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船舶用蒸気機関とは、船舶の動力源として使用される蒸気機関のことです。この記事では主に、 19世紀初頭の蒸気船の誕生から第二次世界大戦中の大規模生産の終焉まで使用されていた往復動式船舶用蒸気機関について解説します。往復動式蒸気機関は、20世紀を通じて船舶用途において、蒸気タービンや船舶用ディーゼルエンジンに徐々に置き換えられていきました。
商業的に成功した最初の蒸気機関は、1712 年にトーマス・ニューコメンによって開発されました。18 世紀後半にジェームズ・ワットによってもたらされた蒸気機関の改良により、蒸気機関の効率が大幅に向上し、よりコンパクトな機関配置が可能になりました。イギリスで蒸気機関が船舶用途にうまく適応するまでには、ニューコメンからほぼ 1 世紀後、スコットランドのエンジニアであるウィリアム・シミントンが1802 年に世界で「最初の実用的な蒸気船」であるシャーロット・ダンダス号を建造するまで待たなければなりませんでした。 [ 1 ]ライバル関係にあった発明家のジェームズ・ラムジーとジョン・フィッチは、米国で最初に蒸気船を建造した人物です。ラムジーは 1787 年にポトマック川で蒸気船の設計を披露しましたが、フィッチは 1790 年にデラウェア川での旅客サービスにつながるテストに成功したことで、この競争に勝利しました。[ 2 ] 1807年、アメリカ人のロバート・フルトンは、ワットエンジンを搭載した世界初の商業的に成功した蒸気船、単にノースリバー蒸気船として知られる船を建造した。
フルトンの成功を受けて、蒸気船技術は大西洋の両岸で急速に発展した。蒸気船は当初、重量、低出力、故障しやすいことから航行距離が短く、特に航海に適しているとは言えなかったが、河川や運河、沿岸の短距離航海にはうまく利用された。蒸気船による最初の大西洋横断は1819年にサバンナ号がジョージア州サバンナからイギリスのリバプールまで航海した際に達成された。定期的な大西洋横断を行った最初の蒸気船は、 1838年の外輪蒸気船グレート・ウェスタン号であった。[ 3 ]
19世紀が進むにつれて、船舶用蒸気機関と蒸気船技術は並行して発展した。外輪推進は徐々にスクリュープロペラに取って代わられ、従来の木造船体に代わって鉄、後に鋼鉄製の船体が導入されたことで、船はますます大型化し、より複雑で強力な蒸気動力装置が必要となった。[ 4 ]
19世紀を通じて、多種多様な往復動式船舶用蒸気機関が開発された。こうした機関を分類する主な方法は、接続機構とシリンダー技術の2つである。
初期の船舶用エンジンのほとんどは、同じシリンダー技術（単純膨張、下記参照）を採用していましたが、クランクシャフトへの動力供給方法（すなわち接続機構）は様々でした。そのため、初期の船舶用エンジンは主に接続機構によって分類されます。一般的な接続機構としては、サイドレバー式、スティープル式、ウォーキングビーム式、直動式などがあります（後述のセクションを参照）。
しかし、蒸気機関はシリンダー技術（単膨張式、複式、環状式など）によっても分類できます。そのため、両方の方法で分類される機関の例を見つけることができます。機関は複式ウォーキングビーム型である可能性があり、複式とはシリンダー技術、ウォーキングビームとは接続方法を指します。時が経つにつれ、ほとんどの機関が直接作動式になり、シリンダー技術がより複雑になるにつれて、機関はシリンダー技術のみに基づいて分類されるようになりました。
より一般的に見られる船舶用蒸気機関の種類を以下のセクションに示します。なお、これらの用語はすべて船舶用途に特有のものではないことにご注意ください。
サイドレバー式エンジンは、ヨーロッパで船舶用に広く採用された最初のタイプの蒸気機関でした。[ 5 ] [ 6 ]蒸気航行の初期（1815年頃から）には、サイドレバー式はヨーロッパの内陸水路や沿岸航路で最も一般的なタイプの船舶用エンジンであり、大西洋の両岸で外洋航行用エンジンとして長年好まれました。[ 7 ]
サイドレバーは、最も初期の蒸気機関であるビームエンジンの改良型である。典型的なサイドレバーエンジンは、サイドレバーと呼ばれる一対の重い水平鉄梁を備えており、それぞれがエンジンの基部近くのピンで中央に固定され、レバーが限られた範囲で回転できるようになっていた。エンジンシリンダーは、この一対のレバーの間に垂直に配置され、ピストンロッドは上部の水平クロスヘッドに取り付けられていた。クロスヘッドの両端からは、サイドロッドと呼ばれる垂直ロッドがシリンダーの両側に伸び、同じ側のサイドレバーの端に接続されていた。2つのサイドレバーの両端は水平クロステールで接続されており、そこから1本の共通の連結ロッドが伸びており、レバーが中央のピンを中心に上下に揺れることでクランクシャフトが回転した。 [ 5 ]
サイドレバーエンジンの主な欠点は、大きくて重いことでした。[ 6 ]内陸水路や沿岸航路では、より軽量で効率的な設計がすぐに取って代わりました。しかし、重心が比較的低いため、荒波でも船の安定性が高く、19 世紀前半の大部分を通して外洋航行用エンジンの主流であり続けました。 [ 7 ]また、高さが比較的低いため戦闘による損傷を受けにくいことから、軍艦の初期のエンジンとしても一般的でした。 [ 8 ] 1820 年に最初の英国海軍の蒸気船が就航してから 1840 年まで、70 隻の蒸気船が就航し、その大部分は最大圧力 4psi に設定されたボイラーを使用するサイドレバーエンジンを搭載していました。[ 8 ]低い蒸気圧がサイドレバーエンジンの大きなシリンダーサイズを決定づけましたが、ピストンにかかる有効圧力はボイラー圧力と凝縮器内の真空の差でした。
サイドレバーエンジンは外輪エンジンであり、スクリュープロペラを駆動するには適していなかった。大西洋横断航路向けに建造された最後のサイドレバーエンジン搭載船は、キュナードラインの外輪蒸気船RMSスコシア号 で、1862年の就航当時は時代錯誤とみなされていた。[ 9 ]
グラスホッパーエンジンまたはハーフレバーエンジン[ 10 ]は、サイドレバーエンジンの変種である。グラスホッパーエンジンは、レバーの支点と連結ロッドの位置がほぼ逆になっている点で従来のサイドレバーと異なり、支点はレバーの中央ではなく一方の端にあり、連結ロッドは一方の端のシリンダーともう一方の端の支点の間のレバーに取り付けられている。[ 11 ]
グラスホッパーエンジンの主な利点は、構造が安価で頑丈であることであり、他のどのタイプの船舶用蒸気機関よりもメンテナンスの手間が少ないと言われていました。もう1つの利点は、クランクのどの位置からでも簡単にエンジンを始動できることです。しかし、従来のサイドレバーエンジンと同様に、グラスホッパーエンジンは重量とサイズが不利でした。これらは主に、河川船やタグボートなどの小型船舶で使用されました。[ 11 ]
クロスヘッドエンジンは、スクエアエンジン、ソーミルエンジン、Aフレームエンジンとも呼ばれ、アメリカ合衆国で使用されていたパドルホイールエンジンの一種です。アメリカの蒸気航海の初期には最も一般的なタイプのエンジンでした。[ 12 ]
クロスヘッドエンジンは、クランクシャフトの上に垂直シリンダーがあり、ピストンロッドが水平クロスヘッドに固定され、シリンダーの反対側の両端から連結ロッドが伸びて、それぞれ独立したクランクシャフトを回転させる構造であると説明されている。[ 13 ]クロスヘッドは垂直ガイド内を移動するため、アセンブリは移動中も正しい経路を維持する。[ 14 ]エンジンの別名「Aフレーム」は、おそらくこれらのガイドを支えるフレームの形状に由来している。クロスヘッドエンジンの中にはシリンダーが複数あるものもあり、その場合は通常、ピストンロッドはすべて同じクロスヘッドに接続されていた。
このタイプのエンジンではシリンダーがクランクシャフトの上にあるため、重心が高く、そのため外洋航行には不向きとみなされました。[ 15 ]このため、主に内陸水路用に建造された船舶に限定されていました。[ 13 ] 19世紀を通じて船舶用エンジンが着実に大型化、重量化するにつれて、角型クロスヘッドエンジンの高い重心はますます実用的ではなくなり、1840年代までには造船業者はこれを放棄し、ウォーキングビームエンジンを採用しました。[ 16 ]
このエンジンの名称は、「クロスヘッド」がスティープルエンジン（下記参照）の別名でもあるため、混乱を招く可能性があります。そのため、多くの資料では、混乱を避けるために、このエンジンを非公式な名称である「スクエア」エンジンと呼ぶことを好んでいます。また、このセクションで説明する船舶用クロスヘッドエンジンまたはスクエアエンジンは、内燃機関に適用される「スクエアエンジン」という用語と混同しないでください。後者の場合、「スクエアエンジン」とは、ボアとストロークが等しいエンジンを指します。
ウォーキングビームは、技術的には垂直ビームまたはオーバーヘッドビームとして知られ、時には単に「ビーム」と呼ばれることもあり、ビームエンジンの初期の別の応用例でしたが、その使用はほぼ完全に米国に限られていました。[ 17 ]導入後、ウォーキングビームはすぐに内陸水路および沿岸サービス用の米国水域で最も人気のあるエンジンタイプとなり、最終的には米国の外洋横断蒸気船にも採用されました。このタイプは驚くほど長寿命であることが証明され、ウォーキングビームエンジンは1940年代になっても時折製造されていました。海洋用途では、ビーム自体は一般的に鉄製の支柱で補強され、特徴的なひし形をしていましたが、ビームが乗っている支持部はしばしば木製でした。形容詞「ウォーキング」は、技術用語「ワーキングビーム」が訛ったものと考えられています。
ウォーキングビームエンジンはパドルホイールエンジンの一種で、プロペラの動力源として使われることは稀でした。主に河川、湖、沿岸で運航する船舶に使われていましたが、エンジンの高さが大きいため荒天時に船の安定性が低下することから、外洋航行船にはあまり人気がありませんでした。[ 18 ]また、敵の砲火にさらされやすく、容易に無力化される可能性があるため、軍事用途にも限定的でした。米国でウォーキングビームエンジンが人気だった主な理由は、浅い沿岸水路や内陸水路で運航する浅喫水船にウォーキングビームエンジンが適していたためです。[ 17 ]
ウォーキングビーム式エンジンは、20世紀初頭までアメリカの海運会社や遊覧船会社で人気を博し続けた。ウォーキングビーム式エンジンは19世紀後半には技術的には時代遅れになっていたものの、遊覧船の乗客は「ウォーキングビーム」が動く様子を見ることを期待していたため、依然として人気があった。アメリカでウォーキングビーム式エンジンが使われ続けた技術的な理由もあった。製造が容易で、構造上の精度もそれほど必要としなかったのだ。エンジンのメインフレームには木材を使用できたため、より現代的なエンジン設計で一般的に用いられる鋳鉄よりもはるかに低コストで済んだ。また、アメリカでは燃料がヨーロッパよりもはるかに安かったため、ウォーキングビーム式エンジンの効率の低さはそれほど問題にならなかった。フィラデルフィアの造船業者チャールズ・H・クランプは、19世紀半ばから後半にかけてアメリカがイギリスの造船業界に対して競争力が全般的に低かったのは、アメリカの国内造船業者や海運会社のオーナーの保守主義が原因だと非難した。彼らは、ウォーキングビームやそれに付随する外輪といった時代遅れの技術が世界の他の地域では廃止された後も、頑固にそれらの技術に固執していた。[ 19 ]
スティープルエンジンは、「クロスヘッド」エンジンとも呼ばれ、ウォーキングビーム型とサイドレバー型の両方に共通するビームの概念から脱却し、より小型で軽量、かつ効率的な設計を実現しようとする初期の試みでした。スティープルエンジンでは、ピストンの垂直振動はビームエンジンのように水平揺動運動に変換されるのではなく、クロスヘッドと2本のロッドで構成されるアセンブリをエンジン上部の垂直ガイドを通して動かすために使用され、それが下部のクランクシャフト連結ロッドを駆動します。[ 20 ]このタイプの初期の例では、クロスヘッドアセンブリは長方形でしたが、時間の経過とともに細長い三角形に改良されました。エンジンシリンダー上部の三角形のアセンブリがエンジンに特徴的な「尖塔」形状を与え、これが名前の由来となっています。
スティープルエンジンはウォーキングビームエンジンのように背が高かったが、横幅ははるかに狭く、スペースと重量の両方を節約できた。高さと重心の高さから、ウォーキングビームと同様に外洋航行にはあまり適さないと考えられていたが、特にヨーロッパでは内陸水路や沿岸船舶で数十年にわたって非常に人気があった。[ 21 ]
スティープルエンジンは1830年代に蒸気船に登場し始め、1840年代初頭にスコットランドの造船業者デイビッド・ネイピアによって完成された。[ 22 ]スティープルエンジンは徐々に様々なタイプの直動式エンジンに取って代わられた。
シャムエンジンは、「ダブルシリンダー」または「ツインシリンダー」エンジンとも呼ばれ、ビームエンジンやサイドレバーエンジンの初期の代替案の一つでした。このタイプのエンジンは、2 つの同一の垂直エンジンシリンダーが並んで配置され、ピストンロッドは共通の T 字型のクロスヘッドに取り付けられていました。クロスヘッドの垂直アームは 2 つのシリンダーの間まで伸びており、下部でクランクシャフトのコネクティングロッドと、シリンダーの垂直側面の間をスライドするガイドブロックの両方に取り付けられていました。これにより、アセンブリが移動する際に正しい経路を維持することができました。[ 23 ]
シャムエンジンは、イギリスのエンジニアであるジョセフ・モーズレー（ヘンリーの息子）によって発明されましたが、彼が振動エンジン（下記参照）の後に発明したにもかかわらず、置き換えられるように設計されたサイドレバーエンジンよりもわずかに小さく軽いだけであったため、同じように広く受け入れられることはありませんでした。[ 24 ]しかし、スクリュープロペラを搭載した最初の軍艦であるHMSラトラー を含む、19世紀半ばの多くの軍艦で使用されました。
19世紀の文献には、直動式エンジンの定義が2つ見られます。初期の定義では、「直動式」という用語を、ビーム式（ウォーキングビーム式、サイドレバー式、グラスホッパー式など）以外のあらゆる種類のエンジンに適用しています。後期の定義では、ピストンロッドやコネクティングロッドを介してクランクシャフトに直接動力を伝えるエンジンにのみこの用語を使用しています。[ 25 ]特に断りのない限り、この記事では後期の定義を使用します。
サイドレバー式エンジンやビーム式エンジンとは異なり、直動式エンジンは外輪またはプロペラのどちらにも容易に動力を供給できる。直動式エンジンは、プロファイルが低いだけでなく、ビーム式エンジンやサイドレバー式エンジンよりも小型で重量もかなり軽いという利点があった。英国海軍は、平均して直動式エンジン（初期の定義）は重量が40%軽く、同等の出力のサイドレバー式エンジンに比べてエンジンルームのサイズが3分の2で済むことを発見した。このようなエンジンの欠点の1つは、摩耗や損傷を受けやすく、そのためメンテナンスの頻度が高くなることだった。[ 24 ]
揺動エンジンは、エンジンのサイズと重量をさらに削減するために設計された直動エンジンの一種です。揺動エンジンでは、ピストンロッドがクランクシャフトに直接接続されており、コネクティングロッドは不要です。これを実現するために、エンジンのシリンダーはほとんどのエンジンのように固定されておらず、クランクシャフトが回転するとシリンダー自体が前後に回転できるように、中央でトラニオンによって固定されています。これが「揺動」という用語の由来です。[ 26 ]蒸気はトラニオンを通して供給および排出されます。シリンダーの揺動運動は通常、トラニオンのポートを適切なタイミングでシリンダーに蒸気の供給と排出を導くために使用されました。ただし、揺動運動によって制御される個別のバルブが設けられることもよくありました。これにより、タイミングを変更して膨張運転が可能になりました（外輪船PDクリッペンのエンジンのように）。これはシンプルさを提供しながらも、コンパクトさの利点を維持しています。
最初の特許取得済みの振動エンジンは1827年にジョセフ・モーズレーによって製造されたが、このタイプはジョン・ペンによって完成されたと考えられている。振動エンジンは19世紀の大部分において船舶用エンジンとして人気を博した。[ 26 ]
トランクエンジンは、もう一つの直動式エンジンの一種で、もともとはロングストロークを維持しながらエンジンの高さを下げる手段として開発された。（当時、ロングストロークは部品への負担を軽減するため重要視されていた。）
トランクエンジンは、大径の中空ピストン内にコネクティングロッドを配置する構造になっている。この「トランク」と呼ばれる部分は、ほとんど負荷がかからない。トランク内部は外気に開放されており、ピストンヘッドのガジョンピンと外部のクランクシャフトを連結するコネクティングロッドの左右方向の動きに対応できる十分な幅がある。
トランクの壁はピストンにボルトで固定されているか、ピストンと一体鋳造されており、ピストンと共に前後に動く。シリンダーの作動部分は環状またはリング状で、トランクはシリンダー自体の中心を貫通している。[ 27 ] [ 28 ]
初期のトランクエンジンはシリンダーが垂直に配置されていた。しかし、造船業者たちはすぐに、このタイプのエンジンがキール上に水平に設置できるほどコンパクトであることに気づいた。この配置では、船体の喫水線下に完全に収まるほど低い形状になるため、敵の砲火からできるだけ安全な状態で、海軍にとって非常に有用であった。このタイプのエンジンは、主にジョン・ペンによって軍事用に製造された。
トランクエンジンは19世紀半ばの軍艦で一般的でした。[ 28 ]また、商船にも搭載されていましたが、コンパクトなサイズと低い重心という利点があったものの、運用コストが高かったのです。しかし、トランクエンジンは、 19世紀後半に普及したボイラー圧力の上昇には適していませんでした。トランクの周囲に蒸気シールを維持するのが難しかったためです。そのため、建造者はトランクエンジンを放棄し、他の解決策を採用しました。[ 28 ]
トランクエンジンは通常大型でしたが、クリミア戦争のために小型で大量生産された高回転高圧バージョンが製造されました。非常に効果的であったため、このタイプは後の砲艦にも引き継がれました。[ 29 ]砲艦タイプのオリジナルのトランクエンジンが、フリーマントルの西オーストラリア博物館に現存しています。1872年に沈没した後、1985年にSS Xanthoから引き揚げられ、現在では手でひっくり返すことができます。[ 30 ]エンジンのコンパクトな性質を示す動作モードは、 Xanthoプロジェクトのウェブサイトで見ることができます 。[ 31 ]
振動レバー式エンジン、またはハーフトランクエンジンは、スウェーデン系アメリカ人のエンジニア、ジョン・エリクソンが考案した従来のトランクエンジンの発展形である。エリクソンは、南北戦争中に開発されたアメリカ連邦政府のモニター艦（従来の動力装置を搭載するスペースがほとんどない軍艦の一種）を動かすために、トランクエンジンのような小型で背の低いエンジンを必要としていた。[ 32 ]しかし、トランクエンジン自体は、シリンダーとトランクを含むエンジンの側面に重量の大部分が集中していたため、この目的には不向きであった。これは、小型のモニター艦では設計者が補正できない問題であった。
エリクソンはこの問題を解決するため、エンジンの中央に2つの水平シリンダーを背中合わせに配置し、両側に1つずつ「振動レバー」を作動させ、シャフトと追加のレバーを介して中央のクランクシャフトを回転させた。[ 32 ]振動レバーエンジンは後に他の軍艦や商船にも使用されたが、その使用は米国とエリクソンの母国スウェーデンで建造された船舶に限られており、[ 33 ]従来型のエンジンに比べて利点がほとんどなかったため、すぐに他のタイプに取って代わられた。
バックアクティングエンジン（リターンコネクティングロッドエンジンとも呼ばれる）は、非常に低いプロファイルを持つように設計されたもう1つのエンジンです。バックアクティングエンジンは、実際には改良されたスティープルエンジンであり、船のキールの上に垂直に立つのではなく、船のキールの上に水平に配置されます。[ 33 ]ただし、一般的なスティープルエンジンに見られる三角形のクロスヘッドアセンブリの代わりに、バックアクティングエンジンは通常、クロスヘッドで終端する2つ以上の細長い平行ピストンロッドのセットを使用して同じ機能を実行します。「バックアクティング」または「リターンコネクティングロッド」という用語は、コネクティングロッドがエンジンシリンダーとは反対側のエンジンの側面から「戻る」または戻ってきて、中央に位置するクランクシャフトを回転させるという事実に由来します。[ 34 ]
バックアクティングエンジンは、19 世紀半ばに軍艦と商船の両方で人気があったもう 1 つのタイプのエンジンでしたが、急速に変化する技術の時代の他の多くのタイプのエンジンと同様に、最終的には他のソリューションに取って代わられました。現存するバックアクティングエンジンは、TVエメリー ライス(旧USSレンジャー ) のエンジンのみで、現在はアメリカ商船博物館の展示の中心となっています。[ 35 ] [ 36 ]
19世紀を通じて蒸気船のサイズとトン数が着実に増加するにつれて、低プロファイルで低重心のエンジンの必要性はそれに応じて減少しました。これらの設計上の制約からますます解放された技術者たちは、よりシンプルで効率的でメンテナンスが容易な設計に戻ることができました。その結果、いわゆる「垂直」エンジン[ 25 ]（より正確には垂直倒立直接作動エンジンとして知られる）が優勢になっていきました。
このタイプのエンジンでは、シリンダーはクランクシャフトの真上に配置され、ピストンロッド/コネクティングロッドアセンブリが両者の間にほぼ直線を形成します。[ 25 ]この構成は現代の内燃機関と似ています（注目すべき違いの1つは、蒸気機関は複動式であるのに対し（後述）、ほとんどすべての内燃機関は下降行程でのみ動力を発生させる点です）。垂直エンジンは、19世紀の一般的な蒸気技術である蒸気ハンマーと外観がほぼ同じであることから、「ハンマー」、「鍛造ハンマー」、または「蒸気ハンマー」エンジンと呼ばれることもあります。[ 37 ]
19 世紀末にかけて、垂直エンジンは他のほとんどすべてのタイプの船舶用蒸気機関に取って代わるようになりました。[ 25 ] [ 37 ]垂直エンジンは非常に一般的になったため、通常は垂直エンジンとは呼ばれず、代わりにシリンダー技術に基づいて、複式、三重膨張式、四重膨張式などと呼ばれます。このタイプのエンジンの「垂直」という用語は不正確です。技術的には、シリンダーが垂直に配置されている蒸気機関は、どのタイプでも「垂直」だからです。誰かが「垂直」と表現するエンジンは、修飾語なしで「垂直」という用語を使用しない限り、垂直反転直接作動式ではない可能性があります。
単段膨張式蒸気機関とは、蒸気を1段のみ膨張させる蒸気機関であり、つまり、すべてのシリンダーが同じ圧力で作動する。船舶用エンジンの開発初期においては、このタイプのエンジンが圧倒的に主流であったため、「単段膨張式」という用語はあまり見かけない。したがって、初期の文献においては、特に断りがない限り、エンジンは一般的に単段膨張式であるとみなすことができる。
複式機関は効率を向上させる方法の一つでした。複式機関が開発されるまで、蒸気機関は蒸気を一度しか使用せず、その後ボイラーに再利用していました。複式機関はまず蒸気を1つまたは複数のより大きく低圧の二次シリンダーに再利用し、その熱エネルギーをより多く利用します。複式機関は、船舶の経済性または速度を向上させるように構成できます。大まかに言えば、複式機関とは、圧力の異なるシリンダーをいくつでも備えた蒸気機関を指しますが、この用語は通常、蒸気を2段階でのみ膨張させる機関、つまり2つの異なる圧力でシリンダーを作動させる機関（または「二重膨張」機関）を指します。[ 38 ]
複合エンジン（多段膨張エンジンを含む、下記参照）は、複数の可変圧力シリンダーセットを持つことができることに注意してください。たとえば、エンジンには、圧力 x で動作するシリンダーが 2 つと圧力 y で動作するシリンダーが 2 つ、または圧力 x で動作するシリンダーが 1 つと圧力 y で動作するシリンダーが 3 つある場合があります。多段膨張と異なり、複合（または二重膨張）である理由は、圧力が x と y の 2 つしかないことです。[ 39 ]
船舶に搭載された最初の複式機関は、1824 年にアメリカ人技師のジェームズ・P・アレールがヘンリー・エクフォードに取り付けたものと考えられている。しかし、多くの資料では、船舶用複式機関の「発明」は 1850 年代のグラスゴーのジョン・エルダーによるものとされている。エルダーは複式機関を改良し、初めて外洋航海に安全かつ経済的に使えるようにした。[ 40 ] [ 41 ]
船舶用複式機関がその利点を最大限に発揮するには、英国貿易委員会が課した制限値よりも高いボイラー圧力が必要でした。英国貿易委員会は、 1平方インチあたり25ポンド（170 kPa）しか認めていませんでした。船主兼技師のアルフレッド・ホルトは、より高いボイラー圧力の認可を説得することに成功し、 1865年に60 psi（410 kPa）で稼働するボイラーを搭載したSSアガメムノン号を進水させました。より高いボイラー圧力と複式機関の組み合わせにより、燃料効率が大幅に向上し、 1869年のスエズ運河開通以前から、蒸気船は英国から中国への航路で帆船に勝るようになりました。[ 42 ]
3段膨張エンジンは、蒸気を 3 段階で膨張させる複合エンジンです。たとえば、3 つの異なる圧力で 3 つのシリンダーを備えたエンジンです。4 段膨張エンジンは、蒸気を 4 段階で膨張させます。[ 39 ]ただし、上記のように、エンジンを定義するのは膨張段の数であり、シリンダーの数ではありません。たとえば、RMSタイタニック号 には 4 気筒の 3 段膨張エンジンが搭載されていました。[ 43 ]最初に商業的に成功したのは、1881 年にスコットランドのゴバンでアレクサンダー C. カークがSSアバディーン号用に製造したエンジンです。 [ 44 ] 1874 年に SSプロポンティス号でほぼ同じエンジンを使用した以前の実験では、ボイラーに問題がありました。150 psi (1,000 kPa )で稼働していた最初の設置は、わずか90 psi (620 kPa)で稼働する別の設計に交換する必要がありました。これは、3 段膨張の経済的利点を完全に実現するには不十分でした。アバディーン号には、 125 psi (860 kPa)で運転されるスコッチ型鋼製ボイラーが2基搭載されていた。これらのボイラーには特許取得済みの波形炉が採用されており、熱伝達とボイラー圧力に耐えうる十分な強度という相反する問題を克服していた。この技術的解決策により、アバディーン号の就航後数年以内に、新造されたほぼすべての外洋航行用蒸気船に三段膨張機関が搭載されるようになった。 [ 45 ] : 106–111
多段膨張エンジンの製造は20世紀に入っても長く続いた。第二次世界大戦中に米国が建造した2,700隻のリバティ船はすべて三段膨張エンジンで動いていた。これは、米国の船舶用蒸気タービン製造能力がすべて軍艦の建造に向けられていたためである。戦争中、三段膨張エンジンの最大の製造業者はジョシュア・ヘンディ鉄工所であった。戦争末期には、タービン動力のビクトリー船がますます多く製造されるようになった。[ 46 ]
環状エンジンは、環状（リング状）シリンダーを持つ珍しいタイプのエンジンです。[ 47 ]アメリカの先駆的なエンジニア、ジェームズ・P・アレールの初期の複式エンジンのいくつかは環状型で、より小さな高圧シリンダーが、より大きなリング状の低圧シリンダーの中央に配置されていました。[ 48 ]トランクエンジンも環状エンジンの一種でした。3番目のタイプの環状船舶エンジンは、サイアミーズエンジンの接続機構を使用していましたが、2つの独立したシリンダーの代わりに、クロスヘッドの垂直アームに巻き付いた単一の環状シリンダーがありました（上記の「サイアミーズ」の図を参照）。[ 49 ]
当時の船舶用エンジンに関する文献には、他にもいくつかの用語が見られます。以下に挙げるこれらの用語は、通常、上記に挙げた基本的なエンジン分類用語の1つ以上と組み合わせて使用されます。
単純機関とは、シリンダーの数に関わらず、蒸気の単一膨張によって作動する機関のことである。19世紀半ば頃までは、ほとんどの船舶はシリンダーが1つの機関を搭載していたが、一部の船舶は複数のシリンダーを備えた単純機関、あるいは複数の機関を搭載していた。
複動式エンジンとは、ピストンの両側に蒸気が加えられるエンジンのことです。初期の蒸気機関は一方向にのみ蒸気を加え、慣性や重力によってピストンを元の位置に戻していましたが、複動式エンジンは蒸気を使ってピストンを両方向に動かすことで、回転速度と出力を向上させます。[ 50 ]「単純エンジン」という用語と同様に、「複動式」という用語も文献ではあまり見かけません。これは、船舶用エンジンのほとんどが複動式だったためです。
これらの用語は、エンジンシリンダーの向きを表します。垂直シリンダーでは、ピストンは垂直面内を移動し、ピストンロッドはシリンダー上部から突き出て、オーバーヘッドクランクシャフトを回転させます。垂直倒立エンジンでは、ピストンは同様に垂直面内を移動しますが、ピストンロッドは下部から突き出て、下側のクランクシャフトを回転させます。傾斜型または水平型では、シリンダーとピストンは傾斜または水平に配置されます。傾斜倒立シリンダーは、下向きに傾斜して動作するシリンダーです。これらの用語はすべて、一般的に上記のエンジンタイプと併せて使用されます。したがって、水平トランクエンジンや傾斜複式エンジンなどがある場合があります。
傾斜シリンダーや水平シリンダーは、その向きによってエンジンのプロファイルをできるだけ低く保ち、損傷を受けにくくするため、海軍艦艇で非常に有用である可能性がある。[ 51 ]また、低プロファイルの船や船の重心を低く保つためにも使用できる。さらに、傾斜シリンダーや水平シリンダーは、垂直シリンダーと比較して振動量を減らすという利点がある。
ギア付きエンジン、または「ギア付きスクリュー」は、エンジンとは異なる速度でプロペラを回転させます。初期の船舶用プロペラエンジンは上向きにギアが組まれており、つまりプロペラはエンジン自体の回転速度よりも高い回転速度で回転するようにギアが組まれていました。[ 52 ] [ 53 ] 19世紀後半にエンジンがより速く、より強力になるにつれて、ギアはほぼ完全に廃止され、プロペラはエンジンと同じ回転速度で回転するようになりました。この直接駆動方式は機械的に最も効率的であり、往復式蒸気機関はスクリュープロペラに最も効率的な回転速度に適しています。
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