Pozioma maszyna parowa z normalnie prowadzonymi korbowodami

Większość tego opisu powstała poprzez niemal bezpośrednie cytowanie z pracy pana Krzysztofa Gerlacha "Podstawy działania i konstrukcji silników parowych na okrętach XIX wieku"; Gdańsk 2022;

Model poziomej pojedynczotłoczyskowej maszyny parowej z normalnie prowadzonymi korbowodami zamontowanej na HMS Prince AlbertJednotłoczyskowy silnik poziomy z normalnie prowadzonym korbowodem do napędu śruby (ang. "horizontal single piston-rod engine", fr. "machine horizontale a bielle directe") nazywa się często poziomym silnikiem bezpośredniego działania (ang. "horizontal direct-acting engine"), co w tym wypadku oznacza pomieszanie dwóch różnych rzeczy i może wprowadzać w błąd. Już bocznokołowce miały już rozmaitego rodzaju silniki bezpośredniego działania – na nich taka nazwa oznaczała konstrukcję obywającą się bez wahaczy (bez górnego balansjera czy bocznych), z korbowodem mocowanym wprost do krzyżulca tłoczyska. Typowym przedstawicielem takiej maszyny był silnik typu "Gorgon" i wszystkie konkurencyjne, rozwinięte wg tego samego pomysłu. Jednotłoczyskowy silnik poziomy z normalnie prowadzonym korbowodem, to jakby przewrócona na bok maszyna typu "Gorgon” i o taką właśnie "bezpośredniość działania" chodziło także w tym przypadku.

Ale dla okrętów śrubowych przyjęło się zupełnie inne znaczenie terminu "bezpośredniego działania" (ang. "direct-acting"). Wszystkie normalne silniki do napędu kół łopatkowych były oczywiście wolnoobrotowe, więc kiedy wprowadzono śrubę (wymagającą do skutecznej pracy nieporównanie wyższych obrotów niż potrzebne dla kół łopatkowych), ogólną praktyką stało się adoptowanie jednego czy drugiego typu z już istniejących maszyn i napędzanie wału śrubowego przez przekładnię przyspieszającą, zazwyczaj zębatą. Od tej przekładni (ang. "gear") zwano je po angielsku "geared engines", bez względu na typ konstrukcyjny. W latach 50-tych XIX wieku silniki z przekładniami zostały zastąpione na śrubowcach przez maszyny bezpośredniego działania, pracujące z dużo większą prędkością i dzięki temu mogące już obracać wałem bezpośrednio. Możliwe to było m.in. dzięki postępowi w budowie kotłów, które dostarczały teraz parę pod wyższym niż dawniej ciśnieniem. Jednak w tym wypadku nazwa "silnik bezpośredniego działania" w ogóle nic nie mówiła (poza zasygnalizowaniem braku przekładni przyspieszającej) o jego konstrukcji, w której korbowód wcale nie musiał być montowany do tłoczyska, a nawet nie musiał w ogóle występować. Opisywany tutaj jednotłoczyskowy silnik poziomy z normalnie prowadzonym korbowodem (do napędu śruby), mógł napędzać wał śrubowy zarówno pośrednio (jeśli był wolnoobrotowy), jak i bezpośrednio (gdy był szybkoobrotowy). Fakt, że to ostatnie rozwiązanie z czasem zaczęło zdecydowanie przeważać, nie zmienia postaci rzeczy.

Na śrubowych okrętach wojennych ważna była nie tylko wielkość, ale i umiejscowienie przestrzeni zajmowanej przez maszynę parową. Do czasu wprowadzenia pancerza, pionowe ustawienie cylindrów (zwłaszcza w wersji nad wałem śrubowym) i narażenie ich w ten sposób na ogień przeciwnika, niwelowałoby połowę korzyści z zastosowania śruby zamiast kół łopatkowych. Stąd powszechny stał się układ z cylindrami poziomymi czy ewentualnie bardzo silnie pochylonymi.

Oczywiście na jednostkach eksperymentalnych, na których dopiero próbowano czy i jak śruba nadaje się do napędu okrętów, nie przestrzegano tego wymogu. Do napędu pierwszych jednostek wyposażonych w śruby stosowano różne odmiany maszyn parowych z pionowo umieszczonymi cylindrami, pionowych silników przekładniowych, silników syjamskich czy wahliwe. Niektóre jednostki eksperymentalne, jak np. brytyjski mały tender "BEE" wykorzystywał do napędu śruby (przez przekładnię przyspieszającą) nawet silnik boczno-balansjerowy.

Schemat pojedynczotłoczyskowego silnika poziomego z bardzo krótkimi korbowodamiJednak już w 1846 r. ukończono przebudowę ex-żaglowego 74-działowca HMS "AJAX" na parowo-żaglowy "okręt blokadowy", co m.in. obejmowało zainstalowanie silnika poziomego, pojedynczotłoczyskowego, z normalnie prowadzonymi, bardzo krótkimi korbowodami, napędzającymi wał śrubowy bezpośrednio, czyli będącego przy tym silnikiem bezpośredniego działania zarówno w nowym, jak starym tego słowa znaczeniu. Maszyna ta została skonstruowana przez firmę Maudslay, Sons & Field. Przy mocy 450 koni nominalnych, rozwijała moc 846 czy 931 koni indykowanych. Średnica cylindrów wynosiła 140 cm, a skok tłoków – tylko 76 cm. Wał korbowy miał dwa wykorbienia ustawione względem siebie pod kątem prostym. W silnikach tego typu cylinder, tłoczysko i korbowód zajmowały tylko połowę szerokości okrętu, do wału śrubowego. Chociaż przestrzeń po drugiej stronie mogła być wykorzystana na inne urządzenia maszynowni, czy nawet przeciwnie ustawione, kolejne cylindry, to omawiane rozwiązanie i tak wymuszało stosowanie krótkich korbowodów. Jak widać na rysunku obok silnik z (żółtym) korbowodem prowadzącym prosto od krzyżulca (kończącego czerwone tłoczysko i prowadzonego prostoliniowo w zielonych prowadnicach) do wału korbowego i mieszczący się w całości na połowie szerokości niewielkiego okrętu, musiał mieć krótki korbowód, bez względu na to, jak racjonalnie zagospodarowana byłaby druga połówka i jak dobrze rozplanowane rozłożenie ciężarów.

Taka konstrukcja silnika niosła ze sobą wiele trudności. Krótki korbowód to duże kąty jego odchylenia od osi tłoczyska, a w efekcie znaczny wzrost bocznych składowych reakcji w krzyżulcu (wodziku) i panewce korbowodu, nierównomierność momentu obrotowego, a w ostatecznym rezultacie silna wibracja oraz przegrzewanie się panewek sworzni krzyżulców, panewek czopów korbowodowych, i ich przyspieszone wycieranie się. Zwiększanie stosunku długości korbowodu do promienia wykorbienia, dające zmniejszenie kąta, a możliwe do uzyskania poprzez skrócenie suwu tłoka (czyli jednocześnie promienia korby), musiałoby oznaczać wzrost powierzchni tłoka – aby zachować te samą pojemność skokową cylindra – że zaś przy tym samym ciśnieniu w cylindrze siła wzdłużna wzrasta proporcjonalnie do wzrostu powierzchni tłoka, obciążając sworznie i panewki, skórka nie warta byłaby wyprawki. Problemy te były bardzo trudne do opanowania, rujnowały służbę pierwszych okrętów śrubowych z takimi silnikami i stąd wielka popularność innych typów maszyn parowych używanych do napędu śruby.

Ale mimo tego, poziomy silnik z pojedynczym tłoczyskiem i normalnie skierowanym korbowodem, jako zdecydowanie najprostsza jednostka napędowa na śrubowcach, miał bardzo wielu zwolenników wśród ówczesnych konstruktorów i mechaników. Dzięki prostocie mógł być niezwykle zwarty, bardziej niezawodny, łatwiejszy do przeglądów i napraw, wykazywał mniejsze straty cieplne (więc i zwykle mniejsze zużycie paliwa), sprawiał mniej kłopotów z uszczelnieniami niż bardziej wyszukane, skomplikowane konstrukcje. Wielu wytwórców silników oferowało maszyny parowe tego typu. Na ogół te same firmy zaopatrywały Royal Navy, pierwsze śrubowce cywilne oraz okręty wojenne sprzedawane do innych państw. Faworyzowanymi dostawcami poziomych silników bezpośredniego działania do napędu śruby dla marynarki brytyjskiej byli John Penn z Greenwich oraz Humphrys, Tennant & Dykes z Deptford, a ponadto swoje oferty przedstawiali też (i realizowali zamówienia) inni, np. firma Seaward & Capel.

Poziomy silnik z pojedynczym tłoczyskiem i normalnie skierowanym korbowodem z fregaty HMS GreencockPrzedstawiony na rysunku obok poziomy silnik z pojedynczymi (czerwonymi) tłoczyskami i żółtymi korbowodami sprzęgającymi bezpośrednio krzyżulec z zielonym wałem korbowym (w tym sensie bezpośredniego działania), a równocześnie z przekładnią przyspieszającą (a więc w tym znaczeniu nie – bezpośredniego działania, tylko przekładniowy) został zainstalowany w 1849 r. na śrubowej fregacie HMS "GREENOCK" przez firmę Scott, Sinclair. Fregata była wąska, lecz przesunięcie wału korbowego bliżej przeciwległej burty (napęd wracał na centralnie położony, niebieski wał śrubowy przez tę właśnie przekładnię) umożliwiło użycie korbowodów o całkiem znośnej długości. Takie rozwiązanie dobrze się nadawało dla małych okrętów i zastosowano je także na innych jednostkach, np. amerykańskim slupie śrubowym "SAN JACINTO" w 1854 r. – silnik tego ostatniego okrętu był o tyle dodatkowo ciekawy, że napęd pomp skroplinowo-powietrznych zapewniały na nim górne wahacze sporych rozmiarów, co mogło patrzącego wprowadzać w błąd co do istoty działania całej maszyny.

Czterocylindrowy silnik przekładniowy zwodowanej w 1847 r. śrubowej fregaty  HMS TermagantW silnikach bezprzekładniowych, jeśli cylindry były umieszczone po obu stronach wału korbowego, nie dało się wydłużać korbowodów przez żadne przesuwanie wału, jak w silniku fregaty HMS "GREENOCK". Prawdziwe wyzwanie pojawiało się jednak wtedy, gdy w takim układzie pracował silnik przekładniowy, bo trzeba było jeszcze dodatkowo zmniejszyć odległość między krzyżulcem a korbą, aby gdzieś pomieścić wały kół zębatych. A jednak ówcześni konstruktorzy z godnym uznania powodzeniem stawiali czoła takim wyzwaniom. Na przedstawionym po prawej rysunku widać czterocylindrowy silnik przekładniowy zwodowanej w 1847 r. śrubowej fregaty HMS "TERMAGANT". Przy niezwykle małej odległości między końcem czerwonych tłoczysk a wałami korbowymi (które dopiero przez przekładnie przekazywały moment na centralny wał śrubowy), wydłużono żółte korbowody w ten sposób, że ramiona zielonych krzyżulców cofały się ku cylindrom i dopiero stamtąd widlaste korbowody kierowały się ku wykorbieniem wałów.

Ponieważ przy wszystkich swoich wadach maszyny tego typu charakteryzowały się niewątpliwą zwartością i prostotą, używano ich chętnie na rozmaitych okrętach niewielkich wymiarów. Śrubowe kanonierki budowane masowo w Wielkiej Brytanii w czasie wojny krymskiej (1854-1856) wyposażono w silniki Penna i Maudslaya. Część z tych jednostek otrzymała maszyny firmy John Penn & Sons o mocy zaledwie 20 bądź 40 koni nominalnych i w tym przypadku Penn nie zastosował typowego dla siebie silnika z rurowym tłokiem (silnika szybowego) lecz właśnie konstrukcję jednotłoczyskową, z poziomym cylindrem. Korzystając z bardzo krótkiego skoku tłoka (tylko 30,5 cm) i używając pary o wysokim ciśnieniu, dostarczanej z kotłów lokomotywowych, uzyskał silniki o dużej – jak na tamte czasy – prędkości obrotowej (220-225 obr/min), co zresztą doprowadziło do problemów ze smarowaniem, które przełożyły się na gwałtowne przegrzewanie i nadmierne zużycie łożysk.

Komisja Admiralicji brytyjskiej, wypowiadająca się w 1858 r. na temat typów maszyn parowych najbardziej odpowiadających potrzebom Royal Navy, uznała, że silnik pojedynczotłoczyskowy, z korbowodem łączącym bezpośrednio tłoczysko z wałem korbowym, do tego z pojedynczym, płaskim wodzikiem, taki jak produkuje firma Humphrys, Tennant & Dykes, jest najlepszym silnikiem okrętowym w przypadkach, gdy chodzi o małe maszyny, używane na małych okrętach. Świadczy to o uznaniu komisji dla fachowości firmy, ale niekoniecznie o rzeczywistych wyborach Royal Navy. Lista małych jednostek marynarki wyposażonych w silniki firmy Humphrys, Tennant & Dykes jest bardzo krótka. Natomiast maszyny tego typu dostarczone przez różne inne firmy odznaczały się często ogromnymi rozmiarami. Instalowano je na wielu okrętach w latach 60-tych i 70-tych między innymi właśnie dlatego, że przy cylindrach o znacznej średnicy można było uzyskać relatywnie bardzo dużą moc.

Silnik firmy Humphrys & Tennant, zamontowany na wieżowym okręcie obrony wybrzeża HMS Prince Albert z 1864 r.Na przykład zwodowany w 1852 r. brytyjski trójpokładowiec śrubowo-żaglowy "DUKE OF WELLINGTON" miał dwucylindrowy silnik firmy Robert Napier & Sons, o mocy 780 koni nominalnych i 1979 koni indykowanych (średnica cylindrów 2,38 m, skok tłoków 1,37 m), który – dokładnie jak opisane wcześniej maszyny okrętów "GREENOCK" i "SAN JACINTO" – był zarówno bezpośredniego działania z uwagi na brak elementów pośredniczących między krzyżulcem tłoczyska a korbowodem, jak i nie-bezpośredniego działania z uwagi na konieczność użycia wielkiej przekładni przyspieszającej (pod względem generalnych rozwiązań i wyglądu bliźniaczo przypominał ten z "SAN JACINTO"). Zwodowany w 1859 r. brytyjski trójpokładowiec śrubowo-żaglowy "VICTORIA" miał dwucylindrowy silnik firmy Maudslay, o mocy 1000 koni nominalnych i 4200-4500 koni indykowanych (średnica cylindrów 2,34 m, skok tłoków 1,22 m). Dwucylindrowa maszyna parowa firmy Humphrys, Tennant & Dykes zamontowana w 1874 na krążowniku HMS "RALEIGH" charakteryzowała się średnicą cylindrów 1,93 m i skokiem tłoków 1,37 m, ale będąc już znacznie nowocześniejszą jednostką napędową, wyposażoną w skraplacze powierzchniowe nowej generacji, z cyrkulacją wody w skraplaczach zapewnianą przez pompy odśrodkowe, używająca pary przegrzanej o nadciśnieniu 221 kPa, rozwijała około 6000 koni indykowanych.

O popularności poziomych silników pojedynczotłoczyskowych z normalnie prowadzonymi korbowodami do napędu śrub świadczy również fakt, że maszyn takich używano nadal jeszcze wtedy, gdy na okręty wprowadzono już silniki pionowe i zastosowano wielokrotne rozprężanie pary. Przykładem może służyć układ napędowy stalowego, ale nie opancerzonego awiza HMS "IRIS" z 1878 r. Każdy z wałów tej dwuśrubowej jednostki napędzany był zespołem składającym się z dwóch cylindrów wysokiego ciśnienia i dwóch cylindrów niskiego ciśnienia pracujących w układzie tandem, przy czym cylindry wysokiego ciśnienia znajdowały się bliżej wałów i wchodziły w reces na płycie czołowej cylindrów niskiego ciśnienia. Przy nadciśnieniu pary wynoszącym 0,43 MPa oba silniki rozwijały łącznie około 7750 koni, co zapewniało tej jednostce rekordową jak na owe czasy prędkość około 18 węzłów.

Model poziomego silnika bezpośredniego działania z pojedynczymi tłoczyskami dla SS Great EasternMaszyny poziome, niezbędne na nieopancerzonych śrubowcach wojennych (by schować maszynerię poniżej linii wodnej), były wprawdzie spotykane także na jednostkach cywilnych, ale bardzo rzadko. Charakteryzowały się bowiem sporą liczbą istotnych wad, jak np. większym zużyciem ciernym cylindrów na skutek działania całej masy tłoka na boczną powierzchnię cylindra (i to prawie miejscowo) oraz kłopotliwą – w wyniki złego dostępu – obsługą. Ponadto mniejsze statki handlowe miały często za małą szerokość dla skorzystania z silników tego typu. Jednak doświadczenie wytwórców oferujących takie konstrukcje marynarce wojennej oraz obywanie się na ogół bez hałaśliwej i ulegającej szybkiemu zużyciu przekładni przyspieszającej, czyniło je dość atrakcyjnymi w pionierskim okresie śrubowych statków cywilnych. Na przykład linia P&O kupiła dla swoich śrubowców wiele poziomych silników bezpośredniego działania, jeszcze o pojedynczym rozprężaniu pary. Firma James Watt & Co z Birmingham dostarczyła poziomy silnik bezpośredniego działania z pojedynczymi tłoczyskami i korbowodami skierowanymi na wprost od cylindra do wału korbowego dla gigantycznego statku Brunela – "GREAT EASTERN" z 1858 r. (do napędu jego śruby, do napędzania wielkich kół łopatkowych służył inny silnik). Cztery cylindry ustawione parami naprzeciwko siebie napędzały centralnie położony wał korbowy, przeciwlegle leżące cylindry miały korbowody przyczepione do tego samego czopa korbowego. Od krzyżulców (przesuwanych w prowadnicach) cylindrów prawoburtowych odchodziły pojedyncze korbowody, od lewoburtowych – podwójne. Przy wielkiej średnicy cylindrów (2,13 m) i krótkim skoku tłoków (1,22 m) można było uzyskać relatywnie wysoką moc unikając niedogodności związanych ze zbyt niskim stosunkiem długości korbowodu do promienia wykorbienia, ale za to pojawiała się bardzo duża siła wzdłużna. Silnik ten miał 1600 koni nominalnych, a rozwijał około 5000 koni indykowanych.

Oprócz jednotłoczyskowych poziomych maszyn parowych z normalnie prowadzonym korbowodem występowały również odmiany tej maszyny wyposażone w podwójne tłoczysko (ang. "double piston-rods"). Co do istoty pracy i układu chodzi o bardzo standardowy silnik bezpośredniego działania (w podwójnym tego słowa znaczeniu – napędzał wał śrubowy bez pośrednictwa przekładni przyspieszającej i przekazywał ruch bez wykorzystania jakichkolwiek wahaczy), z "normalnie" skierowanymi korbowodami, czyli leżącymi między cylindrami a wałem korbowym. W gruncie rzeczy byłaby to najzwyklejsza pod słońcem maszyna parowa o poziomych cylindrach, typowych tłoczyskach i typowych korbowodach, gdyby nie jedno drobne, niecodzienne rozwiązanie.

Schemat działania podwójnotłoczyskowego, poziomego silnika z normalnie prowadzonymi korbowodami na amerykańskiej fregacie/korwecie śrubowej NiagaraOtóż wyposażono ją w dwa tłoczyska dla każdego cylindra, pomimo że wcale nie musiały omijać wału korbowego, ponieważ krzyżulec/wodzik znajdował się po tej samej stronie co cylinder. Na przedłużeniu tych tłoczysk biegły od krzyżulca dwa drążki do napędu leżących po przeciwnej stronie wału pomp (w tym przede wszystkim pompy skroplinowo-powietrznej) – te już oczywiście trzeba było poprowadzić niecentralnie. Chodziło więc najprawdopodobniej o wyrównanie sił działających na wodzik. W innych rozwiązaniach tego samego problemu dawano pojedyncze tłoczyska do poruszania krzyżulcem/wodzikiem, od którego odchodził korbowód biegnący do wału korbowego, a dla napędzania pomp mocowano do tłoka niecentralnie umieszczone drążki dodatkowe. Taki dość unikatowy w sumie silnik (charakteryzował się jeszcze nietypowym umieszczeniem i kształtem komory rozrządu), wykonany przez firmę Pease & Murphy, zainstalowano na zwodowanej w 1855 r. (i wprowadzonej do służby w 1857 r.) śrubowej korwecie/fregacie US Navy, "NIAGARA". Miał trzy cylindry o średnicy 1,83 m i skoku tłoków 0,91 m, ułożone poziomo, poprzecznie do osi wzdłużnej jednostki. Dawał moc 1955 czy 1995 koni indykowanych. Podobny silnik zamontowano na parze masztowych pancerników wieżowych typu "SCORPION" z 1863 r., które ostatecznie nie trafiły do floty Konfederacji, natomiast skończyły w Royal Navy. Maszyny tych okrętów miały po dwa cylindry o średnicy 1,42 m, skok tłoków wynosił 0,91 m i generowały moc 1446 - 1455 koni indykowanych. 

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