Maszyna parowa z powrotnymi korbowodami

Poziomy silnik parowy z powrotnymi korbowodamiPoziomy silnik parowy z powrotnymi korbowodami był jednym z najbardziej rozpowszechnionych typów maszyn parowych na statkach i okrętach wojennych w XIX wieku. Zdecydowana większość maszyn montowana na śrubowych okrętach wojennych do pierwszej połowie XIX wieku należała albo do odmiany maszyn parowych z tłokiem rurowym lub do poziomych jednotłoczyskowych maszyn parowych z normalnie prowadzonymi korbowodami, albo właśnie do poziomych silników parowych z powrotnymi korbowodami, a okres ich stosowania przypadł również na wprowadzanie do służby pierwszych okrętów pancerncych (po 1860 r.). Bliskoznaczne nazwy w języku polskim tego typu maszyn to poziomy silnik z odwrotnie uchwyconymi korbowodami lub poziomy silnik podwójnotłoczyskowy do napędu śruby. W języku angielskim: "horizontal return connecting-rod engine", "horizontal back-acting engine", "horizontal double piston-rod engine", niemieckim: "doppelpleuel-maschine", francuskim: "machine horizontale a bielle en retour", "machine horizontale a bielle renversée". 

Idea działania okrętowych maszyn parowych z powrotnymi korbowodamiKonstrukcja tego silnika obrazowała nieco inne podejście do budowy zwartego i stosunkowo niskiego w profilu silnika parowego do napędu śruby (z założenia silnik miał się chować poniżej linii wodnej, tak aby woda dawała dodatkową ochronę maszynowni nieopancerzonego okrętu wojennego) i poradzeniu sobie z problemem zbyt krótkich korbowodów muszących się pomieścić w ograniczonej powierzchni maszynowni. Przy normalnej konstrukcji tłoka i cylindra oraz ustalonej pozycji wału napędowego (na ówczesnych jednostkach jednośrubowych zawsze w osi wzdłużnej, czyli w połowie szerokości okrętu) zmieszczenie korbowodu pomiędzy cylindrem a wałem korbowym wymuszało bądź zbyt mały skok tłoka, bądź za krótki korbowód. Ten problem postanowiono rozwiązać poprzez przerzucenie krzyżulca z powierzchniami wodzącymi (wodzikiem) na drugą stronę wału, daleko od niego, a napęd na korbę przekazać przez "powracający" od krzyżulca (w kierunku cylindra) długi korbowód. Ale w takim przypadku tłoczysko musiało sięgać do krzyżulca znajdującego się za wałem. Aby mijało po drodze tenże wał, nie mogło być tradycyjnie umocowane w środku tłoka. Niesymetryczne ustawienie dawało z kolei niekorzystny rozkład sił działających na tłok. Dlatego stosowano co najmniej zdwojone tłoczyska (jedno przechodziło nad, a drugie pod wałem), czasem tłoczyska rozdzielone na cztery (po dwa nad i pod wałem) – ogólnie biorąc zmultiplikowane – albo wyposażano je w przestrzenny element (jarzmo) otaczający szeroko wał korbowy przy każdym położeniu tłoczyska i korby. Jarzmo pozwalało na centralne prowadzenie jednego tłoczyska w strefie obrotu korby, ale było duże i ciężkie. Tłoczyska zmultiplikowane wymagały przesunięcia nie tylko w pionie, ale i w poziomie, by mijać strefę pracy korby.

Pozioma maszyna parowa z powrotnymi korbowodami zbudowana dla HMS AgincourtKonstrukcyjnie ten typ silnika był w rzeczywistości zmodyfikowanym silnikiem wieżowym, ułożonym poziomo w poprzek stępki statku, zamiast stać pionowo nad nią. Dlatego Amerykanie opisując tego rodzaju silnik używają także określenia poziomy silnik wieżowy, chociaż w rzeczywistości nie opisuje to dosłownie sytuacji, gdyż w poziomych silnikach parowych z powrotnymi korbowodami nie istnieje żadna konstrukcja "wieżowa" do prowadzenia wodzika. Jednak globalnie ujmując najczęściej dla tego typu maszyn parowych stosowano określenie: wielotłoczyskowe maszyny poziome do napędu śrubowych okrętów wojennych

Schemat działania poziomego silnika z powrotnymi korbowodami oraz tłokiem  rurowym w pompie skroplinowo-powietrznej, zbudowanego przez Roberta Napiera dla  francuskiego trójpokładowca Louis XIV.Najczęściej były używane na okrętach wojennych (głównie we Francji), jednak czasami były montowane na statkach cywilnych. Ich główne zalety to długi skok tłoków, długie korbowody, małe siły obciążające na łożyskach, stabilne obroty wału korbowego, a wszystko to przy znacznym zbliżeniu cylindrów do osi okrętu i zachowaniu stosunkowo niskiego profilu, co miało szczególne znaczenie dla marynarek wojennych, gdyż mogły się zmieścić poniżej linii wodnej. Jednakże biorąc pod uwagę przestrzeń po obu stronach wału korbowego, zajmowały więcej miejsca niż silniki bezpośredniego działania lub z tłokiem rurowym i były dość skomplikowane, gdyż wymagały użycia różnych dodatkowych elementów.

Oryginalny rysunek (z epoki) silnika z powrotnymi korbowodami firmy Ravenhill &  Salkeld.Jednak silniki tego typu okazały się doskonałym rozwiązaniem dla flot wojennych w połowie XIX wieku. W wielkiej Brytanii w ich konstruowaniu i budowie przodowała firma  Maudslay, Sons and Field, jednak konstruowały jego odmiany również inne brytyjskie firmy, a w różnych krajach wielu producentów sięgało do tej konstrukcji. Ich popularność wynikała głównie z tego, że w porównaniu do innych odmian używanych ówcześnie maszyn parowych oczekiwano po poziomych maszynach wielotłoczyskowych wyeliminowania największych wad silników z tłokiem rurowym, przede wszystkim występującego w nich dużego oporu tarcia i znacznych strat cieplnych. Oba te typy silników reprezentowały typy zwartych maszyn parowych, leżących głęboko przy dnie okrętu, zabezpieczonych przed ogniem przeciwnika. Wadą była zła dostępność, utrudniająca remonty i konserwację, oraz niesymetryczna składowa od siły ciężkości. Silniki tego typu wykonywano przede wszystkim w układach dwucylindrowych, rzadziej jednocylindrowych, a wyjątkowo także trójcylindrowych i czterocylindrowych.

Rysunek przedstawiający poziomą maszynę parową z powrotnymi korbowodami firmy MaudslayWiele okrętów wojennych i jednostek cywilnych zostało wyposażonych w tego typu maszyny parowe. Jak podaje Krzysztof Gerlach w swoim opracowaniu "Podstawy działania i konstrukcji silników parowych na okrętach XIX wieku", aby zasygnalizować skalę sukcesu maszyn z powrotnymi korbowodami należy wspomnieć, że na 69 brytyjskich liniowców śrubowo-żaglowych z lat 1847-1861, aż 26 wyposażono w silnik firmy Maudslay, Sons & Field, prawie wyłącznie omawianego typu. Miały od 200 do 1000 koni nominalnych i od 572 do 4403 koni indykowanych. Tego typu maszyny znalazły się również na pokładach jednych z pierwszych okrętów pancernych Royal Navy. Oprócz silników firmy Maudslay, silniki tego typu produkowały (również na eksport) zakłady Ravenhill, Salkeld & Co. oraz Robert Napier z Glasgow, We Francji w silnikach tej odmiany specjalizował się konstruktor Henri Dupuy de Lôme, natomiast w Stanach Zjednoczonych przodował w konstrukcji maszyn okrętowych z powrotnymi korbowodami inżynier Benjamin F. Isherwood. 

Źródła:
Krzysztof Gerlach, "Podstawy działania i konstrukcji silników parowych na okrętach XIX wieku"; Gdańsk 2022;
Wikipedia i inne strony internetowe.