepboten hebben de Rijnvaart een ander aanzien gegeven. Behalve voor eigen gebruik werden ook verschillende machines aan buitenlandse bedrijven geleverd, voornamelijk voor de stoomvaart op de Rijn, de Elbe en de Wolga, maar ook voor het gebruik in fabrieken, waaronder een klein aantal voor fabrieken in de Elzas.^28. In totaal zijn tussen 1834 en 1853 zeker zo'n 25 schepen met een machine van de nsbm uitgerust.^29. Op de Gute Hoffnungshütte, waarmee de nsbm vriendelijke contacten bleef onderhouden, zijn eveneens verschillende machines gebouwd. Daarnaast werden in het begin van de jaren vijftig door de in 1838 in Kampen opgerichte Rijn- en IJssel-Stoombootmaatschappij enkele compoundmachines gemaakt. Deze rederij was mede-opgericht door de Engelsman C. Penny, die hoofd-machinist bij de nsbm was geweest en later zijn naam vernederlandste tot Penning. De Kampense rederij had in 1838 een drietal schepen met compoundmachines bij de nsbm gekocht. De Rijn- en IJssel-

28. Brückmann, ‘Roentgen’, 981-982.

29. Van Overbeeke, Compound-machine, 28-29.

[p. 231]

Stoombootmaatschappij breidde het bedrijf vervolgens uit met een machinefabriek waar ook enkele compoundmachines werden gebouwd. Ook hier zien we weer het bekende patroon van een technicus die bij een groot bedrijf voldoende kennis had opgedaan om later zelf machines te gaan bouwen. Bovendien waren in dit geval machines van de nsbm voorhanden.^30. Ook in andere landen zijn op kleine schaal compoundmachines gemaakt.^31.

De verspreiding van de compoundmachine bleef echter beperkt tot de binnenwateren. Het belangrijkste obstakel voor het gebruik op zeeschepen was de combinatie van de condensor van de lage-drukmachine, de injectie-condensor van Watt en het gebruik van hoge drukken. In de condensor werd de stoom door het inspuiten van koud water tot condenseren gebracht. Het watermengsel in de condensor werd vervolgens weer als voedingswater naar de ketel geleid. Om 1 kg stoom te condenseren moest maar liefst 20 tot 30 liter water worden ingespoten. Voor schepen op zee betekende dit dus het inspuiten van zeewater, omdat het ondoenlijk was de benodigde hoeveelheden zoet water mee te nemen. Zolang de temperatuur in de ketel niet boven de 144^oC kwam, kristalliseerde het zout en was het voldoende om de ketel af en toe door te spoelen, het zogenaamde spuien. Deze temperatuur werd bereikt bij ongeveer 4 atm, bij hogere drukken ontstond er een soort ketelsteen die zich afzette op de ketelwand en een isolerende laag vormde. Hierdoor werd de werking van de ketel belemmerd, wat in het ergste geval tot explosies kon leiden.

Er zijn verscheidene pogingen ondernomen om dit probleem op te lossen. Al in 1832 had de bekende ingenieur I.K. Brunel een octrooi op een oppervlakcondensor gekregen. In deze condensor kwam het koelwater niet meer rechtstreeks in contact met de stoom, maar stroomde langs het oppervlak van honderden kleine buisjes, waarin zich de stoom bevond.^32. Van dit octrooi is een afschrift in het archief van de nsbm gevonden.^33. Technische problemen verhinderden voorlopig de toepassing hiervan. Met name het voldoende luchtdicht maken van de buizen was een groot probleem. S. Hall was in 1838 de eerste die hier werkelijk in slaagde. Twee jaar later kreeg hij een octrooi hierop, maar nog voordat de octrooi-aanvraag de deur uit was, was Roentgen al aan het experimenteren met een oppervlakcondensor voor de Rotterdam. Ook Roentgen slaagde er echter niet in de afdichting op bevredigende wijze te realiseren. De Rotterdam kreeg daarom uiteindelijk weer dezelfde injectie-condensor als de Batavia.^34. Zowel de Batavia als de Rotterdam waren zeegaande stoomraderboten, gebouwd in opdracht van het ministerie van Koloniën voor de dienst in de Indische archipel. De schepen werden overigens als zeilschip naar de Oost gevaren, want ze waren mede door hun injectie-condensor niet geschikt om grote afstanden op zee af te leggen.^35. Aan de carrière van Roentgen kwam enkele jaren later een einde. In 1849 werd hij plotseling krankzinnig en drie jaar later overleed deze dynamische technicus. Zijn plaats bij de nsbm werd ingenomen door de marine-ingenieur J.W.L. van Oordt.

30. Van Overbeeke, Compound-machine, 28-29.

31. H.C. Bosscha, ‘Over de toepassing op zeeschepen van John Elder's stelsel van stoomwerktuigen met dubbele cilinders’, De Volksvlijt (1861), 128, vermeldt dat ook een Londense firma de machine van Roentgen gebouwd heeft.

32. De omgekeerde constructie kwam ook voor.

33. The Engineer (1890) 8 aug, 103.

34. Brückmann, ‘Roentgen’, 983-984.

35. Dirkzwager, ‘Scheepsbouw’, 77-81.

De bijdrage van Roentgen

Heeft Roentgen nu de compoundmachine uitgevonden of niet? Uit het voorgaande is duidelijk geworden dat van de uitvinding van de compoundmachine geen sprake is geweest. De totstandkoming van de machine, die later de compoundmachine werd genoemd, is een proces geweest dat jaren heeft geduurd. Het uitgangspunt vormden de pogingen om de machine van Woolf op stoomschepen toe te passen. Dit was vooral interessant vanwege de mogelijkheden op deze wijze brandstof te besparen, een belangrijke voorwaarde voor de stoomvaart over grotere afstanden. De uitgangssituatie voor de nsbm was bijzonder gunstig: met Harvey had men een van de grootste deskundigen op het gebied van de Woolfse machine in huis gehaald.

Het belangrijkste nadeel van het systeem van Woolf was dat het manoeuvreren van schepen hiermee moeilijk was, omdat het risico bestond dat de machine in het dode punt zou blijven stilstaan. De compoundmachine, zo is de gebruikelijk voorstelling, loste dit probleem op door de twee cilinders onder een bepaalde hoek te plaatsen. De normale praktijk in de stoomvaart die ook door Roentgen werd beschreven, was echter om twee afzonderlijke machines te installeren. Het belangrijkste motief om in de Hercules extra cilinders te willen inbouwen, was het vergroten van het vermogen van de machine bij hetzelfde brandstofverbruik. Dit bleek in de praktijk ook geslaagd te zijn. Om kosten en gewicht te besparen - misschien speelden ook de moeilijke omstandigheden waarin het bedrijf verkeerde een rol - werd slechts één lage-drukcilinder ingebouwd. Dit systeem met drie cilinders werd ook op de Stad Keulen toegepast. In feite laten de octrooien zien dat Roentgen niet dacht dat hij een nieuwe machine had uitgevonden, maar veeleer een methode om op verschillende wijzen afzonderlijke stoommachines te combineren. In de loop van de volgende jaren werd nog één cilinder weggelaten. Dit leverde in elk geval een goedkopere en lichtere machine op. Maar in deze situatie met slechts twee cilinders werd het cruciaal om deze onder een hoek te laten werken. Wat voorheen van ondergeschikt belang was geweest, omdat er twee hoge-drukcilinders waren die al uit fase werkten, werd nu een belangrijk kenmerk van het systeem van Roentgen.

Een vergelijkbare ontwikkeling heeft de receiver

[p. 232]

IJmuiden voor het einde van de noord-pier (1878). Sleepboten - hier een raderstoomboot - speelden een belangrijke rol bij het binnenslepen van grote schepen in de havens. Hiervoor waren krachtige motoren vereist. De compoundmachine was hiervoor uitstekend geschikt. Het extra vermogen bij eenzelfde brandstofverbuik was ook het belangrijkste voor Roentgen om met compoundmachines op sleepboten te gaan experimenteren.

doorgemaakt. Die wordt altijd aangewezen als het cruciale verschil tussen de compoundmachine en de Woolf-machine. De receiver is met zekerheid geen uitvinding van Roentgen. Het is niet bekend of Roentgen en Harvey op de hoogte waren van het octrooi van Wright. Onwaarschijnlijk is dit niet. Er waren echter verschillende andere ingenieurs die vergelijkbare ideeën hadden. In 1825 werd bijvoorbeeld in de Mechanics Magazine hierover gediscussieerd. Een zekere J. Ham reageerde op een brief met als kop Working steam twice. Ham schreef dat men stoom uit een hoge-drukcilinder in een afzonderlijk vat zover kon laten expanderen, dat het nog een keer in een gewone lage-drukmachine kon worden gebruikt. Dan had men een machine met dubbel-vermogen gekregen. Een afschrift van deze brief, gemaakt door Roentgen of een van zijn medewerkers is in het archief van de nsbm gevonden, en vormt het zoveelste bewijs dat de ontwikkelingen in Engeland op de voet werden gevolgd.^36.

Roentgen zag zelf als de belangrijkste functie van zijn ‘refrigerator’ dat het met behulp hiervan mogelijk was om de verschillende cilinders onafhankelijk van elkaar te gebruiken. Uit niets blijkt dat Roentgen een tijdelijke opvang van de stoom bij niet in fase lopende zuigers absoluut noodzakelijk vond en dat daardoor de ‘refrigerator’ hét essentiële onderdeel van zijn systeem was. Integendeel, in zijn octrooien sprak Roentgen alleen van ‘het is aan te bevelen dat’ en ‘vaak is het nuttig om’. Het voordeel van zo'n reservoir was een meer regelmatige gang van de machine. Daarentegen wordt uit alles duidelijk dat het voor Roentgen een belangrijk drijfveer was het rendement van de machine te verbeteren. Al bij zijn eerste beschrijving van de ‘refrigerator’ gaf hij aan hoe de warmte van de stoom, die normaal gewoon in de lucht zou wegstromen, nog gedeeltelijk gebruikt kon worden. Enkele jaren later, in zijn octrooi, gaf hij aan dat niet alleen de werking van de lage-drukmachine verbeterd kon worden door extra stoom in het reservoir toe te laten, maar ook hoe hierbij van de warmte van de verbrandingsgassen gebruik kon worden gemaakt, warmte die anders volledig verloren ging. Zijn ideeën over de functie van het reservoir waren dus verder geëvolueerd zonder dat ze nu volledig samenvielen met de betekenis die er later aan is gehecht. Verder ge-

36. J. Ham, ‘Working steam twice’, Mechanic's Magazine (1825), 110, 30 juli 1825, 295. Dit was een reactie op een brief die een week eerder was verschenen, ibidem, (1825) 23 juli, 243.

[p. 233]

tuigen zijn voorstellen voor het gebruik van stoommantels en de verhouding tussen de afmetingen van de beide cilinders van een goed inzicht in de werking van een stoommachine en de mogelijkheden om die te verbeteren. Dit gebruikte hij ook om de juiste volumeverhouding tussen de hoge en de lagedrukcilinder vast te stellen. Deze verhouding bepaalde de mate van expansie in de lage-drukcilinder en daarmee de hoeveelheid arbeid die werd verricht. Deze verhouding moest bovendien zodanig gekozen worden dat door beide zuigers ongeveer evenveel arbeid werd verricht.^37. Dit laatste punt zou een belangrijke rol spelen bij het ontwerpen van compoundmachines na 1860.

De vraag welk aandeel aan Roentgen toe te schrijven is en wat eventueel aan zijn medewerkers te danken is, valt niet met zekerheid te beantwoorden. In Engeland ontwikkelde ideeën én ervaring hebben in elk geval een belangrijke rol gespeeld. Roentgen wordt beschreven als een gedreven man, die rusteloos aan nieuwe plannen werkte en een drijvende kracht in het bedrijf. Roentgen mag dan niet de uitvinder zijn van de compoundmachine, de succesvolle ontwikkeling van de hoge en lage-drukmachine, zoals de compoundmachine bij de nsbm werd genoemd, kan wel in belangrijke mate aan hem worden toegeschreven. De nadruk die in de tweede helft van de negentiende eeuw op de receiver en de compoundmachine werd gelegd, had echter tot gevolg dat aan een ander aspect van de door Roentgen gemaakte machines te weinig aandacht is besteed. Tot het midden van de eeuw was de balansmachine het overheersende type machine, ook in stoomschepen. Vanaf omstreeks 1830 werden de eerste aarzelende pogingen ondernomen om direct werkende machines te maken, dat wil zeggen, de balans weg te laten en het vliegwiel boven de cilinder aan te brengen. Tegelijkertijd werd in de Verenigde Staten geëxperimenteerd met horizontale machines.^38. Opmerkelijk aan de ontwerpen van Roentgen was dat al bij de allereerste plannen sprake was van direct-werkende machines, die (nagenoeg) horizontaal lagen. Door het gecombineerde gebruik van meerdere machines werd bovendien het vliegwiel overbodig, wat een groot voordeel was gezien de beperkte ruimte aan boord. De compoundmachine had door zijn constructie al vanzelf een tamelijk gelijkmatige loop, iets wat steeds meer als een voordeel van samengestelde machines in het algemeen werd gezien.

Dit alles maakte een compacte en voor de scheepvaart bijzonder geschikte machine mogelijk. Hoewel niet zonder meer een originele vinding, was dit een zeer vroege én succesvolle uitwerking en toepassing. De directe werking was waarschijnlijk een veel belangrijkere innovatie dan de manier waarop de cilinders met elkaar waren verbonden. De aandacht die hieraan is besteed, vooral in de jaren tachtig en negentig van de negentiende eeuw, moet dan ook vooral gezien worden tegen de achtergrond van de snelle verspreiding van de compoundmachine na 1860. Daardoor ook werd Roentgen als de uitvinder van de compoundmachine aangewezen. Dit doet niet alleen geen recht aan de bijdragen van anderen, maar geeft ook een verkeerd beeld van de wijze waarop de compoundmachine is ontstaan.

Bij het ontwerpen van ijzeren stoomschepen voor de Marine bleken ontwerpgegevens van groot belang. De in Engeland gebouwde Prins Hendrik der Nederlanden diende dan ook tot voorbeeld van dit schip, de Koning der Nederlanden, dat tussen 1870 en 1874 op de Rijkswerf in Amsterdam werd gebouwd. Dit schip met een lengte van ruim 80 meter was op dat moment het grootste in Nederland gebouwde schip. De machine werd echter nog door de Engels fabrikant Penn & Sons gebouwd. Diens elegante oscillerende machines van lage drukking domineerden rond het midden van de eeuw de stoomvaart, maar zij zouden vanaf 1870 al snel door compoundmachines vervangen worden.

37. De optimale volumeverhouding was natuurlijk afhankelijk van de begindruk. Met de toepassing van steeds hogere drukken verschoof ook de volumeverhouding. Voor een gelijkmatige werking van de machine was het belangrijk dat er geen grote verschillen optraden in de krachten die via de krukken op de aandrijfas werden uitgeoefend. Van Overbeeke, Compoundmachine, 27-31.

38. H. Lintsen, ‘Stoom in ontwikkeling’, in: H.W. Lintsen e.a. (red.), Geschiedenis van de Techniek in Nederland. Wording van een moderne samenleving 1800-1890 (Zutphen 1993), dl. iv, 111-129.

[p. 234]

De internationale doorbraak

Scheepsmachines waren tot omstreeks 1850 op enkele uitzonderingen na lage-drukmachines. Deze waren zowel voor zee- als rivierschepen geschikt.^39. De perfectionering van de stoommachine had tot steeds zuiniger machines geleid. De mogelijkheden om grote vooruitgang te boeken zonder de stoomdruk te verhogen werden echter steeds beperkter. Juist omdat brandstofbesparing in de scheepvaart meer dan in andere sectoren van belang was, liepen de constructeurs van scheepsmachines in dit opzicht vaak voorop. In eerste instantie viel de brandstofbesparing die met hoge-drukmachines werd bereikt, nogal tegen. De grote temperatuurverschillen leidden, zoals wij reeds eerder vermeldden, tot een gedeeltelijke condensatie van de stoom, wat de werking van de machines nadelig beïnvloedde.

Verschillende ingenieurs en bedrijven begonnen daarom hun aandacht weer te richten op de Woolfmachine. Het zwaartepunt van deze ontwikkeling lag nog steeds in Engeland en Schotland, maar ook op het Europese continent werd op verschillende plaatsen met Woolfse machines geëxperimenteerd.^40. Een van de eerste pogingen was een octrooi van de Engelse ingenieur Nicholson, werkzaam bij Great Eastern Railway. Diens continuous expansion engine was vooral voor stoomlocomotieven bedoeld, maar werd ook op rivierschepen toegepast. In een periode van ongeveer tien jaar, van circa 1855 tot 1865, kreeg de compoundmachine - nu standaard met receiver - zijn definitieve vorm. De bekendste en succesvolste constructeur was J. Elder, die vanaf 1852 bij de Schotse firma Randolph, Elliott & Co werkte en zich langzaam opwerkte tot mede-vennoot.^41.

Het belangrijkste verschil met de machine van Roentgen was de oppervlakcondensor. Men was er in geslaagd om de technische problemen met de oppervlakcondensor op te lossen. Vooral door de verbetering van de luchtdichtheid voorkwam men dat het koelwater met de stoom in de condensor in aanraking kon komen. Hierdoor kon de druk worden verhoogd en kwamen er machines op de markt die met een druk van vijf, zes en zelfs zeven atmosfeer werkten. Daarnaast waren bij de nieuwe machines beide cilinders van een stoommantel voorzien en werd oververhitte stoom gebruikt.

Stoommantels waren ook al door Roentgen toegepast, maar alleen voor de lage-drukcilinder. Het belangrijkste doel hiervan was om afkoeling van de cilinder te voorkomen. Van oververhitting is sprake als de verzadigde stoom buiten de ketel extra verhit wordt zonder dat de druk toeneemt. Hierdoor wordt de stoom onverzadigd. Het effect hiervan was dat niet onmiddellijk condensatie optrad als de stoom in de cilinder een beetje afkoelde. Op het belang van stoommantels en van oververhitting werd in 1859 gewezen door W.J.M. Rankine in zijn boek over de scheepsbouwkunde.^42. Rankine, een civiel-ingenieur, was sinds 1855 hoogleraar in

Compoundmachine voor het stoomschroefschip de Madura, dat tussen 1876 en 1879 door de Koninklijke Fabriek van Stoom- en andere Werktuigen in Amsterdam werd gebouwd. In vergelijking met de compoundmachines van Roentgen was deze machine veel compacter maar desondanks veel krachtiger.

39. De oscillerende machines van de Britse machinefabrikant Penn waren het meest succesvol.

40. Onder andere in Oostenrijk en Zwitserland. Zeker in Oostenrijk was de machine van Roentgen bekend. O.H. Müller, ‘Über Umsteuerungen, besonders für Schiffsmaschinen’, Zeitschrift des Österreichischen Ingenieur- und Architecten Vereines (1867), 38-39 en verder M.M. Jackson, ‘Expansive marine engines’, The Engineer (1864), ii, 369, ‘letter to the editor’.

41. Matschoss, Entwicklung, 470-486.

42. W.J.M. Rankine, Shipbuilding, theoretical and practical (Londen 1866), 270.

[p. 235]

Glasgow en was een van de eerste hoogleraren in de ingenieurswetenschappen in Groot-Brittannië. Hij was bovendien een van de eersten die een systematische en volledige behandeling van de thermodynamica publiceerde onder de titel A manual of the steam engine and other prime movers. Dit boek, dat in 1859 voor het eerst werd gepubliceerd, werd vele malen herdrukt en was van grote betekenis voor de verspreiding van de thermodynamica.^43. Rankine was uitstekend op de hoogte van de ontwikkelingen in de constructie van scheepsmachines. Hij was goed bevriend met Elder en onderhield ook met veel andere fabrikanten contacten. Hij zat als het ware op de eerste rij, toen de Schotse scheepsbouwers met nieuwe machines experimenteerden.

Het argument om meervoudige expansie toe te passen, was de reductie van de ongewenste condensatie. Dit was zeker geen ontdekking van Rankine. Hij kon echter wel op grond van theoretische inzichten een verklaring geven voor de verbeterde prestaties. Volgens de thermodynamica maakt het geen verschil of de stoom in één cilinder of twee cilinders expandeert. Alleen het temperatuurverschil tussen ketel en condensor is bepalend voor het maximaal haalbare rendement. Bij de compoundmachine hield de verdeling van het totale temperatuurverschil over meerdere cilinders in dat er kleinere verschillen in elke cilinder waren en er dus minder condensatie optrad. Op grond van zijn kennis van het gedrag van gassen kon Rankine aangeven dat oververhitting een ander middel was om condensatie verder te beperken. Bovendien kon Rankine op grond van zijn analyses nauwkeuriger dan voorheen aangeven hoe groot het maximaal te behalen voordeel was.

Het nadeel van expansie in meerdere cilinders was dat de machine meer onderdelen had en er meer energie door wrijving verloren ging. Door een nauwkeurige afweging van de extra-opbrengsten en verliezen kon berekend worden bij welke druk het raadzaam was om meerdere cilinders te gebruiken. Zo bleek dat het bij drukken boven de tien atmosfeer beter was de expansie van de stoom over drie opeenvolgende cilinders te verdelen. Deze zogenaamde triple-expansiemachine werd vanaf de jaren tachtig toegepast, toen men technisch in staat was ketels te bouwen die dergelijke hoge drukken aankonden.

Veel ideeën om de stoommachine te verbeteren waren al lang bekend. Stoommantels werden sinds de tijd van Watt toegepast. Roentgen had, zoals we zagen al in zijn octrooi gewezen op de mogelijkheid van meervoudige expansie. De verbeteringen aan de compoundmachine kunnen daarom ook niet - zoals vaak gebeurt - aan Rankine of aan de thermodynamica worden toegeschreven.^44. De verdienste van Rankine was dat hij een betere en wetenschappelijke onderbouwing van de machine gaf. Op grond hiervan kon al van tevoren worden aangegeven wat het effect van veranderingen zou zijn en wat maximaal haalbaar was. Op deze wijze begonnen wetenschappelijke inzichten geleidelijk de richting waarin de techniek zich ontwikkelde te beïnvloeden. Dit is een heel ander beeld dan het gangbare, waarin na 1850 de technische ontwikkeling op het gebied van de stoomtechniek volledig afhankelijk werd van de thermodynamica.

De invoering van de compoundmachine was van groot belang voor de stoomvaart. Het brandstofverbruik daalde daardoor zo ver dat het stoomschip ook op lange afstanden kon concurreren met het zeilschip. In de jaren zeventig en tachtig werden vrijwel alle stoomschepen met compoundmachines uitgerust. In deel iv van deze Geschiedenis van de Techniek in Nederland is dit uitgebreid beschreven, evenals de overgang van de raderboot op het stoomschip met schroef.^45. De ontwikkeling van de scheepsmachines verliep nogal stormachtig. Na de triple-expansiemachines deden in de jaren negentig ook de quadruple-expansiemachines hun intrede. Lang zou de dominantie van de compoundmachines niet duren. De ontwikkeling van geheel nieuwe types scheepsmachines, zoals de stoomturbine en de dieselmotor, zouden spoedig een nieuw tijdperk inluiden.^46.

43. W.J.M. Rankine, A manual of the steam egine and other prime movers (Londen 1859). In 1878 verscheen bijvoorbeeld al de negende druk.

44. Matschoss, Entwicklung, ii, 487-503 en C. Busley, Die Schiffsmachine (Kiel 1883-1885), 320.

45. Een hoger toerental en het gebruik van een schroef in plaats van de raderen vereiste een geheel andere opstelling van de machine. Op deze aspecten gaan we niet verder in.

46. Matschoss, Entwicklung, 503-514.

De herintroductie van de compoundmachine in Nederland

In 1870 werd in Amsterdam de Stoomvaartmaatschappij Nederland (smn) opgericht met de bedoeling een stoomvaartverbinding met Nederlands-Indië te gaan onderhouden. Naast enkele reders en Prins Hendrik was ook John Elder bij deze maatschappij betrokken. Het wekte dan ook geen verbazing dat de smn haar schepen bij Elder bestelde. Protesten hiertegen haalden niets uit. Ook andere Nederlandse stoomvaartmaatschappijen die over de oceanen voeren, kochten hun schepen in het buitenland. Op deze wijze kwamen er stoomschepen onder Nederlandse vlag met compoundmachines van het nieuwe type, dat wil zeggen met oppervlakcondensor. In opdracht van de minister van Marine werden de gegevens van deze schepen, dus ook van de machines, openbaar gemaakt. Vanaf 1875 verscheen onder redactie van B.J. Tideman het Memoriaal van de Marine, waarin dit soort gegevens voor alle geïnteresseerde fabrikanten en ingenieurs werd

[p. 236]

De Koningin Emma der Nederlanden bij het binnenkomen van de haven van IJmuiden in 1888. Dit schip was een combinatie van een stoom- en een zeilschip. Door toepassing van compoundmachines daalde het gebruik van brandstof dusdanig dat het voor zeilschepen steeds moeilijker werd om concurrerend te blijven. Het gevolg was dat zeilschepen, die gedurende een groot deel van de negentiende eeuw met succes op zee met de stoomschepen hadden geconcurreerd, na 1880 in snel tempo vervangen werden door stoomschepen, die door compoundmachines werden aangedreven.

gepubliceerd.^47. Hiermee werd de transfer van kennis en ontwerpgegevens veel systematischer dan voorheen georganiseerd.

Het Memoriaal was voor de grote leveranciers van scheepsmachines, zoals de nsbm en Van Vlissingen, niet de enige bron van kennis. De Engelse compoundmachines waren al eerder bekend. Zo verscheen in 1861 in De Volksvlijt een artikel over ‘de toepassing op zeeschepen van John Elder's stelsel van stoomwerktuigen met dubbele cilinders’. De auteur, H.C. Bosscha, was op de hoogte van de machines van de nsbm, maar de machines van Elder onderscheidden zich volgens Bosscha hiervan, doordat ze op veel grotere schaal en op zee werden toegepast.^48. Bosscha beschreef de verschillende proeven die met de schepen van Elder waren uitgevoerd. In alle gevallen leverde dit een grote besparing van brandstof op.^49. De nsbm bleef overigens tot 1871 compoundmachines volgens het systeem van Roentgen bouwen. Volgens Th. Löhnis, die omstreeks 1880 op de tekenkamer van de nsbm werkte, gebruikten de technici bij de nsbm hiervoor de naam ‘hoge en lage-drukmachine’. Alleen de machine met oppervlakcondensor werd compoundmachine genoemd. Deze machine werd in de jaren zeventig geïntroduceerd. De machine voor de Holland uit 1874 was de eerste compoundmachine met oppervlakcondensor die door de nsbm werd gebouwd, waarschijnlijk naar Engels ontwerp.^50.

Bij Van Vlissingen en Dudok van Heel werd in het begin van de jaren zestig geëxperimenteerd met een oscillerende receiver-compoundmachine, waarbij de cilinders onder een hoek van 90 graden waren opgesteld. Dit bleek geen succes te zijn. Enkele jaren later, toen het bedrijf werd voortgezet als de Koninklijke Fabriek van Stoom- en andere werktuigen, werd een nieuwe poging ondernomen. De receiver-compoundmachine voor het zeeschip Stella, die in 1871 werd voltooid, bleek wel aan de verwachtingen te voldoen. Deze machine was ontworpen door A.C.J. Vreedenberg (1841-1915). Vreedenberg had zijn opleiding voornamelijk in de fabriek van Van Vlissingen gekregen. Hij werd nog in het jaar van oprichting lid van de kleine Amsterdamse vereniging voor werktuigkundige ingenieurs Archimedes. Na een verblijf van vijf jaar in Japan, kwam hij nog voor enkele jaren bij de Koninklijke Fabriek terug. In deze tijd werd de compoundmachine gebouwd.^51.

Van de koopvaardij kregen de Nederlandse bedrijven voorlopig nog geen opdrachten. Voor de marine bouwden de nsbm en de Koninklijke Fabriek

47. Dirkzwager, ‘Scheepsbouw’, 95-96.

48. H.C. Bosscha (1827-1898) woonde en werkte een groot deel van zijn leven als ingenieur in Deventer. Niet bekend is of hij familie van de eerder genoemde J. Bosscha was. De Ingenieur (1898), 499.

49. H.C. Bosscha, ‘Over de toepassing op zeeschepen van John Elder's stelsel van stoomwerktuigen met dubbele cilinders’, De Volksvlijt (1861), 125-142, met name noot op 128.

50. Van Overbeeke, Compoundmachine, 48.

51. Samengestelde stoommachines kwamen hier ook ter sprake, overigens niet door Vreedenberg, die een aantal keren over stoomketels sprak. Later legde Vreedenberg zich vooral op polderbemalingen toe. ga Amsterdam, Archief Vereniging Archimedes, inv.nr. 10, 1862 en 1863; R.A. van Sandick, ‘A.C.J. Vreedenberg’, De Ingenieur 31 (1915), 933.

[p. 237]

tussen 1876 en 1879 een aantal kleine kruisers voor de Indische dienst. Omdat de marine nog steeds huiverig stond tegenover hoge-drukmachines, werd hierin een aangepast systeem toegepast met twee hoge- en twee lage-drukcilinders. De schepen konden in noodgevallen ook alleen op de lage-drukcilinders varen. Nederlandse marine-ingenieurs hadden dit systeem van Ch. Sells in Engeland gezien en de benodigde gegevens meegenomen. Ze werden. ook in het Memoriaal gepubliceerd. In 1879 volgde het eerste grote marineschip met het systeem van Sells. Voorstellen van Tideman, een jaar eerder, om een machine van groot vermogen van Elder te kopen en de gegevens ter beschikking van de Nederlandse fabrikanten te stellen, liepen stuk op een competentiestrijd binnen de marine. Tideman was van mening dat een schip en machine als één geheel moest worden opgevat.^52. De verantwoordelijkheid voor de bouw van nieuwe schepen was echter bij de marine verdeeld over twee personen, één voor het schip en één voor de machine. Tideman was alleen belast met het ontwerp van het schip. Het ontwerpen en bestellen van de machine viel onder de bevoegdheid van een andere ingenieur. Deze zag Tidemans voorstellen als een inbreuk op zijn eigen terrein en wees ze daarom van de hand.^53.

Toen vanaf het begin van de jaren tachtig ook grote stoompakketboten met compoundmachines door de nsbm, Van Vlissingen en De Schelde - ontstaan op initiatief van Tideman op de plek van de voormalige rijkswerf te Vlissingen - werden geleverd, brak een nieuwe bloeiperiode voor de scheepsbouw aan. Tegelijkertijd was de (her)introductie van de compoundmachine voltooid.

52. Dit idee had hij vooral uitgedragen in zijn Scheepsbouwkunde als wetenschap (Amsterdam 1859), maar ook in latere werken benadrukte hij dit herhaaldelijk.

53. J.M. Dirkzwager, Dr.ir. B.J. Tideman (Leiden 1970), 124-127.

Het ontwerpen van compoundmachines

De werktekeningen voor de Stella die door Vreedenberg waren gemaakt, werden ter beschikking gesteld van de Polytechnische School. Huët gebruikte ze als voorbeeld bij zijn lessen in de werktuigbouwkunde en het werktuigbouwkundig teke-

De leraar werktuigkunde aan de Polytechnische School, A. Huët, ontwikkelde een grafische ontwerpmethode voor compoundmachines. Hier is de eerste stap van deze methode afgebeeld. Voor een machine met gegeven afmetingen, bepaalde hij de druk in de receiver en de cilinders. In dit geval ging het om een compoundmachine met één hoge-drukcilinder, twee lage-drukcilinders en twee ‘receivers’ (reservoirs), die altijd met elkaar in verbinding stonden en drie krukken onder hoeken van 120^o. Langs de x-as staat de tijd en op de y-as het volume van de receivers en de cilinders. Het interval AB markeert één slag van de hoge-drukcilinder. De verschillende arceringen geven aan of stoom in het betreffende volume wordt toegelaten, expandeert, ontsnapt of wordt gecomprimeerd. Uit deze figuur kan worden afgelezen hoe groot het volume van de receiver is en van dat deel van de cilinders die hiermee in verbinding staan. Hieruit kon vervolgens de druk in de cilinder worden berekend. Was dit bekend dan kon vervolgens weer eenvoudig worden bepaald welke tegendruk de expanderende arbeid verrichtende stoom moest overwinnen in de hoge-druk-cilinder en welke druk de stoom had, die in de lage-drukcilinder werd ingelaten.

[p. 238]

Vooraanzicht van het verticale triple-expansie scheepsstoomwerktuig dat in 1895 in opdracht van L. Smit en Zoon te Kinderdijk door de maatschappij De Schelde te Vlissingen werd vervaardigd. Toen de stoomdrukken alsmaar hoger werden, werd het interessant om de stoom in meer dan twee cilinders te laten expanderen. Zo ontstonden vanaf 1885 eerst machines met drie cilinders, de triple-expansie machines, en vanaf 1895 zelfs met vier cilinders, de quadrupleexpansie machines. Door de opkomst van de Dieselmotor kwam aan deze ontwikkeling een einde.

nen en een hele generatie van werktuigkundigen en scheepsbouwkundigen kende ze van de opleiding.^54.

De eerste praktische oefeningen in de werktuigkunde bestonden natuurlijk uit het leren lezen van tekeningen en vervolgens het zelf maken van tekeningen. Daarnaast besteedde Huët in het derde en vierde jaar in een afzonderlijke cursus aandacht aan het ontwerpen van allerlei typen stoommachines. Hoe hij hierbij te werk ging, lichtte hij toe op een bijeenkomst van het kivi. In april 1882 hield Huët daar een voordracht over zijn methode om compoundmachines te ontwerpen.^55.

In het algemeen probeerden constructeurs een compoundmachine te ontwerpen die de gevraagde prestatie leverde en onder de gegeven omstandigheden zo voordelig mogelijk werkte. Dit kan men zeker voor scheepsmachines als het belangrijkste criterium beschouwen. Huët onderscheidde daarnaast echter nog zeven andere criteria waarmee de ontwerper rekening diende te houden. De machine moest bijvoorbeeld gelijkmatig lopen en verder zou de maximale kracht op elk van de zuigers zoveel mogelijk gelijk dienen te zijn. Het probleem was dat deze criteria onderling strijdig konden zijn. Een enkel voorbeeld kan dit duidelijk maken. We hebben al gezien dat het temperatuurverschil in elk van de cilinders zo klein mogelijk moest zijn om condensatie in de cilinder en warmteverlies te voorkomen. Een ander criterium was echter dat de zogenaamde nalading minimaal moest zijn. Nalading is het verschijnsel dat de druk tijdens het inlaten van stoom in de lage-drukcilinder plotseling toeneemt, omdat er tegelijkertijd weer stoom uit de hoge-drukcilinder in de receiver wordt geloosd. Dit kon worden voorkomen door het inlaten van stoom in de receiver zo kort mogelijk te laten duren. Het gevolg hiervan was dat de druk in de receiver toenam en het drukverschil (en dus ook het temperatuurverschil) over de lage-drukcilinder groter werd dan gewenst.^56. Het was afhankelijk van de ontwerper welk criterium hij zwaarder liet wegen.

Volgens Huët waren er drie methoden om het ontwerp verder uit te werken. De traditionele methode was het beredeneren van de werking van een machine. Door in gedachten de beweging van de cilinders en stoomschuiven en de optredende drukken te volgen, kreeg men een indruk van de wijze waarop de machine zou werken. De compoundmachine was hiervoor veel te gecompliceerd en de methode was bovendien te onnauwkeurig. Een andere methode was de analytische. Uitgaande van het gedrag van gassen en van de beweging van zuigers kon een aantal vergelijkingen worden opgesteld, die in principe de werking van de machine beschreven. In de praktijk leidde dit tot verschillende logaritmische en goniometrische uitdrukkingen die niet op te lossen waren zonder allerlei grootheden te benaderen. Deze methode was vooral ontwikkeld door Rankine, maar Rankine gaf zelf al aan dat zijn verbeterde formules om compoundmachines te dimensioneren niet alleen op wetenschappelijke inzichten, maar ook op ervaringsgegevens waren gebaseerd. Een exacte afleiding zou namelijk veel te omslachtig en ingewikkeld zijn om tot praktische resultaten te komen.^57.

Huët gaf zelf de voorkeur aan een grafische methode. Met deze methode werden in een aantal stappen de druk- en temperatuurverdeling in de machine en de krachten op de aandrijfas bepaald. De eerste en belangrijkste stap hierbij was het maken van een diagram van de zuigerbeweging. In dit diagram werden de veranderingen in het volume van de cilinders, van de receiver en van de schadelijke ruimtes als functie van de tijd weergegeven (zie figuur). Hieruit kon worden afgelezen hoe groot het volume was van de receiver en van dat deel van de cilinders dat met de receiver in verbinding stond. Vervolgens berekende Huët met behulp van de Wet van Boyle de druk in de receiver. Omdat de keteldruk en de druk in de condensor gegeven waren, kon nu voor elke cilinder een theoretisch indicatordiagram of - in thermodynamische termen - een pv-diagram worden getekend.^58. Uit dit indicatordiagram leidde Huët het verloop van de krachten

54. Sandick, ‘Vreedenberg’, 933.

55. A. Huët, ‘Mededeeling over compound-machines’, Tijdschrift kivi 1881-1882, notulen 11 april 1882, 68-82 + 5 platen.

56. Huët, ‘Compoundmachines’, 75-76.

57. Rankine, ‘Working of steam’, 145-146 en ‘On compound engines’, Naval Science 2 (1873), 199-214. Rankine was vermoedelijk ook de auteur van dit artikel.

58. In Huëts voorbeeld betrof het een dubbelwerkende machine, waardoor er voor elke cilinder twee diagrammen ontstonden. Al deze diagrammen werden vervolgens in één gemiddeld indicateur-diagram ondergebracht. Huët, ‘Compoundmachines’, plaat xii.

[p. 239]

op de krukken af. Hieruit werd grafisch de tangentiaalkracht bepaald, dat wil zeggen de kracht die loodrecht op het uiteinde van de kruk werkte en voor de aandrijving zorgde. In het laatste diagram werd tenslotte de resulterende kracht op de kruk weergegeven. Nu was in één oogopslag te zien hoe deze kracht varieerde tijdens de beweging. Grote variaties veroorzaakten onder andere een extra belasting van de constructie en waren dus ongewenst. Door de volume-verhouding van de hoge- en lagedrukcilinder te wijzigen kon een gunstiger diagram, dat wil zeggen een minder variërende kracht worden verkregen.^59.

Met deze methode kon een bestaande compoundmachine geanalyseerd worden. Voor de ontwerper was het natuurlijker interessanter een heel nieuwe machine te ontwerpen, die zou voldoen aan de eisen van de opdrachtgever. Om op basis van een bepaald vermogen een machine te ontwerpen moest de ontwerper eerst bepalen met welke keteldruk, welke expansiegraad en welk toerental de machine zou werken. Ook deze waarden kon de constructeur-ontwerper vaak niet vrij kiezen, omdat ze bepaald werden door de beschikbare ketel en de schroefvorm van het schip. Ervaringsgegevens speelden ook een belangrijke rol. De ervaring had bijvoorbeeld geleerd dat de voordeligste expansie bij compoundmachines acht- tot twaalfvoudig was. Op dezelfde wijze moest nog een aantal andere keuzen worden gemaakt, zoals de volumeverhouding tussen de hoge en lage-drukcilinder en de vullingsgraad van de lage-drukcilinder. Elke keuze beïnvloedde weer de vorm van het krachten-diagram. De grafische methode gaf hierbij de mogelijkheid om de gevolgen van een bepaalde verandering te onderzoeken. Hoe kwam Huët nu aan deze methode? Het gebruik van grafische methoden bij het ontwerpen van machines was niet nieuw. Hoewel de oorsprong niet precies te achterhalen is, dateerden de eerste toepassingen zeker al uit de jaren vijftig, misschien zelfs vroeger. O.H. Müller had al in 1859 aangegeven hoe de relatie tussen volumeverandering en krukbeweging grafisch kon worden bepaald. Müllers werk raakte bekend via de publicaties van G.A. Zeuner, docent aan de Polytechnische School Zürich en later in Dresden. Zeuner was naast Rankine de andere autoriteit op het gebied van de thermodynamica. Zijn Grundzüge der Mechanische Wärmetheorie uit 1860 was het eerste boek over dit onderwerp dat in Nederland ruimere bekendheid kreeg.^60. Waarschijnlijk waren grafische methoden ook bekend bij de praktische werktuigkundigen. In een reactie op Huëts voordracht schreef Löhnis dat bij de nsbm op de tekenkamer al geruime tijd grafische methoden werden toegepast.^61. Löhnis had, voordat hij bij de nsbm ging werken, zelf in de jaren zeventig bij Zeuner gestudeerd.^62.

Zeuner had Müllers methode verder uitgewerkt en onder andere zuigerdiagrammen gemaakt. Huët ging nog een stap verder. Hij herleidde de verschillen in omvang van de cilinders tot verschillen in slaglengte en nam ook het volume van de receiver in zijn diagram op.^63. Het resultaat was een vollediger en aanschouwelijker weergave van het verloop van de beweging in de machine.^64. Een dergelijk diagram wordt gewoonlijk toegeschreven aan de Münchense hoogleraar Schröter en zijn leerling Mönch.^65. Huët publiceerde zijn methode echter enkele jaren eerder, zodat Huët waarschijnlijk een oorspronkelijke bijdrage leverde. Later werd het gebruikelijk om zuiger- en indicatordiagrammen in één zogenaamd ruimte-diagram samen te voegen. In de ingenieurshandboeken uit de eerste helft van de twintigste eeuw werd dit algemeen toegepast.^66.

In hoeverre deze methode nu voor de praktijk van belang was, is een heel ander vraagstuk. Volgens Schröter kon een ontwerper een gekozen wijze van stoomverdeling met behulp van het theoretische indicator-diagram op zijn juistheid beproeven. Deze stoomverdeling was op grond van ervaring en voorbeelden gekozen of berekend. Het was dus een nuttig instrument bij het ontwerpproces en Schröter claimde dat de grafische methode voor dit doel volop in de praktijk van de machinebouw werd toegepast en daar bijzonder doelmatig bleek. Hoewel de methode van Zeuner of van Huët voor de dagelijkse praktijk niet zonder belang kon zijn, moet dit zeker niet worden overdreven. In verreweg de meeste gevallen werden gewoon eerder gebouwde machines als voorbeeld genomen. Pas als er sprake was van een vernieuwing of van een echt afwijkende machine, bijvoorbeeld met een aanzienlijk groter vermogen, moest een nieuw ontwerp worden gemaakt. Met de grafische methode alleen kon de constructeur geen ontwerp maken. Voordat het diagram kon worden getekend, moest al een aantal parameters van de machine vastliggen. Het gebruik van ervaringskennis en ervaringsregels bleef een wezenlijk onderdeel van het ontwerpproces uitmaken. Dit maakt tegelijk ook duidelijk waarom gegevens, zoals die in het Memoriaal van de Marine werden gepubliceerd, zo belangrijk waren. De ervaren constructeur kreeg zo de beschikking over informatie die gebaseerd was op ontwerpen die zich al in de praktijk hadden bewezen, wat een belangrijke steun bij het ontwerpen betekende.

De grafische methode was dus vooral een nuttig hulpmiddel om een ontwerp te optimaliseren. Vooral in het onderwijs werd hier veel aandacht aan besteed. Huët liet zijn leerlingen op de Polytechnische School op het tekenpracticum diagrammen tekenen voor een hele serie compoundmachines.

Hierbij kon telkens de waarde van een bepaalde parameter worden gevarieerd. Op die manier kregen

59. Huët, ‘Compoundmachines’, 77-82 en platen.

60. Zowel Schroeder van der Kolk (zie hoofdstuk 8) als H.C. Bosscha noemden Zeuner als hun belangrijkste bron.

61. Th.P. Löhnis, ‘Compoundmachines’, Tijdschrift van het kivi 1882/1883, 42-43.

62. P. Heering, ‘Ter herdenking van Theodoor Pieter Löhnis’, De Ingenieur 42 (1927), 10-12.

63. In werkelijkheid zijn de slaglengten gelijk en verschilden de diameters. Voor de bepaling van het doorlopen volume maakt dit geen verschil.

64. Dit slaat alleen op het eerste stuk van Huëts methode. De diagrammen waarin de tangentiaal-krachten werden uitgezet om het vermogen van de machine en de variaties daarin te bepalen werden al langer gebruikt.

65. E. Mönch, ‘Konstruktion der Diagramme von Mehrcylinder-Dampfmaschinen’, Zeitschrift des vdi (1890), 553-559. Schröter had eerder in hetzelfde tijdschrift een eerste diagram gepubliceerd, ibid. (1884), 191.

66. Nederlandse voorbeelden hiervan zijn F. Westendorp, Handboek voor werktuigkundigen (Amsterdam 1927) en L.T.H. Hesselfelt, Zuigerstoommachines (z.pl. 1946), 6e druk, dl. 1.

[p. 240]

Door het grote aanbod van lading en met name de grote aantallen landverhuizers had de Nederlandsch-Amerikaansche Stoomvaart Maatschappij, later de Holland-Amerika lijn, in de jaren zeventig behoefte aan grote en krachtige schepen. De W.A. Scholten en de Pieter Caland waren meer dan honderd meter lange schepen waar alleen al op het tussendek ruim vijfhonderd emigranten een plaats vonden. Deze schepen waren voorzien van compoundmachines met een indicateurvermogen van 1870 pk. Zowel boten als machines waren uit Schotland afkomstig.

zijn studenten inzicht in de invloed van een bepaalde parameter op de werking van de machine. Naast de grafische methode leerden de studenten overigens ook wiskundige of analytische oplossingsmethoden van dit probleem.

In hetzelfde jaar waarin Huët zijn voordracht hield, publiceerden twee leerlingen van hem, J.S. van Veen en H.M. van Andel, in het Engelse tijdschrift Engineering een artikel over een methode om de indicator-diagrammen van een compoundmachine te berekenen. Zij verwezen naar het werk van Rankine, dat zij weliswaar van grote wetenschappelijke en theoretische waarde achtten, maar in de praktijk nauwelijks bruikbaar. Dit kwam vooral omdat Rankine ter vereenvoudiging met een aantal zaken geen rekening had gehouden.^67. Van Veen en Van Andel waren beiden in 1880 als scheepsbouwkundige afgestudeerd en in dienst van het ingenieurscorps van de marine getreden. Tijdens het eerste jaar van hun nieuwe betrekking bleven ze op de Polytechnische School om het diploma van werktuigkundige te halen.

In de jaren tachtig brak een nieuwe periode van bloei aan voor de scheepsbouw. De grote Nederlandse bedrijven gingen ook op grote schaal stoompakketboten en pantserschepen inclusief compoundmachines leveren. De leerlingen van Huët, die vanaf de jaren zeventig bij de grote machinefabrieken en scheepswerven terecht kwamen, met name bij de nsbm en de Koninklijke Fabriek, speelden bij het ontwerpen van deze schepen en machines echter nog geen rol van betekenis. Het waren de in de praktijk opgeleide Schotse constructeurs als Croll bij de nsbm en W.H. Martin bij De Schelde die de Nederlandse scheeps- en machinebouw ook internationaal een goede naam zouden bezorgen.^68.

Het voorbeeld van de compoundmachine laat zien dat in de negentiende eeuw voortdurend vele technici en ingenieurs aan de verbetering van de stoommachine werkten. Het aantal variaties was dan ook bijzonder groot. Veel ideeën waren (nog) niet uitvoerbaar, zoals bijvoorbeeld de oppervlakcondensor. Technische beperkingen vormden vaak de belangrijkste belemmering. Op het moment dat deze werden opgeheven kon vooruitgang worden geboekt. Een verschil tussen de eerst en de tweede helft van de negentiende eeuw was het groeiende inzicht in de werking van de stoommachine. Dit leidde tot betere zoekmethoden ter ondersteuning van de technische ontwikkeling. Evenmin als bij de gewone stoommachine betekende dit dat het ontwerpen

67. Van Veen en Van Andel berekenden de volumes van de ruimten die met de receiver in verbinding stonden. Zij kregen een groot aantal vergelijkingen, die echter eenvoudig op te lossen waren. Op basis hiervan waren ze in staat pv-diagrammen te tekenen die weliswaar enigszins afweken van de werkelijk gemeten diagrammen, maar de meeste afwijkingen waren eenvoudig te verklaren. J.S. van Veen en H.M. van Andel, ‘Compound engines: on a method for the calculating the indicator diagrams of compound engines with receiver’, Engineering (1882), 9 juni, 579-580.

68. Vooral Martin, een Schot die op jeugdige leeftijd in de fabriek van zijn oom D. Christie in Delfshaven terecht was gekomen, stond erom bekend dat hij probeerde telkens de nieuwste ontwikkelingen op machinegebied toe te passen en te verbeteren. J.C. Dijxhoorn, ‘Vermaarde constructeurs van scheepsmachines in Nederland 1825-1925’, De Ingenieur 52 (1937), W 22-24.

[p. 241]

van compoundmachines volledig op wetenschappelijke basis berustte. Dit was niet het geval en deze situatie bestaat in de moderne techniek nog steeds. Bij de ontwikkeling en verspreiding van nieuwe methoden speelden zowel in het buitenland als in Nederland de docenten weer een essentiële rol. Op een hele directe manier ging dit via hun leerlingen, maar ook via boeken en andere publicaties hadden zij een grote invloed. Juist door hun publicaties stond deze nieuwe kennis niet alleen ter beschikking van hun leerlingen, de gediplomeerden van de technische scholen. Veel praktische werktuigkundigen hielden zich eveneens door zelfstudie of collectieve studie van de ontwikkelingen op de hoogte. In dit opzicht was het verschil tussen een formele opleiding en een praktijk-opleiding (nog) een stuk kleiner dan vooral de docenten op de technische scholen voortdurend benadrukten.

g.p.j. verbong en p. van overbeeke