Większość tego opisu powstała poprzez niemal bezpośrednie cytowanie z pracy pana Krzysztofa Gerlacha "Okrętowe kotły parowe do 1870 r. Zarys konstrukcji i nazewnictwa", Gdańsk 2022
Płaskościenne kotły kufrowe były nieodporne na ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne (to ostatnie też było groźne, gdyż w stygnącym kotle para ulegała skropleniu i wytwarzała się próżnia), stąd musiały być wzmacniane zespórkami, zastrzałami, ściągami, które bardzo przeszkadzały w czyszczeniu. Rozwiązanie mogło leżeć w stosowaniu kotłów cylindrycznych, kulistych, owalnych. Już w latach 30-tych lub najpóźniej 40-tych XIX wieku na okręcie HMS "ECHO", którego oryginalne kotły dawały parę o nadciśnieniu tylko 24 kPa, sprawdzano kotły cylindryczne, z wewnętrznymi cylindrycznymi paleniskami i cylindrycznymi płomienicami. Wytwarzały parę o nadciśnieniu 103 kPa.
Już pod koniec lat 40-tych XIX wieku konstruktorzy zdawali sobie dobrze sprawę, że dalsze zwiększanie ciśnienia pary wymaga zmiany kształtu kotłów z prostopadłościennych na cylindryczne, elipsoidalne czy zbliżone do kuli. Firma Stillman Allen & Co wykonała w 1850 r. taki cylindryczny kocioł, z wieloma poziomymi, cylindrycznymi płomienicami (rurami gazowymi dużej średnicy) dla statku "FRANKLIN", ale ponieważ generował on parę o nadciśnieniu tylko 103 kPa, była to raczej wprawka dla przyszłych konstrukcji niż sensowna propozycja w czasach, kiedy podobne wartości uzyskiwały również kotły kufrowe (aczkolwiek z setkami zespórek), znacznie lepiej wypełniające wnętrze kadłuba, zaś większość armatorów cywilnych i marynarek wojennych nie widziała potrzeby przechodzenia na instalacje prawdziwie wysokociśnieniowe.
Jednak już pojawienie się w 1854 r. pierwszego pełnomorskiego statku wyposażonego w silnik podwójnego rozprężania pary (silnik sprzężony) zwiastowało nadejście zupełnie nowej epoki, ponieważ stosowanie tego typu maszyny parowej było opłacalne tylko przy dużo wyższych ciśnieniach. Dlatego już pod koniec lat 60-tych typowe stały się wartości rzędu 400 kPa. Musiało to jednak pociągnąć za sobą dwie bardzo ważne zmiany w instalacjach kotłowych.
Pierwszą było przejście na wodę słodką w instalacji. Stan na początku lat 1860. polegał na używaniu kotłów kufrowych (skrzynkowych), skraplaczy natryskowych, wody morskiej i nadciśnień pary nie przekraczających 200 kPa. Na statkach cywilnych chodziło o kotły płomienicowe, czyli z szerokimi kanałami dla spalin, a na okrętach wojennych o kotły płomieniówkowe, czyli z wąskimi rurkami do przeprowadzania gorących gazów przez strefę wodną. Jednak już pojawienie się w 1854 r. pierwszego pełnomorskiego statku wyposażonego w silnik podwójnego rozprężania pary (silnik sprzężony) zwiastowało nadejście zupełnie nowej epoki, ponieważ stosowanie tego typu maszyny parowej było opłacalne tylko przy dużo wyższych ciśnieniach. Dlatego już pod koniec latach 1860. typowe stały się wartości rzędu 400 kPa. Aby sprostać nowym wymaganiom, bardzo wskazane okazało się przejście na wodę słodką w zamkniętym obiegu (przynajmniej jeżeli chodzi o konstrukcje stosowane na morzu, gdyż tam występuje problem z dostępnością słodkiej wody). W przeciwnym wypadku przy ciśnieniu przekraczającym 175 kPa formował się z wody morskiej na ściankach kotła prawie nieusuwalny w tamtych czasach kamień gipsowy. Poza tym, ciągłe wydmuchiwanie odmulin z kotła oraz wyprowadzanie za burtę sporej części gorących skroplin niweczyło korzyści ekonomiczne uzyskiwane z wielokrotnego rozprężania pary. Ale zamknięty obieg wody słodkiej wymuszał powrót do skraplaczy przeponowych (zwanych powierzchniowymi). Tę odmianę skraplacza znano już od 1834 r., lecz wtedy okazała się chybionym pomysłem: para przeciskana przez cienkie rurki skraplacza Halla przynosiła tam łój, mąkę i inne ówczesne uszczelniacze oraz smary, prędko je zatykając; chłodząca woda morska, otaczająca rurki, nie krążyła wystarczająco intensywnie, ponieważ napędzane od silnika głównego pompy tłokowe charakteryzowały się zbyt małą wydajnością; nie znano wystarczająco niezawodnych uszczelnień do oddzielania części wodnej i parowej w skraplaczu; teoretycznie mniej agresywna korozyjne woda słodka nieporównanie szybciej korodowała kotły od agresywnej wody morskiej, ponieważ kamień osadzający się z tej ostatniej pełnił (pod warunkiem, że tworzył tylko cienką warstewkę) rolę izolacji antykorozyjnej, zaś nie zdawano sobie sprawy z bardzo istotnej, negatywnej roli spełnianej przez rozpuszczony tlen. Przez kilkadziesiąt lat w sporej części tych kwestii dokonano jednak istotnego postępu. Udoskonalono środki smarne i uszczelnienia, zastosowano pompy wirowe o wielkiej wydajności do wody chłodzącej, nauczono się odtleniać wodę kotłową, opracowano procedurę wstępnego wytwarzania cieniutkiej warstwy ochronnego kamienia podczas rozruchu kotła na wodzie morskiej, ulepszono konstrukcję, mocowanie i uszczelnianie rurek parowych (gwintowane dławiki wypełnione bawełną na miedzianych rurkach). Zupełnym novum była z czasem zamiana ról – wodę tłoczono odtąd przez rurki skraplacza, a niosąca zanieczyszczenia para krążyła sobie bez problemów wokół nich. Co prawda to ostatnie udoskonalenie przyszło dużo później, ale nawet parowo-rurkowe skraplacze powierzchniowe z lat 1860. szybko zaczęły wypierać natryskowe zwłaszcza tam, gdzie bardzo istotna była oszczędność paliwa – czyli głównie na pełnomorskich parowcach cywilnych. Na okrętach marynarek wojennych nie musiano zwracać takiej uwagi na oszczędną eksploatację, lecz i tam prędko się przekonano do rozwiązań pozwalających na poświęcenie większych przestrzeni na uzbrojenie, wyposażenie, systemy ochrony itd., zamiast na bunkry paliwowe. Oprócz przejścia na wodę słodką w instalacji konieczna była zmiana kształtu kotłów, palenisk i płomienic – prostopadłościenne działały zadowalająco tylko przy nadciśnieniach nie przekraczających 200 kPa. Teraz trzeba się było uciec do kotłów z cylindrycznymi lub owalnymi powłokami, paleniskami i płomienicami.
Ponieważ kotłów cylindrycznych używano na lądzie od wielu lat (znano je zresztą i na wczesnych okrętach parowych), więc pod względem konstrukcyjnym przejście od zwrotnych (czyli wysokich, z płomieniówkami nad paleniskiem) i nieckowych (czyli niskich, z płomieniówkami na tym samym poziomie co paleniska) kotłów kufrowych do zwrotnych i nieckowych kotłów cylindrycznych, czyli tzw. kotłów szkockich (ang. "scotch boiler") nie przedstawiało trudności. Innym zróżnicowaniem był podział na kotły jednostronne (ang. "single-ended boilers") i kotły dwustronne, inaczej zdwojone (ang. "double-ended boilers") – z paleniskami z obu końców i wspólną skrzynią ogniową.
Wielu inżynierów w tym samym czasie przedstawiało podobne idee, lecz za pierwszy kocioł szkocki na morskiej jednostce pływającej uchodzi powszechnie ten zaprojektowany przez Jamesa Howdena z Glasgow, wykonany przez firmę Randolph, Elder & Co. i zainstalowany w 1862 r. na statku "MCGREGOR LAIRD". Zdwojony (każda część o średnicy 3 m i długości 4,4 m), z dwoma cylindrycznymi paleniskami (o średnicy 0,91 m) na obu końcach i wspólną skrzynią ogniową, w rzucie bocznym prawie się nie różnił od typowych kotłów płomieniówkowych zwrotnych z lat 50-tych, lecz rzut od czoła zdradzał cylindryczność wszystkich najważniejszych elementów. Od tego momentu kotły cylindryczne, zwrotne i nieckowe, zyskiwały coraz większą popularność, aż około 1870 r. kocioł szkocki stał się najpowszechniej używanym kotłem w marynarkach handlowych i stąd wszedł do międzynarodowej terminologii morskiej pod nazwą kotła okrętowego (ang. "marine boiler", niem. "schiffskessel"). Uważa się go często za kocioł płomienicowo-płomieniówkowy (czyli kombinowany, niem. "Kombinierter Flammrohr-und-Heizrohrkessel"), ponieważ cylindryczne przestrzenie palenisk otaczające ruszty można uznać za płomienice o dużej średnicy.
Chociaż przejście do cylindrycznej formy kotłów było niezbędne z uwagi na wzrost ciśnień, przyniosło również wiele niedogodności, stąd akceptowano je powoli i z oporami. Redukcja wymiarów palenisk spowodowała obniżenie zdolności odparowywania i pogorszyła sprawność; możliwy wzrost średnic kanałów paleniskowych był ograniczony, ponieważ nie dało się ich wystarczająco usztywnić na długości – rozmaite zespórki, pierścienie i kołnierze ulegały osłabieniom i uszkodzeniom w ogniu. W rezultacie cylindryczne płomienice nie nadawały się do ciśnień przekraczających 0,55 MPa. Było to i tak więcej niż dla dawnych palenisk prostopadłościennych, ale też tamte występowały w kotłach niskociśnieniowych. Właściwe rozwiązanie tego problemu zaproponowano dość szybko, ale dopiero Samson Fox, opierając się na swojej konstrukcji opatentowanej w 1877 r., przekonał producentów do stosowania płomienic falistych (ang. "corrugated flue", niem. "gewellte Flammrohre"), zwłaszcza że opracował praktyczną metodę ich wytwarzania. W rezultacie w latach 80-tych XIX wieku większość kotłów miała już paleniska w formie pofałdowanych kanałów, co nadawało im dobrą sztywność wzdłużną, umożliwiając zwiększenie średnic i podniesienie ciśnień.
Cylindryczne kotły gorzej wykorzystywały wnętrze kadłuba okrętowego i na to nie znaleziono remedium. Dawały też jednak mniejszą przestrzeń parową, co łączyło się z wieloma niedogodnościami i było obwiniane za zwiększenie niebezpieczeństwa "plucia" przez kocioł. Jak pisze Denis Griffiths, bąble parowe przedzierając się przez strefę wodną do góry, zabierały ze sobą kropelki wody do cylindrów silnika i uważano, że względnie mała powierzchnia zwierciadła wody na szczycie kotła szkockiego w porównaniu z ogromną powierzchnią grzewczą przyczynia się do wzrostu tego bardzo groźnego zjawiska w stosunku do natężenia obserwowanego w kotłach kufrowych.
W związku z tym niektóre kotły szkockie wyposażono w pierścieniowe przegrzewacze pary wokół podstawy komina, co miało powodować osuszanie, ale potem (w miarę zwiększania ciśnień) na długo typowym rozwiązaniem stało się instalowanie osobnych, bardzo charakterystycznych, małych walczaków na szczycie kotłów, jako zbiorników pary. Czasem lokowano je w czopuchach, by wykorzystać ciepło uchodzących spalin dla dodatkowego osuszania, jednak zazwyczaj znajdowały się na zewnątrz, dobrze izolowane. Dopiero w 1914 r. przegrzewacz pary typu Schmidta, usytuowany wewnątrz płomieniówek, na dobre wyparł te zabawne cylinderki ze szczytów kotłów.
Przy liczbie palenisk większej niż dwa, w kotle cylindrycznym nie można ich było sensownie ustawić na tej samej wysokości. Fakt ten bardzo utrudniał obsługę, szczególną uciążliwość stwarzając dla palaczy. Wszystkie te problemy z kotłami cylindrycznymi powodowały, że próbowano rozwiązań pośrednich. Stosunkowo najbardziej popularne były kotły owalne – miały płaskie boki, ale półsferyczne partie szczytowe i denne. Umożliwiało to wzrost ciśnień w stosunku do dopuszczalnych w kotłach kufrowych, a zarazem dawało lepsze wykorzystanie przestrzeni wewnątrz kadłuba okrętowego w stosunku do kotłów cylindrycznych. Płaskie elementy usztywniano ściągami, zespórkami itp. Firma Maudslay, Sons & Field dostarczyła kotły owalne na wiele wczesnych transatlantyków kompanii White Star (np. "BRITANNIC" z 1874 r. oraz "GERMANIC" z 1875 r. miały po osiem zdwojonych kotłów tego typu, pracujących przy nadciśnieniu pary 517 kPa), a brytyjska marynarka wojenna wyposażyła w kotły owalne bezpośrednich następców pechowego pancernika "THUNDERER" – okręty "DREADNOUGHT" i "INFLEXIBLE". Mimo wielkich firm, słynnych spółek żeglugowych i znanych jednostek skojarzonych z kotłami owalnymi, konstrukcja ta szybko osiągnęła kres swoich możliwości, ponieważ nadawała się do nadciśnienia o wartości co najwyżej około 0,6 MPa (ok. 87 psi). Były to niezłe osiągi gdzieś do połowy lat 80-tych XIX wieku, potem przestały wystarczać.
Po zaadaptowaniu i ostatecznym zaakceptowaniu cylindrycznych powłok i cylindrycznych palenisk, następny ważny etap doskonalenia budowy kotłów okrętowych wyznaczyło użycie stali w latach 70-tych XIX wieku. Do tamtej pory dominującym materiałem konstrukcyjnym – mimo swoich wad – pozostawało żelazo pudlarskie. Jednak w miarę podnoszenia ciśnień, kotły trzeba było robić z coraz grubszych blach, co z kolei sprawiało kłopoty przy wykonywaniu otworów pod nity. Długo nie istniała żadna tania alternatywa, ponieważ stal osiągalna w latach 50-tych miała kiepskie własności i kosztowała za drogo. Od początku lat 60-tych XIX wieku pojawiły się znacznie większe ilości dobrej stali za rozsądną cenę, dzięki zastosowaniu konwertora Bessemera. Początkowo materiał ten znalazł uznanie głównie u wytwórców kotłów lądowych – stacjonarnych i parowozowych. Pewną wstrzemięźliwość producentów kotłów okrętowych wobec stali zlewnej można wytłumaczyć jej większą podatnością na korozję niż w przypadku żelaza pudlarskiego. Kiedy jednak na przełomie lat 60-tych i 70-tych XIX wieku w pełni rozwinięto proces Siemensa-Martina i zaczęto wytwarzać w ogromnych ilościach bardzo dobrą, a nadal dość tanią stal martenowską, wszelkie opory zniknęły. Materiał ten miał większą wytrzymałość na rozciąganie i inne własności pożądane przy konstruowaniu zbiorników ciśnieniowych, więc w latach 70-tych XIX wieku wyparł wszystkie pozostałe w budowie kotłów. Stal użyta też na paleniska, skrzynie ogniowe i płomienice ułatwiła podnoszenie ciśnienia, sprawne wykonywanie połączeń oraz zmniejszanie grubości ścianek – a tym samym obniżanie masy i poprawę wymiany ciepła.
Pod koniec XIX wieku w marynarkach wojennych palmę pierwszeństwa zaczęły przejmować kotły wodnorurkowe. Jednak potrzeby armatorów większości jednostek cywilnych były inne, chodziło im przede wszystkim o ekonomię, a nie uzyskiwanie wielkich mocy za wszelką cenę. W efekcie, o ile na początku XX w. kotłów wodnorurkowych używano już we wszystkich liczących się marynarkach wojennych świata, to na statkach handlowych jeszcze w latach 30-tych XX wieku przeważały wypróbowane, niezawodne i zwarte cylindryczne kotły płomieniówkowe zwrotne.
|
W latach 1877-1885 na okrętach torpedowych używano powszechnie kotłów lokomotywowych (parowozowych) z uwagi na potrzebę uzyskiwania znacznych ilości pary na bardzo małych i niskich jednostkach. Jak tego doświadczono już przy wcześniejszych kanonierkach krymskich, niezbędne było przy tym użycie stałego ciągu wymuszonego. Jednak próby bezpośredniego przeniesienia rozwiązań z lądu, czyli użycia do tego pary odlotowej, okazały się niepraktyczne – na westernach parowozy zatrzymują się od czasu do czasu pod malowniczymi wieżami ciśnień dla uzupełnienia swojego zapasu wody, stale wypuszczanej do atmosfery pod postacią pary, lecz na oceanach spotkanie takiej wieży ze słodką wodą z pewnością należało do rzadkości. Stosowanie eżektorów parowych u podstawy komina okazało się marnotrawstwem. Przyszłość należała do zamkniętych systemów z mechanicznym tłoczeniem powietrza potrzebnego do spalania. Wentylatorów i dmuchaw próbowano już w pionierskim okresie rozwoju kotłów parowych, a rozpoczęte w 1827 r. w Stanach Zjednoczonych eksperymenty Edwina Augustusa Stevensa, do którego potem dołączył brat, Robert Livingston Stevens, dały podstawy do stworzenia trzech różnych systemów w tym zakresie. Najpierw za pomocą dmuchaw doprowadzali powietrze do zamkniętych popielników, potem umieścili wentylatory u podstawy komina, w końcu tłoczyli powietrze do zamkniętej kotłowni. Bezpośrednie tłumaczenie terminów angielskich tych rozwiązań brzmi: "ciąg wymuszony z zamkniętymi popielnikami", „ciąg wytwarzany przez zasysanie” oraz „ciąg wymuszony z zamkniętą kotłownią”. Konstruktorzy silników okrętowych i armatorzy odnosili się do nich na ogół z niechęcią i niewiarą jeszcze w latach 1880. Mieli zresztą ku temu uzasadnione powody. Umieszczenie wentylatora na wylocie, w strumieniu gazów spalinowych, nie było zbyt efektywne, a kończyło się bardzo prędkim zużyciem łopatek w wyniku erozji i korozji. Z kolei wymuszony ciąg z zamkniętą kotłownią – zastosowany przez Thornycrofta w 1876 na jachcie "GITANA", a w 1877 na torpedowcu HMS "LIGHTNING", mniej więcej w tym samym czasie zaadoptowany we Francji, użyty w 1879 na chińskich krążownikach "YANG WEI" i "CHAO YUNG" (zbudowanych w Anglii), a także na torpedowym taranowcu HMS "POLYPHEMUS", od około 1883 powszechnie przyjęty w Royal Navy, wykorzystywany na wielkich transatlantykach "CITY OF PARIS" z 1889 i "CITY OF NEW YORK" z 1888 itd. – zmuszał mechaników, palaczy i ładowaczy węgla do zabierającego czas przechodzenia przez śluzy powietrzne i powodował niekiedy wydmuchiwanie pyłu węglowego przez pokrywy bunkrów paliwowych, co musiało być szczególnie atrakcyjne na statkach pasażerskich o wypucowanych pokładach i odpoczywających na nich eleganckich pasażerach. Ostatecznie na statkach cywilnych największe uznanie zyskał z czasem system Jamesa Howdena, z powietrzem do spalania podgrzewanym przez gazy wylotowe (w wymienniku rurowym), a potem tłoczonym przez specjalne zawory do zamkniętych popielników, ale częściowo także nad ruszty. Howden przeprowadzał pierwsze eksperymenty z wymuszonym ciągiem już w 1862 r., jednak dopracował swój system w pełni dopiero w 1880, a zastosowano go po raz pierwszy w 1884 r. na statku "NEW YORK CITY" wyposażonym w silniki podwójnego rozprężania pary, pracujące przy nadciśnieniu 0,55 MPa, zasilane z kotłów szkockich. Źródła: |
