月刊ポピュラーサイエンス/第56巻/1900年4月/蒸気タービンと高速船舶
蒸気タービンと高速船[1]
CHARLES A. PARSONS氏による寄稿
現在使用されているすべての熱機関は、高温の熱源から熱を取り込み、その大部分を低温で放出するが、この過程での熱の消滅は、機関が行った仕事に相当する。現在、すべての場合において、熱源は何らかの燃料であり、エンジンを作動させた後の残留物は、蒸気エンジンの場合、凝縮器に排出されるか、凝縮しない場合には排気蒸気に含まれる。ガスエンジンの場合は、廃ガスやシリンダー周りのウォータージャケットに排出される。
熱機関に関する最古の記録は、紀元前200年頃のアレキサンドリアのヘロンの『アイオロスの球』にある。それは、軸に取り付けられた球体の容器に、下にあるボイラーから支持軸の1つを通して蒸気を供給し、蒸気は球体の接線方向にある互いに反対側の2つのノズルから噴出し、噴出した蒸気の反作用や運動量によって球体を回転させるという、バーカーの水車に似た反動式蒸気タービンについて記述している。
このように、燃料を動力源とする最初のエンジンは、粗悪な蒸気タービンであり、有用な仕事に応用することができ、多くの場合、人力や馬力に代わる十分に経済的なものにすることが容易であったにもかかわらず、西暦1629年にビアンカが同じ原理を別の形で提案するまで、眠っていた。ビアンカの蒸気タービンは、ボイラーから噴出された蒸気を車輪の縁に取り付けられた羽根やパドルに衝突させ、その勢いで回転させるだけのものであった。
このクラスのエンジンは非常によく知られており、1700年から1845年まで、事実上唯一の燃料からの動力源として使用されており、近代工学事業の発展において最も重要な要因の一つであったと言えよう。
空気機関は1845年頃に導入され、スター円環型の大型機関は燃料を非常に節約できたが、金属製の部屋やパイプの中で大量の空気を加熱することは本質的に困難であり、これは空気の伝導性が低いために金属が過熱して燃えてしまうからで、商業的に使用されるようになったのは非常に小さな出力のものに限られる。
この35年の間にガスエンジンが、さらに最近では石油エンジンが完成し、効率の点では、どちらも最高の蒸気エンジンよりも燃料の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する割合がやや大きくなっている。現在、成功している石油・ガスエンジンはすべて内燃機関であり、燃料はシリンダー内でガス状になって燃焼する。
しかし、ガスの代わりに固体燃料を燃焼させる内燃機関を作る試みは非常に多く行われている。しかし、商業的な成功の妨げとなっているのは、燃料の微細な粒子によってシリンダーやバルブが損傷を受けることであった。この問題は、燃料が気体や液体で導入された場合には発生しないため、ガスエンジンや石油エンジンの成功につながっているが、この問題を克服できれば、固体燃料の方が安価に使用できるようになり得る。
内燃機関、ガス機関、石油機関、大砲などが燃料の節約に優れているのは、熱が燃料から機関の作動物質に伝達される際の温度が非常に高いためであり、その結果、機関の作動物質の温度の範囲が広いことによる。蒸気機関では、構造上の金属や材料の劣化という現実的な問題から、温度が制限される。
15年ほど前、私はある事情から、蒸気タービンの改良を検討することになった。最近になって、ヘロン型やビアンカ型の蒸気タービンホイールを丸鋸や送風機の駆動に応用しようという試みがいくつか行われた。いずれのタイプも、蒸気から適度な効率を得るためには、回転速度を非常に高くしなければならず、ほとんどすべての種類の機械を直接駆動するのに適した速度をはるかに超えてしまう。減速は好ましくないと考えられたので、蒸気を少しずつ拡大したり、圧力を下げたりして、流速を十分に低く保ち、タービンエンジンの回転速度を比較的緩やかにするようなタービンの形態を採用することが望ましいと考えた。
その方法は、1本の軸に複数の並流型タービンを集めて1つのケースに収め、それぞれのタービンを案内翼の円環と可動翼の円環で構成し、連続する翼またはタービンの円環の大きさを段階的に変え、排気端に近いものは蒸気入口に近いものよりも大きくして、タービンを通過する間に蒸気が徐々に膨張するようにしたものである。
タービンの形は回転するドラムで、外側に突出した翼の円環が円筒形のケースにほぼ接し、ケースの上には内側に突出した案内翼の円環がドラムにほぼ接しているものだった。このエンジンの最初の例では、蒸気の入口の両側に右回りと左回りの2つのタービン群があり、排気はタービンケースの両端で行われ、蒸気の終端圧力が完全にバランスするようになっていた。最近では、蒸気入口の反対側にあるタービンはパッキンリングや回転バランスピストンに置き換えられ、端部の圧力をバランスさせて蒸気全体を反対側のタービンに流すようになっている。
軸とケースの間の環状の空間に入った蒸気は、まずケースに取り付けられた案内翼の円環を通過して回転方向の流れを与えられ、次に軸に取り付けられた後続の翼の円環を通過して回転方向が逆になり、その回転運動量の差をトルクとして軸に伝える。その後、蒸気は2つ目の円環状の案内翼に移り、これを繰り返すことで、翼の円環ごとに少しずつ拡大していく。大型の復水タービンエンジンでは、蒸気が排気管や復水器を通過する前に、タービンの膨張率が100倍以上に達する。
蒸気タービンでは、各タービン円環、タービン、バレルの各部で蒸気圧力が一定であるため、シリンダー内の蒸気圧力の変化による蒸気の凝縮によるレシプロ式エンジンにみられる出力低下はない。複式蒸気タービンエンジンは、オルタネーターやダイナモを駆動するために約1,000馬力まで製造されており、約2,000馬力のセットも完成間近である。
複式蒸気タービンの船舶推進への応用は、このクラスのエンジンが高速船に採用される可能性があるという観点から、一般に大きな関心を集めているテーマである。
タービンの中には、非常に軽量で、完全に均一な回転モーメントを持ち、生成された蒸気を供給比例して非常に経済的な出力のエンジンがある。エンジンでスクリュープロペラを駆動する船舶に出力を比例させるという問題は、数年にわたる高価な実験の対象となったが、その結果、満足のいく解決策が見出され、船を推進するために発生する有効馬力あたりのエンジンで消費される蒸気のポンド数に関して非常に経済的な結果が得られた。タービンエンジンは、通常のように1つのエンジンで1つのスクリューシャフトを駆動するのではなく、2つ、3つ、場合によってはそれ以上のタービンに分割し、それぞれが別のスクリューシャフトを駆動し、蒸気はこれらのタービンを順次通過するようになっている。つまり、3つのタービンで3つのシャフトを駆動する場合、ボイラーからの蒸気は、高圧タービン、中間タービン、低圧タービンの順に通過し、最後に復水器へと送られる。
プロペラについては、通常の形に近いものとなっている。しかし、ほぼ同じピッチの2つのプロペラを、それぞれの軸にかなりの距離を置いて配置するのが最善であると考えられている。そうすることで、後のプロペラが前のプロペラの後流によって深刻な影響を受けることはない。この配置の利点は、プロペラの直径が小さくても船を駆動するのに必要な推力を伝えるのに十分な翼面積が得られ、エンジンの回転数を上げることができることである。
この問題は、以前から予想されていたものの、1894年にソーンクロフト氏とバーナビー氏によって初めて実際に発見されたキャビテーションの問題によって複雑になった。彼らは、キャビテーション、すなわちプロペラの羽根によって水が空洞や渦になることは、羽根の投影面積にかかる平均スラスト圧が1平方インチあたり11ポンド4分の1を超えたときに起こり始めることを実験的に明らかにした。この限界は、タービニア号の試験でも確認されている。
この現象は、水槽で働く楕円形のモデルプロペラの場合にも調査され、必要以上に緩やかな速度でキャビテーションを発生させるために、次のような配置が採用された。水槽を密閉し、両側にプロペラを観察できる板ガラスの窓を設け、空気ポンプで水面から大気圧を除去した。この状態では、プロペラの上にある小さな水頭と毛細管現象だけがキャビテーションを防ぐ力となる。
直径2インチのプロペラの場合、キャビテーションは約1,200回転で発生し、1,500回転で非常に顕著になった。大気圧が除去されていなければ、1万2千回転、1万5千回転の速度が必要であった。
写真は、この目的のために作られたカメラで、フォーカルプレーンシャッターを使って約1,000分の1秒の露光を行い、照明は24インチの凹面鏡からプロペラに集中した太陽光で撮影した。
また、アークランプでプロペラを断続的に照明して写真を撮ったが、その仕組みは、プロペラの回転と同期して撮影できるように普通のランタンのコンデンサーがプロペラシャフトの延長線上に取り付けられた小さな凹面鏡にビームを投射し、反射したビームが1回転ごとの決まった位置で固定された小さな凹面鏡に捕らえられてプロペラに反射するというものであった。これにより、プロペラは一回転ごとに一定の位置が照らされ、目には静止しているように見える。写真は、普通のカメラで10秒ほど露光して撮影したものである。
プロペラの幅を変えて出力と推力を測定した結果、海上での高速航行にはピッチ比の粗いプロペラだけでなく、幅の広い薄いプロペラが不可欠であるという結論に達した。
蒸気タービン機械を搭載した最初の船は、1894年に就航した「タービニア号」である。1894年に就航し、多くの改造と予備試験を経て、1897年春に満足のいく形で完成したものである。主な特徴は以下の通り。全長100フィート、梁9フィート、プロペラ下の水深5フィート、試運転時の排気量44トン半、総加熱面積1100フィート、火格子面積42平方フィートの水管式ボイラーを搭載し、低圧タービン軸の延長線上に取り付けられた遠心ファンから空気を供給する密閉式ストークホールドを備えている。エンジンは、高圧、中圧、低圧の3つの複合蒸気タービンで構成され、それぞれが1本のスクリューシャフトを駆動し、各シャフトには3つのプロペラがあり、全部で9つのプロペラがある。
ダンカリー教授の支援を受けたユーイング教授（F.R.S.）が公式に試験したところ、1マイルの平均速度は32ノットと4分の3に達し、すべての目的のための蒸気の消費量は、主機関の1馬力あたり14ポンド半と計算された。その後、蒸気管にいくつかの小さな変更を加えた後、船はさらに加速され、34ノット半の速度に達したと推定される。昔も今も、海上最速の船である。荒れた天候の中を航行したこともあり、優れたシーボートであり、どの速度でもほとんど振動が見られない。
タービニア号の並外れた速さは、主に2つの原因によるものである。第1にエンジン、スクリュー、シャフトが非常に軽量であること。第2に主機関の蒸気の経済性が通常よりも高いことである。
全速力では、ボイラーの蒸気圧は200.10ポンド、エンジンの蒸気圧は170.5ポンド、復水器の真空度は27インチで、排気管のワイヤードローイングを考慮した後のタービンの膨張比は約100.10となりる。
タービニアよりも大きなサイズの船で、蒸気タービン機械が初めて搭載されたのは、英国政府の魚雷艇型駆逐艦バイパーと、サー・W・G・アームストロング、ウィットワース社の同型船である。
これらの船は、現在女王陛下が使用している30ノットの駆逐艦とほぼ同じ寸法であるが、わずかに排気量が大きいのが特徴である。ボイラーは約12％大きく、通常の条件では、レシプロエンジンの6,500馬力に対し、1万馬力以上の出力が得られると推定されている。
これらの船のエンジンは二重構造になっている。船の両側に2本のスクリュー軸が設置され、それぞれ高圧タービンと低圧タービンで駆動される。低圧タービンの各軸には、後進用の小さな反転タービンが恒久的に連結されており、推定速度は後進が15ノット半、前進が35ノットである[2]。
この2隻のうち後者は予備試験を開始し、すでに32ノットの速度に達している。エンジンの操作は比較的簡単で、逆転するには1つのバルブを閉じて別のバルブを開くだけでよく、死点がないために速度の微調整も簡単にできるという。
タービン機械の大型船への一般的な適用に関しては、英仏海峡横断船、高速旅客船、巡洋艦、定期船などの高速船の場合には、条件がより有利であると思われる。このような船では、機械の軽量化と、馬力あたりの石炭消費量の経済性が重要な要素であり、一部の船では振動がないことが、乗客の快適性と、戦艦の場合には砲の照準をより正確に行うことができるという点で、まず重要な問題である。
海峡を横断する船の場合、タービンシステムは速度、振動のなさ、そしてプロペラの直径が小さいことによる喫水の減少という利点がある。
例えば、長さ270フィート、幅33フィート、排気量1,000トン、喫水8フィート6インチの船で、600人の乗客を収容できる広々とした居住空間と、1万8,000馬力の機械を備えた船を建造することができる。
特別な非装甲巡洋艦、軽量の拡大魚雷艇型駆逐艦、大人数の乗組員のためのわずかな宿泊施設、しかし軽砲と魚雷の武装を装備した場合に達成できる速度の可能性を検討することは、おそらく興味深いことである。全長420メートル、幅42メートル、最大吃水14メートル、排水量2800トン、馬力8万馬力、水管式ボイラーは2段になっていて、エンジンスペース、石炭庫などと合わせて船の下部を占めている。これらと機関室、石炭庫などが船の下部全体を占め、乗組員の居住区と大砲は上甲板にあるだろう。直径9フィートのプロペラが8つあり、1分間に約400回転し、速度は約44ノットとなる。
この速度で約8時間石炭を運べるが、一部のボイラーで10～14ノットの蒸気を出すことができ、通常の船型や動力を持つ他の船よりも経済的で、必要なときにはすべてのボイラーを使い、約30分でフルパワーを発揮することができる。
大西洋定期船や大型クルーザーの場合、タービンエンジンにはいくつかの大きな利点があると思われる。まず第一に、機械の重量を減らし、馬力あたりの燃料の経済性を高めることができ、その結果、一方では石炭の節約に、他方では速度の向上につながる。
しかし、この船級の船では、機械の相対的な出力が小さく、長い航海に必要な石炭の量が多いため、利点はあまり顕著ではないが、経費の節約や機関室の乗組員の削減といった多くの些細な考慮事項は言うまでもなく、すべての速度で振動が完全になくなることは、かなり重要な問題である。
脚注
編集- ↑ 1899年11月3日に行われたInstitution of Junior EngineersへのPresidential Addressの要旨
- ↑ 2回目の試運転では平均速度34.8ノット、最速の試運転では35ノット（約41平方マイル/時）を超え、表示馬力は11,000であった。この船は約350トンの排水量である。
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