מנוע קיטור ימי

מנוע קיטור ימי (באנגלית: marine steam engine) הוא מנוע קיטור המשמש להנעת אוניות, ספינות וסירות. ערך זה עוסק במנועי קיטור ימיים בוכנאיים, הסוג בו השתמשו מאז הופעתה של ספינת הקיטור הראשונה בתחילת המאה ה-19 ועד סוף מלחמת העולם השנייה, אז פסק ייצורם כמעט לגמרי. את מקומם תפסו בהדרגה במהלך המאה ה-20 טורבינת הקיטור ומנוע הדיזל.

תולדותיו
מנוע הקיטור הראשון שהצליח מבחינה מסחרית פותח על ידי תומאס ניוקומן ב-1712. השכלולים והשיפורים שהגה ויישם ג'יימס ואט במחצית השנייה של המאה ה-18 הגדילו את נצילות המנוע והקטינו את ממדיו. השימוש המוצלח הראשון במנוע קיטור להנעת כלי שיט אירע כמאה שנים אחרי ניוקומן, ב-1802, כאשר המהנדס הסקוטי ויליאם סימינגטון בנה את "ספינת הקיטור השימושית" הראשונה בעולם – "שארלוט דאנדֶס" (Charlotte Dundas). ב-1807 בנה רוברט פולטון האמריקאי את ספינת הקיטור הראשונה בעולם שזכתה להצלחה מסחרית – "נורת' ריוור" (North River), המוכרת יותר בשם "קלרמונט", שהונעה על ידי מנוע קיטור של בולטון אנד ואט.

בעקבות הצלחתו של פולטון התפתחה במהירות בניית ספינות קיטור משני עברי האוקיינוס האטלנטי. טווח הפלגתן של ספינות הקיטור הראשונות היה קצר וכושר השיט שלהן לקוי בשל משקלן הרב, ההספק הנמוך של מנועיהן ונטייתן להתקלקל לעיתים תכופות, אך למרות זאת הן פעלו  בהצלחה לא מבוטלת בנהרות ובתעלות ובהפלגות קצרות לאורך החופים. אוניית הקיטור הראשונה שחצתה את האוקיינוס האטלנטי הייתה "סבנה" (SS Savannah), שהפליגה ב-1819 מסבנה שבג'ורג'יה אל ליברפול באנגליה. אוניית הקיטור הראשונה שערכה הפלגות טרנס-אטלנטיות סדירות הייתה אוניית המשוטות "גרייט וסטרן", ב-1838.

ההתקדמות הטכנולוגית הכבירה במאה ה-19 לא פסחה גם על מנוע הקיטור ועל אוניית הקיטור. גלגל המשוטות פינה בהדרגה את מקומו למדחף היעיל פי כמה; השימוש בברזל ואחר כך בפלדה לבניין אוניות דחק בהדרגה את האוניות בעלות גוף העץ ואיפשר בניית אוניות גדולות יותר שנזקקו למנועים גדולים ומשוכללים.

סוגי מנועי קיטור ימיים
במהלך המאה ה-19 נבנו מנועי קיטור ימיים בוכנאיים מסוגים שונים. מקובל לסווג אותם על פי שני קריטריונים עיקריים: (א) צורת מנגנון העברת התנועה מהבוכנה לגל הארכובה; (ב) אופן ניצול הקיטור לדחיפת הבוכנות בצילינדרים (מנועים חד-דרגתיים ורב-דרגתיים).

רוב מנועי הקיטור הראשונים היו חד-דרגתיים שנבדלו זה מזה בצורת העברת התנועה לגל הארכובה. על כן מסווגים את המנועים הימיים הראשונים בעיקר על פי מנגנון זה. כמה מן הנפוצים שבמנגנוני העברת התנועה הם הזרועות הצדיות (side-lever), הצריח (steeple), הקורה המהלכת (walking beam) וההנעה הישירה (direct-acting).

אפשר לסווג את מנועי הקיטור גם על פי צורת ניצול הקיטור בצילינדרים: מנועים חד-דרגתיים (single expansion), דו-דרגתיים (compound) ותלת-דרגתיים (triple-expansion) ועוד. שֵם המנוע יכול להתייחס לשני הקריטריונים גם יחד, כמו למשל "מנוע זרועות צדיות רב-דרגתי" (כשהשם "זרועות צדיות" מתייחס למנגנון העברת התנועה והכינוי "רב-דרגתי" לאופן ניצול הקיטור בצילינדר). עם השנים הלכה ודחקה ההנעה הישירה את צורות ההנעה האחרות, אך טכנולוגיית ניצול הקיטור בצילינדרים, לעומת זאת השתכללה ונעשתה מגוונת יותר. לכן החלו מסווגים את המנועים רק על פי טכנולוגיית ניצול הקיטור בצילינדרים.

סוגי מנועים על פי צורת ההנעה של גל הארכובה

זרועות-צִדיות (side lever engine)

מנוע הזרועות הצדיות היה מנוע הקיטור הנפוץ הראשון בכלי שיט, תחילה באירופה בנתיבי מים פנימיים ולאורך החופים ואחר כך ובמשך שנים רבות באוניות טרנס-אטלנטיות משני עברי האוקיינוס.

מנוע זה הוא גירסה מותאמת לשימוש ימי של מנוע הקיטור המוקדם ביותר, מנוע הקורה (beam engine) . למנוע הנפוץ מסוג זה היו שתי זרועות ברזל כבדות, אחת בכל צד של הצילינדר, בחלקו התחתון, שנקראו "זרועות צדיות". הן נעו כנדנדה סביב ציר בבסיס הצילינדר. מנגנון ראש צלב (crosshead) מעל הצילינדר ושני מוטות צד (side rods), העבירו את התנועה הקווית של מוט הבוכנה (piston rod) לקצות הזרועות הצדיות. הקצה השני של כל אחת מן הזרועות הצדיות הניע טלטל (connecting rod) שסובב את גל הארכובה (crankshaft).

חסרונותיו העיקריים של מנוע הזרועות הצדיות היו משקלו הרב וממדיו הגדולים, ואומנם בספינות ששטו במים פנימיים ולאורך החוף הוא נדחק לאחר תקופה קצרה על ידי מנועים קלים ויעילים יותר. סוג מנוע זה המשיך להיות דומיננטי באוניות טרנס-אוקיאניות במשך רוב המחצית הראשונה של המאה ה-19, משום שהוריד את מרכז הכובד של האונייה ולכן העניק לה יציבות טובה יותר בים גלי. הוא גם היה המנוע המוקדם הנפוץ באוניות מלחמה, כי בשל גובהו הקטן יחסית היה חשוף פחות לפגיעה מאש אויב. מאז ספינת הקיטור הראשונה של הצי המלכותי ב-1820 ועד 1840 הוכנסו לשירות בצי 70 אוניות קיטור, רובן צוידו במנוע זרועות צדיות, שהוזנו על ידי דודי קיטור בלחץ מקסימלי של 4 ליברות לאינץ' מרובע. הקוטר הגדול של הצילינדר במנועי זרועות צדיות הוכתב על ידי לחץ הקיטור הנמוך.

מנוע הזרועות הצדיות התאים לאוניות שהונעו על ידי גלגלי משוטות ולא לאוניות מדחף. האונייה הטרנס-אטלנטית האחרונה שהותקן בה מנוע מסוג זה הייתה אוניית המשוטות "סקוטיה" של קיונארד ליין (Cunard Line), שנחשבה למיושנת מבחינה טכנולוגית כבר בהפלגת הבכורה שלה ב-1862.

זרועות חרגול (grasshopper beam engine)
מנוע זרועות חרגול היה גרסה מותאמת לספינות של מנוע זרועות צדיות. הוא נבדל ממנו בכך שציר הסיבוב של הזרוע הצדית נמצא בקצהַ המרוחק ולא באמצעיתה, והטלטל שהעביר את התנועה לארכובה התחבר לאמצע הזרוע ולא לקצהַ השני. 

היתרונות העיקריים של מנוע זרועות החרגול היו מחירו הראשוני הנמוך, חוזקו והתחזוקה המעטה שנדרשה לו בהשוואה למנועי קיטור ימיים אחרים. יתרון נוסף היה האפשרות להתניעו בקלות מכל מצב של גל הארכובה. כמו כל מנועי הקורות הצדיות הקונבנציונליים, חסרונותיו הגדולים היו משקלו וממדיו הגדולים. מנועים מסוג זה שימשו בעיקר בכלי שיט קטנים כמו ספינות נהר וגוררות.

ראש צלב (crosshead engine)

מנוע ראש צלב, שנקרא גם מנוע "ריבועי" (square), מנוע מנסרה (sawmill) או מנוע מסגרת-A (A-frame), שימש בארצות הברית להנעת ספינות משוטות, והיה הסוג הנפוץ ביותר בשנותיה הראשונות של ספנות הקיטור באמריקה.

הצילינדר האנכי הותקן מעל גל הארכובה, ומוט הבוכנה התחבר אל מנגנון ראש צלב. מראש הצלב עברה התנועה אל שני טלטלים, אחד בכל צד של הצילינדר, שסובבו כל אחד ארכובה נפרדת. ראש הצלב נע בתנועה קווית ישרה בין שני מובילים. שמו האחר של המנוע, "מסגרת-A", נקרא כפי הנראה על שום צורת המסגרת שנשאה את מובילי ראש הצלב. היו מנועי ראש צלב בעלי יותר מצילינדר אחד, ובהם התחברו על פי רוב כל מוטות הבוכנה לאותו ראש צלב. הגרסאות הראשונות של מנוע מסוג זה היו מצויידות בגלגל תנופה, שהונע דרך תמסורת גלגלי שיניים מגל הארכובה, ונועד לשמור על מהירות סיבובית קצובה של גל הארכובה. תמסורת גלגלי השיניים הייתה בדרך כל רועשת מאוד.

מאחר שהצילינדר בסוג מנוע זה נמצא מעל גל הארכובה, מרכז הכובד שלו היה גבוה ולכן לא התאים לאוניות אוקיאניות, אלא למים פנימיים.  במהלך המאה ה-19 הלכו וגדלו ממדי המנועים ומשקלם, ומרכז הכובד הגבוה של מנועי ראש צלב היה לחיסרון בולט. בעשור הרביעי של המאה זנחו בוני האוניות את המנוע לטובת מנוע הקורה המהלכת.

שם המנוע מבלבל, משום ש"ראש צלב" הוא גם שמו הנוסף של מנוע הצריח. מקורות רבים באנגלית מעדיפים על כן להשתמש בשמו הלא פורמלי, "מנוע ריבועי", כדי למנוע בלבול. זאת ועוד, אין לבלבל בין מנוע ראש הצלב או המנוע הריבועי הימי שתואר כאן לבין המונח "מנוע ריבועי" (square engine) המתייחס למנועי שריפה פנימית, שם המשמעות היא שקוטר הצילינדר של המנוע שווה לאורך המהלך שלו.

קורה מהלכת (walking beam engine)

מנוע הקורה המהלכת, הידוע גם בשם "מנוע קורה עילית" (overhead beam) או סתם מנוע "קורה", היה פיתוח מוקדם נוסף של מנוע קורה, שהשתמשו בו בעיקר בארצות הברית. הוא היה בשעתו מנוע הקיטור הנפוץ ביותר באמריקה בספינות נהר ולאורך החופים. במנוע הקורה המהלכת הימי נישאה הקורה על שני עמודי תמך מברזל שהעניקו למנוע צורה של משולש. לעתים קרובות היו עמודי התמך מעץ, בשל מחירו הנמוך. הקורה נקראת "מהלכת" משום שהתנשאה לגובה רב מעל סיפון האונייה, ותנועת הנדנדה שלה, שנראתה למרחוק, דמתה לתנועת הליכה.

מנועי קורה מהלכת שימשו להנעת גלגלי משוטות, ולעתים נדירות להנעת מדחף. על פי רוב הותקנו באוניות ובספינות שפעלו בנהרות, באגמים ולאורך החוף. הם היו פחות נפוצים באוניות ים בשל גובהם הרב, שפגע ביציבותה של האונייה בים גלי. גם תפוצתם בכלי שיט מלחמתיים היה קטנה, משום שהמנוע היה חשוף לאש אויב ועל כן ניתן היה לשתקו על נקלה. הפופולריות שלהם בארצות הברית נבעה בעיקר מן העובדה שמנוע הקורה המהלכת התאים מאוד לספינות נמוכות-שוקע שפעלו בחופים הרדודים של אמריקה ובנתיבי מים פנימיים.

אף שאבד הכלח על מנוע הקורה המהלכת כבר בשלהי המאה ה-19, הוא הוסיף להיות פופולרי עד תחילת המאה ה-20 בספינות טיול, כי הנוסעים בהן רצו לראות "קורה מהלכת" בפעולתה, ואחדים נבנו אפילו בשנות ה-40 של המאה. הייתה גם סיבה טכנית לשרידותו של מנוע הקורה המהלכת באמריקה – הוא היה קל לבנייה ובנייתו דרשה פחות דיוק. ניתן היה לבנות את המסגרת הראשית מעץ ולא מברזל; זאת ועוד, הפחם באמריקה היה זול יותר מאשר באירופה, והנצילות הנמוכה של מנוע הקורה המהלכת הייתה לפיכך בעלת חשיבות פחותה. בונה האוניות מפילדלפיה צ'רלס ה. קרמפ  תלה את האשם בהעדר תחרות בין תעשיית בניין האוניות האמריקאית לבין זו הבריטית מאמצע המאה ה-19 עד סוף המאה, ובשמרנות של בוני האוניות ובעלי חברות הספנות האמריקאים, שדבקו בעקשנות בטכנולוגיות מיושנות, כמו הקורה המהלכת וגלגל המשוטות, זמן רב אחרי שנזנחו בארצות אחרות.

צריח (steeple engine)

מנוע הצריח, הקרוי לעתים "מנוע ראש צלב" (crosshead), היה ניסיון מוקדם להיפטר מקונספציית הקורה שאיפיינה הן את מנוע הקורה המהלכת הן את מנוע הזרוע הצדית, ולפתח מנוע קטן ממדים, קל משקל ויעיל יותר. במנוע צריח התנועה הלוך ושוב האנכית של הבוכנה אינה מומרת לתנועה נדנדה אופקית כמו במנוע קורה. במקום זאת היא מועברת אל מכלול המורכב מראש צלב ושני מוטות, דרך מוביל אנכי בחלק העליון של המנוע, אשר מניע את הטלטל של הארכובה שמתחתיו. בדגמים הראשונים של המנוע הייתה למנגנון ראש הצלב צורת מלבן, אך עם השנים היא שוכללה וקיבלה צורת משולש מאורך. המכלול המשולש מעל הצילינדר הוא שהעניק למנוע את הכינוי "צריח".

מנועי צריח היו גבוהים כמו מנועי הקורה המהלכת, אבל צרים יותר, ועל כן חסכו מקום ומשקל. בשל גובהם ובשל מרכז הכובד הגבוה הם נחשבו, כמו מנועי הקורה המהלכת, כפחות מתאימים לאוניות ים, אבל נותרו נפוצים מאוד ובמשך עשרות שנים, במיוחד באירופה, בנתיבי מים פנימיים ולאורך החופים.

מנועי צריח הותקנו לראשונה באוניות קיטור בעשור של 1830, ושוכללו בתחילת העשור של 1840 על ידי בונה האוניות הסקוטי דיוויד נפייר.

סיאמי (Siamese engine)

המנוע הסיאמי, הנקרא גם מנוע " כפול צילינדרים", היה אלטרנטיבה מוקדמת נוספת למנוע הקורה ולמנוע הזרועות הצדיות. לסוג מנוע זה היו שני צילינדרים אנכיים זהים, שניצבו זה לצד זה, ואשר מוטות הבוכנה שלהם התחברו אל מנגנון ראש צלב משותף בצורת T. ראש הצלב והזחלנים נעו בתנועה קווית בין שני הצילינדרים האנכיים; הטלטל, שהתחבר אל פין ראש הצלב, סובב את גל הארכובה העילי.

המנוע הסיאמי הומצא על ידי המהנדס הבריטי ג'וזף מודסלי (Maudslay, בנו של הנרי מודסלי). הוא לא זכה לאותה הצלחה כמו מנוע הצילינדר המתנודד הימי שעליו רשם פטנט עוד קודם לכן, מאחר שהיה קטן וקל רק במעט ממנוע הקורות הצדיות שאותו אמור היה להחליף. מנוע מסוג זה הותקן באוניית המלחמה המדחפית הראשונה – אה"מ "ראטלר" ובכמה אוניות מלחמה נוספות באמצע המאה.

בוכנת טבעת (annular engine)

במנוע מסוג זה לבוכנה צורת טבעת. היא נעה בתוך צילינדר שגם לו צורת טבעת והוא סגור בצדו התחתון. מוטות הבוכנה מעבירים את התנועה הקווית למנגנון ראש צלב בצורת T מעל הצילינדר, וזרוע ראש הצלב ובקצהַ פין הבוכנה נמצאים בתוך השרוול הפנימי של הצילינדר, בדומה למנגנון של מנוע "סיאמי". יתרונו של המנוע בגובהו הקטן.

פעולה ישירה (direct acting engine)
ישנן שתי הגדרות למנוע פעולה ישירה בספרות הטכנית מן המאה ה-19. לפי ההגדרה המוקדמת יותר המונח "פעולה ישירה" מתייחס למנוע קיטור מכל סוג שהוא מלבד מנוע קורה (כלומר למנוע קורה מהלכת, למנוע זרועות צדיות או למנוע זרועות חרגול). ההגדרה המאוחרת יותר משתמשת במונח לציון מנועים המעבירים את ההספק שהם מפתחים ישירות לגל הארכובה דרך מוט הבוכנה ו/או הטלטל. בערך זה נוהגת ההגדרה המאוחרת יותר, אלא אם צוין אחרת.

להבדיל ממנוע זרועות צדיות או ממנוע קורה, מנוע פעולה ישירה ניתן להתאמה בקלות לסיבוב גלגלי משוטות או מדחף. נוסף על היותם נמוכים יותר, מנועי פעולה ישירה גם קטנים יותר ומשקלם נמוך במידה ניכרת משל מנועי קורה או זרועות צדיות. הצי המלכותי הבריטי מצא שמנוע פעולה ישירה ממוצע (לפי ההגדרה המיושנת) שוקל 40% פחות ונפח המקום הנדרש לו הוא רק שני שלישים מזה של מנוע זרועות צדיות בעל הספק זהה. אחד מחסרונותיו של המנוע היה בלייתו המהירה, ועל כן נזקק לתחזוקה תכופה יותר.

צילינדר מתנודד (oscillating cylinder engine)

מנוע קיטור עם צילינדר מתנודד  היה סוג של מנוע קיטור פעולה ישירה שתוכנן להיות קטן וקל ממנועים אחרים. מוטות הבוכנה של מנוע זה התחברו ישירות לגל הארכובה, ללא טלטלים. הפיכת התנועה הקווית של הבוכנות לתנועה סיבובית של הארכובות נעשתה על ידי הצילינדרים עצמם. אלה לא היו קבועים למקומם, אלא נעו לצדדים הלוך ושוב על אצילים באמצעיתם. מכאן המונח "צילינדר מתנודד". אספקת הקיטור לצילינדר וסניקתו החוצה נעשו הצירים, ותנועת הנדנוד של הצילינדר גילתה וכיסתה לסירוגין את הפתחים באצילים בתזמון המתאים. נבנו גם מנועים רבים בעלי שסתומי כניסה וסניקה חיצוניים, שהמנגנון שלהם הופעל על ידי תנועת הנדנוד של הצילינדרים, כך שניתן היה לכוון את התזמון לפי הצורך.

מנוע הצילינדר המתנודד הימי הראשון שנרשם עליו פטנט נבנה על ידי ג'וזף מודסלי ב-1827, אבל שוכלל במידה רבה על ידי ג'ון פן. מנועי מסוג זה נפוצו כמנועים ימיים משך רוב המאה ה-19.

בוכנת חדק (trunk engine)

מנוע בוכנת חדק הוא סוג נוסף של מנוע פעולה ישירה, שנועד להקטין את גובהו של המנוע מבלי להקטין את אורך המהלך. לאורך מהלך גדול נודעה חשיבות באותו זמן, כי הוא הקטין את המאמצים על החלקים הנעים. (כיום המונח "בוכנת חדק" מתייחס למנוע שריפה פנימית שבו הטלטל מחובר ישירות לבוכנה באמצעות פין בוכנה.)

ה"חדק" הוא שרוול ברזל ארוך במרכז הבוכנה, בולט משני צדדיה, המחובר אליה בברגים או נוצק יחד אתה כך שמתקבלת מעין בוכנה מדורגת. קצות החדק עוברים דרך כל אחד ממכסי הצילינדר דרך סידור אטימה. בתוך החדק נע הטלטל, המתחבר לפין הבוכנה. החלק הפעיל של הצילינדר, שבו מתבצעת העבודה, נמצא בחלל הטבעתי שבין החדק לדפנות הצילינדר.

למנועי בוכנת חדק הראשונים היו צילינדרים אנכיים, אך עד מהרה הבינו בוני האוניות כי סוג מנוע זה הוא קומפקטי יותר כשהוא מונח אופקית, לאורך השדרית. המנוע בצורתו זו התאים לאוניות מלחמה, כי בשל גובהו הנמוך נמצא כולו מתחת לקו המים של האונייה, הרחק ככל האפשר מאש האויב. המנועים לאוניות מלחמה יוצרו בדרך כלל על ידי ג'ון פן, ונפוצו באוניות מלחמה באמצע המאה ה-19. הם הותקנו גם באוניות סוחר, אך למרות היותם קומפקטיים ובעלי מרכז כובד נמוך, תחזוקתם הייתה יקרה. זאת ועוד, מנועי בוכנת חדק לא פעלו היטב בלחצי קיטור גבוהים, שנעשו מקובלים יותר ויותר במחצית שנייה של המאה ה-19, וסופו של דבר שבוני האוניות זנחו אותם לטובת סוגי מנועים אחרים.

מנועי בוכנת חדק היו בדרך כלל גדולים, אבל נבנו גם מנועים קטנים, מהירי סיבוב ובעלי לחץ עבודה גבוה. מנועים ימיים מסוג זה נבנו במהלך מלחמת קרים במספרים גדולים, והמשיכו להתקין אותם בספינות תותחים גם אחריה. מנוע בוכנת חדק מקורי של ספינת תותחים מתקופת מלחמת קרים מוצג ב"מוזיאון מערב אוסטרליה" בפרימנטל. הוא הותקן, כמנוע יד שנייה, באוניית המשוטות האוסטרלית Xantho, שהוסבה לאוניית מדחף. האונייה טבעה ב-1872 בחופי אוסטרליה, המנוע נמשה ב-1985 ושוחזר למצבו המקורי. את אופן הפעולה של המנוע, המדגים את הקומפקטיות שלו, אפשר לראות באתר של "פרויקט קסנתו".

זרוע רוטטת (vibrating lever engine)

מנוע זרוע רוטטת, או מנוע חצי חדק (half-trunk), היה שכלול של מנוע בוכנת החדק הקונבנציונלי שהגה המהנדס השוודי-אמריקאי יוהן אריקסון. אריקסון נזקק למנוע קטן ונמוך להנעת המוניטורים של הממשלה הפדרלית של ארצות הברית. המוניטור פותח במלחמת האזרחים האמריקאית  והיה בו מעט מקום למערכת הנעה קונבנציונלית.

אריקסון פתר את הבעיה על ידי הצבת שני צילינדרים אופקיים גב אל גב באמצע המנוע, שהפעילו שתי "זרועות רוטטות", אחת מכל צד. הזרועות סובבו באמצעות צירים ומוטות נוספים את גל הארכובה שבאמצע המנוע. מנועי זרועות רוטטות הותקנו לימים גם באוניות מלחמה ובאוניות סוחר אחדות, אבל השימוש בהם היה מוגבל לאוניות שנבנו בארצות הברית ובשוודיה, ארץ מוצאו של אריקסון. מאחר שיתרונות המנוע מסוג זה על פני מנועים אחרים ונפוצים יותר היו מעטים, הוא נדחק עד מהרה ונעלם.

טלטל מהופך (return connecting rod)

מנוע טלטל מהופך  היה מנוע נוסף שתוכנן להיות נמוך קומה. מנוע זה היה למעשה מנוע צריח מוּסָב, שהונח אופקית לרוחב השדרית של האונייה ולא עמד ניצב מעליה. במקום מכלול ראש הצלב המשולש הנמצא במנוע צריח רגיל, הותקנו שני מוטות בוכנה מקבילים וארוכים שהתחברו אל ראש צלב. גל הארכובה הותקן באמצע המנוע, בין מוטות הבוכנה, והטלטל שכיוונו היה מהופך מזה של מנוע רגיל (לעבר הצילינדר ולא ממנו והלאה) סובב את הארכובה. מכאן שמו של המנוע.

מנועי טלטל מהופך נפוצו באוניות מלחמה וסוחר באמצע המאה ה-19, אבל כמו סוגי מנועים רבים אחרים בתקופה רבת שינויים טכנולוגיים זו, הם נזנחו בסופו של דבר לטובת פתרונות יעילים יותר. ידוע רק על מנוע טלטל מהופך אחד ששרד לימינו – המנוע של אוניית הלימוד "אמרי רייס" (TV Emery Rice, מקודם USS Ranger), המוצג במוזיאון צי הסוחר האמריקאי .

מנוע אנכי (vertical engine)

ממדי אוניות הסוחר ותפוסתן גדלו יותר ויותר במהלך המאה ה-19, והצורך במנועים נמוכים, בעלי מרכז כובד נמוך, נעלם. כשהם משוחררים מהגבלות מבניות אלה, יכולים היו המהנדסים לפנות אל צורות מבנה פשוטות, יעילות ונוחות יותר לתחזוקה. התוצאה הייתה תפוצתו הגוברת והולכת של מה שנקרא "מנוע אנכי", או vertical inverted direct acting engine.

בסוג מנוע זה הוצבו הצילינדרים מעל גל הארכובה, וביניהם – בקו ישר פחות או יותר - מוט הבוכנה והטלטל. צורת מנוע זו דומה לזו של מנוע השריפה הפנימית המודרני; הבדל משמעותי בין השניים הוא שמנוע קיטור הוא בעל פעולה כפולה (double acting), כלומר הקיטור דוחף את הבוכנה הן בכיוון מעלה הן בכיוון מטה, בעוד שברוב מנועי השריפה הפנימית מהלך העבודה הוא רק כלפי מטה. מנועים אנכיים נקראים לעתים מנועי "פטיש", "פטיש חישול" או "פטיש קיטור", בשל דמיונם החיצוני לפטיש הקיטור של המאה ה-19.

עד סוף המאה ה-19 דחקו המנועים האנכיים כמעט את כל סוגי מנועי הקיטור הימיים האחרים. בשל תפוצתם  הרבה, לא מתייחסים לצורת המבנה האנכית שלהם, אלא לאופן ניצול הקיטור, למשל: מנוע (אנכי) דו-דרגתי, תלת-דרגתי, ארבע-דרגתי וכו'. (המונח "אנכי" לתאור סוג זה של מנוע אינו מדויק, מאחר שמבחינה טכנית כל מנוע קיטור הוא "אנכי" אם הצילינדר שלו ניצב במאונך ואינו שוכב או נוטה על צדו.)

סוגי מנועים על פי ניצול הקיטור בצילינדר

חד-דרגתי (simple expansion engine)
מנוע חד-דרגתי הוא מנוע קיטור שבו הקיטור פועל בדרגת לחץ אחת, כלומר כל הצילינדרים שלו פועלים באותו לחץ עבודה. מאחר שסוג מנוע זה היה הנפוץ ביותר בתחילת התפתחותו של מנוע הקיטור הימי, לעתים רחוקות נתקלים במונח simple expansion. כל מנוע אמור להיות חד-דרגתי אלא אם מצוין אחרת.

דו דרגתי (compound engine)

מנוע רב-דרגתי  הוא מנוע קיטור בעל כמה צילינדרים הפועלים בדרגות לחץ עבודה שונות. הוא נועד לנצל את רוב האנרגיה האצורה בקיטור ועל ידי כך להגדיל את נצילות המנוע ולהקטין את תצרוכת הפחם. עד פיתוח המנוע הדו-דרגתי נוצל הקיטור לביצוע עבודה בצילינדר פעם אחת בלבד; אחר כך הוא עובה למים במעבה, והמים הוחזרו לדוד הקיטור לשימוש חוזר. במנוע רב דרגתי הקיטור מנוצל בשתי דרגות לחץ או יותר: תחילה הוא מבצע עבודה בצילינדר בקוטר קטן, שבו לחצו יורד כתוצאה ממסירת האנרגיה לבוכנה, אך מאחר שעדיין נותרה בו אנרגייה שניתן להשתמש בה, הוא מועבר לצילינדר בקוטר גדול יותר, מבצע עבודה ונסנק אל המעבה והדוד או עובר אל דרגת לחץ נמוכה נוספת. השם "מנוע רב דרגתי" (compound steam engine) יכול להתייחס למנוע קיטור עם מספר כל שהוא של צילינדרים בעלי דרגות לחץ עבודה שונות – אבל המונח מתייחס בדרך כלל למנועים שבהם הצילינדרים פועלים בשתי דרגות לחץ שונות, כלומר מנועים דו-דרגתיים.

זאת ועוד, מנוע רב-דרגתי יכול להיות בעל יותר מסט אחד של צילינדרים הפועלים בלחצי עבודה שונים. למשל, מנוע בעל שני צילינדרים הפועלים בלחץ x ושניים הפועלים בלחץ y, או צילינדר אחד הפועל בלחץ x, ושלושה צילינדרים הפועלים בלחץ y. מה שהופך אותו למנוע רב-דרגתי (או דו-דרגתי) בניגוד למנוע תלת-דרגתי הוא שיש לו רק שני לחצי עבודה.

המנוע הדו-דרגתי הימי הראשון הותקן ככל הנראה בספינת הקיטור "הנרי אקפורד" (Henry Eckford)  על ידי המהנדס האמריקאי ג'יימס פיטר אלייר (Allaire)  ב-1824. עם זאת, מקורות רבים מייחסים את המצאת המנוע הרב-דרגתי הימי לג'ון אלדר (Elder)  מגלזגו בשנות החמישים של המאה ה-19. השכלולים והשיפורים שהגה ויישם אלדר עשו את המנוע הרב דרגתי לבטוח ולחסכוני יותר בהפלגות טרנס-אוקיאניות.

תלת-דרגתי (triple or multiple expansion engine)

במנוע תלת-דרגתי הקיטור מתפשט בשלוש דרגות, כלומר זהו מנוע בעל שלושה צילינדרים הפועלים בשלושה לחצי עבודה. במנוע ארבעה-דרגתי הקיטור מתפשט בארבע דרגות, וכן הלאה. עם זאת וכפי שהוסבר לעיל, מספר דרגות הלחץ מגדיר את סוג המנוע ולא את מספר הצילינדרים שלו. לדוגמה, לאוניית הדואר המלכותית "טיטניק" היו מנועים תלת-דרגתיים בני ארבעה צילינדרים. המנוע התלת-דרגתי המסחרי המוצלח הראשון נבנה על ידי המהנדס הסקוטי אלכסנדר קרנגי קירק (Kirk)  ב-1881 עבור אוניית הקיטור "אברדין" .

ייצור של מנועים רב דרגתיים נמשך עוד במאה ה-20. כל 2,700 אוניות "ליברטי" שנבנו עבור ארצות הברית במלחמת העולם השנייה הונעו על ידי מנועים תלת-דרגתיים, משום שיכולתה של ארצות הברית לבנות טורבינות קיטור ימיות הופנה כל כולו לטובת בנייה של אוניות מלחמה. היצרן הגדול ביותר של מנועים תלת דרגתיים במהלך המלחמה היה Joshua Hendy Iron Works. לקראת סוף המלחמה יוצרו אוניות "ויקטורי"  עם טורבינות קיטור במספרים הולכים וגדלים.

מונחים נוספים
להלן מונחים נוספים הנזכרים בספרות הטכנית של מנועי הקיטור הימיים.

מנוע פשוט (simple engine)
מנוע פשוט הוא מנוע בעל דרגת לחץ אחת, ללא התייחסות למספר הצילינדרים שלו. עד אמצע המאה ה-19 רוב האוניות צוידו במנועים עם צילינדר אחד, אך לכמה כלי שיט היו מנועים פשוטים עם מספר צילינדרים, ו/או יותר ממנוע אחד.

מנוע פעולה כפולה (double acting engine)
מנוע פעולה כפולה הוא מנוע שבו הקיטור מסופק לשני צדדי הבוכנה לסירוגין. במנועי קיטור מוקדמים הקיטור סופק רק בכיוון אחד, ותנופת גל הארכובה או כוח הכובד של הבוכנה החזיר אותה למצבה ההתחלתי. במנוע פעולה כפולה הקיטור דוחף את הבוכנה בשני הכיוונים, מעלה ומטה לסירוגין, ועל ידי כך מושגים מהירות סיבוב והספק גדולים יותר. כמו המונח "מנוע פשוט", גם המונח "פעולה כפולה" נזכר מעט בספרות התקופה, משום שרוב המנועים הימיים היו מסוג "פעולה כפולה".

אנכי, אופקי, נטוי, מהופך 
המונחים מתייחסים לכיוון ההצבה של צילינדר המנוע. צילינדר אנכי ניצב במאונך כשמוט הבוכנה שלו פועל מלמעלה (או מלמטה). מנוע אנכי מהופך מוגדר כמנוע בעל צילינדר אנכי, כשגל הארכובה ממוקם היישר מתחת לצילינדר (או הצילינדרים). במנוע נטוי או אופקי, הצילינדר והבוכנה עומדים בזווית או שוכבים. צילינדר נטוי מהופך הוא צילינדר מהופך העומד באלכסון. מונחים אלה משמשים בדרך כלל לתאור סוגי המנועים שנמנו למעלה. על כן, מנוע פעולה ישרה אופקי, או מנוע פעולה כפולה דו-דרגתי נטוי, וכו'.

מנועים עם תמסורת (geared engine)
מנוע עם תמסורת מסובב את המדחף במהירות שונה משל עצמו. מנועי המדחף הראשונים היו מצויידים בתמסורת גלגלי שיניים או רצועות שהניעה את המדחף במהירות גדולה יותר משל המנוע עצמו. במהלך החלק האחרון של המאה ה-19 נעשו המנועים מהירים יותר ובעלי הספק רב יותר ולכן הצורך בתמסורת התייתר כמעט לגמרי, והמדחף הסתובב באותה מהירות סיבוב של המנוע. הסידור שבו ציר המדחף מחובר ישירות לקצה גל הארכובה, יעיל מאוד מבחינה מיכנית, ומנועי הקיטור הבוכנאיים התאימו היטב למהירות הסיבוב היעילה של רוב המדחפים.

מקורות
 American Society of Mechanical Engineers (1978): Joshua Hendy Iron Works - informational brochure.
 Buell, Augustus C. (1906): The Memoirs of Charles H. Cramp, J. B. Lippincott Co., Philadelphia and London, pp. 92–93.
 Chatterton, E. Keble (1910): Steamships and their Story, page 132, Cassell and Company Ltd.
 Christley, James J. & Jurens, W. J. (1991). "Question 32/90: Ericsson Vibrating Lever Engine". Warship International. International Naval Research Organization. XXVIII (4): 403–404.
 Dumpleton, Bernard (2002): The Story Of The Paddle Steamer, Intellect Books (UK).
 Evers, Henry (1873): Steam and the Steam Engine: Land, Marine and Locomotive, William Collins, Sons & Co., London and Glasgow.
 Fox, Stephen (2003): Transatlantic: Samuel Cunard, Isambard Brunel, and the Great Atlantic Steamships, HarperCollins.
 Fry, Henry (1896): The History of North Atlantic Steam Navigation: With Some Account of Early Ships and Shipowners, Sampson Low, Marston & Co., London.
 Harvey, Steven (2007): It Started With a Steamboat: An American Saga, Authorhouse, p. 55.
 Hebert, Luke (1849): The Engineer's and Mechanic's Encyclopaedia: Comprehending Practical Illustrations Of The Machinery and Processes Employed In Every Description Of Manufacture Of The British Empire, Volume II, Thomas Kelly, London. Digitized copy in ChestOfBooks.com.
 Hilton, George W. (2002): Lake Michigan Passenger Steamers, Stanford University Press, p. 59.
 Laxton, Frederick William (1855): The Civil Engineer and Architect's Journal, incorporated with The Architect, Volume XVIII, John Knott, London.
 MacLehose, James (1906): Memoirs and portraits of one hundred Glasgow men who have died during the last thirty years and in their lives did much to make the city what it now is, James MacLehose & Sons, Glasgow, p. 118, as reproduced by the Glasgow Digital Library.
 Maginnis, Arthur J. (1900): The Atlantic Ferry: Its Ships, Men and Working, Whittaker and Co., London and New York.
 Murray, Robert (1858): Rudimentary Treatise on Marine Engines and Steam Vessels: Together with Practical Remarks on the Screw and Propelling Power as Used in the Royal and Merchant Navy, Published by J. Weale. Digitized copy in Internet Archive.
 Seaton, Albert Edward (1885): A Manual Of Marine Engineering - Comprising The Designing, Construction, And Working Of Marine Machinery, 4th Edition, Charles Griffin & Co., London.
 Sennett, Richard and Oram, Sir Henry J. (1918): The Marine Steam Engine: A Treatise for Engineering Students, Young Engineers, and Officers of the Royal Navy and Mercantile Marine, Longmans, Green & Co., London, New York, Bombay and Calcutta.
 Sutherland, John Lester (2004): Steamboats of Gloucester and the North Shore, The History Press. pp. 31-32.
 Thurston, Robert Henry (1883): A History of the Growth of the Steam-engine, reprinted 2001 by Adamant Media Corporation.Digitized copy in Internet Archive.
 Ward, J. H.: (1864): A Popular Treatise on Steam, and its Application to the Useful Arts, Especially to Navigation, D. Van Nostrand, New York, p. 60.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

מנועי קיטור
ספינות קיטור
טכנולוגיות מיושנות