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Marine steam engine - Wikipedia

欧米の船名には大抵、接頭辞が付いています。例えば

などがありますが、一般には規則がないので何の省略であるのか不明である場合が多くあります ( Ship prefix)。 以下、原文のまま使用しています。

なお、海洋蒸気エンジンとは船舶用のエンジンのことで、 単に外洋で使用される蒸気船のエンジンのことのみならず、 河川で使用される蒸気ボートのエンジンも含まれます。

海洋蒸気エンジン (Marine steam engine)

海洋蒸気エンジンとは蒸気エンジンであって、船やボートに動力を与えるために使用されるもののことである。 この記事は主に往復運動形式 (レシプロ) の蒸気エンジンを扱う。 このエンジンは 19 世紀初頭に蒸気ボートが登場してから、第二次世界大戦の最中に大規模に製造された最後の年まで使用された。 レシプロ蒸気エンジンは 20 世紀に入ると海洋への応用で、 どんどん蒸気タービンや海洋ディーゼル・エンジンで置き換えられた。


三段膨張エンジン設置
昔の切り取り図、1918 年頃
  1. 歴史
  2. 海洋蒸気エンジンの形式
  3. 接続機構により分類されるエンジン
  4. シリンダー技術に基づいて分類されるエンジン
  5. 他の用語
歴史

最初の商用的に成功した蒸気エンジンは 1712 年にトーマス・ニューコメンにより開発された。 蒸気エンジンはジェームス・ワットにより 18 世紀後半に改善され、 随分とエンジンの効率を改善し、エンジンをもっと小さくすることができた。 英国における海洋用途への蒸気エンジンの成功裏の適用はニューコメンの後ほとんど 1 世紀以上も待つ必要があり、 この時スコットランドの技術者であるウィリアム・サイミントン (William Symington) が 1802 年に 世界で「最初の実用的な蒸気ボート」シャーロット・ダンダス (Charlotte Dundas) を建造した。 1807 年には、米国人のロバート・フルトンが世界で最初の商用的に成功した蒸気船を建造した。 船は単に ノース川蒸気船 と呼ばれ、ワットのエンジンを使用した。

フルトンの成功に続き、蒸気船の技術が大西洋の両側で急速に発展した。 蒸気ボートは当初は航続距離が短く、とりわけ航海に適していたわけではなかった。 というのは、重さの理由と、馬力のなさと、壊れやすかったからである。 しかしながら、川や運河、および海岸線の短い旅程に関しては成功裏に使用された。 最初の蒸気船による成功裏の大西洋横断は 1819 年のことで、 ジョージア州サバンナから英国リバプールまで蒸気船 サバンナ が航海した。 大西洋横断の定期航路に就航した最初の蒸気船は 1838 年の外輪船の グレート・ウェスタン (Great Western) であった。

19 世紀が進展するにつれ、海洋蒸気エンジンと蒸気船の技術は共に発展した。 外輪船は徐々にスクリュー駆動となり、そして鉄、後には鋼の船体が伝統的な木製の船体に取って代わり、 これにより船が更にもっと大きくなり、必然的に蒸気動力がますます複雑にそして強力になった。

海洋蒸気エンジンの形式

広範な種類のレシプロ形式の海洋蒸気エンジンが 19 世紀を通じて開発された。 そのようなエンジンを分類する主な 2 つの方法は、接続機構によるものと、シリンダー技術によるものがある。

大半の初期の海洋エンジンは同じシリンダー技術 (単純膨張、以下を参照) を使用するが、 クランク軸に動力を供給するための幾つかの異なる方法 (接続機構) を使用する。 従って、初期の海洋エンジンは大体接続機構により分類される。 接続機構の幾つかに、 サイド・レバー (side-lever), スティープル (尖塔、steeple)、 ウォーキング・ビーム (歩く梁、walking beam) と直接駆動 (direct-acting) (以下の節を参照のこと) がある。

しかしながら、 蒸気エンジンはシリンダー技術によっても分類できる (単純膨張 (simple-expansion)、 複合 (compound)、 環状 (annular) 等)。 そのため、どちらの方法でも分類されているエンジンの実例を時々見ることになる。 例えば、複合ウォーキング・ビームがある。 (複合はシリンダー技術のもので、ウォーキング・ビームは接続機構のものである。) 時間と共に、大半のエンジンは直接駆動となるが、シリンダー技術はもっと複雑なものとなり、 エンジンはシリンダー技術のみによって分類されるようになる。

接続機構により分類されるエンジン
サイド・レバー (side lever)

サイド・レバー・エンジンはヨーロッパで海洋用途に広範囲に採用された蒸気エンジンの最初の型式である。 蒸気航行の初期の頃 (およそ 1815 年頃) から、サイド・レバーは内陸水路や沿岸の航行で使用された 最も普通の海洋エンジンであり、大西洋のどちらの側でも何年もの間使用に好まれたエンジンであった。

サイド・レバーは最も初期の蒸気エンジン -- ビーム・エンジン -- を改造したものである。 典型的なサイド・レバー・エンジンには一対の重い水平な鉄のビーム (梁) -- サイド・レバーと呼ばれる -- があり、各ビームは、その中心がエンジンの基底部の近くにピンで留められ、 軸の周りをレバーが限定された角度だけ回ることができる。 エンジンのシリンダーは二つのレバーの間の一方の端で垂直に立ち、 ピストン棒に、水平なクロスヘッド (横棒、crosshead) が装着され、 クロスヘッドの両端から垂直な棒 -- サイドロッド (side-rod) と呼ばれる -- がシリンダーの両側で下に伸び、 同じ側にあるサイド・レバーの末端に接続されている。 二つのサイド・レバーの反対側の末端は水平な横棒 -- クロス・テイル (crosstail) と呼ばれる -- が接続され、ここから一つの共通な連接棒 (connecting rod) が伸び、レバーが中央ピンの周りで上下に揺れると、 連接棒がクランク軸に作用する。

サイド・レバー・エンジンの主に不利な点は、これば大きくて重いことであり、 内陸水路や沿岸の航行に関しては、まもなく軽くて効率の良いエンジンで置き換えられた。 しかしながら 19 世紀前半の大半を通じて、この形式のエンジンは 洋上使用で支配的なエンジンであった。この理由は比較的に重心が低く、 荒れた海ではより安定したからである。 この形式のエンジンは軍艦の初期の共通の型式であった。戦闘で被害を受けにくかったからである。 1820 年における最初の王立海軍の蒸気船から 1840 年に至るまで 70 隻の蒸気船が就航し、 過半数がサイド・レバー・エンジンで、ボイラーは最大気圧が 4 psi に設定された。 低圧蒸気によりサイド・レバー・エンジンには大きなシリンダーが是非とも必要となった。 もっともピストンの有効気圧はボイラーの圧力と復水器の真空の圧力の差であった。

サイド・レバー・エンジンは外輪船用エンジンで、スクリュー駆動には適していなかった。 大西洋横断に就航して、サイド・レバー・エンジンを搭載した最後の船は キュナード・ライン (Cunard Line) の外輪蒸気船の RMS スコシア (Scotia) であり、 1862 年に就航した時に時代錯誤と見なされた。

SS パシフィック (1849 年)
のサイド・レバー・エンジン
RMS ペルシャ (1855 年) の
サイド・レバー・エンジン
初期のネイピアの PS レヴィン
サイド・レバー・エンジン
スコットランド、ダンバートンで展示
グラスホッパー (バッタ、grasshopper)

グラスホッパー型式あるいは半レバー型式のエンジンはサイド・レバー・エンジンの変種である。 グラスホッパー・エンジンが伝統的なサイド・レバー・エンジンと違う点は、 レバーの回転軸と連接棒の位置が大なり小なり逆転していることで、 回転軸がレパーの一方の端にあって中央ではないこと、 一方で連接棒が接続されているのはシリンダーのある端と回転軸の中間である。


グラスホッパー・エンジンの図式

グラスホッパー・エンジンの主な利点は、建造費が安いことと、強健であることであった。 この形式のエンジンでは他のいかなる海洋蒸気エンジンの型式よりは、保守が少なくて済んだのである。 他の利点は、エンジンはどのクランクの位置からもスタートできた点である。 しかしながら、伝統的なサイド・レバー・エンジンと同様に グラスホッパー・エンジンは重さと大きさで不利であった。 この形式のエンジンは主に川船やタグボートのような小さな船舶で使用された。

クロスヘッド (スクエア) (crosshead (square))

クロスヘッド (crosshead) エンジンは、スクエア (square)、ソーミル (sawmill, 製材所) とか A フレーム (A-frame) とも呼ばれ、 米国で使用された外輪船エンジンの一型式である。 米国の蒸気航行の初期にはもっとも普通なエンジンの型式であった。

クロスヘッド・エンジンは垂直なシリンダーがクランク軸の上にあるものであると述べることができ、 ピストン棒に、水平なクロスヘッド (横棒) が固定されていて、 この両端がシリンダーの反対側にあって、ここから連接棒が伸びて、 分離したクランク軸を回転する。 クロスヘッドは垂直誘導路の中で動作し、これにより、装置が動く時に正しい道筋を通るようにしている。 エンジンの別名である A-フレームは恐らくは、これらの誘導路を支えている枠組みの形に由来している。 幾つかのクロスヘッド・エンジンには 1 個より多くのシリンダーがある場合があり、 この場合にはピストン棒は通常はすべて同じクロスヘッドに接続されている。 この形式のエンジンの初期の実例の異常な造作に、はずみ車の設置 -- クランク軸に連動 -- がある。 はずみ車が円滑な動作を確実にすると思われたからである。 これらの装置は作動時には随分うるさかったと思われる。

この形式のエンジンではシリンダーがクランク軸の上に設置されているため、 重心が高く、洋上の就航には適していない。 従って、その使用は内陸水路で営業する船舶に大体限定される。 19 世紀を通じて海洋蒸気エンジンはどんどん大きく、重くなったため、 クロスヘッド・エンジンの高い重心はますます非実用的となり、 1840 年代には見捨てられ、ウォーキング・ビーム・エンジンが採用されることになった。

このエンジンの名称はしばしば混乱を招くことがある。それは「クロスヘッド」がスティープル・エンジン (以下を参照) の別名だからでもある。 そのため多くの情報源では、混乱を避けるために、非公式な名称である「スクエア」エンジンと呼ぶことが多い。 付け加えると、この節で述べた海洋クロスヘッド・エンジンや海洋スクエア・エンジンは 内燃エンジンで使用される「スクエア・エンジン」と混同してはならない。 後者はエンジンの内径がストロークに等しいもののことである。

クロスヘッド・エンジンあるいは
スクエア・エンジンの模型。
シリンダーがクランスシャク軸の上。
ピストン棒、クロスヘッド、
連接棒、外輪が見える。
典型的なハドソン川の蒸気船の
クロスヘッド・エンジンの図式。
1836 年の外輪船のニュー・ヨーク
外輪の間に A-フレーム・エンジン。
フレームの中の長いピストン棒が
水平なクロスヘッドと T 字型を形成。
ウォーキング・ビーム (walking beam)

ウォーキング・ビーム (歩行梁、walking beam) は「バーチカル・ビーム」 (垂直梁、vertical beam)、 「オーバーヘッド・ビーム」(頭上梁、overhead beam) とか、あるいは単に「ビーム」とも呼ばれ、 ビーム・エンジンの初期の別の改造であるが、 これはほとんど米国に限定された。 導入されてから、ウォーキング・ビームは 米国の内陸水路や沿岸の航行で最も人気の高いエンジンの型式となり、 驚くほど長続きをして、1940 年代に至ってさえ、時々製造されていた。 海洋への応用では、ビームそれ自身は一般に鉄の支柱で強化され、 特徴あるダイアモンドの形をしていた。 もっともビームの支えはしばしば木製であった。 ウォーキング (歩行) という名称が付いているのは、ビームは船の甲板の上に高くそびえ、 (遠くからでも) 動作しているのを見ることができ、 その揺れる動きは (半ば空想的ではあるが) 歩く動作に似ているからである。

ウォーキング・ビーム・エンジンは外輪船のエンジンの型式で、 ほとんどスクリュー推進には使用されない。 これらは本質的には川、湖や沿岸で仕事をする船やボートに使用され、 海を行く船舶には人気のある選択ではなかった。 というのは、エンジンの高さが高く、荒れた海では不安定になるからであった。 これらは軍事的にも用途が限定されていた。 というのはエンジンは敵の砲火にさらされ、簡単に無効化できるからであった。 これらが米国で人気があったのは、ウォーキング・ビーム・エンジンが喫水が浅いボートに適しているという事実によっており、 このようなボートが米国の浅い海岸線や内陸水路で操業していたからである。

ウォーキング・ビーム・エンジンは 20 世紀初頭に至るまで、 米国の水運業者や遠足での操業に人気が高かった。 ウォーキング・ビーム・エンジンは技術的には 19 世紀末に時代遅れのものとなっていたが、 遠足の蒸気船の乗客には人気が高く、彼らはウォーキング・ビームが動いているのを見たがった。 米国でウォーキング・ビーム・エンジンを維持することに技術的な理由もあった。 それは建設することが易しく、精度が必要でなかったからである。 木材がエンジンの主要なフレーム (枠) として使用でき、 もっと現代的なデザインで典型的に使用される鋳造鉄よりははるかに安くできたからである。 米国ではヨーロッパよりも燃料が安く、ウォーキング・ビームの効率の悪さも問題とはならなかったのである。 フィラデルフィアの造船家のチャールズ H. クランプ (Charles H. Cramp) は 19 世紀中頃から終わりにかけて、英国の造船産業に対する米国の一般的競争力のなさを責め、 米国の国内の造船と水運業者を責め、彼らがウォーキング・ビームのような時代遅れとなった技術と 付随する外輪船が世界の他の国ではすでに見捨てられているのにもかかわらず、 これに頑固に固執していることを責めた。

ウォーキング・ビーム・エンジン
の基本図式
USS デラウェア (1861 年)
ダイアモンドの形をした
ウォーキング・ビームが見える
スティープル (steeple)

スティープル (尖塔、steeple) エンジンは時々「クロスヘッド」 (crosshead、横棒) と呼ばれ、 ウォーキング・ビームとサイド・レバーの両型式に共通するビーム (梁) の概念から離脱する初期の試みであり、 より小さく、より軽く、より効率的なデザインに到達したものである。 スティープル・エンジンでは、ピストンの上下振動はビーム・エンジンの水平に揺れる動きに変換されず、 1 つのクロスヘッドと 2 つのロッド (棒) から構成される組み立て装置を動かすことに使用され、 組み立て装置はエンジンの上部の垂直な誘導路を動き、下にある連接棒を動かしてクランク軸を回転する。 この形式の初期の実例では、クロスヘッドの組み立て装置は形が長方形であったが、 時間と共に改良して引き延ばした三角形になった。 エンジン・シリンダーの上にある三角形の組み立て装置がエンジンに特徴的な「スティープル」(尖塔) の形状を与え、 これが名前の由来である。


スティープル・エンジン

スティープル・エンジンはウォーキング・ビーム・エンジンのように背が高いが、 横方向には狭く、スペースと重さのどちらも節約する。 スティープル・エンジンの高さと重心の高さにより、 ウォーキング・ビームと同様に、洋上の航行には適切ではないと思われた。 しかし、これらのエンジンは数十年の間とても人気があり、とりわけヨーロッパで内陸水路や沿岸の船に使用された。

シャム (siamese)

シャム・エンジンはダブル・シリンダー・エンジンあるいはツイン (twin) シリンダー・エンジンとも呼ばれ、 ビーム・エンジンやサイド・レバー・エンジンの別の初期の代替である。 この形式のエンジンでは 2 つの同一な垂直エンジン・シリンダーを横に並べて配置し、 これらのピストン棒は共通の T 字型のクロスヘッドに装着する。 クロスヘッドの垂直な腕が 2 つのシリンダーの間で下の方に伸び、 クランク軸と接続した連接棒と誘導ブロックの両方に接続し、 誘導ブロックはシリンダーの側面を上下に滑る。 これにより組み立て装置が動く時に正しい通り道を維持するようになる。

シャム・エンジンは英国の技術者であるジョセフ・モーズリ (Joseph Maudsley, Henry の子息) により発明された。 彼は首振りエンジン (以下を参照) を発明後にこれを発明したが、 これは同じように広範に受け入れられなかった。というのは、これが取って代わろうとしてサイド・レバー・エンジンよりも わずかに小さくて軽かったのみであったからである。 しかしながら、19 世紀中頃の何隻かの軍艦ではこれが使用された。 このような軍艦にはスクリュー推進器を備えた最初の軍艦 HMS ラットラー (Rattler) がある。

シャム・エンジンの基本図式 環状エンジン (以下を参照) で
シャム・エンジンの連結機構
を使用したもの
HMS レトリビューション (1844 年)
のシャム・エンジン
直接駆動 (direct acting)

19 世紀の文献で遭遇する直接駆動エンジンには 2 つの定義がある。 初期の定義では直接駆動の用語はビーム・エンジン (例えば ウォーキング・ビーム、サイド・レバー、グラスホッパー) 以外のどのようなエンジンも意味する。 後の定義では、この用語は、ピストン棒と連接棒 (あるいは、ピストン棒もしくは連接棒) を経由して、 エンジンの動力が直接クランク軸に伝達される場合に適用される。 別に断らなければ、ここでは後者の意味で使用する。

サイド・レバー・エンジンやビーム・エンジンとは違い、 直接駆動エンジンは外輪船やスクリュー推進のどちらの船の動力とすることもできる。 背丈が低いことは無論のこと、直接駆動エンジンは、 ビーム・エンジンやサイド・レバー・エンジンよりも小さく、随分と軽い利点がある。 王立海軍は直接駆動エンジン (初期の定義) は同じパワーのサイド・レバー・エンジンよりも 重さで 40% 軽く、サイズも 2/3 に減ることに気が付いた。 このようなエンジンの不利な点は摩耗しやすく裂けやすいことで、より多くの保守が必要となる。

首振り (oscillating)
首振りシリンダー蒸気エンジンを参照。

首振りエンジンは直接駆動エンジンの一つの型式で、エンジン・サイズと重量を更に削減するためにデザインされた。 首振りエンジンではピストン棒がクランク軸に直接接続され、連接棒の必要性を無くした。 この目的を達成するには、エンジン・シリンダーが大半のエンジンのように固定されていては無理で、 中間でトラニオン (trunnion, 回転する輪) で固定する必要がある。これにより、クランク軸が回転すると、 シリンダーが前後に首を振る。これが名前の由来である。 蒸気の供給と排気はトラニオンを経由する。 シリンダーの首振り動作は通常トラニオンの蒸気口をそろえるために使用され、 シリンダーへの蒸気の供給と排気が正確なタイミングで指定される。 しかしながら、首振り動作により制御される別のバルブも使用できる。 これにより、タイミングを変化させて、膨張仕事 (expansive working) を可能にすることもできる (例えば、外輪船クリッペン (PD Krippen) がある)。 これにより単純性の利点を譲歩しているが、コンパクト性の利点は保持したままである。。

最初に特許が取られた首振りエンジンは 1827 年にジョセフ・モーズリ (Joseph Maudslay) により建造されたが、この形式はジョン・ペン (John Penn) が完成したと考えられている。 首振りエンジンは 19 世紀の大半を通じて人気の高い海洋エンジンであり続けた。

モーズリー首振りエンジンの模型 HMS ブラック・イーグルの首振り
外輪エンジン。首振りエンジンは
外輪でもスクリューでも駆動可能
オーストラリアの外輪船オーソバ
のためにロンドンの J & A ブライス
が建造した首振りエンジン
トランク (trunk)

トランク・エンジンは直接駆動エンジンの別の形式で、 元々長いストロークを保持したまま (長いストロークは当時は重要であるとみなされ、これは部品に対するひずみを減少させると考えられた) でエンジンの高さを低くする方法として開発された。

トランク・エンジンでは連接棒の位置を大きな直径を持つ中空なピストン棒の中に入れるものである。 この「トランク」(胴体) はほとんど負荷を担わない。 トランクの内側は外気に解放されており、連接棒の端から端への動きを収容できるほど十分に広く、 連接棒はピストン・ヘッドのピン (ガジオン・ピンと呼ぶ) と外部のクランク棒を接続している。

トランクの壁はピストンにボルト付けされるか、ピストンと一体化して鋳造され、 ピストンと一体となって前後に動く。シリンダーの動作部分は環状で、トランクがピストン自身の中心を通り抜ける。

訳注
トランク・エンジンの中心部はあとで登場する環状シリンダーです。 このシリンダーは口径の大きい円柱と口径の小さい円柱の間だけがシリンダーの役目をします。 下の 2 番目の写真から仕組みがわかりますが、少し考える必要があります。

初期のトランク・エンジンの実例は垂直シリンダーであるが、この形式は十分に小さいので、 キール (竜骨) に沿って水平に置けることがすぐにも気づかれた。 この配置は海軍にとってとても有用であった。というのは姿勢がとても低いので、 エンジンが船の喫水線の下に完全に収まり、ここであれば敵の砲火から可能な限り安全となる。 この形式のエンジンはジョン・ペン (John Penn) により、一般に軍務のために製造された。

トランク・エンジンは 19 世紀中ごろの軍艦にはまったく当たり前のもので、 エンジンが小さいことと重心が低いことが必要である場合には商船にも見受けられたが、 操作するのが高価であることが判明した。 しかしながらトランク・エンジンは、より高い蒸気圧にうまく適合しないことがわかり、 より高い蒸気圧が 19 世紀後半には広く採用されることになったため、このエンジンが見捨てられ、他の方法が選択された。

一般に大きくて、小規模に量産され、高回転で、高圧であるものがクリミア戦争で製造された。 極めて効果的であったため、この型式のエンジンは後の小砲艦 (ガンボート、gunboat) にも、しつこく存続し続けた。 小砲艦の元々のトランク・エンジンがフリマントル (Fremantle) にある西オーストラリア博物館にある。 1872 年に沈没した SS ザンソー (Xantho) から 1985 年に引き揚げられ、今では手で回転させることができる。 エンジンの操作モードはザンソー・プロジェクトのウェッブ・サイトで見ることができ、 その小ささが鮮明となる。

   
トランク・エンジンのイラスト HMS ベレロフォンのトランク・エンジン
の切り取り図。左手にシリンダー、環状
ピストンとトランクの組み立て装置。
連接棒が中に見える。
HMS ウォリアー (1860 年) の
トランク・エンジンを見下ろす。
右手に連接棒がトランクから
飛び出している。
振動レバー (vibrating lever)

振動レバーあるいは半トランク・エンジンは伝統的なトランク・エンジンの発展で、 スウェーデン系米国人の技術者であるジョン・エリクソン (John Ericsson) により考えられたものである。 エリクソンはトランク・エンジンのように小さくて、低姿勢のエンジンで、 米国連邦政府のモニター -- 米国南北戦争の時に開発された軍艦の一形式で、伝統的な動力装置の余地がほとんど無い船 -- に動力を与えるものが必要であった。 しかしながら、トランク・エンジン自身はこの目的には適切でなく、 重量の重点部がシリンダーとトランクを含むエンジンの側部にあったからで、 これでは小さなモニター型式の軍艦では補償できなかったからである。

エリクソンはこの問題を 2 つの水平シリンダーをエンジンの中央で互いに後ろ向きに設置することで解決し、 2 つの振動レバーが両側で動作し、これがシャフト (軸) と追加のレバーにより、中央に位置するクランク軸を回転した。 振動レバー・エンジンは後に何隻かの軍艦と商船に使用されたが、その使用は米国、及びヨーロッパの母国であるスウェーデンに限定されていた。 もっと伝統的なエンジンよりも利点がなく、まもなく他の型式のエンジンで取って代わられた。


USS モナドノック (1863 年) の振動レバー・エンジン
USS モニターの蒸気エンジン (模型) (YouTube)
後方動作 (back acting)

後方動作エンジンは、復帰連接棒エンジンとも呼ばれ、 非常に低姿勢となるようにデザインされた別のエンジンである。 後方動作エンジンは実のところ、修正されたスティープル・エンジンで、 垂直に立てるのではなく、船のキールを横切って水平に置いたものである。 しかしながら、典型的なスティープル・エンジンに見受けられるような三角形のクロスヘッド組み立て装置の代わりに、 後方動作エンジンは一般に、同じ機能を実現するために、 平行な 2 つ以上の引き延ばしたピストン棒がクロスヘッドで終了するものを使用する。 「後方動作」や「復帰連接棒」の用語はエンジン・シリンダーと反対側から 連接棒が「復帰」ないしは「後方」に戻ってきて、中央に位置するクランク軸を回転することに由来している。

後方動作エンジンは 19 世紀中ごろに軍艦でも商船でも人気があった別の型式のエンジンであったが、 急速に技術が変化するこの時代の他の多くのエンジンと同様にまもなく見捨てられ、 他の方法が採用された。 いまだに存在していることが知られている唯一つの後方動作エンジンがある -- これは TV エメリー・ライス (Emery Rice) (以前は USS レンジャー (Ranger)) のエンジンで、 今では米国商船大学博物館 (American Merchant Marine Museum) の展示の目玉である。

USS レンジャー
後方動作エンジンの図式
HMS アジャンクール
復帰連接棒エンジン
垂直 (vertical)

19 世紀を通じて蒸気船の大きさと重さがどんどん増えるにつれ、 低姿勢で重心の低いエンジンの必要性がそれに応じて減退した。 このようなデザイン上の制約からますます解放されるにつれ、 技術者はもっと単純で、もっと効率的で、もっと保守しやすいエンジンに復帰できるようになった。 その結果、いわゆる「垂直」エンジンがますます支配的となった。 (垂直エンジンはもっと正確に言うと「垂直逆転直接駆動エンジン」である。)

この型式のエンジンでは、シリンダーはクランク軸の真上に位置し、 ピストン棒と連接棒の組み立て装置はこの 2 つの装置の間で大なり小なり直線を形成している。 この配置は現在の内燃機関の配置と類似している。 (1 つの顕著な違いは蒸気エンジンは複式 (以下を参照) で、 一方ほとんどすべての内燃エンジンは下方ストロークの時のみ動力を生成する。 もっとも、今日の海洋環境では最大のディーゼル・エンジンも複式である。) 垂直エンジンは、ハンマー、フォージ・ハンマー、蒸気ハンマーなどとも呼ばれるが、 これは別の共通な 19 世紀の技術である蒸気ハンマーに外見が大雑把には似ていたからである。

垂直エンジンは 19 世紀の終わりにかけてほとんどすべての他の海洋蒸気エンジンに取って代わった。 これらは全く普通になったので、垂直エンジンは通常はこのように呼ばれることがなく。 シリンダー技術 -- すなわち複合、3 段膨張、4 段膨張 -- に基づいて呼ばれる。 注意すべき点は、この型式のエンジンの「垂直」の用語は正確ではないことである。 なぜならば、技術的にはどの型式の蒸気エンジンも、シリンダーを縦に向ければ「垂直」だからである。 従って「垂直」と呼ばれているエンジンは必ずしも「垂直逆転直接駆動蒸気エンジン」であるわけではない。。

単純ハンマー・エンジンの図式 USS ウィスコンシン (BB-9)
の垂直三段膨張エンジン。
典型的な垂直エンジンの
配置。シリンダー、ピストン棒
連接棒、クランク軸が見える。
シリンダー技術に基づいて分類されるエンジン
単純膨張 (simple expansion)

単純膨張エンジンは蒸気エンジンで、 1 段階のみで蒸気を膨張するものであり、 別の言葉ではすべてのシリンダーが同じ圧力で動作するものである。 海洋エンジンの開発の初期の頃にはこの形式のエンジンが最も普通であったので、 「単純膨張」の用語にはほとんど遭遇しない。 むしろ、別に断らなければ、エンジンは単純膨張と見なされている。

複合 (compound)

複合エンジンは蒸気エンジンで、1 段階よりも多くの段階を経て (すなわち異なる圧力レベルで) シリンダーを動作させるものである。複合エンジンは効率を改良する方法である。 複合エンジンが開発されるまでは、蒸気エンジンは蒸気を 1 度のみ使用して、 ボイラーにリサイクルした。 しかし複合エンジンでは最初に 1 基以上の、より大きな低圧の第 2 のシリンダーにリサイクルし、 熱エネルギーをもっと利用する。 複合エンジンでは、船の経済性もしくは速度を増加するように設定することができる。 広く言えば、複合エンジンは異なる圧力を持つシリンダーが幾つでもあるものも指すが、 この用語は通常は 2 段階のみで蒸気を膨張させるものを指し、 異なる蒸気圧が 2 種類しかないシリンダーを動作させるもの (2 段膨張エンジン) である。

複合エンジンでは (多段膨張エンジンを含め (以下を参照のこと)) 異なる圧力を持つシリンダー・セットを持つことができる。 例えば、1 つのエンジンに 2 つのシリンダーが圧力 x で動作し、2 つが圧力 y で動作している、 もしくは 1 つが圧力 x で動作し、3 つが圧力 y で動作しているとする。 これが多段膨張ではなく複合 (あるいは二段膨張) であるとは、圧力が x, y の 2 つしかないことである。

船に搭載されたと思われる最初の複合エンジンは米国の技術者であるジェームス P. アレア (James P. Allaire) により 1824 年に ヘンリー・エックフォード (Henry Exkford) に装着されたエンジンである。 しかしながら、多くの情報源では、海洋複合エンジンの発明は 1850 年代のグラスゴーのジョン・エルダー (John Elder) によっている。エルダーが複合エンジンに改良を加え、 始めて大洋横断に安全で、経済的なものとしたのである。

三段、あるいは多段膨張 (triple or multiple expansion)

三段膨張エンジンは複合エンジンで、蒸気を三段階で膨張するもの、 すなわち 3 つの異なる圧力で動作するシリンダーを持つエンジンのことである。 4 段膨張エンジンは、4 段階で蒸気を膨張するものである、等々。 商用使用で最初に成功したものは、スコットランドのガバン (Govan) で建設されたもので、 1881 年に SS アバディン (Aberdeen) のためにアレクサンダー C. カーク (Alexander C. Kirk) が建造した。

多段膨張エンジンの製造は 20 世紀に至っても継続した。 第二次世界大戦中に米国で建造された 2700 隻の リバティ船 (Liberty ship、貨物船の型式) はすべて三段膨張エンジンであった。 というのは海洋蒸気タービンを製造するための米国の生産力は完全に軍艦建造に向けられていたからである。 三段膨張エンジンの最大の製造者はジョシュア・ヘンディー鉄工場 (Joshia Hendy Iron Works) であった。 戦争の終わりにかけて、タービン動力のビクトリー船 (Victory ship、貨物船の型式) がますます多く製造された。

典型的な垂直三段膨張エンジン
の動画
ジョシュア・ヘンディー
三段膨張エンジン
リディア・エバ (蒸気流し網漁船)
三段膨張エンジン
1907 年の洋上タグボートの
ハーキュリーズの三段膨張エンジン
140 トンとも 135 トンともいわれる
垂直三段膨張エンジンで、第二次
世界大戦でリバティー船に動力を
与えた型式。配送の前に試験のため
に組み立て。エンジンは 21 フィート
(6.4 m) の長さ,19 フィート (6.4 m)
の高さで 75 rpm で動作するように
デザインされ、リバティー船を 11
ノット (20.4 km/h) で推進した。
環状 (annular)

環状エンジンは通常と違う形式のエンジンで、環状のシリンダーがついているものである。 米国の先駆的な技術者であるジェームス P. アレア (James P. Allaire) の初期の複合エンジンの 幾つかは環状形式で、高圧シリンダーが、大きい環状の低圧シリンダーの中心に置かれていた。 トランク・エンジンは別の型式の環状エンジンである。 第三の環状エンジンは時々生産され、シャム・エンジンの接続機構を使用するが、 二基の分離したシリンダーの代わりに、一基の環状のシリンダーを使用し、 このシリンダーがクロスヘッドの垂直の腕の周りを囲んでいる。 (上の「シャム」に掲載の図式を参照。)

他の用語

幾つかの他の用語が当時の海洋エンジンの文献で遭遇する。 下で掲げたこのような用語は通常は上で掲載したエンジンの基本的な分類用語の幾つかと結び付けて使用される。

単純 (simple)

単純エンジンはシリンダーが 1 基しかないエンジンのことである。 およそ 19 世紀中ごろまでは、大半の船のエンジンには唯一つのシリンダーしかなかった。 (もっとも幾つかの船では 1 基より多くのエンジンがあった。) 単純エンジンは必然的に単純膨張エンジンである。

複式 (double acting)

複式エンジンとは上昇ストロークと下降ストロークのどちらにも蒸気が供給されるエンジンのことである。 初期の蒸気エンジンは唯一つの方向に蒸気を適用し、 モーメントや重力により、ピストンを開始位置に復帰させた。 しかし複式エンジンは蒸気を使用して、ピストンをどちらの方向にも強制的に動かし、 RPM と動力を増加する。 単純膨張エンジンの用語と同様に、複式エンジンの用語は文献では頻繁には遭遇しない。 それはほとんどすべての海洋エンジンが複式だからである。

垂直、水平、傾斜、逆転 (vertical, horizontal,inclined, inverted)

これらの用語はエンジン・シリンダーの向きを指している。 垂直シリンダーは垂直に立ち、ピストン棒が上方に動作するものである。 逆転シリンダー (あるいは垂直逆転シリンダー) は垂直シリンダーの上下を逆にしたものと思うことができる。 傾斜あるいは水平シリンダーはシリンダーとピストンを傾斜させたもの、あるいは水平にしたものである。 傾斜逆転シリンダーは傾斜して動作するシリンダーを逆転したものである。 これらの用語は一般的に上で説明したエンジン形式と結合して使用される。 従って水平直接駆動エンジンとか逆転ウォーキング・ビームのように使用する。

傾斜シリンダーや水平シリンダーは海軍の船では有益である。 それは、向きによりできる限り低姿勢になり、被害が起きにくいためである。 これは低姿勢の船に使用したり、船の重心を低くするためにも使用される。 付け加えると、傾斜シリンダーや水平シリンダーは垂直シリンダーと比較すると、 振動が少ないという利点がある。

ギア変速 (Geared)

ギア変速エンジンやギア変速スクリューはエンジンの RPM と異なる率でスクリューを回転する。 初期の海洋スクリュー・エンジンは上方にギア変速した、すなわち、 スクリューがギア変速されて、エンジン自身よりも高い RPM で回転した。 19 世紀の後半を通じ、エンジンはもっと速く、もっとパワーがあるようになると、 ギア変速はなしですまし、スクリューはエンジンと同じ RPM で回転するようになった。