はじめてのUK⑰ High-pressure engine 蒸気機関車の成立

まだ書くの?という声が聞こえてきそうですが、ちょっとずつ書くことにします。
前回パディントン駅の話に終わってしまったので、もう一回ロンドン科博に戻ります。
どこにあるかって?
各線サウス・ケンジントン下車。隣の自然史博物館の方が知られてるかな。
いっその事「ハロッズの隣の駅」と言った方が通りがイイかもしれない(>_<)


例によって、翻訳の品質は一切保証しない。すビバせん(>_<)



    ~その伍~   「エンジニア」の登場


エンジンを改良するとは、もっと精密に製造する事を意味した。
腕ききの技術者も、経験ある経営者も圧倒的に足りなかった。

仕方が無いので、ジェームズ・ワット自ら、エンジンの製造方法の改良も示して見せた。
1796年、バーミンガムに「ソーホー鋳物工場」を設立。
世界初の機械を造る工場である。

当時ワットらが世界の最先端を行くには、それだけの理由があった。
エンジニアの特訓と、キビシイ精度基準の制定、この2つである。

1797年、ロンドンの化学精製業ジョン・モードに納入されたこのエンジン。
顔料を磨り潰していたと推定されている。
それまで建物の中に納まらなかったエンジンが、屋内に据え付けられるサイズになった。

このぐらいの大きさに



    ~その陸~  スモール・イズ・ビューティフル


19世紀初頭、巨大工場はまだ少なく、生産の大多数は未だ小工場の中で行われていた。
そのため、小さな工場に収まるコンパクトで低価格なエンジンを欲しがった。

この科学博物館を見渡せば、ジェームズ・ワットの蒸気エンジンはいかにも巨大だったことが判るだろう。
エンジン建屋も巨大にならざるを得ない。

1799年、ワットの部下の一人、ウィリアム・マードックが「ベルクランクエンジン」を考案した。
コンパクトでワンパッケージ化された、商業的にも適したエンジン。商売が活発になった。

下の写真は1810年以降に製造されたもので、工場の機械群を駆動し、時にはJ&Wニコルソン蒸溜の発電機を駆動したりもした。なお、発電機が発明されるのは19世紀に入ってからである。


ベルクランクエンジン(ボルトン&ワット、1810年頃)1799年にW.マードックにより特許。40回転/分、6HP

 動き方を説明してみる。

①低圧蒸気がシリンダを囲んでいるジャケットを通ってエンジンに入る。


②蒸気はエンジンのバルブ室に入る。ヘイグのスライドバルブが蒸気をピストンの上と下に交互に供給する。
 蒸気が一方の側に入るに従って、バルブは逆側の蒸気を復水器(凝縮器)に流す様に動作する。


③シリンダで使われた蒸気は復水器(凝縮器)に入る。復水器は冷水タンクの中に据え付けられている。
 復水器の中では、タンクから冷水が吹き出し、蒸気を液体の水に凝縮させる。
 凝縮した水はエンジンのポンプによって排出される。


④シリンダのピストンの上下運動はスライドロッドとベルクランクに伝えられる。
 これらは交互にクランクに接続され、クランクは往復運動を回転運動に変換する。


⑤クランクの回転運動はクランクシャフトを経て別のフライホイールシャフトに伝えられる。
 シャフトはドラッグリンクで接続されており、フライホイールとエンジンの間のミスアライメントを許容する。


⑥フライホイールは慣性により運動エネルギーを持ち続け、エンジンの速度を一定に保つ。




    ~その質~  高圧蒸気機関から、蒸気機関車へ


18世紀末の段階でワットは蒸気エンジンの機構及びその改良についての特許を独占していた。
しかし19世紀に入ると、ワットの特許期間は終了し、リチャード・トレビシック(1771-)らが台頭する。

 From Wikipedia

トレビシックは英国初の「高圧蒸気」エンジニアである。
この当時の「高圧」は大気圧の約10倍程度である。

高圧をつくればボイラーが爆発した時の損害がデカイ。
世間から強烈な批判が飛び、ワットに「絞首刑に処すべきだ」とまで言わしめた。
ワットは部下に高圧蒸気機関の製作を禁じていた。

ワットが復水器を発明して真空をつくり、その力によってエンジンを駆動したのに対して、
現在の蒸気機関車を思い起こせばわかるように、トレビシックは復水器を省略した。

しかし、高圧ゆえに万能であった。
小型のものも、大型大出力のものもつくることができた。
初期のものは効率・経済性で劣ったが、その欠点を上回る御利益があった。


 トレビシックの高圧エンジン

ワットのエンジンの3倍の蒸気を消費したが、はるかに小型であった。
バケットコンベアや浚渫など多用途に適用できた。


(写真左)英国工業の発展は貿易物流に依っていたため、港や河川で座礁しないように浚渫する必要があった。
(写真右)トレビシックの高圧エンジンはコンパクトで、テムズ川の浚渫機などに使われた。


トレビシックは1802年、高圧蒸気機関の特許を取得した。
1804年2月、トレビシックの蒸気機関車は10トンの鉄を牽引して約16km運ぶことに成功した。



(写真左)トレビシックの「ロンドン鉄道のアドミッション」(入場券?わからん)1808年


しかしこののち、トレビシックは蒸気機関車開発から離れる。
レールの改良などを経て、商用鉄道が英・米・仏などで現実のものとなるのは1825年以降と、もう少し時間を要することになる。



「はじめてのUK」
次回は「初期のタービン発電機
更新日は未定です。気長にお待ち下さい。


・原文

【5.The rise of the engineer】

As the design of steam engines steadily improved, greater precision was needed to build them.
But there was a shortage of skilled engineers and the factory owners who bought the engines had little experience of steam power.
James Watt realized that production methods had to be improved.
In 1796, he opened the Soho Foundry in Birmingham to build his engines.
It was the world’s first factory specially designed to build machines of any kind.


Advanced engineering
Although they may appear crude today, James Watt’s engines were examples of the most advanced engineering of their time.
Their construction depended on a growing workforce of highly trained engineers and new standards of precision that had never been seen before.
As more and more accurately made machines of all types were demanded by Britain’s thriving industries, this combination of people and precision gave Britain’s a world-beating advantage.

Rotative steam engine by Boulton and Watt, 1797
This engine was built in 1797 by Boulton and Watt for John Maud, a London chemist and refiner.
Maud’s engine worked until 1885, probably driving mills used for grinding pigments and other chemical substances.
The engine would have been ‘house built’ – in other words, it would have been built within a house just large enough to accommodate it, supported on all sides by wooden framing.


【6. Size isn’t everything】

In the early 1800s, large mills and factories were quite rare.
The vast majority of production still took place in hundreds of small workshops.
So there was a growing demand for smaller, more compact – and less expensive – steam engines that could be used in smaller workshops.
It was a sure sign that the use of steam was spreading.

Small is beautiful
If you look around the Energy Hall, you can see that James Watt’s early engines were quite big, requiring the support of a large engine house.
But in 1799, one of Watt’s gifted employees, William Murdoch, divised the bell-crank engine.
It was the first compact, self-contained engine to be made available commercially.
Very soon, a roaring trade sprang up in small engines, both new and secon-hand.

Bell-crank engine by Boulton and Watt, c.1810
Patented in 1799 by William Murdoch, around 75 bell-crank engines were built by Boulton and Watt from 1799 to 1813.
This one was made in 1810 and in later years drove workshop machinery and sometimes an electric generator at J & W Nicolson’s three Mills Distillery in London.
The engine was last used in about 1930.


【7. Full steam ahead】
In 1769, James Watt had taken out a patent that allowed him to dominate steam-engine design and improvement.
As a result, other engineers were prevented by law from developing new, alternative designs.
But in 1800, Watt’s patent expired and a new generation of engineers, including Cornishman Richard Trevithick, were waiting in the wings, ready to take up the challenge.

Raising the pressure
Richard Trevithick was the first British engineer to use ‘strong’ steam – that is, steam at high pressure.
This brought the risk of boiler explosions and attracted fierce criticism from James Watt, who said Trevithick ‘deserved to be hung’.
But Trevithick’s engine were extremely versatile.
They could be made much smaller for the same power output, or larger and more powerful – even if they were less economical to run at first.
They opened the way for steam engines to be used more readily in railways, in ships and in agriculture.

(The left photo)
The declaration of ‘Mechanical Power Subduing Animal Speed’ summarizes steam’s advantages over natural power sources.
Admission card to Richard Trevithick’s London railway, 1808

Trevithick's high pressure engine, c.1806
This is a unique high pressure engine constructed in around 1806 to Richard Trevithick's design by one of his preferred engine builders, Hazledine and Co. of Brignorth in Shropshire.
Engine like this consumed three times more than Watt's engines, but were far more compact.
They were simple and easy to install and could be put to a much wider range of uses – such as driving the chain of buckets on a dredger.
The engine you see here was found on a scrap heap and restored in 1882.

・photo left:
Britain’s industrial development relied on marine trade.
The importance of keeping harbours and rivers from silting up led to the new application of steam to dredging.
・photo right:
Richard Trevithick’s high-pressure steam engines were compact to be used in many new ways.
Trevithick’s high-pressure steam engine used with a dredging machine on the River Themes, 1806.
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