محرك شعاعي

محرك العارضة هو نوع من محركات البخار، حيث تُستخدم عارضة علوية محورية لنقل القوة من مكبس رأسي إلى قضيب توصيل رأسي . هذا التصميم، الذي يُشغّل فيه المحرك مضخة مباشرة، استُخدم لأول مرة من قِبل توماس نيوكومن حوالي عام 1705 لسحب المياه من مناجم كورنوال . وقد حسّن مهندسون، من بينهم جيمس وات الذي أضاف مكثفًا منفصلاً ، وجوناثان هورنبلوور وآرثر وولف اللذان طوّرا أسطوانات المحرك ، وويليام ماكنوت الذي ابتكر طريقة لدمج أسطوانات محرك موجود ، كفاءة هذه المحركات . استُخدمت محركات العارضة في البداية لضخ المياه من المناجم أو إلى القنوات، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لضخ المياه لتكملة تدفق المياه في عجلة مائية تُشغّل طاحونة .

يُعدّ محرك العارضة الدوارة تصميمًا لاحقًا لمحركات العارضة، حيث يقوم ذراع التوصيل بتدوير دولاب الموازنة بواسطة ذراع التدوير (أو تاريخيًا، بواسطة ترس شمسي وكوكبي ). ويمكن استخدام هذه المحركات لتشغيل أعمدة نقل الحركة في المطاحن مباشرةً ، كما يمكن استخدامها لتشغيل السفن البخارية .

كانت أولى محركات الحزم تعمل بالطاقة المائية، وكانت تُستخدم لضخ المياه من المناجم. ويمكن رؤية نموذج محفوظ منها في منجم ستريتستيبس للرصاص في وانلوكهيد باسكتلندا .

استُخدمت محركات العارضة على نطاق واسع لتشغيل المضخات في نظام القنوات الإنجليزية عندما تم توسيعه عن طريق الأقفال في وقت مبكر من الثورة الصناعية ، وكذلك لتصريف المياه من المناجم في نفس الفترة، وكمحركات رفع .

طُوِّر أول محرك شعاعي يعمل بالبخار على يد توماس نيوكومن . لم يكن هذا المحرك، بالمعنى الدقيق، يعمل بالبخار، إذ كان البخار المُدخل أسفل المكبس يتكثف لتكوين فراغ جزئي، مما يسمح للضغط الجوي بدفع المكبس إلى أسفل. ولذلك سُمِّيَ بالمحرك الجوي. اعتُمد محرك نيوكومن الجوي في العديد من المناجم في كورنوال وغيرها، ولكنه كان غير فعال نسبيًا ويستهلك كمية كبيرة من الوقود. حسّن جون سميتون المحرك، لكن جيمس وات عالج أوجه القصور الرئيسية في محرك نيوكومن في محركه البخاري وات بإضافة مكثف منفصل، مما سمح للأسطوانة بالبقاء ساخنة. من الناحية الفنية، ظل هذا المحرك جويًا حتى (بموجب براءات اختراع لاحقة) قام بتغليف الجزء العلوي من الأسطوانة، مُدخلًا البخار لدفع المكبس إلى أسفل أيضًا. هذا ما جعله محركًا بخاريًا حقيقيًا، ويُمكن القول إنه مخترع المحرك البخاري. كما حصل على براءة اختراع للمنظم الطارد المركزي والحركة المتوازية . وقد سمح الأخير باستبدال السلاسل حول رأس القوس، وبالتالي سمح باستخدامه كمحرك دوار.

ظلت براءات اختراعه سارية المفعول حتى مطلع القرن التاسع عشر، ويرى البعض أن ذلك أعاق التطور. إلا أن الواقع يُشير إلى أن آخرين كانوا يعملون على تطويرها، ومع انتهاء فترة براءات الاختراع، شهدنا طفرة في الأفكار والتحسينات الجديدة. وقد استُخدمت محركات وات الشعاعية تجاريًا على نطاق أوسع بكثير، واستمر العديد منها في العمل لمدة مئة عام أو أكثر.

حصل وات على براءات اختراع لجوانب رئيسية من تصميم محركه، لكن محركه الدوار كان مقيدًا بنفس القدر ببراءة اختراع جيمس بيكارد للعمود المرفقي البسيط. وخضع محرك العارضة لتحسينات وتوسعات كبيرة في المناطق الغنية بالقصدير والنحاس في جنوب غرب إنجلترا، مما مكّن من تجفيف المناجم العميقة الموجودة هناك. ونتيجة لذلك، اكتسبت محركات العارضة الكورنية شهرة عالمية، إذ لا تزال من بين أضخم محركات العارضة التي شُيّدت على الإطلاق.

بسبب عدد براءات الاختراع على أجزاء مختلفة من المحركات وعواقب انتهاكات براءات الاختراع، توجد أمثلة على محركات الشعاع بدون اسم الشركة المصنعة على أي من الأجزاء ( مجموعة هوليكومب البخارية ).

في محرك العارضة الدوارة، يُركّب المكبس عموديًا، ويقوم قضيب المكبس بتحريك العارضة كما كان من قبل. أما الآن، فيقوم قضيب توصيل من الطرف الآخر للعارضة، بدلاً من تحريك قضيب المضخة، بتحريك دولاب الموازنة.

استخدمت محركات وات الأولى نظام التروس الشمسية والكوكبية الحاصل على براءة اختراع من وات ، بدلاً من عمود المرفق البسيط، حيث كان استخدام الأخير محميًا ببراءة اختراع مملوكة لجيمس بيكارد . بعد انتهاء صلاحية براءة الاختراع، شاع استخدام عمود المرفق البسيط. بمجرد تحقيق الحركة الدورانية، يمكن تركيب سير ناقل بجانب دولاب الموازنة. ينقل هذا السير الطاقة إلى أعمدة نقل أخرى، ومن ثم يمكن توصيل سيور أخرى لتشغيل مجموعة متنوعة من الآلات الثابتة، مثل آلات الدراس والطحن والتفريز.

تتضمن عملية المزج أسطوانتين أو أكثر؛ حيث يُمرر بخار منخفض الضغط من الأسطوانة الأولى عالية الضغط إلى الأسطوانة الثانية، فيتمدد أكثر ويوفر قوة دفع أكبر. هذا هو تأثير المزج؛ ويمكن للبخار الناتج أن يُنتج طاقة إضافية إذا ما مُرِّر إلى مكثف بالطريقة المعتادة. أجرى جوناثان هورنبلوور أول تجربة على المزج ، وحصل على براءة اختراع عام 1781. رُكِّب محركه الأول في منجم تينكروفت، كورنوال. كان يتألف من أسطوانتين - إحداهما بقطر 21 بوصة (0.53 متر) وشوط 6 أقدام (1.8 متر) ، والأخرى بقطر 27 بوصة (0.69 متر) وشوط 8 أقدام (2.4 متر) - موضوعتين جنبًا إلى جنب عند أحد طرفي العارضة. لم تُظهر المحركات الأولى تحسنًا يُذكر في الأداء: كان ضغط البخار منخفضًا جدًا، وكانت الأنابيب المتصلة صغيرة القطر، وكان المكثف غير فعال. ^{[ 1 ]}      

في ذلك الوقت، لم تكن قوانين الديناميكا الحرارية مفهومة بشكل كافٍ، وخاصة مفهوم الصفر المطلق . كان مهندسون مثل آرثر وولف يحاولون معالجة مشكلة هندسية بفهم غير كامل للفيزياء. على وجه الخصوص، كانت آلية الصمامات لديهم تعمل في موضع خاطئ من الشوط، مما لا يسمح بالتمدد الكافي داخل الأسطوانة. تم إنتاج محركات وولف المركبة الناجحة في عام 1814، لمنجم ويل أبراهام للنحاس ومنجم ويل فور للقصدير. ^{[ 2 ]}

حصل ويليام ماكنوت على براءة اختراع لمحرك ذي عارضة مركبة عام 1845. في محرك ذي عارضة من تصميم بولتون ووات القياسي ، وضع أسطوانة ضغط عالٍ على الجانب المقابل للأسطوانة المفردة الموجودة، حيث تُركّب مضخة الماء عادةً. كان لهذا تأثيران مهمان: فقد خفّض الضغط على العارضة بشكل كبير، كما أن أنبوب البخار الطويل المتصل به عمل كمستقبل تمدد - وهو العنصر المفقود في تصميم وولف. ^{[ 3 ]} كان من الممكن إجراء هذا التعديل لاحقًا، وكانت المحركات المُعدّلة تُسمى "مُعدّلة بماكنوت". لم تكن مزايا المحرك المركب ملحوظة عند ضغوط أقل من 60 رطلًا لكل بوصة مربعة (410 كيلو باسكال) ، ولكنها ظهرت عند ضغوط تزيد عن 100 رطل لكل بوصة مربعة (690 كيلو باسكال) .    

• محطة ضخ آبي ( ليستر ، إنجلترا) - تضم أربعة محركات شعاعية دوارة مركبة من نوع وولف، تم بناؤها بواسطة شركة جيمسون وشركاه ، ليستر. ^{[ 4 ]} 
• متحف بولتون للبخار ( بولتون ، إنجلترا) – يضم العديد من محركات الشعاع الدوارة التي كانت تستخدم في الأصل لتشغيل المطاحن 
• محطة ضخ كلايميلز ( بورتون أبون ترينت ، إنجلترا) - أربعة محركات ضخ مركبة دوارة من نوع وولف؛ خمسة غلايات لانكشاير؛ أكثر من ثلاثين محركًا مساعدًا في الموقع، بما في ذلك أقدم مولد كهربائي يعمل بالبخار في البلاد. 
• مطحنة كولد هاربور ( أفكولم ، ديفون) - محرك كيتو وبروذرهود ذو العوارض ، بالإضافة إلى محرك بوليت وويغزيل المركب المتقاطع بقوة 300 حصان، يعود تاريخه إلى عام 1867. كانت تعمل بالبخار في معظم أيام العطل الرسمية، حيث كانت تقوم بتشغيل مسار الحبل، إلى جانب آلات أخرى أصغر حجماً.  
• مضخة كولترشو ذات الشعاع ( غرب ساسكس ، إنجلترا) - محرك شعاعي محفوظ يعمل بالطاقة المائية من عام 1782. 
• محطة ضخ كروفتون ( غريت بيدوين ، إنجلترا) - محركان، بما في ذلك أقدم محرك "كورنيش" عامل، في موقعه الأصلي، في العالم (1812). 
• محطة ضخ كروسنيس ( آبي وود ، إنجلترا) - مجموعة من أربعة محركات شعاعية دوارة: أكبر الأمثلة العاملة الباقية. 
• محطة ضخ المياه القديمة في دالتون ( مقاطعة دورهام ، إنجلترا) - زوج من المحركات غير الدوارة المحفوظة بشكل ثابت من كورنيش، ويعود تاريخها إلى عام 1879. 
• محرك دوغدايك ( تاتيرشال ، إنجلترا) - محرك تصريف وعجلة مجرفة ، يعمل بالبخار في عطلات نهاية الأسبوع الصيفية. 
• محرك دندي بولتون ووات (1801) من مصنع دوغلاسفيلد للتبييض، معروض الآن في فيردانت وركس ^{[ 5 ]}
• مبنى محرك إيستني ذو العارضة ( بورتسموث ، إنجلترا) - يحتوي على محركين دوارين من نوع العارضة لضخ مياه الصرف الصحي، ويعود تاريخهما إلى عام 1887. 
• مركز إلسكار للتراث ( إلسكار ، إنجلترا) - محرك نيوكومن الوحيد الباقي (في العالم) الذي ظل في موقعه الأصلي (1795). 
• محرك جارلوجي ذو العارضة (أبردينشاير) - محرك بولتون ووات ، ذو عارضة من عام 1805. 
• محطة مياه غولبورن ( غولبورن ، أستراليا) - محرك أبلبي براذرز ذو العارضة (1883) بقوة 120 حصانًا في حالة عمل جيدة ولا يزال موجودًا في مبنى محطة الضخ الأصلي.  
• محرك شعاعي من نوع Grazebrook - محرك ضخ كبير من تصميم Boulton & Watt بقطر 42 بوصة (1.1 متر) معروض بشكل ثابت على دوار دارتموث على الطريق A38(M) في برمنغهام ، إنجلترا. 
• مجموعة هوليكومب البخارية ( ليبهوك ، إنجلترا) - محرك دوار صغير (حوالي 5 حصان) يعمل بالفاصوليا ويعود تاريخه إلى حوالي عام 1850، ويستخدم لتشغيل الآلات الزراعية، مع عجلة مائية ملحقة لتكملة الطاقة. 
• منجم ليفانت ومحرك العارضة ( تريويلارد ، إنجلترا) - محرك عارضة عامل في موقع تابع للصندوق الوطني في غرب كورنوال، إنجلترا 
• محرك ماركفيلد ذو الشعاع ( توتنهام ، إنجلترا) - محرك مركب دوار. 
• مبنى محرك ميدلتون العلوي، ميدلتون باي ويركسورث ، ديربيشاير . يُعدّ محرك العارضة المزدوجة (الذي بُني عام 1829) أقدم محرك لفّ ترددي عامل في العالم لا يزال موجودًا في مبنى المحرك الأصلي. ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• متحف كروكيوس ( كروكيوس ، هولندا) – يُعتقد أن المحرك ذو العوارض الثمانية في كروكيوس هو أكبر محرك بخاري تم بناؤه على الإطلاق 
• محرك نيوكومن التذكاري ( دارتموث ، إنجلترا) - يعود تاريخه إلى حوالي عام 1725. تمت إضافة الآلية الهيدروليكية لأغراض العرض التوضيحي. 
• متحف نوتنغهام الصناعي ( نوتنغهام ، إنجلترا) - يضم معرض البخار محرك باسفورد ذو العارضة، وهو أحد محركين بُنيا عام 1858 بواسطة شركة آر آند دبليو هوثورن في نيوكاسل أبون تاين . تم تركيبه في محطة ضخ باسفورد لرفع المياه من ارتفاع 34 مترًا (110 قدمًا) من الحجر الرملي أسفلها لتزويد مدينة نوتنغهام بالمياه العذبة. تم استبدال المحرك عام 1965 ونُقل إلى معرض البخار المُصمم خصيصًا لهذا الغرض، حيث تم تشغيله لأول مرة عام 1975.   
• محرك بينشبيك ( سبالدينغ ، إنجلترا) - محرك ذو إطار على شكل حرف "A" محفوظ بشكل ثابت. 
• منجم بولدارك ( ترينير ، إنجلترا) - محرك هارفيز أوف هايل كورنيش ذو العارضة من منجم باني تين، ولاحقًا من منجم جرينسبلات للطين الصيني، ويعود تاريخه إلى حوالي عام 1850. أُضيفت آلية هيدروليكية لأغراض العرض التوضيحي. كان آخر من عمل تجاريًا في كورنوال حتى ديسمبر 1959، ثم نُقل إلى بولدارك في عام 1972. ^{[ 8 ]} 
• متحف محركات رايهوب ( رايهوب ، إنجلترا) - محركات شعاعية دوارة مزدوجة؛ تم بناؤها عام 1868. 
• المتحف البحري الوطني في سان فرانسيسكو ( سان فرانسيسكو ، الولايات المتحدة) - يضم قارب العبارة يوريكا ، وهو عبارة عن عبّارة خليج سان فرانسيسكو التي بنيت عام 1890 باسم أوكياه، وهي تحتوي على محرك شعاعي متحرك على متنها وهي آخر مثال على محرك شعاعي متحرك بحري عائم.
• متحف شيلبورن ( شيلبورن ، الولايات المتحدة) - يضم تيكونديروجا ، وهي عبارة عن عبّارة بحيرة شامبلين التي بنيت عام 1906. وعلى متنها يوجد واحد فقط من محركي المشي البحري المتبقيين في العالم أجمع.
• محرك سميثويك ( سميثويك ، إنجلترا) - أقدم محرك بخاري عامل في العالم (1779). 
• محرك ستريثام القديم ( ستريثام ، إنجلترا) - محرك وعجلة مجرفة محفوظان بشكل ثابت. 
• متحف سترومبشو للبخار ( سترومبشو ، إنجلترا) - يعرض محركًا سابقًا يعمل بالهواء المضغوط من أدينغتون. 
• محطة ضخ تيز كوتيدج ( دارلينجتون ، إنجلترا) - محرك وولف المركب الدوار ذو الأسطوانتين العامل ، والذي صممه جلينفيلد وكينيدي من كيلمارنوك وقام ببنائه الأخوان تيزديل، تحت إشراف شركة تي آند سي هوكسلي ، مهندسين مدنيين، لندن. 
• محرك بولتون ووات ذو الشعاع الدوار (من نوع الشمس والكوكب) في المتحف الوطني لاسكتلندا (1786). ^{[ 9 ] [ 10 ]} تشغيل متقطع بواسطة نظام هوائي
• محرك نيوكومن التابع لمنجم كابرينجتون في المتحف الوطني لاسكتلندا . أعمال متقطعة في مجال أنظمة الهواء المضغوط.
• متحف هنري فورد (ديربورن، ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية) - فيربوتوم بوبس ، محرك نيوكومن من ستينيات القرن الثامن عشر. 
• متحف لندن للمياه والبخار ( برينتفورد ، إنجلترا) - خمسة محركات "كورنيش" (في موقعها الأصلي) منها أربعة تعمل، بالإضافة إلى محركين دوارين يعملان (في المتحف)، بما في ذلك أكبر محرك "كورنيش" عامل في العالم بأسطوانة طولها 90 بوصة (2286 مم) .  
• محطة معالجة المياه في ويسترن سبرينغز ( أوكلاند ، نيوزيلندا) - محرك وولف المركب المزدوج، يعود تاريخه إلى عام 1877. يقع في موقعه الأصلي، وقد تم ترميمه ليعمل بكفاءة، ويحيط به متحف النقل والتكنولوجيا. حاز ترميم محطة الضخ ومنزل المهندسين الأصلي على جائزة الاستحقاق لعام 2009 من جوائز اليونسكو للتراث في آسيا والمحيط الهادئ، ضمن برنامج صون التراث الثقافي. 

• كراولي، تي إي (1982). محرك الشعاع . دار نشر سينيسيو. رقم ISBN 0-906831-02-4.

• رسم متحرك لمحرك شعاع وات.
• أقدم محرك منجم لا يزال قائماً في كورنوال .
• لقطات أرشيفية للمحركات في محطة ضخ أدينغتون في يوليو 1973، أي قبل عام من إيقاف تشغيلها.
• نموذج تشغيل محرك شعاعي