コーンウォールエンジンバルブギア
バルブギアはバルブを正しい順序で開閉します。回転式エンジンでは、バルブタイミングは偏心装置またはクランクで駆動できますが、非回転式ビームエンジンではこれらの方法は利用できません。コーンウォールエンジンでは、バルブは手動で、またはビームから駆動される「プラグロッド」とタペットを介して駆動されます。これにより、サイクルの様々な時点で遅延を挿入することができ、コーンウォールエンジンは10分間に1回のストロークから1分間に10回以上のストロークまで変化させることができます。[ 1 ]：72 ただし、回転式エンジンと比較すると、あまり馴染みのない部品もいくつかあります。
バルブとバルブギアの位置と連動
コーニッシュ・エンジンは大型で、クルキウス・エンジンの排気バルブでさえ直径が 26 インチである。[ 2 ] : 7 配管とリンケージを制限すべく、「駆動位置」をシリンダーの隣に配置するのが合理的である。バルブは、フレームに取り付けられた 3 本の水平ロッド (アーバー) で制御される。これらには、バルブを操作するために前後に揺らすハンドルが付いている。[ 3 ] : 163 3 つのアーバーは以下を制御する: 上部アーバー: 蒸気バルブ、中間アーバー: 平衡バルブ、下部アーバー: 排気 (「エダクション」とも呼ばれる) および注入 (コンデンサー用) バルブ。バルブが開いた位置に維持されるように、アーバーの突起から直接吊るされた重りか、ロッドを介して重りにリンクされ、下の床に調整用の踏み板が付いている。[ 4 ] アーバーの前には、必要に応じてハンドルを上下に動かすことができる位置に、1つまたは2つのプラグロッドがあります。[ 5 ]：83 これらはビームと一緒に動き、平行移動と接続されて 垂直方向の経路に制限されます。
バルブギア部品
コーンウォール機関車は、蒸気機関車とは異なり、バルブシーケンスを自動または手動で操作できます。コーンウォール機関車は手動で始動し、シリンダー圧力と凝縮器の真空度が機械が自動運転するのに十分になるまで運転します。そのため、バルブの位置は自動的に決定される必要がありますが、手動で変更する必要があり、これがあまり一般的ではない部品や機構につながります。下の図は、これらの部品の多くと、機関車内での配置と向きを示しています。
ホーン、ハンドル、プラグロッド、タペット
アーバーに取り付けられたハンドル（またはホーン）はアーバーを回転させ、様々なレバーやロッドを介してバルブを開閉します。プラグロッドは、平行移動ギアを介してビームに接続された2本（または一部のエンジンでは1本）の垂直ロッドです。ハンドルは手動で簡単に操作できるだけでなく、プラグロッドによって動かすこともできます。プラグロッドには、ハンドルに引っ掛けるための小さな突起（タペット）が付いています。蒸気アーバーの場合、バルブをより長く、かつ可変時間押し下げる必要があるため、タペットはプラグロッドに取り付けられた長い調整可能なロッドの形をしています。 [ 3 ] : 165
象限、スコッガンレバー、白内障。
ハンドルによって動かされるアーバーが回転すると、象限も回転します (画像に示されているように、象限は名前にもかかわらず、正確に 90 度である必要はありません)。これらは、キャッチ (別名、ポール[ 2 ] : 7 、ポール[ 3 ] : 165 、ラッチ、またはコーンウォールではスコッガン レバー[ 6 ]と呼ばれる) の助けを借りて、バルブを閉じた状態に維持するために使用できます。象限は、通常、下の床にある「カタラクト」によってレバーが上げられると解放されます。これは油圧タイミング デバイスであり、屋内ストロークの最下部でプラグ ロッドに当たるタペットによって設定されます。[ 5 ] : 88 適切な遅延の後、カタラクトによって関連するロッドとカタラクト ループが上昇し、象限が解放されてアーバーとバルブが動くようになります。[ 5 ] : 152 カタラクトループにはねじ山が付いており、各サイクルの終わりにゆっくりと上昇することで、蒸気と排気の相対的なタイミングを変えることができます。[ 7 ]一部のエンジンでは、同様に室内ストロークから屋外ストロークへの移行を管理する2番目のカタラクトが存在します。[ 5 ] : 129
ロック象限。
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エンジンを手動で操作する場合でも、エンジンの構成方法には制限があります。排気バルブと平衡バルブの両方を同時に開くことは決して適切ではありません。これを避けるために、「ロック象限」として追加の一対の象限が使用されます。これらは、閉じた位置でほぼ接触するように配置されており、どちらか一方を開位置に動かすことができます。[ 3 ]：165 ただし、片方が開くと、もう一方は開かなくなります。Pole [ 5 ]：129 では、排気バルブと平衡バルブの間で同様の相互ロック効果を実現するための、タペットとレバーのより複雑なシステムが説明されていることに注意してください。
組み立てられたバルブギアとその順序
上記の部品はフレームに組み込むことができ、エンジン全体を手動または自動で作動させることができます。3本の軸の形状はほぼ固定されていますが、いくつかの画像からわかるように、軸に沿った様々な部品の位置、プラグロッドとカタラクトの数、そして装飾の程度にはばらつきがあります。
コーンウォールエンジンのサイクルは2つの明確な部分から構成されています[ 5 ]。1つは 内行程で、ピストンがシリンダー上部から下降する部分（通常は下降するが、後述するクルキウスエンジンは例外の一つ）であり、もう1つは外行程でピストンが上昇する部分です。内行程では、プラグロッドは蒸気バルブと排気バルブを閉じ、上昇行程では平衡バルブを閉じます。したがって、最初の2つのバルブはハンドルを下げることで閉じ、平衡バルブは上方に動かすことで閉じるように設計されている。
以下の表は、ポール[ 5 ] :126–150 とウィントン[ 3 ] :165 に基づいており、コーンウォールエンジンの完全なサイクルと、バルブの様々な動作を示しています。また、同様のエンジンのビデオとの比較を容易にするために、ハンドルの位置も示しています。開いているバルブはハイライト表示されています。
| 脳卒中 | アクション | バルブ設定とハンドル位置 St:蒸気、Eq:平衡、Ex:排気、 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| バルブ - O:開、C:閉 | ハンドル - U:上、D:下 | ||||||
| 聖 | 等式 | 元 | 聖 | 等式 | 元 | ||
| - | ピストンは上端で停止する。蒸気バルブと排気バルブはキャッチによって閉じられた状態に保持される。平衡バルブは、エンジンの設計に応じて、独立したカタラクト制御ラッチまたはプラグロッドタペットによって閉じられた状態に保持される。 | C | C | C | D | あなた | D |
| 屋内 | 排気弁は通常、蒸気弁の少し手前で、手動または上昇するカタラクトロッドによって開かれます。ロッククアドラントは、これにより平衡弁が閉じられた状態を維持することを保証します。 | C | C | お | D | あなた | あなた |
| 屋内 | その後、蒸気バルブが手動で、または上昇するカタラクトロッドによって開かれる。 | お | C | お | あなた | あなた | あなた |
| 屋内 | 蒸気バルブは、手動またはプラグロッドタペットの下降によって閉じられます。プラグロッドタペットの調整により、遮断点を調整し、膨張と効率を調整できます。蒸気タペットは伸長し、ストロークの底部まで蒸気を遮断します。 | C | C | お | D | あなた | あなた |
| 屋内 | 排気バルブは、手動または下降するプラグロッドのタペットによって閉じられ、ピストンを遅くしてシリンダーの端にクッションを提供し、エンジンがエンドストップにぶつかるのを防ぎます。 | C | C | C | D | あなた | D |
| 屋内 | プラグロッドは下降の最下部付近で、カタラクト（複数）のタイミングをリセットします。この時点では、蒸気弁と排気弁はプラグロッド（複数）によって既に閉じた状態に保持されており、下降するカタラクトロッドによって、これらの弁は閉位置に保持されます。 | C | C | C | D | あなた | D |
| - | ピストンが下がった状態で一時停止 | C | C | C | D | あなた | D |
| 屋外 | 排気カタラクトがロック四分円の邪魔にならない場所に移動したため、平衡バルブは取り付けられた重りによって引っ張られて開かれ、あるいは、第 2 のカタラクトが別のカタラクト ロッドを介して平衡リリース キャッチを持ち上げたため、平衡バルブは取り付けられた重りによって引っ張られて開かれます。 | C | お | C | D | あなた | D |
| 屋外 | 平衡バルブは、手動または上昇するプラグロッドタペットによって閉じられ、ピストンを遅くしてシリンダーの端にクッションを提供し、エンジンがエンドストップにぶつかるのを防ぎます。 | C | C | C | D | あなた | D |
| - | ピストンが上まで上がった状態で停止 | C | C | C | D | あなた | D |
エンジンの運転 - 停止と始動
初期のビームエンジンは、バルブを直接手動で操作することで駆動されていました。ピストンの変位を制限するクランクシャフトがないため、これは困難でした。ある著者[ 8 ]は、「このすべての精密さは、装置を完全に破壊する危険を冒して、傭兵の係員に毎分14回も要求されました」と述べています。エンジンが自壊する前に何らかの警告があったとされており、別の著者は「キャッチピースがブロックにぶつかることで生じる衝撃は、機関員にとって蒸気圧が高くなりすぎていることを知らせる役割を果たします」と軽率に述べています[ 5 ]。82 後に、ベルや最終的には自動制限装置などのより日常的な方法が追加された。
機構を自動化（あるいは自動作動）化したいという要望は、様々な段階を経て、上述のプラグロッドとタペットのシステムへと発展しました。このシステムにより、エンジンは定常状態では問題なく動作しますが、蒸気圧や負荷の変化には依然として調整が必要になります。[ 2 ]：8 エンジンの始動と停止には人間の介入が必要です。始動はいくつかの理由から困難です。
- 当初、シリンダーは冷たく、コンデンサー内には真空がありません。[ 2 ] : 8 エンジンに内蔵されたエアポンプと、ピストンを数回往復させて空気を蒸気に置き換えることで、真空状態を作り出す必要があります。その後、エンジンは「始動」し、正常に動作します。
- シリンダー内に水が多すぎるとエンジンが浸水し、エアポンプとコンデンサーに水が溜まります。[ 1 ]：75
- ピストンの下降（または外側への移動）は、ポンプの重りが下降することで駆動され、ポンプバケットに液体が充填されます。ポンプの初期状態ではプライミングが行われていないため、ポンプの重りが下降し、ピストンの外側への移動が通常よりもはるかに速くなる可能性があります。これを軽減するために、駆動装置は平衡弁の開度を制限し、ピストンの動きを遅くします。[ 9 ]
- エンジンが十分に大きなストロークを作らないと、バルブギアやカタラクトがうまく動作せず、例えば「出て行かない」という状態になることがあります。[ 5 ]：128
1863年に記述された開始手順は次のとおりです。[ 10 ]
エンジンは常に高圧蒸気で始動され、真空にはなりません。蒸気と排出カタラクトはピンで固定されているため、バルブ キャッチがカタラクトによって持ち上げられることはありません。調整バルブはハンドホイールとネジで開きます。排出バルブと注入バルブはハンドルで開きます。蒸気バルブは、ロッドのあぶみに足を入れて開きます。このようにしてエンジンは室内ストロークを行い、数回のストローク後に真空が生成され、エンジンは調整バルブによって適切なストローク長に調整されます。次にカタラクトが解放され、バルブ キャッチが解放されます。そして、ボイラー内の蒸気がほぼ同じ圧力を維持している限り、エンジンは必要なストローク長で作動します。
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エンジンの停止は比較的簡単です。エンジンはサイクルの終わり（カタラクト機2台の場合はサイクルの途中）に静止状態になりますが、カタラクトによって再び起動されると、カタラクトロッドが上昇し、ラッチがクアドラントアーバーから持ち上げられます。カタラクトは蒸気力ではなく、落下する重りによって駆動されるため、わずかな力で停止できます。カタラクトロッドに小さなピン（画像の1つに写っています）を貫通させるだけで、カタラクトロッドの上昇を阻止し、エンジンを停止させることができます。
バリエーション
3軸式のバルブ装置は比較的固定されており、部品の位置や数は個体差がある。一部のエンジン（55インチバタシーエンジンの図を参照）では、1つのカタラクトを使用して屋内ストロークを再開する一方、他のエンジン（プールのテイラーズエンジンなど）では、追加のカタラクトを使用して屋外ストロークを開始する前に遅延時間を確保している。これは、例えば[ 2 ]クルキウス博物館のエンジンで、ポンプバケットを満たす時間を確保するために使用されている。コーンウォールエンジンの後継機種であるブルエンジンは、ビームを廃止し、シリンダーをポンプの真上に設置することで、バルブ装置に大きな違いをもたらしている。ある資料では、
コーンウォールビームエンジンの運転は難解ですが、ブルは全く別物です。サイクルが「上下逆」（蒸気行程は下ではなく上、平衡行程は下）なだけでなく、軸の順序も異なります（中間軸と下側軸は排気行程と平衡行程で、逆ではありません）。さらに、カタラクトは動力行程ではなく平衡行程を一時停止させます。
複合コーンウォール・エンジンも存在し、シリンダー間を接続する追加バルブを駆動するために、必然的に追加の接続部が必要となる。アンドレ[ 11 ]は、ザールブリュッケン近郊で蒸気分配バルブを操作するためだけに追加の梁を備えたエンジンについて述べている。オランダのクルキウス・エンジンは複雑で、環状の複合構造で、上下逆さまに構築されている[ 2 ] 。[ 11 ] 排気バルブは床面と同じ高さにあり、蒸気バルブと平衡バルブはその下の床面にある。それでも、通常の順序で同じ3つの軸によって制御される。[ 12 ]
コーンウォールエンジンの運転において弁軸は中心的な役割を担っているため、他の制御装置を配置するのに適した場所でもあります。これには、入力蒸気流量を制限する調速弁、遮断弁の設定、潤滑装置、そして滝による遅延を調整するための調整装置などが含まれます。
参照
参考文献
- ^ a bレイノルズ、マイケル (1881). 『定置式エンジン運転 ― 実用マニュアル』 C. ロックウッド・アンド・カンパニー.
- ^ a b c d e f「ハールレンマーメール クルイウス」(PDF)。Haarlemmermeer Cruquius のパンフレット。ASME。2011 年 7 月 25 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。2009 年 1 月 18 日に取得。
- ^ a b c d eウィントン、ジョン・G. (1883).現代の蒸気機関の実践と工学. ロンドン: ブラック・アンド・サンズ.
- ^ 「コーンウォール揚水エンジン No. XIX」『エンジニア』誌、428ページ、1871年12月22日。
- ^ a b c d e f g h iポール、ウィリアム（1844年）。『コーンウォール揚水機関に関する二部構成の論文』。半タイトル：『蒸気機関と蒸気航行に関するトレッドゴールド新版付録G』。ロンドン：ジョン・ウィール。
- ^ 「コントロール」 。 2020年6月3日閲覧。
- ^ 「コーンウォール揚水エンジンNo.XX」『エンジニア』誌、441ページ、1871年12月29日。
- ^バーン、ロバート・スコット（1854年）『蒸気機関 その歴史と機構』ロンドン：H.イングラム社、24ページ。
- ^ 「エンジンの運転方法」クロフトン・ビーム・エンジン. 2020年6月3日閲覧。
- ^ハウ、ウィリアム (1863). 「錬鉄製の梁を備えたコーンウォール式揚水エンジンとクレイクロス炭鉱の坑道作業の説明」機械学会論文集: 253.
- ^アンドレ、ジョージ (1878).鉱山機械、工具、その他の採掘で使用される器具に関する解説書、第2巻. E & FN Spon. p. 153.
- ^ 「バルブギア」。クルキウス最大の蒸気エンジン。
外部リンク
- バルブギアの動きを示す注釈が付いた、素晴らしい 1812 年製クロフトン蒸気エンジン。
- キュー橋蒸気博物館 - グランド・ジャンクション90インチ・コーニッシュ・ビーム・エンジン。エンジンの始動の様子が展示されています。
