Maszyna parowa z tłokiem rurowym

Maszyna parowa z tłokiem rurowym (szybowym)Pozioma maszyna parowa z tłokiem rurowym była jednym z najważniejszych i najbardziej rozpowszechnionych typów napędowych silników parowych na żaglowo-śrubowych okrętach wojennych. Bliskoznaczne nazwy w języku polskim tego typu maszyn to silnik szybowy lub silnik rurowy. W języku angielskim: "trunk engine", "trunk piston engine", niemieckim: "trunk-maschine", "tauchkolbenmaschine" (pol. maszyna z tłokiem nurnikowym), francuskim: "machine a fourreau" (pol. maszyna pochwowa, futerałowa). 

 Schemat możliwości uzyskania długiego korbowodu w okrętowych maszynach  poziomych, znajdujących się takiej samej przestrzeni i przy tej samej wielkości wykorbienia  wału korbowego.Wczesne przykłady silników z tłokiem rurowym miały cylindry pionowe, jednak budowniczowie okrętów szybko zdali sobie sprawę, że ten typ silnika był wystarczająco zwarty, aby można go było położyć poziomo na stępce. W tej konfiguracji był bardzo przydatny dla marynarki wojennej, ponieważ miał wystarczająco niski profil, aby zmieścić się całkowicie poniżej linii wodnej statku, tak bezpieczny, jak to tylko możliwe, przed ogniem wroga. Jednak taki silnik oprócz zwartości musiał również zachować jak  najmniejszy kąt odchylania korbowodu w bok od osi tłoka podczas obracania korbą wału korbowego, by minimalizować wibracje oraz zużywanie się łożysk. W silniku pojedynczotłoczyskowym z normalnie prowadzonym korbowodem, korbowód musiał być krótki, zatem kąt jego odchylenia – duży. Wyeliminowanie tłoczyska w silniku ze zwykłym tłokiem dawało znacznie wydłużenie korbowodu, czyli wydatne zmniejszenie kąta odchylenia. Jednakże przy ówczesnej technice i materiałach uszczelnienie tej części cylindra, w której poruszał się korbowód, było absolutnie niemożliwe, więc silnik musiał się zmieniać w jednostronnego działania (ze wszystkimi, potężnymi wadami tego rozwiązania w epoce maszyn wolnoobrotowych, niskociśnieniowych – przede wszystkim dwukrotnym spadkiem mocy). Tłok rurowy pozwalał na umiarkowane wydłużenie korbowodu bez utraty dwustronności działania oraz bardzo wydatne przysunięcie cylindra (czyli jego środka ciężkości) do wału korbowego.

Jak widać na rysunku obok, silnik z tłokiem rurowym charakteryzuje się dość zwartą budową, pomimo posiadania długiego korbowodu. Dodatkowo może być on mocowany nie w środku tłoka, ale na jego końcu odkorbowym. Takie rozwiązanie ma jednak pewne konsekwencje konstrukcyjne - aby korbowód mógł się wystarczająco wychylać przy założonej wielkości korby (równej połowie skoku tłoka), średnica wewnętrzna rury musiała być coraz większa, co prowadziło do wzrostu średnicy całego cylindra. Była to jedna z większych wad tego typu silników. Konieczność stosowania dużych średnic cylindrów wynikała z tego, że powierzchnia tłoka, na którą działa para, tworzyła tylko pierścień, a nie koło - jak w większości innych silników tłokowych. Aby uzyskać tę samą siłę pchającą, konieczne jest zastosowanie większych rozmiarów. Często stosuje się pojęcie średnicy efektywnej, czyli średnicy koła o takim samym polu, jak rzeczywista powierzchnia pierścienia tłoka rurowego. Może to prowadzić do nieporozumień, jeśli nie określono dokładnie, o jaki wymiar chodzi, ponieważ przy dużej średnicy wewnętrznej rury faktyczna średnica zewnętrzna tłoka musiała być znacznie większa od efektywnej.

Pierwszy silnik z tłokiem rurowym (szybowym) skonstruował James Watt już w 1784 r., ale maszyn takich nie stosowano na parowcach pionierskiego okresu. Dopiero w późniejszym okresie zyskały one popularność, a dzięki zachowaniu zasady dwustronności działania (co generowało sporą moc w stosunku do wielkości silnika) i jednocześnie stosunkowo niskiego profilu przy zastosowaniu poziomego układu konstrukcyjnego stał się on niezwykle popularny w połowie XIX wieku, głównie do zastosowań w marynarce wojennej. 

Silnik z tłokiem rurowym, wykonany przez firmę Penn & Sons i zamontowany na fregacie śrubowej HMS Arrogant z 1848W połowie XIX wieku John Penn, William Hartree i John Matthews opatentowali poziomy silnik z tłokiem rurowym (szybowym) do napędu śruby. Jako pierwsze zostały wyposażone w ten typ silnika dwa żaglowce Royal Navy - fregata pierwszej klasy HMS "ARROGANT" i slup HMS "ENCOUNTER", oddane do służby pod koniec lat 50-tych XIX wieku. Maszyny te miały po 2 cylindry o średnicy 1,5 m i skoku tłoków 0,9 m oraz średnicę szybu tłoka 0,6 m, co dawało efektywną średnicę cylindra około 1,4 m. Silniki te miały moc około 360 koni nominalnych i rozwijały 774 konie indykowane (w przypadku HMS "ENCOUNTER" ta wartość wynosiła 673 ihp).

Silniki Penna z tłokiem rurowym stosowane były głównie na okrętach wojennych. Były szczególnie ulubione przez brytyjską Admiralicję i stosowane zazwyczaj w układach jedno- i dwucylindrowych, rzadziej spotykało się maszyny trzycylindrowe. Silniki z tłokiem rurowym były idealne dla wczesnych okrętów z śrubami ze względu na ich kompaktowość (małe zapotrzebowanie na przestrzeń w kadłubie), niewielką wysokość zajmowaną przez cały układ napędowy, lekkość (bardzo dobry wskaźnik mocy na tonę masy), dość długie korbowody i prędkość obrotową wystarczającą do bezpośredniego napędu śruby. Ponadto Penn, który zawsze stawiał na stosowanie najnowocześniejszych narzędzi obróbczych najwyższej jakości, zapewniał swoim konstrukcjom wysoką jakość wykonania, co przekładało się na imponującą niezawodność. Oceniano, że były to najlżejsze i najbardziej zwarte maszyny okrętowe swoich czasów. W połączeniu z niską awaryjnością tłumaczy to pełną przychylność Royal Navy do silników z tłokiem rurowym Penna, zwłaszcza w przypadku jednostek napędowych o dużej mocy.

Jak podaje Krzysztof Gerlach w swoim opracowaniu "Podstawy działania i konstrukcji silników parowych na okrętach XIX wieku", Komisja brytyjskiej Admiralicji orzekła w 1858 r., że: "Silnik pospolicie zwany silnikiem szybowym i opatentowany przez Panów Penna i Synów, jest jednym z trzech typów tak dalece przewyższających inne, że w przyszłości dla śrubowców Royal Navy należy kupować wyłącznie maszyny parowe tych trzech odmian” - gwoli wyjaśnienia, pozostałymi typami były poziome silniki z powrotnymi korbowodami oraz poziome silniki jednotłoczyskowe z normalnie prowadzonymi korbowodami.

Maszyna parowa z tłokiem rurowym (szybowym)O skali tego zainteresowania świadczą następujące dane:
- na 69 brytyjskich liniowców śrubowo-żaglowych (zbudowanych od nowa lub przebudowanych z żaglowców w latach 1847-1861), w silniki szybowe Penna wyposażono aż 22 okręty (silniki firmy Maudslay znalazły się na 26, pozostałe 8 firm dostarczyły w sumie tylko 21 maszyn); moc wahała się od 200 do 1000 koni nominalnych i od 500 do 4564 koni indykowanych, średnica efektywna cylindrów dochodziła do 2,34 m, skok tłoków do 1,23 m; 
- na 156 kompletów silników zbudowanych dla brytyjskich kanonierek śrubowych z lat 1854-1856, Penn dostarczył 97 sztuk, z których 65 było z tłokiem rurowym; miały średnicę efektywną cylindrów 45,5 cm (średnicę rzeczywistą 53,3 cm) i skok tłoków 30,5 cm, uzyskiwały około 270 koni indykowanych;
- Brytyjczycy kontynuowali stosowanie tych silników również na pierwszych okrętach pancernych poczynając do fregat pancernych typu "WARRIOR" i kolejnych, poprzez pancerniki centralnobateryjne aż do pierwszych pancerników wieżowych - moce dochodziły już lub przekraczały 8000 koni indykowanych, a w późnych egzemplarzach skraplacze natryskowe ustąpiły miejsca powierzchniowym;
- silniki z tłokiem rurowym budowano także po przejściu na maszyny podwójnego rozprężania pary – takie były na kanonierkach typu "FROLIC" z 1872 i slupie śrubowym "DARING" z 1874.

Maszyna parowa z tłokiem rurowym (szybowym) - rysunek poglądowySukces konstrukcji Johna Penna skłonił innych wytwórców, nie tylko zresztą brytyjskich, do próby adaptowania idei silnika z tłokiem rurowym, a niezwykła popularność takich maszyn w Royal Navy wywołała zainteresowanie innych marynarek wojennych. Oprócz silników firmy Penn wyprodukowanych na rynek lokalny lub sprzedanych do innych krajów (np. Niemiec, Rosji, Hiszpanii, Peru, Włoch czy Japonii) za konstrukcję silników z tłokiem rurowym wzięły się inne brytyjskie firmy zajmujące się konstrukcją silników lub będące częścią stoczni jak Ravenhill, Humphrys & Tennant czy Laird, lub zagraniczne jak amerykańska Tredegar czy belgijski dostawca maszyn parowych John Cockerill. Jednak to londyńska firma John Penn and Sons wiodła zdecydowany prym w konstruowaniu tego typu silników. 

Model 2-cylindrowej poziomej maszyny parowej z tłokami rurowymi z fregat pancernych HMS Minotaur i HMS NorthumberlandTak jak wspomniano silniki z tłokiem rurowym gościły głównie na pokładach okrętów wojennych, natomiast dla statków cywilnych tego typu napęd stanowił znacznie mniej atrakcyjne źródło napędu. Przede wszystkim potrzeba umieszczenia całej maszynowni pod linią wodną w ogóle nie istniała - w owych czasach nikt już nie przewidywał podczas konstruowania statków cywilnych ich planowanego wykorzystania w charakterze jednostek militarnego zastosowania. Nikt nie oczekiwał, by statek pocztowy, pasażerski czy towarowy w jakichkolwiek okolicznościach mógł udawać liniowiec lub stawiać rzeczywisty opór okrętowi wojennemu. Po drugie, na cywilnym statku towarowy przestrzeń w poziomie, na wysokości ładowni, ceniono  dużo wyżej niż przestrzeń w pionie. W takim zastosowaniu uwypuklały się też wszystkie wady maszyn z tłokiem rurowym, które przy wykorzystaniu wojskowym miały mniejsze znaczenie:

- jak w każdym silniku zbudowanym w układzie poziomym występowało nadmierne wycieranie gładzi cylindra obciążonego jednostronnie masą tłoka, tu na dodatek wyjątkowo dużego i ciężkiego;
- ze względu na bezpośrednie zamocowanie korbowodu do tłoka występowała dodatkowa, skierowana w dół siła działająca na tłok, kiedy korba znajdowała się nad środkiem wału korbowego – dodawało to kłopotów z wycieraniem cylindra, chociaż można było je zmniejszyć przy pomysłowym powiązaniu kierunku suwu z położeniem korby;
- znaczne opory tarcia, powodujące wysokie straty mechaniczne;
- problemy z brakiem wystarczającego uszczelnienia dla centralnej rury tłoka (dławnica miała znacznie większą średnicę niż przy konwencjonalnych tłoczyskach i występowała po obu stronach cylindra) powodowały wysokie straty cieplne;
- znaczne wymiary cylindrów i duża powierzchnia rozwinięta tłoków, których rury na domiar złego w krótkich okresach czasu znajdowały się na przemian w gorącej parze i wychodziły na zewnątrz do chłodnego otoczenia, były przyczyną dużych strat na drodze promieniowania i w wyniku szkodliwej kondensacji wstępnej pary w cylindrze;
- dostępność części w celu wykonania napraw była wprawdzie w silniku z tłokiem rurowym często lepsza niż w innych silnikach poziomych, ale znacznie gorsza niż w maszynach pionowych;
- kontakt wysuwających się rur tłoków z rozmaitymi zanieczyszczeniami przyspieszającymi zużycie i pogarszającymi szczelność w dławnicach;
- w efekcie wymienionych wyżej strat występowało duże zużycie paliwa – około 4 do 4,5 funta węgla na konia indykowanego na godzinę (przy nadciśnieniu pary rzędu 3 kPa), co dla armatorów cywilnych stanowiło wartość nie do zaakceptowania ze względów ekonomicznych.

Kiedy "HIMALAYA", wielki parowiec śrubowy został ukończony w 1853 roku i wyposażony w z silnik Penna z tłokiem rurowym, słynne towarzystwo żeglugowe P.&O. Steam Navigation Company było z niego dumne, jednak choć silnik działał bez zarzutu, produkując 2500 indykowanych koni mechanicznych z dwóch cylindrów o średnicy 2,13 m (skok tłoków wynosił 1,07 m) i napędzając śrubę z prędkością 55 obrotów na minutę, zużycie paliwa było tak wysokie, że spółka najpierw chętnie wynajęła statek marynarce wojennej jako transportowiec wojska w czasie wojny krymskiej, a potem namówiła Royal Navy, aby odkupiła jednostkę na stałe.

W końcu wraz z rozwojem ogólnie pojętej technologii związanej z inżynierią okrętową, nawet marynarki wojenne zaczęły rezygnować z użycia tego typu silników. Kiedy wyraźnie wzrosły ciśnienia pary, pancerz stał się powszechny na dużych jednostkach bojowych, a i wymiary okrętów znacznie się zwiększyły, wymuszając stosowanie silników większej mocy nagle problemy generowane przez samą ideę silnika z tłokiem rurowym jak i jego wady zaczęły przeważać nad zaletami jego stosowania. Coraz większa powierzchnia rur tłoków oznaczała wzrost tarcia i strat cieplnych, wysokie ciśnienia spotęgowały problem nieszczelności, a pancerz na burtach niwelował zyski z poziomej pozycji cylindrów i ukrycia ich poniżej linii wodnej. Ostatecznie pomimo tego, że John Penn ostatnią dużą jednostkę napędową tego typu skonstruował w 1883 r. dla marynarki włoskiej, a mniejsze budował jeszcze przez kilka następnych lat, to już dekadę wcześniej silnik z tłokiem rurowym przestał być powszechnie stosowany na okrętach marynarek wojennych świata.

Źródła:
Krzysztof Gerlach, "Podstawy działania i konstrukcji silników parowych na okrętach XIX wieku"; Gdańsk 2022;
Frederic Remsen, "The mechanical engineering of power plants"; New York 1897;
R. Sennet i H.L. Oram; "The marine steam engine"; Londyn 1899;
Wikipedia i inne strony internetowe.