蒸気機関

記録に残る原始的な蒸気機関の一つは、紀元1世紀にローマ領エジプトで活躍したヘレニズム時代の数学者で技術者であったアレクサンドリアのヘロンが記述したアイオロピルである。 ^{[ 9 ]}その後の数世紀に知られている数少ない蒸気機関は、アイオロピルと同様に、^{[ 10 ]}基本的に発明家が蒸気の特性を実証するために使用した実験装置であった。

原始的な蒸気タービン装置は、1551年にオスマン帝国エジプトのタキ・アルディン^{[ 11 ]}によって、また1629年にイタリアのジョヴァンニ・ブランカ^{[ 12 ]によって記述された。 [ 13 ]} 1601年、ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは、蒸気圧によって水柱を上昇させる装置について記述した。^{[ 14 ]}スペインの発明家ヘロニモ・デ・アヤンスは、 1606年に、浸水した鉱山の排水用ポンプを含む50の蒸気動力の発明で特許を取得した。^{[ 15 ]} 1615年までに、サロモン・ド・コーは太陽動力の大気圧エンジンを開発した。^{[ 16 ]}フランス人のドニ・パパンは、1679年に蒸気消化器に関する有益な研究を行い、1690年に初めてピストンを使用して重りを持ち上げました。^{[ 17 ]}

最初の商用蒸気動力装置は、1698年にトーマス・セイヴァリーによって開発された水ポンプでした。^{[ 18 ]}これは、凝縮蒸気を使用して真空を作り出し、下から水を汲み上げ、その後蒸気圧を使用してさらに高く持ち上げました。小型エンジンは効果的でしたが、大型モデルには問題がありました。揚程が非常に限られており、ボイラー爆発を起こしやすかったのです。セイヴァリーのエンジンは、鉱山、ポンプ場、繊維機械を動かす水車への給水などに使用されました。^{[ 19 ]}セイヴァリーのエンジンの利点の1つは、低コストでした。^{[ 20 ]}ポルトガルのベント・デ・モウラは、 1751年に発行されたPhilosophical Transactionsでジョン・スミートンが説明したように、「自力で動作できるように」セイヴァリーの構造を改良しました。^{[ 21 ]}これは18世紀後半まで製造され続けました。^{[ 22 ]}少なくとも1台のエンジンが1820年にも稼働していたことが知られています。 ^{[ 23 ]}

機械に連続動力を伝達できる最初の商業的に成功したエンジンは、 1712 年頃にトーマス・ニューコメンによって発明された大気圧エンジン（または「火のエンジン」）でした。 ^{[ c ] [ 25 ]}これは、パパンの提案に従ってピストンを使用することで、サヴァリーの蒸気ポンプを改良したものです。ニューコメンのエンジンは比較的効率が悪く、主に水の汲み上げに使用されました。シリンダー内のピストンの下で蒸気を凝縮して部分的な真空を作り出すことで作動しました。これは、従来の方法では実用的ではなかった深さの鉱山の排水や、適切な「ヘッド」から離れた場所に位置する工場で水車を駆動するための再利用可能な水を供給するために使用されました。水車を通過した水は、水車の上にある貯水槽に汲み上げられました。^{[ 26 ] [ 27 ]} 1780 年、ジェームズ・ピカードは、改良されたニューコメンエンジンから回転運動を与えるためにフライホイールとクランクシャフトを使用する特許を取得しました。^{[ 28 ]}

1720年、ヤコブ・ロイポルドは2気筒高圧蒸気機関について記述した。^{[ 29 ]}この発明は彼の主要著作「Theatri Machinarum Hydraulicarum」に掲載された。^{[ 30 ]}この機関は2つの重いピストンを使用して水ポンプを動かした。各ピストンは蒸気圧によって持ち上げられ、重力によって元の位置に戻った。2つのピストンは、蒸気ボイラーに直接接続された共通の4方向回転弁を共有していた。

次の大きなステップは、ジェームズ・ワットが（1763～1775年）ニューコメンのエンジンの改良版を開発し、独立した凝縮器を取り付けたときに起こりました。ボルトンとワットの初期のエンジンは、ジョン・スミートンのニューコメンの改良版の半分の石炭しか使用しませんでした。^{[ 31 ]}ニューコメンとワットの初期のエンジンは「大気圧式」でした。それらは、膨張する蒸気の圧力ではなく、凝縮する蒸気によって生成された部分的な真空にピストンを押し込む空気圧によって駆動されました。エンジンのシリンダーは、作用する唯一の使用可能な力が大気圧であったため、大きくする必要がありました。^{[ 26 ] [ 32 ]}

ワットはエンジンをさらに改良し、機械を駆動するのに適した回転運動が得られるようにした。これにより、工場を河川から離れた場所に設置できるようになり、産業革命のペースが加速した。^{[ 32 ] [ 26 ] [ 33 ]}

高圧の意味は、周囲圧力に対する実際の値とともに、その用語が使用された時代によって異なります。用語の初期の使用例として、Van Reimsdijk ^{[ 34 ]}は、蒸気が真空に頼ることなく大気中に排出されて有用な仕事を行うのに十分な高圧にあることを指しています。Ewing は、ワットの凝縮機関は当時、同時期の高圧非凝縮機関と比較して低圧として知られていたと述べています。^{[ 35 ]}

ワットの特許は、他の者が高圧複式エンジンを製造することを妨げた。ワットの特許が1800年に失効した直後、リチャード・トレヴィシックと、それぞれ別々に1801年にオリバー・エヴァンス^{[ 33 ] [ 36 ]}が高圧蒸気を使用したエンジンを発表した。トレヴィシックは1802年に高圧エンジンの特許を取得し^{[ 37 ]}、エヴァンスはそれ以前にいくつかの実動モデルを製作していた[38]。^{これらは、}同じシリンダーサイズであれば従来のエンジンよりもはるかに強力で、輸送用途に使えるほど小型化できた。その後、技術開発と製造技術の改良（部分的には動力源としての蒸気機関の採用によってもたらされた）により、用途に応じてより小型、高速、またはより強力な、より効率的なエンジンの設計が可能になった^{[ 26 ] 。}

コーニッシュエンジンは、1810年代にトレヴィシックらが開発しました。^{[ 39 ]}これは、高圧蒸気を膨張させてから低圧蒸気を凝縮させる複合サイクルエンジンで、比較的効率的でした。コーニッシュエンジンは、サイクル全体を通して不規則な動きとトルクがあり、主にポンプ用途に限定されていました。コーニッシュエンジンは、19世紀後半まで鉱山や給水に使用されていました。^{[ 40 ]}

初期の定置式蒸気機関の製造者は、水平シリンダーは過度の摩耗を受けると考えていた。そのため、彼らの機関はピストン軸を垂直に配置していた。しかし、時が経つにつれ、水平配置がより一般的になり、コンパクトでありながら強力な機関をより小さなスペースに設置できるようになった。

水平エンジンの頂点は、1849年に特許を取得したコーリス蒸気機関で、これは独立した蒸気吸入弁と排気弁、および自動可変蒸気遮断を備えた4弁対向流エンジンでした。コーリスがラムフォード メダルを授与されたとき、委員会は「ワットの時代以来、これほど蒸気機関の効率を高めた発明はない」と述べました。^{[ 41 ]}蒸気の使用量が30%削減されたことに加えて、可変蒸気遮断によりより均一な速度が得られたため、製造業、特に綿紡績に適していました。^{[ 26 ] [ 33 ]}

最初の試作型蒸気自動車は18世紀後半に製造されましたが、移動式蒸気機関が実用化されるようになったのは、リチャード・トレヴィシックが1800年頃に高圧蒸気の利用法を開発してからでした。19世紀前半には蒸気自動車の設計が大きく進歩し、1850年代には商業ベースで生産することが可能になりました。しかし、道路での蒸気自動車の使用を制限または禁止する法律によって、この進歩は阻害されました。車両技術の改良は1860年代から1920年代まで続き、蒸気自動車は多くの用途で使用されました。

20世紀、内燃機関技術の急速な発展により、蒸気機関は商業ベースでの車両推進手段としての役割を終え、第二次世界大戦後も比較的少数しか使用されなくなりました。これらの車両の多くは愛好家によって保存のために収集され、現在でも数多くの例が現存しています。1960年代には、カリフォルニア州の大気汚染問題により、汚染を軽減する可能性のある手段として蒸気機関車の開発と研究への関心が一時的に高まりました。蒸気機関愛好家の関心、時折製作されるレプリカ車両、実験的な技術を除けば、現在、蒸気機関車は生産されていません。

19 世紀末近くになると、複式機関が広く使われるようになった。複式機関は、蒸気を徐々に大きなシリンダーに送り込み、圧力を下げて容積を増やすことで効率を向上させた。これらの段階は膨張と呼ばれ、特に石炭の積載重量を減らすために効率が重要だった船舶では、二重膨張機関や三重膨張機関が一般的だった。^{[ 26 ]}蒸気機関は 20 世紀初頭まで主要な動力源であり続けたが、蒸気タービン、電気モーター、内燃機関の設計の進歩により、往復動（ピストン）蒸気機関は徐々に置き換えられ、商船はディーゼルエンジンに、軍艦は蒸気タービンにますます依存するようになった。^{[ 26 ] [ 6 ]}

18世紀を通して蒸気機関の開発が進むにつれ、道路や鉄道での利用に応用しようとする様々な試みがなされた。^{[ 42 ]} 1784年、スコットランドの発明家ウィリアム・マードックは蒸気機関車の模型を製作した。^{[ 43 ]}蒸気船のパイオニアであるジョン・フィッチは、おそらく1780年代か1790年代に、米国で蒸気鉄道機関車の初期の実動模型を設計・製作した。 ^{[ 44 ]}彼の蒸気機関車は、レールまたは軌道によって案内される 内部ブレードホイールを使用していた。

イギリスで最初の本格的な鉄道蒸気機関車がリチャード・トレヴィシックによって製造され、1804年2月21日、トレヴィシックの蒸気機関車が10トンの鉄、70人の乗客、5両の貨車を牽引して、マーサー・ティドフィル近郊のペン・イ・ダレン製鉄所から南ウェールズのアバーシノンまでの路面電車を走行し、世界初の鉄道旅行が実現した。^{[ 42 ] [ 45 ] [ 46 ]}この設計には、高圧蒸気を使用することで機関車の重量を軽減し、効率を高めるなど、多くの重要な革新が組み込まれていた。トレヴィシックは1804年後半にニューカッスル地域を訪れ、イングランド北東部の炭鉱鉄道は蒸気機関車の実験と開発の中心地となった。^{[ 47 ]}

トレヴィシックは、3台の機関車を使って独自の実験を続け、1808年にキャッチ・ミー・フー・キャンを完成させた。わずか4年後、マシュー・マレーが設計した成功した2気筒機関車サラマンカが、エッジレール式ラックアンドピニオンのミドルトン鉄道で使用された。 ^{[ 48 ]} 1825年、ジョージ・スチーブンソンはストックトン・アンド・ダーリントン鉄道のためにロコモーションを建造した。これは世界初の公共蒸気鉄道であり、その後1829年には、レインヒル・トライアルに出場して優勝したロケットを建造した。^{[ 49 ]}リバプール・アンド・マンチェスター鉄道は1830年に開業し、旅客列車と貨物列車の両方に蒸気動力のみを使用した。

蒸気機関車は、中国や旧東ドイツ（DRクラス52.80が製造された場所）などの地域で20世紀後半まで製造され続けた。^{[ 50 ]}

蒸気機関の設計における最後の大きな進化は、19 世紀後半から始まった蒸気タービンの使用でした。蒸気タービンは、一般的に往復ピストン式蒸気機関よりも効率が高く (数百馬力以上の出力の場合)、可動部品が少なく、コネクティングロッドシステムや同様の手段を介さずに直接回転動力を提供します。 ^{[ 51 ]} 20 世紀初頭には、蒸気タービンは、その効率、発電機サービスに適した高速、滑らかな回転が利点であったため、事実上、発電所の往復機関に取って代わりました。今日、ほとんどの電力は蒸気タービンによって供給されています。米国では、さまざまな熱源を使用して、この方法で電力の 90% が生産されています。^{[ 6 ]}蒸気タービンは、20 世紀のほとんどの期間、大型船の推進に広く使用されました。

往復式蒸気機関はもはや広く商業的に利用されてはいないものの、様々な企業が内燃機関の代替手段として、その可能性を探ったり活用したりしている。

世界最小の稼働する「蒸気機関」が2011年に発表された。このマイクロスケールのエンジンは、シュトゥットガルト大学の2人のドイツ人科学者によって開発された。スターリングエンジンの原理で動作する。^{[ 52 ] [ 53 ]}

水を沸騰させ、蒸気の温度を上げるのに必要な熱は、さまざまな供給源から得ることができます。最も一般的なのは、密閉空間（燃焼室、火室、炉など）で適切な空気供給とともに可燃物を燃焼させることです。模型や玩具の蒸気機関、そしてごく一部の実物大の蒸気機関では、熱源として電気ヒーターを使用することもあります。

ボイラーとは、沸騰させる水を収容する圧力容器であり、熱を水にできるだけ効率的に伝えるための機構を備えている。

最も一般的な2つのタイプは以下のとおりです。

水管ボイラー

水は高温ガスに囲まれた管の中を流れる。

火管ボイラー

高温ガスは水に浸された管を通って送られ、同じ水は火室を囲むウォータージャケット内を循環し、高出力の機関車用ボイラーでは、火室内の管（熱サイフォンおよび安全循環管）も通過する。

初期の高圧蒸気（典型的な蒸気機関車）には火管ボイラーが主に用いられていたが、19世紀後半には船舶推進や大型定置型用途において、より経済的な水管ボイラーに大きく取って代わられた。

多くのボイラーでは、蒸気が水と接触する部分から出た後に蒸気の温度を上昇させます。過熱と呼ばれるこの工程により、湿った蒸気が過熱蒸気に変わります。これにより、エンジンのシリンダー内で蒸気が凝縮するのを防ぎ、効率が大幅に向上します。^{[ 57 ] [ 58 ]}

蒸気機関では、ピストン、蒸気タービン、またはその他の同様の機械装置が、高圧・高温の蒸気を供給源として、より低い圧力・温度の蒸気を供給し、その蒸気エネルギーの差を可能な限り利用して機械的な仕事を行う。

これらの「モーターユニット」は、それ自体が「蒸気機関」と呼ばれることが多い。圧縮空気やその他のガスを使用するエンジンは、圧縮空気が蒸気機関で変更なく使用されてきたものの、ガスの性質に依存する細部を除いて蒸気機関と異なる。^{[ 58 ]}

すべての熱機関と同様に、一次エネルギーの大部分は比較的低温の廃熱として放出されなければならない。 ^{[ 59 ]}

最も単純な冷蒸気排出方法は、蒸気を外部に放出することです。これは、蒸気機関車で凝縮器の重量と大きさを避けるためによく用いられます。放出された蒸気の一部は煙突から排出され、火の燃焼効率を高めます。これによりエンジンの出力は大幅に向上しますが、効率は低下します。

エンジンの廃熱自体が有用な場合もあり、そのような場合は非常に高い総合効率が得られる。

定置型発電所の蒸気機関は、冷却シンクとして表面凝縮器を使用します。凝縮器は、海洋、河川、湖からの水流、そして多くの場合、冷却エネルギーを除去するために水を蒸発させる冷却塔によって冷却されます。凝縮された温水（凝縮水）は、加圧されてボイラーに戻されます。乾式冷却塔は自動車のラジエーターに似ており、水が高価な場所で使用されます。廃熱は、二次外部水回路を使用して流れの一部を空気中に蒸発させる蒸発式（湿式）冷却塔によっても放出できます。

河川船は当初、河川からの冷水をエンジンの排気蒸気に噴射するジェット凝縮器を使用していた。冷却水と凝縮水が混ざり合う。これは外洋航行船にも適用されたが、通常、数日の運転でボイラーに塩が付着し、性能が低下し、ボイラー爆発の危険性が高まった。1834年頃から、船舶に表面凝縮器が使用されるようになり、ボイラーの汚れがなくなり、エンジンの効率が向上した。^{[ 60 ]}

蒸発した水は（どこかで雨として利用される場合を除き）その後の用途には使えませんが、河川水は再利用できます。いずれの場合も、純度を保つ必要がある蒸気発電所のボイラー給水は、冷却水や空気とは分けて保管されます。

ほとんどの蒸気ボイラーには、連続運転できるように加圧状態で水を供給する手段が備わっています。電力会社や産業用ボイラーでは、一般的に多段遠心ポンプが使用されますが、他のタイプも使用されます。低圧（通常約5 ～ 10 atm（73 ～ 147 psi））のボイラー給水を供給するもう 1 つの手段は、ボイラーから供給される蒸気ジェットを使用するインジェクターです。インジェクターは 1850 年代に普及しましたが、蒸気機関車などの用途を除いて、現在では広く使用されていません。 ^{[ 61 ]}蒸気ボイラーを循環する水の加圧により、水は 1 大気圧での水の沸点である100 °C（212 °F）をはるかに超える温度まで上昇し、それによって蒸気サイクルの効率が向上します。    

安全上の理由から、ほとんどすべての蒸気機関には、圧力計や水位を監視するためのサイトグラスなど、ボイラーを監視する機構が備えられている。

定置式および移動式の多くのエンジンには、人間の介入なしにエンジンの速度を調整するための調速機が装備されている。

蒸気機関の性能を分析するのに最も有用な機器は、蒸気機関計器です。初期のバージョンは1851年までに使用されていましたが^{[ 62 ]}、最も成功した計器は、高速エンジンの発明者兼製造者であるチャールズ・ポーターのためにチャールズ・リチャードによって開発され、1862年のロンドン万国博覧会で展示されました^{[ 33 ]。}蒸気機関計器は、サイクル全体を通してシリンダー内の圧力を紙に記録し、さまざまな問題を発見したり、発生した馬力を計算したりするために使用できます^{[ 63 ]} 。これは、エンジニア、機械工、保険調査員によって日常的に使用されていました。エンジン計器は、内燃機関にも使用できます。計器図の画像は以下を参照してください（モーターユニットの種類セクション）。

遠心ガバナーは、ワットのパートナーであるボルトンがボルトン＆ワットが建設していた製粉所の設備でそれを見た後、1788年にジェームズ・ワットによって蒸気機関に採用されました。 ^{[ 64 ]}ガバナーは負荷の変化に応じて新しい一定速度を想定するため、実際には設定速度を維持できませんでした。ガバナーは、ボイラーへの熱負荷の変動によって引き起こされるような小さな変動を処理することができました。また、速度が変化するたびに振動する傾向がありました。その結果、このガバナーのみを備えたエンジンは、綿紡績などの一定速度を必要とする作業には適していませんでした。^{[ 65 ]}ガバナーは時間の経過とともに改良され、可変蒸気カットオフと組み合わせることで、19世紀末近くには負荷の変化に応じて良好な速度制御が可能になりました。

単純なエンジン、または「単膨張エンジン」では、蒸気の充填は個々のシリンダー内で膨張プロセス全体を通過します。単純なエンジンには、1つまたは複数の個別のシリンダーがある場合があります。^{[ 66 ]}その後、蒸気は直接大気中または凝縮器に排出されます。高圧エンジンを通過する際に蒸気が膨張すると、システムに熱が加えられないため温度が低下します。これは断熱膨張として知られており、蒸気が高温でシリンダーに入り、低温で出ることになります。これにより、ストロークごとにシリンダーの加熱と冷却のサイクルが発生し、非効率の原因となります。^{[ 67 ]}

往復動蒸気機関における主な効率損失は、シリンダー内の凝縮と再蒸発です。蒸気シリンダーおよび隣接する金属部品／ポートは、蒸気吸入時の飽和温度と排気圧力に対応する飽和温度の中間付近の温度で動作します。高圧蒸気が作動シリンダーに吸入されると、高温蒸気の大部分が水滴として金属表面に凝縮し、膨張仕事に利用できる蒸気量が大幅に減少します。膨張する蒸気が低圧に達すると（特に排気行程中）、シリンダー／ポート内で形成されたばかりの水滴が沸騰して蒸発し、この蒸気はシリンダー内でそれ以上仕事をしなくなります。

蒸気機関のシリンダーの膨張比には実際的な限界があり、シリンダー表面積が増加すると、シリンダーの凝縮と再蒸発の問題が悪化する傾向がある。これは、個々のシリンダーにおける高い膨張比に関連する理論的な利点を打ち消す。^{[ 68 ]}

非常に長いシリンダーへのエネルギー損失の大きさを軽減する方法は、1804 年にイギリスのエンジニア、アーサー・ウルフによって発明され、彼は1805 年にウルフ高圧複式エンジンの特許を取得しました。複式エンジンでは、ボイラーからの高圧蒸気が高圧 (HP) シリンダーで膨張し、その後 1 つ以上の低圧 (LP) シリンダーに入ります。蒸気の完全な膨張は複数のシリンダーで行われ、各シリンダー内の全体的な温度低下が大幅に減少します。より小さな温度範囲 (各シリンダー内) で蒸気を段階的に膨張させることにより、凝縮と再蒸発の効率の問題 (上記で説明) が軽減されます。これにより、シリンダーの加熱と冷却の大きさが軽減され、エンジンの効率が向上します。複数のシリンダーで膨張を段階的に行うことにより、トルクの変動を低減できます。^{[ 26 ]}低圧シリンダーから同等の仕事を得るには、この蒸気がより大きな体積を占めるため、より大きなシリンダー容積が必要です。そのため、低圧シリンダーではボア、まれにストロークが拡大され、結果としてシリンダーが大きくなる。^{[ 26 ]}

二重膨張式（通常は複合式と呼ばれる）エンジンは、蒸気を2段階で膨張させる。このペアは複製することも、大きな低圧シリンダーの仕事を分割して1つの高圧シリンダーから2つの低圧シリンダーに排気させることで、シリンダーとピストンの直径がほぼ同じ3気筒レイアウトを実現し、往復運動する質量のバランスを取りやすくすることができる。^{[ 26 ]}

2気筒複合構造は以下のように配置できます。

• クロスコンパウンド：別名「レシーバー」コンパウンド。シリンダーの位相がずれている（180°未満）ため、排気「レシーバー」の使用が必要となる。通常、これはバルブチェストまたはケーシング自体である。
• ウルフ複合型：シリンダーは同位相、または180°位相がずれている。
• タンデムコンパウンド：ウルフコンパウンドの一種。シリンダーが端と端が接しており、共通のコネクティングロッドを駆動する。
• アングルコンパウンド：クロスコンパウンドの一種。シリンダーがV字型（通常は90°の角度）に配置され、共通のクランクを駆動する。

鉄道で使用される2気筒複式機関では、ピストンは2気筒単式機関と同様に、互いに90°位相がずれた（4分の1位相）クランクに接続されています。二重膨張グループが複製されて4気筒複式機関になると、グループ内の個々のピストンは通常180°でバランスが取られ、グループは互いに90°に設定されます。1つのケース（最初のタイプのヴォークラン複式機関）では、ピストンは同じ位相で動作し、共通のクロスヘッドとクランクを駆動し、これも2気筒機関と同様に90°に設定されていました。3気筒複式機関の配置では、LPクランクは90°に設定され、HPクランクは他の2つに対して135°に設定されるか、場合によっては3つのクランクすべてが120°に設定されていました。^{[ 69 ]}

複式機関車の採用は、産業用機関車、道路用機関車では一般的であり、1880 年以降は船舶用機関車ではほぼ普遍的であった。鉄道機関車では、複式機関車は複雑であると認識されることが多かったため、必ずしも普及していなかった。これは、鉄道の過酷な運行環境と車両限界による限られたスペース（特にイギリスでは複式機関車は一般的ではなく、1930 年以降は使用されなかった）が一因である。しかし、他の多くの国では、決して主流ではなかったものの、複式機関車は人気があった。^{[ 70 ]}

効率を高めるために膨張をさらに多くの段階に分割することは、（上記で説明した）複式エンジンの論理的な拡張です。その結果として多段膨張エンジンが誕生しました。このようなエンジンは3段または4段の膨張段を使用し、それぞれ三段膨張エンジン、四段膨張エンジンとして知られています。これらのエンジンは、直径が徐々に大きくなる一連のシリンダーを使用します。これらのシリンダーは、各膨張段に均等に仕事を分配するように設計されています。二段膨張エンジンと同様に、スペースが限られている場合は、低圧段に2つの小型シリンダーを使用することもできます。多段膨張エンジンでは、通常、シリンダーは一直線に配置されていましたが、他のさまざまな配置も使用されました。19世紀後半には、ヤロー・シュリック・トゥイーディのバランス「システム」が一部の船舶用三段膨張エンジンで使用されました。YSTエンジンは、低圧膨張段をエンジンの両端にある2つのシリンダーに分割しました。これにより、クランクシャフトのバランスが改善され、よりスムーズで応答が速く、振動の少ないエンジンが実現しました。このため、4気筒3段膨張式エンジンは大型客船（オリンピック級など）で人気を博したが、最終的には振動がほとんどないタービンエンジンに取って代わられた。ただし、3段膨張式往復蒸気機関は第二次世界大戦中のリバティ船の動力として使用され、これは建造された同型船としては群を抜いて最多であった。イギリスのオリジナル設計に基づき、米国で2700隻以上が建造された。

このセクションの画像は、三段膨張エンジンのアニメーションを示しています。蒸気はエンジン内を左から右へと流れます。各シリンダーの弁室は、対応するシリンダーの左側にあります。

陸上の蒸気機関は、給水が通常容易に入手できるため、蒸気を大気中に排出することができた。第一次世界大戦前および大戦中は、高速船速が必須ではない船舶用途では膨張機関が主流であった。しかし、ドレッドノート級戦艦などの軍艦や客船など、速度が要求される場所では、イギリスの発明である蒸気タービンに取って代わられた。 1905年のHMSドレッドノートは、実績のある往復動機関の技術を、当時としては斬新な蒸気タービンに置き換えた最初の主要な軍艦であった。^{[ 71 ]} 

ほとんどの往復ピストンエンジンでは、蒸気は各ストロークで流れの方向を反転させ（対向流）、シリンダーの同じ端から流入および排出されます。エンジンの完全なサイクルは、クランクの1回転と2つのピストンストロークで構成され、吸入、膨張、排気、圧縮の4つのイベントからなります。これらのイベントは、シリンダーに隣接する蒸気室で動作するバルブによって制御されます。バルブは、シリンダー端と連通する蒸気ポートを開閉することによって蒸気を分配し、多くの種類があるバルブギアによって駆動されます。^{[ 72 ]}

最も単純なバルブギアは、エンジンサイクル中に一定の長さのイベントを発生させ、多くの場合、エンジンを一方向にのみ回転させます。しかし、多くは逆転機構を備えており、速度と運動量が徐々に「カットオフ」または吸入イベントを短縮することによって得られるため、蒸気を節約する手段も提供します。これにより、膨張期間が比例して長くなります。ただし、通常は同じバルブが両方の蒸気の流れを制御するため、吸入時のカットオフが短いと、理想的には常にほぼ一定に保つべき排気期間と圧縮期間に悪影響を及ぼします。排気イベントが短すぎると、排気蒸気のすべてがシリンダーから排出されず、シリンダーが詰まって過剰な圧縮（「キックバック」）が発生します。^{[ 73 ]}

1840 年代と 1850 年代には、メイン スライド バルブの背面に独立した可変カットオフ膨張バルブを備えたさまざまな特許バルブ ギアを使用してこの問題を克服する試みがありました。後者は通常、固定または制限されたカットオフを持っていました。組み合わせた構成は、摩擦と摩耗の増加を犠牲にして理想的なイベントをかなり近似し、機構は複雑になる傾向がありました。一般的な妥協の解決策は、バルブの摩擦面を長くして、吸入側のポートと重なるようにしてラップを提供することでした。これにより、吸入側でカットオフが発生した後、排気側がより長い時間開いたままになります。この便宜はその後、ほとんどの用途で満足できると一般的に考えられ、より単純なStephenson、Joy、およびWalschaertsモーションの使用を可能にしました。Corliss 、および後のポペット バルブギアは、トリップ メカニズムまたは理想的なイベントが得られるようにプロファイルされたカムによって駆動される独立した吸入バルブと排気バルブを備えていました。これらのギアのほとんどは、漏れやより繊細な機構など、さまざまな問題のために、固定市場以外では成功しなかった。^{[ 70 ] [ 74 ]}

ユニフローエンジンは、通常の対向流サイクルで発生する問題を解消しようとするものです。通常の対向流サイクルでは、各ストローク中に、通過する排気蒸気によってポートとシリンダー壁が冷却される一方で、より高温の吸入蒸気が作動温度を回復するためにエネルギーの一部を浪費します。ユニフローの目的は、各ストロークの終わりにピストンによって覆われない追加のポートを設けることで、蒸気が一方向にのみ流れるようにし、この欠点を解消して効率を向上させることです。この方法により、単純膨張ユニフローエンジンは、従来の複式システムと同等の効率を実現し、さらに優れた部分負荷性能という利点があり、1,000馬力以下の小型エンジンではタービンと同等の効率を実現します。しかし、ユニフローエンジンがシリンダー壁に沿って生み出す熱膨張勾配は、実用上の問題を引き起こします。

蒸気タービンは、駆動軸に取り付けられた1つ以上の回転子（回転ディスク）と、タービンケーシングに固定された一連の固定子（静止ディスク）から構成されます。回転子の外縁にはプロペラ状のブレードが配置されています。蒸気がこれらのブレードに作用し、回転運動を生み出します。固定子は、同様の固定されたブレードの列で構成され、蒸気の流れを次の回転子段に方向転換する役割を果たします。蒸気タービンは、多くの場合、真空状態を作り出す表面凝縮器に排気します。蒸気タービンの各段は、特定の速度と圧力の蒸気から最大の潜在的仕事量を引き出すように配置されており、様々なサイズの高圧段と低圧段が連続して存在します。タービンは比較的高速で回転する場合にのみ効率が良いため、通常は減速ギアに接続され、船舶のプロペラなどの低速用途を駆動します。大規模な発電所の大部分では、タービンは減速ギアなしで発電機に直接接続されています。一般的な回転速度は、米国では60ヘルツの電力で毎分3600回転（RPM）、ヨーロッパやその他の50ヘルツの電力システムを採用している国では毎分3000回転です。原子力発電では、その巨大なサイズのため、タービンは通常、これらの半分の速度である毎分1800回転と毎分1500回転で運転されます。また、タービンローターは一方向に回転しているときのみ動力を供給できます。そのため、逆方向に動力が必要な場合は、通常、逆転段またはギアボックスが必要となります。

蒸気タービンは直接​​回転力を発生させるため、往復運動を回転運動に変換する連結機構を必要としません。したがって、出力軸に滑らかな回転力を発生させます。これにより、同等の往復動エンジンと比較して、メンテナンスの必要性が低く、駆動する機械の摩耗も少なくなります。

蒸気タービンの主な用途は発電です（1990年代には世界の電力生産の約90%が蒸気タービンを使用していました）^{[ 6 ]。}しかし、近年、大型ガスタービンユニットや一般的な複合サイクル発電所が広く使用されるようになった結果、蒸気タービンの割合は80%程度に減少しました。発電においては、タービンの高速回転は、駆動タービンに直接接続されている現代の発電機の速度とよく一致します。船舶用としては、（タービニア号で先駆的に導入された）減速ギア付き蒸気タービン（タービニア号は減速ギアボックスなしでタービンがプロペラに直接接続されている）が20世紀後半を通じて大型船舶の推進を支配し、往復式蒸気機関よりも効率的で（メンテナンスもはるかに少なくて済む）ものでした。近年では、往復式ディーゼルエンジンとガスタービンが、船舶用途の蒸気推進をほぼ完全に置き換えています。

事実上すべての原子力発電所は、水を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気で発電機に接続されたタービンを駆動して発電します。原子力船や原子力潜水艦は、主推進力として蒸気タービンを直接使用し、発電機で補助動力を供給するか、またはターボ電気伝動方式を採用しています。この方式では、蒸気でターボ発電機セットを駆動し、電気モーターで推進力を得ます。蒸気タービン式鉄道機関車は少数しか製造されませんでした。非凝縮式の直結駆動機関車は、スウェーデンでの長距離貨物輸送やイギリスでの急行旅客輸送で一定の成功を収めましたが、再生産されることはありませんでした。他の地域、特に米国では、電気伝動を備えたより高度な設計が実験的に製造されましたが、複製されませんでした。蒸気タービンは鉄道環境には理想的ではないことが判明し、これらの機関車は、現代のディーゼル機関車や電気機関車のように、従来の往復式蒸気機関車に取って代わることはありませんでした。

揺動シリンダー式蒸気機関は、シリンダーへの蒸気の出入りにバルブを必要としない単純膨張式蒸気機関の一種です。バルブの代わりに、シリンダー全体が揺動（振動）し、シリンダー内の1つ以上の穴が固定ポート面またはピボットマウント（トラニオン）の穴と一直線になるようにします。これらの機関は、その単純さから主に玩具や模型に使用されていますが、コンパクトさが重視される船舶など、実物大の実用機関にも使用されています。^{[ 76 ]}

従来の往復式蒸気機関のシリンダーや弁装置の代わりに、ヴァンケルエンジンなどのピストンレス回転エンジンをベースとした機構を使用することが可能です。ジェームズ・ワットの時代から現在に至るまで、このようなエンジンは数多く設計されてきましたが、実際に製造されたものは比較的少なく、量産に至ったものはさらに少数です。詳細は記事末尾のリンクをご覧ください。主な問題は、摩耗や熱膨張に耐えられるようにローターを密閉するのが難しいことです。その結果生じる漏れによって、効率が非常に低下します。膨張作動機構の欠如、あるいは遮断制御手段の欠如も、多くの設計における深刻な問題です。

1840年代までには、この概念には本質的な問題があることが明らかになり、ロータリーエンジンは技術専門誌で嘲笑の的となった。しかし、電気の登場と、高速エンジンから直接ダイナモを駆動するという明らかな利点により、1880年代から1890年代にかけて関心が再び高まり、いくつかの設計が限定的ながら成功を収めた。

量産された数少ない設計の中で、スウェーデンのストックホルムにあるハルト・​​ブラザーズ・ロータリー・スチーム・エンジン社製のものと、ボーチャンプ・タワー社の球形エンジンが特筆すべきものである。タワー社のエンジンは、グレート・イースタン鉄道が機関車の照明用発電機を駆動するために、また海軍本部が英国海軍艦艇の発電機を駆動するために使用された。これらのニッチな用途では、最終的に蒸気タービンに取って代わられた。

エオロピルは、直接推進のためではないものの、ロケット反応の原理による蒸気の利用を表している。

より近代においては、ロケット、特にロケットカーにおいて蒸気の使用は限られている。蒸気ロケットは、圧力容器に高温の水を高圧で充填し、適切なノズルにつながるバルブを開くことによって作動する。圧力の低下により、水の一部がすぐに沸騰し、蒸気がノズルから噴出し、推進力を生み出す。^{[ 77 ]}

フェルディナント・ヴェルビーストの馬車は、1679年にアイオロピルによって動力を得ていた。