Ångmaskin

Ångmaskin med tre cylindrar, en så kallad trippel-expansionsånmaskin tillverkad år 1919 på Lindholmens Mekaniska Verkstad i Göteborg. Motorn installerades i ett fartyg. Sjöfartsmuseets arkiv, Göteborg

Tvärsnitt av ”skotsk panna” försedd med forcerat drag och luftförvärmning typ Howden samt ångöverhettare typ Schmidt. Figur Leif Elsby

Systemet ånga kondensat matarvatten. Figur Leif Elsby

Ångmaskin

För att alstra kraft för fyrljus (bågljus), mistsignal, radiofyr eller framdrivning av ett fyrskepp användes förr kraft från ånga. Den tekniken är kanske inte känd för alla. Vi tar oss en försiktig titt på den.

Introduktion

Den första ”eldmaskinen” byggdes av en smed i England. Hans namn var Thomas Newcomen. Han sökte år 1705 patent på sin konstruktion. Den användes för att pumpa upp vatten ur en gruva. Detta var den första maskin som drevs av ånga. Den slukade enorma mängder kol.

• James Watt tog 1769 patent på en vidareutveckling med kraftigt reducerad bränsleförbrukning. Det var han som gjorde ångmaskinen praktiskt användbar.

Men det skulle dröja till 1860-talets slut innan ångmaskiner för sjöfart kunde betraktas som något annat än hjälpmaskineri till seglande fartyg. Under detta decennium hade framsteg inom metallurgin gjort följande tre uppfinningar praktiskt användbara:

• compoundmaskinen
• ytkondensorn
• den cylindriska (skotska) eldrörspannan

Ångpannan

I ångpannan värms vattnet så att det kokar och övergår i ånga. Och ju högre temperatur ångan har desto högre blir verkningsgraden och desto bättre blir ekonomin.

• På den tiden då pannorna bestod av hopnitade plåtar av gjutjärn eller koppar kunde man inte tillåta sig några högre tryck innan materialet gick sönder.
• Det var först år 1855, som högre tryck kunde utnyttjas. Då uppfanns Bessemers valsbara stål, och senare de legerade stålen.
• Ångpannan är antingen av typen eldrör eller vattenrör.

• Med eldrör menas att de heta flammorna och förbränningsgaserna leds genom rör som omsluts av vattnet i pannan. Den används för måttliga tryck. Eldytan är liten i förhållande till vattenvolymen.
• I vattenrörspannan går rör med vatten genom de heta flammorna och rökgaserna. Den används för höga tryck och stor produktion av ånga. Eldytan är stor i förhållande till vattenvolymen.

I ångdomen överst på pannan avskiljs ångan.

• För att öka verkningsgraden kan pannan förses med överhettare där ångan får högre temperatur än vad som motsvaras av ångans mättnadstryck.

En matarvattenpump trycker in vatten till avsedd nivå i pannan.

Ångan kan användas till exempel för drivning av ångmaskin, ångvissla eller ångmistsirén.

Den skotska pannan

Den typ av ångpanna som kom att bli allenarådande i den svenska handelsflottan var den så kallade skotska pannan. Den introducerades år 1862. Denna konstruktion kom att stå sig i över 100 år.

• Den var av typen eldrör. Pannan var i princip en liggande cylinder fylld med vatten.
• Genom den undre delen och i nästan hela cylinderns längd löpte ett grövre rör, det så kallade eldröret. Det innehöll eldstaden med rost och tråg för den nedfallande askan.
• I den bortre änden, från eldaren sett, leddes förbränningsgaserna tillbaka genom ett flertal klenare och tunna rör, innan de leddes ut till skorstenen. Den värmeöverförande ytan blev härigenom större.
• Beroende på pannans storlek kunde den innehålla upp till fyra eldrör med eldstäder.
• Eldrören gjordes i allmänhet korrugerade. Dels fungerade korrugeringen som en bälg när stålet utvidgade sig vid uppvärmingen, dels ökade korrugeringen den värmeöverförande ytan.

Forcerat drag

Länge fick pannorna ombord på fartygen sin luft genom självdrag via ventilatorerna på däck och självsuget ut via skorstenen.

• År 1883 fick en engelsman vid namn James Howden patent på en ångdriven fläkt som ledde förbränningsluft direkt till undersidan av rosterna i eldrören.
• I Howdens system blev luften även förvärmd via en luftvärmeväxlare. Den var placerad i skorstenen. Det gav en ytterligare bränslebesparing.

Överhettare (economizer)

Genom att i en överhettare ytterligare värma den alstrade ångan vann man besparing av bränsle samtidigt som pannan kunde göras något mindre. Det engelska ordet economizer för anordningen beskriver vad det handlar om.

• I ofta U-formade slingor av klenare rör leds ånga från pannan för att sedan via grövre hopsamlingsrör ledas till ångmaskinen. Rörslingorna placerades där rökgaserna just passerade ut ur pannan.
• Den mättade ångan blev nu överhettad.
• Överhettning i kombination med forcerat drag kunde ge en bränslebesparing på upp till 20%.

Ånga, kondensat och matarvatten

Figuren visar en principskiss för slutet system för ånga, kondensat och matarvatten. Omgivande sjövatten pumpas som kylvattnet till kondensorn, där ångan från ångmaskinens lågtryckssida kyls och kondenserar.

• Det så bildade kondensatet transporteras med den så kallade luftpumpen till matarvattentanken. I denna finns oljeavskiljare.
• Matarvattenpumpen trycker in vattnet i ångpannan, som ger ånga, som via pådragsventilen leds till ångmaskinen.

Matarvatten

Lika många kilogram ånga som ångpannan levererar till ångmaskinen, lika många kilogram vatten måste tillföras ångpannan för att den inte skall koka torr.

• I ångfartygens barndom använde man havsvattnet för att fylla på ångpannan. Men det innehöll salter som gav avlagringar, så kallad pannsten, som hindrade värmeöverföringen. När ångan dunstar bort blir salterna kvar och fälls så småningom ut.
• Genom att bottenblåsa pannan, det vill säga ersätta vattnet i pannan med nytt vatten, har man en viss kontroll på salthalten i pannan. Nackdelen är att en del av värmen och bränslet går till spillo.
• Pannsten är man tvungen att ta bort på det jobbiga sättet. Med hacka och pyts kryper man genom manluckan in i pannan och knackar loss beläggningen, sopar upp och bär ut krafset.
• Men ångan är fri från salter. Om man bara kunde återföra den ...

Ångcykeln

Ytkondensorn patenterades 1834 av engelsmannen Samuel Hall. Emellertid var tiden då inte mogen för den i en ångmaskin. På den tiden användes fårtalg för smörjning av ångmaskinen. Talgen kladdade igen kondensorn. Det var först när mineralolja kom till användning för smörjning som ytkondensorn blev lämplig.

• Den för handelsfartyg vanligaste typen av ytkondensor består av en liggande cylinder med ett större antal tunnväggiga rör. Via den ena gavelns nedre halva pumpas kylvattnet in till den andra gaveln via rören. Kylvattnet leds tillbaka via de övriga rören och vidare ut via fartygets bordläggning. Kylvattnet tas in via fartygets bottenventil.
• Den utgående ångan från ångmaskinens lågtryckssida leds till kondensorn där den under kraftig minskning i volym kondenseras till vätska. Det så bildade suget hjälper till att driva lågtryckskolven.
• En pump kallad luftpump tar kondensatet ut ur kondensorn till en tank kallad matarvattentank. Ett vanligt sätt att driva luftpumpen är via en länkarm, som drivs av ångmaskinens rörelse.
• I tanken för matarvatten finns avskiljare för smörjmedel som ångan för med sig.
• Via matarvattenpumpen, som klarar högt mottryck, pressas vattnet in i pannan för att åter bli ånga.

Kolvångmaskinen

På 1780-talet sjösattes det första ångdrivna fartyget.

• 1816 sjösattes propellerångaren "Stockholmshäxan" byggd på Owens faktori.
• Under 1800-talet fick ångmaskinen användning bland annat i fartyg.
• Ångfartygen kunde gå på tidtabell, vilket blev en revolutionerande nyordning.
• De ångdrivna propellerfartygen slog ut segelfartygen.

Ångmaskinen utvecklades under industrialismen och blev en förutsättning för denna. Gruvorna blev under 1600-talet allt djupare. Mer och mer manuellt arbete krävdes för att pumpa dem läns. Kostnaderna ökade.

1703 lyckades engelsmannen Thomas Savery att bygga en pump driven av ånga.

1712 hade engelsmannen Thomas Newcomen utvecklat denna vidare till den atmosfäriska ångmaskinen.

• Denna hade en cylinder med en förskjutbar kolv.
• Cylindern fylldes med ånga av lågt övertryck och kolven gled mot ett yttre läge.
• Ångtillförseln stängdes av och en skvätt kallt vatten sprutades in.
• Den inneslutna ångan kyldes av med resultatet att volymen minskade och gav ett undertryck.
• Det omgivande atmosfäriska trycket tryckte därvid in kolven och det var detta som gav maskinen kraft.
• Denna konstruktion kom att användas över stora delar av Europa.
• Emellertid hade den rykte om sig att det krävdes en järngruva för att bygga den och en kolgruva för att driva den.

1765 hade skotten James Watt utvecklat en maskin som använde ånga med högt tryck och temperatur och därmed ökat verkningsgraden.

• Denna beror av förhållandet mellan ingångs- och utgångstemperatur.
• Detta hade fransmannen Carnot visat teoretiskt 1824.

1782 införde Watt en förbättring, den dubbelverkande ångmaskinen, där ångan verkade ömsom på den ena och ömsom på den andra sidan av kolven.

• Växlingen av ångtillförseln sköttes med en slid.

Compoundmaskinen

Den för handelsflottan första användbara ångmaskinen var en så kallad compoundmaskin. Den kom att utvecklas i flera modeller. Gemensamt för dem alla var att de hade två cylindrar och att dessa ångmässigt var kopplade efter varandra.

• Den fortfarande ganska varma utblåsångan från den första cylindern leddes in i en andra cylinder med större diameter. Verkningsgraden ökade.
• Den första, den så kallade högtryckscylindern, matades direkt från ångpannan via pådragsventilen.
• Via en mekanism släpptes en viss mängd ånga in i cylindern då kolven nästan befann sig i övre dödläget.
• Den innestängda ångan expanderade och tryckte undan kolven.
• När ångan hade expanderat leddes den in i nästa cylinder. Där fick man ut ytterligare kraft ur ångan innan den leddes bort.

Trippelexpansionsmaskiner med tre cylindrar hade än högre verkningsgrad.

Trippeln

Trippeln har tre cylindrar. En högtrycks-, en mellantrycks- och en lågtryckscylinder. Det fullständiga namnet är trippelexpansionsångmaskin. Den har högre verkningsgrad än compoundmaskinen och därmed lägre bränsleförbrukning. Den kom att bli, inte bara handelsflottans arbetshäst, utan även den som användes i landbaserade sammanhang. Den användes bland annat för att i större sammanhang producera elektricitet eller på sjön som huvudmotor för framdrivning av fartyg.

Ångturbin

Även ångturbinen kom att ta steget till sjöss. Bland annat Svenska Turbin AB Ljungström (STAL) utvecklade marina fartygsmaskiner baserade på ångturbinen.

• Eftersom turbinerna har högt varvtal behövs en mekanisk reduktionsväxel innan de kan kopplas till propelleraxeln.
• En annan lösning är att låta turbinerna driva generatorer som i sin tur ger ström till elektriska motorer kopplade till propelleraxeln.
• Man kan i efterhand konstatera att ångturbinerna inte kom att bli betydande för framdrivning av civila fartyg.

Ånga eller diesel

Skickliga tekniker hade utvecklat ångmaskineriet så att det på 1920-talet stod nära sin tekniska fulländning.

• Verkningsgraden på en marin ångmaskin i high tech-utförande hade ökat till smått fantastiska 13%.
• Förbränningsmotorn hade vid denna tidpunkt kommit i marint utförande.
• En dieselmotor hade cirka 40% verkningsgrad. Men ännu hade fartygsdieseln nackdel i kostnad per kilo bränsle.
• Vad som emellertid redan nu kunde räknas dieseln till fördel var att den gick snabbare att starta och att bemanningen kunde minskas. Den krävde inga eldare, inga lämpare. Bemanningen kunde minskas med 4 till 6 personer.

• S/S står för steam ship (ångfartyg).
• M/S står för (förbrännings-) motorfartyg.

Jfr bågljus, elektriskt ljus, mistsignal, radiofyr, fyrskepp, ångmistsirén, teknik.

Se även Fyrskepp Nr 2B Almagrundet, Fyrskepp Nr 7 Vulkan, Fyrskepp Nr 15 Utgrunden, Fyrskepp Nr 19 Norströmsgrund, Fyrskepp Nr 22 Västra Banken, Fyrskepp Nr 25 Finngrunden, Fyrskepp Nr 28 Reserv, Nautofon, Ludvigsbergs, Hallands Väderö, Understen