Bratři Ljungströmové – obdivuhodní vynálezci

Uspořádání šlapadlového mechanismu
na jízdním kole Svea.

Čas od času se stává, že se narodí geniální myslitel do vhodného prostředí a vznikne osobnost, která posune hranice lidským možností zase o něco dále. Bratři Ljungströmové v oblasti techniky takovými osobnostmi bezesporu byli. A navíc byli dva.

V roce 1872 se Jonas Patrik Ljungström přestěhoval i se svou rodinou, čítající osm dětí, ze západního pobřeží Švédska do Stockholmu. Vedly ho k tomu dva důvody. Zaprvé potřeboval jako geodet a vynálezce zeměměřičských pomůcek vhodnější prostředí pro svou činnost a za druhé chtěl dětem zajistit lepší přístup ke vzdělání. A faktem je, že dva jeho nejmladší synové tuto příležitost jak se patří využili, i když podle svých možností. Byli to Birger, narozený v Uddevalle 4. června 1872, a Fredrik, narozený ve Stockholmu 16. června 1875.

Otec, velmi aktivní vynálezce, získal za své zeměměřičské pomůcky ocenění na výstavách v Göteborgu, Philadelphii i Paříži, jakož i od Švédské královské akademie. Své přístroje vyráběl ve své dílně, kde musely pomáhat i všechny jeho děti. Pro dva nejmladší to mělo snad největší význam. Birger nastoupil na technickou školu, kterou dělal večerně, protože přes den musel pracovat v otcově dílně. V roce 1889 nastoupil na Královský technologický institut, který ovšem z finančních důvodů nedokončil. I Fredrik chtěl nastoupit na institut, ale jeho špatný zdravotní stav ho donutil se studií vzdát. Oba bratři se tak vzdali studijních plánu ve svých 18 létech a začali se plně věnovat praktické činnosti.

První vynález vytvořil Briger již ve svých 16 létech. Šlo o radiální válečkovou volnoběžnou spojku, která zajišťuje automatické rozpojení hřídelů, pokud hnaný hřídel začne předbíhat hnací. Majitelé Trabantů znali toto zařízení jako tzv. volnoběžku. Tento vynález byl později v roce 1892 uplatněn v dalším originálním nápadu, v jízdním kole Svea. Toto kolo se vyznačovalo netradičním uspořádáním pedálů, které se na páce pouze kývaly nahoru a dolů a neobíhaly dokola, jak to známe dnes. Tento jejich pohyb poskytoval vyšší pohodlí při šlapání. Mechanismus byl uspořádán tak, že při současném stlačení obou pedálů docházelo k brzdění. Navíc lanko, které tahalo za volnoběžku na zadním kole, mohlo být na středové páce zasazeno do jedné z pěti jamek, takže docházelo ke změně převodu, v té době jistě možnost ne zrovna obvyklá.

Na vývoj kola Svea podepsal ještě téhož roku Birgerův otec (Birger ještě neměl náležitý věk) smlouvu s finanční firmou Wearn & Barth na další vývoj tohoto nápadu. O dva roky později se k financování vývoje přidal i Nobel, který pak Birgerovi poskytl část kapitálu na založení firmy New Cycle Company Ltd. s celkovým kapitálem £250 000. Ne zrovna špatný start pro 23letého muže. Jízdní kolo Svea bylo rozsáhle prezentováno v Anglii, mimo jiné také v Hide Parku za účasti Prince Waleského, a také v Birmighamu. I když firma měla v Anglii k dispozici dynamicky se rozvíjející trh s jízdními koly, přesto neslavila velký úspěch a management pouze žádal o další investice. Ve Švédsku byla výrobní licence v rukou Palmcrantz & Co., kde pracoval Fredrik Ljungström. Jejich Svea získala medaile na výstavách ve Stockholmu a Paříži. Firma prodala několik tisíc těchto bicyklů a pak výrobu ukončila. Objektivním nedostatkem tohoto kola bylo, že se při šlapání zapojovaly do práce nesprávné svaly, proto byl vhodný pro starší lidi, kterým poskytoval větší komfort, ovšem mladým neposkytoval příležitost pro uplatnění jejich fyzického výkonu.

Prvním patentem Fredrika byl vysokotlaký kotel, který mohl poskytovat páru o tlaku 350 psi (24,1 bar). Základem uspořádání kotle byl tzv. absorbator s velmi kompaktním uspořádáním vnitřních elementu, takže mohl dodávat na danou dobu při vysokém tlaku velké množství páry. Kotel byl prezentován a zkoušen firmou Dunford & Elliot v Newcastlu v roce 1896. Posléze byl nainstalován na 38 stop dlouhou šlupu, která pak jela rychlostí 15 uzlů. Tou dobou Birger získal od Alfreda Nobela podporu na vývoj parního stroje nové koncepce s válci uspořádanými pohyblivě do kříže kolem hřídele (podobně jako hvězdicový letecký motor). V roce 1900 pak založili oba bratři spolu s T. W. Elliottem Ljungströms' Engine Syndicate Ltd, na další vývoj obou těchto nápadů.

Jednotlivé věnce s lopatkováním turbiny.

Uprostřed parní turbina typu Ljungström
se dvěmi generátory po obou stranách.

Po roce 1900 se oba bratři zabývali aparaturami na dojení a zpracování mléka (sestavili dojící zařízení Beta a separační odstředivku). Pracovali u švédské firmy AB Separator, kde se seznámili s Erikem Forsbergem. Ten pomohl sestavit metodiku výpočtu na jeden z nejznámějších Birgerových vynálezů, parní turbiny typu Ljungström. Turbina je uspořádaná radiálně na dvou discích. Pára vstupuje na vnitřní průměr disků a pak expanduje směrem k vnějšímu průměru přes lopatky umístěné ve věncích rovnoběžně s osou rotace. Turbina je mnohostupňová a využívá se toho, že s rostoucím průměrem věnců přirozeně roste i průtočná plocha. Přesto musely být největší kondenzační turbiny vybaveny dvojící axiálních posledních stupňů. Fredrik přispěl při vývoji do turbiny svého bratra některými užitečnými nápady, jako jsou ucpávky nebo speciální dilatační kroužky. Turbina byla diskutovaná s mnohými odborníky včetně Prof. Stodoly. Roku 1907 vznikla s pomocí kapitálu Bror Fårhaeus společnost Ljungström Aongturbin, která se brzy usídlila v Loevholmenu. Tato firma bude po dlouhou dobu vlastníkem patentů a licenčních práv. První turbiny měly výkon 500 a 1 000 kW a v roce 1911 již fungovala verze, pohánějící dvojici generátorů po 500 kW. Protože ekonomika provozu vypadala velmi příznivě, začaly se turbiny nabízet. První projekt směřoval do Londýna a turbina o výkonu 1 000 kW sloužila k napájení tramvají. Firma prodala výrobní a prodejní licenci do Velké Británie a Francie, později též firmě GE do USA. Pro výrobu ve Švédsku však byla zřízena společnost STAL (Svenska Turbinfabriks Aktienbelaget Ljungström), která se usídlila ve zbrojovce ve Finspaongu. Bussines především švédské firmy se čile rozrůstal a turbiny našly uplatnění jak v průmyslu tak pro pohon lodí.

V roce 1916 se Birger vracel z úspěšného jednání s firmou GE z USA, když po návratu zjistil, že STAL se dostal do rukou jiného majitele. Za dramatických okolností a v časovém presu totiž získal Sigfrid Edström, šéf švédské firmy ASEA Nobelův podíl ve STALu. Transakci dojednal právník Emanuela Nobela (v té době držitele majetku), a to samostatně, neboť se nemohl s Nobelem ani Ljungströmem nijak spojit. Bratři pak byli odpojení od dění ve STALu a dále pokračovali v práci v Ljungström Aongturbin, která ovšem měla již omezený kapitál. Až v roce 1950 odkoupil STAL od této firmy všechna licenční práva.

Firma Ljungström Aongturbin zůstala jaksi bez náplně práce, i když byla částečně zajištěna licencemi. Od roku 1917 se proto technici intenzivně zabývali konstrukcí parní lokomotivy, která by byla poháněna turbinou. V roce 1921 tak byla v Lidingoe hotova lokomotiva, která sestávala ze dvou vozů, první obsahoval kotel a regenerační výměník, ten druhý pak turbinu s kondensátorem. Lokomotiva tedy realizovala uzavřený tepelný cyklus, takže se z ní neztrácela voda a po trase nebylo nutné dělat přestávky na dotankování. Jako pohonný stroj sloužila parní turbina podobná jako bylo popsáno výše, avšak s tím rozdílem, že jeden disk byl statický. Pro zlepšení účinnosti kotle byl montován na příď regenerační výměník, který ochlazoval spaliny za kotlem a ohříval vzduch, který byl do kotle nasáván.

Lokomotivy si objednaly Švédské státní dráhy a Argentinské státní dráhy. U obou sloužily tyto poměrně unikátní stroje relativně bez závad a docela dlouho, ve Švédsku až do elektrifikace v roce 1931, v Argentině do revoluce. Díky regeneračnímu výměníku a většímu stupni expanze do podtlaku v kondensátoru vykazovaly lokomotivy velké úspory oproti standardnímu uspořádání. Švédové deklarovali 35 %, Argentina až 42 %.

Třetí turbolokomotivu pak postavil ještě Fredrik v Anglii u firmy Beyer, Peacock & Co. v Manchesteru.

Řez regeneračním výměníkem typu Ljungström.

Na prvním provedení lokomotivy byl regenerační výměník realizován klasickým způsobem s přenosem tepla přes stěnu z jednoho media do druhého. Fredrik ovšem provedl modifikaci a vytvořil tak svůj nejvýznamnější počin – regenerační výměník známý dnes jako typ Ljungström. Obsahuje otáčející se buben z plechových lamel, mezi kterými jsou vytvořené úzké kanálky. Na jedné straně jimi protékají horké spaliny a tím se materiál lamel zahřeje. Pak se díky pomalé rotaci tento materiál dostane do oblasti, kde protéká studený vzduch a ten se od materiálu naopak ohřeje. Je jasné, že musí docházet i k mírnému promíchávání obou medií, ale Fredrik minimalizoval ztráty na 5 %. Poprvé byl tento výměník uplatněn ve výrobním závodě na lokomotivy v Lidingö. První objednávka pak přišla od firmy na výrobu čokolády ve Stockholmu v roce 1922. Při provozu kotle pak došlo k úsporám paliva až o 20 %.

Výměník, na kterém Fredrik uplatnil i některé své zkušenosti z vysokotlakého kotle, se rychle začal rozšiřovat. Brzy byly prodány licence výrobcům ve Velké Británii a USA. V roce 1932 již bylo napočítáno více než 1000 instalací.

Oba bratři se ve 20. létech nezávisle zabývali myšlenkou plynulého převodu pro osobní automobily. Birger se vydal cestou hydrostatického mechanismu, avšak bez větších úspěchů. Problém totiž činila velká změna viskozity oleje, takže zařízení nešlo pohodlně regulovat. Myšlenka Fredrika z roku 1925 však byla velmi zajímavá. Šlo o mechanické zařízení, podobné klikovému mechanismu. Místo pístu tu však bylo závaží, tlačené odstředivou silou k obvodu. Poháněné bylo táhlem, které na něho působilo ve směru otáčení, a které bylo spojeno s poháněcím diskem. Pokud byly otáčky dostatečně vysoké, nebo pokud byl přenášený moment dostatečně malý, šlo o převod 1:1. Pokud ovšem jel automobil do kopce, mechanismus se prokmitl a jedna otáčka se nepřevedla na výstupní hřídel. Její energie se ovšem neztratila, ale pomocí již známých volnoběžek byla předána setrvačníku. Při další otáčce se pak tato energie předala opět na výstupní hřídel. Čím více byl automobil zatížený, tím více otáček prokmitlo a převod se zdánlivě zpomaloval.

Toto unikátní uspořádání, zvané Spontánní převod, bylo odzkoušeno i v praxi. Fredrik získal podporu švédského finančníka a zařízení nakonstruoval. Přestavěl jim svůj vůz a ujel s ním 350 mil ze Stockholmu na západní pobřeží. Roku 1926 založili firmu AB Spontan a přestavěli tři automobily. Dva z nich překonaly vzdálenost New York – Detroit. Pohon byl též testován ve Velké Británii v pohořích ve Walesu. Propad na burze v roce 1927 ovšem vývoj zpomalil a pak se objevily problémy se životností volnoběžek, což celý projekt, v té době realizovaný Fredrikovou firmou, AB Spontan, prakticky zastavilo.

Při práci v této firmě rozpracoval Fredrik další myšlenku a to motor, který je chlazen mazacím olejem místo vody. Pro tento účel zkonstruoval speciální výměník, který se otáčel hned za ventilátorem. Toto uspořádání bylo zkoušeno na automobilu Steyr v létě 1932 v Rakouských Alpách na stoupáních až 29 %. Rozvoj tohoto vynálezu zastavila krize 1933. Ke spalovacímu motoru se Fredrik vrátil ještě v roce 1938, kdy navrhoval uspořádání klikového mechanismu, které by snížilo vibrace jednoválcového motoru tím, že skříň vykazovala opačný pohyb než píst. Birger na poli spalovacích motorů vynalezl tzv. komůrkovou zapalovací svíčku.

Z roku 1910 pochází myšlenka, kterou rozpracovával Birger v době, kdy byl odsunut z dění STALu. Šlo o projektil do velkých děl, který byl mazaný tekutinou, uloženou v jeho zadní části. Při výstřelu tuto tekutinu vytlačil tlak plynů v hlavni. Vynález výrazně prodlužoval životnost hlavní. Podle upřímného vyjádření Harima Maxima je ovšem toto vlastnost, kterou si výrobci zbraní nepřejí. Tento vynález však přivedl Birgera do leteckého průmyslu, stál u zrodu stíhačky J22 a navrhoval i spalovací proudový motor v mnohohřídelovém provedení. V průběhu práce na spalovacích komorách 17. listopadu 1948 Birger Ljungström náhle zemřel.

Destilační trubice pro těžbu benzínu z břidlice

V roce 1940 navštívil Fredrik vápenku, kde v pecích topili břidlicí. Když pak uviděl v zemi jámy, ze kterých břidlici těžili, rozhodl se, že rozpracuje svůj nápad, jak by bylo možné získávat palivo způsobem přátelským k okolnímu prostředí. Odvezl si s sebou hroudu břidličné horniny do závodu v Lidingö. Tam ji navrtal, do otvoru vložil měděný šroub, který zahřál a pozoroval, jak se z hroudy začínají uvolňovat páry. Pak na nechal na kovovém povrchu páry zkondenzovat. Když v tu chvíli jeho žena vykoukla z okna, konstatovala okamžitě „To je benzín“. Na základě tohoto experimentu vyvinul destilační zařízení, které se zapustí přímo do pole. To pak předložil Královské Akademii Technických Věd, která způsob za podpory firmy Svenska Skifferolje AB posuzovala. K ohřevu se používalo třífázového proudu o příkonu 10 kW na jeden otvor.

Později byla založena experimentální farma s příkonem 400 kW. Při ohřevu docházelo jednak k odpařování benzínu z horniny, ale také k pyrolýze a tak byl výtěžek ještě větší. Ve formě kondenzátu a spalných plynů se proto získávalo třikrát více energie, než bylo zapotřebí k ohřevu. V létech 1943–44 přidělil stát firmě Svenska Skifferolje AB 1 250 000 korun na rozvoj Ljungströmova pole, takže bylo schopno produkovat 3 000 tun paliva ročně a mělo příkon 3 000 kW. Později byl přidělen grant na zvýšení příkonu na 20 MW. Plány vedly až k příkonu 30 MW, v roce 1946 však došlo k zastavení financování projektu pro nedostatek hydro-elektrické energie. K této těžbě se vrátili opět v létech 1953 – 58.

Ljungströmův návrh plachty

Fredrik se také zapsal do konstrukce jachet, a to hned dvakrát. Poprvé v dubnu roku 1935 prezentoval v Götteburském jachtklubu svůj nápad konstrukce plachty a stěžně. Stěžeň byl otočný, uložený ve dvou ložiskách a plachta bez ráhna byla dvojitá. Při plavbě na boční vítr byla dvojitá látka dostatečně tuhá a při plavbě na zadní vítr ji bylo možno rozevřít na obě strany na způsob motýlka. Podruhé roku 1937 prezentoval svůj přístup k tvarování trupu, když předpokládal, že pro minimální odpor je zapotřebí zajistit minimální ohnutí proudnic vody. Trup byl tvarován jako úseč rotačního tělesa v trojúhelníkovým profilem. Druhou vlastností trupu bylo také to, že odrážel vlny a nenabíral tak vodu. I přes tuhý odpor některých kritiků bylo provozováno v padesátých létech několik desítek takových lodí.

Široký záběr činnosti bratrů Ljungströmových, který prostupuje originálními nápady mnoho oborů techniky je udivující o to více, že ani jeden z nich neměl ukončené inženýrské vzdělání. Oni sami to mnohokrát komentovali tím, že právě to jim dalo možnost se na věci dívat netradičně. Mnohdy vystupovali jako ignoranti z pohledu akademického pojetí, ale protože se museli věci učit prakticky z jejich vlastní podstaty, řešili některé problémy bez využití již existujících konstrukčních vzoru. V roce 14 obdržel Fredrik Ljungström Mezinárodní medaili Jamese Watta za účast na vývoji parní turbiny jeho bratra, což mělo symbolizovat ocenění práce obou bratří.

Osobně se ovšem domnívám, že pro české „šikuly“ je významný odkaz těchto mužů jako výborných organizátorů, kteří byli své nápady schopni vždy dobře prodat. Všimněme si, že na každý z nich byli schopni získat finanční podporu a pro realizaci některých z nich zakládali firmu za firmou. Tak zajistili zaměstnání pro stovky lidí a firma STAL ve Finspångu vyrábí a zaměstnává lidi i dnes – i když už zaintegrovaná do větších koncernů.

Ing. Petr Čížek, Ph.D., 14. 8. 2003

Autor je zaměstnanec bývalé 1. Brněnské strojírny,
která dnes patří do stejného koncernu jako švédská firma Finspång,
kterou bratři Ljungströmové založili

Zdroje

Sven A Hansson: Birger and Fredrik Ljungström – inventors
Nordisk Rotorgravyr 1955