Maszyna parowa z podwójnym rozprężaniem pary

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.

Silnik z podwójnym rozprężaniem pary (inaczej silnik sprzężony, ang. "compound engine", "double-expansion engine", niem. "Verbundmaschine", fr. "machine du système Woolf") był jednym z najdłużej rozwijanych pomysłów. Narodził się już w 1781 r. w głowie angielskiego inżyniera Jonathana Cartera Hornblowera, pracującego u Jamesa Watta, od 1803 r. realizowany szeroko w maszynach Arthura Woolfa wykorzystywanych na lądzie, użyty po raz pierwszy do napędu małych, śródlądowych jednostek pływających w latach 20-tych i 30-tych XIX wieku, ale dopiero po sprzężeniu z śrubą w 1853 r. przez firmę Elder & Randolph oraz zainstalowaniu w rok później na statku "BRANDON", przebił się na morze.

Ogólnie idea opierała się na spostrzeżeniu, że para wychodząca z cylindra nie jest jeszcze całkiem rozprężona, więc posiada energię, która jest zwyczajnie marnowana podczas skraplania. Zamiast więc kierować zużytą parę od razu do skraplacza, Hornblower wyprowadził ją do drugiego cylindra, niskiego ciśnienia, gdzie mogła rozprężać się dalej, w kolejnym cyklu, dając dodatkową pracę. Ponieważ była to praca pochodząca od tej samej, jednej porcji pary, automatycznie wzrastała moc silnika lub malało zużycie paliwa przy tej samej mocy. Oczywiście zysk praktyczny nie przedstawiał się równie dobrze jak teoretyczny, gdyż wszystkie dodatkowe mechanizmy zwiększały straty mechaniczne (tarcie) i cieplne (promieniowanie, kondensacja), maszyna dużo więcej kosztowała, wzrastały wydatki na remonty, utrzymanie, bieżącą eksploatację. Na to nakładały się kłopoty wykonawcze – przygotowanie wielkich cylindrów niskiego ciśnienia często przekraczało ówczesne możliwości odlewnicze. Dla bardzo niskich ciśnień stosowanych pierwotnie w maszynach parowych cała zabawa mogła nie być warta zachodu, albo nawet przynieść pogorszenie efektów, lecz w miarę wzrostu tych ciśnień – stopniowego, ale stałego w miarę upływania XIX w. – potencjalne korzyści przedstawiały się coraz bardziej obiecująco. Do prawdziwego przełomu potrzeba było jednak wielu czynników: uruchomienia tras żeglugowych, gdzie pozyskanie paliwa sprawiało poważne trudności, wzrostu cen węgla, by oszczędność się opłacała, bardzo znacznego zwiększenia ciśnień pary – co z kolei wymagało postępu w konstrukcji i materiałach kotłów, powrotu do (znacznie zmienionych i udoskonalonych) skraplaczy powierzchniowych (przeponowych) itd.

Uzasadnione też staje się pytanie, dlaczego nie można było po prostu rozprężyć pary do końca w pierwszym i jedynym cylindrze. Otóż wpływały na to dwa powody. Po pierwsze, taki silnik musiałby mieć nienormalnie długi skok i – co za tym idzie – gigantyczny promień korby na wale korbowym. Stwarzałoby to wielorakie problemy konstrukcyjne i eksploatacyjne, a przede wszystkim zabierało masę miejsca w jednym z kierunków, zwłaszcza przy maszynach bezpośredniego działania. Po drugie, podczas rozprężania pary spada też jej temperatura; jeśli w danym cylindrze trwa to bardzo długo, wielka jest też w nim ostateczna różnica temperatur; kiedy teraz do silnie ochłodzonej przestrzeni napływa nowa, gorąca para, skrapla się zamiast wykonywać pracę, co jest wielce niekorzystne póki po tej stronie tłoka znajduje się strefa ciśnieniowa, a staje się wręcz bardzo niebezpieczne, kiedy zmienia się ona w strefę wylotową, w której pod koniec suwu dochodzi do sprężania resztek. Z tego punktu widzenia znacznie korzystniej było rozprężać parę w krótkich cyklach, w kolejnych cylindrach.

Początkowo stosowano silniki tego typu w postaci silników sprzężonych bez przelotni pary, (inaczej maszyny podwójnego rozprężania w systemie Woolfa (ang. "Woolf engine", fr. "machine du système Woolf", niem. "machine de Woolf"). W tej odmianie para opuszczająca cylinder wysokiego ciśnienia przelatuje od razu jako robocza do cylindra niskiego ciśnienia, zaś tłoki w obu cylindrach pracują na wspólny wał korbowy, możliwe są tylko dwa rozwiązania – korby znajdują się dokładnie w tym samym położeniu, a tłoki pracują w tej samej fazie lub też korby są obrócone względem siebie o 180 stopni, a toki poruszają się w przeciwnych kierunkach. Układ pierwszy wykorzystywał pierwotnie sam Woolf na początku XIX w., zaś układ drugi zastosowała firma Elder & Randolph w opatentowanym w 1853 r. przez Johna Eldera silniku okrętowym. Był też charakterystyczny dla maszyn Lentza jeszcze na początku wieku XX. Konieczność posługiwania się jednym z tych dwóch rozwiązań wynika z faktu, że tylko wtedy cylinder niskiego ciśnienia otrzymuje parę dokładnie w tym czasie, w którym jest ona wypychana z cylindra wysokiego ciśnienia i są to równocześnie zakresy właściwe dla jego pracy. W innych przypadkach trzeba by odcinać dolot pary do cylindra niskiego ciśnienia, kiedy ona jeszcze opuszcza pierwszy cylinder, a potem wołać o kolejną porcję pary, kiedy cylinder wysokiego ciśnienia akurat jej nie dostarcza.

Idea systemu Woolfa przy korbach cylindra wysokiego ciśnienia (CWC) i niskiego ciśnienia (CNC) leżących w tej samej płaszczyźnie została zobrazowana na rysunku po lewej stronie. Dopóki do CWC doprowadzana jest świeża para z kotła, tłok wypycha częściowo zużytą parę do CNC – faza "a". Kiedy zostaje odcięty dopływ pary do CWC i przechodzi on do etapu pracy wykorzystującego rozprężanie pary, to samo dzieje się w CNC, więc nie ma potrzeby wymiany między cylindrami – faza "b". Po zmianie kierunku ruchu obu tłoków mamy analogiczną sytuację, tylko z przeciwnej strony – fazy "c" i "d".  Idea systemu Woolfa przy korbach przesuniętych względem siebie o 180 stopni zostałą zobrazowana na rysunku z prawej. Inna jest droga pary, ale fazy "a", "b", "c", "d" są identyczne jak w poprzednim układzie.

Odmiana z tłokami cylindrów wysokiego i niskiego ciśnienia pracujących na korby ustawione w takiej samej pozycji prędko nasunęła myśl – a może nawet taka koncepcja była pierwotna? – aby po prostu wykorzystywać te samą korbę. Teoretycznie dało się to zrobić przez zbliżenie cylindrów do siebie i wydłużenie równoległej do osi wału części wykorbienia, ale w praktyce bardzo dużą popularność zyskał układ tandem, zwany też układem posobnym. W takim przypadku jedno z tłoczysk łączyło oba tłoki cylindra, a od drugiego biegł pojedynczy korbowód do wału korbowego, na krótką, typową korbę. Układy tandem wykonywano w postaci z poziomymi i pionowymi cylindrami, z cylindrami wysokiego ciśnienia bliżej wału korbowego oraz (znacznie częściej) z CWC dalej od wału korbowego. 

Najchętniej posługiwano się zespołami pionowych cylindrów, w których mały CWC był posadzony od góry na wielkim CNC (tak jak na rysunku po lewej), a wał korbowy sytuowano na samym dole. Jednak panowała pod tym względem ogromna różnorodność, wykorzystywano często cylindry skośne, a trafiały się nawet rozwiązania, w których oba cylindry układu tandem stały w pionie (w jednej lub drugiej kolejności), zaś wał korbowy obracał się nad nimi.

Rozwiązania konstrukcyjne silników sprzężonych bez przelotni pary charakteryzowały się dużą prostotą, ale miały także poważne wady. Oba tłoki równocześnie docierały do martwych położeń (punktów zwrotnych), więc żaden nie pomagał drugiemu w ich przejściu. Dla wyrównania nierównomierności ruchu potrzeba było stosować masywne koła zamachowe. Jeśli silnik został zatrzymany w chwili, gdy tłoki znajdowały się na krańcach swych suwów, ponowny start w pożądanym kierunku mógł sprawić poważny kłopot.

Jednak inne ustawienie korb niż z przesunięciem o zero albo o 180 stopni prowadziło do przesunięcia w fazie pracy obu cylindrów. Dlatego opracowano trochę bardziej złożone i cięższe silniki z przelotnią pary. Stanowiła ona rezerwuar pary opuszczającej CWC w czasie, gdy CNC nie mógł jej jeszcze pobierać, a zarazem zapas, z którego CNC mógł ją pobierać, kiedy CWC nie znajdował się w fazie usuwania częściowo zużytego medium. 

Po prawej przedstawiony jest rysunek obrazujący ideę pracy silnika z podwójnym rozprężaniem pary i przelotnią, dla przypadku ustawienia korb obu cylindrów w płaszczyznach znajdujących się względem siebie pod kątem 90 stopni. Od góry, kolejno (bez oznaczeń) jako fazy A, B, C, D: 
A) Do CWC musi być od góry dostarczona świeża para; u dołu jest on całkowicie wypełniony parą częściowo zużytą, więc trzeba zachować wylot otwarty. Jednak CNC nie przyjmuje już pary, bowiem ta wcześniej dostarczona powinna mieć czas na rozprężenie się. Zatem para z
CWC musi tymczasem "przechować się" w przelotni.
B) Do CNC trzeba dostarczyć parę od dołu. Ale CWC już jej nie dostarcza, bowiem te resztki, które w nim zostały, powinny zostać sprężone. Zatem CNC może pobrać parę tylko z "zapasu" w przelotni.
C) Sytuacja analogiczna jak w A) tylko kierunki ruchu tłoków przeciwne.
D) Sytuacja analogiczna jak w B) tylko kierunki ruchu tłoków przeciwne. 

Rozmaitej konstrukcji (bocznobalansjerowe, skośne, pionowo-skośne, poziomo-skośne) maszyny okrętowe z przelotnią pary między CWC a CNC opracował i instalował na statkach już w latach 30-tych XIX wieku Gerhard Moritz Roentgen, Holender niemieckiego pochodzenia (rysunek po prawej stronie). Chociaż "1" przypomina baryłkę w ładowni, to w rzeczywistości przedstawia cylinder wysokiego ciśnienia. Cylinder niskiego ciśnienia "2" jest niemal poziomy. Na wspólnym tłoczysku z nim znajduje się element "3", a para ta wygląda absolutnie jak pozioma maszyna podwójnego rozprężania pary w układzie "tandem" – tymczasem "3" jest tu naprawdę pompą skroplinowo-powietrzną. Dziwne "pojazdy" wielokołowe "4" przed każdym z cylindrów to niecodzienne wodziki rolkowe. 

Analogiczne rozwiązanie zastosowano w silnikach z potrójnym rozprężaniem pary, które zaczęto wprowadzać na lądzie w latach 60-tych XIX wieku, a na morzu od 1871 r. Oczywiście tam osobne przelotnie pary znajdowały się między CWC a cylindrem średniego ciśnienia oraz między tym ostatnim a CNC. W 1884 r. pojawił się pierwszy statek wyposażony w maszynę z poczwórnym rozprężaniem pary.

Dla maszyn parowych dwukrotnego rozprężania pary naturalnym wydaje się rozwiązanie z jednym, małym cylindrem wysokiego ciśnienia i jednym dużym cylindrem niskiego ciśnienia. Jednak wcale nie musiało tak być, a nawet w takim przypadku inwencja konstruktorów pod względem ustawiania tych cylindrów wydawała się nie mieć granic. Na rysunkach po lewej pokazano możliwe warianty dla układu "tandem", oraz najczęściej stosowane odmiany układu z cylindrami stojącymi lub leżące obok siebie, wzdłuż linii wału korbowego, czyli w tzw. układzie "compound" (nazwa jest tradycyjna, ale wysoce myląca, ponieważ używa się jej także w odniesieniu do wszystkich silników podwójnego rozprężania pary, a czasem nawet do dwucylindrowych, zwykłych silników – pojedynczego rozprężania pary – o takim ustawieniu cylindrów).

Rysunki po prawej przedstawiają schematy ustawień typu "V" lub typu "boxer" dla działania na jedną korbę i dla dwóch korb, gdzie rzędy górne to rzuty boczne (rząd najwyższy) i górne przy korbowodach przyłączonych do jednej korby, rzędy dolne to rzuty boczne (trzeci od góry) i górne przy korbowodach przyłączonych do różnych korb. Obok przedstawiono również rozwiążanie zakładające działanie CWC i CNC na jedną korbę, ale na sposób "syjamski" - CWC i CNC poruszają zgodnie wspólną poprzeczką (jakby samą górą klamry T-kształtnej z silników syjamskich), od której odchodzi korbowód. Obok przedstawiona jest bodaj najoryginalniejsza koncepcja – umieszczenie CWC w środku pierścieniowego CNC i przyłączenie wszystkich tłoczysk do wspólnego korbowodu - tłok tego pierwszego ma centralne tłoczysko, tłok w tym drugim wyposażony jest w dwa tłoczyska boczne, ale wszystkie trzy są połączone. 

Rysunek po lewej ilustruje sposoby przeniesienia napędu poprzez balansjer górny – z cylindrami po obu końcach oraz na jednym końcu balansjera, a także wersję z podwójnymi wahaczami dolnymi, gdzie znajdujący się na dole CWC nr "1" na pierwszym planie za pośrednictwem krzyżulca i drążków porusza dwoma bocznymi, równoległymi wahaczami "2"; za nim CNC nr "3" porusza równoległymi wahaczami "4"; w tym przypadku korbowody działają na przesunięte korby.

Jak widać powstała imponująca ilość odmian układów napędowych wykorzystujących założenia konstrukcyjne podwójnego rozprężania pary. Ponadto trzeba pamiętać, że wszystkie przedstawione powyżej schematy te i tak nie obejmują wszystkich próbowanych wariantów. Przy rozpoznawaniu silników wielokrotnego rozprężania pary na starych ilustracjach powstaje jednak dodatkowy problem. Zdarzały się mianowicie sytuacje, gdy cylinder niskiego ciśnienia wypadałby zbyt wielki (z uwagi na możliwości wykonawcze czy inne przeszkody) i wówczas dzielono go na klika mniejszych (z reguły 2). W takich przypadkach liczba cylindrów w maszynie podwójnego rozprężania zwiększała się do trzech (rzadko więcej) ustawionych w najrozmaitszych układach i czasem bardzo niewiele różniących się rozmiarami. Odróżnienie silników tej konstrukcji od trzycylindrowych maszyn pojedynczego rozprężania pary może być bardzo trudne. Ale także wśród dwucylindrowych silników podwójnego rozprężania pary stosowano rozwiązania, w których płaszcz parowy wokół CWC nadawał mu rozmiary CNC, co może powodować mylenie takich maszyn z dwucylindrowymi silnikami pojedynczego rozprężania pary. Liczba cylindrów w maszynie sprzężonej mogła ulec dalszemu zwiększeniu poprzez zdwojenie modułu podstawowego. Tak działały silniki systemu Lentza, systemu Christiansena i Meyera, systemu Fredriksstad jeszcze w XX w. Były z reguły czterocylindrowe, z dwoma CWC i dwoma CNC, przy czym w module podstawowym korby przesuwano o 180 stopni, a między korbami dwóch modułów zachowywano kąt 90 stopni. W szczególnie wielkich konstrukcjach stosowano nawet potrojenie modułu podstawowego. 

W sumie realna liczba cylindrów w parowym silniku tłokowym podwójnego rozprężania wynosiła pozornie 1 (CWC schowany wewnątrz pierścieniowego CNC), 2, 3, 4, a nawet 6. W tym ostatnim przypadku mogło chodzić o trzy CWC i trzy CNC (potrojony moduł podstawowy CWC/CNC), lecz także o dwa CWC i cztery CNC (podwojony moduł podstawowy CWC plus 2 CNC).

W zasadzie nawet najprostsze maszyny dwukrotnego rozprężania pary trafiły do marynarek wojennych dopiero w samym schyłku epoki drewnianych okrętów. Bowiem zbyt późno osiągnęły wystarczający poziom niezawodności działania, wymagały ciśnień pary, przy których dochodziło do eksplozji kotłów, a ich zalety długo nie były specjalnie atrakcyjne w zastosowaniu do napędu jednostek o przeznaczeniu militarnym. Nawet konstruktorom pierwszych pełnomorskich okrętów opancerzonych ("GLOIRE", HMS "WARRIOR") nie wydawało się potrzebne eksperymentowanie z takimi silnikami, skoro pod ręką mieli sprawdzone, niezawodne, zwarte i osiągające wielkie moce maszyny z pojedynczym rozprężaniem pary.

Do Royal Navy silnik sprzężony trafił może najpierw tylną furtką. W 1854 r. firma Elder & Randolph zainstalowała dwucylindrową jednostkę napędową systemu Woolfa na małym, żelaznym parowcu śrubowym "BRANDON". W tym roku wybuchła wojna krymska i admiralicja brytyjska na gwałt czarterowała i rekwirowała rozmaite statki cywilne potrzebne do transportowania na Bliski Wschód żołnierzy, zapasów żywności, zaopatrzenia wojskowego, odwożenia rannych. Już 17.11.1854 "BRANDON" wyruszył z Portsmouth do Konstantynopola zakontraktowany jako transportowiec "No. 139". Został zwolniony ze służby w marynarce wojennej 3.12.1855, ale rząd ponownie wyczarterował go na krótko 10.03.1856. Natomiast pierwszym prawdziwym okrętem Royal Navy wyposażonym w silnik podwójnego rozprężania pary (systemu Woolfa) była drewniana fregata parowa "CONSTANCE" z 1862 r. (w próbny rejs wyruszyła dopiero w 1865). Na rysunku obok widać  "sześciocylindrowy" silnik (2 CWC i 4 CNC) zamontowany na fregacie, wyraźnie widoczny układ "V" - w każdym bloku cylindry wysokiego ciśnienia umieszczone pomiędzy cylindrami niskiego ciśnienia. W 1865 r. zwodowano też drewnianą, lecz już opancerzoną korwetę "PALLAS", będącą drugim okrętem marynarki brytyjskiej, który otrzymał silnik sprzężony, tym razem firmy Humphrys, Tennant & Co.

Amerykańska marynarka wojenna zaczęła wprowadzać silniki podwójnego rozprężania pary jeszcze później. Fregata "TENNESSEE" otrzymała taką jednostkę napędową (4 cylindry w układzie dwóch tandemów) w ramach przebudowy realizowanej w latach 1871-1875. Następna była szóstka slupów typu "GALENA", zwodowanych w okresie 1873-1883 (ich dwucylindrowe maszyny leżały poziomo) oraz piątka drewnianych kanonierek typu "ENTERPRISE" (także po jednym CWC i jednym CNC) z lat 1874-1878. W trzycylindrowy sinik sprzężony (jeden cylinder wysokiego ciśnienia o średnicy 148,6 cm i dwa cylindry niskiego ciśnienia o średnicach 198 cm) wyposażono zwodowany w 1876 okręt "TRENTON", wymykający się zwykłym klasyfikacjom – wciąż drewniany ale już z brązowym taranem.

Praktycznie w każdym okresie przejściowym, kiedy jedna generacja okrętowych maszyn parowych zaczynała ustępować miejsca następnej, pojawiały się konstrukcje usiłujące połączyć stare z nowym. Czasem projektantom chodziło o zatrzymanie największych zalet wypieranych rozwiązań, zwłaszcza wobec nieuniknionych trudności okresu ząbkowania wszelkich nowinek, zazwyczaj jednak podobne postępowanie dyktowała oszczędność. Po prostu nie zużyte jeszcze silniki starego typu łączono w zestawy z nowymi, by obniżyć koszty instalacji. Oczywiste jest w takim razie, że podobnych hybryd powstawało zbyt wiele, by je wszystkie omawiać, tylko kilka przykładów.

Gdy kończył się długi okres panowania silników z bocznymi wahaczami, zastępujące je maszyny bezpośredniego działania – zajmujące dużo mniej miejsca - sprawiały rozmaite kłopoty, wynikające głównie ze zbyt krótkich korbowodów w tych zwartych konstrukcjach. Próbą kompromisu miało być rozwiązanie z około 1845 r. William McNaught opracował metodę polegającą na modyfikacji jednocylindrowego silnika boczno-wahaczowego (dość tradycyjnego, chociaż prowadzenie krzyżulców zapewniały pionowe szczeliny dla płaszczyzn wodzących, jak w maszynach wieżowych, a nie prostowód Watta) polegającej na dodaniu drugiego cylindra, lecz nie obok, a wprost pod wałem korbowym. Jego boczne drążki przekazywały ruch krzyżulca bezpośrednio na sąsiednią korbę wału, obywając się bez wahaczy. Silnik można było spowolnić albo przez przepustnicę, która zmniejszała ciśnienie pary, albo przez regulację odcięcia na dowolnym cylindrze. Korby przesunięto względem siebie o 90 stopni, co łagodziło skoki momentu obrotowego i umożliwiało start z dowolnej pozycji tłoków.

Kiedy zalety i wady napÄ™du Å›rubowego wzglÄ™dem bocznokoÅ‚owego mocno jeszcze dyskutowano, brytyjska admiralicja wyposażyÅ‚a w 1840 r. maÅ‚y tender "BEE" w standardowy dla ówczesnych bocznokoÅ‚owców silnik boczno-balansjerowy, ale w sposób umożliwiajÄ…cy zarówno poruszanie koÅ‚ami Å‚opatkowymi, jak Å›rubÄ…, osobno lub równoczeÅ›nie, i to nawet w różnych kierunkach. Nawiasem mówiÄ…c, gdy napÄ™d Å›rubowy od dawna dominowaÅ‚, wybitny konstruktor Isambard Kingdom Brunel postanowiÅ‚ odÅ›wieżyć pomysÅ‚ równoczesnego zainstalowania kół Å‚opatkowych i Å›ruby, ponieważ żaden pojedynczy silnik nie byÅ‚ w stanie napÄ™dzać zaprojektowanego przez niego kolosa "LEVIATHAN" (eksploatowanego jako sÅ‚ynny "GREAT EASTERN" z 1858 r.), a żaden waÅ‚ Å›rubowy nie mógÅ‚ przenieść niezbÄ™dnego momentu. WÂ