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Flued boiler - Wikipedia

1829 年にスチーブンソンのロケットがレインヒル試験で勝利するので、 それ以後、煙道ボイラーがすたれ煙管ボイラーだけになってもよいはずなのですが、 実際はそうなっているわけではないようです。

煙道ボイラー (Flued boiler)

外殻ボイラー (shell boiler) もしくは煙道ボイラー (flued boiler) とは初期の比較的単純なボイラーの形式で、蒸気を生成するのに使用され、 通常は蒸気エンジンを駆動する目的で使用される。 このボイラーのデザインはボイラーの発展の移行期の段階のもので、 初期の「ヘイスタック・ボイラー」(干し草の山ボイラー、haystack boiler) と後期の多重チューブからなる 煙管 (fire-tube) ボイラーの中間にあたるものである。 煙道ボイラーを特徴づけるものは大きな円柱状のボイラーの外枠と、これを横断する 1 つ以上の 大きな煙道で、煙道の中に炉がある。 このようなボイラーは 19 世紀初め頃に登場し、 ある形式のものは今日でも使用されている。 大半が固定蒸気エンジンの工場で使用されたが、 幾つかは初期の蒸気車両、鉄道の機関車あるいは船に使用された。


トレビシックの 1806 年のエンジンは
煙道ボイラー (とりわけ復帰煙道ボイラー)
の初期の実例のもとに製造
訳注
ヘイスタック・ボイラーとは次のような形のボイラー。底は平らなことが多い。

煙道ボイラーは蒸気圧を上げて、エンジンの効率を改善する試みから開発された。 ワットの時代のヘイスタック・ボイラーは機械的に弱く、 しばしば火に向かう面が、補強されていない平面であった。 通常はこの火室面の崩壊に始まる爆発がよくあった。 アーチの構造が平面よりも強いことは知られており、 そこで大きな丸い煙道のチューブがボイラーの外枠の中に設置された。 火それ自身はこの煙道の中に横切って設置される鉄格子の上に置かれ、 浅い灰の受け皿 (ashpan) が下に置かれ、燃焼しない残りかすを集めた。 これは炉のまわりに接近して加熱面を包み込む追加の利点である。 しかしこれは二義的な恩恵である。

今日では低圧 (1.7 気圧) とみなされるが、 これ以前のものと比較して高圧とみなされた。 この気圧の増大が機関車 (すなわち小さな自己推進する車両) を製造する主な要因となった。 このような機関車にはトレビシックのものがあり、現実的な問題となった。

  1. 中央煙道ボイラー (Center-flue boilers)
  2. 復帰煙道ボイラー (Return-flue boilers)
  3. コーンウォール・ボイラー (Cornish boiler)
  4. バッタリー・ボイラー (Butterley boiler)
  5. ランカシャー・ボイラー (Lancashire boiler)
  6. フェアベアンの 5 本チューブ・ボイラー (Fairbairn's five-tube boiler)
中央煙道ボイラー (Center-flue boilers)

蒸気機関車用の最も単純なボイラーには一つのまっすぐな煙道がついていた。 これは、初期の蒸気機関車の多くの製造業者が広く使用し、 ミドルトン (Middleton) 鉄道の ブレンキンソップ (Blenkinsop) の蒸気機関車や、 スチーブンソンのロコモーションがある。


ミドルトンの機関車

この形式のボイラーは製造するのが単純で、 シリンダーに膨張処理をすれば、 (当時の) 高圧蒸気を支えるのに十分な強度があった。 ガスは大きな煙道をよく通り、 背の高い煙突のみによって十分な通気が得られる。 しかしながら、加熱領域が小さいため、 非効率的で、大量の石炭を消費する。

復帰煙道ボイラー (Return-flue boilers)

単純な煙道で適切な加熱領域を提供するには、 長くなければならない。 ボイラーの外枠が短かければ、 例えば蒸気機関車に要求されるような場合には、 これは U 字型の復帰煙道で、自身に折れ曲がるものを使用することで達成できる。

リチャード・トレビシックは 1802 年のペン=ア=ダレン (Pen-y-darren) の 最初の蒸気機関車と、1803 年のコールブルックデールの蒸気機関車ですでに復帰煙道を使用していた。 これらのボイラーは鋳鉄製で、短く、末端が平らで、重々しく作られていた。 彼の 1805 年の「ニューカッスル」機関車 (実際は ゲーツヘッド (Gateshead) で製造された) は復帰煙道の 1 つの特徴的な姿 -- 炉と煙突の反対側の固い末端において蒸気圧に対抗する顕著なドーム型 -- を見せ始めていた。 この場合には、ボイラーの製造は、今や錬鉄のプレート製で、 トレビシックの単一の移動距離の長い水平シリンダー (230 mm × 910 mm) の理由から 複雑なものになっていたのに違いない。シリンダーはこのドーム型の端から飛び出していた。 これにより、火夫の仕事は楽になっていた。 というのは火室の扉に触れるために、 ピストンの長いクロスヘッドの下から手を伸ばさなくてもよくなったからである。

訳注
上の文章では、蒸気エンジンのシリンダーが水平であるかのように記述していますが、 シリンダーを水平にしたのはジョージ・スティーブンソンであり、不正確と思われます。 スチーブンソンのロケットを参照。 また以下のパッフィング・ビリーの写真でもシリンダーが垂直になっているのがわかる。

1813 年のパッフィング・ビリー
復帰煙道ボイラーのドーム側の末端

ウィリアム・ヘドリー (William Hedley) は この形式のボイラーを彼の 1813 年の機関車であるパッフィング・ビリーウィラム・ディリーに 使用した。 ウィラム (Wylam) 炭鉱と、その所有者のクリストファー・ブラケットを通じて、 ヘドリー (Hedley) はトレビシックのエンジンに親しんでいた。

訳注
パッフィング・ビリーとウィラム・ディリーはクリストファー・ブラケットが作ったチームで建造されますが、 技術的な部分で仕事をしたのはティモシー・ハックワースのようです。 2 台の機関車を製造した後で、彼は機関車整備の仕事を任されているし、 後にストックトン・ダーリントン鉄道の機関車監督の仕事もしてますからほぼ明白だと思います。

ティモシー・ハックワース (Timothy Hackworth) の 0-6-0 形式の 1827 年のロイヤル・ジョージ (Royal George) でも、 復帰煙道を使用した。 もっとも、この機関車は排気を促進するために、意図的にブラストパイプを 使用したパイオニアとして最もよく知られている。 レインヒル試験用に製造した 0-4-0 形式の軽量版のサン・パレイユもよく似ていた。 試験が終了するとすぐにもそれらは時代遅れにも見えたが、 この形式のカナダのサムソン (Samson) は 1838 年に建造されて、 1883 年にも服務していた。

フーバー・ボイラー (Huber boilers)

(固定ボイラー以外で) 製造された最後の復帰煙道ボイラーは オハイオ州マリオン (Marion) のフーバー会社 (Huber Co.) によって製造されたものであり、 これは 1885 年から 1903 年にかけて製造したトラクション・エンジンの「新フーバー」 (New Huber) のために製造された。

これらは、しかしながら、ここで述べている復帰煙道ボイラーではなく、 復帰煙管ボイラーである。 これらには、単一の大きな円柱状の炉と、耐圧外壁の外側にある燃焼室と、 多くの狭い煙管 (fire tube) が火室の扉の上や周囲にある蹄鉄の形をしたスモーク・ボックスに戻ってきていた。 このスモーク・ボックスと火夫が近接していることから、ベリー・バーナー (腹バーナー、belly burners) のあだ名がある。これらのデザインは 単純な単一煙道ボイラーよりも、 (サー・アーサー・ヘイウッド (Sir Arthur Heywood) によって製造された) 水平なローンチ・タイプ・ボイラーや スコットランドのマリン・ボイラーの方に多くの共通点がある。

この頃には機関車のボイラーはトラクション・エンジンでは普通のものとなった。 これと比較すると、フーバー・ボイラーの利点は、煙管がもっと容易に交換でき、 取り囲まれた火室の内部から作業をする必要がない点である。

コーンウォール・ボイラー (Cornish boiler)

最も単純な煙道ボイラーの形式はリチャード・トレビシックの 「高圧」コーンウォール・ボイラーで、1812 年に始めてドルコース (Dolcoath) 鉱山に設置された。 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。 炉は自然な換気に依存するため、 空気 (酸素) の供給を促進するために、 高い煙突が煙道の反対側の末端で必要となる。


コーンウォール・ボイラー

効率を高めるために、トレビシックが発案したことは、 ボイラーの下にレンガ製の部屋を作ることであった。 排気ガスは中央の煙道を通り、外側に導かれ鉄製のボイラーの外壁のまわりを通る。 煙突を燃焼スペースから離すために、レンガの煙道は最初はボイラーの中心の下を通って 前面に導き、次に両側を通して煙突に導いていた。

コーンウォールのボイラーはそれ以前のワゴン・ボイラーよりも幾つかの利点があった: これらはほとんど曲面から構成され、圧力によく耐えた。 これらの平坦な末端はワゴン・ボイラーの平坦な末端よりも小さく 中央の炉の煙道により固定され、時には追加の長い棒で固定された。 それほど明らかでない利点はその金ごけにある。 ワゴン・ボイラーやヘイスタック・ボイラーは下から過熱され、 何らかの金ごけあるいは不純物はこのプレートの上に堆積し、水から隔離されてしまう。 煙道ボイラーの場合には沈殿物は炉の煙道から離れ、ボイラーの外壁の底に堆積し、 ここでは悪影響が無い。

モデル・エンジニアリングの場合には、 コーンウォール・ボイラーは、とりわけガロウェイ (Galloway) チューブ (下のランカシャー・ボイラーを参照) を装着すれば、 ガス・ボイラーと蒸気船のモデルには優れた選択肢となる。 これは製造が簡単で、どのような小型のボイラーとも同じように効率が良い。

バッタリー・ボイラー (Butterley boiler)

バッタリー (Butterley) あるいはホイッスル・マウス (whistle mouth) ボイラーはコーンウォール形式から 由来したあまり知られていないデザインで、著名なダービーシャー州のバッタリー・ボイラー工場 【訳注:バッタリー会社の工場と思われます。】 で製造された。 これは基本的には コーンウォール形式で、炉のまわりの外壁の下半分を取り除いたもので、 大きな火をつけることが可能となる。 これはペナイン山脈の繊維工場で人気があった。 ここでは北部石炭が使用され、サウス・ウェストで使用されるウェルズ石炭の ように火力がなく、大きな火が必要とされたからである。 別の言い方をすれば、これは短くしたコーンウォール形式のボイラーでワゴンボイラー が先端に付き、大きな火がその下にあるものである。 これはワゴン・ボイラーと同じ欠点があった:火室の凹プレートは機械的に弱く、 動作圧力を減少させるか、もしくは余分な機械的な補強が必要であった。


バッタリー・ボイラー
フェアベアンの 1851 年の講義から
ランカシャー・ボイラー (Lancashire boiler)

ランカシャー・ボイラーはコーンウォール・ボイラーに類似しているが、1 つではなく 2 つの 大きな煙道があり、それぞれに火がある。 これは一般的にウィリアム・フェアベアン (William Fairbairn) の 1844 年の発明と思われている。 しかし彼の特許は炉を交互に燃焼して、煙を削減するもので、ボイラー自身に 関するものではない。スチーブンソンの初期の 0-4-0 形式の機関車であるランカシャー・ウィッチ には、すでに二重煙管の使用を実証しており、これは 15 年も前のことである。


ランカシャー・ボイラー
フェアベアンの講義から

フェアベアン (Fairbairn) はもっと効率の良いボイラーを求めて、 熱力学の理論的な研究をした。その結果がこれで、 水の体積と相対的に炉の鉄格子の領域を増やすことになった。 これを作った 1 つの特別な理由はランカシャーの木綿工場で コーンウォール・ボイラーがそれ以前はあまり使用されていなかったことによっている。 ランカシャーでは地元の硬い石炭が小さな炉で十分に燃焼することができず、 より古い低圧のワゴン・ボイラーと大きな鉄格子の方に利があったからである。

コーンウォール・ボイラーの困難さは、どの馬力のボイラーにせよ、 加熱領域としてチューブ型の炉が必要とされることである。 長いチューブでは、長くてより高価なボイラーの外壁が必要となり、 鉄格子の領域と加熱領域の比を減少させ、適切な火を維持することが 困難となる。チューブの直径を増大すればチューブを覆っている水の深さを 減少させ、火夫による水深の制御の必要性が増大する、あるいはボイラーの 爆発の危険が増える。 フェアベアン (Fairbairn) の輪環圧力の研究から、小さなチューブの方が、大きいチューブよりも強固であることも わかっていた。 彼の解決は単純で 1 つの大きな炉のチューブを 2 つのより小さなチューブで置き換えることであった。


ランカシャー・ボイラー
ピンチベック (Pinchbeck) 揚水所

特許は二重炉の別の利点を示している。 交互に点火し、点火の間に火室の扉を閉鎖すれば、 炉を通過する (ランカシャー・ボイラーの場合であれば 鉄格子の下の灰受け皿を通過する) 空気の供給も制御することが可能となる。 これにより、火により生成されるガスがより完全に燃焼され、煙と汚染を削減した。 これのキーとなる部分は火室に取り付けられたシャッター形式の、 回転するエアー・ダンパー (痛風調節装置, air dumper) であり、 これは 1840 年代以降の装置の特徴となった。

2 本の煙道を使用すると補強効果もあり、 末端のプレートを支える 2 本の長い支柱の役目をする。

後の発展により、ガロウェイ (Galloway) チューブ (発明者の名前に由来し、1848 年か 1851 年に特許が取られている) が付け加えられた。 このチューブは煙道を横断する横方向の水のチューブで、加熱された接触面を増大する。 これは直径が大きい短いチューブで、ボイラーは比較的低圧状態だったので、 これらは水管式ボイラー (water-tube boiler) とはみなされない。 チューブは先が細くなっていて、煙道を突き抜けて設置することが容易になっていた。

ランカシャー・ボイラーにはしばしば波型を付けた煙道があり、 これにより熱膨張が吸収され、リベットで取り付けた合わせ目をひずませることがなかった。 別の進展は、腎臓煙道 (kidney flue) あるいはガロウェイ (Galloway) ボイラーである。 これでは 2 つの煙道は 1 つの煙道となり、断面が腎臓の形になった。 この広くて、上面が平坦な煙道はガロウェイ (Galloway) チューブで支えられた。

ランカシャー・ボイラーは時代遅れのデザインとみなされるが、 煙道が十分長ければ、ある程度効率がよい。 しかし、これはかさばるボイラーとなり、 とりわけ長さが長くなる。そのため、常に固定エンジンの使用に限定された。 これは広域マンチェスターとランカシャーの木綿工場では 標準的なボイラーであった。

フェアベアンの 5 本チューブ・ボイラー
(Fairbairn's five-tube boiler)

ウィリアム・フェアベアン (William Fairbairn) のランカシャー・ボイラーでの仕事は 削減した水の体積に相対的な多重炉の効率の美点を実証した。 より高い蒸気圧がエンジンの効率を改善することも広く理解された。 フェアベアン (Fairbairn) のシリンダーの強度の研究から、 別の改善されたボイラーのデザインに到達し、 はるかに小さな直径を持つチューブに基づき、 これにより、より高い圧力で操業することが可能となった。 典型的には 1000 kPa (9.87 気圧) であった。 これは「 5 本チューブのボイラー」で、 5 本のチューブは、入れ子になった 水ドラムと炉 (のチューブ) 2 組と 残りのチューブは 2 組の上に搭載された別の蒸気ドラムとなっている。 水の体積は、これまでのボイラー・デザインと比較するときわめて小さく、 炉のチューブはほとんど水ドラムを占めてしまうくらいである。


フェアベアンの 5 本チューブ・ボイラーの
端の断面

ボイラーはその目的とした点からは成功で、 水の容量が小さな 2 つの大きな炉が提供された。 分離した蒸気ドラムは水分を含まず、水が凝集しないドライ・スチーム (過熱蒸気) の生成にも役立った。 しかしなが、これは製造することも難しく、 加熱領域は大きくなかった。 まもなく、この炉は、機関車やスコットランド・ボイラー のような多重チューブのボイラーに取ってかわられた。