エルセカー・エンジンの
最下層の部屋
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Cataract (beam engine) - Wikipedia
カタラクトは速度制御装置で初期の単動作ビーム・エンジンに使用され、 とりわけ大気圧エンジンとコーンウォール・エンジンに使用された。 カタラクトはワットのガバナーとは明白に違い、エンジン・ストロークの速度を制御するのではなく、 ストローク間の時間調整をするのである。
エンジン棟に建造されるビーム・エンジンの典型的な配置では、 4 階分のフロア・スペースを (突き抜けて) 使用する。 シリンダーとエンジン技師は下層室 (bottom chamber) に位置していた。 この室の上に中層室 (middle chamber) があり、シリンダーの覆いとトップ・ノズル (上部バルブ箱) があり、この上に上層室 (top chamber) あるいはビーム室 (beam chamber) があった。 カタラクトはエンジン棟の最下層にあり、下層室の下の部屋に排気パイプと共にあった。 この空間は近づきにくい場所で、通常の操業では訪れることがなかった。
ニューコメン・エンジンあるいはコーンウォール・エンジンの バルブ装置 (あるいは動作装置) は プラグ・ロッド ( plug rod ) に基礎を置いていた。 プラグ・ロッドは垂直な棒で、ビームから垂れ下がり、 ピストンと並行して動いた。 調節可能なタペット (凸子 (とつし), tappet) がこの棒にくっついていた。 これらのタペットは長く曲がった鉄の棒 -- ホーン (角、horn) と呼ばれる -- を打ち付け、ホーンは 3 本の水平なシャフト -- 心棒 (arbor) と呼ばれる -- に支えられ、各心棒はエンジンのバルブに作用した。 コーンウォール・エンジンの場合には、 これらのバルブはシリンダーのトップにある蒸気注入口 (のバルブ)、 シリンダーの上部と下部をつなぐ平衡バルブ、 下部にある排気バルブと冷却水の注入バルブで、 最後の 2 つは心棒を共有していた。 他の大半の蒸気エンジンと違い、これらのエンジンは断続的に走り、 動力ストロークの後で停止し、バルブが開放されるのを待って再開する。 動力ストロークの速度はエンジンの造作 (feature) で簡単には変更できないが、 エンジンは連続的に走る必要がない。 これは回転ビーム・エンジン及び回転する蒸気エンジンとの直接的な違いである。 元々のニューコメン・エンジンのサイクルでは、 復帰ストロークの速度はボイラーの圧力で変化するが、これは動力ストロークの力や速度には影響しない。
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| カタラクト、1875 年頃 |
クロフトン揚水所の
バルブ装置、ホーン、心棒 |
カタラクトの使用により、エンジンは制御されていない場合の 1/3 の速度で走る。 揚水ポンプの負荷により、 カタラクトは必要により、接続したり、切り離すことができ、 ある時間にはエンジンを最高速で走らせ、 中間では停止させることができる。
カタラクト自身は小さなプランジャー・ポンプに似ている。 これは水で満たされた水槽に入れた (揚水) ポンプで、 プランジャーないしはピストンが上部に位置し、重さにより下方に押される。 プランジャーがゆっくりと降りるにつれ、この動きは揺れるレバーで上方に伝えられ、 棒で中層室のバルブ装置に伝えられる。 棒が十分に上がると最初のバルブが開放され、 シリンダー上部に蒸気が注入され、新しいストロークが開始する。
カタラクトの作動棒には調整ネジがあり、これはニューコメン・エンジンの場合には冷却水の注入時間を変化させ、 コーンウォール・エンジンの場合には吸入バルブと排気バルブのタイミングを変化させる。 これにより、長くて、もっと効果的な凝縮時間が提供され、 夏場のように冷却水が温かい場合に必要となる。 この調整ネジはあまり理解されていなかったようで、エンジン技師はほとんど使用しなかった。
カタラクトが最初に登場するのはコーンウォールのニューコメン・エンジンであるが、 発明者は知られていない。 これはスミートンの時代には知られており、 スミートンがしたニューコメン・エンジンの改良の 1 つかも知れない。 ジェームズ・ワットは 1777 年のコーンウォールへの旅行でこれに遭遇した。 このような初期のカタラクト (「箱の中のジャック」 と呼ばれた) は単純な転倒箱で、 軸がついた木の箱に調節可能な栓で給水した。 箱が十分に一杯になると、バランスが狂い、エンジンの注入バルブが開放された。
ボウルトン・ワットは単純な転倒箱のデザインのカタラクトを、その後数年間使用し、およそ 1779 年まで使用した。 その後別のデザインが使用され、これには次がある： 水カタラクト、これには同じ水が使用され連続的にリサイクルされた；空気カタラクト、これは円形のフイゴを使用するものであった。 この形式の空気カタラクトはエイル・ケークス鉱山 (Ale and Cakes Mine) に供給された。 プランジャー・ポンプのカタラクトのデザインは 1785 年にコーンウォールに登場したが、 これはワットの発明ではない。
カタラクトの用語はダッシュポットと同意語となった。 少なくとも、これが蒸気エンジンとガバナーに関する限りではこうなった。 カタラクトは遠心力ガバナーの過敏性を減衰するために使用された。 カタラクトは直接駆動の揚水ポンプのための超過速度安全装置としても使用された。 シーソー -- 差分レバーと呼ばれる -- がポンプのピストン軸とカタラクトの間に置かれ、 カタラクトをポンプの通常の動作速度に調整する。 もしもポンプが、ポンプの爆発などに由来する突然の加速に見舞われた時には、 ピストンはカタラクトを追い越し、従って差分レバーの動作により、ポンプの蒸気注入バルブが閉鎖されて ポンプが停止し、被害が限定された。
カタラクトは大半の調節器と同様にサーボ機構の 1 つの実例である。 しかしながら、ワットのよく知られた遠心力ガバナーと違い、これは開ループ制御であって、 閉ループ制御ではない。 カタラクトは自分自身の速度で走るが、結果として起きるエンジンの速度を測定しない。 カタラクトは 「水時計」 であるとも記述されている。 これはカタラクトの操作とエンジン速度の関係が固定されていることを仮定している。 ビーム・エンジンの場合には、これは正しい仮定で、 カタラクトはエンジン・ストロークのタイミングを制御し、 可変な動力ないしはスロットル・バルブを制御しているわけではないからである。 ガバナーがそのようなスロットル・バルブを制御すれば、ワットのガバナーのようにエンジンの速度は、 エンジンの負荷、バルブ位置、エンジンの可変な効率、の間の関係に依存することになる。 このようなガバナーは閉ループ制御を使う必要があり、これは効率的で正確な規制を維持することを目的とするからである。
カタラクト制御が独立で開ループ制御である 1 つの利点は 2 つのエンジンを同期して走らせるように調整し、 しかも逆位相で走らせることができる。 揚水エンジンの場合には、 これは揚水にもっと均一な出力を与えた。
遠心力ガバナーは水車や風車への使用はすでに知られていたが、これは 1788 年までに一般には知られておらず、 この時、始めてワットが蒸気エンジンに適用した。 これは ラップ・エンジン ( Lap Engine ) と呼ばれ、 初期の回転エンジンで、現在はロンドンのサイエンス・ミュージアムに保存されている。
回転エンジンの場合にはエンジンがストロークを通して速度を制御する必要があり、 単にストローク間のタイミングを変更するだけではダメである。 これにより蒸気供給において、ガバナーで制御されるスロットル・バルブを使用することが必要であった。 工場エンジンのような使用では負荷は変化し、 エンジン速度に基礎を置く遠心力ガバナーのような閉ループ制御も必要となる。 カタラクトは、従って回転エンジンでは使用不可で、 まだコーンウォールで使用されていた単動作の巻き上げ用のコーンウォール・エンジンにも使用不可であった。
コーンウォール・エンジンはスロットル・バルブで従順に制御できなかった。 というのは動作サイクルは凝縮時間に依存し、 蒸気の供給に依存していなかったからである。 非回転のビーム・エンジンも遠心力ガバナーを駆動するやさしい方法がなかった。 このような理由からカタラクトはコーンウォール・エンジンが任に就いている限り、 生き延びたのである。