日本の蒸気機関車データ集

第1章　各部設計寸法

2.スチーム・サーキット（蒸気回路）

加減弁（レギュレータ）から吐出管（ブラストノズル）に至る、蒸気の通路を総称して、英米ではスチーム・サーキットと呼んでいます。ボイラ中の高温・高圧蒸気（重量と粘性を有する気体）が大量かつ迅速にシリンダに送られ、有効な仕事をしたのち、速やかに排出されるには、スチーム・サーキットにもボトルネックが有ってはならないことが判ります。

2-1. 加減弁・乾燥管・過熱管・蒸気管

Rg:　加減弁形式、F: フリードマン式サーボ・レギュレータ、R: ラムスボトム（ダブルビート）式、Z: ツァラ式、Zeb: ツァラ過剰釣合式
L:　第1缶胴先端〜蒸気ドーム中心距離 [mm]、(　) は煙室管板後面〜蒸気ドーム中心距離
Dr:　加減弁直径 [mm]
Dd:　乾燥管内径 [mm]
Dsh:　過熱管内径 [mm]
Nsh:　過熱管本数
Dc:　シリンダ蒸気管内径 [mm]、L, R, Cはそれぞれ左側、右側、中央を示す
D:　シリンダ内径 [mm]
Dr/D:　加減弁最大開口面積／シリンダ断面積比率 [%]
Dd/D:　乾燥管断面積／シリンダ断面積比率 [%]
Dsh/D:　過熱管総断面積／シリンダ断面積比率 [%]
Dc/D:　シリンダ蒸気管断面積／シリンダ断面積比率 [%]

＜解説＞
表中、スチーム・サーキットの特性に大きく影響するのは、シリンダ断面積に対する蒸気通路各部、つまり加減弁開口部、乾燥管、過熱管、およびシリンダ蒸気管の断面積比率です。狭い部分はボトルネックとなり、蒸気の通過速度を必要以上に上げ、圧力降下をもたらすので、元のボイラ圧力が高くとも、シリンダに入る前に圧力が下がり、エネルギーをロスしてしまいます。

なお、上記以外では、加減弁からシリンダまでの蒸気通路総延長も蒸気の圧力降下に関係します。これは特に断面の小さい過熱管において顕著であり、過熱度を下げずに過熱管総延長を短縮するため、通常のシュミットA式の折り返し長を約1/2として高温の火室寄りのみ2往復させ、総延長を約3/4に短縮したシュミット・ロビンソン式や、火室へ向かう側の表面積および断面積を大きく（流速小）、戻り側を小さく（流速大）して1往復としたフ−レ同軸式（仏）、サインカーブ式（英・米）、5P4式などが考案されています。

言うまでも無く、煙管内の燃焼ガス温度は一定でなく、火室から煙室へ向かうにつれて低くなります。過熱管内の蒸気温度も火室に向かうときは上昇し、煙室へ向かうときは下降します。過熱管の煙室寄りの部分はせっかく過熱した蒸気を冷却する作用がある、とすら言えるでしょう。

ちなみに、シリンダ内径に対する蒸気通路各部の断面積比率を、内的流線化の設計規準を取り入れた下記のような近代英国蒸機と比べると、日本国鉄蒸機は加減弁開口部以外は劣っており、特にシリンダ蒸気管において著しいことが判ります。内的流線化については、後述のシリンダの項で詳述します。
　SR MN (1941):　加減弁 7.9%、乾燥管 5.0%、過熱管 6.1%、シリンダ蒸気管 11.1%
　LMS Rebuilt Scot (1943):　加減弁 4.8(?)%、乾燥管 5.1%、過熱管 4.7%（付根部分のみ）、シリンダ蒸気管 9.3%
　LNER V2 (1936):　加減弁 7.4%、乾燥管 4.8%、過熱管 6.5%、シリンダ蒸気管 7.3%
　BR Class7 (1952):　加減弁 7.8%、乾燥管 6.1%、過熱管 6.3%、シリンダ蒸気管 9.0%

2-2. シリンダ

S:　シリンダ行程 [mm]
D:　シリンダ内径 [mm]
d:　ピストン弁直径 [mm]、(D) は複式、それ以外は単式を示す
d/D:　ピストン弁直径比率 [%]
H:　シリンダ中心〜弁室中心間高さ [mm]
T:　シリンダ中心〜弁室中心間横距離 [mm]
SP:　弁室〜シリンダ間隔　直線距離 [mm]、Lは直線状スチーム・パッセージ、それ以外はS字状を示す
CV:　クリアランス・ボリューム、隙間容積 [%]
SI:　蒸気管取付部内径 [mm]
EO:　排気管取付部内径 [mm]、L, R, Cはそれぞれ左側、右側、中央のシリンダを示す
EC:　排気膨張室、N/Aは無し、1は1段式、2は上下2段式を示す

＜解説＞
表中、スチーム・サーキットの特性に関係するのは、ピストン弁直径比率、クリアランス・ボリューム（隙間容積）、蒸気管取付部内径、および排気管取付部内径です。

まず、ピストン弁直径比率は、通常シリンダ内径の50%とし、動輪の常用最大回転数を360rpm以上とする場合はこれより大きく取ります。日本国鉄では各形式とも動輪の常用最大回転数を300rpmに設定し、単式ピストン弁（第三種・リング締切）の直径を200mm, 220mm, 250mm, 280mmの4種としていましたが、D51形・D52形・D62形はワンランク上の280mmとすべきであったと考えます。

クリアランス・ボリュームは、弁室とシリンダ間のスチーム・パッセージ、ピストン・クリアランス（ピストンが死点にあるときのシリンダ蓋との隙間）、およびバイパス装置の弁までの閉じた空間の総称で、ピストン掃気容積（スウェプト・ボリューム）に対する百分率で表します。これが大きいと蒸気の有効膨張率を下げますので、なるべく小さくすることが望まれます。
弁室〜シリンダ間隔は、ベルリン造機製8800形とそれを手本にした汽車会社製8620形の2形式以外はかなり大きく、設計次第でもっと短縮できることが判ります。
また、8620形と6760形のシリンダは全く別物であり、後者はボルジッヒ製8850形と酷似していたことも判ります。ちなみに、ピストン・クリアランスは8620形の7/16in (11.1mm) に対し、6760形は1/2in (12.7mm) でした。
なお、C53形のスチーム・パッセージ形状は複式ピストン弁に対応していましたが、実際は当初から単式ピストン弁付きであり、少なくとも第2ロット以降は、シリンダ鋳物形状を改めるべきであったと考えます。

全般的に、下記のような近代英国蒸機と比べ、日本国鉄蒸機はスチーム・パッセージが長く、バイパス装置を有していることとあいまってクリアランス・ボリュームが大きくなっています。
　GWR King (1927):　5.7% (内側シリンダ) / 5.6% (外側シリンダ)
　SR MN (1941):　10.7% (内側シリンダ) / 9.8% (外側シリンダ)
　LMS Rebuilt Scot (1943):　10.0%
　LNER V2 (1936):　8.6% (内側シリンダ) / 8.3% (外側シリンダ)
　BR Class7 (1952):　10.3%
例えば、C53形のシリンダ鋳物はC52形とほとんど同一でしたが、C52形には無かったバイパス装置（外側は単頭式、中央は双頭式）が付加され、スチーム・パッセージ形状が複式ピストン弁対応となり、ピストン・クリアランスが3/8in (9.5mm) から7/16in (11mm) に広がったため、クリアランス・ボリュームがC52形の約18%増となっています。

蒸気管取付部内径は、日本国鉄ではシリンダ内径の1/4 (25%) を目安としていたようですが、これはフランスPO鉄道の技師長A. シャプロンの提唱した、蒸気通路の断面拡大、屈曲緩和、および内壁の平滑化を行う内的流線化 (Internal Streamlining) 以前の、いわゆるプレ・シャプロン (Pre-Chapelon) の設計規準であり、1930年代中盤以降のポスト・シャプロン (Post-Chapelon) の設計規準は30〜33%となっています。

排気管取付部内径は、日本国鉄ではシリンダ内径の1/3 (33%) を目安としていたようですが、ポスト・シャプロンの設計規準は40〜45%となっています。

C55形・D51形以降の大型蒸機は、他国に例を見ない脈流低減用の排気膨張室を設けていたため、シリンダ排気がスムースにブラストノズル（吐出管）に流れず、ピストン背圧が増大（試験の結果では約15%）し、その分シリンダ出力を左右するピストン有効圧力（＝正圧−背圧）を減じています。戦後に設計のC57形（190〜）・C59形（101〜）と、その足回りを流用したC61形・C62形、およびE10形は排気膨張室を上下2段としており、上記の欠点がさらに助長されています。小樽築港区に配属のC57形（190〜）の中には、排気膨張室の容積減少を行ったものもあります。

ブラストノズルは、1-3項の煙室のところで述べましたが、口径が太すぎると通風力が弱くなって火室での燃焼が衰え、細すぎるとピストン背圧が増えてしまいます。煙管長を6000mmとしたC59形では、定置試験の結果原設計の口径150mmでは通風力が不足で、140mmが適正とされました。有効口径を広げつつ、煙室ガスとの接触面積を広げ、排煙性能を高める手段として、1-3項に述べた各種のブラストノズルが考案されたわけです。

＜余談＞
排気膨張室付きの蒸機は煙の吹き上げが弱く、ブラスト音の歯切れも悪くなりますので、趣味的にも歓迎できません。動態保存機ではぜひ改装、廃止してもらいたいものです。

2-3. 弁装置（ワルシャート式）

E:　リターンクランク偏心距離 [mm]
e:　偏心棒長 [mm]
b:　加減リンク下部半径（加減リンク中心〜偏心棒取付ピン中心） [mm]
a:　加減リンク振り角 [度]
h:　シリンダ中心〜加減リンク中心高 [mm]
f:　心向棒長 [mm]
n:　合併テコ上部長（弁心棒中心〜心向棒取付ピン中心） [mm]
m:　合併テコ全長 [mm]
Lead:　リード、給気先開き [mm]
Lap:　ラップ、給気重なり [mm]
EC:　エキゾースト・クリアランス、排気先開き [mm]
Travel (max.):　最大パルブトラベル、最大弁行程 [mm]、前進時
Cutoff (max.):　最大カットオフ [%]、前進時

＜解説＞
表中、スチーム・サーキットの特性に関係するのは、リード、ラップ、エキゾースト・クリアランス、最大パルブトラベル、および最大カットオフです。

リード、ラップ、エキゾースト・クリアランスの3者は、同一諸元の弁装置においては代数和で、どれか1者を増大すると他の2者のいずれかが減少するといった関係です。ワルシャート式弁装置では、下式のように合併テコの全長と上部長との比率によって上記代数和の値が決まります。
　S×n/m = 2×(Lap + Lead + EC)

リードは、ピストンの死点通過に先立って蒸気孔を開く（プレ・アドミッション）ほか、ピストンストロークの始端付近において蒸気のワイヤー・ドローイング（絞り損失）を低減するのに有効です。日本国鉄のように動輪の常用最大回転数が300rpm程度であれば、リードは1/8in (3.2mm) 程度で十分と考えられ、あまり大きくすると死点通過のかなり前から蒸気孔を開いたり、過早に圧縮（コンプレッション）を行うことになります。8900形とC53形は明らかにリード過大で、前者は出渋りが多いことが報告されており、後者の起動不能事故もこれが主因と考えられます。ちなみに、8900形は全般に弁装置の各部が大ぶりであり、ことによると標準軌蒸機からの部品流用も考えられます。

ラップは、弁を行程中央に置いたときの給気側の弁座との重なりで、蒸気の膨張力を有効利用するのに必要なほか、給／排気孔の開き度（ポート・オープニング）を左右します。特にカットオフをつめて運転する場合、ピストン背圧を低減し、ピストン有効圧力を高めて少量の蒸気を有効利用するには、ロングラップ弁とすることが不可欠です。通常、ラップ1-1/2in (38mm) 以上をロングラップ（長ラップ）弁、それ以下をショートラップ（短ラップ）弁と称しますが、日本国鉄では最大でも1-1/4in (32mm) のショートラップ弁で、しかもC53形以降30mmを標準としてしまったのは明らかに逆行です。同一形式で合併テコ長を変更しての比較試験も行われた形跡が有りませんが、弁装置諸元を変更しない前提であれば、リードを4.8〜6.7mmから3.2mmに減じた分、ラップを30mmから31.6〜33.5mmに増大すべきであったと考えます。これは弁心棒または弁体を追加工し、前後のピストン弁を中央に寄せることで可能でしょう。

エキゾースト・クリアランスは、弁を行程中央に置いたときの排気側の弁座との隙間で、急客機では排気（リリース）を早めてピストン背圧を低減するために付けられますが、貨物機では逆にリリースを遅くして蒸気を遅くまで膨張させるためにエキゾースト・ラップを付けます。いずれもロングラップ弁が導入されてからはあまり必要が無くなり、ライン・トゥ・ラインが一般的になりました。

最大パルブトラベルは、リードとラップ、および最大カットオフを幾らにするかで決まり、38mmのロングラップ弁で最大カットオフを70%以上取ろうとすると、最大パルブトラベルは6in (152mm) 以上必要になります。これをロングトラベル（長トラベル）弁、それ以下をショートトラベル（短トラベル）弁と称します。日本国鉄では8850形・8900形（修正後） ・C50形・C12形・C56形のみがロングトラベル弁に該当しますが、これらは最大カットオフを大きく取り、牽き出しを有利にするのが主眼でした。

ちなみに、近代英国蒸機では下記のようなロングラップ・ロングトラベル弁を採用していました。
　GWR King　リード 4.8mm、ラップ 41.3mm、最大パルブトラベル 184mm、最大カットオフ 76.5%
　SR MN　リード 3.2mm、ラップ 41.3mm、最大パルブトラベル 155mm、最大カットオフ 70%
　LMS Duchess　リード 6.4mm、ラップ 44.5mm、最大パルブトラベル 179mm、最大カットオフ 75%
　LNER A4　リード 3.2mm、ラップ 42.9mm (内側シリンダ) / 41.3mm (外側シリンダ) 、最大パルブトラベル 146mm（のち168mm）、最大カットオフ 65%（のち75%）
　BR Class7　リード 6.4mm、ラップ 42.9mm、最大パルブトラベル 196mm、最大カットオフ 78%

以上より、日本国鉄蒸機はシリンダの設計に厳しさが欠けており、弁装置の諸元も近代性を欠くなど、スチーム・サーキット全体を見ても、世界的な蒸気機関車技術の進歩から取り残されていたと言えるでしょう。

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