蒸気機関車
火室は燃料を燃焼して高温のガスを作る場所である。火室の底(床)部分は燃え滓の灰が落ちるように格子状(いわゆる火格子)に作られている。
蒸気機関車の出力を決める第一の要因は「火室でどれだけ大きな熱エネルギーを発生できるか」であり、その指標として火室の平面積を表す火格子面積が使われる。火格子面積は狭軌が一般的であった日本の場合、明治初期のころの機関車で1m以下、それ以降順次増大しD51形で3.27mまで大きくなったが、火室への燃料供給は人力(シャベル)による投炭であった。さらに大型(日本最大)で戦時の貨物増大に対応して製作されたD52形では火格子面積は3.85mとなったが、これは1人で人力投炭を行うには限界に近い負担を強いたため、第二次世界大戦後、同形式のボイラーを流用して製作されたC62形などと共に、蒸気エンジンで駆動される自動給炭装置(メカニカルストーカー)が装備された。ちなみに標準軌を採用した南満洲鉄道で特急列車「あじあ」を牽引したパシナ型機関車の火格子面積は6.25mで、ストーカーが標準搭載されていた。また、日本と同じく狭軌を標準としていた南アフリカでは当時黒人労働者を低賃金で利用できたことから、彼らを投炭手として複数乗務させ、交代で全力投炭させることでストーカーを装備せずに火床面積を日本の機関車よりも大きくとるケースが存在した。
蒸気機関車は湯を沸かして発生した蒸気を動力源として走行する。
ここでは主に世界各国で広く使用されていた、煙管式ボイラーとシリンダーを使用するタイプの蒸気機関車について説明する。
一般的な蒸気機関車を走らせるのに必要な機構としては以下のものがあげられる。
石炭等の燃料を効率よく燃やして、高温の燃焼ガスを作る火室。
火室で発生した燃焼ガスの持つ熱エネルギーを利用して水を沸騰させ、高温高圧の蒸気を作るボイラー。
シリンダーに送る蒸気の方向や量を制御する各種弁装置。
蒸気のエネルギーを往復運動のエネルギーに変えるシリンダー。
シリンダーの往復運動を回転運動に変換し駆動力を発生させるロッドと動輪。
重油をバーナーで霧状にし、火床で燃焼している石炭の上方に噴射することで煤煙の減少と火室容積を最大限に活かし、平面燃焼と立体燃焼を同時に行う。 諸外国ではあまり使用されていない技術のため、日本独自の発達を遂げた技術である。
1898年(明治31年)から1899年(明治32年)のころ、重油 (原油) を機関車燃焼に試用され、大正の初めに秋田県黒川油田が噴出すると多数の機関車に重油燃焼装置を取付けられ、1934年(昭和9年)ごろまで使用された。飯山敏雄の考案にかかる飯山式、横井実郎の考案になる横井式といったものも試験されたが、重油の価格は石炭よりも変動が甚だしく、安定した供給が困難になると撤去されてしまった。明治、大正年間の重油燃焼に関する詳細な資料は残っておらず、飯山式、横井式の構造も明らかではないが、扁平の吹出口から油を蒸気で吹出すもののようであったという。
キルシャップの開発やボイラの内的流線化等の、蒸気機関車の科学的改良を初めて行った。のちにリビオ・ダンテ・ポルタら蒸気機関車技術者に多大な影響を与えた。
前記したボイラーに水を注水するための給水ポンプとインゼクタがボイラー横に搭載される他、蒸気機関車自体や牽引する客車のブレーキ装置を作動させる圧縮空気を作る目的でボイラー缶胴部横や煙室前面などにコンプレッサーを搭載している(イギリスなど真空ブレーキ式の国ではこれがなかった。空気ブレーキはアメリカで1869年に発明され1872年に直通から自動式に改良、米国では1893年に全列車に空気ブレーキが装備が義務付けられた。なお、日本では真空ブレーキが先(1891年)に導入されたが、勾配が多い日本では1920年代以後に連続使用が効く空気ブレーキ式に切り替えられた。)調圧器により自動的に作動しており、そこで作られた圧縮空気は繰出管を介して冷却されてボイラー横の元空気溜に蓄圧される。また、前照灯など電気装置やATSの保安装置などを使用する目的でタービン発電機がボイラー上部の運転室側に搭載される。コンプレッサーもタービン発電機もボイラーから運転室に取付けられた弁が付いた蒸気分配箱を介して送られた蒸気を動力源としており、これらの弁の操作により蒸気が送られて各種補機を作動させる。
C61 20号機のタービン発電機
C61 20号機のコンプレッサー(空気圧縮機)
逆転機ハンドルは逆転棒と繋がっており、その先の釣りリンク腕と釣りリンクを介して心向棒と繋がっていて、さらに心向棒から加減リンクを通り蒸気室の蒸気弁と合併テコを介してクロスヘッドに繋がっている。逆転機ハンドルは回すことで、心向棒を介してシリンダー室上部にある蒸気室の蒸気弁を操作できるようになっている。蒸気機関車の速度制御は、蒸気溜にある加減弁での調整によっても可能であるが、実際の速度制御は、蒸気弁からシリンダーへの通路の開口部の開口率の変化によって行われる。その変化の動作に使用されるのが偏心棒、加減リンク、心向棒の3つであり、加減リンクは中央を支点としてモーション・プレートに取り付けられており、その下部に連結された偏心棒により、加減リンクが支点を中心として上部と下部で往復運動を行なって、心向棒と合併テコを介して蒸気弁の弁心棒に力を伝達する仕組みとなっている。心向棒の力点は、逆転機ハンドルにより加減リンク内を上下方向に動かすことが可能であり、加減リンクの支点に近い位置では、蒸気弁の往復運動の幅が小さくなり、加減リンクの支点から離れた位置では、蒸気弁の往復運動の幅が大きくなる。その幅の変化が開口率の変化となり、開口部の大きさと蒸気弁からシリンダーへの蒸気が入らないカットオフの時間が変化することで、シリンダーに入る蒸気量の調整を行い、シリンダー内の中のピストンが時々の状況に応じた速度に対応した往復運動をするようになっている(出発時は、心向棒を加減リンク中央から下に離れた位置に移動させて、開口率を大きくカットオフの時間を短くすることでシリンダー室に入る蒸気を多くして動輪の回転力を大きく回転数を小さくし、速度が上がるにつれて、心向棒を加減リンク下部から中央の位置に徐々に移動させて、開口率を小さくカットオフの時間を長くすることでシリンダー室に入る蒸気を少なくして動輪の回転力を小さく回転数を大きくする)。