DRB クラス 50 機関車の煙管ボイラーの断面
(左手の) 火室で作られた熱いガスが
水で満たされた中央部のチューブを通過し
スモーク・ボックスに達し、煙突に抜ける (右端)
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Fire-tube - Wikipedia
序文では「煙管ボイラー」(Fire-tube boiler) と「煙道ボイラー」(flue boiler) を 区別していますが「煙管ボイラーの型式」の中では「煙道ボイラー」として分類すべきものが 含まれており煙道ボイラーの説明と重複する部分があります。
この項目は昔の蒸気機関車や蒸気動力の機械を理解するために翻訳したものです。
煙管ボイラーはボイラーの一種で、火から出る熱いガスが、1 つ以上の チューブを通過するもので、このチューブが密閉容器の中の水を通り抜けている。 ガスの熱は熱伝導によりチューブの壁を通り抜けて伝えられ、水を加熱し、 究極的には蒸気を作る。
煙管ボイラーはボイラーの四段階の重要な歴史形式 -- 低圧タンク (ヘイスタック・ボイラー), 1 本あるいは 2 本の煙道からなる煙道ボイラー、 多くの小さなチューブからなる煙管ボイラー そして高圧の水管ボイラー -- の三段階目として開発された。 単一の煙道しかない煙道ボイラーと比べて煙管ボイラーの利点は ボイラー全体の大きさが同じであれば、多くの小さなチューブがはるかに広い加熱面を 与えるからである。 一般的な製造方法は、水タンクにチューブを挿入し、 このチューブの中に火からの熱いガスを通せばよい。 タンクは通常円筒形で、 -- これは圧力容器の現実的な形式として最も強固なもの -- 円筒タンクは水平でもよいし、垂直でもよい。
このボイラーの形式はほとんどすべての蒸気機関車で使用され、 水平機関車の形式として使用される。 ボイラーは煙管チューブを包含するシリンダー状の容器であるが、火室を収容する末端の延長ともみなせる。 この火室には大きな開口部があり、ここに大きな炉の鉄格子領域があり、 シリンダー状の容器からの延長部があって直方形ないしは先細の格納装置になっている。 水平煙管ボイラーは船舶への応用があることでも典型的で、 この場合にはスコットランド・ボイラーを使用する。 垂直ボイラーも多重煙管ボイラーから製造されたが、これらは比較的に珍しく、 大半の垂直ボイラーは煙道タイプか、これに横断水管がついたものであった。
機関車形式のボイラーにおいて、 燃料は火室で燃焼されて、燃焼ガスが生成される。 火室は冷却用の水のジャケットで囲まれ、 これは長いシリンダー状のボイラーの外殻 (shell) に接続されている。 熱いガスは一連の煙管 (fire tube) あるいは煙道 (flue) に沿って導かれることもある。 煙管はボイラーを貫き、水を加熱して、飽和蒸気 (saturated steam) (あるいはウェット・スチーム) を生成する。 蒸気はボイラーの最も高い部分「蒸気ドーム」(steam dome) に上昇し、 ここで蒸気が集められる。 ドームはボイラから蒸気の排出を制御する調節装置がある場所である。
機関車のボイラーでは、飽和蒸気は、スーパーヒーター (過熱装置、superheater) に 手渡され、ボイラーの頂上部のより大きな煙道に通され、ここで蒸気を乾燥し、過熱水蒸気 (superheated steam) に加熱される。過熱水蒸気は蒸気エンジンのシリンダーに導かれる。 非常にまれではあるが、機械的な作業をするためにタービンに導かれることもある。 排気ガスは放出されるが、ボイラーの効率を上げるために注入水を予熱することもできる。
煙管ボイラーの通気 (ドラフト、draft) は、とりわけ船舶への応用で、 通常、背の高い煙突によって提供された。 スチーブンソンのロケット以来、すべての蒸気機関車では、 追加の通気手段も提供された。 これはシリンダーから排気蒸気をブラストパイプを通して、煙突内部に放出し部分的な 真空をつくることで実現された。 現代の産業ボイラーでは送風機を使用してボイラーの通気を強制ないしは誘導している。
ロケットにおける、もう一つの重要な進展は単一の大きな煙道の代わりに直径の小さい多くの 煙管を使用したことである (多重煙管ボイラー)。 これにより熱伝導の表面領域を増やし、蒸気の生成効率を上げた。 これなくしては、蒸気機関車は強力な移動装置として効率的に発展することはなかったであろう。
もっとも初期の煙管ボイラーはリチャード・トレビシックの「高圧」コーンウォール・ボイラー である。これは長い水平なシリンダーで、単一の長い煙道があり、ここで燃焼する火それ自身は この装置が置かれている鉄格子の上にあり、その下に浅い灰の受け皿があり、燃えることがない残りかす を集めた。今日では低圧 (おそらく 1.7 気圧) とみなされるが、 シリンダー状のボイラーの外壁の使用により、 ニューコメン (Newcomen) 時代の初期のヘイスタック・ボイラーよりは高い圧力が可能となった。 炉は自然な通気に依存しているため、背の高い煙突が煙道の反対側の末端で必要となり、 火に空気 (酸素) を供給することを促進した。
効率の理由から、 ボイラーは通常レンガ製の部屋に設置される。 煙道ガスは、煙道を通り抜けた後に、この部屋の鉄製のボイラーの外壁の外を通り、煙突に向かう。 煙突は今やボイラーの前面にある。
ランカシャー・ボイラーはコーンウォール・ボイラーに似ているが、 火を含む大きな煙道が 2 つある。 これは 1844 年にウィリアム・フェアベアン (William Fairbairn) が発明したもので、 もっと効率の高いボイラーの熱力学的な理論的考察から生まれたものであり、 これにより、水の体積に相対的に炉の鉄格子領域を増やすことになった。
後の進展にはガロウェイ・チューブ (発明者の名に由来する名称で 1848 年に発明) の追加がある。 これは煙道の横方向の水管であり、これで加熱表面を増大した。 これらは直径が大きい短いチューブで、 ボイラーは比較的低圧のままであったので、これは水管ボイラーと、まだみなすことができなかった。 チューブは先が細く、煙道を突き抜けて設置することが容易であった。
スコットランド海洋ボイラーはそれ以前のボイラーとは劇的に異なり、 大量の、直径が小さいチューブを使用した。 これにより、体積や重さあたりに関してははるかに大きな加熱表面が与えられた。 炉は単一の直径を持つチューブのままであったが、 この上に多くの小さいチューブが配置された。 これらは燃焼室で互いにつながっており、ボイラーの外壁に完全に包含され、 ガスは煙管を通って後方から前方に流れた。 これらのチューブの前端を覆っているスモーク・ボックスはガスを上方の煙突に 導いていた。 典型的なスコットランド・ボイラーは炉が 2 つあり、大きなものは 3 つあった。 これ以上のサイズに関しては、例えば大きな蒸気船のボイラーでは、 複数のボイラーを設置することが普通であった。
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機関車のボイラーには 3 つの主な構成要素がある： (1) 二重壁の火室、(2) 水平でシリンダー状の「円筒ボイラー」(boiler barrel)、 これが大量の小さな煙道チューブを含んでいる、 (3) 煙突が付いたスモーク・ボックス、これは排気ガス用。 円筒ボイラーは (もしあれば) より大きな煙道を含み 過熱装置 (superheater element) を搭載していた。 スモークボックスのブラストパイプを経由して 排気蒸気を排ガスに注ぎ込むことにより、機関車のボイラーの強制通気が行われた。
機関車形式のボイラーはトラクション・エンジン (traction engine), 蒸気ローラー、ポータブル・エンジンやこれ以外の蒸気道路車両にも使用された。 ボイラーの内在する強度から、これは車両の基礎に使用できた： これ以外の構成要素はすべて、車輪を含め、ボイラーに取り付けたブラケットに 搭載した。 この形式のボイラーには過熱装置を組み込むことはまれで、 一般に鉄道機関車の形式よりはずっと小さく、そして単純なものであった。
機関車形式のボイラーは、 オーバータイプの蒸気ワゴン -- 蒸気動力のトラックの先祖 -- の特徴でもある。 しかしながら、この場合には重い桁枠が荷を支える車体 (chassis) を 構成し、ボイラーはこれに取り付けられていた。
ある種の鉄道機関車のボイラーは先細で、 火室では直径が大きく、スモークボックスでは直径が小さくなっていた。 これは重さを削減し、水の循環を改善する。 多くの後の「グレート・ウェスタン鉄道」や 「ロンドン、ミッドランド & スコットランド鉄道」の機関車では 先細ボイラー用にデザインされたか、修正された。
垂直煙管ボイラーは口語的には垂直ボイラーと呼ばれ、 垂直なシリンダー状の外殻があり、いくつかの垂直な煙道がある。
水平復帰管ボイラー (HRT) は水平なシリンダー状の外殻を持ち、 幾つかの水平な煙道を含み、火はボイラーの外殻のすぐ下に位置し、 通常はレンガ構造に設置している。
これは英国で広範囲に使用された。 鉄を着せた軍艦の時代より前、あるいはその初期に、 保護されている唯一つの場所は水面下で、時には 装甲を施した甲板の下で、 短い甲板の下に納まるようにチューブは炉の上部に戻ってくることが無く、 炉から真っすぐに伸びており、2 つの炉の中間に燃焼室があった。 これが名前の由来である。 これによりどこにでもあるスコットランド・ボイラーや復帰管ボイラーと比較すると、 随分と直径が小さくなった。 これは大いに成功したわけでなく、 より強力に舷側が装甲されるようになると見捨てられた。 -- 『炉の上板 (furnace crown) が水面に近いため、 オーバー・ヒートしやすかった。 更に、ボイラーの長さにより、 同じ角度の傾きでも、水位の影響が大きかった。 最後に、ボイラーの色々な部分での伸張が顕著に等しくなく、 長さと直径の比が大きくなったため、とりわけ最上部と最下部でこうなっていた。 長くて低いボイラーにおける比較的弱弱しい循環の理由から局所的なひずみは もっと深刻であった。』 このようなことすべてにより、ボイラーは短命であった。 更に、 少なくとも調節装置 (baffling) がなければ 燃焼室の長さが同じであれば、復帰管よりも直行管の方が効果が薄かった。
埋め込み煙管ボイラー (immersion fired boiler) はシングル・パスの煙管ボイラーで、 1940 年代にセルバース・エンジニアリング (Selbers Engineering) により開発された。 これは煙管しかなく、炉としても燃焼室としても機能し、 複数のバーナーがあらかじめ混合された空気と天然ガスを圧力をかけて注入した。 熱によるストレスが軽減され、構築法により完全に反射レンガがない。
煙管ボイラーには加熱面を増やすために時々水管があるときがある。 コーンウォール・ボイラーには煙管の直径方向を横断する幾つかの水管がある時がある。 (これは小蒸気船 (steam launch) では普通である。) 機関車のボイラーで広い火室を持つものはアーチ・チューブあるいは熱流サイホン (thermic syphon) が ある場合がある。 これらは加熱面を増やし、レンガのアーチの追加の支えを与えている。
加熱面を増やすための別のテクニックはボイラー・チューブのなかに ライフリングを施すことである。(サーブ・チューブ (Serve tube) と呼ばれる。)
外殻ボイラーはどれもが蒸気を生成するためのものではなく、 幾つかは加圧水 (pressurised water) を加熱するために特別にデザインされている。
ランカシャー・デザインに敬意を表して、現代の外殻ボイラー (shell boiler) は二重炉のデザインを することがある。 もっと最近のデザインには反転火炎のデザインがあり、 これではバーナーは出口のない炉 (blind furnace) に火を吹き込み、 燃焼ガスが舞い戻って二重になる。 この結果、よりコンパクトなデザインとなり、配管が少なくなる。
「パッケージ」ボイラーの用語は 20 世紀初頭から中期にかけて発展したもので、 ボイラー・ユニットをあらかじめ断熱材や電気計器盤 (electrical panel) や計器を装着して、 設置場所に配送することから生まれた。 これは初期の実践とは随分違っていた。 初期にはほとんど圧力容器のみが配送され、設置場所で補助部品が装着された。
煙管ボイラーはそれ自身圧力容器なので、 機械的な崩壊を防ぐために幾つかの安全装置が必要である。 ボイラーの爆発は BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) の一種類で、 破壊的なものになりえる。
スタンリー・スチーマーで使用された 煙管式ボイラーは数百本のチューブがあり、 これらはボイラーの外壁よりも弱く作られ、 爆発が事実上不可能となるようになっていた。 というのはボイラーが爆発するよりもはるかに前にチューブが崩壊し、 漏れたからである。 スタンリー・スチーマーが最初に製造されて以来、ほとんど 100 年以上もの間、 スタンリーのボイラーは爆発することが無かった。
ボイラーを安全な状況に維持するためには、保守の徹底的なスケジュールが必要である。 典型的な管理体制には、定期的な外部からの点検 (これには火室内部が含まれる)、洗浄 (内部点検を含む)、 定期的な詳細検査および通常の分解検査 (overhaul) がある。
チューブ、可溶栓 (fusible plug) そして火室のステー (stay) の頭部は漏れがないかをチェックすべきである。 ボイラーの備品 -- とりわけ水位計と給水機構 -- の正確な作動は確認すべきである。 安全弁が動作するまで蒸気圧を上げて圧力計の表示と比較すべきである。
機関車のボイラーの寿命は冷却と加熱を常に繰り返すことをしなければ随分と伸びる。 歴史的には、機関車は、およそ 8 日から 10 日程度の一定期間連続的に蒸気状態に置かれ、 十分に冷却してから熱水によるボイラーの洗浄が行われた。 急行エンジンのスケジュールは走行距離に基づいていた。 今日の保存されている機関車は通常は連続的に蒸気状態には置くことがなく、、 奨励される洗浄期間は 14 日から 15 日程度であるが、 180 日までであれば可能である。
工程はボイラーにまだ圧力が残っている時に、ブローダウン (吹き下ろし、blowdown) で開始する。 このとき、火室の底部のマッド・ホール (ドロ穴、mudholes) からボイラーのすべての水を 排水し、洗浄プラグをすべて除去する。 高圧水流 (water jet) もしくは銅のような柔らかい金属の棒を使用して、 湯あかを吹きとばしたり、引きはがしたりする。 湯あかが溜まりやすい場所 -- 火室の上板 (crown) や 火室のまわりの狭い場所 -- には特別な注意が必要である。 ボイラーの内部はプラグ・ホール越しに、視認検査し、 煙管や火室の上板やステイが無傷であり、 ボイラー・プレートにピッティング (点腐食、pitting) やひび割れ (cracking) ないことをチェックする必要がある。 計器のガラス栓、チューブ、可溶栓 (fusible plug) から湯あかを取るべきである。 可溶栓の中心部にカルシネーション ( か焼, calcination) の兆候が見えれば、 交換すべきである。
組立ての際には、ネジ山を切ったプラグは元の穴に戻すべきである。 テイパー (先細, taper) がネジ山を切りなおした結果違うことがあり得うるからである。 マッド・ホールの扉の ガスケットがアスベスト製であれば新しいものに変更し、 鉛製であれば再使用する。 このような危険な物質【訳注：アスベストのこと】の処理には 特別な指図が法律で決められている。 大型の保守施設では、外部から供給される高温の熱水により 洗浄・再充填され、もっと素早く機関車を服務に戻すことができる。
典型的な 1 年検査では、備品の除去や検査が含まれ、 このような備品には注水器 (injector)、安全弁や圧力計がある。 高圧の銅の配管は使用中に 加工硬化し、 もろくなって危険となる。この場合には再び取り付ける前に「やきなまし」(anneal) する必要がある。 ボイラーと配管の水圧テストも実施する必要がある。
英国では完全分解検査までの最大期間は 10 年である。 完全検査をするためにボイラーは機関車の枠組みから持ち上げられ、 保温材も取り外す。 すべての煙管は取り外してチェックされるか交換される。 分解検査のためにすべての備品も取り外す。 使用に戻される前に、資格のある検査員がボイラーが適格であるかをチェックし、 10 年間有効な証明書が交付される。