Om meer ervaring op te doen met het bouwen van stoommachines, ben ik begonnen met het bouwen van een Horizontale stoommachine Stuart H10. Om ervaring op te doen met het bouwen van een ketel, inclusief het proces om deze ketel gekeurd te krijgen, ben ik aan de gang gegaan met het ontwerpen en bouwen van een koperen ketel voor de Stuart H10 machine.

De ketel moest groot genoeg zijn om later ook nog een wat grotere machine op aan te kunnen sluiten. Een mooie grote liggende machine, zoals de Bromo, trekt op de verschillende beursen dan wel weer mijn aandacht. Als wens had ik om de ketel te stoken op kolen.

Het eerste idee was het bouwen van een horizontale multitubilaire ketel. Van een medelid van Rading Spoor had ik de beschikking gekregen over een "koperen" buis met een buitendiameter van 120mm en een binnendiameter van 115mm. Dit was een mooi startpunt dacht ik.

Ik ben op zoek gegaan naar plannen voor een dergelijke ketel. Deze kon ik echter niet vinden. Met de boeken van Martin Evans en het handboek modelstoomketels ben ik met een ontwerp aan de gang gegaan. Achteraf werd het me wel duidelijk waarom geen ontwerp te vinden was daar met deze buisdiameter niet een kolengestookte horizontale ketel kon worden gebouwd omdat de vuurkist te klein zou worden voor kolen en voldoende ruimte te hebben boven de vuurkist.

Ik ben daarom aan de slag gegaan met een verticale ketel, gebaseerd op de Vulcanus II ketel van de NVM. Op basis van dit ontwerp, heb ik een nieuwe ketel ontworpen omdat ik uitging van een ketelromp met een buitendiameter van 120mm. Het ontwerp heb ik getekend en opgestuurd naar de rekenmeester. Dit was allemaal goed en heb de benodigde stempel op de tekening gekregen.

Later ging ik dit ontwerp Hephaistos noemen. In de Romeinse mythologie is Vulcanus de god van de smeedkunst, het vuur en de vulkanen. In de Griekse mythologie wordt deze god Hephaistos genoemd. Zo blijft er een relatie bestaan tussen het oorspronkelijke en het nieuwe ontwerp van deze ketel.

Dan aan de slag met de ketel. Ik had ondertussen al her en der wat benodigde materialen gehaald en gekregen. Hierbij kwamen meer medeleden van de stoomgroep goed van pas. Door verschillende mensen werd materiaal gedoneerd en kreeg ik tips waar materiaal te kopen. Waaronder de firma Six uit Utrecht waar ik koper buis voor de vuurkist en plaat kon kopen.

Verticale ketel gebaseerd op de Vulcanus van NVM

Tekeningen

De eerste tekeningen heb ik gemaakt in een zelf geschreven programma in Excel. Ik was wel aan de gang geweest met OnShape, maar dit lukte mij in eerste instantie niet. Nadat ik met de tekeningen bij de rekenmeester was langs geweest (de post dan) en ik het ontwerp goed was gekeurd, ben ik toch weer in OnShape aan de gang gegaan omdat het zelfgemaakte tekenprogramma veel werk met zich meebracht bij wijzigingen en het tekenen van de verschillende andere onderdelen. hieronder in ieder geval de tekening die ik gemaakt heb met mijn eigen teken programma.

Verticale ketel Vulcanus IIs

Ik ben me daarom gaan verdiepen in het gebruik van het programma OnShape. Dit is een web based tekenprogramma wat gratis te gebruiken is. Met een gratis account kun je tekeningen maken. Deze tekeningen staan dan wel publiekelijk op het web.

De tekeningen van deze ketel die ik heb gemaakt in OnShape en zijn hier te vinden. Indien je de tekening van het drukdeel van de ketel wilt hebben met een accoord van de rekenmeester moet je mij even een mailtje sturen.

Ketel drukdeel

Pijpenplaten

Als eerste ben ik aan de slag gegaan met de pijpenplaten. Hier zag ik misschien wel het meeste tegenop. De tip was veel uitgloeien en veel geduld.

Als eerste de mallen gemaakt van een eiken vloerdelen, op multiplex verlijmd. In het midden heb ik een ijzeren pen aangebracht zodat de pijpenplaten hier gecentreerd op konden worden geplaatst. Dit kon omdat toch een vlampijp in het midden van de pijpenplaat komt.

IMG 2389 1

Met vuurvaste stenen heb ik een soort oventje gemaakt waar ik de deksels roodgloeiend kon maken. Daarna heb ik ze lekker laten afkoelen zodat de warmte in het schuurtje kon komen zodat het ook hier lekker warm werd. Daarna is het koper boterzacht en kon ik deze mooi rond de mal kloppen met een kunststof hamer. Dit heb ik net zolang gedaan totdat de pijpenplaat precies in de buis viel.      

IMG 2388 1

In de topplaat moeten 19 12mm koperen vlampijpen komen en 3 ferrules. De vlampijpen maak ik van goede kwalitiet "KIWA" waterleidingbuis. Het boren van de 19 gaten was een behoorlijk karweitje daar ik ook het nodige perfectionisme in me heb. Het breken van een centerboor vanwege de taaiheid van koper werkte ook niet mee. De gebroken centerboorpunt heb ik er weer uitgekregen door via de achterzijde een centerpunt te slaan zodat de punt er bijna weer uitviel. Hieronder het resultaat van de top pijpenplaat met de ferrules voor veiligheid, stoomuitgang en fluit met blazer los aangebracht.

top pijpenplaat

Op de pijpenplaat op de vuurkist komt een extra plaat. Dit om de soldering van de vlampijpen aan de vuurkist zijde steviger te maken en de warmte nog beter te op te kunnen vangen. Dit op aanraden van een medelid van de stoomclub. De pijpenplaat en extra plaat zijn in één keer geboord zodat de gaten goed tegen over elkaar komen.

De volgende afbeelding toont de binnezijde met vuurkist, pijpenplaten en vlampijpen in elkaar. Het wordt al heel wat. In de vlampijpen rol ik nog wat kraagjes waarschijnlijk zodat deze bij het solderen er niet doorheen vallen. 

binnenzijde op de kop

Ketelromp

Dan kwam het moment om de pijp voor de ketelromp buitenzijde op lengte maken.

De pijp bleek wel heel erg geel te zijn; hij bleek van messing te zijn. Het gehele ontwerp gebaseerd op een verkeerde materiaal pijp. De nodige kapitein Haddock kreten kwamen even van pas.

Ik stond op het punt om toch weer over te stappen naar een horizontale ketel ontwerp. Echter, omdat ik de deksels en de fundatiering al klaar had, ben ik de ketelromp gaan maken van een 3mm koperplaat.

Om er achter te komen hoe dit aan te vliegen met de tekeningen en de ketelkeuring heb ik contact gezocht met de rekenmeester en de ketelkeurder van de stoomclub. Om dadelijk een ketel te hebben die goedgekeurd wordt moet ik de tekeningen bijwerken en ter keuring naar de rekenmeester opsturen. De aanpassing heb ik besproken met de rekenmeester en dat moet goed komen. Dan maar verder met de ketelromp.

Met een rollenbank de plaat mooi rond gekregen. Ook hier weer regelmatig gloeien. De buis heb ik op maat gemaakt door in de gerolde plaat schijven aan te brengen die 2mm groter waren dan de uiteindelijke binnenmaat van de buis en op de freesmachine een sleuf van 6,4mm (2xPI + 0,12) aan te brengen.

IMG 2420 1

Fundatiering

Onder in de ketel moet een fundatie ring komen. Deze is gemaakt van een 12mm koperrail en circa 16mm dik. Na uitgloeien de rail om een stuk rondstaf buigen. Op maat zagen. Buigen, schoonmaken, en zilversolderen. Daarna op maat afdraaien.fundatiering

Vuurdeurgang

Om later kolen in de vuurkist te krijgen komt er een vuurdeurgang in de ketel. Deze gaat door de ketelromp en vuurkist. De vuurdeurgang heb ik van brons gemaakt.

Het gat voor de vuurdeurgang heb ik aangebracht terwijl vuurkist, fundatiering en ketelromp al met elkaar waren verenigd. Hiervoor heb ik de ketle in een houder van 18mm beton multiplex geplaatst en eerst een 40mm gat geboord met een gatenzaag. Daarna heb ik het gat verder geruimt zodat de vurdeurgang hier precies inviel.

Voor de bevestigingspunten heb ik lang gedacht om deze er gewoon op vast te solderen. Hiervoor had ik al een houder gemaakt die de vuurdeurgang de houders ten opzicht van de vuurdeurgang op zijn plek zou houden. Uiteindelijk heb ik dit plan over boord gezet. He tnadeel van de houdwer was namelijk dat er geen vlammen van de brander door de vuurgang heen konden gaan en ik het idee had dat het solderen niet zou gaan. Uiteindelijk heb ik de vuurdeursteunen aangebracht door een busjes  met aan een kant de ronding van de ketel en een boutje met bovenin een schroefgat M2,5 waarmee de scharnier en schoot van de veurdeur aan de ketel kan worden bevestigd.

 vuurdeursteunen

vuurdeurgang in ketel

Ferrules

De Ferrules zijn van fosforbrons gemaakt. Hiervoor zijn standaard maten die ik uit het handboek model stoomketels heb gehaald.

De Ferrules worden uitgevoerd met M8x0,75 schroefdraad.

Solderen

Het was voor mij de eerste keer dat ik een dergelijke ketel in elkaar ging solderen. Van mede clubleden kreeg ik allemaal adviezen. Soms tegenstrijdige adviezen, maar goed om over na te denken. De eerste stappen in het soldeerproces.

Proefstukjes

Als eerste heb ik een aantal proefstukjes gemaakt. Als eerste twee stukjes koper staf loodrecht op elkaar solderen (1 op de afbeelding hiernaast). Na het solderen heb ik met een moersleutel geprobeerd de twee stukjes weer van elkaar af te krijgen. Proefje 1 is geslaagd.

IMG 2997

Daarna een stukje 12mm koperpijp in een koperplaat solderen (2). Het gat heb ik geboord met een boor 12mm. Het gat heb ik goed verzonken en daarna alles goed geschuurd. Nadat alles goed ingefluxed had, het geheel goed opstoken, zilver toevoegen en klaar. Het geheel schoonmaken door het een nachtje in schoonmaakazijn te leggen. Het is niet helemaal schoon geworden, maar dat is hier ook even niet nodig.

Daarna heb ik een ferrule in een stukje koperplaat gesoldeerd (3). Na het beitsen met verdund zwavelzuur heb ik de soldeerflux aangebracht. Goed heet maken met een voldoende grote brander en wanneer het heet genoeg is, de zilver toevoegen. Ook het soldeer liep hier mooi door. Ook deze proef was geslaagd.

Daarna heb ik twee stukjes koperplaat aan elkaar gesoldeerd nadat ik beide delen met klinknagels aan elkaar vast had geklonken (4). Voordat ik de stukjes koper aan elkaar zette heb ik een aantal centerpunten aagebracht zodat tussen de koperplaatjes een klein ruimte bleef zodat het soldeer hier door kon vloeien.

Als eerste de gaatjes aangebracht om de klinken aan te brengen. Daarna opschuren en centerpunten aangebracht. Vervolgens beitsen, ook de klinknagels, flux aanbrengen en in elkaar klinken. Hierbij mogen de klinken niet te hard aangeslagen worden omdat het materieel dan te dicht bij elkaar komt. Nadat het geheel in elkaar zit heb ik het heet gemaakt met een voldoende grote brander en wanneer heet genoeg het zilver toegevoegd. Ook dit ging goed en het zilver liep mooi door van de ene kant van de naad naar de andere kant van de naad.

Verder heb ik de ashouder nog in elkaar gesoldeerd en de flens aansluitingen. Langzamerhand krijg ik meer gevoel bij het solderen en komen de solderingen er beter uit te zien (minder soldeer overschot).

Belangrijk bij het solderen is dat alles schoon is en flink gefluxed is.

Vuurkist met vlampijpen 

Als eerste heb ik samen met John Phielix van Radingspoor de vuurkist met vlampijpen in elkaar gesoldeerd. Opvallend was de grote hoeveelheid warmte die we in het materiaal moesten stoppen en de brute kracht waarmee dit gepaard ging.

De pijpenplaat hebben we flink opgeschuurd (passing met buis en bovenzijde voor de extra bovenplaat). Daarnaast hebben we de binnenzijde van de vuurkist opgeschuurd en de vlampijpen aan de vuurkistzijde waren geschuurd.

Aanbrengen van de pijpenplaat in de vuurkist mantel en boren gaatjes voor de klinknagels. Vervolgens alles beitsen. Alles influxen en in elkaar zetten.

Om er voor te zorgen dat de vlampijpen niet door de pijpenplaat zou gaan vallen hebben we de vlampijpen met wat koperdraad vastgezet. 

Echter de binnenste vlampijpen kwamen niet goed vast te zitten. daarom na schoonmaken de pijpjes er uit, schuren, beitsen en influxen en nogmaals solderen. Uiteindelijk heb ik rond de binneste vlampijp een stukje zilver aangebracht, heb ik de vuurkist op twee vuurvaste stemen geplaatst en van onder de warmte toegevoegd. Uiteindelijk zat alles vast. 

De ketelromp

Voor de romp had ik de strip gekromd zodat deze mooi over de buitenkant van de mantel kwam. Gaatjes boren. Schuren, Beitsen (inclusief klinken). Insmeren met flux, in elkaar klinken. Het geheel goed heet maken, zilver toevoegen, af laten koelen en schoonmaken.

Na het boren van de gaten voor de ferrules heb ik de ferrules er in gesoldeerd. Om er voor te zorgen dat de ketelromp niet te snel kon afkoelen heb ik de ketel ingebouwd in een soort van oven gemaakt met vuurvaste stenen. Eerst had ik dit niet gedaan, maar kreeg ik het geheel niet (snel) heet genoeg.

Fundatiering

  

gesoldeerde fundatiering niet schoongemaakt klein

 

De ketel komt goed bij elkaar bij het plaatsen van de fundatie ring. De fundatie ring had ik eerder al gesoldeerd. De fundatiering heb ik in de ketelromp aangebracht en vastgeklemd. Daarna 4 gaatjes geboord van 3 mm en met korte boutjes op positie houden. Vuurkist vervolgens op z'n plek zetten en de gaatjes er door boren. Zorg hierbij dat de vuurkist gecentreerd in de ketel zit. Met een aantal boutje de vuurkist in de fundatie ring tijdelijk vastzetten en nog acht gaatjes boren voor het paatsen van een aantal klinknagels.

Nadat alles goed schoongemaakt was, heb ik alles goed ingefluxed en in elkaar geklonken. Ook alle eerdere soldeerverbindingen heb ik goed ingefluxed zodat deze bij het solderen goed bleven.

De ketel heb ik op zijn kop op vuurvaste schijven geplaatst en met een extra steun laten steunen op de vlampijpen. We moeten er immers voor zorgen dat hij niet weer uit elkaar valt bij het solderen. Ook de twee ferrules ter hoogte van de fundatiering heb ik met een klem extra vestgezet zodat deze er bij deze soldeergang niet uit vielen.

De ketel heb ik helemaal ingebouwd in vuurvaste stenen zodat zo min mogelijk warmte de ketel kon verlaten tijdens het solderen zoas hier rechts getoond.

Na een flinke schoonmaakbeurt ziet het er dan vervolgens zo uit.gesoldeerde fundatiering schoongemaakt klein

Vuurdeurgang

Voor de vuurdeur komt er een buis met een buitendiameter van 42mm door de ketelromp en vuurkist. Hiervoor heb ik een klem gemaakt van beton multiplex zodat de romp geklemd kon worden. Het eerste gat heb ik gemaakt met een 40mm gatenzaag. Daarna heb ik met een grote kotterkop het gat verder opgeboord tot 42 mm.

De steunen voor de scharnier en de schoot had ik eerst bedacht vast te solderen door eerst een klem die de steunen vasthielden. Echter dit zag ik niet heel erg zitten, omdat de steun de gehele vuurdeurgat blokkeerde en ik het solderen niet echt zag zitten. Op deze manier kon ik namelijk niet de binnekant van de vuurkist goed warm krijgen. Vandaar over op plan B. In dit plan heb ik de steunen gemaakt in twee delen. een bout en een bus met aan een kant een afronding gelijk aan de ketlromp diameter.

 vuurdeurgang gesoldeerd

Appendages en overige

Flenzen

De appendages ga ik met flenzen op de ketel monteren. De flenzen die aan de ketel komen in de ferrules heb ik uit twee delen samengevoegd. Dit om weer meer ervaring met solderen op te doen en om materiaal te sparen.

flensen ruw

Essentieel bij het solderen is dat je in het gat van de flens een paar vijlstrepen plaatst zodat het soldeer goed kan doorvloeien. Bij een eerste proef had ik dit niet gedaan, wat gelijk werd afgestraft doordat het zilver niet goed was gaan doorvloeien. Dit leidde ertoe dat bij een proef de flens uit elkaar kon worden gehaald. Door strepen in de flens te vijlen vloeit het soldeer wel goed door.

Vuurdeur

De bedoeling is dat de ketel gestookt gaat worden met kolen. Hiervoor moet er ook een vuurdeur geplaatst worden.

vuurdeur

 

Het scharnier heb ik gemaakt van een stuk platstaf 6mm dik. De hengen heb ik gemaakt van een stukje platstaf 5mm.

Voor de knop heb ik een bronzen kogel gepakt van circa 6mm dik. Aan deze kogel heb ik een vlakke kant gedraait en daarin een gat M2 aangebracht. Een busje en een boutje completeren het geheel.

Veiligheid

Een van de belangrijkste onderdelen naar mijn idee op een ketel is de veiligheid. Op basis van een voorbeeld uit het Handboek Modelstoommachines heb ik een veiligheid gemaakt.

veiligheid

Voor het gewicht zijn we flink aan het rekenen geslagen. Om de ketel op een lagere druk te laten functioneren kan ik het gewicht eenvoudig verkleinen. Hieronder het resultaat.

Peilglas

Voor het peilglas ben ik uitgegaan van een ontwerp uit het Handboek Modelstoommachines van Rob van Dort en Joop Oegema. Hieronder de tekening uit dit boek.

 

peilglas tekening

Het peilglas heb ik ook getekend in OnShape. Hierbij ben ik uitgegaan van een afdichting van het peilglas en armatuur op basis van ervaring van andere bouwers. Andere bouwers gebruiken hiervoor siliconenslang. Dat heb ik dan ook maar gedaan. Van de siliconenslang maken we kleine ringetjes door deze om een dun rondstaf van 5mm aan te brengen en op de draaibank met een scherp (stanley) mes het slangetje in dunne ringetjes te snijden. Hieronder het resultaat waarbij het aftapkraantje (nog) niet is aangebracht en de onshape tekening op de achtergrond.

peilglas

Stoomfluit

Een ketel is niet compleet zonder stoomfluit. Via internet kwam ik een artikel tegen met wat basics voor een stoomfluit.

Basic whistle

De kraan voor de stoomfluit komt op dezelfde ketelaansluiting als de blazer. Hiervoor heb ik zelf een kraan met afsluiter en stoomfluit ontworpen. Hierbij heb ik gekeken naar de afsluiter voor de stoomfluit van de Tich. Het algemene plan en een OnShap impressie is hieronder getoond.

fluit blazerkraan tekening

Hieronder het resultaat van de kraan voor de blazer, de bediening van de fluit en daarop de fluit. De oplettende lezer ziet dat de fluit aan de andere kant zit dan de tekening aangeeft. Dit door een onoplettendhied bij het boren van het huis.stoomfluit

Ashouder

De ketel wordt geplaatst op de ashouder. De as kan hierbij naar beneden vallen en de benodigde zuurstof kan vanaf de onderzijde door het rooster heenkomen. Deze is op de overzichtstekening aan het begin van deze pagina te zien.

Ik heb een contructie gemaakt zodat de ketel vast op de ashouder geplaatst kon worden en dat het rooster ook met een enkele beweging kan worden getrokken in geval van nood. Hieronder is een foto van een aantal tussenresultaten gegeven.

Het begin van deze constructie was ook direct een goede klink en soldeeroefening voor het grotere werk.

ashouder

Ketelkeuring

Voor mij was het natuurlijk belangrijk dat de ketel ook veilig was. Om dit te borgen wou ik de ketel goedgekeurd hebben. Dit geeft ook de mogelijkheid om de ketel bij tentoonstellingen op te stoken en in bedrijf te laten zien. Daarnaast is het voor mij ook een proces geweest waar ik doorheen kon gaan voor de toekomstige bouw van de stoomlocomotief die ik wil bouwen.

De keuring gebeurd in vier stappen.

  1. Goedkeuring ontwerp door de rekenmeester;
  2. Bespreken van de bouw met de keurmeester en tijdens de bouw eventueel tussentijds tonen van de voortgang
  3. Uitvoeren hydraulische test tot twee maal de werkdruk
  4. Uitvoeren van de stoomtest

De eerste stap moet ervoor zorgen dat het ontwerp aan de richtlijnen voldoet. Hiervoor is het handboek modelstoom ketels een handig naslagwerk. Er wordt vooral nagegaan of het materiaal dik genoeg is en of constructies goed zijn..

Bij de tweede stap toon je de materialen die je voor de ketel gaat gebruiken en spreek je af wat je van de bouw van de ketel aan de inspecteur zult gaan tonen. Ik heb hier ook een aantal proefstukjes gemaakt om aan te geven dat ik in staat ben een hardsoldeerverbinding op verschillende manieren onder de knie heb. (Zie hierboven.)

Bij de hydraulische test controleer je of de ketel ook echt dicht is en of de ketel voldoende sterk is. Hiervoor breng je water in de ketel en breng je dit water onder druk. Omdat water nauwelijks samendrukbaar is, zal de druk vrij snel toenemen. Als de ketel het echter begeeft, dan is de druk ook snel weg en kan er geen ongeluk gebeuren.
De druk moet in stapjes opgevoerd worden. Na het solderen is de ketel namelijk boterzacht en je moet het materiaal de kans geven om weer hard te worden. Doe je dit niet, dan kan dit volgens horen zeggen desastreuze gevolgen hebben. Deze test heb ik thuis zelf kunnen doen.

De ketelinspecteur voert ook weer een hydraulische test uit nadat de inspecteur het werk eerst met de ogen had geinspecteerd. Na de hydraulische test kreeg ik in de ketel een nummer geslagen en een bewijs dat de ketel de hydraulische test had ondergaan.

Ik ben nu de ketel verder aan het opbouwen zodat de ketel opgestookt kan worden.

Gebruikte literatuur

Voor de ketel heb ik gebruik gemaakt van het handboek modelstoomketels. Dit naslagwerk wordt o.a. uitgebracht door het NVM. In dit naslagwerk staan de uitgangspunten voor het ontwerpen van een ketel tegen de geldende eisen.

Daarnaast is het Handboek Modelstoommachines van Rob van Dort en Joop Oegema een boek waar ik veel uithaal. Sinds mijn jeugd heb ik al veel uit dit boek gehaald. Toen haalde ik dit boek regelmatig uit de bibliotheek. Tegenwoordig heb ik hem in mijn eigen collectie.

Boiler making van Harris.

Model locomotive boilers, their design and construction van Martin Evans. Hoewel dit over locomotief ketels gaat, is hier veel informatie uit te halen.

Daarnaast heb ik veel informatie van medeleden van de stoomclub gehaald. Medeleden hebben zo hun ervaring en van deze ervaring is veel te leren. Soms leidde dit echter wel tot tegenstrijdige adviezen. Belangrijk blijft dat je zelf een bepaald beeld hebt of krijgt hoe alles werkt en wat handig is. Dit kun je alleen bereieken door af en toe ook eens iets fout te doen.