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| 1806 年のトレビシックの固定蒸気エンジン |
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Return connecting rod engine - Wikipedia
リターン連接棒 (return connecting rod)、 リターン・ピストン棒 (return piston rod)、 あるいは (海洋蒸気エンジンの言葉では) 二重ピストン棒エンジン (double piston rod engine) あるいは、後方動作エンジン (back-acting engine) は、 蒸気エンジンの特定の配置 (layout) である。
この配置のキーになる属性はピストン棒 (piston rod) は シリンダーからクロスヘッド (crosshead) に現れるが、 連接棒は次に向きを変えて、 後方のクランク軸 (crankshaft) に向かう。 このレイアウト (layout) は機械的に不利である。 従って、リターン連接棒はほとんど使用されなかった。
リターン連接棒の配置は可能な 2 つの形式がある：
水平配置と垂直配置のどちらもリターン連接棒のレイアウトを使用した。 垂直リターン連接棒エンジンは元々の垂直レイアウトを使用し、 シリンダーは上方のクロスヘッド (crosshead) に向いていた。
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| 1806 年のトレビシックの固定蒸気エンジン |
テーブル・エンジン (table engine) と スティープル・エンジン (steeple engine) は リターン連接棒が付いた垂直固定エンジンである。
テーブル・エンジンはクランク軸とクロスヘッド (crosshead) の上と中間に置く。 1805 年頃からモーズレー (Maudslay) による広範囲な製造があり、小さな技術作業場に動力を供給するために使用された。 これらはラインシャフトの駆動でとりわけ人気があった、 というのはこれらはビーム・エンジンよりも高速で稼働したからである。
より小さなグラスホッパー・ビーム・エンジン (grasshopper beam engine) のように、 モーズレー (Maudslay) のテーブル・エンジンの利点は、工場で完全なユニットとして製造できたことであった。 これには、大きな鋳鉄製のベースプレート (baseplate) あるいはテーブルが含まれた。 水平エンジン、あるいは 「家屋に組み込まれる方式で建設」されたビーム・エンジンとは違い、 これらには、エンジンの場所に、注意してそろえた大きな石造基礎建築が必要ではなかった。 エンジンは前もって製造し、店頭から (off the self) 販売することもできた。 これは経費を節約したが、これが最も恩恵があったのは、 エンジンの建造と付随するエンジン棟の建設を依頼するよりも速かったことである。
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テーブル・エンジンのモデル
二股の連接棒が見える。 |
スティーブル・エンジン |
スティープル・エンジンはクランク軸を シリンダーの上方で、シリンダーとクロスヘッドの間に置いた。 これらは、組になったピストン棒を -- 2 本、あるいは 4 本あることもあり -- ピストンとクロスヘッドの間で使用し、 クランク軸を避けた。 別のパターンでは、3 角形のくびき (yoke) を単一のピストン棒で使用し、クランク軸がこれを通り抜けるようにした。
スティーブル・エンジンはほとんど海洋エンジンとして使用された。 アメリカの外輪式の川船にはとりわけ大きなスティープル・エンジンがあり、 甲板室 (deckhouse) の上にそびえていた。
スティープル・エンジンの用語は、後に 逆向き垂直直列複合エンジン (tandem compound engine) を言及するにも使用された。これは高さがとても高かったからで、 リターン連接棒エンジンではなかった。
トレビシックの最初の高圧エンジンは 1801 年以後、彼の機関車を含め、 水平配置にも垂直配置のどちらにもリターン連接棒のレイアウトを使用した。 シリンダーはボイラーに埋め込まれて熱の喪失を避け、短いボイラーはエンジンの枠組みも形成した。 これにより、リターン連接棒が自然なレイアウトになり、クランク軸が クロスヘッドから見て、ボイラーの反対側になった。 組になる連接棒は比較的単純な成分であった。もっとも 2 本が必要であった。 これらはクランク軸がその末端で、 内部クランク (internal crank) を持つ複雑な成形クランク軸 (forged crankshaft) ではなく、 単純な 2 つの張り出しクランク (overhung cranks) の使用を可能にしたため、 これも貴重な単純化であった。
他の初期の機関車 -- 例えばマレー (Murray) の サラマンカ (Salamanca、1812 年)、 ジョージ・スチーブンソンのブリュッヘル (Blücher、1815 年) とロコモーション (Locomotion、1825 年) -- もリターン連接棒エンジンを使用した。 これらは、すべて重い垂直なシリンダーが、ボイラーの円筒 (barrel) の中で、 直列に設定され、 機関車の上の横断クロスヘッドを通じて駆動し、 揺れるリンク (swinging links) で支えられていた。 この動きの複雑さから、これは運転手に「編み物」」 ('the knitting') と呼ばれた。 揺れるリンク (swinging link) はワットの 初期の平行運動 (parallel motion) よりは単純で、 正確な直線動作のために、クロスヘッドを制約しなかった。 しかしながら、リターン連接棒エンジンのピストン・ストロークに相対的に、 連接棒の追加の長さがあるが、角度の影響をそれほど深刻には受けなかった。 スチーム・エレファント (Steam Elephant) はその代わりに、原始的なスライドバー (slidebar) のセットを使用して、 クロスヘッドを支えた。
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| スチーム・エレファント (Steam Elephant) (レプリカ) |
overhung cranks を持つボイラーの下のシャフトへのリターン連接棒の使用は internal crank の必要性も避けた。 スチーブンソンのデザインでは、このクランク軸は機関車の重さも支え、 単純なクランク軸ではなく、これは成形作業 (forge work) のとりわけ困難な部分も避けた。
リターン連接棒を使用した最後の機関車の一台は、レインヒル試験 (Rainhill trials) における エリクソンとブレースウェイト (Ericsson and Braithwaite) のノベルティー (Novelty) であった。
ブリュッヘル (Blücher) と同時代のへドリー (Hedley) の パッフィング・ビリー (Puffing Billy) はリターン連接棒 (return connecting rod) を避けて、 グラスホッパー・ビーム (grasshopper beam) を使用した。 シリンダーは今や並べて搭載されているが、なお大きくて重く、ボイラーに一体なものとして搭載されていた。 ビーム・エンジンはリターン連接棒エンジンと類似なレイアウト -- ピストン棒は一方を向き、連接棒はこの逆に走る -- であるが、 ビーム・エンジンはリターン連接棒エンジンと見なされない。 スチーブンソンのマネージャーであった ハックワース (Hackworth) の機関車のロイヤル・ジョージ (Royal George) はこの デザインを逆にして、シリンダーはなお垂直であるが、クランク軸の方向に直接下向きにした。 スチーブンソンのロケット (Rocket) の時までに とりわけ煙管ボイラー (fire-tube boiler) の機関車が軽く・速くなると、 垂直シリンダーが壊れやすい当時の魚腹レール (fishbelly rail) をハンマーで殴るようにすることが視認された。 ロケットはシリンダーを 45° に傾けて建造したが、すぐに再建されて、ほとんど水平に設置された。 これ以来、ほとんどすべての機関車はシリンダーを水平に近く設置した。
最初の海洋蒸気エンジンは外輪 (paddlewheel) を駆動した。 外輪は比較的高い (位置の) 軸を必要とし、これはしばしばクランク軸になっていた。 安定させるために、エンジンの主要な重さ -- すなわちシリンダー -- は低く搭載された。 後のエンジンは一個のスクリュー推進器を駆動した。 これらは今や低く搭載したエンジンを必要とするが、低く設置したエンジンの安定効果からなお恩恵を被る。 このような初期のエンジンは、当時の技術に制約され、 低圧ボイラーと遅いピストン速度で動作した。 エンジンのスペースがない制約から、ピストン・ストロークが短いことと共に、 これらの初期のエンジンは十分な動力を生成するために、直径が大きなピストンを必要とした。
クロスヘッド・エンジン (crosshead engine)、 ダブル・クロスヘッド (double crosshead)、 あるいはスクエア・エンジン ('square' enngine) は 垂直エンジンで、レイアウトがテーブル・エンジンに類似し、 シリンダーがクランク軸の上にある。 クロスヘッドはとても広くする必要があり、 連接棒が大きなシリンダーのいずれかの側を通過でき、 シリンダーは今度はスライドバー (slidebar) のための大きな支持枠が必要である。 これらは初期の米国の川船に人気があり、 この木造の大きなA-フレームのクロスヘッドは特色ある造作であった。 大きなエンジンは上が重く、そのためこのデザインは、 スティープル・エンジンや ウォーキング・ビーム・エンジン (walking beam engines) で 交換された。
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クロスヘッド・エンジン (スクエア・エンジン)、
ハドソン川の蒸気ボートの PS ベル (PS Belle) |
ヨーロッパの慣例では、とりわけ クライド湾 (the Clyde) では、 スクエア・エンジンの代りに、ネーピア (Napier) のスティープル・エンジンを好んだ。 これらは建設するのがもっと複雑で、鉄をもっと使用したが、 シリンダーをクランク軸の下に置き、従って狭い船体でもっと安定した。 どちらの形式も洋上船には人気がなかった。
海洋の慣習では、 スクリュー推進のリターン連接棒エンジンは「後方動作エンジン」 (back-acting engine) (米国の言い方) あるいは 「二重ピストン棒エンジン」 (double piston rod engine) と呼ばれる。
ジョン・ペン (John Penn) は 1848 年に トランク・エンジン (trunk engine) の特許を取った。 これは、とりわけ短いエンジン (ピストン軸の方向に測定) を可能にし、 大きな直径のピストンにすることも可能であった。 これらは横断して搭載され、通常は 2 シリンダー・エンジンであり、 比較的高い設置馬力で海軍に使用された。 トランク・エンジンは、大きな直径、中空なピストン棒あるいはトランクを持つことによって、 その短い長さを達成している。 連接棒 (connecting rod) のピストン・ピン (gudgeon pin) はこのトランク (trunk) の中に搭載され、 2 つの主な成分 -- ピストン棒 (piston rod) と連接棒 (connecting rod) -- の全体の長さが、 互いにはめ込める (telescope) ようになっている。 クランクが回転する時に、連接棒が角度を持てるように、トランクを十分に大きくする必要が あるため、このデザインは大きな直径を持つデザインに限定される。 わかったことは、ボイラー圧が増えると、トランクの周りの大きな直径の密閉はますます漏れやすくなることであった。
トランク・エンジンは大まかには二重ピストン棒エンジン (double piston rod engine) で置き換えられた。 これはリターン連接棒エンジンの一形式で、 クランク軸がクロスヘッドとシリンダーの間にあった。 4 本のピストン棒が使用されて -- 上も下も、そしてクランクの両側も -- クランク軸の周りを通過した。というのはクランク半径 (crank throw) が、ピストン棒の垂直スペースよりも 広かったからである。 これらのエンジンの大半は並列複合エンジン (parallel compound) であったため、 2 本のピストン棒は高圧 (HP) と低圧 (LP) ピストンの各々からのものであった。 エンジンによっては、二重の棒 (double rod) が大きな低圧 (LP) シリンダーに、1 本の棒が高圧 (HP) シリンダー に使用され、くびき (yoke) がクランク軸の周りを通過していた。 二重ピストン棒は単純エンジンでも使用されるが、 これらではクロスヘッドで張り出したピストン・ピン (gudgeon pin) が必要となり、 従って、小さなエンジンに制限される傾向がある。 トランク・エンジンより、二重ピストン棒エンジンの利点は、 連接棒の両端が保守でアクセスできることである。 水平シリンダーの海軍の使用から学んだ 1 つの因子は、 以前の危惧にもかかわらず、シリンダーの上に置かれたピストンの重みによる摩耗がほとんどなかったことである。
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二重ピストン棒エンジン、
スクリュー駆動の 「HMS アジンコート」 (HMS Agincourt、1865 年) シリンダーとピストンは右、凝縮器と空気ポンプは左。 |
1858 年の海軍本部の委員会が強く推薦したことは、 古いエンジンのデザインは合理化により見捨てて 3 つのデザイン： シングル・ピストン棒デザイン (single piston rod) (今日最も視認できる形式)、 トランク・エンジン、 そして、ダブル・ピストン棒 にすべきであることであった。
トランク・エンジンの後の変種は振動レバー (vibrating lever) あるいは半トランク・エンジン (half-trunk engine) として、リターン連接棒のレイアウトを再び使用した。 これは外側に面した 2 台のショート・ストローク (short-stroke) のトランク・エンジンを組にしたエンジンである。 これらのピストンからの連接棒は上向きの振動レバー ('vibrating levers') につながり、これが前後に揺れる。 これらのレバー (lever) は短い軸 (axle) の回転軸 (shaft) を回転し、この上に別のレバー があって、これが今度は別の連接棒の組と共有する中央のクランク軸を駆動した。 これらの複雑なエンジンはスウェーデン系のアメリカ人の技術者であるジョン・エリクソン (John Ericsson) の 発明であり、2 国を除いてはほとんど使用されなかった。
リターン連接棒エンジンやトランク・エンジン以外のコンパクトな代替は、 モーズレーのシャム・エンジン (Maudslay's siamese engine) と 珍しい環状ピストン・エンジン (annular piston engine) であった。 トランク・エンジンと同様に、 これらはピストン・ピン (gudgeon pin) をピストン・ストロークの中に置く。 このために、ピストンの組と T 形のクロスヘッド (crosshead) を使用し、 これによりピストン・ピン (gudgeon pin) を通常よりも後方に位置を変えることができた。
送風エンジン (blowing engine) は大きな固定蒸気エンジンで、 空気ポンプのシリンダーと直接結びつけられたものである。 これらは高炉 (blast furnace) と他の形式の溶鉱炉 (smelter) に爆風を提供するために使用された。 稼働シリンダー (working cylinder) と駆動負荷は共にレシプロ・ピストンであるため、 これらはピストン棒で直接連結できた。 連接棒を使用するのははずみ車を駆動するためのみで、 この惰性がエンジンの周期を通じて、負荷の均衡を取り、出力軸として使用しなかった。 これらのエンジンはリターン連接棒デザインで建造された最後の新しいものの幾つかであった。
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| 垂直送風エンジン |
イラストの大きな垂直送風エンジンは 1890 年代にミルウォーキー (Milwaukee) の E. P. アリス社 (E. P. Allis Co、後の「アリス - チャルマース」 (Allis-Chalmers) の一部分) により建造された。 空気ポンプ・シリンダーは蒸気動力シリンダーとクロスヘッドの上方にある。 ピストンの主要な力は純粋にレシプロ作用により、空気シリンダーに伝達され、 はずみ車は単にエンジンの動作を滑らかにするためであった。 はずみ車の軸は蒸気ピストンの下に搭載され、 組になる連接棒は下方と後方に駆動した。
類似のポンプ・エンジンは水道 (waterworks) にも使用された。 逆向きの垂直エンジンが頂上にあり、水のラム・ポンプ (ram pump) が基礎、あるいはこの下に 掘削で開けられた穴にあった。 クランク軸とはずみ車はこの間のスペースに提供され、回転動力の出力のためではなく、滑らかな走行のためであった。 これらは、下 (ポンプ) のくびき (yoke) から、短いリターン連接棒で駆動された。 この形式の 2 台のワース・マッケンジー (Worth McKenzie) エンジンは -- 1895 年の 3 段膨張エンジンと 1906 年の二連単純エンジン (duplex simple) -- ヘレフォード (Hereford) のヘレフォード水道博物館 (Waterworks Museum, Hereford) に設置され、 そこで保存され、蒸気で稼働している。