煙突付きボイラー

シェルボイラーまたは煙道ボイラーは、蒸気を作るために使われた初期の比較的単純な形式のボイラーで、通常は蒸気エンジンを動かす目的で使われた。この設計は、初期のヘイスタックボイラーと後の多重管式火管ボイラーの間の、ボイラー開発の過渡期を示すものであった。煙道ボイラーは、水のタンクを形成する大きな円筒形のボイラーシェルと、その中を炉を含む1 本以上の大きな煙道が横切っているのが特徴である。これらのボイラーは 19 世紀初頭頃に登場し、いくつかの形式は現在でも使用されている。ほとんどは静止蒸気プラントで使用されているが、初期の蒸気車両、鉄道機関車、船舶でも使用されていたものもある。

煙道付きボイラーは、蒸気圧を上げてエンジン効率を向上させる目的で開発されました。ワットの時代の初期のヘイスタック設計は機械的に弱く、火に対して支えのない平らな面が向けられることが多かったです。ボイラーの爆発は、通常この火室板の破損から始まり、よく起こりました。アーチ型構造の方が平らな板よりも丈夫であることが知られていたため、ボイラーシェル内には大きな円形の煙道管が取り付けられました。火自体はこの煙道に渡って設置された鉄格子の上で起こり、その下には不燃性の残留物を収集するための浅い灰受けがありました。これには加熱面が炉の周囲を密着して包むという追加の利点もありましたが、それは二次的な利点でした。

これは今日では低圧（おそらく 25  psi (1.7  atm )）と考えられていますが、以前のものと比較すると高圧と見なされていました。この圧力の増加は、トレビシックのような機関車（つまり、小型の自走車両）を実用的な提案にする主な要因でした。

最も単純な機関車用ボイラーは、一本の直線の煙道を備えていた。このボイラーは、ミドルトン鉄道のブレンキンソップの機関車やスティーブンソンの機関車 No. 1など、初期の機関車メーカーの多くで広く使用されていた。

このタイプのボイラーは製造が簡単で、シリンダー内で膨張作用を起こして「高圧」（当時としては）の蒸気を支えるのに十分な強度があります。また、大きな煙道を通るガスの流れも良好で、高い煙突の作用だけで火に十分な通風がもたらされます。ただし、加熱面積が小さいため効率が悪く、大量の石炭を燃焼します。

十分な加熱面積を確保するには、単純な煙道は長くなければなりません。蒸気機関車に必要な短いボイラー シェルの場合、U 字型の戻り煙道を使用してこれを実現できます。

リチャード・トレビシックは、 1802年の最初のコールブルックデール機関車設計と1804年の「ペン・ア・ダレン」エンジンですでに戻り煙道を使用していました。 ^[1]これらのボイラーは鋳鉄で頑丈に作られており、短くて平らな端でした。彼の1804/5年の「ニューキャッスル」機関車（実際にはゲーツヘッドで製造）は、戻り煙道ボイラーの1つの特徴を示し始めました。それは、炉と煙突の反対側の固体端の蒸気圧に抵抗するための顕著なドーム型です。この場合、錬鉄板で作られたボイラーの製造は、このドーム型の端から現れるトレビシックの単一の長い移動水平シリンダー（直径9インチ×36インチ（230 mm×910 mm）×ストローク）によって複雑になったに違いありません。 ^[1]ただし、これにより火夫の作業は楽になりました。ピストンの長いクロスヘッドの下にある 防火扉に届かなくなったからです。

ウィリアム・ヘドレーは1813年に製作したパッフィング・ビリーとワイラム・ディリーの機関車にこの型のボイラーを採用した。ワイラム炭鉱とその所有者クリストファー・ブラケットを通じて、ヘドレーはトレビシックの機関車に精通していたと思われる。^[2]

ティモシー・ハックワースが1827年に製作した0-6-0ロイヤル・ジョージもリターン煙道ボイラーを採用していたが、火の通風を促すために意図的にブラストパイプを使用した先駆者として最もよく知られている。 ^[1]レインヒル・トライアル用の軽量0-4-0バージョンであるサン・パレイルも非常によく似ていた。^[2]トライアルが終わるとすぐに時代遅れに見えたが、この型のカナダのサムソンは1838年に建造され、1883年になってもまだ使用されていた。^[2]

外部画像
「ニューフーバー」牽引エンジン
1897 年のフーバー牽引エンジン
フーバーの広告とボイラー断面図

最後に建設された還流煙道ボイラー（一部の固定式ボイラーを除く）は、オハイオ州マリオンのフーバー社が1885年から1903年にかけて「ニューフーバー」牽引エンジン用に建設したボイラーであると考えられています。 ^[3]

ただし、これらはここで使用されている意味での戻り煙道ボイラーではなく、戻り管ボイラーでした。戻り管ボイラーには、1 本の大きな円筒形の炉管、ボイラーの圧力シェルの外側にある燃焼室、そして複数の細い 煙管があり、火口の上と周囲にある馬蹄形の煙室に戻っていました。この煙室が火夫に近いことから、「ベリーバーナー」というニックネームが付けられました。したがって、その設計は、単純な単一煙道ボイラーよりも、 水平発射型ボイラー(アーサー・ヘイウッド卿が使用) やスコッチ船舶ボイラーとの共通点が多いです。

この頃までに、機関車用ボイラーは牽引エンジンとして広く普及していました。これに比べ、フーバー ボイラーの利点は、密閉された火室内で作業する必要がなく、火管の交換がより簡単だったことです。

最も単純な形式の煙道式ボイラーは、リチャード・トレビシックの「高圧」コーンウォール・ボイラーで、1812年にドルコース鉱山に初めて設置されました。 ^[4]これは、火を閉じ込める1本の大きな煙道を備えた長い水平の円筒です。炉は自然通風に依存していたため、火に十分な空気（酸素）を供給するために、煙道の遠端に高い煙突が必要で​​した。

効率を上げるため、トレビシックはボイラーの下をレンガ造りの部屋で覆うという革新的なアイデアを採用しました。排気ガスは中央の煙道を通過し、鉄製のボイラー シェルの外側と周囲に流れました。煙突が燃焼スペースから離れた場所にあるようにするため、レンガ造りの煙道はまずボイラーの中央の下を通って前面に至り、その後再び側面に沿って煙突まで戻りました。

コーンウォール ボイラーは、それ以前のワゴン ボイラーに比べていくつかの利点がありました。主に曲面で構成されており、圧力に抵抗しや​​すいこと。平らな端はワゴン ボイラーの平らな側面よりも小さく、中央の炉の煙道で支えられ、長い棒状のステーが追加されることもありました。あまり目立たない利点は、ボイラーのスケールです。ワゴン ボイラーやヘイスタック ボイラーは下から加熱され、堆積物を形成するスケールや不純物はこのプレート上に沈殿し、水から遮断します。これにより加熱効率が低下し、極端な場合にはボイラー プレートの局所的な過熱や故障につながる可能性があります。煙道付きボイラーでは、堆積物は炉の煙道を通過してボイラー シェルの底に沈殿するため、影響は小さくなります。^[5]

模型工学では、特にギャロウェイ管を取り付けたコーンウォールボイラー（下記のランカシャーボイラーを参照）は、ガスボイラーや模型蒸気船に最適です。組み立てが簡単で、小型ボイラーと同じくらい効率的です。^[6]

バタリーまたは「ホイッスル マウス」ボイラーは、コーンウォール パターンから派生したあまり知られていない設計で、ダービーシャーの有名なバタリー ボイラー工場で製造されました。^[7]これは基本的にコーンウォール ボイラーの炉の周りのシェルの下半分が取り除かれ、大きな火を灯せるようになっています。このため、ペナイン山脈の繊維工場で人気がありました。北部の硬い石炭は、南西部で使用されているウェールズの石炭よりも発熱量が低く、より大きな火が必要だったからです。 ^[8]あるいは、コーンウォール ボイラーを短縮したもので、その前にワゴン ボイラーを配置し、その下に大きな火を灯したものと考えることもできます。ワゴン ボイラーと同じ欠点があります。凹型の火室プレートは機械的に弱く、作業圧力が制限されるか、追加の機械的保持が必要になります。

ランカシャーボイラーはコーニッシュボイラーに似ているが、1つではなく2つの大きな煙道に火が入っている。これは一般的にウィリアム・フェアベアンとジョン・ヘザリントンが1844年に発明したと考えられているが、彼らの特許はボイラー自体ではなく、煙を減らすために炉を交互に燃やす方法に対するものであった。^[9] スティーブンソンの初期の0-4-0機関車「ランカシャーウィッチ」は、15年前にすでにボイラー内で2つの炉管の使用を実証していた。^[1]

フェアバーンは、より効率的なボイラーの熱力学について理論的研究を行っており、これが水量に対する炉の火格子面積の増加につながった。特に、ランカシャーの綿工場ではコーンウォール式ボイラーがあまり採用されていなかったことがその主な理由である。そこでは、より硬い地元の石炭を小型炉で十分に燃焼させることができず、代わりに旧式の低圧ワゴンボイラーとその大きな火格子が採用された。^[8]

コーンウォール式ボイラーの難点は、特定の出力のボイラーでは、加熱領域として炉管の既知領域が必要になることでした。管が長くなると、より長くて高価なボイラー殻が必要になりました。また、加熱領域に対する火格子領域の比率が減り、十分な火を維持するのが難しくなりました。管の直径が大きくなると、炉管を覆う水の深さが浅くなるため、火夫が水位を正確に制御する必要性が高まり、さもないとボイラーが爆発する危険がありました。フェアバーンのシリンダー内のフープ応力の研究でも、小さい管の方が大きい管よりも強度が高いことが示されました。彼の解決策はシンプルで、1 本の大きな炉管を 2 本の小さな管に置き換えることでした。

特許^[9]はツイン炉のもう一つの利点を示しました。ツイン炉を交互に点火し、点火の合間に火室の扉を閉じることで、炉の周囲に空気を供給し（ランカシャーボイラーの場合は火格子の下の灰受けを通して）、火によって発生した排気ガスをより完全にきれいに燃焼させ、煙や汚染を減らすことも可能になりました。^[10]この鍵となる要素は、1840年代から特徴となった、扉に特徴的なシャッター付き回転式空気ダンパーでした。

2本の煙突を使用することで、エンドプレートを支える2本の長いロッドステーとして機能し、強化効果も得られます。 ^[7]

その後の開発では、ギャロウェイ管（発明者にちなんで1848年^[11]または1851年^[12]に特許を取得）が煙道に交差する水管を追加し、加熱表面積を増やしました。これらは直径の大きい短い管であり、ボイラーは比較的低い圧力を使用し続けているため、これはまだ水管ボイラーとは見なされていません。管は先細りになっており、煙道への設置が容易になっています。^[6]

ランカシャーのボイラーは、リベットの継ぎ目に負担をかけずに熱膨張を吸収する波形の煙道を備えていることが多い。もう 1 つの発展形は「腎臓型煙道」またはギャロウェイ ボイラーで、2 つの炉が 1 つの煙道に結合し、断面が腎臓型になっている。この幅広で上部が平らな煙道は、ギャロウェイ チューブを使用して 支えられていた。

最大圧力は20バール（290psi）です。ボイラーの最大直径は3メートル（9.8フィート）で、長さ6〜10メートル（20〜33フィート）、直径0.8〜1メートル（2.6〜3.3フィート）の2本の火管があります。

ランカシャー ボイラーは時代遅れの設計であると考えられていますが、煙道が十分に長い場合は、かなり効率的です。ただし、特に長さの割にボイラーがかさばるため、固定設備での使用に限られていました。ランカシャーの綿工場では、これが標準的なボイラーでした。

ウィリアム・フェアバーンのランカシャー・ボイラーの研究は、水量を減らすことに比べて炉を複数設置することの効率の良さを実証していた。また、蒸気圧が高いほどエンジンの効率が向上することも広く認識されていた。フェアバーンのシリンダー強度に関する研究^{[13]により、彼ははるかに小さい管径をベースにした別の改良型ボイラーを設計することになり、その結果、通常 150} psi (1,000  kPa )の高圧で動作することが可能になった 。これが「5 管」ボイラーで、5 本の管が水ドラムと炉として 2 組の入れ子状に配置され、残りの管はそれらの上に別の蒸気ドラムとして取り付けられていた。^[14]炉の管が各水ドラムをほぼ満たしていたため、水量は以前のボイラー設計に比べて極めて少なかった。

このボイラーは目的どおりに成功し、小さな水容量で 2 つの大きな炉を提供しました。独立した蒸気ドラムは、水の持ち越しやプライミングのリスクなしに「乾燥」蒸気を生成するのにも役立ちました。しかし、製造が複雑で、作業に必要な加熱領域があまりありませんでした。すぐに、フェアバーン ビーリーやスコッチボイラーなどの多管式ボイラーに取って代わられました。

ウィキメディア・コモンズには、煙道ボイラーに関連するメディアがあります。

• スコッチマリンボイラー

• フェアベアン、ウィリアム(1851)。「ボイラー爆発について」。2 つの講義: ボイラーの構造とボイラー爆発とその防止方法。p. 20。
• フェアベアン、ウィリアム(1856)。エンジニアのための有用な情報。ロンドン: ロングマンズ。
• 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. 103。ISBN 0-521-45834-X。