www.timberships.fora.pl

kgerlach

PODSTAWY DZIAŁANIA I KONSTRUKCJI SILNIKÓW PAROWYCH NA OKRĘTACH XIX WIEKU

WPROWADZENIE
Cykl ten przeznaczony będzie dla pasjonatów interesujących się oryginalnymi, bardzo pomysłowymi, a czasem nawet dziwacznymi konstrukcjami pierwszych silników parowych używanych na dziewiętnastowiecznych okrętach (głównie wojennych, lecz o najbardziej typowe maszyny wykorzystywane na statkach cywilnych również zahaczę), kiedy podstawowym pędnikiem pozostawał ciągle żagiel.
Napisano już wiele książek o zbliżonej tematyce, koncentrujących się na historii i ewolucji napędu mechanicznego, związanych z nim wynalazcach i ich sporach o pierwszeństwo przy okazji pojawiania się poszczególnych rozwiązań. W przeciwieństwie do tamtych prac skupiłem się tutaj na powodach stosowania konkretnych konstrukcji, konsekwencjach, jakie przynosiły, a przede wszystkim jak dokładnie działały i jak mniej więcej wyglądały w praktyce. Przy takim założeniu jest oczywiste, że obszerne partie poświęcone będą wielu dodatkowym mechanizmom (zaworom, pompom skroplin, urządzeniom nawrotnym, kotłom, wodzikom, prostowodom, skraplaczom itd.), bez których ówczesne silniki parowe nie mogłyby w ogóle pracować. Dodawały też dziewiętnastowiecznym maszynom parowych specyficznego, urokliwego kolorytu. Najczęściej to, co najbardziej rzuca się w oczy na nielicznych zabytkach, liczniejszych rekonstrukcjach, dokładnych modelach czy starych rycinach, nie jest bowiem cylindrem czy tłokiem silnika, lecz właśnie komorą zaworu suwakowego, stawidłem Stevensona, krzyżulcem, zbiornikiem skroplin, prostowodem Watta itp.
Konstruktorzy tamtego stulecia dbali na ogół nie tylko o sprawne funkcjonowanie budowanych maszyn, ale i o wrażenie estetyczne, jakie wywierały – posuwając się np. do takich działań, jak nadawanie zwykłym wspornikom kształtów i zdobień rodem z greckich czy rzymskich kolumn. W efekcie wytwory ich talentu można podziwiać również jako dzieła sztuki, podobnie jak dzisiejsze silniki samochodów Ferrari czy Maserati – oczywiście przy uwzględnieniu zdecydowanej różnicy ówczesnych i obecnych gustów.
Ponieważ dokładniejsze zrozumienie niektórych zagadnień wymaga od czytającego minimalnej wiedzy z zakresu mechaniki, termodynamiki itp., zamierzam omówić działanie bardziej złożonych urządzeń w dwóch etapach. W pierwszym przedstawię ogólne zasady budowy i funkcjonowania. Mam nadzieję, że po zapoznaniu się z nimi, każdy - bez względu na kierunek wykształcenia - będzie w pełni świadomy powodu zastosowania danego rozwiązania i sposobu osiągnięcia celu. Miłośnikom historii żeglugi czy modelarzom znajomość fragmentu pogłębiającego jest zupełnie zbędna. Bez niego obraz byłby jednak niepełny z punktu widzenia praw natury.

SCHEMATY DZIAŁANIA PODSTAWOWYCH ODMIAN PIERWSZYCH PRAKTYCZNYCH SILNIKÓW PAROWYCH
Atmosferyczny silnik tłokowy Newcomena.
W 1705 roku angielski rzemieślnik Thomas Newcomen (1663-1729) wspólnie ze szklarzem Johnem Cawleyem, wzorując się na wcześniejszych pracach Denisa Papina oraz na pompie Thomasa Savery’ego, zbudowali atmosferyczny silnik tłokowy. Idea jego działania polegała przede wszystkim na tym, że cylinder ponad tłokiem był całkowicie otwarty, a doprowadzana pod tłok para miała bardzo niskie ciśnienie, zbliżone do atmosferycznego. W rezultacie na dolną i górną powierzchnię tłoka działały niemal takie same siły, nie będąc w stanie nim poruszać. Podniesienie zapewniał więc ciężar tłoczyska pompy (którą silnik obsługiwał), zawieszonego na drugim końcu dwuramiennej dźwigni – wahacza, zwanego w czasach pierwszych polskich parowców swojsko balansjerem. Kiedy duża, zamknięta przestrzeń cylindra pod tłokiem całkowicie zapełniła się parą - wypychającą stąd powietrze - doprowadzano do jej skroplenia przez wtrysk drobnej ilości zimnej wody. Skroplona para ma znacznie mniejszą objętość niż w stanie lotnym (na przykład 1 kg pary nasyconej o ciśnieniu 0,2 ata ma objętość 68 metrów sześciennych, a po skropleniu – 68 tysięcy razy mniejszą!), zatem w pozostałej części przestrzeni pod tłokiem powstawała próżnia [Teoretycznie, ponieważ w praktyce znajdowały się tam jeszcze rozmaite gazy doprowadzane razem z parą wodną i wodą, a nie ulegające skropleniu, oraz wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia z układu zasilania]. Teraz zwykłemu ciśnieniu atmosferycznemu panującemu w otoczeniu silnika (w tym oczywiście także nad tłokiem) nie przeciwstawiało się już równoważące ciśnienie powietrza z drugiej strony, więc powstawała siła skierowana w dół. W połączeniu z ciężarem tłoka i typowego dla silników Newcomena uszczelnienia wodnego, wystarczało to dla pociągnięcia tego końca balansjera ku dołowi, a tłoczyska pompy ku górze i dla wykonania pożądanej pracy (rys.1). Oczywiście taki cykl nieustannie powtarzano. Aby miał on sens praktyczny, wszystkie ruchy zaworów (doprowadzającego parę z kotła do cylindra, doprowadzającego zimną wodę do cylindra dla skroplenia zawartej w nim pary) oraz pomp musiały być ściśle i automatycznie zsynchronizowane z fazą ruchu tłoka – uzyskiwano to przez sprzężenie mechaniczne z balansjerem.

Rys.1. Silnik atmosferyczny Newcomena do napędu pompy kopalnianej. 1-cylinder; 2-tłok; 3-uszczelnienie wodne; 4-tłoczysko silnika; 5-łańcuch; 6-wahacz (balansjer); 7-tłoczysko pompy głównej; 8-tłoczysko pompy zasilającej silnik; 9-zawór na rurze doprowadzającej wodę do skraplania pary w cylindrze; 10-trzon rozrządu zaworów; 11-zawór odcinający dopływ pary do cylindra; 12-kocioł; 13-palenisko; 14-zbiornik skroplin.

Ze względu na doprowadzanie pary tylko po jednej stronie tłoka, brak wykorzystywania jej do pchania, a także ciągłe naprzemienne ogrzewanie cylindra (gorącą parą) i chłodzenie go (zimną wodą), atmosferyczny silnik Newcomena miał jedną podstawową zaletę i liczne wady. Zaletą tą była zwartość, co dawało niewiele części mogących ulec awarii i małą przestrzeń potrzebną do instalacji – rzeczy niezwykle istotne w ewentualnym zastosowaniu na okrętach. Jednak wady przeważały. Straty ciepła marnotrawionego w cylindrze, wykonywanie suwu roboczego tylko przy ruchu w dół i niewielkie różnice ciśnień dających siłę napędową, przyczyniały się do małej efektywności pracy oraz ogromnego zużycia paliwa. Na lądzie, w porcie czy na rzece miało to znaczenie wyłącznie ekonomiczne, lecz zarazem wykluczało zastosowanie takiego silnika do napędu okrętów pełnomorskich. Te musiały bowiem zabierać ze sobą cały zapas paliwa przewidziany przynajmniej na jeden etap rejsu, nie będąc w stanie co chwila przybijać do lądu.

POJAWIENIE SIĘ PAROWYCH OKRĘTÓW WOJENNYCH
Idea napędzania jednostek pływających za pomocą pary jest znacznie starsza niż istnienie skutecznych silników parowych, chociaż prawda miesza się tu często z legendami i celowymi kłamstwami. Na przykład Hiszpanie twierdzili, jakoby statek napędzany przez „tajemniczy i zakryty” kociołek z gotującą się wodą wynalazł już w pierwszej połowie XVI wieku ich rodak Blasco de Garay, ale dowiedziono, że to bzdura. W rzeczywistości kapitan Blasco de Garay dokonał w 1543 r. w Barcelonie udanej próby napędzania 209-tonowego statku Trinidad za pomocą kół łopatkowych, obracanych siłą mięśni 25 lub więcej ludzi. Podobno smutno się to dla niego skończyło, ponieważ trafił oczywiście w łapy „Świętej” Inkwizycji, badającej, czy aby nie wszedł w kontakt z diabłem. Dopiero w 1825 r. dyrektor archiwum w Simancas, Tomás Gonzáles, posiłkując się w równej mierze czystą fantazją, co poczuciem źle pojętego patriotyzmu, całkowicie bezpodstawnie przypisał de Garay’owi użycie pary, aby przyznać pierwszeństwo w tej dziedzinie Hiszpanowi. Chociaż jeszcze w XIX wieku uczeni francuscy, brytyjscy i przede wszystkim hiszpańscy udowodnili fałszerstwo Gonzálesa, to dzięki zwolennikom podtrzymywania „dumy narodowej” historia ta zaczęła oczywiście żyć własnym życiem i do dzisiaj można przeczytać pełno pasjonujących opisów okrętowego silnika parowego de Garay’a, także w internecie. Coś jak z naszym zmyślonym odkrywcą Ameryki, Janem z Kolna. Raz puszczone w obieg kłamstwo jest absolutnie niezniszczalne, bowiem pomimo wszelkich dowodów zawsze znajdą się ludzie, nawet wśród historyków, którzy będą je podtrzymywać z powodów „patriotycznych”. Podobne odkrycia z historii techniki są zresztą nagminne w wielu krajach, a uczeni radzieccy uczynili wręcz z nich swego czasu odrębną specjalność, znaną ogólnie pod nazwą – od tytułu sztandarowego dzieła - „Rasskazy o russkom pierwienstwie”.
W 1630 roku Anglik David Ramsey (zmarł 1653) opatentował wizję „podnoszenia za pomocą ognia wody z głębokich studni i napęd łodzi, statków i barek przy przeciwnym silnym wietrze i pływach”, lecz trudno zgadnąć, jak to sobie wyobrażał, gdyż urządzenie nigdy nie ujrzało światła dziennego. Wiele patentów z XVII wieku dotyczy zresztą napędu strugowodnego statków, a nie za pomocą parowych silników tłokowych obracających kołami łopatkowymi czy śrubą, jak to ostatecznie zrealizowano [Aczkolwiek już w 1690 r. opublikowano pracę z rysunkiem silnika tłokowego, który według autora, francuskiego fizyka i wynalazcy, Denisa Papina (1647-1714), miałby napędzać statek za pomocą kół łopatkowych]. W każdym razie praktycznych prób nie rozpoczęto przed drugą połową XVIII wieku. Ich historia jest równie fascynująca jak zagmatwana, a obejmuje tak oryginalne pomysły jak poruszanie płetwami na wzór kończyn ptaków wodnych, napęd parowo-wiosłowy lub odpychanie się od dna żerdziami poruszanymi przez silnik. Ja jednak pominę tu wszystkie pionierskie konstrukcje lokowane na rzecznych barkach cywilnych oraz podobnych statkach, i przejdę od razu do okrętów wojennych.
Za pierwszą na świecie jednostkę wojenną napędzaną parą uważa się amerykańską pływającą baterię Demologos projektu słynnego Roberta Fultona (1765-1815) [Konstruktora okrętów podwodnych, niesamobieżnych torped i ekonomicznych parowców pasażerskich], zwodowaną 29.10.1814, niewiele zaś później (w 1815 r.) Admiralicja brytyjska zleciła eksperymentalne zainstalowanie silnika parowego na okręcie Congo.
W każdym razie, do tego czasu rynek został już zdominowany przez typowy silnik Jamesa Watta, z pracą uzyskiwaną przez działanie ciśnienia pary, której pozwalano się też rozprężać (po zamknięciu zaworu wlotowego), dwustronnego działania, ze skraplaniem wyprowadzonym poza cylinder i realizowanym w skraplaczu. Niezależnie od szczegółów rozwiązań, większość najważniejszych elementów owych maszyn parowych działała identycznie we wszystkich konstrukcjach, zdradzając swoje pochodzenie od silników napędzających pompy w kopalniach.

IDEA PRACY PIERWSZYCH MASZYN PAROWYCH NA OKRĘTACH WOJENNYCH
Pierwotnym, stosowanym przez dziesięciolecia i przez to naturalnym położeniem cylindra był pion, z tłoczyskiem skierowanym ku górze. Nieefektywne silniki miały względnie duże rozmiary, a pierwsze bocznokołowce, na których je instalowano – niewielkie. W tej sytuacji umieszczenie cylindrów pod wałem kół łopatkowych nie wchodziło w grę, a po ich wzajemnym przesunięciu potrzebny był mechanizm do przeniesienia ruchu tłoczyska na leżący w innej płaszczyźnie wał korbowy. Powszechnie stosowano rozmaite dźwignie (balansjery, wahacze), chociaż próbowano też zespołów przekładni zębatych.
Ostateczną zamianę ruchu wahacza po łuku na ruch obrotowy wału korbowego dawała korba, aczkolwiek opatentowanie tego pomysłu - znanego wszystkim od dawna i stosowanego w maszynach Watta - przez pewnego cwaniaczka w 1780 r., zmusiło słynnego konstruktora do wykorzystywania przez wiele lat pomysłowej, lecz skomplikowanej, droższej i gorszej przekładni epicyklicznej.
Parę pod niewielkim ciśnieniem wprowadzano po jednej stronie tłoka, wyprowadzając wcześniejszą porcję z drugiej strony. W pewnej chwili zawór zamykał dolot, ale para się rozprężała, zapewniając dalszą część suwu tłoka (proporcje tych dwóch faz były ważnym czynnikiem wpływającym na ekonomiczność silnika). Potem zawór otwierał dolot świeżej pary z przeciwnej strony i umożliwiał wypchanie zużytej. Oczywiście wszystko to musiało zachodzić automatycznie, zgodnie z prędkością tłoka, czyli trzeba było zapewnić sprzężenie walu korbowego z zaworem.
Aby nie ponosić wielkich strat cieplnych na przemienne ogrzewanie i chłodzenie cylindra, Watt wyprowadzał parę jeszcze nie skroploną, lecz do skroplenia musiało dochodzić – stosowana wówczas w maszynach okrętowych para pod bardzo niskim ciśnieniem nie poradziłaby sobie bez pomocy próżni z drugiej strony tłoka. Zresztą nawet w najnowocześniejszych silnikach parowych wielkość próżni powstającej w skraplaczu miała bardzo znaczący wpływ na moc i sprawność [Próżnia zwiększa wysokość wykresu indykatorowego w tym miejscu, gdzie jest on najszerszy, ma więc wielki wpływ na pole]. Potrzebowano więc skraplacza i potrzebowano pompy dostarczającej wodę powodującą skroplenie pary.
Jednak próżnia w skraplaczu nie utrzymywała się samoczynnie, ponieważ przez różne nieszczelności, a przede wszystkim z samą parą, dostawało się do niego powietrze i inne gazy. Aby zatem utrzymać żądany poziom próżni, należało stale usuwać ze skraplacza wszelkie płyny – gazy i skropliny. W owych czasach służyła do tego pompa skroplinowo-powietrzna. Bardzo wyrazistą zewnętrznie cechą większości wczesnych maszyn parowych na okrętach, nie spotykaną później, był bardzo wysoki – jeśli liczyć go razem z przedłużeniem w postaci stożka powietrznego, czyli kanału do odprowadzania gazów - zbiornik skroplin; konstruktorzy obawiali się wtedy, że w przeciwnym wypadku skroplona para mogłaby zalewać przedział silnikowy.
Skropliny dostarczano następnie do kotłów za pomocą pompy skroplin.
Niezbędne były jeszcze rozmaite mechanizmy pomocnicze: rozrząd zaworów, regulator obrotów, zawór bezpieczeństwa, mechanizm nawrotny (by móc zmienić kierunek obrotów wału korbowego), nieco później zawór ekspansyjny i pozostałe urządzenia, głównie pompy.
Ponieważ na wczesnych parowcach nie było innych źródeł napędu, wszystkie mechanizmy pomocnicze musiały być wprawiane w ruch przez sam silnik główny, czyli być połączone z tłoczyskiem, balansjerem, wałem korbowym lub korbą ogromną liczbą różnorodnych dodatkowych dźwigni.
Podstawowe elementy boczno-wahaczowego silnika okrętowego z pierwszej połowy XIX w. przedstawione są na rys.2.

Rys.2. Silnik boczno-wahaczowy, najpopularniejszy typ w pierwszej połowie XIX w.
Para doprowadzana była rurociągiem 1 do płaszcza 2 wokół całego cylindra, skąd zaworem ekspansyjnym 3 dochodziła do przestrzeni 4 pod zaworem suwakowym. W przedstawionym na rysunku położeniu suwaka nie mogła przedostać się w górę, a jedynie otwartym kanałem 5 do przestrzeni cylindra 6 pod tłokiem 7, pchając go do góry. W ten sposób zmniejszała się przestrzeń 8 nad tłokiem, który wypychał stąd zużytą wcześniej parę przez otwarty kanał 9 (to ten robaczek na prawo od 8); jej dalsza droga prowadziła przez puste wnętrze suwaka 10, do skraplacza 11, gdzie ją na razie zostawmy. Przesuwający się w górę tłok 7 poruszał tłoczyskiem 12 i poprzez krzyżulec 13 przekazywał napęd na boczne drążki (widzimy jeden w przepołowionej maszynie) 14. Ruch drążków 14 przenoszony był na boczne wahacze (balansjery) 15, czyli proste – chociaż bardzo masywne – dźwignie dwuramienne o osi obrotu nieco na południowy-wschód od liczby 32. Połączone przegubowo z wahaczami drążki boczne 16 poprzez krzyżulec 17 poruszały trzonem 18 zaworu suwakowego. Na rysunku jest on w położeniu dolnym – po przesunięciu suwaka w górę, świeża para z przestrzeni podsuwakowej 4 wchodziła kanałem 9 nad tłok 7, a zużyta para spod tłoka wydostawała się kanałem 5 wprost do skraplacza 11. Na drugim końcu bocznych balansjerów drążki 19 przekazywały napęd krzyżulcowi 20, a on – korbowodem 21 – korbie 22 (wbrew konwencji rysunku dałem całą, dla jasności), stanowiącej część wału korbowego 23 (najczęściej – nie zawsze – tożsamego z wałem kół łopatkowych). Przegub na bocznym wahaczu pozwalał przenosić jego ruch na boczny drążek 24, który przez krzyżulec 25 poruszał tłoczyskiem 26 pompy skroplinowo-powietrznej 27. Teraz rurką 28 wtryskiwano zimną wodę do zużytej pary, którą pozostawiliśmy w skraplaczu 11 – w takich warunkach ulegała skropleniu. Przy ruchu w górę tłoka pompy skroplinowo-powietrznej otwierał się samoczynnie zawór skrzydełkowy 29, dzięki czemu podciśnienie pod tłokiem wciągało tam skropliny i wymieszane z nimi gazy. Równocześnie, zamknięte samoczynnie zawory skrzydełkowe 30 powodowały, że u góry tłok wypychał poprzednią porcję skroplin i powietrza kanałem 31 oraz zaworem skrzydełkowym 32 do zbiornika skroplin 33, przy czym gazy (głównie powietrze) uchodziły stożkową rurą 34. Przy ruchu tłoka pompy skroplinowo-powietrznej w dół, samoczynnie zamykały się zawory 32 i 29, a otwierały zawory 30, dzięki czemu skropliny ze zbiornika 33 nie cofały się do pompy, a z przestrzeni 27 pod tłokiem nie cofały się do skraplacza 11, tylko przepychane były nad tłok.

kgerlach

Przejście od silnika Watta napędzającego pompy kopalniane, do maszyny parowej obracającej wałem kół łopatkowych okrętu, odbyło się pierwotnie na zasadzie przeniesienia całej konstrukcji niemal „żywcem”, ale wymagało kilku całkiem nowych rozwiązań.
„Huśtający się” w górze wahacz (balansjer) nie mógł być w obu przypadkach połączony bezpośrednio z tłoczyskiem, ponieważ końcówka dźwigni podpartej na prostym przegubie o jednym stopniu swobody poruszała się po łuku, a nie wzdłuż linii pionowej. Wymagałoby to więc absurdalnego cylindra toczącego się na kółkach lub jeszcze głupszego gumowego tłoczyska (rys. 3). Jednak w silniku jednostronnego działania, używanego do napędu pompy, tłok wykonywał suw pracy tylko w dół, zatem tłoczysko można było połączyć z balansjerem zwykłym łańcuchem nakładającym się na łuk wieńczący koniec wahacza. Ponieważ ruch w przeciwną stronę zapewniała za darmo grawitacja za pośrednictwem ciężkiego drąga (tłoczyska lub cięgna) pompy, jej czerpaka i słupa wody, łańcuch znowu pracował wyłącznie na rozciąganie, do czego go wymyślono (rys. 4). Tymczasem w silniku dwustronnego działania, kiedy oba suwy tłoka były robocze, takie rozwiązanie oznaczałoby bezpodstawną wiarę w możliwość wykorzystania łańcucha także do pchania (rys. 5). Trzeba było zatem wymyślić połączenie między poruszającym się po łuku końcem balansjera a poruszającym się po prostej tłoczyskiem, nadające się zarówno do ciągnięcia, jak pchania, na dodatek samoczynnie wymuszające prostoliniowy ruch tłoczyska.

Rys.3. Po lewej problem braku współgrania między ruchem prostoliniowym a ruchem po łuku (numery 1, 2, 3 odpowiadają pozycjom tłoka i końca tłoczyska), po prawej niepraktyczne metody wybrnięcia z tej trudności.

Rys.4. Połączenie tłoczyska silnika oraz cięgna pompy z sektorami łukowymi balansjera za pośrednictwem łańcuchów. Bardzo dobre rozwiązanie, pod warunkiem zapewnienia wyłącznie sił rozciągających. Czarne strzałki oznaczają suwy robocze, białe – suwy bierne.

Rys.5. Silnik dwustronnego działania - z parą doprowadzaną po obu stronach tłoka - czyli skazana na niepowodzenie próba pchania łańcucha przy suwie roboczym w górę.

W tym miejscu można by się zastanowić, dlaczego nie łączono tłoka z wałem korbowym od razu za pomocą korby (maszyna beztłoczyskowa), jak to ma miejsce we współczesnych silnikach spalinowych (rys. 6). Odpowiedź jest równocześnie prosta i nieco złożona. Prosta, gdyż próbowano od razu takiego rozwiązania, ale bez większego powodzenia (poza specjalną maszyną o tłoku rurowym). Złożona, ponieważ da się to względnie łatwo zrobić tylko w silnikach jednostronnego działania, a te nadają się dobrze do wytwarzania ruchu obrotowego jedynie gdy pracują przy dużych prędkościach. Tymczasem znaczne zwiększenie prędkości parowych silników tłokowych stało się możliwe dopiero po udoskonaleniu w 1865 r. rozrządu zaworowego. W rezultacie PRZYNAJMNIEJ do tego czasu najlepszym rozwiązaniem był silnik dwustronnego działania, a to zawraca nas do problemu takiego zespolenia tłoczyska z wahaczem za pomocą jakiegoś łącznika sztywnego, które wyeliminowałoby boczne siły wyginające tłoczysko.

Rys.6. Silnik z korbowodem mocowanym wprost do tłoka, pozbawiony tłoczyska. W sposób prosty i przy zwartej budowie możliwy do wykonania tylko jako jednostronnego działania – z czynnikiem roboczym doprowadzanym wyłącznie po bezkorbowodowej stronie tłoka.

Watt wymyślił np. zębatkę na tłoczysku i segment zębaty na wahaczu (rys. 7), lecz konstrukcja nie bardzo sprawdzała się w praktyce. Jednak w 1782 r. wynalazca ten uzyskał, pod numerem 1321, patent na system przegubowo połączonych prętów tworzących mechanizm zwany prostowodem albo równoległowodem, często również czworobokiem przegubowym. Miał on być wykorzystywany z powodzeniem przez dziesięciolecia w silnikach parowych, znalazł też (i znajduje do dzisiaj) masę innych zastosowań, np. służył do prowadzenia tylnej osi typu De Dion w niektórych sportowych autach Maserati w latach 1950. i 1960.

Rys.7. Tu zarówno ruch tłoka w dół jak w górę mógł być suwem roboczym, a tłoczysko – czy to pchając czy ciągnąc – nie musiało się wyginać dla połączenia z łukiem wahacza. Jednak w praktyce konstrukcja spisywała się nienadzwyczajnie.

W okrętowych maszynach parowych prostowody Watta przybierały niemal nieskończoną liczbę rozmaitych postaci, a włączenie się do ich projektowania wielu innych inżynierów zaowocowało też łączeniem tych odmian z rozmaitymi nazwiskami. Na rys. 8 i 9 widać przykładowe rozwiązania – to ostatnie użyte właśnie na pierwszym parowcu Royal Navy, nieudanym okręcie Congo. Do specyficznych konstrukcji prostowodów w konkretnych silnikach będę jeszcze wracał.

Rys.8. Przykładowy prostowód Watta. Wahacz (balansjer) w swoim ruchu wokół punktu podparcia zajmuje kolejne pozycje, wyodrębnione tu jako B1, B2, B3 i B4. Do jego ramienia przymocowane są przegubowo pręty tworzące równoległobok „abcd”. Punkt „a” jest zarazem miejscem połączenia z tłoczyskiem. Przy przejściu z pozycji B1 (linia ciągła) do pozycji B2 (linia przerywana), punkt „b” porusza się po łuku r1, zaś punkt „c” po łuku r2. Zarazem wszystkie pręty równoległoboku zmieniają swoje położenie, lecz nie całkiem swobodnie, gdyż dodatkowy element sztywny, obracający się wokół przegubu N o stałym położeniu, wymusza ruch punktu „d” po łuku r3. W rezultacie pręt „cd” – niezależnie od podejścia do góry z balansjerem – musi odchylić się dołem w prawo. Ponieważ w równoległoboku przegubowym „abcd” zostaje zachowana równoległość przeciwstawnych boków, oznacza to zarazem pociągnięcie w prawo punktu „a” i utrzymanie go w tym samym pionie, w którym znajdował się w pozycji „1”. Zatem ruch końca tłoczyska przy zmianie pozycji z „1” na „2” wymuszany jest po prostej. Podobnie jest w położeniu wahacza B3 (linia „kreska-kropka”), kiedy jeszcze silniejsze wypchnięcie (po łuku r3) punktu „d” w prawo, wymusza jeszcze silniejsze ściągnięcie w prawo punktu „a”, tym razem do położenia „3”, znajdującego się idealnie nad „1” i „2”. W położeniu wahacza B4 (linia kropkowa) punkt „d” wraca po łuku r3 z grubsza do pierwotnego pionu (oczywiście znajdując się już znacznie wyżej), co odpycha punkt „a” w lewo i sprawia, że w pozycji „4” znajduje się dokładnie nad „1”, „2” i „3”. Ponieważ czworobok przegubowy wykonany jest ze sztywnych prętów, może zarówno ciągnąć, jak pchać balansjer, a wprowadzenie dodatkowej dźwigni, ograniczającej możliwość ruchu punktu „d” tylko do określonego łuku, jest przyczyną, dla której mimo ruchu końca wahacza po łuku, połączone z nim poprzez czworobok tłoczysko porusza się wyłącznie po linii prostej i nie jest zginane.

Rys.9. Praktycznie ta sama konstrukcja prostowodu co na rysunku poglądowym 8, ale tu w rozwiązaniu (idea) na parowcu Congo w 1815 r. Zdwojone drążki czworoboku przegubowego „1”, „2” i „3” (czwarty bok tworzy oś wzdłużna balansjera) narysowane dla jasności linią kreskową. Dzięki dźwigniom „4” o stałej osi obrotu ruch elementów czworoboku nie jest całkiem dowolny i zapewnia pionowy tor przesuwania się tłoczyska 5.

Krzysztof Gerlach

CDN

kgerlach

CZĘŚĆ ROZSZERZONA O PROSTOWODACH, do strawienia tylko dla (niektórych) inżynierów. Pozostałym zaleca się ominięcie szerokim łukiem.

W poprzedniej części dobrałem możliwe proste przykłady prostowodów, by po wyjaśnieniu potrzeby ich stosowania naświetlić poglądowo ideę działania. Jednak przyjęcie na serio tezy, że do sprawnej pracy wystarczyło zainstalowanie na przegubie, w linii działania tłoczyska, byle jakiej dźwigni i doczepienie jej do czworoboku przegubowego, oznaczałoby niczym nie uzasadniony optymizm. W rzeczywistości punkty obrotu i długości poszczególnych elementów równoległowodu oraz wahacza i tłoczyska są ze sobą ściśle powiązane, a ich prawidłowy dobór był/jest przedmiotem obliczeń matematycznych. W połowie XIX w. precyzowano bardzo konkretnie, że umiejętność projektowania prawidłowych dla danego silnika elementów prostowodu jest jedną z niezbędnych i podstawowych kwalifikacji każdego mechanika okrętowego.
Poniżej podaję nieco zmodyfikowane dla jasności tłumaczenie i kwintesencję takich obliczeń, podanych w angielskim podręczniku budowy okrętowych maszyn parowych (przeznaczonym dla oficerów Royal Navy, a napisanym przez wykładowców Royal Naval College), wydanym w 1855 r. Autorzy wybrali do analizy taki sam silnik z bocznymi wahaczami, jaki przedstawiłem na rys. 2.

Na poniższym diagramie (rys. 10) odcinek DF reprezentuje drążek boczny nr 14 z rysunku 2, przy czym właściwe położenie punktu D jest na razie zagadką. Odcinek FO obrazuje z kolei połówkę bocznego wahacza (balansjera) tamtego silnika, czyli punkt O jest środkiem wahań balansjera. Pręty GB oraz BC łączą się ze sobą (przegubowo) w punkcie B. Doczepiając teraz pręt GB do bocznego drążka DF w punkcie G, a pręt BC do wahacza FO w punkcie C, zamykamy równoległobok przegubowy. Potrzebna jest jednak ta newralgiczna dźwignia prowadząca, tu wyobrażona pod postacią odcinka AB, łącząca się z oboma prętami w punkcie B, a obracana w przegubie A o niezmiennym położeniu. Celem obliczeń jest takie ustalenie długości elementów prostowodu, by podczas wahań balansjera po łuku względem osi obrotu w O, zapewnić niezmienność pionowego przesuwania się punktu D, na wysokości którego drążki boczne łączą się z tłoczyskiem za pomocą krzyżulca (nr 13 na rys. 2).

Rys.10.

Z diagramu 10 przenosimy na nowy rysunek (nr 11) trzy wyróżnione tam odcinki: AB, BC i CO.

Rys.11.

Wahacz kiwa się w punkcie podparcia O, co powoduje przejście punktu C do punktu C’ wzdłuż łuku o promieniu równym CO. Natomiast dźwignia prowadząca prostowodu AB, obracając się w punkcie A powoduje zmianę położenia punktu B w punkt B’ po łuku o promieniu równym AB. Ruchy te nie są niezależne, bowiem długość pręta BC nie ulega zmianie i musi być równa w nowym położeniu odcinkowi B’C’.
Gdybyśmy teraz opuścili ramię wahacza do pozycji OC”, dźwignia prowadząca przyjmie położenie AB”, a pręt BC znajdzie się w nowej pozycji B”C”. Oczywiście między skrajnymi położeniami pręt BC będzie się stale przemieszczał ruchem postępowym i obrotowym, ale można znaleźć na nim punkt S, którego przesunięcie będzie odbywać się niemal wyłącznie po linii pionowej. Da się udowodnić geometrycznie, że przy wystarczająco długiej dźwigni AB ów punkt S dzieli pręt BC na odcinki odpowiednio proporcjonalne do AB i CO. Innymi słowy, stosunek długości B’S do SC’ ma się tak samo, jak stosunek długości odcinka CO do AB.
[Fanatykom mechaniki mogę przesłać taki dowód, ale tylko pocztą, ponieważ wymaga on wielu równań (w tym kwadratowych) z licznymi parametrami, które przyjęto w matematyce opisywać symbolami greckimi, więc próba oddania tego na Forum przekracza moją cierpliwość].

Skoro zatem wyznaczyliśmy na pręcie BC punkt S poruszający się stale pionowo bez względu na obwodowo-zwrotny ruch końcówki wahacza i złożony ruch pręta BC, wystarczy połączyć oś obrotu balansjera O z punktem S i przeciągnąć linię prostą aż do przecięcia się z linią DF, jak na diagramie 12.

Rys.12.

Ponieważ linia DF jest zawsze równoległa, w równoległoboku, do linii BC, jest też równoległa do odcinka CS. Jako że linia FCO jest zawsze prostą (to ramię wahacza), trójkąt DFO, bez względu na to, jak się zmieni przy ruchu wahacza, pozostanie w każdej pozycji zawsze podobny do trójkąta CSO. Jeśli więc wierzchołek S trójkąta OCS wędruje tylko w pionie, również tylko w pionie wędruje wierzchołek D trójkąta podobnego OFC.
Czyli to właśnie TAK WYZNACZONY punkt D jest miejscem, w którym należy przyczepić krzyżulec (nr 13 na rys. 2), aby wymusić ruch w pionie tłoczyska (nr 12 na rys. 2).

Krzysztof Gerlach

kgerlach

Kolejnym złożonym zagadnieniem, które należało rozwiązać w okrętowych maszynach parowych, był rozrząd, czyli sterowanie dopływem pary do cylindra. Pozornie sprawa wyglądała prosto, jak przedstawiłem na rys. 2. Jednak dokładnie takie rozwiązanie - z suwakowym zaworem muszlowym zamykającym i otwierającym oba kanały wlotowo-wylotowe do przestrzeni cylindrowej, napędzanym drążkami od wahaczy (balansjerów) - dawało absolutnie stałe momenty doprowadzania i wypuszczania pary, stałą jej ilość i stałą wartość rozprężania. Niemożliwa byłaby regulacja mocy, zużycia paliwa, a przede wszystkim – prędkości obrotów wału korbowego! Nawet gdyby się pogodzić z tym, że okręt poruszałby się zawsze z prędkością maksymalną lub nie poruszał wcale, pozostaje jeszcze kwestia ruchu wstecz, czyli zmiany kierunku obrotów wału. Z powodów, które wyjaśnię później, przy ustalonym połączeniu wszystkich elementów taka zmiana byłaby w ogóle niemożliwa. W przyszłości większość z tych problemów (a przy pogodzeniu się z pewną niedoskonałością – nawet wszystkie) rozwiązało stawidło Stephensona, ale na okręcie pojawiło się po raz pierwszy dopiero w 1844 r., a do tego czasu maszyny parowe musiały jakoś działać. Oczywiście każdy rozumie, że silniki Watta do napędu pomp kopalnianych czy miechów w hutach nie sprawiały takich kłopotów, ponieważ nawet gdy obracały jakimś wałem (a przecież na ogół nie musiały), nie było najmniejszego powodu by nie kręcił się on cały czas w tę samą stronę, z maksymalną, stałą prędkością i możliwą do rozwinięcia mocą.

Zajmę się tymi sprawami po kolei, ale najpierw mała dygresja terminologiczna. Bardzo ważnym, może nawet pierwotnym zaworem w parowych maszynach okrętowych był wspomniany zawór suwakowy. Z powodów, których nigdy nie zdołałem zrozumieć, w polskim nazewnictwie przyjęto, że jeśli coś, co zamyka kanał, porusza się prostopadle do gładzi jego wlotu - jest zaworem. Jeśli zaś porusza się stycznie – jest suwakiem. W rezultacie suwak rzekomo nie jest zaworem, chociaż… zaworem jak najbardziej jest. Ci, którzy zechcą to czytać dalej, będą musieli pogodzić się z dualizmem nazewniczym – mieszam tu terminologię własną (logiczną) z nielogiczną, ale oficjalną, w zależności od kontekstu.

W pierwszych silnikach Watta do zamykania i otwierania kanałów służyły zawory skrzydełkowe, przy ówczesnym stanie technologii i metod uszczelniania dość prymitywne i mało skuteczne. Nie musimy się jednak tutaj nimi przejmować, ponieważ znacznie doskonalszy – na tym etapie rozwoju techniki – zawór suwakowy został wynaleziony przed pojawieniem się maszyny parowej na okrętach wojennych.
Jak w ogóle wszystko, co wiąże się z napędem parowym na morzu, każdy wynalazek, każdy pomysł miał wielu przyznających się do niego, na dodatek coraz więcej w miarę upływających lat, dzięki „patriotycznym” historykom i amatorom historii, najczęściej na znanej zasadzie, jak to „silnika fałszywie zwanego dieslem nie wymyślił żaden Diesel, tylko został on skonstruowany po raz pierwszy w fabryce Russkij Diesel”. Jak grzyby po deszczu wyrastają na kartach książek, na stronach internetowych i w postach na forach dyskusyjnych wybitni wynalazcy czescy, rosyjscy, hiszpańscy, niemieccy, amerykańscy, francuscy itd., mimo że w tamtej epoce prawie nikt o nich nie słyszał, a wszyscy przedsiębiorcy dziwnym trafem kupowali tylko maszyny angielskie, albo przynajmniej sprowadzali angielskich mechaników, by robić je u siebie. Proszę się więc z góry nastawić, że mam w nosie takie polemiki, nie zamierzam rozstrzygać żadnych sporów o pierwszeństwo, będę tylko – jeśli w ogóle zajdzie taka potrzeba – odnotowywał różnice zdań, bez wnikania, kto ma rację. Otóż płaski suwak muszlowy (D-kształtny) został zdaniem jednych wprowadzony na samym początku stosowania stawideł suwakowych, zdaniem innych najpóźniej w 1813 r. Smith przypisuje ten wynalazek Williamowi Murdockowi, jednemu z pomocników Watta, żyjącemu w latach 1754-1839. Rowland uważa zaś, że wynalazcą był konkurent Watta, Matthew Murray z Leeds, żyjący w latach 1765-1826.
Suwak tego typu Anglicy nazywali D-Slide, D-valve, D-slide valve, czyli suwak D-kształtny, natomiast słowniki techniczne angielsko-polskie tłumaczą ten termin na „suwak muszlowy”, co bez żadnej wątpliwości jest kalką z niemieckiego określenia „Muschelschieber”. W polskich podręcznikach z czasów, kiedy tłokowe maszyny parowe stanowiły ciągle główne źródło napędu jednostek pływających, nazywano go często po prostu suwakiem zwykłym. Na rysunku 2 przedstawiłem jego rzeczywisty kształt w konkretnym rozwiązaniu, lecz do tłumaczenia niuansów działania wygodnie będzie przyjąć prostszy schemat, jak poniżej.

Rys.13. Schemat budowy i działania suwaka muszlowego: 1 – suwak, 2 – trzon suwakowy, 3,4- kanały wlotowo-wylotowe cylindra, 5 – kanał dolotu świeżej pary do komory suwaka, 6 -kanał wylotowy pary zużytej odprowadzanej do skraplacza.

Obie pozycje przedstawiają całkiem otwarte kanały 3 i 4, z przeciwstawnym kierunkiem ruchu tłoka i z przestrzeniami nad i pod nim zamienionymi jako przyjmujące świeżą parę i wydalające zużytą. Obraz jest więc szalenie prosty, ale znacznie się skomplikuje, gdy zaczniemy analizować fazy pośrednie.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Przede wszystkim para nie powinna być wprowadzana (do cylindra) do samego końca suwu tłoka w jedną stronę. Ma ona określoną zdolność rozprężania, zależną od ciśnienia, pod jakim ją wprowadzono. Na znacznej części drogi tłoka wykorzystywane jest do wykonywania pracy właśnie owo rozprężanie pary w przestrzeni, którą zawór już zamknął.
Aby to zrealizować, suwak musi w pewnym momencie (wyznaczonym przyjętą wartością tzw. wielkości wypełnienia cylindra) zamknąć kanał „4”. Jak widać na rysunku 13 po lewej, wymaga to przesunięcia suwaka w górę, chociaż tłok porusza się stale w dół. Czyli synchronizacja pracy suwaka i tłoka nie może być taka prosta, jak przez zwykłe połączenie cięgnem, drążkiem czy temu podobne.
Poza tym dwie gładzie suwakowe są związane wspólnym korpusem stanowiącym bryłę sztywną, więc ich działanie (otwieranie i zamykanie kanałów „3” i „4” łączących wlot świeżej pary „5” oraz wylot zużytej „6” z przestrzeniami nad i pod tłokiem) jest od siebie uzależnione. Kiedy po zamknięciu kanału dolotowego świeżej pary (4) tłok porusza się ciągle w tę samą stronę (pod wpływem rozprężającej się pary), a suwak w przeciwną, tuż przed dojściem tłoka do krańcowego położenia (na dole) musi się zacząć otwierać kanał „3”, ale teraz w połączeniu z „5”, a nie z „6” jak dotąd. Inaczej świeża para nie będzie mogła dojść do przestrzeni pod tłokiem i nie zacznie wykonywać pracy, gdy tłok wystartuje w drugą stronę. Równocześnie suwak musi umożliwić uchodzenie pary już rozprężonej (nad tłokiem) do skraplacza, czyli otworzyć kanał „4”, ale teraz łącząc go z „6”, a nie z „5”. W sumie przejście od pozycji po lewej na rys. 13 do pozycji po prawej.
Jednak nic nie zmieniało się natychmiast, każda operacja trwała jakiś czas, a wszystkie omawiane części znajdowały się w ciągłym ruchu. Aby silnik pracował prawidłowo, suwak musiał w punktach krańcowych znajdować się nieco wcześniej niż tłok, a więc go WYPRZEDZAĆ. Wartość WYPRZEDZENIA należała do ważnych parametrów maszyny. Na razie wystarczy logiczny wniosek, że skoro tak, to były chwile, kiedy tłok i suwak poruszały się razem w dół, kiedy tłok nadal poruszał się w dół, a suwak już w górę, kiedy tłok i suwak poruszały się razem w górę, kiedy tłok poruszał się nadal w górę, a suwak już w dół itd., w kółko Macieju.
Tak pozornie skomplikowana synchronizacja pracy suwaka i tłoka dawała się na poziomie teoretycznym zrealizować bardzo prosto – wystarczyło jeden i drugi element połączyć z wałem korbowym (jak wszystkim wiadomo, korbowód i korba zmieniają ruch posuwisto-zwrotny na obrotowy, albo odwrotnie), tyle że na korbach o promieniach przestawionych względem siebie o pewien kąt. W praktyce rzeczywistą korbę rezerwowano dla przeniesienia napędu od tłoka na wał korbowy, zaś dla napędu trzonu suwakowego od wału korbowego wykorzystywano mimośród. Z czysto mechanicznego punktu widzenia działanie mimośrodu i korby jest identyczne.
Zatem połączenie trzonu suwakowego z mimośrodem na wale korbowym pozwalało na zapewnienie stałego wyprzedzenia ruchu suwaka względem tłoka, czyli dobrą pracę silnika ze stalą prędkością i stałym kierunkiem obrotów wału korbowego (rys. 14).

Rys.14. Od lewej, pozycja pierwsza: tłoczysko silnika idzie w dół,
a korbowód popycha korbę zgodnie z ruchem wskazówek zegara –
mimośród ciągnie wtedy trzon suwakowy także w dół. Pozycja druga:
mimośród minął już punkt najniższy, więc pcha trzon suwakowy w górę –
jednak korba nie dotarła jeszcze do najniższego punktu, czyli tłoczysko
posuwa się nadal w dół. Pozycja trzecia: korba przeszła punkt zwrotny,
zatem tłoczysko porusza się już w górę - mimośród także pcha w górę trzon
suwakowy. Pozycja czwarta: mimośród minął punkt najwyższy, więc ciągnie
trzon suwakowy w dół – korba jeszcze nie doszła do najwyższego punktu,
zatem tłoczysko porusza się nadal do góry.
PS. Tak naprawdę, aby przedstawiony mechanizm mógł działać, potrzebny był jeszcze jeden przegub między czarnymi "widełkami"
a trzonem suwakowym. Dopiero teraz to zauważyłem, ale nie będę przerabiał, ponieważ dla istoty omawianego zagadnienia nie ma to żadnego znaczenia.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Niżej znajduje się WYJAŚNIENIE, po co dokładnie potrzebne było takie zróżnicowanie ruchu suwaka względem tłoka, i jak się ono przekładało na wykres pracy maszyny. Mało zainteresowani prawami fizyki powinni TĘ CZĘŚĆ RACZEJ OMINĄĆ. Zastanawiałem się, dla kogo ona właściwie jest – humaniści mogą nie zrozumieć o czym piszę, a mechanicy rozumieją bez moich tłumaczeń – wyszło mi na to, że dla NIKOGO, więc dam ją bez powodu, dla własnej przyjemności.

Rys.15. Na dole mamy wykres pracy maszyny (zakładając sobie dla uproszczenia, że jest jednostronnego działania) w układzie współrzędnych ciśnienie (p) i objętość (v). Pole tego wykresu przedstawia pracę użyteczną, więc im większe, tym większa moc silnika przy tej samej prędkości obrotowej wału korbowego.
W położeniu „1” korby i mimośrodu poruszający się do góry tłok znajduje się na chwilę przed osiągnięciem górnego, martwego punktu, zaś przesuwający się w dół suwak właśnie zaczyna otwierać kanał dolotowy dla świeżej pary, która już czeka i przytupuje nogami, by sobie wlecieć do cylindra.
Po obrocie wału do położenia „2” widzimy, że teraz tłok porusza się w dół pod wpływem ciśnienia pary doprowadzanej przez całkowicie otwarty kanał, zaś mimośród minął właśnie skrajne dolne położenie, zatem suwak zaczął poruszać się do góry. Na wykresie pracy „pv” odpowiada temu przejście od punktu „1” do punktu „2”, kiedy przestrzeń w cylindrze nad tłokiem najpierw leciutko zmalała, potem stopniowo wzrosła w miarę przesuwania się tłoka w dół (jedziemy na wykresie w prawo), natomiast ciśnienie pary znacznie wzrosło (jedziemy w górę) na skutek doprowadzenia świeżej pary pod dużym ciśnieniem.
Obrót wału do pozycji „3” oznacza początek zamknięcia przez suwak dolotu świeżej pary. Oczywiście na drodze „2-3” ciśnienie nie wzrasta, bowiem nowe porcje pary wchodzą do coraz bardziej zwiększającej się przestrzeni cylindrowej, w miarę jak tłok sunie w dół. Ponieważ w pozycji „3” zostaje przerwany dolot pary, dalsza praca odbywa się pod wpływem rozprężania pary już wprowadzonej do cylindra. Czyli objętość dalej wzrasta (tłok przemieszcza się w dół), a ciśnienie spada.
W pozycji „4” ciągle poruszający się w górę suwak znalazł się na mgnienie oka przed otwarciem kanału, którym zaraz zacznie uchodzić para zużyta. Tłok znajduje się tutaj trochę przed swoim dolnym martwym punktem, więc wzrost przestrzeni cylindrowej będzie jeszcze przez chwilkę zachodził.
Dalszy obrót wału doprowadził nas do pozycji „5”, kiedy tłok porusza się już w górę, wypychając zużytą parę przez całkowicie otwarty kanał, zaś minięcie przez mimośród skrajnego górnego położenia wymusiło początek ruchu suwaka w dół. Na wykresie „pv” przejście od punktu „5” do następnego odbywa się prawie po prostej poziomej, ponieważ stale poruszający się w górę tłok silnie zmniejsza przestrzeń cylindra nad sobą (jedziemy w lewo), ale otwarty kanał nie pozwala na sprężenie zużytej pary, która swobodnie uchodzi, czyli ciśnienie nie ulega zmianie.
W pozycji „6” następuje początek zamknięcia kanału przez suwak; ponieważ tłok ciągle porusza się w górę, zaczyna lekko sprężać resztki zużytej pary, które nie mają się już którędy wydostać. Dlatego na wykresie przejście od punktu „6” do „1” charakteryzuje się zarówno spadkiem objętości (tłok stale do góry), jak pewnym wzrostem ciśnienia. W punkcie „1” zaczyna się otwarcie kanału dla świeżej pary, zatem znaczny wzrost ciśnienia i… wracamy do początku. Typowy silnik dwustronnego działania miał takie dwa, całkowicie symetryczne wykresy – po jednym dla każdej strony tłoka.

Nasuwają się tu trzy uwagi. Po pierwsze, po kiego grzyba suwak zamyka kanał już w pozycji „6”, zamiast zaczekać do „1”, przez co zmusza tłok do bezproduktywnego sprężania resztek zużytej pary? Po drugie, po co suwak otwiera kanał już w pozycji „4”, zamiast wykorzystać do końca pracę rozprężania pary, czyli poczekać, aż tłok osiągnie skrajnie dolne położenie? Po trzecie, jak w tym wszystkim dało się regulować mocą?

Otóż odpowiedź na dwa pierwsze pytania jest w miarę jednolita: takie postępowanie łagodziło skoki ciśnienia w cylindrze, które w przeciwnym wypadku byłyby gwałtowne, co powodowałoby bardzo szkodliwe uderzenia w mechanizmie korbowym i w łożyskach głównych; umożliwiało uzyskanie maksymalnej lub minimalnej wartości ciśnienia niemal dokładnie w martwych punktach tłoka (inaczej następowałoby opóźnienie); wzrost ciśnienia w cylindrze przed wlotem świeżej pary zmniejszał niebezpieczeństwo jej skraplania w tym momencie, wywierał też korzystny wpływ na pracę suwaka (dawał jego odciążenie).

Natomiast regulacja mocy (czyli redukcja pola na wykresie) mogła odbywać się przez dławienie pary na zaworze manewrowym (sposób nieekonomiczny), na skutek czego wchodziła ona do cylindra pod mniejszym ciśnieniem, zatem pole stawało się „niższe”. Druga metoda polegała wcześniejszym zamknięciu dolotu pary (przesunięcie w lewo punktu „3”), przez co zwężał się jęzor pola z prawej strony. Ta metoda była lepsza, ale wymagała zmiany ruchu suwaka względem ruchu tłoka, a jak to zrobić przy pracującym silniku?

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Po wyjaśnieniu powodów wyprzedzania tłoka przez suwak i udowodnieniu wielkiej wagi zachowania precyzji w tej kwestii dla budowania prawidłowego wykresu pracy silnika, trzeba zająć się problemem ruchu nawrotnego. Proszę zwrócić uwagę, że na rys. 15 kąt między ramieniem korby a ramieniem mimośrodu – odmierzając zgodnie z ruchem wskazówek zegara - wynosi około 135 stopni. Gdybyśmy zatrzymali silnik i próbowali go uruchomić w przeciwną stronę, nic by z tego nie wyszło. Teraz bowiem suwak OPÓŹNIAŁBY się względem tłoka o 135 stopni, albo – patrząc od drugiej strony – wyprzedzałby go aż o 225 stopni (360-135). Siak czy owak, otwierałby i zamykał kanały w całkowicie złych chwilach. I nie chodzi o to, że silnik działałby źle – ON NIE MÓGŁBY PRACOWAĆ WCALE.
Aby zatem zmienić kierunek obrotów wału korbowego, należało po zatrzymaniu maszyny przenieść ramię mimośrodu na drugą stronę ramienia korby, by znowu wyprzedzało je o ustalony kąt, i dopiero wtedy wystartować. Teoretycznie można by to było realizować na wiele sposobów, ale ja zajmę się tylko stosowanymi powszechnie w praktyce.
W pierwszych maszynach okrętowych wykorzystywano jeden mimośród (rys. 16).

Rys.16. Dość typowa konstrukcja mimośrodu w okrętowych maszynach parowych połowy XIX w. Obroty wału (pole zakreskowane) powodują przechodzenie mimośrodu przez kolejne pozycje. Otaczający go mosiężny pierścień przenosi ruch na drążek łączący się w różny sposób z trzonem suwaka.

Do ruchu nawrotnego trzeba było zmieniać położenie mimośrodu względem korby na wale korbowym. W tym celu osadzano mimośród luźno, z możliwością blokowania w dwóch pozycjach, jednej dla biegu w przód, drugiej dla biegu wstecz. Blokowanie następowało na dokładnie umiejscowionych ogranicznikach. Do wystartowania w przeciwną stronę, suwak (odciążany specjalną przeciwwagą) poruszano za pomocą długiej, ręcznej dźwigni; ruch wału luzował mimośród aż do momentu zablokowania na drugim ograniczniku – wtedy mimośród znowu znajdował się we właściwej względem korby pozycji dla tego biegu i mógł automatycznie sterować przesunięciami suwaka (rys. 17).

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.17. Ogranicznik „1” na wale i ogranicznik „2” na mimośrodzie. Po lewej pozycja przy obrotach wału zgodnych z ruchem wskazówek zegara, po prawej – przy przeciwnych. Kąt wyprzedzenia czarnego punktu na mimośrodzie względem korby jest w obu przypadkach ten sam.

Zdarzały się przypadki, że mimośród zardzewiał na wale w normalnej pozycji pracy, co uniemożliwiało uzyskiwanie automatycznego sterowania na biegu wstecz. Wówczas trzeba było odłączyć trzon suwakowy od mimośrodu i przez cały okres pracy silnika w przeciwną stronę poruszać suwakiem ręcznie z dużą precyzją. To musiała dopiero być zabawa!

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Opisane wcześniej sterowanie suwakiem od pojedynczego mimośrodu na wale korbowym było kłopotliwe i powolne – chociaż skuteczne – przy zmianie kierunku obrotów. Jeśli więc oczekiwano dużej częstotliwości takich sytuacji, nie stanowiło atrakcyjnego rozwiązania. Praktyka XIX w. wykazała, że potrzeba nagłych, dokonywanych błyskawicznie zmian biegu okrętu „przód-wstecz” szczególnie dotyczyła jednostek śrubowych, ale i tak dwumimośrodowe stawidło Stephensona pojawiło się po raz pierwszy na bocznokołowcu. Tym niemniej przeciętnie takie okręty znacznie dłużej niż śrubowce zadowalały się rozrządem sterowanym przez pojedynczy mimośród.
Każdy, komu nieobce jest nazwisko Stephenson, rozumie doskonale, że wymyślił on swoje stawidło dla parowozów, a na morzu adaptowano je jako rozwiązanie już sprawdzone, znakomite i nadzwyczaj pomysłowe. W Wielkiej Brytanii nosiło więc równolegle nazwę stawidła lokomotywowego.
Sama idea stawidła Stephensona jest oczywiście niezwykle prosta. Skoro jedno ustawienie mimośrodu było potrzebne do biegu w przód, a drugie do biegu wstecz, można było od razu zablokować dwa mimośrody we właściwych pozycjach i używać je na zmianę przy obrotach wału korbowego w jedną lub drugą stronę. Tyle tylko, że trzeba by za każdym razem odłączać jeden komplet wszystkich drążków, cięgien, dźwigni, przeciwwag itp. łączących mimośród z trzonem suwaka i podłączać drugi. Istota i geniusz wynalazku polegały więc na tym, by zapobiec takiej potrzebie, czyli stworzyć możliwość stałego połączenia trzonu suwaka z dwoma różnymi mimośrodami, tak by sobie wzajemnie nie przeszkadzały.
Stephenson uzyskał to przez przegubowe mocowanie obu odchodzących od mimośrodów (1, 2) łączników (3, 4) do łukowego jarzma „5” (rys. 18).

Rys.18. Schemat budowy głównej części stawidła Stephensona.

W prowadnicach jarzma swobodnie przesuwał się kołek „6” (zwany przesuwkiem albo kamieniem) łączący się bezpośrednio (albo wręcz przeciwnie, za pośrednictwem wielu elementów dodatkowych) z trzonem suwaka. Łuk jarzma miał środek „7” podparty (zawieszony) także przegubowo na jednoramiennej dźwigni wahającej się wokół punktu „8”. W danej chwili punkt „8” znajdował się w ściśle określonym położeniu, lecz można go było przestawiać za pomocą długiej dźwigni, np. jak na rys. 19.

Rys.19. Zespół dźwigniowo-cięgnowy do realizacji zmian położenia jarzma.

I ZNOWU FRAGMENT DLA SZCZEGÓLNIE DOCIEKLIWYCH
Załóżmy zatem, że jarzmo zostało ustawione w skrajnej pozycji, przeznaczonej do obrotów silnika zgodnie z ruchem wskazówek zegara (rys. 20). Przesuwek usytuowany jest wówczas w jarzmie maksymalnie po lewej. Dla uproszczenia rysunku oba mimośrody zostały zastąpione krótkimi korbami „a” i „b”, a długa korba wału korbowego „c” leży w równej odległości od obu (zapewniając ten sam kąt wyprzedzenia przy ruchu w obie strony). Od lewej do prawej widzimy kolejne fazy ruchu wszystkich elementów, gdy wał korbowy się obraca.

Rys.20.

Proszę zwrócić uwagę, że całkowity ruch wzdłużny kamienia (przesuwka), równy podwójnej wartości mimośrodowości, zachodzi tylko pod wpływem mimośrodu (tu: korby) „a”, natomiast połączenie jarzma z korbą „b” niczego nie zmienia i w niczym nie przeszkadza. Wygląda to tak, jakby łącznik mimośrodu „a” był na stałe sczepiony z końcówką trzonu suwaka, czyli jakby to był mechanizm z jednym mimośrodem.

Gdybyśmy teraz odwrócili sytuację i ustalili nowy punkt podparcia jarzma tak, że kamień znalazłby się w prowadnicy maksymalnie po prawej (rys. 21), „całą robotę” wykonywałaby tylko korba „b”, tak jakby korby „a” i jej połączenia z trzonem suwakowym w ogóle nie było.
[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.21.

Mamy zatem idealne sterowanie przy bieg naprzód i przy biegu wstecz, nie wymagające rozłączania, przyłączania czy blokowania czegokolwiek, ale MAMY TEŻ DUŻO WIĘCEJ.
Otóż przy ustawieniu jarzma dokładnie pośrodku (rys. 22), ruch obu korb w ogóle nie przenosi się na kamień, bowiem jarzmo tylko się huśta w obie strony na swoim centralnym punkcie podparcia. Suwak stoi więc w miejscu, czyli kanały dolotu pary do cylindra są zamknięte, a więc silnik wytraca prędkość i się zatrzymuje.

Rys.22.

Stąd prosty wniosek, że przy wszystkich położeniach POŚREDNICH jarzma, wspólny wpływ wywierają OBA mimośrody NARAZ, powodując szybsze lub późniejsze zamykanie kanałów wlotu pary do cylindra. Ponieważ oznacza to regulację wielkości napełnienia (zmianę momentu zamknięcia cylindra i przejścia do rozprężania pary – punkt 3 na wykresie z rysunku 15), stawidło takie pełni zarazem rolę zaworu rozprężnego, czyli zastępuje kilka mechanizmów naraz.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Wprowadzenie stawidła Stephensona stanowiło wielki postęp w zakresie sterowania ruchami suwaka, ale konstrukcja ta miała swoje wady i przez długi czas nie została wprowadzona powszechnie. Parowe maszyny wcześniejsze i późniejsze, w których suwak poruszano pojedynczym mimośrodem (a mam wspaniały rysunek szybkoobrotowego silnika z podwójnym rozprężaniem pary i suwakiem tłokowym, nie płaskim, czyli rozwiązaniami charakterystycznymi dla znacznie późniejszych czasów niż omawiane tu przeze mnie, nadal z pojedynczym mimośrodem), musiały mieć osobny zawór rozprężny (ekspansyjny) do regulowania momentu zamknięcia dolotu pary przed końcem suwu, czyli do przesuwania punktu „3” na wykresie indykatorowym z rysunku 15.
Przykład takiego zaworu widać na rysunku 2 (część nr 3).
Podstawowe zastrzeżenie do stawidła Stephensona wynikało z faktu, że we wszystkich pośrednich pozycjach jarzma, kiedy suwak był sterowany równocześnie oboma mimośrodami, na wykresie pracy silnika przesuwały się WSZYSTKIE punkty, a nie tylko punkt „3”. Jeśli więc punkty „1”, „2”, „4”, „6” dobrano optymalnie, to znajdowały się tam tylko przy jednym stopniu napełnienia cylindra parą do każdego biegu (w przód i w tył), a przy każdym innym ulegały lekkiemu przesunięciu. Natomiast w maszynach parowych z pojedynczym mimośrodem, po najlepszym ustawieniu wszystkich punktów na wykresie, OSOBNY zawór rozprężny pozwalał NIEZALEŻNIE przesuwać punkt „3”, czyli regulować stopień napełnienia bez zakłóceń pozostałych parametrów – oczywiście za cenę znacznej komplikacji całej maszynerii, dużej masy, kłopotów z nawrotem wymagającym częściowo ręcznego sterowania suwakiem itd.

[Mam nadzieję, że gdy piszę o „przesuwaniu punktów na wykresie”, każdy rozumie, iż chodzi naprawdę o przesuwaniu w czasie momentów otwierania i zamykania kanałów parowych w silniku, który działałby w ten sposób nawet wtedy, gdyby nikt nie wpadł na pomysł rysowania wykresu obrazującego jego pracę]

Większość ówczesnych zaworów rozprężnych charakteryzowała się szalenie prostą konstrukcją, bardzo złożone były za to systemy sterowania nimi. Najchętniej stosowano zawory motylkowe (przepustnice), chociaż nie tylko w kształcie płytki okrągłej, ale też – w zależności od kształtu kanału, w którym je umieszczano – prostokątnej (rys. 23). Takie rozwiązanie dawało łatwość otwierania (wywierana przez parę siła, którą należało pokonać, była równa sile, z którą para pomagała otwierać zawór), chociaż szczelność i trwałość pozostawiały sporo do życzenia.

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys. 23. Zawory motylkowe stosowane jako zawory ekspansyjne (rozprężne).

W parowych maszynach okrętowych XIX w. wykorzystywano też bardziej zawiłe konstrukcje zaworów rozprężnych (głównie dla poprawy szczelności przy zachowaniu względnej łatwości otwierania, gdy stopniowo wzrastały ciśnienia pary doprowadzanej do cylindrów), jak zawór Hornblowera, kornwalijski zawór dwusiedzeniowy, zawór zrównoważony, zawór rusztowy, ale wrócę do ich budowy tylko w przypadku, gdy okażą się charakterystycznym elementem któregoś z omawianych później typów silników.
Ciekawszym bowiem zagadnieniem jest sterowanie tymi zaworami, zwłaszcza że dla zainteresowanych dawnymi maszynami okrętowymi bardziej z modelarskiego niż inżynierskiego punktu widzenia, stanowiły niezwykle atrakcyjny i frapujący element „wystroju” zewnętrznego.
Zawór rozprężny musiał się dawać łatwo ręcznie regulować dla zmieniania stopnia napełniania cylindra, ale po uzyskaniu określonej nastawy powinien był stanowić element zamkniętego układu, działającego całkowicie samoczynnie zgodnie z fazami ruchu pozostałych elementów silnika, szczególnie suwaka. Wynika z tego, że – poza momentami zmiany ustawienia – najlepiej było napędzać go pośrednio od wału korbowego i tak właśnie robiono.
W tym celu na wale korbowym umieszczano zespół wielu identycznych krzywek, każdą w trochę innym ustawieniu części najbardziej oddalonych od osi (rys. 24). Pojedyncza krzywka mogła dawać dwa stałe punkty zamknięcia zaworu (po jednym na jeden suw tłoka w typowym silniku dwustronnego działania), ale - na skutek przesunięcia - w trochę innym momencie niż robiła to krzywka następna. Regulacja stopnia napełnienia polegała na wyborze, po której krzywce powinna się aktualnie toczyć rolka przekazująca (za pośrednictwem wielu dźwigni) ruch na zawór rozprężający. Po wybraniu, krzywka już samoczynnie otwierała i zamykała zawór w pożądanych momentach.

Rys. 24. Układ sterowania zaworem rozprężnym: 1- wał korbowy silnika, 2 – komplet krzywek, 3 – rolka tocząca się po wybranej krzywce, 4 – oś zaworu ekspansyjnego

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Okrętowe maszyny parowe XIX wieku frapują ogromną liczbą rozmaitych dźwigni, cięgien, drążków itp. O przeznaczeniu sporej grupy z nich już mówiłem (układ przekazywania ruchu tłoka na wał korbowy, prostowód Watta, napęd pompy skroplinowo-powietrznej, sterowanie położeniem suwaka, napęd i sterowanie zaworem rozprężnym), ale było ich znacznie więcej. Wynikało to z faktu, że przesunięcia wszystkich elementów musiały być ze sobą ściśle zsynchronizowane, a praktycznie nie istniały wówczas żadne inne metody przekazywania ruchu niż czysto mechaniczne.
Nie zamierzam omawiać WSZYSTKICH części takiego silnika (zostawię coś na pytania, gdyby w odległej przyszłości się pojawiły), ale o paru z nich trzeba jeszcze koniecznie wspomnieć przed przejściem do opisywania najbardziej typowych ówczesnych maszyn okrętowych, zwłaszcza że przynajmniej jeden element konstrukcyjny wiąże się z nieprawdopodobnymi nonsensami, jakie rozmaici autorzy książek popularyzatorskich na jego temat wypisują.

Tym elementem jest SKRAPLACZ, a właściwie dwie jego podstawowe, pierwotne odmiany – natryskowy i powierzchniowy. Korzystając z wiedzy retrospektywnej głosi się absolutną wyższość tego drugiego i przypisuje mu bezpodstawnie różne cuda z historii żeglugi. Rzeczywistość wyglądała zupełnie inaczej.
Jak już wspominałem, skraplanie zużytej pary było absolutną koniecznością na jednostkach pełnomorskich. Na statkach rzecznych stosowano czasem tzw. silniki z wydmuchem, pracujące przy dużo wyższym ciśnieniu – kiedy para wychodziła z cylindra, można ją było wypuszczać swobodnie do atmosfery, co dawało wielką oszczędność na masie skraplacza, pompy skroplinowo-powietrznej i innych urządzeń. Odważano się tutaj wytwarzać wyższe ciśnienia, gdyż w razie awarii przyjazny brzeg (gdzie można było przeprowadzić naprawy) znajdował się wyciągnięcie ręki – chyba że dochodziło do eksplozji kotła (rzecz naprawdę częsta w żegludze śródlądowej), po której zwykle nie miał kto zgłaszać zastrzeżeń. Natomiast w silnikach używanych wtedy na morzu wykorzystywano skrajnie niskie ciśnienia pary. Bez jej skroplenia, czyli wytworzeniu próżni z drugiej strony tłoka, a w konsekwencji zwiększenia różnicy działających sił, byłyby problemy z napędem czegokolwiek. Kolejna przyczyna leżała w zużyciu paliwa: maszyna działająca z wydmuchem wykonywała znacznie mniejszą pracę użyteczną, czyli potrzebowała więcej opału do wykonania tego samego zadania. Jednak w żegludze śródlądowej można było kupować węgiel na kolejnych przystaniach, nawet wycinać po drodze drzewa, zbierać gałęzie itd., więc zachowanie do końca rejsu ostatków pierwotnie zabieranego zapasu paliwa nie miało aż tak kluczowego znaczenia – tymczasem na pełnym morzu o składy węgla i lasy było trochę trudno.
Skoro więc nie ma dla nas już wątpliwości konieczność skraplania pary na jednostkach tutaj omawianych, pozostawał problem – jak to robić. Z pierwotnych, lądowych maszyn Watta, przejęto skraplacz natryskowy w postaci dużej skrzyni, do której wtryskiwano zimną wodę powodującą skroplenie dostającej się do tej przestrzeni, zużytej pary z cylindra. Oczywiście na okręcie pobierano do tego celu wodę zaburtową, za pomocą specjalnej rurki wtryskowej zakończonej czymś w rodzaju sitka z prysznica (rys. 25). Dla uproszczenia konstrukcji nie regulowano momentu wtrysku – w czasie pracy silnika woda rozpryskiwana była stale, przez co nieustannie chłodziła skraplacz, ułatwiając tym samym skraplanie nowych porcji pary. Oczywiście bez przerwy pracowała wówczas także pompa skroplinowo-powietrzna, więc skraplaczowi nie groziło zalanie. Aby nie zdarzyło się to podczas zatrzymania maszyny, na rurce wtryskowej montowano ręczny kurek do zamykania dopływu wody zaburtowej. W razie jakiejś nagłej awarii i braku refleksu u obsługi istniało jednak niebezpieczeństwo zalania nie tylko skraplacza, ale nawet – poprzez komorę suwaka – cylindrów silnika.

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys.25. Skraplacze natryskowe. Tak wyglądały, więc proszę nie zgłaszać zastrzeżeń, jeśli komuś się z czym innym kojarzą.

W 1834 r. Anglik Samuel Hall (żył 1781-1863) opatentował skraplacz powierzchniowy, w którym chłodząca woda zaburtowa nie mieszała się już ze skraplaną parą, jak to było w skraplaczu natryskowym. W rzeczywistości Hall ani nie wynalazł tego skraplacza – jak podaje się w popularnych historiach, ani tak nie twierdził. Koncepcję wymyślono dużo wcześniej, np. w 1822 r. Marc Brunel uzyskał patent na silnik okrętowy, którego integralną częścią był wielorurowy skraplacz utworzony z sieci małych i dużych rurek umieszczonych wewnątrz prostopadłościennego korpusu żelaznego, wypełnianego wodą chłodzącą – para kondensowała w rurkach. Hall opatentował naprawdę cały zestaw obejmujący w późniejszej, dojrzałej postaci skraplacz, pompę obiegową, pompę skroplinowo-powietrzną, parownik i ekonomizer, a przede wszystkim jako pierwszy miał dość zapału, by szeroko rozpropagować swoje pomysły i namówić innych do ich zastosowania. W historii wynalazków to bardzo częsty przypadek – np. namiętnie omawiane przeze mnie poprzednio stawidło Stephensona wymyślił już w 1842 r. William Howe.
Nazwy skraplaczy – natryskowy i powierzchniowy – są historyczne, ale z punktu widzenia sensu fizycznego zachodzących w nich procesów najbardziej istotny jest fakt, że pierwszy był wymiennikiem bezprzeponowym, a drugi – przeponowym. Teoretycznie rzecz biorąc, patent Halla obiecywał masę korzyści. Umożliwiał zastosowanie zamkniętego obiegu słodkiej wody kotłowej, co uwalniało mechaników od konieczności okresowego wygaszania palenisk dla czyszczenia kotłów z solnych osadów, a tym samym znacznie obniżał zużycie kotłów, eliminował groźbę zalania skraplacza wodą (a poprzez niego wlanie wody do cylindra), ułatwiał regulację temperatury skraplania (zasada, że im zimniej, tym lepiej, absolutnie nie miała tu zastosowania). Z tych też względów skraplacz Halla został przyjęty przez ówczesnych twórców maszyn parowych z entuzjazmem i szybko zastosowany na wielu jednostkach (głównie cywilnych, ale wyposażono weń także niektóre okręty wojenne), w tym na wczesnych transatlantykach Sirius i British Queen. Jednak serwowane nam z tej okazji opowieści (pochodzące spod pióra nawet osób skądinąd nobliwych, zasłużonych i osobiście lubianych przeze mnie), jakoby to właśnie skraplacz powierzchniowy umożliwił przejście Atlantyku pod parą i był do takiego wyczynu niezbędny, SĄ KOMPLETNĄ BZDURĄ! Autorom tym często się wydaje, że okrętowe siłownie parowe musiały pracować na wodzie słodkiej, co jest zupełnie nieprawdziwe, i stąd zapewne wysnuwają swoje wnioski. W rzeczywistości siłownie na jednostkach pełnomorskich aż do lat 1870. wykorzystywały niemal wyłącznie wodę morską i w tych czasach swobodnie przepływały nie tylko Atlantyk. W 1838 r., kiedy pierwszego w miarę bezdyskusyjnego rejsu transatlantyckiego całkowicie pod parą dokonał wspomniany Sirius, tę samą trasę przebył zdecydowanie nowocześniejszy od niego Great Western, i jakoś użycie bezprzeponowych skraplaczy natryskowych oraz wody morskiej w niczym mu nie przeszkodziło.

[link widoczny dla zalogowanych]
Rys. 26. Silnik boczno-balansjerowy ze skraplaczem powierzchniowym Halla wg rysunku z epoki: 1- tłok, 2 – cylinder, 3 – suwak, 4 – skraplacz Halla, 5 – wał korbowy, 6 – pompa skroplinowo-powietrzna.

Bowiem, pomimo teoretycznych zalet przeponowego skraplacza powierzchniowego i początkowego zapału, bardzo prędko wyszły na jaw rozmaite wady konstrukcji Halla. Nastąpił masowy i powszechny powrót do skraplaczy natryskowych na jednostkach pływających, tak cywilnych, jak wojennych. Dopiero na początku lat 1860. z inicjatywy firmy Humphrys and Tennant zaczął się proces powolnego wprowadzania skraplaczy przeponowych nowej generacji, do których ciekawej konstrukcji może kiedyś wrócę (jak nie zapomnę). Jednak od pierwszego parowca wojennego z 1814 r. do końca epoki drewnianych okrętów parowo-żaglowych wykorzystywano niemal wyłącznie skraplacze natryskowe i bez przeszkód dokonywano dalekich rejsów, zaś parowce cywilne rywalizowały o Błękitną Wstęgę Atlantyku też obywając się swobodnie bez skraplacza Halla.

Na zakończenie dygresji o skraplaczach warto może wspomnieć, dlaczego pierwsza generacja konstrukcji przeponowych nie spełniła pokładanych w nich nadziei. Zawiniła nie tyle koncepcja, co ówczesne możliwości wykonawcze oraz „środowisko” pracy tego urządzenia. Konstrukcyjnie skraplacz Halla składał się z wielu rurek małej średnicy, wewnątrz których przepływała i skraplała się para, otoczona zimną wodą morską wypełniającą korpus. Tymczasem nieszczelności ówczesnych kotłów oraz problemy z uszczelnianiem i smarowaniem tłoków w cylindrach zmuszały konstruktorów do stosowania, w charakterze środków zaradczych, takich ciekawych substancji jak trociny, mąka owsiana, ziemniaki, nawóz, łój, oleje roślinne. Mieszanki te dostawały się wraz z parą do cienkich rurek skraplacza powierzchniowego i skutecznie je zatykały. Na dodatek okazało się – wbrew wszelkim przewidywaniom i dotychczasowej praktyce – że kotły zasilane słodką wodą korodowały znacznie szybciej niż tradycyjne kotły z wodą morską, mimo że ta ostatnia ma – jak każdy wie – dużo silniejsze działanie korozyjne. Długo nie rozumiano fizycznych i chemicznych podstaw tego zjawiska – wydzielający się obficie ze słonej wody kamień kotłowy szybko zalegał ścianki kotłów i bardzo pogarszał warunki wymiany ciepła, obniżając efektywność instalacji oraz zwiększając zużycie paliwa, ale za to dobrze chronił leżące pod nim żelazne ścianki przed dalszą korozją. Z kolei tlen znajdujący się w wodzie słodkiej ma silnie korodujące działanie i zmusza do odpowietrzania wody kotłowej, z czego nie zdawano sobie sprawy.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

Przed przystąpieniem do charakteryzowania najpopularniejszych lub najciekawszych typów maszyn parowych na okrętach wojennych z pierwszego sześćdziesięciolecia XIX w., omówię osobno już tylko dwa mechanizmy.
Chodzi o: a) zawór odciążający cylindra oraz b) pompę tłoczącą skropliny ze zbiornika skroplin do kotłów.

Konieczność stosowania pierwszego urządzenia wynikała bezpośrednio z niedoskonałości ówczesnych rozwiązań siłowni okrętowych. Nie umiano całkowicie wyeliminować przypadków skraplania się części pary już w cylindrze – miała ona dość niską temperaturę, także wielkie powierzchnie cylindrów trudno było dostatecznie rozgrzać – a ponadto częste było zjawisko tzw. „plucia kotła”, czyli porywania przez parę części wody z kotła i wprowadzania jej do cylindra. W efekcie mogło dochodzić do gromadzenia się w przestrzeniach z obu stron tłoka sporej ilości wody. Osoby o zacięciu do polemik mogą sobie dyskutować na temat niuansów jej ściśliwości, ale z praktycznego punktu widzenia była to w maszynie parowej ciecz nieściśliwa. Ponieważ – jak omawiałem wcześniej – wylot z cylindra zamykano przed punktem zwrotnym ruchu tłoka, pozostałość w zmniejszającej się przestrzeni musiała być sprężana. W przypadku pary jest to możliwe, łatwe i pożyteczne, ale gdybyśmy próbowali w ten sam sposób ścisnąć wodę, doprowadziłoby to w najlepszym przypadku do zatrzymania silnika, a najprawdopodobniej do połamania różnych dźwigni lub wręcz rozsadzenia cylindra. Dlatego ciśnienie w cylindrze musiało być kontrolowane, a nadmiar cieczy usuwany. Służyły do tego zawory odciążające.
Już pisałem, że „naturalnym” położeniem pierwszych okrętowych maszyn parowych - przeniesionych na pokłady wprost z lądu - był układ, w którym tłok poruszał się w pionie, a tłoczysko odchodziło do góry, jak w silniku boczno-balansjerowym przedstawionym na rys.2. Tam też widzimy odpowiednią do tego konstrukcję zaworu odciążającego „35”. Powierzchnia zamykająca dociskana była do gniazda zaworowego dużym ciężarem, a całość centrowana dzięki prowadzeniu osi (trzonka) w nieruchomej prowadnicy. Dla regulowania wielkości siły zamknięcia zaworu dokładano lub zdejmowano odpowiednie masy. Oczywiście w silniku dwustronnego działania zawór odciążający musiał znajdować się także z drugiej strony cylindra (na rysunku pominięty dla uproszczenia), w tym przypadku na pokrywie górnej, w sąsiedztwie tłoczyska. Zawór górny był zwykle zamykany sprężyną. Konstruktorzy tej epoki zalecali, by wyposażać górny zawór odciążający w dodatkową osłonę z mosiądzu lub miedzi, z wylotem tak umieszczonym, by w razie otworzenia się zaworu, strumień gorącej wody nie mógł sięgnąć mechaników z obsługi.
Bardzo prędko główne drogi rozwojowe maszyn przeznaczonych na statki cywilne i na okręty wojenne zaczęły się jednak rozchodzić. Dla nieopancerzonych, drewnianych jednostek bojowych warunkiem zachowania sprawności ruchowej w walce było schowanie możliwie całej maszynowni pod linią wodną (ówczesne pociski artyleryjskie nie mogły sięgnąć niczego pod wodą, a torpedy i miny pozostawały jeszcze w pieluszkach), stąd pojawiły się leżące przy dennikach silniki o cylindrach poziomych. Nie dało się w nich wyodrębniać przestrzeni „z góry” i „z dołu tłoka”, więc oba zawory odciążające w każdym cylindrze były identycznej konstrukcji – zazwyczaj zamykane sprężynami, jak na rys. 27.

Rys.27. Fragment okrętowej maszyny parowej z lat 1850., z poziomymi cylindrami, z których każdy wyposażony był w dwa zawory odciążające zamykane sprężynami: 1 – cylinder, 2 – tłok, 3 – dwa tłoczyska, 4 – grzybkowe zawory odciążające zamykane sprężynami.

Także w silnikach pracujących na wodzie morskiej dbano o odprowadzanie możliwie dużej ilości skroplin z powrotem do kotłów, dla zmniejszenia zużycia paliwa. Skropliny miały mimo wszystko temperaturę o niebo wyższą niż woda zaburtowa, nawet podczas pływania w tropikach, więc ponowne zmienienie ich w parę kosztowało znacznie mniej energii pochodzącej ze spalania węgla niż gdyby stale rozpoczynać od wody zimnej. Dlatego do rury odpływowej ze zbiornika skroplin doczepiano pompę zasilającą kotły. Zdarzało się użycie w tej roli zwykłych pomp ssących, lecz z reguły różnica ciśnień wymuszała korzystanie z pomp ssąco-tłoczących, które wykazywały zaskakującą jednolitość pod względem głównej idei koncepcyjnej (rys. 28).

Rys.28. Typowe rozwiązanie pompy przetłaczającej skropliny ze zbiornika skroplin do kotłów. Podczas ruchu nurnika „3” w górę, podciśnienie otwiera zawór „2” i zamyka zawór „4”, przez co skropliny zostają zassane kanałem „1” ze zbiornika skroplin do przestrzeni między zaworami „2” i „4”. Przy ruchu nurnika w dół skropliny w tej przestrzeni są ściskane, więc nadciśnienie zamyka zawór „2” i otwiera zawór „4”, przetłaczając skropliny do kanału „5” prowadzącego do kotłów. Komora powietrzna „6” i zawór odciążający „7” chronią pompę w przypadku, gdy w zbiorniku skroplin znajduje się zbyt dużo wody – wzrost ciśnienia otwiera wtedy zawór „7”, a nadmiar wody nie płynie do kotłów, tylko kanałem „8” wraca do kanału dolotowego „1”. Zawory odciążające pompy wykonywano też w wersji obciążanej regulowanymi masami, nie sprężynami. Nurniki pomp napędzano od różnych elementów maszyny parowej, np. w silnikach boczno-wahaczowych można to było robić od krzyżulca pompy skroplinowo-powietrznej, w silnikach poziomych z powrotnymi korbowodami – wprost od tłoka.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

TYPY PAROWYCH SILNIKÓW OKRĘTOWYCH STOSOWANYCH W PIERWSZYCH 60 LATACH XIX WIEKU

1. SILNIK Z GÓRNYM WAHACZEM (silnik z górnym balansjerem, górno-wahaczowy, górno-balansjerowy, balansjerowy, beam engine, overhead beam engine, Balanciermaschine, walking beam engine)

Muszę od niego zacząć (chociaż wcale nie był popularny na okrętach wojennych), ponieważ należał do pierwszych użytych. Okrętowy SILNIK GÓRNOBALANSJEROWY wywodzi się bezpośrednio od używanych na lądzie silników Watta, był niemalże ich kopią. Charakteryzował się tym samym układem podstawowym, w którym stojący pionowo cylinder miał wysuwające się w górę tłoczysko, połączone z wielkim, nadgłowicowym balansjerem (dźwignią – wahaczem). Dopiero z wahacza napęd przekazywany był na właściwy wał główny (wał korbowy) silnika. Mimo ruchu końcówek balansjera po łuku, krzyżulec (wieńczący w górze tłoczysko) prowadzono po linii prostej dzięki prętowemu mechanizmowi prostowodu Watta. Para odprowadzana była z cylindra do skraplacza natryskowego, będącego żeliwną skrzynią. Odprowadzenie skroplin i gazów ze skraplacza do zbiornika zapewniała pompa skroplinowo-powietrzna, której tłok podnoszony był do góry za pomocą drążków cięgnowych podwieszonych przegubowo do balansjera. Tłok pompy opadał pod ciężarem własnym oraz wody i nigdy nie pchał balansjera, więc nie musiał mieć własnego układu prostowodowego. Zawory odciążające cylindra i pompa do odprowadzania skroplin z ich zbiornika zostały już wystarczająco omówione wcześniej.
Natomiast pewna odrębność maszyn okrętowych polegała na:
a) stosowaniu wyłącznie żelaznych wahaczy, podczas gdy parowe maszyny lądowe miały często (może nawet – z reguły) balansjery drewniane
b) przenoszeniu napędu z wahacza na wał silnika przede wszystkim przez korbowód i korbę, podczas gdy – jak pisałem – Watt zmuszony był w swych pierwszych silnikach używać przekładni epicyklicznej
c) nie stosowaniu popychaczowego rozrządu zaworów (za pomocą drążków zawieszonych na balansjerze), tylko sterowanie suwakiem od pojedynczego mimośrodu na wale korbowym, co umożliwiało nawrotność pracy maszyny
d) powszechnym używaniu wody morskiej (poza statkami z rzek czy jezior), co wymuszało szereg dodatkowych procedur eksploatacyjnych i specjalnych rozwiązań w instalacjach kotłowych
e) nacisku na zwartość konstrukcji (na lądzie wówczas niemal obojętną, lecz na okręcie dającą więcej super-cennego miejsca dla załogi, zapasów, uzbrojenia, pasażerów, węgla itd.)
f) braku możliwości chowania pod powierzchnią ziemi skraplacza i pompy skroplinowo-powietrznej – co często praktykowano w maszynach lądowych.

Oczywiście okrętowe silniki z górnym balansjerem wytwarzała w Wielkiej Brytanii przede wszystkim firma Boulton & Watt z Birmingham, czyli producent większości wczesnych maszyn parowych używanych na lądzie, ale nie tylko ona. Tym niemniej to właśnie w silnik balansjerowy kupiony od Boulton & Watt próbowała Admiralicja brytyjska wyposażyć w 1815/16 małą jednostkę Congo, którą od biedy (z uwagi na niepowodzenie eksperymentu) można uznać za pierwszy parowiec w Royal Navy (rys. 29).

Rys.29. Sinik zamontowany na okręcie Congo. Dwucylindrowy, 20-konny (konie nominalne) o średnicy cylindrów około 70 cm.

Jednak znaczna wysokość silnika z górnym wahaczem, właściwie bez znaczenia na lądzie, z oczywistych względów – stateczność, odległość między pokładami – była niekorzystna w odniesieniu do jednostek pływających, zwłaszcza niewielkich. Dlatego też wkrótce nastąpiło przejście do maszyn z bocznymi wahaczami, w których pojedynczy balansjer nadgłowicowy zastąpiono dwoma bocznymi wahaczami (dźwigniami dwuramiennymi) usytuowanymi bardzo nisko. Silnik z GÓRNYM WAHACZEM został na jakiś czas prawie zarzucony przez europejskich konstruktorów maszyn okrętowych.

W Ameryce odrodził się on jednak wkrótce z takim powodzeniem, że jest wręcz uważany (błędnie) przez niektórych autorów - polskich i innych nacji - za specyficzny wynalazek amerykański.
W „wydaniu amerykańskim” z głównej wady silnika górnobalansjerowego (nadmiernego rozmiaru w pionie) uczyniono cnotę, rozbudowując te maszyny do monstrualnych wysokości. Wahacz (o konstrukcji żeliwnej kratownicy przypominającej w rzucie z boku romb) umieszczano na szczycie prawdziwej wieży (początkowo drewnianej, potem nawet stalowej), wyglądającej trochę jak triangulacyjna. Majtający się wysoko w górze balansjer robił takie wrażenie, że konstrukcję tę nazwano z czasem „silnikiem ze spacerującym wahaczem” (walking beam engine), mimo że pierwotna nazwa brzmiała po prostu working beam engine. Jak zawsze, rozwiązanie to ma w literaturze wielu ojców – np. Daniel Dod w 1820 r. albo Robert Stevens w 1822 r. – ale nie będę się nad nim dłużej zatrzymywał, ponieważ nie znam okrętu wojennego, na którym zainstalowano by coś takiego. Silniki ze spacerującym wahaczem wykorzystywano początkowo tylko na jednostkach cywilnych pływających po amerykańskich wodach przybrzeżnych i rzekach, potem też na Wielkich Jeziorach, w latach 1850. trafiły nawet na transatlantyki. Stosowano je tak długo, że trafiły się w końcu egzemplarze z podwójnym rozprężaniem pary, przynależne już do następnej epoki napędu parowego. Amerykańskie silniki górnobalansjerowe miały inaczej niż w Europie rozwiązane połączenie między tłoczyskiem a wahaczem (bez prostowodu Watta), inne położenie skraplacza (w pierwszych latach natryskowego, potem powierzchniowego), rozrząd z zaworami grzybkowymi zamiast suwaka i cechowały je jeszcze inne, mniej znaczące różnice. Osoby zainteresowane raczej parowcami pasażerskimi i handlowymi, powinny – jeśli dotąd tego nie zrobiły – koniecznie poczytać i pooglądać frapujące ilustracje tych maszyn w książce Przemysława Urbańskiego „Dwa wieki napędu mechanicznego statków” (znajdą tam wiele istotnych szczegółów konstrukcyjnych oraz omówienie przyczyn takiego rozpowszechnienia na str.43-45). Tutaj pozwolę sobie tylko na dwa drobne sprostowania do zamieszczonych tam informacji:
- jest przesadą twierdzenie, jakoby w tym przypadku chodziło „o całkowicie odmienny typ silnika”; oczywiście to tylko kontynuacja konstrukcji Watta, nawet na okręcie próbowanej w Anglii na lata przed Amerykanami;
- silniki te nie były budowane „wyłącznie w Stanach Zjednoczonych”. Szkocka firma A. & J. Inglis z Pointhouse (Glasgow) wyposażyła w maszyny parowe tego typu cztery parowce pływające po rzece Yangtze pod flagą China Navigation Company w latach 1870., a w 1884 dwa parowce przeznaczone do eksploatacji na Rio de la Plata.

Na długo przed osiągnięciem przez silniki ze spacerującymi wahaczami apogeum pod względem mocy (maszyna o podwójnym rozprężaniu pary z promu Puritan zbudowanego w 1889 rozwijała 7500 koni indykowanych) i wymiarów (średnica cylindra na rzecznym parowcu Pilgrim z 1882 r. wynosiła 2794 mm, a skok tłoka na promie New World z 1849 r. – ponad 4,5 metra!), silniki górnobalansjerowe powróciły na jednostki europejskie, ale tym razem na statki śrubowe. Przybrały postać zwaną geared beam screw engines, czyli PRZEKŁADNIOWE, BALANSJEROWE SILNIKI ŚRUBOWE. Zewnętrznie, poza posiadaniem górnego wahacza, niezbyt przypominały amerykańskie maszyny ze spacerującymi wahaczami.
Idea wynikała z faktu, że rozwijane dotąd intensywnie silniki do napędu bocznokołowców charakteryzowały się bardzo niewielkimi obrotami, właściwymi dla pędnika tego rodzaju. Śruba wymagała znacznie wyższych obrotów, więc na początku najłatwiej było wziąć typową, sprawdzoną maszynę, obrócić ją w płaszczyźnie poziomej o 90 stopni i zaopatrzyć w gigantyczne przekładnie przyspieszające (zębate), które zwiększały leniwe obroty wału korbowego do wartości potrzebnej na wale śrubowym. Wiele słynnych statków wyposażono w bardzo udane konstrukcje tego rodzaju, np. parowiec pasażerski Inman Line, City of Glasgow z 1850, jednostki Cunarda Andes i Australian z 1852, Jura z 1855. W temacie o parowych maszynach z okrętów wojennych muszę je zignorować, jednak jeśli kiedyś okaże się, że na naszym forum znajdzie się wielu zainteresowanych jednostkami cywilnymi, będzie można do nich wrócić.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

2. SILNIK Z WAHACZAMI JEDNORAMIENNYMI PROSTYMI (silnik z półwahaczami, silnik półbalansjerowy, half-lever engine, „Grasshopper” engine)

Znaczna wysokość silników z górnym wahaczem i wysoko położony środek ciężkości nie czyniły ich atrakcyjnymi dla małych jednostek, zwłaszcza pełnomorskich. Dość oczywistym rozwiązaniem wydawało się przeniesienie wahacza (rozdzielonego na dwie sztuki) w dół. Przybrało to różne formy – silników boczno-balansjerowych, silników z wahaczami jednoramiennymi prostymi, silników z wahaczami kątowymi. Maszyny z WAHACZAMI JEDNORAMIENNYMI PROSTYMI stanowią najwcześniejszą ich odmianę i były proponowane już w 1784 r. przez Williama Murdocka, w charakterze pracującego z wydmuchem silnika napędowego dla pierwszych pojazdów szynowych. Na jednostki pływające o mniej lub bardziej eksperymentalnym charakterze zaczęły trafiać od 1804 r. (USA, Oliver Evans, amfibia Oructer Amphibolos).
Idea działania takiego silnika jest bardzo prosta – rys. 30:

Rys.30.

Cylinder „1” – tradycyjnie ustawiony pionowo i z tłoczyskiem skierowanym w górę – mógł znajdować się różnych wysokościach i w rozmaitej pozycji względem (zasłoniętych na tym rysunku) skraplacza i pompy skroplinowo-powietrznej, ale zawsze formował jeden kraniec maszyny. Wieńczący tłoczysko krzyżulec „2” bywał prowadzony prostoliniowo drążkami i cięgnami „3” (jak na tym rysunku), wodzikami ślizgowymi w wysokich prowadnicach, albo nie był prowadzony wcale. Przy pomocy dwóch bocznych drążków „4” przekazywał napęd z tłoka na dwa boczne półwahacze „5” usytuowane blisko dennej części całego silnika i wahające się razem wokół wspólnej osi „6” umieszczonej na przeciwległym – względem cylindra – końcu maszyny. Do półwahaczy przyczepione były przegubowo cięgna napędu pompy skroplinowo-powietrznej, pompy zasilającej kotły – w konstrukcjach już przeze mnie opisywanych – a przede wszystkim korbowody „7” przekazujące przez korby „8” moment obrotowy na wał korbowy „9”. Dokładne miejsce podczepienia korbowodów mogło być różne - w zależności od położenia cylindra, skraplacza i pompy skroplinowo-powietrznej, czyli wynikające z ogólnej konfiguracji silnika – ale nie zmieniało to ani idei działania, ani specjalnie wyglądu.
Oczywiście dodatkowe elementy sterujące rozwiązywano zgodnie z przyjętymi w danym czasie zasadami: suwak otrzymywał początkowo napęd od pojedynczego mimośrodu na wale korbowym, potem od dwumimośrodowego stawidła Stephensona, zawór rozprężny poruszany był za pomocą krótkich dźwigienek i długiego cięgna biegnącego od krzywek na wale, w sposób już przeze mnie rysowany.
Silniki z wahaczami jednoramiennymi prostymi okazały się być bardzo atrakcyjne dla małych bocznokołowców, ponieważ zajmowały niewiele miejsca i były stosunkowo lekkie. Utrzymały się więc w tej roli bardzo wiele lat, montowano je na holownikach jeszcze na początku XX wieku. Oczywiście pracowały dłużej, np. angielski holownik bocznokołowy Old Trafford z 1907 r., wyposażony w taką maszynę, był eksploatowany potem przez pół wieku. Silniki półbalansjerowe miały jednak niezbyt korzystny rozkład sił i mas, więc dla większych jednostek wkrótce zostały zarzucone. Nie wszyscy zresztą pałali do nich równą sympatią i np. francuski traktat (o zastosowaniu pary w żegludze) już w 1862 r. stwierdzał, że „obecnie przestano stosować te maszyny”.

Biorąc pod uwagę założenie tego cyklu, silniki z półwahaczami można by teoretycznie w ogóle pominąć, ponieważ nie znam przypadku ich zastosowania na okręcie bojowym. Jeśli trafiały do marynarek wojennych, to chyba tylko „boczną furtką”, na używanych holownikach kupowanych czasem od armatorów cywilnych.
Jednak przez dziesięciolecia konstruowano je, montowano i eksploatowano pod nazwą maszyn parowych typu „GRASSHOPPER”, czyli „PASIKONIK” czy „konik polny”. Tymczasem później, na amerykańskich okrętach wojennych – w tym tak słynnym jak Monitor – pojawiły się silniki Z WIBRUJĄCYMI WAHACZAMI konstrukcji Ericssona, o całkowicie odmiennej budowie i działaniu, też nazywane maszynami typu GRASSHOPPER! Poruszające się po łuku lekko w górę i w dół jednoramienne dźwignie w obu przypadkach kojarzyły się ówczesnym obserwatorom z sympatycznym owadem, lecz za to teraz spotykając taką nazwę w literaturze, trzeba „wykazywać czujność”, ponieważ mogło chodzić o jedno z dwóch kompletnie różnych rozwiązań, z których tylko drugie znalazło znaczące miejsce w historii okrętów wojennych.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

3. SILNIK Z WAHACZAMI KĄTOWYMI (engine with bellcrank lever drive, engine with bell crank side levers, bell-crank engine)

Stanowił odmianę silnika z wahaczami jednoramiennymi prostymi i prawie wcale nie był wykorzystywany na okrętach wojennych. Poza tym maszyny tego typu produkowano bardzo krótko, gdyż mniej więcej w latach 1803-1830. Pomimo pewnej dziwaczności rozwiązań, uzasadnionej głównie pionierskim charakterem okresu, w którym je próbowano, silniki z wahaczami kątowymi zdążyły zdobyć znaczące miejsce w historii, ponieważ zainstalowano je na kilku bardzo znaczących parowcach. Nie mogę ich także pominąć dlatego, że niektóre z nich miały cechy kwalifikujące je również do maszyn innych typów i są z tego powodu mylone w literaturze.

Konstrukcyjnie chodziło o silnik z pionowym cylindrem i wysuwającym się w górę tłoczyskiem, które przez krzyżulec i boczne drążki przekazywało napęd na usytuowane w dole dwa wahacze. Te z kolei poruszały korbowodami (albo jednym, centralnym korbowodem) biegnącymi do wału korbowego lub do innych, podobnie działających mechanizmów, nieraz niepotrzebnie pokomplikowanych. Rzeczą charakterystyczną był kształt każdego z wahaczy, teoretycznie w kształcie litery „L”, z wyraźnie wyżej położoną osią korbowodów od osi obrotu wahaczy czy od miejsc przegubowego połączenia drążków bocznych z wahaczami (rys. 31). W praktyce ten kształt bywał mocno różny (wahacze przybierały postać odwróconej litery T – jak na rysunku, albo leżącej litery A itp.), ale zawsze chodziło o przeniesienie płaszczyzny osi wyjściowej korbowodów względem płaszczyzny osi obrotu wahaczy, co dawało efekt dodatkowej dźwigni.

Rys.31. Tłoczysko „2” wychodząc w górę z cylindra „1” jest prowadzone prostoliniowo specjalnymi wodzikami „4”, zamontowanymi na obu końcach krzyżulca „3” i ślizgającymi się wewnątrz prowadnic „5”, stanowiących część charakterystycznej, drewnianej konstrukcji nośnej o dużej wysokości. Boczne drążki „6” przekazują napęd na dwa wahacze kątowe „7”, formalnie w kształcie litery „L”, lecz po dołączeniu do nich ramion przeciwwagi „8” (dla zrównoważenia mas w układzie) zmieniających się w odwrócone „T”. Wahacze te wykonują ruch obrotowo zwrotny (huśtają się) wokół podpartej osi „10”. Na ogół występowały tam jeszcze usztywniające zastrzały, które specjalnie pominąłem dla jasności. Korbowody „9” odchodzące od pionowych ramion wahacza, prowadziły do – już nie narysowanego - wału korbowego (nie będącego wałem kół łopatkowych) lub do mechanizmów w rodzaju sprzęgieł jednokierunkowych, przekładni zębatych napędzających koła łopatkowe bądź przekładni zębatych napędzających koła zamachowe zapewniające drugą fazę ruch kół łopatkowych i temu podobnych pomysłów, pozwalających zrozumieć, czemu takie silniki nie utrzymały się długo na jednostkach pływających.

Silnik z wahaczami kątowymi, skonstruowany przez firmę Boulton & Watt, znalazł się na słynnym statku rzecznym North River Steamboat of Clermont Roberta Fultona, uważanym za pierwszy w historii parowiec eksploatowany z sukcesem ekonomicznym. Maszyna parowa miała tu cylinder o średnicy 61 cm i skok tłoka 122 cm, zaś moc określano na 20 koni nominalnych.
W 1818 r. 315-tonowy parowiec bocznokołowy London Engineer został wyposażony w silnik z wahaczami kątowymi, dwucylindrowy, zbudowany przez firmę Maudslay & Co., którego cylindry miały średnicę 91 cm, skok tłoków wynosił też 91 cm. Maszyna rozwijała moc 88 koni.
Wspomniany na początku kontakt z marynarką wojenną dotyczył osobliwego, około 500-tonowego parowca Rising Star. Słynny Thomas Cochrane, kiedy angażowano go na dowódcę marynarki Chile, namawiał władze tego kraju do skorzystania z różnych najnowszych wynalazków, wśród których poczesne miejsce miało zająć bojowe użycie okrętu napędzanego parą. Dla przyspieszenia biegu spraw zdecydował się na prywatne zamówienie takiej jednostki w Anglii, za ogromną sumę 20 tysięcy funtów, z których większość – bo 12 tysięcy – wyłożył jego brat William, sprawujący również nadzór nad ciągnącą się długo budową. Rising Star był jednym z pierwszych na świecie uzbrojonych parowców, pierwszym, który przepłynął Atlantyk ze wschodu na zachód (chociaż z tego tylko 19 godzin pod parą), pierwszym, jaki wpłynął na Pacyfik (aczkolwiek maszyna parowa działała tu tylko kilka godzin, zanim wyzionęła ducha). Okręt ten przybył jednak za późno, już po rozstrzygnięciu wojny, i rząd Chile odmówił zapłacenia za niego, więc formalnie w składzie marynarki wojennej nigdy się nie znalazł. Silnik tej jednostki wykonała firma Maudslay & Co. Był pionowy, dwucylindrowy, z wahaczami kątowymi. Średnica cylindrów wynosiła 107 cm, skok tłoków 91 cm. Ówcześni obserwatorzy pisali o 90 koniach nominalnych, dzisiejsi o 60 lub 70. Obracał wałem z prędkością 22 obr./min. Najciekawsza była aranżacja koła łopatkowego, ponieważ umieszczono je w dnie pośrodku okrętu (po opuszczeniu kominów nic nie zdradzało parowca) i to na dodatek ruchomo, tzn. z możliwością wciągania do kadłuba na czas pływania pod samymi żaglami.

Natomiast krzyżulec (crosshead) wędrujący w górę i w dół prowadnic w wieżowej konstrukcji przypominającej szubienicę, skłania niektórych autorów do przypisywania tego silnika do kategorii maszyn krzyżulcowych (wodzikowych) CROSSHEAD ENGINES, później bardzo popularnych w Ameryce Północnej, te zaś przez innych są z kolei utożsamiane z silnikami wieżowymi, o których będzie jeszcze mowa. W rezultacie przynajmniej niektóre egzemplarze maszyn z wahaczami kątowymi znajdują się w różnych klasyfikacjach w rozmaitych miejscach.

Krzysztof Gerlach
CDN

kgerlach

4. SILNIK Z BOCZNYMI WAHACZAMI, SILNIK Z BOCZNYMI BALANSJERAMI, SILNIK BOCZNO-WAHACZOWY, SILNIK BOCZNO-BALANSJEROWY, SILNIK BOCZNO-DŹWIGNIOWY (side-lever engine, Maschine mit seitlichen Kurbelantrieb, Maschine mit Schwinghebeln, Seitenkubel-Maschine, machine a balanciers inférieurs du premier genre, machine a balanciers inférieurs ordinaires)

Najpopularniejsza okrętowa maszyna parowa na bocznokołowcach, którą można uznać wręcz za symbol wykorzystania pary na morzu w pierwszej połowie XIX w. Nie jest to tylko pogląd dzisiejszy – kiedy w latach 1841-1856 mechanicy Royal Navy nosili przy mundurach guziki wyodrębniające się symbolem od tych przyszywanych do mundurów reszty kadry, to zdecydowano, że pod koroną trzeba umieścić szczegółowy (mimo miniaturyzacji) wizerunek właśnie standardowego silnika boczno-balansjerowego.

Zbyt duża wysokość lądowego silnika z górnym wahaczem bardzo wcześnie skłoniła inżynierów poszukujących maszyn do napędu małych statków cywilnych oraz wszelkiego wymiaru okrętów do przeniesienia tej masywnej belki jak najniżej. Oczywiście w takiej pozycji balansjer musiał zostać rozbity na dwa identyczne, mijające cylinder z obu stron. Francuzi w XIX w. bardzo logicznie zgrupowali w swoich klasyfikacjach wszystkie silniki z wahaczami (machines a balanciers) razem, wyodrębniając tylko jako odmiany maszyny górnowahaczowe (machines a balancier supérieur), boczno-wahaczowe pierwszego rodzaju (czyli właśnie boczno-balansjerowe) oraz boczno-wahaczowe drugiego rodzaju (czyli z balansjerami jednoramiennymi). Jest jednak charakterystyczne, że silniki z bocznymi wahaczami nazwali też ZWYKŁYMI.
Ideę pracy silnika boczno-balansjerowego przedstawia rys. 2, zaś na rys. 32 pokazuję wygląd zewnętrzny, grupując widoczne elementy w najważniejsze zespoły.

Rys.32. Silnik boczno-balansjerowy. Na różowo (? moja żona mówi, że to kolor wrzosowy, ale zakładam jednak zainteresowanie wyłącznie ze strony mężczyzn) zaznaczyłem główny układ przekazywania napędu od cylindra 1, poprzez tłoczysko 2 na krzyżulec 3, z niego bocznymi drążkami 4 na parę bocznych balansjerów 5, które na przeciwległym końcu napędzają korbowód 6, wprawiający - poprzez korbę 7- w ruch obrotowy wał korbowy 8, ułożyskowany w łożyskach 9. Prostoliniowy ruch tłoczyska 2 zagwarantowany jest obecnością prostowodu Watta, które pręty, cięgna (10) i dźwignie zaznaczyłem na niebiesko. Boczne wahacze (balansjery) przekazują z kolei napęd przez boczne drążki 11 i krzyżulec 12 na najważniejszy mechanizm pomocniczy, czyli pompę skroplinowo-powietrzną 13, wyciągającą skropliny i gazy ze skraplacza 14 i pompującą je do zbiornika skroplin 15, zwieńczonego rurą powietrzną 16. Natomiast obroty wału korbowego 8 sterują osobno dwoma głównymi zaworami. Bliżej nas widzimy na wale pojedynczy mimośród 17, który poprzez swój drążek 18 obraca dźwignią 19. Jej obrót porusza po obu stronach dźwignie 20 (układ zrównoważony przeciwwagą 21), które bocznymi drążkami 22 podnoszą i opuszczają krzyżulec 23 połączony z trzonem suwaka ukrytego w komorze suwakowej 24. W ten sposób realizowany jest podstawowy rozrząd silnika. Z drugiej strony korby (akurat tutaj) umieszczono układ sterowania zaworem rozprężnym. Poczynając od mechanizmu wyboru krzywki (tu widzimy dobrze tylko jego zadek 25, reszta liniami kreskowymi, zasłonięta przez łożysko) wiedzie on nas drążkiem 26 do dźwigni 27, obracającej wałkiem 28, na którym osadzony jest zawór rozprężny, w tym przypadku schowany w komorze suwaka. Kolorem żółtym zasygnalizowałem miejsca podparcia niektórych elementów na konstrukcji nośnej, którą poza tym wyrżnąłem całkowicie, by nie zasłaniała szczegółów.

Silniki z bocznymi wahaczami w formie prostych, dwuramiennych dźwigni zajmowały dużo miejsca, były ciężkie, ale dzięki bardzo dobremu rozkładowi sił i mas oraz dużemu skokowi tłoków i długim korbowodom cechowały się za to niezawodnością i trwałością, cechami na morzu najważniejszymi, których inne ówczesne konstrukcje parowych maszyn okrętowych nie mogły osiągnąć w takim stopniu. Stąd używane były w pierwszej połowie XIX w. na wszystkich typach jednostek cywilnych i okrętów wojennych o napędzie bocznokołowym, poczynając do holowników i awiz, kończąc na statkach pasażerskich przemierzających oceany oraz względnie dużych parowcach bojowych (na których dominowały aż do początku lat 1840.).
Maszyny boczno-balansjerowe konstruowali wszyscy angielscy wytwórcy z tego okresu, tj. Robert Napier, David Napier, James Cook, Scott, Sinclair, Caird, Todd - z Glasgow; Fawcett, Bury, Forrester – z Liverpoolu; Maudslay, Sons & Field, Miller & Barnes, Seaward, Rennie, Penn – z Londynu; Boulton & Watt z Birmingham; Butterley Iron Works z Derbyshire; a także kilku amerykańskich, jak Allaire Iron Works i Novelty Iron Works z Nowego Jorku, ponadto francuscy, jak np. Schneider z Le Creuzot, Cavé z Paryża, Hallette z Arras, wytwórnie w Lorient (projektant Frédéric Reech), Indret (projektanci Rossin, Gengembre) czy holenderscy, jak Röntgen z Fijenoord.

Z uwagi na to, że silnik z bocznymi wahaczami stał się szybko standardowym typem okrętowej maszyny parowej, nie ma mowy o wymienianiu w tym wątku wszystkich znaczących jednostek pływających, na których go zainstalowano. Można jedynie w telegraficznym skrócie przypomnieć pierwszy parowiec, który przebył kanał La Manche (Elsie; średnica cylindra 56 cm, skok tłoka 61 cm, moc 10 koni nominalnych), pierwszy parowiec zbudowany w Rosji (Jelizavieta), pierwszy parowiec zbudowany w Prusach (Prinzessin Charlotte), pierwszy parowiec służący na Morzu Śródziemnym (Ferdinando Primo), pierwszy parowiec operujący regularnie na wodach otwartych (Rob Roy), pierwszy parowiec zbudowany specjalnie dla Royal Navy (Comet), pierwszy parowiec Royal Navy, który wziął udział w działaniach bojowych (Lightning), pierwszy parowiec wyposażony w silnik wykonany przez Roberta Napiera (Leven), pierwszy parowiec uczestniczący bojowo w wojnie birmańskiej (Diana), pierwsze statki słynnego potem armatora General Steam Navigation Company, pierwszy parowiec, który przepłynął pod parą i żaglami z Anglii do Indii (Enterprize), pierwszy parowiec, który przepłynął Atlantyk na trasie Kanada-Wielka Brytania (Royal William), pierwsze parowce zbudowane dla Royal Navy od razu jako okręty bojowe (Dee, Medea, Phoenix, Rhadamanthus, Salamander), pierwsze statki słynnej Peninsular & Oriental Steam Navigation Company, pierwszy parowiec zbudowany od razu z przeznaczeniem do rejsów transatlantyckich (Great Western), pierwszy statek, który przepłynął Atlantyk całkowicie pod parą (Sirius), pierwsze transatlantyki Cunarda, pierwszy parowiec Collins Line (Atlantic). Oczywiście niektóre z tych „pierwszeństw” można sobie kontestować, ale to zupełnie nie zmienia istoty rzeczy.
Szczyt swojego rozwoju silnik boczno-balansjerowy osiągnął wraz ze skonstruowaniem przez Roberta Napiera maszyn dla transatlantyków bocznokołowych Cunarda Persia (z 1856) i Scotia (z 1862). Na tym ostatnim średnica każdego z dwóch cylindrów przekroczyła 2,5 metra, skok tłoków był dłuższy niż 3,6 metra, a moc indykowaną literatura podaje w zakresie 4600-4900 koni.

Dla statków handlowych ten typ maszyny parowej bardzo długo był najlepszym wyborem. Silnik taki miał nisko położony środek ciężkości, stosunkowo niedużą wysokość całkowitą, charakteryzował się prostotą konstrukcji i łatwością obsługi, dopuszczał znaczne tolerancje wykonawcze. Duży skok tłoków był odpowiedni dla maszyn niskoobrotowych, szczególnie nadających się do napędu bocznokołowców. Umożliwiał stosowanie przy tej samej pojemności skokowej mniejszych tłoków, co obniżało obciążenia oraz spowalniało ścieranie się panewek i czopów łożyskowych w krzyżulcach, korbowodach, przegubach mechanizmu prostowodowego. Długie korbowody zapewniały małe składowe poprzeczne reakcji na sworzniach i czopach korbowodowych, a przez to stabilizowały wartość momentu obrotowego, minimalizowały drgania, zmniejszały przegrzewanie się panewek sworzni krzyżulców, sworzni prostowodów i panewek czopów korbowodowych, wpływały na wzrost ich trwałości. Bardzo dobre wyrównanie mas ułatwiało szybki start silnika w dowolną stronę przy prawie dowolnym ustawieniu tłoka. Prostota konstrukcji przyczyniała się do jej odporności na uszkodzenia oraz zmniejszała wymogi co do staranności i kwalifikacji obsługi. Masywna budowa pozbawiona skomplikowanych rozwiązań powodowała, że silniki takie mogły pracować nawet przy znacznym zużyciu.
Oczywiście wielkie rozmiary i znaczny ciężar były od początku postrzegane bez entuzjazmu w marynarce wojennej (gdzie okręt pozbawiony przez to możliwości zabierania potrzebnej liczby dział i zapasów amunicji znajdował tylko ograniczone zastosowania), a i na dużych statkach cywilnych położyły w końcu kres panowaniu silników boczno-balansjerowych, kiedy rozwój techniki spowodował, że prostsze, mniejsze, lżejsze i dużo bardziej wydajne maszyny okrętowe innych typów osiągnęły wystarczający stopień niezawodności. Duże znaczenie miało też przejście na napęd śrubowy, gdy dalsze wykorzystywanie silników wolnoobrotowych wymuszało dodawanie gigantycznych przekładni przyspieszających, co w naturalny sposób faworyzowało nowe generacje maszyn o większych prędkościach.

Jednak „epoka” panowania silników z bocznymi wahaczami miała swój niepowtarzalny urok zarówno w sensie zaskakujących procedur obowiązujących podczas eksploatacji, jak stylistyki konstrukcyjnej, zgodnie z duchem owych czasów nie koncentrującej się wyłącznie na utylitarności, ale starającej się nadać każdemu wyrobowi użytkowemu cechy artystyczne, zwłaszcza w nawiązaniu do architektonicznego zafascynowania klasycyzmem.

Na rys. 32 nie dałem elementów, które mogłyby zaciemniać obraz podstawowy, a drążki sterujące trzonem suwakowym i zaworem ekspansyjnym narysowałem w wersji bardzo prostej, często faktycznie stosowanej. Jednak konstruktorzy tamtej epoki wykonywali takie drążki również w odmianach, które z pewnością można by zaliczyć do wyrobów kowalstwa artystycznego, a konstrukcje nośne wspierali na kolumnach wyglądających jak miniatury ze starożytnych lub gotyckich świątyń. Wybrane fragmenty oryginalnych rysunków zamieszczam niżej – mam nadzieję, że nie tylko dla mojej przyjemności, może zarażę jeszcze kogoś fascynacją tymi dziełami twórczości inżynierskiej.

Rys.33. Rozmaite wersje drążków sterujących rozrządem (ruchem suwaka) od mimośrodu na wale korbowym oraz samych mimośrodów. Oczywiście taka konstrukcja wynikała ze względów użytkowych (uzyskanie dużej sztywności przy zachowaniu małej masy), ale wykonanie świadczyło o ambicjach artystycznych.

Rys.34. Rozmaite wersje kolumn wsporczych i łuków podpierających w silnikach boczno-balansjerowych. Mogą się dziś podobać lub nie, lecz i tak budzą szacunek dla pracowitości ówczesnych odlewników.

CZĘŚĆ TYLKO DLA ZWARIOWANYCH ZAPALEŃCÓW:
O „egzotycznych” dla nas problemach, z którymi musieli spotykać się mechanicy obsługujący silniki boczno-balansjerowe, może świadczyć procedura rozruchu takiej maszyny. Naokoło ustawiało się pełno ludzi, każdy z zadaniem ręcznego poruszania odpowiednimi drążkami lub ręcznej obsługi różnych zaworów oraz kontroli położeń i wskazań (coś takiego, jak tablica rozdzielcza czy szafka sterownicza jeszcze się nikomu nie śniły). Cały układ silnika, czyli cylinder, komorę suwakową, pompę skroplinowo-powietrzną i skraplacz „zatapiano” w parze przez otwarcie głównego zaworu zasilającego z kotła i takie ręczne przemieszczanie suwaka, by para dostała się do przestrzeni po obu stronach tłoka. Potem ustawiano sterowanie suwaka (przekręcano mimośród na wale) tak, by po starcie otrzymać pożądany kierunek obrotów. Następnie łączono wszystkie elementy w zamknięte łańcuchy kinematyczne. Wtedy otwierano zawór iniekcyjny (wtryskowy) skraplacza – nie wspominałem o nim dotąd, gdyż chodziło z reguły o zasuwę, sterowaną przymusowo tylko doraźnie, właśnie dla zamknięcia, otwarcia i regulacji wielkości wtrysku wody zaburtowej, a podczas pracy silnika znajdującą się w niezmiennej pozycji. Wlewająca się do skraplacza zimna woda, w postaci rozproszonych kropelek, powodowała natychmiastowe skroplenie się wpuszczonej tam wcześniej pary, przez co wytwarzała się próżnia „wyciągająca” z jednej strony tłoka parę, która zaraz też ulegała skropleniu. Wówczas ciśnienie pary po jednej stronie tłoka i próżnia po drugiej wywoływały jego ruch w zadanym kierunku, czyli start pracy silnika. Prędkość ustawiano dławiąc dolot pary z kotła na głównym zaworze zasilającym oraz wybierając odpowiednią krzywkę sterującą momentem zamykania zaworu rozprężnego (ekspansyjnego). Związek ustawienia (ręcznego, wg doświadczenia!) wszystkich zaworów wpływał decydująco na pracę maszyny. Jeśli zawór wtryskowy otwarto w stosunku do ilości doprowadzanej pary zbyt szeroko, nadmiar wlewającej się wody zaburtowej nie mógł być wybrany przez pompę skroplinowo-powietrzną, skraplacz ulegał zalaniu, a gdyby przy tym woda poprzez komorę suwakową dostała się do cylindra po stronie wydechu, groziło zniszczenie silnika. Jeśliby jednak – z ostrożności – wyregulowano zawór wtryskowy tak, aby do skraplacza dostawała się za mała ilość wody, uniemożliwiająca całkowite skroplenie zużytej pary, w skraplaczu i po wydechowej stronie tłoka pojawiłoby się ciśnienie wsteczne i moc gwałtownie by spadła, co mogłoby doprowadzić do zatrzymania maszyny.

Krzysztof Gerlach
CDN