船舶用蒸気機関
1918年頃の三段膨張式蒸気機関設備の断面図。この図は、ルシタニア号の事故などにより、これが重要な安全機能であることが明らかになった後、エンジンの停止位置の候補を示しています

船舶用蒸気機関は、船舶の動力源として使用される蒸気機関です。この記事では、 19世紀初頭の蒸気船の誕生から第二次世界大戦中の大量生産の末期まで使用されていた往復動型の船舶用蒸気機関を主に扱います。20世紀には、船舶用途において往復動型蒸気機関は徐々に蒸気タービンや船舶用ディーゼルエンジンに置き換えられました。

歴史

最初の商業的に成功した蒸気機関は、 1712年にトーマス・ニューコメンによって開発されました。18世紀後半にジェームズ・ワットによってもたらされた蒸気機関の改良は、蒸気機関の効率を大幅に向上させ、よりコンパクトな機関配置を可能にしました。イギリスで蒸気機関が海洋用途にうまく適応したのは、ニューコメンのほぼ1世紀後、スコットランドの技術者ウィリアム・サイミントンが1802年に世界初の実用的な蒸気船であるシャーロット・ダンダス号を建造するまで待たなければなりませんでした。 [ 1 ]ライバル関係にあった発明家、ジェームズ・ラムゼイとジョン・フィッチは、アメリカ合衆国で初めて蒸気船を建造しました。ラムゼイは1787年にポトマック川で蒸気船の設計を発表しましたが、フィッチは1790年にデラウェア川での旅客サービス開始という成功したテストを経て、この競争に勝利しました[ 2 ] 1807年、アメリカ人のロバート・フルトンは、ワットエンジンを搭載した、 単にノースリバー蒸気船として知られる世界初の商業的に成功した蒸気船を建造しました。

フルトンの成功に続き、大西洋の両側で蒸気船の技術が急速に発展した。当初、蒸気船は航続距離が短く、重量、低出力、故障しやすいという理由から、耐航性はそれほど高くなかったが、河川や運河、そして海岸沿いの短距離航海では成功を収めた。蒸気船による最初の大西洋横断は1819年、ジョージア州サバンナからイギリスのリバプールへ向かうサバンナ号の航海であった。大西洋を定期的に横断した最初の蒸気船は、1838年の舷外輪船グレート・ウェスタン号であった。 [ 3 ]

19世紀が進むにつれ、船舶用蒸気機関と蒸気船技術は互いに並行して発展しました。外輪推進は徐々にスクリュープロペラに取って代わられ、伝統的な木造船体に代わる鉄、そして後に鋼鉄の船体が導入されたことで、船舶はますます大型化し、ますます複雑で強力な蒸気発電所が必要となりました。[ 4 ]

船舶用蒸気機関の種類

19世紀を通じて、多種多様な船舶用往復蒸気機関が開発されました。これらの機関を分類する主な方法は、接続機構とシリンダー技術の2つです。

初期の船舶エンジンのほとんどは、シリンダー技術（単純膨張式、後述）は共通していましたが、クランクシャフトへの動力供給方法（すなわち接続機構）は多岐にわたりました。そのため、初期の船舶エンジンは主に接続機構によって分類されます。一般的な接続機構としては、サイドレバー式、スティプル式、ウォーキングビーム式、直動式などがあります（後述）。

しかし、蒸気機関はシリンダー技術（単膨張式、複膨張式、環状式など）によっても分類できます。そのため、両方の方式に分類されるエンジンの例も見られます。例えば、あるエンジンが複膨張式ウォーキングビーム型と呼ばれる場合、複膨張式はシリンダー技術、ウォーキングビーム式は接続方式です。時が経つにつれ、ほとんどのエンジンが直動式になり、シリンダー技術がより複雑になったため、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りました。

以下のセクションでは、より一般的に見られる船舶用蒸気エンジンの種類について説明します。これらの用語はすべて船舶用途に限定されるわけではないことにご注意ください。

接続機構によるエンジンの分類

サイドレバー

サイドレバーエンジンは、ヨーロッパで船舶用に広く採用された最初のタイプの蒸気エンジンでした。[ 5 ] [ 6 ]蒸気航行の初期（1815年頃から）には、サイドレバーはヨーロッパの内陸水路と沿岸航路用の最も一般的なタイプの船舶エンジンであり、大西洋の両側で外洋航路用の好ましいエンジンとして長年にわたり使用されていました。[ 7 ]

サイドレバーは、蒸気機関の最も初期の形態であるビームエンジンを改良したものである。典型的なサイドレバーエンジンは、サイドレバーと呼ばれる一対の重い水平の鉄製ビームを備え、各ビームはエンジン基部近くの中央でピンで固定されており、レバーは限られた円弧で回転できる。エンジンシリンダーは、一方の端で一対のレバーの間に垂直に立ち、ピストンロッドは上部の水平クロスヘッドに取り付けられ、水平クロスヘッドの両端からサイドロッドと呼ばれる垂直ロッドがシリンダーの両側に伸びて、同じ側のサイドレバーの端につながっていた。2つのサイドレバーの遠端は水平クロステールで互いに接続され、そこから1本の共通コネクティングロッドが伸び、レバーが中央のピンの周りを上下に揺らすと、このコネクティングロッドがクランクシャフトを操作した。 [ 5 ]

サイドレバーエンジンの主な欠点は、大きくて重いことであった。[ 6 ]内陸水路や沿岸での使用では、すぐにより軽量で効率的な設計に取って代わられた。しかし、19世紀前半の大部分を通じて、外洋航行用としては主流のエンジン形式であり続けた。これは、重心が比較的低いため、荒波でも船が安定していたためである。[ 7 ]また、比較的高さが低いため戦闘による損傷を受けにくかったため、軍艦用の初期のエンジン形式として一般的であった。 [ 8 ] 1820年に最初のイギリス海軍蒸気船が就航してから1840年までに、70隻の蒸気船が就航し、その大多数がサイドレバーエンジンを搭載し、ボイラーの最大圧力を4psiに設定していた。[ 8 ]蒸気圧が低いため、サイドレバーエンジンのシリンダーサイズは大きくなったが、ピストンにかかる有効圧力は、ボイラー圧力とコンデンサー内の真空との差であった。

サイドレバーエンジンは外輪エンジンであり、スクリュープロペラの駆動には適していませんでした。大西洋横断航路用に建造された最後のサイドレバーエンジン搭載船は、キュナード・ラインの外輪船RMS スコシア号で、1862年に就航した当時は時代錯誤とされていました。[ 9 ]

グラスホッパー

グラスホッパーエンジンの図

グラスホッパーエンジン、またはハーフレバーエンジン[ 10 ]は、サイドレバーエンジンの派生型です。グラスホッパーエンジンは、従来のサイドレバーエンジンとは、レバーピボットとコネクティングロッドの位置がほぼ逆になっている点で異なります。ピボットはレバーの中心ではなく一端に配置され、コネクティングロッドは一端のシリンダーともう一端のピボットの間でレバーに接続されています。[ 11 ]

グラスホッパーエンジンの主な利点は、構造の安さと堅牢性であり、他のどのタイプの船舶用蒸気エンジンよりもメンテナンスの手間が少ないと言われていました。また、クランクのどの位置からでも簡単に始動できることも利点でした。しかし、従来の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量とサイズが欠点でした。主に河川船やタグボートなどの小型船舶で使用されました。[ 11 ]

クロスヘッド（スクエア）

クロスヘッドエンジンは、スクエアエンジン、ソーミルエンジン、またはAフレームエンジンとも呼ばれ、アメリカ合衆国で使用されていた外輪エンジンの一種です。アメリカの蒸気航行の初期には最も一般的なタイプのエンジンでした。[ 12 ]

クロスヘッドエンジンは、クランクシャフトの上に垂直シリンダーがあり、ピストンロッドは水平クロスヘッドに固定されていると説明されています。クロスヘッドの両端、シリンダーの反対側からは、それぞれ独立したクランクシャフトを回転させるコネクティングロッドが伸びています。[ 13 ]クロスヘッドは垂直ガイド内を移動し、アセンブリが移動する際に正しい経路を維持します。[ 14 ]このエンジンの別名である「Aフレーム」は、おそらくこれらのガイドを支えるフレームの形状に由来しています。クロスヘッドエンジンの中には複数のシリンダーを持つものもあり、その場合、ピストンロッドは通常すべて同じクロスヘッドに接続されていました。

このタイプのエンジンではシリンダーがクランクシャフトの上にあるため重心が高く、外洋での使用には不向きだと考えられていました。[ 15 ]このため、主に内陸水路用に建造された船舶に限定されていました。[ 13 ] 19世紀を通じて船舶エンジンが着実に大型化、重量化するにつれて、スクエアクロスヘッドエンジンの高い重心はますます非実用的になり、1840年代までには造船業者はウォーキングビームエンジンを採用してこのエンジンを放棄しました。[ 16 ]

このエンジンの名称は混乱を招く可能性があります。「クロスヘッド」はスティープルエンジン（下記参照）の別名でもあるためです。そのため、多くの資料では混乱を避けるため、非公式の「スクエア」エンジンという名称で呼ぶことを推奨しています。また、このセクションで説明する船舶用クロスヘッドエンジンまたはスクエアエンジンは、内燃機関に適用される「スクエアエンジン」と混同しないでください。後者の場合、ボアとストロークが等しいエンジンを指します。

  • クロスヘッドエンジンまたは「スクエア」エンジンのモデル。クランクシャフト上のエンジンシリンダーの位置を示しています。ピストンロッド、クロスヘッド、コネクティングロッド、パドルホイールも示されています
    クロスヘッドまたは「スクエア」エンジンのモデル。クランクシャフト上のエンジンシリンダーの位置を示します。ピストンロッド、クロスヘッド、コネクティングロッド、パドルホイールも示します。
  • 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（側面図）
    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（側面図）
  • 1836年の外輪船ニューヨーク。外輪の間には背の高い四角形の「Aフレーム」エンジンがあり、その中にはストロークの頂点付近で水平のクロスヘッドと「T」字を描く長いピストンロッドが見える。
    1836年の外輪船ニューヨーク。外輪の間には背の高い四角形の「Aフレーム」エンジンがあり、その中にはストロークの頂点付近で水平のクロスヘッドと「T」字を描く長いピストンロッドが見える。
  • 蒸気船ノリッジ号。クロスヘッドエンジンが作動している様子。
    蒸気船ノリッジ。クロスヘッドエンジンが作動している様子。

ウォーキングビーム

ウォーキングビームは、専門的には垂直ビームまたはオーバーヘッドビームと呼ばれ、単に「ビーム」と呼ばれることもあり、ビームエンジンの初期改良版の一つですが、その使用はほぼアメリカ合衆国に限られていました。[ 17 ]導入後、ウォーキングビームは急速にアメリカ海域の内陸水路および沿岸航行用として最も人気のあるエンジンとなり、最終的にはアメリカの大洋横断蒸気船にも採用されました。このタイプは驚くほど長寿命であることが証明され、1940年代後半まで時折製造されていました。船舶用途では、ビーム自体は一般的に鉄製の支柱で補強され、特徴的なダイヤモンド形状を呈していましたが、ビームを支える支柱は木製であることが多かったです。「ウォーキング」という形容詞は、専門用語の「ワーキングビーム」が訛ったものと考えられています。

ウォーキングビームエンジンは外輪エンジンの一種で、プロペラの動力源としてはあまり使われなかった。主に河川、湖沼、海岸線を航行する船舶に用いられたが、エンジンの高さが荒波での安定性を低下させるため、外洋航行船舶にはあまり用いられなかった。[ 18 ]また、敵の攻撃にさらされやすく、容易に故障させられるため、軍事用途にも限定的であった。アメリカ合衆国でウォーキングビームエンジンが普及したのは、主にアメリカの浅い沿岸水路や内陸水路で運航される浅喫水の船舶にウォーキングビームエンジンが適していたためである。[ 17 ]

ウォーキングビームエンジンは、20世紀初頭までアメリカの船会社や遊覧船で人気を博しました。19世紀後半には技術的には時代遅れとなっていましたが、「ウォーキングビーム」が動く様子を期待する遊覧船の乗客には人気を博しました。ウォーキングビームエンジンがアメリカで維持されたのには、技術的な理由もありました。それは、製造が容易で、それほど精密さを必要としなかったからです。エンジンのメインフレームには木材を使用でき、現代のエンジン設計で一般的に使用される鋳鉄よりもはるかに低コストでした。また、アメリカでは燃料費がヨーロッパよりもはるかに安かったため、ウォーキングビームエンジンの効率の低さはそれほど問題ではありませんでした。フィラデルフィアの造船業者チャールズ・H・クランプは、19世紀中期から後半にかけてのアメリカの造船業がイギリスの造船業に対して全般的に競争力を欠いていたのは、ウォーキングビームやそれに付随する外輪船などの時代遅れの技術が世界の他の地域では放棄された後も、頑固にそれらの技術に固執していたアメリカ国内の造船業者や船会社の所有者の保守主義のせいだと非難した。[ 19 ]

  • ウォーキングビームエンジンの基本図
    ウォーキングビームエンジンの基本図
  • USSデラウェア（1861年）。船体中央部にダイヤモンド型の「ウォーキングビーム」がはっきりと見える。
    USS デラウェア （1861年）。船体中央部にダイヤモンド型の「ウォーキングビーム」がはっきりと見える。

スティープル

スティープルエンジン

スティープルエンジンは、「クロスヘッド」エンジンとも呼ばれ、ウォーキングビーム型とサイドレバー型の両方に共通するビームの概念から脱却し、より小型で軽量、かつ効率的な設計を模索した初期の試みでした。スティープルエンジンでは、ピストンの垂直振動はビームエンジンのように水平方向の揺動運動に変換されるのではなく、クロスヘッドと2本のロッドで構成されるアセンブリをエンジン上部の垂直ガイドを通して動かし、それが下のクランクシャフトコネクティングロッドを駆動します。[ 20 ]このタイプの初期の例では、クロスヘッドアセンブリは長方形でしたが、時が経つにつれて細長い三角形に改良されました。エンジンシリンダー上部の三角形のアセンブリがエンジンに特徴的な「スティープル」形状を与え、それが名前の由来となっています

スティープルエンジンはウォーキングビームエンジンと同様に高さはあるものの、横幅がはるかに狭く、スペースと重量の両方を節約できました。高さと重心の高さのため、ウォーキングビームエンジンと同様に外洋航行には適さないと考えられていましたが、その後数十年にわたり、特にヨーロッパでは内陸水路や沿岸航行船舶で非常に人気がありました。[ 21 ]

スティープルエンジンは1830年代に蒸気船に登場し始め、1840年代初頭にスコットランドの造船業者デイヴィッド・ネイピアによって完成されました。[ 22 ]スティープルエンジンは徐々に様々なタイプの直動式エンジンに取って代わられました。

シャム

シャムエンジンは、「ダブルシリンダー」または「ツインシリンダー」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初期の代替手段でした。このタイプのエンジンは、2つの同一の垂直エンジンシリンダーが並んで配置され、ピストンロッドは共通のT字型クロスヘッドに接続されていました。クロスヘッドの垂直アームは2つのシリンダーの間を下方に伸び、下部でクランクシャフトコネクティングロッドと、シリンダーの垂直側面の間をスライドするガイドブロックの両方に接続され、アセンブリが移動する際に正しい経路を維持できるようにしていました。[ 23 ]

シャムエンジンはイギリスの技術者ジョセフ・モーズリー（ヘンリー8世の息子）によって発明されたが、彼が振動エンジン（下記参照）の後に発明したにもかかわらず、置き換えるように設計されたサイドレバーエンジンよりもわずかに小さくて軽いだけであったため、同じように広く受け入れられることはなかった。[ 24 ]しかし、スクリュープロペラを装備した最初の軍艦であるHMS ラトラーを含む、20世紀半ばの多くの軍艦で使用された。

  • シャムエンジンの基本図
    サイアミーズエンジンの基本図
  • サイアミーズ接続機構を備えた環状エンジンの図（下記参照）
    サイアミーズ接続機構を備えた環状エンジンの図（下記参照）
  • HMSレトリビューション（1844年）のシャムエンジン
    HMSレトリビューション（1844年）のシャムエンジン

直動式

19世紀の文献には、直動式エンジンの定義が2つあります。前者の定義では、「直動式」という用語をビームエンジン（ウォーキングビーム、サイドレバー、グラスホッパー）以外のあらゆるタイプのエンジンに適用しています。後者の定義では、ピストンロッドおよび／またはコネクティングロッドを介してクランクシャフトに直接動力を与えるエンジンにのみこの用語を使用しています。[ 25 ]特に断りのない限り、この記事では後者の定義を使用しています

サイドレバーエンジンやビームエンジンとは異なり、直動式エンジンは外輪またはプロペラのどちらにも容易に動力を供給することができます。直動式エンジンは、低い姿勢で済むだけでなく、ビームエンジンやサイドレバーエンジンよりも小型で、重量も大幅に軽量であるという利点があります。イギリス海軍は、直動式エンジン（初期の定義）は平均して40%軽量で、同等の出力のサイドレバーエンジンに比べて機関室の面積が3分の2しかないことを発見しました。このようなエンジンの欠点は、摩耗しやすいため、メンテナンスの手間がかかることです。[ 24 ]

振動する

振動エンジンは直動エンジンの一種で、エンジンのサイズと重量をさらに削減するために設計された。振動エンジンではピストンロッドがクランクシャフトに直接接続されており、コネクティングロッドが不要だった。これを実現するために、エンジンシリンダーはほとんどのエンジンのように固定ではなく、中央でトラニオンによって固定されており、クランクシャフトの回転に合わせてシリンダー自体が前後に旋回できるようにしていた。これが「振動」という用語の由来である。[ 26 ]蒸気はトラニオンを通じて供給および排出された。シリンダーの振動運動は通常、トラニオンのポートを整列させ、蒸気の供給と排気を適切なタイミングでシリンダーに導くために使用されていた。しかし、振動運動によって制御される別のバルブが提供されることもよくあった。これによりタイミングを変えて膨張作業が可能になった（外輪船 PDクリッペンのエンジンのように）。これにより単純化が実現されるが、コンパクトさの利点は保持されている。

最初の特許取得済みの振動エンジンは1827年にジョセフ・モーズレーによって製作されましたが、このタイプはジョン・ペンによって完成されたと考えられています。振動エンジンは19世紀の大半を通じて、船舶用エンジンとして人気を博しました。[ 26 ]

  • モーズリー振動エンジンの模型
    モーズレイ振動エンジンのモデル
  • HMSブラック・イーグルの揺動外輪エンジン。揺動エンジンは外輪またはプロペラの駆動に使用できた。
    HMSブラックイーグルの揺動外輪エンジン。揺動エンジンは外輪またはプロペラの駆動に使用できました。
  • 1853年、ロンドンのJ.&A.ブライス社がオーストリアの外輪船オルソヴァ号のために建造した振動エンジン
    1853年にロンドンのJ. & A. Blyth社がオーストリアの外輪船Orsova号のために製造した振動エンジン

トランク

トランクエンジンは、別のタイプの直動式エンジンで、もともと長いストロークを維持しながらエンジンの高さを下げる手段として開発されました。（当時、長いストロークは部品への負担を軽減するため重要と考えられていました。）

トランクエンジンは、大径の中空ピストン内にコネクティングロッドを配置しています。この「トランク」はほとんど負荷を受けません。トランク内部は外気と開放されており、ピストンヘッドの ガジョンピンと外側のクランクシャフトを繋ぐコネクティングロッドの左右方向の運動を許容するのに十分な広さがあります。

トランクの壁はピストンにボルトで固定されるか、一体鋳造され、ピストンと共に前後に​​移動する。シリンダーの作動部は環状またはリング状で、トランクはシリンダーの中心を貫通している。[ 27 ] [ 28 ]

初期のトランクエンジンはシリンダーが垂直に配置されていました。しかし、造船業者たちはすぐに、このタイプはキールに水平に設置できるほどコンパクトであることに気付きました。この配置は、船の喫水線下に完全に収まるほど低いため、敵の攻撃から可能な限り安全であり、海軍にとって非常に有用でした。このタイプは主にジョン・ペンによって軍事用に製造されました。

トランクエンジンは19世紀半ばの軍艦で広く採用されました。[ 28 ]また、商船にも搭載されましたが、コンパクトなサイズと低重心という利点はあったものの、運用コストが高かったのです。しかし、トランクエンジンは19世紀後半に普及したボイラー圧力の上昇にうまく対応できず、トランク周囲の蒸気シールを維持するのが困難でした。そのため、建造者たちはトランクエンジンを放棄し、他の解決策を採用しました。[ 28 ]

トランクエンジンは通常大型でしたが、クリミア戦争のために小型で大量生産可能な高回転・高圧型が製造されました。この型は非常に効果的であったため、後の砲艦にも採用されました。[ 29 ]砲艦型のオリジナルのトランクエンジンは、フリーマントルの西オーストラリア博物館に所蔵されています。1872年に沈没した後、1985年にSS ザント号から引き上げられ、現在では手で回転させることができます。[ 30 ]このエンジンのコンパクトな構造を示す動作モードは、ザント号 プロジェクトのウェブサイトで閲覧できます。[ 31 ]

  • トランクエンジンのイラスト
    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断面図。左側にエンジンシリンダー、環状ピストンとトランクアセンブリ、トランク内のコネクティングロッドが示されています。
    HMS ベレロフォンのトランクエンジンの断面図。左側にエンジンシリンダー、環状ピストンとトランクアセンブリ、トランク内のコネクティングロッドが示されています。
  • ウォリアー号（1860年）のトランクエンジンを見下ろしたところ。右側のトランクからコネクティングロッドが出ているのが見えます
     1860年製HMS ウォーリアーのトランクエンジンを見下ろしたところ。右側のトランクからコネクティングロッドが出ているのが見える。

振動レバー

USS モナドノック （1863年）の振動レバーエンジン- 正面図

振動レバー式エンジン、あるいはハーフトランクエンジンは、スウェーデン系アメリカ人技術者のジョン・エリクソンが考案した従来のトランクエンジンの発展型である。エリクソンは、アメリカ連邦政府のモニター艦に動力を供給するため、トランクエンジンのような小型で薄型のエンジンを必要としていた。モニター艦は南北戦争中に開発された軍艦の一種で、従来の動力装置を設置するスペースがほとんどなかった。[ 32 ]しかし、トランクエンジン自体はこの目的には不向きであった。重量の大部分がシリンダーとトランクがあるエンジン側に集中していたためである。この問題は、小型モニター艦では設計者が補うことができなかった。

外部ビデオ
ビデオアイコンUSSモニターの振動レバーエンジン模型（作動中）

エリクソンは、エンジンの中央に2つの水平シリンダーを背中合わせに配置し、両側に1つずつ「振動レバー」を作動させ、シャフトと追加のレバーを使用して中央にあるクランクシャフトを回転させることによってこの問題を解決しました。[ 32 ]振動レバーエンジンは後に他の軍艦や商船にも使用されましたが、その使用は米国とエリクソンの母国スウェーデンで建造された船に限られ、[ 33 ]従来のエンジンに比べて利点がほとんどなかったため、すぐに他のタイプのエンジンに取って代わられました。

バックアクティング

バックアクティングエンジンは、リターンコネクティングロッドエンジンとも呼ばれ、非常に低いプロファイルを持つように設計されたエンジンです。バックアクティングエンジンは、実質的には改良されたスティープルエンジンであり、船の竜骨の上に垂直に設置されるのではなく、水平に配置されています。[ 33 ]しかし、典型的なスティープルエンジンに見られる三角形のクロスヘッドアセンブリの代わりに、バックアクティングエンジンは通常、クロスヘッドで終わる2本以上の細長い平行ピストンロッドのセットを使用して同じ機能を果たします。「バックアクティング」または「リターンコネクティングロッド」という用語は、コネクティングロッドがエンジンシリンダーの反対側から「戻る」、つまり戻ってきて、中央にあるクランクシャフトを回転させるという事実に由来しています。[ 34 ]

19世紀半ば、軍艦と商船の両方で普及したもう一つのタイプのエンジンがバックアクティングエンジンでした。しかし、技術革新が急速に進んだこの時代において、他の多くのエンジンタイプと同様に、最終的には他の解決策に取って代わられました。現存するバックアクティングエンジンは、TVエメリー・ライス（旧USS レンジャー）のエンジン1台のみが知られています。このエンジンは現在、アメリカ商船博物館の展示の目玉となっています。[ 35 ] [ 36 ]

  • 米軍戦艦レンジャーの逆作動エンジンの図
    USS レンジャーの逆作動エンジンの図
  • HMSアジャンクールのリターンコネクティングロッドエンジン（1865年）
    HMSアジャンクールのリターンコネクティングロッドエンジン（1865年）

垂直

19世紀を通して蒸気船のサイズとトン数が着実に増加するにつれて、低姿勢で低重心のエンジンの必要性はそれに応じて減少しました。これらの設計上の制約から解放された技術者たちは、よりシンプルで効率的で、メンテナンスが容易な設計に戻ることができました。その結果、いわゆる「垂直」エンジン[ 25 ]（より正確には垂直逆直接作用エンジンとして知られています） がますます優位になりました

このタイプのエンジンでは、シリンダーはクランクシャフトの真上に配置され、ピストンロッドとコネクティングロッドのアセンブリは、両者の間でほぼ直線を形成します。[ 25 ]この構成は現代の内燃機関に似ています（ただし、蒸気エンジンは複動式である点が大きな違いです。以下を参照）。一方、ほとんどの内燃機関は下降ストロークでのみ動力を生成します。垂直型エンジンは、19世紀に広く普及した蒸気技術である蒸気ハンマーと外観が似ていることから、「ハンマーエンジン」、「フォージハンマーエンジン」、「スチームハンマーエンジン」と呼ばれることもあります。[ 37 ]

19世紀末にかけて、垂直エンジンはほぼ全ての他のタイプの船舶用蒸気エンジンに取って代わった。[ 25 ] [ 37 ]垂直エンジンは非常に普及したため、通常は垂直エンジンと呼ばれることはなく、シリンダー技術に基づいて、複膨張式、三重膨張式、四重膨張式などと呼ばれる。このタイプのエンジンを「垂直」と呼ぶのは正確ではない。なぜなら、技術的にはシリンダーが垂直方向であれば、どのタイプの蒸気エンジンも「垂直」だからである。誰かが「垂直」と表現したエンジンは、無条件に「垂直」という用語を使用しない限り、必ずしも垂直逆直接作用型ではない可能性がある。

  • シンプルな「ハンマー」エンジンの図
    単純な「ハンマー」エンジンの図
  • ウィスコンシン（BB-9）の垂直三段膨張エンジン。この写真では、シリンダー、ピストンロッド、コネクティングロッド、クランクシャフトの典型的な垂直エンジン配置がはっきりと確認できます
    USS ウィスコンシン （BB-9）の垂直三段膨張エンジン。この写真では、シリンダー、ピストンロッド、コネクティングロッド、クランクシャフトという典型的な垂直エンジンの配置がはっきりと確認できます。

シリンダー技術によるエンジンの分類

単膨張

単膨張エンジンは、蒸気を1段のみで膨張させる蒸気エンジンです。つまり、すべてのシリンダーが同じ圧力で作動します。船舶エンジン開発の初期段階では、これが圧倒的に最も一般的なタイプのエンジンであったため、「単膨張」という用語はほとんど見られません。当時の初期の文献では、特に明記されていない限り、エンジンは一般的に単膨張であると想定されています

複式

複式エンジンは効率を向上させる方法でした。複式エンジンが開発されるまで、蒸気機関は蒸気を一度だけ使用し、その後ボイラーに戻していました。複式エンジンはまず蒸気を1つまたは複数のより大きく低圧の二次シリンダーにリサイクルし、その熱エネルギーをより多く利用します。複式エンジンは、船舶の経済性または速度のいずれかを向上させるように構成できます。広義では、複式エンジンとは、任意の数の異なる圧力シリンダーを備えた蒸気機関を指しますが、通常は2段階のみで蒸気を膨張させるエンジン、つまり2つの異なる圧力でのみシリンダーを作動させるエンジン（または「二重膨張」エンジン）を指します。[ 38 ]

複膨張エンジン（多膨張エンジンを含む。後述）は、可変圧力シリンダーを複数組備えている場合があることに注意してください。例えば、あるエンジンには、圧力xで作動するシリンダーが2つと圧力yで作動するシリンダーが2つ、あるいは圧力xで作動するシリンダーが1つと圧力yで作動するシリンダーが3つある場合があります。複膨張エンジンではなく複膨張エンジン（または二重膨張エンジン）と呼ばれるのは、圧力がxとyの2つしかないためです。[ 39 ]

船舶に初めて搭載されたとされる複合エンジンは、1824年にアメリカ人技師ジェームズ・P・アレアがヘンリー・エックフォードに搭載したものと考えられています。しかし、多くの資料では、船舶用複合エンジンの「発明」は1850年代のグラスゴーのジョン・エルダーによるものとされています。エルダーは複合エンジンを改良し、初めて外洋航海において安全かつ経済的なエンジンを実現しました。[ 40 ] [ 41 ]

船舶用複式エンジンの利点を最大限に発揮させるには、英国商務省が定めたボイラー圧力の上限（1平方インチあたり25ポンド（170 kPa））よりも高い圧力が必要でした。船主であり技師でもあったアルフレッド・ホルトは、より高いボイラー圧力の認可を取り付け、1865年に60 psi（410 kPa）で運転するSS アガメムノン号を進水させました。高いボイラー圧力と複式エンジンの組み合わせにより、燃料効率が大幅に向上し、 1869年のスエズ運河開通以前から、英国から中国への航路において蒸気船が帆船よりも優位に立つことができました。[ 42 ]

3倍以上の拡張

典型的な垂直逆膨張式三段膨張エンジンのアニメーション。シリンダーが垂直面で作動するため垂直エンジンと呼ばれ、シリンダーがクランクシャフトの上ではなく下で作動するため逆膨張エンジンと呼ばれます。

三段膨張エンジンは、蒸気を3段階で膨張させる複合エンジンで、例えば、3つの異なる圧力で3つのシリンダーを持つエンジンがある。四段膨張エンジンは、蒸気を4段階で膨張させる。[ 39 ]しかし、上で説明したように、エンジンを定義するのは膨張段の数であり、シリンダーの数ではない。例えば、RMSタイタニック号には4シリンダーの三段膨張エンジンがあった。[ 43 ]最初に商業的に成功したのは、1881年にスコットランドのゴーバンでアレクサンダー・C・カークがSS アバディーン向けに製造したエンジンだった。 [ 44 ] 1874年にSSプロポンティスでほぼ同じエンジンを使った以前の実験では、ボイラーに問題があった。150 psi（1,000 kPa）で稼働していた最初の設備を、90 psi（620 kPa）でしか稼働しない別の設計に交換する必要があった。これでは三段膨張の経済的利益を十分に実現するには不十分だった。アバディーンには、125psi（860kPa）で稼働するスコッチ型鋼製ボイラーが2基搭載されていました。これらのボイラーは特許取得済みの波形炉を備えており、熱伝達とボイラー圧力に耐える十分な強度という相反する問題を克服しました。この技術的解決策により、アバディーン就航後数年のうちに、事実上すべての新造外洋蒸気船に三段膨張エンジンが搭載されるようになりました。[ 45 ] : 106–111

多段膨張エンジンの製造は20世紀に入っても継続された。第二次世界大戦中にアメリカ合衆国が建造した2,700隻のリバティー船はすべて三段膨張エンジンを搭載していた。これは、アメリカ合衆国の船舶用蒸気タービン製造能力が軍艦建造に完全に充てられていたためである。大戦中、三段膨張エンジンの最大のメーカーはジョシュア・ヘンディ鉄工所であった。戦争末期には、タービン駆動のヴィクトリー船の建造数が増加した。[ 46 ]

アニュラー

アニュラーエンジンは、環状（リング状）のシリンダーを備えた珍しいタイプのエンジンです。[ 47 ]アメリカの先駆的エンジニア、ジェームズ・P・アレールの初期の複合エンジンのいくつかは、より大きなリング状の低圧シリンダーの中央に小さな高圧シリンダーが配置されたアニュラー型でした。[ 48 ]トランクエンジンは別のタイプのアニュラーエンジンです。3つ目のタイプのアニュラー船舶エンジンは、サイアミーズエンジン接続機構を使用していましたが、2つの別々のシリンダーの代わりに、クロスヘッドの垂直アームの周りに巻き付けられた単一の環状シリンダーを備えていました（上記の「サイアミーズ」の下の図を参照）。[ 49 ]

その他の用語

当時の船舶エンジンに関する文献には、他にもいくつかの用語が見られます。以下に挙げるこれらの用語は、通常、上記の基本的なエンジン分類用語の1つ以上と組み合わせて使用​​されます

単純

単純エンジンとは、エンジンに取り付けられたシリンダーの数に関係なく、蒸気の単一の膨張で動作するエンジンです。19世紀半ば頃までは、ほとんどの船舶は1つのシリンダーのみのエンジンを搭載していましたが、一部の船舶には複数シリンダーの単純エンジンや複数のエンジンが搭載されていました

ダブルアクション

複動式エンジンとは、ピストンの両側に蒸気が供給されるエンジンです。初期の蒸気エンジンは蒸気を一方向にのみ供給し、運動量または重力によってピストンを元の位置に戻していましたが、複動式エンジンは蒸気を使ってピストンを両方向に駆動することで、回転速度と出力を向上させます。[ 50 ]「単純エンジン」という用語と同様に、「複動式」という用語も文献ではあまり見かけません。これは、ほとんどすべての船舶エンジンが複動式であったためです。

垂直、水平、傾斜、反転

これらの用語は、エンジンシリンダーの向きを表します。垂直シリンダーでは、ピストンは垂直面内を移動し、ピストンロッドがシリンダーの上部から伸びて頭上のクランクシャフトを回転させます。垂直倒立エンジンでは、ピストンは同様に垂直面内を移動しますが、ピストンロッドは下部から伸びて下のクランクシャフトを回転させます。傾斜型または水平型では、シリンダーとピストンは傾斜または水平に配置されます。傾斜倒立シリンダーは、下向きに傾斜して動作するシリンダーです。これらの用語はすべて、上記のエンジンの種類と組み合わせて使用​​されるのが一般的です。したがって、水平トランクエンジンや傾斜複合エンジンなどがあります。

傾斜シリンダーと水平シリンダーは、その配置によりエンジンのプロファイルを可能な限り低く保ち、損傷を受けにくくするため、海軍艦艇では非常に有用であった。[ 51 ]また、低プロファイル船や船の重心を低く保つためにも使用できる。さらに、傾斜シリンダーや水平シリンダーは、垂直シリンダーに比べて振動を低減できるという利点もあった。

ギア付き

ギア付きエンジン、または「ギア付きスクリュー」は、エンジンとは異なる速度でプロペラを回転させます。初期の船舶用プロペラエンジンはギアアップ式で、つまりプロペラはエンジン自体よりも高い回転速度で回転するようにギアが付けられていました。[ 52 ] [ 53 ] 19世紀後半にかけてエンジンがより高速で強力になるにつれて、ギアはほぼ普遍的に廃止され、プロペラはエンジンと同じ回転速度で回転するようになりました。この直接駆動方式は機械的に最も効率的であり、往復蒸気エンジンはスクリュープロペラにとって最も効率的な回転速度に適しています

参照

脚注

  1. ^フライ、27ページ。
  2. ^サトクリフ、アンドレア『蒸気：アメリカ初の偉大な発明の知られざる物語』ニューヨーク：パルグレイブ・マクミラン、2004年。
  3. ^フライ、37-42ページ。
  4. ^フライ、第5章。
  5. ^ a bセネットとオーラム、pp.2-4。
  6. ^ a bマレー、4ページ。
  7. ^ a bフォックス、119ページ。
  8. ^ a bセネットとオーラム、3ページ。
  9. ^マギニス、p. xiv.
  10. ^リッポン司令官（1998年）『英国海軍における工学技術の進化』第1巻、スペルマウント社、  19～ 20頁、 ISBN 0-946771-55-3。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  11. ^ a bシートン、3-5ページ
  12. ^ヒルトン、59ページ。
  13. ^ a b Ward、60ページ。
  14. ^ラクストン、334ページ。
  15. ^アダムス、202ページ。
  16. ^ハーヴェイ、55ページ。
  17. ^ a bサーストン、379ページ。
  18. ^サザーランド、31ページ。
  19. ^ビューエル、92-93ページ。
  20. ^ヘバート
  21. ^エヴァース、88ページ
  22. ^ダンプルトン、83ページ
  23. ^エヴァース、89ページ。
  24. ^ a bマレー、14ページ。
  25. ^ a b c dセネットとオーラム、12ページ。
  26. ^ a bチャタートン、132ページ。
  27. ^エヴァース、90～91ページ。
  28. ^ a b c Sennett and Oram, pp. 7–8. この参考文献の前のセクション「水平エンジン」も参照のこと。
  29. ^ Osbon, GA (1965). 「クリミアの砲艦 第1部」. The Mariner's Mirror . 51 (2): 103– 116. doi : 10.1080/00253359.1965.10657815 . ISSN 0025-3359 . 
  30. ^ 「The Children - Western Australian Museum」西オーストラリア博物館. 2018年3月27日閲覧。
  31. ^ “Restoring the Xantho engine” . 2011年8月10日. 2011年8月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年3月27日閲覧。
  32. ^ a b Steam Launch Artemis - Engine Archived 2010-03-06 at the Wayback Machine、www.pcez.com。
  33. ^ a b「Emory Rice TV Engine (1873)」Wayback Machineで2008年12月9日にアーカイブ、アメリカ機械学会、p. 4。
  34. ^セネットとオーラム、7、9ページ。
  35. ^エメリー・ライス TV エンジン (1873) Archived 2008-12-09 at the Wayback Machine、アメリカ機械学会のパンフレット。
  36. ^ Emery Rice Archived 2010-06-13 at the Wayback Machine、アメリカ海事博物館。
  37. ^ a bエヴァース、81ページ。
  38. ^サーストン、391-396。
  39. ^ a bフライ、第11章。
  40. ^マクリホース、118ページ。
  41. ^サーストン、393-396ページ。
  42. ^ジャーヴィス、エイドリアン (1993). 「9. アルフレッド・ホルトと複合機関」. ガーディナー、ロバート、グリーンヒル、バジル博士（編）. 『蒸気の到来 ― 1900年以前の蒸気船』 . コンウェイ・マリタイム・プレス. pp.  158– 159. ISBN 0-85177-563-2。
  43. ^ハルパーン、サミュエル（2011年1月31日）「タイタニック号の原動機 ― 推進力と動力の検証」『タイタニコロジー』2021年2月1日閲覧
  44. ^ランス・デイ、イアン・マクニール（編）2013年、「技術史の人物辞典」ラウトレッジ、 ISBN 0-203-02829-5(694ページ)
  45. ^グリフィス、デニス (1993年)「第5章：三重拡張と第一次海運革命」ロバート・ガーディナー、バジル博士グリーンヒル編『蒸気の到来 ― 1900年以前の蒸気船』コンウェイ・マリタイム・プレス社、  106～ 126ページ。ISBN 0-85177-563-2。
  46. ^ Joshua Hendy Iron Works Archived 2009-03-18 at the Wayback Machine - American Society of Mechanical Engineers.
  47. ^マレー、pp.15-16。
  48. ^ Alllaire, pp. 282-283. Buckeye Stateのエンジンの説明を参照。
  49. ^マレー、15-16ページ。
  50. ^サーストン、110ページ。
  51. ^マレー、pp. 17-18。
  52. ^マレー、18ページ。
  53. ^フライ、167-168ページ。

参考文献

  • アメリカ機械学会（1978年）：ジョシュア・ヘンディ鉄工所- 情報パンフレット
  • ビューエル、オーガスタス C. (1906): 『チャールズ H. クランプの回想録』、JB リッピンコット社、フィラデルフィアおよびロンドン、pp. 92–93。
  • Chatterton, E. Keble (1910): Steamships and their Story、132 ページ、Cassell and Company Ltd.
  • Christley, James J. & Jurens, WJ (1991). 「質問32/90: Ericsson 振動レバーエンジン」. Warship International . XXVIII (4). 国際海軍研究機関: 403–404 . ISSN  0043-0374 .
  • ダンプルトン、バーナード（2002）：外輪船の物語、インテリクトブックス（英国）、ISBN 978-1-84150-801-6。
  • エヴァース、ヘンリー (1873)：「蒸気と蒸気機関：陸上、船舶、機関車」、ウィリアム・コリンズ、サンズ＆カンパニー、ロンドンおよびグラスゴー。
  • フォックス、スティーブン（2003）：トランスアトランティック：サミュエル・キュナード、イザムバード・ブルネル、そして大西洋の偉大な蒸気船、ハーパーコリンズ、ISBN 978-0-06-019595-3。
  • フライ、ヘンリー（1896）：『北大西洋蒸気航行の歴史：初期の船舶と船主に関する若干の説明付き』、サンプソン・ロウ、マーストン・アンド・カンパニー、ロンドン
  • ハーヴェイ、スティーブン（2007年）：『蒸気船から始まった：アメリカの冒険』、オーサーハウス、55ページ、ISBN 978-1-4259-6719-2
  • ハーバート、ルーク（1849年）：『技術者と機械工の百科事典：大英帝国のあらゆる製造業で使用されている機械と工程の実用的図解の理解』第2巻、トーマス・ケリー、ロンドン
  • ヒルトン、ジョージ・W.（2002）：ミシガン湖旅客汽船、スタンフォード大学出版局、p.59、ISBN 978-0-8047-4240-5。
  • クルーダス、アーノルド（2000年頃）『北大西洋の記録破り：ブルーリボンライナー1838～1952』、ブラッシーズ社、ワシントンD.C.、ISBN 1-57488-328-3。
  • ラクストン、フレデリック・ウィリアム（1855年）：『土木技術者と建築家のジャーナル』（The Civil Engineer and Architect's Journal）、『建築家』第18巻、ジョン・ノット、ロンドン
  • マクリホース、ジェームズ (1906):過去 30 年間に亡くなり、その生涯で現在のグラスゴーの姿を築くのに大きく貢献した 100 人のグラスゴー人の回想録と肖像、ジェームズ・マクリホース & サンズ、グラスゴー、118 ページ、グラスゴー デジタル ライブラリによる複製。
  • マギニス、アーサー J. (1900)：「大西洋フェリー：その船、人々、そして働き」、ウィテカー アンド カンパニー、ロンドンおよびニューヨーク。
  • マレー、ロバート (1858): 『船舶エンジンと蒸気船に関する初歩的な論文: 英国海軍と商船隊で使用されるスクリューと推進力に関する実際的な考察』、J. ウィール社発行。
  • シートン、アルバート・エドワード（1885年）：『海洋工学マニュアル - 海洋機械の設計、構築、動作を網羅』第4版、チャールズ・グリフィン社、ロンドン。
  • セネット、リチャード、オーラム、サー・ヘンリー・J. (1918)：「船舶用蒸気エンジン：工学部の学生、若手技術者、英国海軍および商船隊の士官のための論文」ロングマンズ、グリーン＆カンパニー、ロンドン、ニューヨーク、ボンベイ、カルカッタ。
  • サザーランド、ジョン・レスター（2004）：グロスターとノースショアの蒸気船、ヒストリー・プレス、ISBN 978-1-59629-000-6 31～ 32ページ
  • サーストン、ロバート・ヘンリー（1883）：蒸気機関の成長の歴史、2001年にアダマントメディアコーポレーションによって再版、ISBN 978-1-4021-6205-3。
  • ウォード、JH：（1864）：蒸気とその有用技術、特に航海への応用に関する一般向け論文、D.ヴァン・ノストランド、ニューヨーク、60ページ
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