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High-speed steam engine - Wikipedia

高速蒸気エンジンは固定蒸気エンジンの最後の発展の 1 つである。 これらは数百 rpm の高速で走り、発電のような任務で必要とされる。

後のアッシュワース&パーカー (Ashworth and Parker) の発電セット、1988 年設置	初期の水平エンジンと 直接接続した発電機

2 つの主要な性質がある。

• 高速 (High speed)

  これはベルトによる増速駆動を必要とせずに直接小さな発電機を駆動するのに十分である。

• 正確な速度制御

  発電機による発電は負荷の変動があっても出力電圧を安定させるために、 安定した回転速度が必要である。 交流発電機を駆動する時に、出力周波数も安定した回転速度に 依存する。

これらにより、幾つかの 2 番目の特徴もある。 これらは形式を定義するものでもなく、常に事実でもないが、 はっきりと一般的である。

• 改良された潤滑、高速であることにより要求されること。

  これはしばしば密閉されたクランクケースを使用し、 油溜めとスプラッシュ潤滑 (lubrication by 'splash')、あるいは リング注油器 (ring oiler) を使用する。 あるものは、エンジン駆動のオイル・ポンプと循環システムまである。

  密閉されたエンジンの断面、オイル・スプラッシュ潤滑

  訳注

  上の図をクリックして拡大表示すると、油溜め (oil sump, あぶらだめ) とスプラッシュ潤滑がどのようなものかわかる。
• 小さく、頑丈な鋳鉄フレームで、 大きな固定蒸気エンジンの通常の複雑な石造りの基礎が必要でない。
• 単動シリンダー (single-acting cylinder)

  クランクケースが潤滑にもっと重要であるため、 もしも蒸気圧がシリンダーの一方向から適用されると、配置がもっと単純になる。 これには 2 番目の利点がある： 軸受けに対する力はストロークを通じて変化するが、 最早この方向は変化しない。これにより高速時の軸受けの遊び (slop) の効果を削減する。

Peter Brotherhood のエンジン 1900 年頃、英国海軍に船上の 発電に使用	典型的な水平エンジン コンパクトなフレームを見せる	Belliss & Morcom の 単動シリンダー・エンジン

高速は都市規模の最大のプラントの発電には必要ではない。 これらのプラントは必然的に大きく、多くの極 (pole) を持つ直径が大きな発電機も 使用する。 これにより、低速な回転軸速度に対し、必然的に (一定時間に通過する極の) 線形な速度を与える。

これらのエンジンは単純エンジンでも、複合エンジン (compound) でも製造される。 小さな実例は通常は単純エンジンであり、良好な速度制御を達成する 困難さが複合エンジンの効率よりも重大であるからである。 高速エンジンは浪費的な評判がある。 大きなエンジンでは燃料コストの節約は意味があり、ウィラン・エンジン (Willan engine) のような 複合エンジンが使用された。

これらは色々な種類のバルブを使用する。 スライド・バルブやピストン・バルブの実例が一般的である。 複数シリンダーの単動式エンジン (single acting engine) は 典型的には、2 つのシリンダーの間で一つのピストン・バルブを共有し、 シリンダーの間、もしくはこの上に水平に共有する。

これらのバルブを駆動するバルブ装置は通常単純で、 シングル偏心 (single eccentric) で、一つの速度で、一方向に、 極めて一定の負荷で走るようにデザインされている。 これらのエンジンはコーリスのような洗練され、効率の良いバルブ装置と 同時代のものであるが、これらのトリップ・バルブは十分に速く動作できなかった。

高速蒸気エンジンのキーになる必要事項は、 急激に変化する負荷の下でも、正確な制御によって一定速度にすることである。 遠心力ガバナー (調速機) による蒸気エンジンの制御はワットにさかのぼるが、 この制御は不適切であった。 これらの初期のガバナーはスロットル・バルブを操作して、 エンジンへの蒸気の流れを制御した。 これは発電に必要な一定速度のための即応性制御には不適切であった。

高速蒸気エンジンで開発された解決は "自動" ガバナーであった。 蒸気の流れの比率を制御するのではなく、吸気口バルブ (inlet valve) の遮断 (cut-off) のタイミングを 制御した。 このガバナーはクランク軸と偏心バルブ (eccentric) の間に点在し、バルブ装置を駆動した。 これはしばしばエンジンのはずみ車の一部分として作られた。 ガバナーの「遠心力重し」 (centrifugal bob) の重さが、速度の増加によってバネに逆らって外に出た。 これにより偏心バルブ (eccentric) の位置がクランクに相対的にシフトして、バルブのタイミングを変更し、 早い遮断を引き起こす結果となった。 この制御はシリンダー蒸気口 (cylinder port) に直接作用し、スロットル・バルブからの長いパイプを通り抜けるものではなかったので、 とても速く動作した。

エイムス (Ames) の自動ガバナー 「遠心力重し」(centrifugal bob-weight) と板バネ (leaf spring)

スプラッシュ潤滑：最初の高速エンジン -- 例えば (開放クランク水平エンジン) の「アイデアル」 (Ideal) -- の潤滑は それ以前に、中速度固定エンジンで広く利用されたオイル・カップ (oil cup) システムを発展させたものである。 オイル・カップ (oil cup) と多点潤滑装置 (multi-point lubricator) は シャフトのベアリングに十分に油を差し、唯一ののぞき窓 (sight-glass) は、最も不注意なエンジン操作員 (engine driver) や注油者 (oiler) が見ることができた。 困難な点は、高速エンジンでは注油器 (oiler) はもはや可動部分 -- 例えばクロスヘッド (crosshead) や連接棒 (connecting rod) -- に搭載することができなかった。 ここにオイル容器 (reservoir) を置けば、容器 (reservoir) は攪拌され、 そのように小さな容器 (reserve) では小さな場所で非常に多くの仕事をするエンジンには不適切であった。 完全にオイルを差すことにもっと注意が払われ、 クランクピンのように動く部分は給油装置 (oil supply) からクランク軸を通り抜ける穴で給油され、 給油装置 (oil supply) は -- 例えばメイン・ベアリングのように -- 動いてはいないが回転していた。 遠心力はオイルを分配するのにも使用された。 高速エンジンが、唯一つ、あるいは 2 つの潤滑装置を持つことは普通で、 こうするとエンジンの世話が単純な仕事となり、 単純な不注意と、オイル不足からの故障が少なくなる。

速度が増えると、高速エンジンは複数シリンダーの垂直エンジンで、 密閉したクランクケースを持つ発展した形に進化した。 単動ピストン (single-acting piston) を使用する傾向もあった。 これは 2 つの利点があり、潤滑はクランクケースの中の潤沢な 'スプラッシュ' (splash) システムにより 提供されて、冷却の助けにもなり、 第 2 に単動エンジンの力はピストン棒と連接棒に圧縮力として、常に同じ方法で作用した。 この意味することは、もしも軸受けの余地がきっちりしていなくても、 軸受けは常にきっちり保持されたことである。 きっちりしていない、従って自由に走る軸受けは許容することができた。 このようなエンジンの実例は双子シリンダー (twin-cylinder) のウェスティングハウス・エンジン (Westinghouse engine) であろう。 これらのエンジンはトランク・ピストン (trunk pisto) を使用し、 今日内燃機関で使用されているもので、分離したクロスヘッド (crosshead) がなく、 連接棒のピストン・ピン (gudgeon pin) はピストン自身の中で上方に移動している。 これにより、とてもコンパクトな配置 (layout) が提供されるが、 明らかに単動ピストン (single-acting piston) が必要になる。 このエンジンのメインのクランク軸軸受けは分離された注油器 (oiler) が提供され、 注油器 (oiler) はクランクケースの油溜めに注ぐ。 わかったことは、クランクケースのオイルは、凝縮蒸気の水とピストンからの吹き抜け (blow-by) により 汚染されることであった。 深い油溜めの底のオイルの下から、この凝縮物をまとめて流し出すためのバルブが提供された。

双子シリンダー単動垂直エンジン と密閉クランクケース、 ガバナーがクランクケースの内部に見える。

エンジン軸受けの圧力潤滑 (pressure lubrication) の重要な考えは、高速蒸気エンジンで始まり、 今では内燃エンジンの重要部分 (vital part) である。 これは潤滑システムとして信頼できると共に、 流体軸受け (hydrodynamic bearings) ('oil wedge') の使用を可能にし、後者はより大きな負荷を支えることができる。 この最初の特許は、起草者 (draughtman) のアルバート・チャールズ・ペイン (Albert Charles Pain) の仕事から、 1890 年にべリス&モーコム (Belliss & Morcom) に与えられた。 べリス&モーコム (Bellice & Morcom) は 与えられた動力を持つ可能な限り小さなエンジンを製造するために 複動式エンジンを好んだ； 彼らの重要な市場の 1 つは -- ピーター同胞社 (P(eter Brotherhood) のように -- 軍艦のエンジン室の制約下で使用するために、英国海軍 (Royal Navy) に 発電機のセットを供給することであった。 複動式エンジンの困難さは 連接棒の力の向きが、今では圧縮と伸張の間で逆になることであり、 軸受けの余地はがたつきを避けるためにきっちりしなければならない。 べリス&モーコム (Belliss & Morcom) は 20 bhp (bhp = ブレーキ馬力) と 625 rpm の 2 シリンダー・エンジンを開発し、 小さな分離したオイル・ポンプを使用して、 クランク軸にドリルで開けた長い穴を通して、クランクの軸受けに圧力をかけて、オイルを供給した。 これが信頼できる潤滑と冷却を提供し、油膜 (oil film) の圧力は、 自由に走るための適切な余地を与えて、 複動式エンジンの使用を可能にするのに十分であった。