三胴ボイラー

デュ・テンプルやノルマンなどの初期設計の複雑なチューブは最初に廃止された。多列のチューブバンクは、このような複雑さを必要とせずに十分な加熱面積を提供できた。チューブは主に清掃を容易にするために、より直線的になった。ヤローは、直線チューブは膨張の問題を引き起こさないことを実証したが、円筒形のドラムと垂直なチューブ入口は、長寿命のためにどちらも重要な特徴であった。チューブが斜めにドラムに入ると、加熱と冷却によってチューブが前後に曲がり、漏れの原因となる傾向があった。垂直な入口は、確実なシールのためにチューブを膨張させやすく、これらの横方向の応力を回避するのに適していた。アドミラルティボイラーの曲がったチューブ端という妥協は、これら2つの特徴を維持する価値があり、これらのチューブは依然として清掃しやすいほど単純な形状であった。^{[ 2 ]}

初期のボイラー管、特に角が鋭いデュ・テンプル・ボイラーの管は、内部のスケールを除去することができませんでした。その後、管の内部は、先端にブラシが付いた蝶番付きの棒を通すことで清掃されました。湾曲した管の設計では、管の一部しか清掃できないことがよくありました。別の方法として、上から鎖を管に通し、その後ろにブラシを引っ張る方法がありましたが、管が最初に水平方向または上方向に移動するソーニークロフト・ボイラーのようなボイラーでは、この方法は実用的ではありませんでした。最終的に採用された方法は、圧縮空気を使用して一方のドラムからもう一方のドラムに発射される「弾丸」ブラシを使用することでした。ブラシは、各管に1セットずつ使用され、管を塞ぐブラシが残っていないことを確認するために、慎重に番号を付けて後で数えられました。^{[ 2 ]}

ヤローの実験によって加熱管だけでも循環が可能であることが実証された後も、ほとんどの設計では独立したダウンカマーが使用されていた。しかし、アドミラルティ・ボイラー（ダウンカマーを省略）はこのアプローチの集大成であり、過熱器を管群内に配置することで必要な温度差を生み出すように設計されていた。

海軍ボイラーは一般的にヤロー式ボイラーの直接的な進化形と考えられているが、ホワイト・フォースター式ボイラーも影響を与えており、これはおそらく英国海軍で多数使用されていたためであろう。円形の水ドラムと、それが炉床面より高く設置されている点は、ホワイト・フォースター式ボイラーの特徴である。前者は溝形成のリスクを軽減し、後者は重油燃焼に適している。

デュ・テンプルは、1876年に特許を取得した初期の海軍用水管ボイラーである。 ^{[ 1 ]}フランスのフェリックス・デュ・テンプルによって発明され、イギリス海軍の魚雷砲艦で試験された。^{[ 3 ]}水管は蛇腹状で、1バンクに4列に配置され、鋭角に曲がったS字型をしていた。^{[ 3 ]}これにより、大きな管加熱面積を小さな容積に詰め込むことができたが、管の洗浄は実用的ではなかった。ドラムは円筒形で、管の入口は垂直で、その間に外部ダウンカマーがあった。

ホワイト・フォースターはシンプルな構造で、管には緩やかな湾曲しかありませんでした。そのため、大きな蒸気ドラムの端にあるマンホールから作業して、管をその場で交換することができました。^{[ 4 ]}各管は蒸気ドラムから引き抜くのに十分なほど湾曲していましたが、他の管を取り外してアクセスできるようにすることなく、管群から1本の管を交換できるほど十分にまっすぐでした。これは、ホワイト・フォースターを海軍での使用において信頼性が高く、メンテナンスが容易になるように意図された多くの特徴の1つでした。これらの管は直径が特に小さく、わずか1インチ（2.5cm ）で、特に数が多く、一部のボイラーでは合計3,744本使用されていました。^{[ 4 ]}管は1つのバンクに24列に配置され、各バンクには異なる長さの管が必要で、1つのドラムに78列ありました。すべてのチューブは同じ半径に湾曲しており、船上での修理や交換が容易でしたが、製造時にドラムのチューブ穴を治具で正確な角度にリーマ加工する必要がありました。この小さなチューブ径により加熱表面積は大きくなりましたが、おそらく大きすぎたため、表面積と体積の比率が過剰になり、チューブバンクを通るガスの流れに影響が出て、ボイラー炉は燃焼効率が悪いという評判を得ました。^{[ 4 ]} 

ダウンカマーには、通常の2本の太いパイプ、またはドラムごとに4本の4インチ（10cm ）の細い管を配置した、珍しいが特徴的な構造が用いられた。これは、軍艦に搭載して使用する際に、損傷後の生存性を向上させるための工夫であった。損傷したダウンカマー管を塞ぐことで、ボイラーは稼働し続けることができた。 

泥ドラムは鋼鉄製の桁台の上に炉の床面より高く設置され、燃焼に利用できる炉の容積が増加した。この特徴は、当時軍艦で革新的だった石油燃焼の使用を促進することを目的としていた。ホワイト・フォースターの全体的な外観は、後の海軍型とよく似ている。高く設置された泥ドラムや管の形状などの特徴が影響を与えた。^{[ 5 ]}

ホワイト・フォースターボイラーは1906年からイギリス海軍に導入され、軽巡洋艦や魚雷艇駆逐艦に使用された。^{[ 5 ]}

ノルマンボイラーは、フランスのル・アーブルにあるノルマン造船所によって開発されました。フランス、ロシア、イギリス、アメリカ合衆国など、いくつかの国の海軍で使用されました。1896年には、イギリス海軍が26隻のボートに搭載しており、これは他のどの水管式ボイラーよりも多い数でした。^{[ 6 ]}

ノルマンボイラーの初期設計はデュテンプルの発展形であり、管の鋭角な角は滑らかな半径の曲がりに置き換えられたが、S字型は維持されていた。^{[ 7 ]}

ノルマン式ボイラーの設計では、火格子面積に対して特に大きな加熱面積（管表面積）が確保されていた。^{[ 8 ]}この設計の代償として、多数の管列がそれぞれ異なる複雑な形状に曲げられた、密集した管群が生じた。管端は円筒形のドラムに垂直に入り、良好な密閉性を確保した。これらの管すべてに必要な空間は蒸気ドラムの下半分全体を占め、大きなドラムと、乾燥蒸気を集めるための独立した蒸気ドームの両方が必要であった。外部のボイラーケーシングは、片方の端で煙道入口に入り、通常はこのドームを囲んでいた。ドラムの両端は半球状のドームとしてケーシングの外側に伸びていた。ケーシングの外側にある冷水ダウンカマーがこれらのドラムを連結し、冷水の戻り循環経路を提供した。

さらに発展したのがノルマン・シゴーディで、これは2つのノルマンボイラーを背中合わせに連結し、大型船で使用したものです。^{[ 9 ]}これにより、両端から燃焼できる両端式ノルマンボイラー（後にヤローで一般的になったものと同様）が実現しました。

リード式ボイラーは、ジャローのパーマー社で使用されていた。ノルマン式ボイラーに似ており、下降管と円筒形のドラムに垂直に挿入される湾曲した管を備えていた。

ソーニークロフトボイラーは、通常の中央炉を2つに分割した変種です。ドラムは4つあり、中央に垂直に配置された2つのメインドラム（蒸気ドラムと水ドラム）と、炉の外側の端にある2つのウィングドラムです。この設計は、初期の水壁炉の使用で注目されました。外側の管群は浅く、2列の管のみで構成されていました。これらの列は間隔が狭く、管の間にガスの流れがない固体の壁を形成していました。内側の管群も同様で、炉に最も近い2列の管が同様の水壁を形成していました。これらの管は基部で広がっており、管の間にガスの流れのための空間が確保されていました。^{[ 10 ]}管群内では、ガスの流れは初期の設計と同様に管にほぼ平行ですが、後の3ドラムボイラーのクロスフロー設計とは異なります。排気ガスは上部中央ドラムの下にあるハート型の空間に出て、後壁を通って漏斗に排出されました。^{[ 11 ]}

蒸気ドラムは円形で、管の入口は垂直です。管の端はドラムの円周のかなりの範囲に広がっているため、上部の管は水面より上に入ります。したがって、それらは「水没しない」管です。^{[ 10 ]}

上部と下部の中央ドラムはダウンカマーで連結されています。珍しいことに、これらはボイラー内部にあり、排気ガスによって加熱されますが、加熱は強くありません。これらは、ボイラーの中心線上に数本（8本または9本）の4インチ（10cm ）の垂直管として形成されています。熱膨張に対するわずかな柔軟性を持たせるために、浅いS字型に成形されています。^{[ 10 ] [ 11 ]} 小さな翼ドラムは、ボイラーの後部ケーシングの外側にある大きな外部パイプによって、下部中央ドラムのみに接続されています。 

1893年にソーニークロフトで建造された駆逐艦HMSデアリングでの初期の使用により、この設計は「大胆な」ボイラー。^{[ 11 ]}

このボイラーの小型片面バージョンも進水用に製造された。^{[ 11 ]}この最初の小型バージョンでは、翼ドラムも廃止され、水壁管が直角に曲がって中央の水ドラムに戻り、管は火を支える火格子も形成していた。^{[ 11 ]}

ソーニークロフト・シュルツ製ボイラー

後の設計であるソーニークロフト・シュルツ型では、外側の翼がより重要になった。翼のチューブの数が増え、加熱面の大部分を占め、排気ガスの主要な経路となった。翼のドラムは、人が内部に入って清掃や新しいチューブの拡張を行えるほど大きくなった。^{[ 11 ]}

初期のソーニークロフト・マーシャル設計の水管ボイラーは、セクションヘッダーに取り付けられた水平ヘアピン水管を使用していた。これはここで説明するタイプとはほとんど関係がない。^{[ 12 ]}

ヤローボイラーの設計は、ダウンカマーのない直線状の水管を使用しているのが特徴です。上下方向の循環は、同じ管群内で行われます。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

アルフレッド・ヤローは、他の水管設計への対応として、また1877年にヤロー社が他の造船業者に比べて遅れていると感じたことから、このボイラーを開発した。^{[ 16 ]}彼の最初の考えですでに設計の重要な特徴、つまり直線管を備えた3ドラムボイラーが定義されていたが、最初のボイラーが1887年の魚雷艇に供給されるまでには10年間の研究が必要だった。 ^{[ 16 ]}

デザインのその後の進化

水ドラム

ヤロー社製の初期の給水ドラム、いわゆる「水槽」は、平らな管板を備えたD字型で、チューブを垂直に簡単に取り付けられるように設計されていた。管板は水槽にボルトで固定されており、メンテナンスやチューブの清掃のために分解することができた。

この D 形は圧力ドラムには理想的ではない。圧力がかかると、より円形に近い形に変形する傾向があるからである。この変形により、水管がドラムに入る部分から漏れが発生した。これは「ラッパー炎」と呼ばれる問題で、ホワイト・フォースターでも同様の問題が発生した。^{[ 5 ]}ボイラー爆発の経験から、ボイラー内部の鋭い角は溝による浸食を受けやすいことも分かっていた。後のボイラーでは、より丸みを帯びた断面が採用されたが、完全な円筒形ではなく、依然として非対称であった。

ダウンカマー

ヤローボイラーの循環は、バンクの内側と外側のチューブ列間の温度差、特に沸騰速度に依存していた。これは低出力では維持しやすいが、高圧のヤローボイラーでは温度差が小さくなる傾向があり、そのため循環効率が低下する。^{[ 14 ]}後期の高圧ボイラーの中には、加熱された煙道領域の外側に外部ダウンカマーが取り付けられたものもあった。^{[ 19 ]}

過熱器

1900年以降、主に蒸気タービンでの使用を目的として過熱方式が採用された際、最初のヤローボイラーでは過熱器コイルが主管群の外側に配置されました。後の設計では非対称になり、片側の管群が二重になり、その間にヘアピン管過熱器が配置されました。^{[ 20 ]}

マムフォードボイラーは、コルチェスターのボイラーメーカー、マムフォード社が製造した小型ボート用ボイラーの一種である。管群は2つのグループに分かれ、短い管は互いにわずかに湾曲している。下部水ドラムへの入口は垂直で、管が別々の面から入るほぼ長方形のドラムが必要だった。このような形状の機械的弱点は、この小型サイズでは許容範囲内であったが、ボイラーの潜在能力を制限した。ケーシングは小さく、上部蒸気ドラムの一部のみを覆い、直接漏斗につながっていた。逆T字型のダウンカマー1本がボイラー後部でドラムを連結していた。^{[ 22 ]}

ウールナウ設計は、センティネル社が大型鉄道機関車に採用した。ほぼ直線状の管を持つ点で、他の多くの3ドラム式設計と似ていた。その特徴は、炉の3分の2の高さに耐火レンガの壁があることだった。炉格子はこの壁の長い方にあり、燃焼ガスは管群を通って鋼鉄製の外殻内を通り、短い方の管群内に戻る仕組みになっていた。管の外側のガス流には、コイル状の管型過熱器が配置されていた。そのため、燃焼ガスは管群を2回通過し、1回は外側へ、もう1回は内側へと流れる。通常のように管の外側からではなく、奥の端の中央から煙突が1本だけ排気されていた。管群の2つの部分を通過するガスの温度差によって、最初の高温部分では上向き、奥の低温部分では下向きの循環流が生じた。循環は、上部水ドラム内の内部堰板によっても制御され、高温のチューブの端より上に水深を保つことで、乾燥したチューブの過熱を防いでいた。^{[ 23 ]}

センティネル社は、通常の小型垂直ボイラーの代わりに、大型機関車の多くにウールナウ式ボイラーを採用した。^{[ 24 ]}これには、LNER ^{[ 25 ]}およびLMS ^{[ 26 ]}向けのレールカーも含まれる。センティネル社がウールナウ式ボイラーを最もよく使用したのは、「コロンビア」連接機関車である。これらは、1934 年に製造されたCo-Co車輪配置の4 両のメーターゲージ機関車である。 ^{[ 27 ]}これらは、 550 psi (3.8 MPa)という異常に高い圧力で運転され、各車軸は、アブナー・ドブレが設計した独立した蒸気モーターによって駆動された。最初の 1 両はベルギー国鉄に納入され、次の 3 両はコロンビアのSociété National des Chemins de Fer en Colombe向けに製造されたが、最初に試験のためにベルギーに輸送された。これらの機関車の現存する写真のほとんどはベルギーで撮影されたものである。彼らがコロンビアに到着してからの経緯についてはほとんど知られていない。  

ヤローの後の発展形として、第一次世界大戦と第二次世界大戦の間にイギリス海軍向けに開発されたアドミラルティ三胴ボイラーがある。 ^{[ 2 ] [ 28 ]}設計作業の多くはハスラーのアドミラルティ燃料実験ステーション^{[ i ]}で行われ、最初のボイラーは1927年のA級駆逐艦3隻に設置された。 ^{[ 29 ]}これらのボイラーは、イギリス海軍のボイラーの新しい標準運転条件である300psi （2.0MPa）/ 600 °F（316 °C）を確立した。    

設計は、後の高圧および石油燃焼式のヤロー型ボイラーと概ね類似していた。水ドラムは円筒形で、ダウンカマーは使用される場合もあったが、常に使用されるわけではなかった。唯一の大きな違いは、チューブバンクにあった。各チューブは直線ではなく、ほぼ直線であったが、端に向かってわずかに曲がっていた。これらはバンク内に2つのグループで設置され、バンク内に隙間が形成された。過熱器はこの隙間内に配置され、蒸気ドラムからフックで吊り下げられていた。過熱器をここに配置する利点は、バンクの内側と外側のチューブ間の温度差が大きくなり、循環が促進されることであった。発展した形態では、ボイラーは過熱器の炉側に4列、外側に13列のチューブを備えていた。^{[ 29 ]}

鉄道機関車に使用された唯一の大型3ドラムボイラーは、ナイジェル・グレスリーが1924年にLNER社向けに製作した実験用エンジン10000号機である。^{[ 31 ]}グレスリーは船舶での高圧と複式エンジンの利点を観察し、鉄道機関車でこのアプローチを実験することに熱心であった。陸上用ボイラーと同様に、ハロルド・ヤロウはヤロウのボイラーの市場を拡大することに熱心であった。

このボイラーは、一般的なヤロー式ボイラーの設計とは異なっていた。特に循環経路に関しては、ウールナウ式ボイラーなど、他の3胴式ボイラーと共通点が多かった。また、ブロタン・デフナー式水管火室の進化形であり、火室が拡張されてボイラー全体になったものとも言われている。

作動圧力は450ポンド/平方インチ（31バール）であり、同時代のグレスリーA1機関車の180ポンド/平方インチ（12バール）とは対照的であった。  

ボイラーは、2つの細長い船舶用ヤローボイラーを端と端を合わせて配置したような形状をしていた。どちらも、中央の大きな蒸気ドラムの上に2つの独立した水ドラムがあり、4列のわずかに湾曲した管で連結されているという、ヤローボイラー特有の配置になっていた。上部のドラムは共有されていたが、下部の水ドラムは別々だった。後方の「火室」部分は幅が広く、フレームにまたがっており、水ドラムは積載限界に位置していた。前方の「ボイラー」部分は狭く、水ドラムはフレームの間に配置されていた。外側のケーシングの幅はほぼ同じだったが、前方部分の管群ははるかに接近していた。管の外側の空間は、前方に伸びる一対の排気管を形成していた。これらの排気管の壁の外側、ボイラーケーシングの内側の広い空間は、煙室扉の下にある粗雑な長方形のスロットである吸気口からの空気ダクトとして使用され、燃焼用空気の予熱と、外側ケーシングの過熱防止のための冷却の両方の効果があった。蒸気発生管の間の中央空間には、縦方向の過熱管が配置されていた。前方の第3区画には、過熱管ヘッダー、レギュレーター、煙室が配置されていたが、加熱面は設けられていなかった。ボイラーの外側ケーシングは全体を通してほぼ同じ幅で、全体的に三角形だが曲線的な外観を呈していた。各区画の下端は一段上方に伸びており、外部から見てもその形状がはっきりと確認できた。

燃焼は石炭で行われ、従来の機関車の片側火扉を通して片側のみから行われ、火夫は1人だけだった。片側燃焼と、ヤローの通常のバンク貫通ガス流と比較して主に縦方向のガス流のため、ボイラーの前部と後部の間に顕著な温度差が生じた。このため、特に第2セクションでは、通常のヤローではなく、ウールナウのように水ドラムを縦方向に流れる水の循環流となった。後壁まで水管が通っている第1セクションは、放射加熱され、実質的には水壁炉であり、チューブバンクを通るガス流はなかった。それでも、チューブは4列使用されていた。第2セクションでは、鋼鉄と耐火レンガのバッフルによってガス流が配置され、燃焼ガスが中央から入り、チューブバンクを通って側面の煙道に流れ込むことで、対流熱伝達が向上した。