複合蒸気機関

複合蒸気エンジンユニットは、蒸気が2段階以上で膨張するタイプの蒸気エンジンです。 ^{[1] [2]} 複合エンジンの一般的な構成では、蒸気は最初に高圧（HP） シリンダーで膨張し、次に熱を放出して圧力を失ってから、1つ以上の大容量の低圧（LP）シリンダーに直接排出されます。多重膨張エンジンでは、蒸気からさらにエネルギーを抽出するために、徐々に圧力が低くなる追加のシリンダーを使用します。^[3]

この技術は 1781 年に発明され、1804 年にコーンウォールのビーム エンジンに初めて採用されました。1850 年頃、複合エンジンが初めてランカシャーの繊維工場に導入されました。

複合システムと構成は数多くあるが、高圧と低圧のピストンストロークの位相がどのように調整されているか、つまり高圧排気が高圧から低圧に直接通過できるかどうか（ウルフ複合）と、圧力変動によって蒸気室またはレシーバーと呼ばれるパイプの形で中間の「バッファ」スペースが必要になるかどうか（レシーバー複合）によって、2つの基本的なタイプがある。[ ^4]

単膨張式（または「単純」）蒸気機関では、高圧蒸気がボイラー圧力で入口バルブを通ってシリンダーに入ります。蒸気圧力によってピストンがシリンダー内を下降し、バルブが閉じるまで（たとえばピストンのストロークの 25% 後）押し下げられます。蒸気供給が遮断された後も閉じ込められた蒸気は膨張を続け、ピストンをストロークの終わりまで押し下げます。ストロークの終わりで排気バルブが開き、部分的に減少した蒸気が大気または凝縮器に排出されます。この「遮断」により、蒸気の膨張によってボイラー圧力での蒸気が行う仕事を超える追加の仕事が行われるため、より多くの仕事が抽出されます。^[5]

早期の遮断は膨張比を増加させ、原理的にはより多くのエネルギーを抽出し、効率を高める。理想的には、蒸気は断熱膨張し、体積の増加に応じて温度が下がる。しかし、実際には周囲のシリンダーの材料が熱貯蔵庫として機能し、膨張の初期段階で蒸気を冷却し、後期段階で蒸気を加熱する。これらの不可逆的な熱流はプロセスの効率を低下させるため、ある時点を超えると、膨張比をさらに増加させると、平均有効圧力が低下し、エンジンの出力が低下するだけでなく、実際に効率も低下する。^[5]

このジレンマの解決策は、1804年にイギリスの技術者アーサー・ウルフによって発明され、ウルフは1805年にウルフ高圧複合エンジンの特許を取得しました。複合エンジンでは、ボイラーからの高圧蒸気が最初に高圧 (HP) シリンダーで膨張し、次に1つ以上の後続の低圧 (LP) シリンダーに入ります。蒸気の完全な膨張は複数のシリンダーにまたがって起こり、各シリンダーの膨張が少ないため、各シリンダーでの蒸気の冷却が少なくなり、より高い膨張比が現実的になり、エンジンの効率が向上します。

他にも利点があります。温度範囲が狭いため、シリンダーの凝縮が減ります。凝縮による損失は LP シリンダーに限定されます。各シリンダーの圧力差が小さいため、ピストンとバルブでの蒸気漏れが少なくなります。回転モーメントがより均一になるため、バランス調整が容易になり、より小さなフライホイールを使用できます。最高圧力に耐えられるように小さい HP シリンダーのみを構築すればよく、これにより全体の重量が軽減されます。同様に、コンポーネントにかかる負担が小さいため、軽量化できます。エンジンの往復部品が軽量化されるため、エンジンの振動が軽減されます。複合装置はサイクルのどの時点でも始動でき、機械的な故障が発生した場合は、複合装置をリセットして単純な装置として動作させ続けることができます。^[4]

低圧の蒸気から同等の仕事を引き出すには、蒸気がより大きな容積を占めるため、より大きなシリンダー容積が必要となります。そのため、低圧シリンダーではボアが拡大され、まれにストロークも拡大されるため、シリンダーが大きくなります。

二重膨張式（通常は単に「複式」と呼ばれる）エンジンは、蒸気を 2 段階で膨張させますが、すべてのエンジンに 2 つのシリンダーがあるわけではありません。4 つのシリンダーが 2 つの LP-HP ペアとして機能したり、大きな LP シリンダーの作業を 2 つの小さなシリンダーに分割して、1 つの HP シリンダーからいずれかの LP シリンダーに排気したりして、3 つのシリンダー レイアウトを実現し、3 つのシリンダーとピストンの直径がほぼ同じになるようにすることで、往復運動する質量のバランスを取りやすくなります。

2 気筒複合エンジンは次のように配置できます。

• クロスコンパウンド– シリンダーが並んでいる
• タンデムコンパウンド- シリンダーは端から端まで並んでおり、共通のコネクティングロッドを駆動します。
• 伸縮式複合シリンダー- シリンダーが互いに重なり合っている
• アングルコンパウンド- シリンダーは V 字型 (通常は 90 度の角度) に配置され、共通のクランクを駆動します。^{[シリンダー位相]}

複合化は、コストを抑えつつ出力を増大させる必要のある固定式産業用ユニットでは広く採用され、 1880年以降は船舶用エンジンではほぼ普遍的でした。鉄道機関車では、複雑で過酷な鉄道の運行環境や、荷重限界によって与えられた限られたスペース（特に英国）には不向きであると認識されることが多かったため、広くは採用されませんでした。複合化は英国の鉄道では決して一般的ではなく、1930年以降はまったく採用されていませんでしたが、他の多くの国では限定的に使用されていました。^[6]

空気より重い固定翼航空機を蒸気動力だけで飛行させる最初の成功した試みは1933年に行われました。ジョージとウィリアム・ベスラーはトラベル・エア2000複葉機を改造し、通常使用されるカーチスOX-5直列または星型航空ガソリンエンジンの代わりに、独自に設計した150馬力のアングルコンパウンドVツイン蒸気エンジンで飛行できるようにしました。^{[7] [8]}

効率を上げるために膨張をさらに多くの段階に分割するのは、上記で説明した複合エンジンの論理的発展形です。その結果が多段膨張エンジンです。このようなエンジンは 3 段または 4 段の膨張段階を使用し、それぞれ三重膨張エンジンと四重膨張エンジンと呼ばれます。これらのエンジンは、直径やストローク、したがって容積が徐々に増加する一連の複動シリンダーを使用します。これらのシリンダーは、作業を各膨張段階に 1 つずつ、3 つまたは 4 つの等しい部分に分割するように設計されています。次の画像は、三重膨張エンジンのアニメーションを示しています。蒸気はエンジン内を左から右に移動します。各シリンダーのバルブ チェストは、対応するシリンダーの左側にあります。

• 1781年 -コーンウォールのニューコメンのエンジン製作者の孫であるジョナサン・ホーンブロワーが、1781年に二重シリンダー複合往復ビームエンジンの特許を取得しました。ジェームズ・ワットは自身の特許が侵害されていると主張し、それ以上の開発を阻止されました。^[9]
• 1797年 -リチャード・トレビシックが効果的な高圧蒸気機関を開発。^[10]
• 1804年 -アーサー・ウルフが定置式ウルフ高圧複合エンジンを開発し、1805年に特許を取得。ウルフエンジンは、非効率性につながる単膨張高圧蒸気エンジンの継続的な加熱と冷却の増加を軽減しました。また、当時の鋳鉄シリンダーがうまく処理できなかった問題も解決しました。

• 1833年 -ヘラクレス（1829年）は、アグリッピナから取った超低圧シリンダーを使用し、高圧シリンダーからの蒸気を使用するように改造されました。この改造はオランダの技術者ゲルハルト・モーリッツ・レントゲンによって設計され、^{[11]彼は海軍の複合蒸気機関の発明者となりました。蒸気外輪タグボートはその後、}ワール川での運用に成功し、^[12]複合蒸気機関を搭載した最初の船となりました。^[13]
• 1845年 -ウィリアム・マクノートは、既存のビームエンジン内に高圧シリンダーを追加する方法を考案しました。そのためには、シリンダーを接続する長いパイプと、バランスをとるための追加のバルブセットが必要でした。これは実質的に受容器として機能し、新しいタイプの化合物が発明されました。このシステムにより、蒸気の吸入と遮断をより細かく制御できるようになりました。エンジンは、蒸気の圧力を下げるスロットル、またはどちらかのシリンダーの遮断を調整することで減速できます。後者の方が、パワーが失われないため、より効率的でした。2つのシリンダーが同調していないため、サイクルはよりスムーズでした。^[14]
• 1865年 - 300馬力の複合蒸気エンジンを搭載したSS アガメムノン （1865）が進水した。エンジンは、所有者の一人であるアルフレッド・ホルトによって設計された。ホルトは商務省を説得して、ボイラー圧力を通常の25psiではなく60psiにすることを許可した。二重膨張の利点を実現するには、より高い圧力が必要だった。得られた効率により、この船は石炭を積む前に8,500マイルを航行することができた。これにより、この船は中国とイギリスの間の航路で競争力を持つようになった。^{[15] [16] [17]}

• 1861年 -ダニエル・アダムソンは、3つ以上のシリンダーを1本の梁またはクランクシャフトに接続した多段膨張エンジンの特許を取得しました。彼は、1867年に開業したダキンフィールドのビクトリアミルズ向けに三段膨張エンジンを製造しました。 ^[18]
• 1871年 - ル・アーヴルのシャルル・ノルマンは1871年にセーヌ川の船に三段膨張エンジンを取り付けた。^[18]
• 1872年 -フレデリック・J・ブラムウェル卿は、45psiから60psiで作動する複合船舶エンジンは、表示馬力あたり1時間あたり2ポンドから2.5ポンドの石炭を消費すると報告した。^[18]
• 1881年 -アレクサンダー・カーネギー・カークがSSアバディーンを建造。三段膨張エンジンを搭載した最初の大型船となった。^[19]この成功は、三段膨張エンジンの利点を実現するために必要だった（当時の）高圧で作動するボイラーの設計問題を解決することにかかっていた。^{[20] : 106–111}
• 1887年 - 3段膨張エンジンを搭載した最初の戦艦、HMSヴィクトリアが^{進水した。 [21]}
• 1891年 - 160psiで作動する三重膨張複合船舶エンジンは、表示馬力あたり1時間あたり平均約1.5ポンドの石炭を消費しました。^[18]

最初の工場は水力で動いていたが、蒸気機関が導入されると、製造業者は流水のそばに工場を設置する必要がなくなった。綿糸紡績では需要を満たすためにますます大きな工場が必要となり、このため工場主はますます強力なエンジンを要求するようになった。ボイラー圧力が60psiを超えると、複式エンジンは熱力学的に有利になったが、複式エンジン採用の決定要因となったのは、ストロークが滑らかになるという機械的利点だった。1859年には、マンチェスター地域の工場のエンジンは75,886 ihp（図示馬力^[ihp]）で、そのうち32,282 ihpは複式エンジンによるもので、60psiを超えるボイラーで稼働するエンジンから生成されたのは41,189 ihpだけだった。^[22]

一般的に言えば、1860年から1926年まで、ランカシャー州のすべての水車は複式で駆動されていました。最後に建設された複式エンジンは、ショーのワイ第2水車用にバックリーとテイラーが製造したものです。このエンジンは、2,500 ihpのクロス複式設計で、24フィート、90トンのフライホイールを駆動し、1965年まで稼働していました。^[23]

海洋環境では、船舶が石炭を運搬する必要があったため、自律性と航続距離の延長が一般的に求められていました。そのため、古い塩水ボイラーはもはや適切ではなく、凝縮器を備えた閉鎖された淡水回路に置き換える必要がありました。その結果、1880 年以降、3 段または 4 段の膨張段階を使用する多重膨張エンジン(三重膨張エンジンと四重膨張エンジン) が生まれました。これらのエンジンは、直径および/またはストローク (したがって容積) が徐々に増加する一連の複動シリンダーを使用しており、作業を各膨張段階で 3 つまたは 4 つの均等な部分に分割するように設計されています。スペースが限られている場合は、合計容積の大きい 2 つの小型シリンダーを低圧段階に使用できます。多重膨張エンジンでは、シリンダーが通常一列に配置されていましたが、さまざまな他の構成が使用されました。19 世紀後半には、一部の海洋三重膨張エンジンで Yarrow-Schlick-Tweedy バランス「システム」が使用されました。 YST エンジンは、低圧膨張段を 2 つのシリンダー (エンジンの両端に 1 つずつ) に分割しました。これにより、クランクシャフトのバランスが改善され、よりスムーズで応答が速く、振動が少なくなったエンジンが実現しました。このため、4 気筒の 3 段膨張エンジンは大型客船 (オリンピック クラスなど) で人気を博しましたが、最終的には振動がほとんどない蒸気タービンに置き換えられました。

このタイプのエンジンの開発は、蒸気船での使用にとって重要でした。凝縮器に排出することで、水を再利用してボイラーに供給できたからです。ボイラーは海水を使用できませんでした。陸上の蒸気エンジンは、給水が通常容易に利用できるため、蒸気の多くを単に排出することができました。第二次世界大戦前と戦中は、船の高速化が必須でない海洋用途では膨張エンジンが主流でした。軍艦や定期船など、速度が必要な場合、膨張エンジンは蒸気タービンに取って代わられました。1905年のHMSドレッドノートは、実績のある往復エンジン技術を当時は目新しい蒸気タービンに置き換えた最初の主要な軍艦でした。

鉄道機関車の用途では、コンパウンド化によって得られる主な利点は、燃料と水の消費量の節約と、より長いサイクルで起こる温度と圧力の低下による高い出力/重量比で、これにより効率が向上します。さらに、トルクがより均一になることも利点として認識されています。

複合機関車の設計は、ジェームズ・サミュエルが1856年に取得した「連続膨張式機関車」の特許まで遡るが、 ^[24]鉄道の複合化の実質的な歴史は、 1870年代のアナトール・マレットの設計に始まる。マレット機関車は、米国ではノーフォーク・アンド・ウェスタン鉄道によって本線の蒸気機関車が廃止されるまで運行されていた。フランスのアルフレッド・ジョージ・ド・グレンの設計も、特にアンドレ・シャプロンの改造で大きく使用された。1900年頃には多種多様な複合設計が試されたが、その複雑さと保守のしやすさから、そのほとんどは人気が長く続かなかった。20世紀には過熱装置が広く採用され、蒸気機関車の大多数は単純膨張式であった（一部の複合機関車は単純膨張式に改造された）。エンジニアたちは、機関車を一定速度で運転するには、レギュレータを全開にし、早期に蒸気を遮断すると最も効率的に運転できることに気付きました。後者は逆転装置で設定します。機関車を非常に早い段階で蒸気を遮断すると (たとえば、ピストン ストロークの 15%)、蒸気が最大限に膨張し、ストロークの終わりに無駄になるエネルギーが少なくなります。過熱により、膨張で発生する凝縮や急速な圧力低下がなくなります。

アメリカの大型機関車は、列車ブレーキ用に、 ウェスティングハウス8 1/2" 150-D ^[25]などの2つのクロスコンパウンド蒸気駆動空気圧縮機を使用していました。

このプレゼンテーションはゾンマーフェルトの教科書に沿っているが、そこには著作権上の理由から複製されていない図（図17）が含まれている。^[26]

船の 4 気筒エンジンを考えてみましょう。x を垂直方向、z を前後方向、y を左舷右舷方向とします。4 つのシリンダーが z 軸に沿って一列に取り付けられ、ピストンが下を向くようにします。ピストンは長い垂直ロッドを介して同じクランクシャフトに接続されています。ここで、エンジンの基本量を設定します。

• 各シリンダーの複合ピストンロッドシステムの有効質量を とします。${\displaystyle M_{1},M_{2},M_{3},M_{4}}$
• シリンダ 2 がZ 軸に沿ってシリンダ 1 から の距離だけ離れているとします。 についても同様です。${\displaystyle a_{2}}$${\displaystyle a_{3},a_{4}}$
• シリンダーの各ロッドの長さを とします。${\displaystyle l_{1},l_{2},l_{3},l_{4}}$
• 各シリンダーのクランクシャフトコネクタの半径を とします。${\displaystyle r_{1},r_{2},r_{3},r_{4}}$
• 各シリンダーのクランクシャフトコネクタの角度を とします。${\displaystyle \phi _{1},\phi _{2},\phi _{3},\phi _{4}}$
• クランクシャフトはすべてのシリンダーによって連動して回転するため、はそれぞれに対して定数です。${\displaystyle \phi _{i}-\phi _{1}}$${\displaystyle \alpha_{i}}$${\displaystyle i=2,3,4}$

さて、エンジンが作動すると、シリンダーの垂直位置は に等しくなります。三角法によって、 ${\displaystyle i}$${\displaystyle x_{i}}$

$${\displaystyle x_{i}=r_{i}\cos \phi _{i}+{\sqrt {l_{i}^{2}(r_{i}\sin \phi _{i})^{2}}}=l_{1}+r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{l_{i}}}(1-\cos(2\phi _{i}))/2+O(r_{i}^{3}/l^{2})}$$

各シリンダーが上下に動くと、取り付けフレームに に等しい垂直方向の力が加わります。YST システムは、4 つの力の合計が可能な限り正確に相殺されるようにすることを目的としています。具体的には、合計力 (x 軸に沿って) と合計トルク (y 軸の周り) が両方ともゼロになるようにすることを目的としています。 ${\displaystyle M_{i}{\ddot {x}}_{i}}$

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}{\ddot {x}}_{i}=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i }a_{i}{\ddot {x}}_{i}=0}$$

これは、

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}x_{i}=定数;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}x_{i}=定数}$$

さて、方程式に代入すると、次の式が成り立つことがわかります（2次まで）。

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0}$$

を代入し、余弦関数を展開すると、任意の の場合、 の因子は別々に消える必要があることがわかります。これにより、解くべき方程式が 8 つ得られますが、これは一般に、変更できるシステムの変数が少なくとも 8 つある場合に可能です。 ${\displaystyle \phi _{i}=\phi _{1}+\alpha _{i}}$${\displaystyle \phi _{1}}$${\displaystyle \sin(\phi _{1}),\cos(\phi _{1}),\sin(2\phi _{1}),\cos(2\phi _{1})}$

システムの変数のうち、はシリンダーの設計によって固定されます。 また、 の絶対値は重要ではなく、比率のみが重要です。 これらを合わせると、変化する変数は 9 つになります。 ${\displaystyle M_{i},r_{i}}$${\displaystyle a_{2},a_{3},a_{4}}$${\displaystyle l_{1},l_{2},l_{3},l_{4},{\frac {a_{3}}{a_{2}}},{\frac {a_{4}}{ a_{2}}}、\alpha _{2}、\alpha _{3}、\alpha _{4}}$

YST システムには少なくとも 4 つのシリンダーが必要です。シリンダーが 3 つの場合、同じ導出では変更できる変数は 6 つだけになり、8 つの方程式すべてを解くには不十分です。

YSTシステムは、SSカイザー・ヴィルヘルム・デア・グローセやSSドイッチュラント（1900年）などの船舶で使用されています。^[27]

^ シリンダー位相:  鉄道で使用される 2 シリンダー複合機では、ピストンは 2 シリンダー単体の場合と同様に、互いに 90° 位相がずれた状態でクランクに接続されます ( 4 分割)。

二重膨張グループが複製されて 4 気筒コンパウンドが作られる場合、グループ内の個々のピストンは通常 180° でバランスが取られ、グループは互いに 90° に設定されます。1 つのケース (最初のタイプのVauclain コンパウンド) では、ピストンは同じ位相で動作し、共通のクロスヘッドとクランクを駆動し、これも 2 気筒エンジンの場合と同様に 90° に設定されていました。

3 気筒複合配置では、LP クランクは 90° に設定され、HP クランクは他の 2 つに対して 135° に設定されていましたが、場合によっては 3 つのクランクすべてが 120° に設定されていました。

^  ihp:  工場のエンジンのパワーはもともと公称馬力で測定されていましたが、このシステムでは複合マクノートシステムのパワーが過小評価されていました。複合エンジンに適したihpまたは指示馬力です。経験則として、複合エンジンではihpはnhpの2.6倍です。 ^[28]

• 複合タービン
• ウィランズエンジン

• ガー、ダンカン、ハント、ジュリアン（1998）、オールダムの綿工場、オールダム教育＆レジャー、ISBN 0-902809-46-6、2011年7月18日時点のオリジナルよりアーカイブ、2009年10月11日閲覧。
• ナスミス、ジョセフ（1895）、最近の綿工場建設とエンジニアリング、ロンドン：ジョン・ヘイウッド、p. 284、ISBN 1-4021-4558-6
• Roberts, AS (1921)、「Arthur Roberts のエンジン リスト」、Arthur Roberts Black Book。、Barlick-Book Transcription の 1 人の人物、2011 年 7 月 23 日のオリジナルからアーカイブ、2009 年1 月 11 日に取得
• ウィリアムズ、マイク、ファーニー（1992）、グレーターマンチェスターのコットン工場、カーネギー出版、ISBN 0-948789-89-1
• ホルスト、CP (1926)、「複数クランク蒸気エンジンのバランス」、ブリル、ライデン出版、OCLC  494164185

ウィキメディア・コモンズには、複合蒸気機関に関連するメディアがあります。

• ボルトン蒸気博物館の北部製粉所エンジン協会