膨張弁（蒸気機関）

クロスコンパウンドエンジン、高圧シリンダーに膨張弁（上部）付き

膨張弁は、蒸気機関のバルブ装置に備わった装置で、エンジン効率を向上させます。ピストンが最大ストロークに達する前に蒸気の供給を遮断することで機能します。この遮断により、蒸気はシリンダー内で膨張します。^{[ 1 ]}この膨張した蒸気は、ピストンが膨張するにつれて圧力が低下しますが、それでもピストンを駆動するのに十分な量です。^{[ i ]}バルブが開いている時間が短くなり、供給される蒸気量が少なくなるため、膨張弁の使用により消費される蒸気量、ひいては必要な燃料も削減されます。^{[ 2 ]}エンジンは（1875年の数値では）3分の1の蒸気量で、3分の2の仕事をこなすことができます。^{[ 2 ]}

ピストンの動きによる蒸気圧力を示すインジケータ図

膨張弁は蒸気機関内の二次バルブです。非膨張作動の蒸気機関と、単一のバルブの動きを制御することで膨張を可能にする後代のバルブギアとの間の中間段階にあたります。

膨張弁は定置式エンジンや船舶エンジンに使用されていました。^{[ 1 ]}機関車には使用されませんでしたが、後に可変膨張弁装置の使用により膨張作業が実現されました。

多様な拡張の必要性

膨張した蒸気の圧力は、ボイラーから直接供給される蒸気の圧力よりも低くなります。そのため、膨張弁を早期遮断に設定したエンジンは、弁を全開にした場合よりも出力が低下します。そのため、エンジンを駆動し、エンジンの負荷変化に応じて弁を手動で調整する必要があります。軽負荷運転中のエンジンは早期遮断で効率的に運転できますが、重負荷運転中のエンジンでは、より長い遮断が必要となり、蒸気消費量の増加によるコストが発生する可能性があります。

トレビシックが1801年のエンジン^{[ ii ]}をトレデガー鉄工所の圧延工場に納入したとき^{[ 3 ]}、エンジンは膨張せずに稼働させた方が強力であり、鉄工所の責任者であるサミュエル・ホムフレーは石炭コストの潜在的な節約にもかかわらず、余分なパワーを使うことを好んだ^{[ 4 ]。}

グリディロン膨張弁

独立したグリディロン弁と従来のスライド弁

グリッドアイアン膨張弁を駆動するための偏心可変比リンケージ

グリアイアンバルブ^{[ 5 ]}は、膨張弁の初期形態の一つであった。^{[ 1 ]}グリアイアンバルブは、スラットが重なり合う2枚のプレートを配列したものである。一方のプレートは、スラットがもう一方のプレートのスラット、またはプレート間のスロットに重なるように移動することで、開閉状態を切り替えることができる。グリアイアンバルブの利点は、比較的大きな開口部（全面積の半分まで）と、スラット幅1つ分の移動で全開から全閉に切り替わるため、開閉が速いことである。欠点は、密閉性がそれほど高くないことである。グリアイアンバルブの作動距離が短いため、偏心弁などと併用した場合、バルブタイミングが比較的不正確になる。後に、大型蒸気機関の一部では、グリアイアンバルブを主弁として、低圧シリンダーの排気弁^{[ 6 ]}や、トリップバルブ^{[ 7 ]}またはカムバルブ装置 と組み合わせた吸気弁として使用されるようになった。^{[ 8 ] [ iii ]}

グリッドアイアンバルブが二次バルブとして使用される場合は、通常、一次スライドバルブのバルブ室の入口側に取り付けられます。グリッドアイアンバルブは、通常、主偏心弁よりも前に配置された別の偏心弁によって駆動されます。 ^{[ 1 ]}作動時には、この追加進角によりグリッドアイアンバルブが移動し、主バルブよりも前で遮断作用を行います。グリッドアイアンバルブによる膨張量を調整するために、偏心弁駆動部のストロークは調整可能なリンケージによって変化させることができます。このストロークをゼロストロークに調整すると、膨張弁は完全に開いたままになり、エンジンは膨張なしで作動します。^{[ 1 ]} 二次グリッドアイアンバルブの使用は初期の技術でしたが、定置式エンジンの歴史を通じて、ますます洗練されたバルブと駆動装置とともに使用され続けました。マッキントッシュエンジンとシーモアエンジンは、カムとトグル機構によって駆動されるグリッドアイアンバルブを使用していました。このバルブは間欠的に動き、開いている間は静止するため、正確なタイミングと各バルブの動きの独立した調整が可能でした。^{[ 9 ]}

グリディロンバルブは、マイヤーバルブと同様に、スライドバルブの背面にも使用されました。^{[ 7 ]}これは1869年にグラスゴーのジョン・ターンブルが特許を取得しました。^{[ 10 ]}

マイヤー膨張弁

マイヤー膨張弁を装備したギムソンビームエンジン

最もよく知られた膨張弁の設計は、フランスの技師ジャン＝ジャック・マイヤー（1804-1877）の発明であるマイヤー式で、彼は1841年10月20日に特許を申請した。同様の弁の特許をジェームズ・モリスが取得している。^{[ 11 ]}第2のスライド弁は、改造されたメインスライド弁の背面に乗り、追加の偏心器によって駆動される。マイヤー弁では、エンジンの稼働中にハンドホイールで膨張弁の有効長^{[ iv ]}を変えることができる。この弁には2つの弁頭があり、ハンドホイールの弁棒の左ねじと右ねじに取り付けられているため、ホイールを回すと弁頭が接近したり離間したりする。^{[ 12 ] [ 13 ]}この配置では、カットオフは通常手動で制御される。自動制御も試みられたが、効果を発揮するには動作が遅すぎた。

スニブストン・ディスカバリー博物館とコールハム・ポンプ場に展示されているエンジンにはマイヤー製の膨張弁が搭載されている。^{[ 14 ]}

複式エンジン

複式蒸気エンジンにも膨張弁が取り付けられました。どちらの技術も、複雑さを増しても、より高い効率を達成しようとする試みです

膨張弁は通常、高圧シリンダーにのみ取り付けられていました。後続の低圧シリンダーに供給される蒸気は既にエンジンに供給されているため、それを節約するメリットはほとんどありません。低圧シリンダーへの蒸気入口を早期に遮断すると、先行する高圧シリンダーの排気が絞られ、そのシリンダーの効率が低下する可能性があります。

後期の複合式ミルエンジンでは、高度なバルブギアを備え、高圧シリンダーには複雑なギアを装着する一方で、低圧シリンダーにはより簡素な従来のスライドバルブを採用することがよくありました。例としては、ドロップバルブ式の高圧入口、コーリス式高圧排気、そしてマイヤー式膨張弁を備えた低圧スライドバルブの4種類のバルブセットが挙げられます。^{[ 15 ]}

リンクバルブギア

独立した膨張弁の後の発展により、単一のバルブで入口ラップを変えるという同じ目的を達成できる、より洗練されたバルブ装置が生まれました。これらの最初のものはリンクバルブ装置、特にスティーブンソンリンクバルブ装置でした。これは、機械的な加算装置として機能するスライドリンク機構を備えた一対の偏心器を使用します。中間位置を選択すると、カットオフを増やす効果のあるバルブ作動が提供されます。このようなバルブ装置は逆転も提供し、最初は逆転のために開発されたため、機関車で広く使用されました。理論上、正確な効果は、より早いカットオフではなく、バルブの移動量が減少することです。これは、全体的なバルブ開度を減らし、初期の蒸気供給を減らす効果があり、純粋な膨張ではなく、ワイヤドローイングの効果をもたらします。 ^{[ 16 ]}それにもかかわらず、スティーブンソン装置は機関車で最も広く使用された2つの装置のうちの1つになりました。

自動調速機

「自動」エンジン、ひいては高速エンジンは、運転速度が上昇し、変化する負荷下でより正確な速度制御が必要になりました。そのため、調速機を膨張弁装置に連結する必要がありました。ワットの遠心調速機とスロットルバルブを備えた初期のエンジンは、低出力で運転すると効率が悪くなります

リチャードソン調速機^{[ 17 ]}は、彼の雇用主であるロビー社が製造した定置式およびポータブルエンジンに使用されました。 ^{[ 18 ]}これは、遠心調速機によって自動的に制御される単純なリンクバルブギアです。スティーブンソンが振動リンク内のダイブロックの位置を手動で制御するのとは異なり、リチャードソン調速機はエンジン速度に応じてこれを調整します。通常はマイヤーバルブと同様に動作し、2つの偏心弁で2つのバルブを駆動し、マイヤーの手動ハンドルの代わりにリチャードソン調速機を使用しました。^{[ 19 ]}これにより、スティーブンソンのバルブ移動量の減少によるワイヤ引きの問題が回避され、長時間低出力で稼働する可能性のある定置式エンジンの効率が向上しました。

後継バルブの種類

しかし、高速エンジンが完全に開発された形態（1900年頃以降）では、膨張は独立した膨張弁ではなく、単一のバルブのタイミングを制御することによって制御されました^{。これにより}、ポペット弁などのさらに複雑なバルブタイプが生まれ、リンケージではなくカムベースのバルブギアによって駆動されることがよくありました。^{[ vi ]}

過熱の利用が増えるにつれ、高温運転時の潤滑が容易なピストンバルブがスライドバルブに取って代わるようになりました。また、マイヤーバルブのような一次バルブの背面で作動する二次バルブの使用は実用的ではなくなりました。二次バルブを膨張弁として使用した最後の新設計は、おそらくミッドランド鉄道のパジェット機関車で、鋳鉄製のロータリーバルブの周囲に青銅製のスリーブを膨張弁として使用していました。^{[ 20 ]}この設計は、2種類のバルブ材料の熱膨張差による機械的な問題のために失敗に終わりました。^{[ 21 ]}

脚注

1. ボイルの法則によれば、膨張に伴う圧力の低下は避けられない。 ^{[ 2 ]}
2. この機関は、蒸気の遮断と意図的な膨張を採用した最初の機関の一つでした。しかし、この遮断は固定されており、機関運転中は変更できませんでした。
3. クランクシャフトの半分の速度で駆動される非常に高速に作動するグリッドアイアンバルブを備えたデスモドロミックカム駆動バルブギアは、フェランティの高速クロスコンパウンド垂直発電エンジンの重要な特徴でした。 ^{[ 8 ]}
4. この長さは、ポート間隔に応じて、バルブの入口ラップを制御します。
5. これは、バルブのストロークではなくタイミングを制御するものであったため、スティーブンソンリンクのスロットルの欠点の一部を回避しました。
6. リンク式とラジアス式のバルブギアは製造が簡単だが、性能に限界がある。任意形状のカムは理想的な動作に近いバルブ制御が可能だが、精密な製造が難しく、摩耗すると性能が劇的に低下する。機械加工技術、冶金技術、潤滑技術の進歩により、カム式バルブはますます有利になった。

参考文献

1. エヴァース、ヘンリー（1875年）『蒸気と蒸気機関：陸と海』グラスゴー：ウィリアムズ・コリンズ、 78～ 81ページ 
2. エヴァース（1875）、51–53頁。
3. ヒルズ 1989、102ページ
4. トレビシック、フランシス（1872年）『リチャード・トレビシックの生涯とその発明』第2巻、132ページ。
5. エヴァース（1875）、73-74頁。
6. サウスワース（1986）、26ページ
7. ヒルズ 1989、188ページ
8. ヒルズ 1989、226–227ページ
9. ホーキンス、ネヘミア（1897年）『蒸気機関の新要理』ニューヨーク：テオ・オーデル、  pp.97-99。
10. GB 3207、1869年11月5日発行 
11. GB 9571、ジェームズ・モリス、1842年12月22日発行 
12. サウスワース、PJM (1986). 『初期のロビー蒸気機関』 PJM サウスワース. pp. 4, 21– 22, 24. ISBN 0-9511856-0-8。
13. 「膨張スライド弁と調速機」 Old Engine House。2012年2月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月30日閲覧
14. ヒルズ、リチャード・L. (1989). 『蒸気動力』ケンブリッジ大学出版局. p. 174. ISBN 0-521-45834-X。
15. Robey & Co. 1887年製エンジン、サウスワース（1986年）、21～22ページ、24ページ
16. エヴァース（1875）、78ページ
17. GB 14753、ジョン・リチャードソン、1885年出版 
18. 「リチャードソン知事」。オールド・エンジン・ハウス。2011年9月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年3月30日閲覧。
19. サウスワース（1986年）、20ページ
20. アーロンズ, EL (1966). 『イギリス蒸気鉄道機関車』第1巻, 1925年まで.イアン・アラン. p. 345.
21. セルフ、ダグラス（2004年2月8日）「パジェット機関車」ロコロコギャラリー。