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Compound steam engine - Wikipedia

複合蒸気エンジン・ユニットは蒸気エンジンの形式の 1 つで、 蒸気が 2 段階以上で膨張する。 複合エンジンの典型的な配置では 最初に高圧シリンダー (HP, high-pressure) で膨張して、熱と圧力を失い、 1 基以上の低圧シリンダー (LP, low-pressure) に直接排気される。 多段膨張エンジン (multiple-expansion engine) は 段階的に低い圧力の追加のシリンダーを採用して、 蒸気から更にエネルギーを抽出する。

このテクニックは 1781 年に発明され、1804 年に コーンウォール・エンジンに始めて採用された。 1850 年頃に、複合エンジンは始めて ランカシャーの繊維ミル (textile mill) に導入された。

複動式 3 段膨張海洋エンジン、 高圧蒸気 (赤) は 3 段階を通過、 低圧蒸気として排気、凝縮器ヘ	3 段膨張複合蒸気エンジン の断面モデル、1888 年	ロビー (Robey) 水平並列複合蒸気 エンジン。小さな高圧シリンダー(左) と大きな低圧シリンダー(右)

多くの複合システムと配置 (configuration) があるが、 HP と LP のピストン・ストロークの段階に依存し、 従って HP の排気が HP から LP に直接手渡される (ウルフ複合システム (Woolf compound)) か、 圧力変動により中間の緩衝空間 (buffer space) が蒸気箱 (steam chest) あるいはパイプの形で必要とされ、 後者の部品はレシーバー (レシーバー部品 (receiver component)) と呼ばれる。

単純膨張 (あるいは単純) 蒸気エンジンでは、高圧蒸気は注入バルブ (inlet valve) を通り抜けて、 ボイラー圧でシリンダーに進入する。 蒸気圧はシリンダーの中でバルブが閉じるまでピストンを押し下げる。 (例えば、ピストン・ストロークの 25% に達するまで。) 供給蒸気が遮断された後で、閉じ込められた蒸気は膨張を続け、ピストンをストロークの端まで押し、 ここで排気バルブが開き、部分的に使い尽くした蒸気を、 大気あるいは凝縮器 (condenser) に放出する。 この遮断 (cut-off) により、もっと多くの仕事を抽出することが可能となる。 というのは蒸気の膨張がボイラー圧の蒸気がした以上の追加の仕事をするからである。

より早い遮断は膨張比率を増大し、これは原理的には、もっと多くのエネルギーを抽出し、 効率を増大することを可能にする、しかし閉じ込められた蒸気が膨張すると、 温度が下がる。 この温度の低下はシリンダーが完全に隔離され、熱がシステムから放出されなくても起きる。 結果として蒸気はシリンダーに高温で進入し、低温で排出する。 蒸気温度の変化はストロークごとにシリンダーを交互に加熱・冷却し、 非効率の原因となり、これは高い膨張の比率で更に効率を悪化する。 ある時点以上では更に膨張比率を増やすと、増大する加熱・冷却により実際は効率が低下する。

この加熱・冷却の大きさを和らげる方法が 1804 年に英国の技術者である アーサー・ウルフ (Arthur Woolf) により発見された。 彼は 1805 年に 「ウルフ高圧複合エンジン」 の特許を取った。 複合エンジンでは、ボイラーからの高圧蒸気は最初に高圧シリンダー (HP) で膨張し、 1 つ以上の低圧シリンダー (LP) に進入する。 蒸気の膨張は複数のシリンダーの上で起き、各シリンダーでは膨張が少ないため、 各々のシリンダーでは蒸気の冷却が少ない。 これによりシリンダーの加熱・冷却の大きさが少なくなり、 高い膨張の比率が現実的となり、エンジンの効率が増大する。

他の利点がある： 温度領域が小さくなるため、シリンダーでの凝縮が少なくなる。 凝縮による損失は LP シリンダーに制限される。 圧力差が各シリンダーで少ないため、ピストンとバルブで蒸気の漏れが少ない。 回転モーメントがもっと一様で、従って均衡を取ることが容易で、より小さなはずみ車を 使用できる。 小さな HP シリンダーのみが高圧に耐えるように建造する必要があり、これにより 全体の重さを小さくできる。 同様に部品に加わる力が小さくなり、軽くできる。 エンジンの往復する部分は軽くでき、エンジンの振動を少なくする。 複合エンジンはサイクルのどの時点からも開始でき、機械故障の場合に、 複合エンジンをリセットして、単純に稼働して走らせ続けることが可能である。

低圧蒸気から等しい仕事を得るために、シリンダー体積を大きくする必要がある。 というのは低圧蒸気は大きな体積を占めるからである。 従って、内腔、そして稀な場合にはストロークも低圧シリンダーで増え、これは大きくなる。

二段膨張エンジン (通常は複合エンジンと呼ばれる) は二段階で蒸気を膨張させるが、 このような全てのエンジンではシリンダーが 2 つであるとは限らない。 これらは 4 台のシリンダーで 2 つの LP-HP の組として動作することもあるし、 大きな LP シリンダーの仕事を 2 つの小さなシリンダーに分割して、 1 台の HP シリンダーがどちらの LP シリンダーにも排気して、3 台のシリンダーの配置にして、 すべて 3 台のシリンダーとピストンの直径をほぼ同じにして、往復運動をする質量が均衡を取りやすい ようにすることもある。

2 台のシリンダーの複合エンジンの配置には次がある：

• 並列複合エンジン (Cross-compound) -- シリンダーは横に並ぶ。
• 直列複合エンジン (Tandem compound) -- シリンダーは末端をあわせ、 共通の連接棒 (connecting rod) を駆動する。
• 伸縮式複合エンジン (Telescopic-compound) -- シリンダーは一方が他方の内部。
• 角複合エンジン (Angle-compound) -- シリンダーは V 字型 (通常は 90° の角度) に配置して、 共通のクランクを駆動する^{[注 1、Cylinder phasing]}。

複合エンジンの採用は固定産業エンジンでは広範囲にあり、 ここでは少ない経費で、より大きな馬力を求め、 1880 年以後は海洋蒸気エンジンではほとんど普遍的であった。 これは鉄道機関車では広く利用されることがなく、 ここではこれは複雑で、厳しい鉄道の操業環境に適していないと見なされ、 車両限界 (loading gauge) により利用できるスペースに限度があった (とりわけ英国)。

空気よりも重い固定翼の飛行機が蒸気エンジンのみで飛ぶ最初の成功裏の試みは、 1933 年に起き、この時ジョージ・べスラーとウィリアム・べスラーは トラベル・エアー 2000 (Travel Air 2000) 複葉機を変更して、 通常のカーチス OS-5 インライン (Curtiss OX-5 inline) あるいは放射航空 (radial aviation) ガソリン・エンジンの代りに、 自分たちがデザインした 150 馬力の角複合 V-トゥイン (V-twin) 蒸気エンジンで飛んだ。

(上述した) 複合エンジンの論理的拡張は、効率を上げるために、 もっと多くの膨張段階に分離することである。 この結果が多段膨張エンジン (multiple-expansion engine) である。 このようなエンジンは 3 段階、あるいは 4 段階を使用し、 それぞれ 3 段、あるいは 4 段膨張エンジン (triple- , quadruple-expansion engine) と呼ばれる。 これらのエンジンが使用する (複数の) 複動式 (double acting) シリンダーは、 直径 かつ/あるいは ストローク、従って体積がだんだん増大した。 これらのシリンダーは作業を 3 つあるいは 4 つの等しい部分 -- 各膨張段階の部分 -- に分割することがデザインされている。 左下の画像は 3 段膨張エンジンの動画を示している。 蒸気は左から右へ通り抜ける。各シリンダーのバルブ箱 (valuve chest) は対応するシリンダーの左である。

複動式 3 段膨張海洋エンジン、 高圧蒸気 (赤) は 3 段階を通過、 低圧蒸気として排気、凝縮器ヘ	3 段膨張エンジンのモデル

• 1781 年 -- ジョナサン・ホーンブローワー (Jonathan Hornblower) -- コーンウォールにおける ニューコメン・エンジンの設立者の 1 人の孫 -- が 1781 年に二重シリンダーの複合レシプロ・ビーム・エンジン (double-cylinder compound reciprocating beam engine) の特許を取った。 彼は、それを更に開発することをジェームズ・ワット (James Watt) により妨害され、 ワットは自分の特許が侵害されたと主張した。
• 1804 年 -- 非効率に至る単純膨張蒸気エンジン (single expansion steam engine) の連続的な加熱・冷却の大きさを和らげるための方法を 英国の技術者であるアーサー・ウルフ (Arthur Woolf) が発明し、 彼は 1805 年に固定式の 「ウルフ高圧複合エンジン」 (Woolf high-pressure compound engine) の特許を得た。

• 1845 年 -- ウィリアム・マックノート (William McNaught) は既存の ビーム・エンジンの中に追加の高圧シリンダーを固定する方法を考案した。 この実施に関連することは、 シリンダーを接続するための長い管を使用すること、これらの均衡をとるための余分なバルブ・セットの使用であった。 実際には、これはレシービング・チェスト r(eceiving chest、受取箱) として振る舞い、複合エンジンの新しい形式が発明された。 このシステムにより、蒸気の取入れと遮断の大きな制御が可能となった。 エンジンを遅くするには、蒸気圧を減らすスロットルによるか、 2 つのシリンダーの遮断 (cut-off) の調節により可能であった。 後者の方法がより効率が良かった、というのは動力が失われなかったからである。 周期はずっと滑らかであった、というのは 2 つのシリンダーは同位相 (in phase) ではなかったからである。
• 1865 年 -- SS アガメムノーン (Agamemnon、1865 年) が進水し、 300 馬力の複合エンジンが装備されていた。 エンジンは所有者の 1 人であるアルフレッド・ホールト (Alfred Holt) によりデザインされた。 ホールト (Holt) は 「トレード委員会」 (Board of Trade) を説得して、ボイラー圧を通常の 25 psi の代りに 60 psi の許可を取った。 より高い圧力は 2 段複合エンジンの利点を実現するために必要であった。 獲得された効率により、この船は石炭の補給前に 8,500 マイルを移動することが可能となった。 これにより、この船は中国と英国の間のルートで競争力が高くなった。

• 1861 年 -- ダニエル・アダムソン (Daniel Adamson) は多段膨張エンジンの特許を取り、 3 段以上のシリンダーが 1 つのビーム (beam)、 あるいはクランク軸 (crankshaft) に接続されていた。 彼はデューキンフィールド (Dukinfield) のビクトリア・ミルズ (Victoria Mills) のために 3 段膨張エンジンを建造し、 これは 1867 年に開設した。
• 1871 年 -- ル・アーヴル (Le Havre) の シャルル・ノルマン (Charles Normand) は 1871 年にセーヌ川の川船に 三段膨張エンジンを装着した。
• 1872 年 -- サー・フレデリック J. ブランウェル (Sir Fredrick J. Branwell) の報告することでは、 複合海洋エンジンは 45 psi から 60 psi で操業し、指示馬力 (indicated horsepower) 当たり、石炭を 2 ポンドから 2.5 ポンド 消費した。
• 1881 年 -- アレグザンダー・カーネギー・カーク (Alexander Carnegie Kirk) は SS アバディーン (Aberdeen) を建造した、 これは 3 段膨張エンジンで成功裏に駆動した最初の大きな船であった。
• 1887 年 -- HMS ビクトリア (Victoria) が進水、 これは 3 段膨張エンジンで駆動された最初の戦艦であった。
• 1891 年 -- 3 段膨張複合海洋エンジンは 160 psi で操業して、指示馬力当たり、 1 時間に平均して、石炭をおよそ 1.5 ポンド消費した。

最初のミル (mill、工場) は水力で駆動されたが、一旦蒸気エンジンが採用されると、 製造業者は、もはやミルのある場所を川がある場所にする必要がなくなった。 木綿紡績は需要を満たすためにますます大きなミルにする必要があり、 これにより所有者はますます馬力のあるエンジンを必要とすることになった。 ボイラー圧が 60 psi を越えた時に、複合エンジンは熱力学 (thermo-dynamic) の利点を 達成したが、複合エンジン採用の決定要因であったのは滑らかなストロークの機械的利点であった。 1859 年にマンチェスター地域のミル (mill, 工場) には 75,886 ihp (指示馬力^{[注 2、ihp]}、indicated horse power) があったが、このうち 32,282 ihp が複合エンジンで提供された。 もっとも 41,189 ihp のみが 60 psi 以上のボイラーで生成されたのみであった。

一般的に言えば、1860 年と 1926 年の間にすべての ランカシャーのミルは 複合エンジンで駆動された。 最後の複合エンジンはバックリ&テイラー (Buckley & Taylor) によるもので、 ワイ (Wye) No. 2 ミルのために建造したものであった。 このエンジンは並列複合エンジン (cross-compound) のデザインで、 2500 ihp あり、 24 フィート、90 トンのはずみ車を駆動し、1965 年まで操業した。

コールドハーバー・ミル (Coldharbour Mill) の ポリット&ヴィグセル (Pollit & Wigzell) 並列複合 エンジン、これは後方に見えるロープ・レース (rope race) を駆動し、動力をミルの 5 層全ての ライン・シャフトに伝達。	1914 年建造の Marchent & Morley の水平直列複合エンジン、Craven Mill Cole。 エアー・ポンプとジェット凝縮器が手前で 低圧シリンダーが後ろ、これはモーリー (Morley) の 特許のピストン・ドロップ・バルブを装着。

海洋の環境では一般的要求は自律と増大する操業範囲であった、 というのは船は石炭の補給を運ばなければならなかったからである。 古い塩水ボイラー (salt-water boiler) はもはや十分でなく、 凝縮器のついた閉鎖真水回路 (closed fresh-water circuit) で交換しなければならなくなった。 1880 年以後の結果は多段膨張エンジンで、 3 段あるいは 4 段の膨張段階を使用するものであった (3 段、4 段膨張エンジン)。 これらのエンジンは複動式シリンダーの列で、だんだんと直径 かつ/又は ストローク (従って体積) が増えるものを使用し、 作業を各膨張段階で (適切な) 3 ないしは 4 の等しい部分に分割するようにデザインされていた。 スペースが貴重であれば、総和体積が大きな 2 つの小さなシリンダーが低圧段階で使用された。 多段膨張エンジンは典型的にはシリンダーを一列に配置したが、色々な他の構成も使用された。 19 世紀末にはヤロウ - シュリック - ツイーディー (Yarrow-Schlick-Tweedy) のバランス・システム (balancing 'system') が 幾つかの海洋 3 段エンジンで使用された。 Y-S-T エンジンは低圧膨張段階を 2 つのシリンダーに分割し、エンジンの両端に置いた。 これにより、クランク軸のバランスが良くなり、滑らかで即応性のあるエンジンになり、振動が少なくなった。 これにより、4 シリンダーの 3 段膨張エンジンが大きな定期旅客船 (例えば オリンピック・クラス (Olympic Class)) で 人気が出たが、究極的には事実上振動がない蒸気タービンで置き換えられた。

3 段膨張海洋エンジン(共通枠 の 3 つのシリンダーは直径 26,42, 70 インチ, ストロークは 42 インチ), SS クリストファー・コロンブス (Christopher Columbus) の動力を与えた。	SS ウッコペッカ (Ukkopekka) の三段膨張海洋エンジン	140 トン -- 135 トンとも記述 -- の垂直三段膨張 蒸気エンジン、第二次世界大戦でリバティ船を駆 動するのに使用された形式のエンジン、引渡し前 のテストで組立、エンジンは長さ 6.4 m, 高さ 5.8 m, 76 rpm で作動。リバティ船をおよそ 11 ノット (20.4 km/h) で推進

この形式のエンジンの発展は蒸気船への使用で重要であった。 というのは、凝縮器に排気することにより水を再利用して、ボイラーに給水できたからで、 ボイラーは海水を利用できなかった。 陸上配備の蒸気エンジンは蒸気の大半を使い果たすことができる。 というのは給水は通常、簡単に利用可能だからであった。 第二次世界大戦前と最中に、膨張エンジンは海洋用途を支配した。 この用途では高い船舶速度が重要でなかったからであった。 速度が要求されると、蒸気タービンが取って代わり、 これには戦艦や外洋定期船 (ocean liner) があった。 1905 年の HMS ドレッドノート (Dreadnought) は、レシプロ・エンジンの確立された技術を、当時としては 新しい蒸気タービンで置き換えた最初の主な戦艦であった。

鉄道機関車への応用に関しては、複合化の主な恩恵は燃料と水の消費の経済化と、 長い周期で起きる温度と圧力の低下による 動力/重量 の高い比率であり、 これにより効率が高くなることである。 追加の認められた利点には、もっと均一なトルクが含まれる。

複合機関車 (compound locomotive) のデザインは 「連続的膨張の機関車」 (continuous expansion locomotive) に関する 1856 年のジェイムズ・サミュエル (James Samuel) による特許までさかのぼるが、 鉄道複合エンジンの実際的な歴史は 1870 年代の アナトール・マレー (Anatole Mallet) のデザインで始まる。 マレー (Mallet) の機関車は ノーフォーク & ウェスタン鉄道 (Norfolk and Western Railway) の本線の蒸気機関車の終了まで米国で操業した。 フランスのアルフレッド・ジョージ・ド・グレヌ (Alfred George de Glehn) のデザインも随分使用され、 とりわけ アンドレ・シャプロン (André Chapelon) の再建造で随分使用された。 複合エンジンの幅広い変種が 1900 年頃に試みられたが、 大半は複雑さと保守負担から人気が短命であった。 20 世紀には 過熱器 (superheater) が広く採用され、 大半の機関車は単純膨張 (simple expansion) であった。(何台かは単純膨張に変換された複合機関車であった。) 技術者が理解したことは、 一定速度の機関車は調速機 (regulator) を広く開ければとても効率よく動作し、 とても早く蒸気を遮断 (cut-off) すれば (例えば、ピストン・ストロークの 15%)、 蒸気の最大の膨張が可能となり、ストロークの最後にエネルギーの損失が少ないことであった。 過熱器は凝縮と圧力の急激な損失を減らす。何もしなければ、このような膨張で後者が起きる。

大きな米国の機関車は鉄道ブレーキに 2 台の蒸気駆動の並列複合エアー・コンプレッサー -- 例えばウェスティングハウス (Westinghouse) 8 1/2'' 150-D -- を使用した。

[注 1、Cylinder phasing] 鉄道作業に使用される 2 シリンダーの複合エンジンでは、 ピストンは 2 シリンダーの単純エンジンと同様に互いに 90° 位相をずらしてクランクに接続される。

二段膨張グループ (double-expansion group) を二重化して、4 シリンダーの複動エンジンを作る時に、 グループ内の個々のピストンは 180°で均衡を取り、グループ間では互いに 90°に設定する。 ある場合には (ヴォークレイン (Vauclain) 複合エンジンの最初の形式では)、 ピストンは同じ位相で動作し、共通のクロスヘッドとクランクを駆動し、 2 シリンダー・エンジンの場合に関しては再び 90° に設定する。

3 シリンダーの複合配置では、LP クランクは HP とは 90° に設定し、 他の 2 つとは 135° に設定する、あるいは 、ある場合には全てのクランクは 120° に設定される。

[注 2、ihp] ミル・エンジンの馬力は元々は公称馬力 (Nominal Horse Power) で計ったが、 しかしこのシステムでは、複合マックノート・システム (McNaught system) では過小評価され、 ihp (indicated horse power、指示馬力) の方が適切である。 大雑把には、ihp は複合エンジンでは nhp の 2.6 倍である。