蒸気機関

蒸気機関は、蒸気を作動流体として使用して機械的作業を行う熱機関です。蒸気機関は、蒸気圧によって発生する力を使用して、シリンダー内でピストンを前後に押します。この押す力は、コネクティングロッドとクランクによって回転力に変換され、作業に使用されます。「蒸気機関」という用語は、上記のように往復動機関に最も一般的に適用されますが、一部の専門家は、蒸気タービンやヘロンのアイオロスの球などの装置も「蒸気機関」と呼んでいます。蒸気機関の基本的な特徴は、外燃機関であり、^[1]作動流体が燃焼生成物から分離されていることです。このプロセスを分析するために使用される理想的な熱力学サイクルは、ランキンサイクルと呼ばれます。一般的な用法では、蒸気機関という用語は、鉄道の蒸気機関車やポータブルエンジンなどの完全な蒸気プラント（ボイラーなどを含む）を指す場合もあれば、ビームエンジンや定置型蒸気機関のようにピストンまたはタービン機械のみを指す場合もあります。

前述のように、アイオロスの球などの蒸気駆動装置は紀元1世紀には知られており、16世紀には他の用途もいくつか記録されている。1606年、ジェロニモ・デ・アヤンス・イ・ボーモントは、鉱山の排水用として初の蒸気動力水ポンプを発明し、特許を取得した。^[2] トーマス・セイヴァリは、蒸気圧を利用して水に直接作用する蒸気ポンプという、商業的に使用された初の蒸気駆動装置の発明者とみなされている。機械に連続的に動力を伝達できる初の商業的に成功したエンジンは、トーマス・ニューコメンによって1712年に開発された。ジェームズ・ワットは1764年に使用済み蒸気を別の容器に移して凝縮するという重要な改良を行い、消費された燃料単位あたりの仕事量を大幅に改善した。19世紀までには、固定式蒸気エンジンが産業革命期の工場を動かすようになった。蒸気エンジンは船の帆に代わって外輪船に使用され、蒸気機関車は鉄道で運行された。

往復ピストン式蒸気エンジンは、20世紀初頭まで主要な動力源でした。定置型蒸気エンジンの効率は、1922年頃まで劇的に向上しました。^[3]最高のランキンサイクル効率91%と複合熱効率31%は、1921年と1928年に実証され発表されました。^[4]電気モーターと内燃機関 の設計の進歩により、商業用途では徐々に蒸気エンジンが置き換えられました。蒸気タービンは、低コスト、高速運転、高効率のため、発電において往復エンジンに取って代わりました。^[5]小規模の蒸気タービンは、大型のものより効率がはるかに低いことに注意してください。^[6]

2023年現在^[update]、大型往復ピストン蒸気機関はドイツでまだ製造されている。^[7]

前述のように、記録に残る原始的な蒸気機関としては、紀元1世紀にローマ帝国時代の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スの球があります。 ^[8]その後の数世紀に知られるようになった数少ない蒸気機関は、アイオロスの球のように、^[9]本質的には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した。

原始的な蒸気タービン装置は、1551年にオスマン帝国時代のエジプトでタキ・アルディン^[10]によって、 1629年にイタリアでジョヴァンニ・ブランカ^{[11]によって記述されました。 [12]}スペインの発明家ジェロニモ・デ・アヤンス・イ・ボーモントは、1606年に浸水した鉱山を排水するための水ポンプを含む50の蒸気動力の発明で特許を取得しました。^[13]フランス人のデニス・パパンは1679年に蒸気消化槽に関する有用な研究を行い、1690年に初めてピストンを使用して重りを上げました。^[14]

最初の商用蒸気駆動装置は、1698年にトーマス・セイヴァリが開発した水ポンプでした。^[15]これは、凝縮蒸気を使用して真空を作り、下から水を持ち上げ、蒸気圧を使用してそれをさらに高く持ち上げるものでした。小型エンジンは効果的でしたが、大型モデルは問題がありました。揚程が非常に限られており、ボイラーが爆発しやすかったのです。セイヴァリのエンジンは、鉱山、ポンプ場、繊維機械を動かす水車への給水に使用されました。 ^[16]セイヴァリのエンジンの利点の1つは、低コストでした。^[17] ベント・デ・モウラ ポルトガルは、セイヴァリの構造を改良して「自力で動作できるようにした」と、1751年に出版された哲学論文集でジョン・スミートンが説明しています。[18]このエンジンは18世紀後半まで製造され続けました。^{[ 19]} 1820年には、少なくとも1つのエンジンがまだ動作していたことが知られています。^[20]

機械に連続的に動力を伝達できる最初の商業的に成功したエンジンは、トーマス・ニューコメンが1712年頃に発明した大気圧エンジンだった。 ^{[b] [22]}これは、パピンが提案したピストンを使用したサヴェリーの蒸気ポンプを改良したものである。ニューコメンのエンジンは比較的効率が悪く、主に水を汲み上げるために使用された。このエンジンは、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機能した。このエンジンは、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「水頭」から離れた場所にある工場の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た。水車を通過した水は、水車の上にある貯水池に汲み上げられた。^{[23] [24]} 1780年にジェームズ・ピカードは、フライホイールとクランクシャフトを使用して改良されたニューコメンエンジンから回転運動を提供する特許を取得した。^[25]

1720年、ヤコブ・ロイポルドは2気筒高圧蒸気エンジンについて記述した。^[26]この発明は彼の主要著作「Theatri Machinarum Hydraulicarum」に掲載された。^[27]このエンジンは2つの重いピストンを使用して水ポンプに動力を与えた。各ピストンは蒸気圧によって上昇し、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方向ロータリーバルブを共有していた。

次の大きな進歩は、ジェームズ・ワットがニューコメンのエンジンの改良版を開発し、独立した凝縮器を備えたとき（1763-1775年）に起こった。ボウ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量の石炭を使用した。 ^{[28]ニューコメンとワットの初期のエンジンは「大気圧」だった。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る部分的な真空にピストンを押す空気圧によって駆動された。エンジンのシリンダーは、それらに作用する唯一の有効な力が大気圧であったため、大きくする必要があった。^{[23] [29]}

ワットはエンジンをさらに開発し、機械を動かすのに適した回転運動を実現した。これにより工場を川から離れた場所に建設できるようになり、産業革命のペースが加速した。^{[29] [23] [30]}

高圧の意味は、周囲温度より高い実際の値とともに、その用語が使用された時代によって異なります。この用語の初期の使用では、Van Reimsdijk ^{[31] は}、蒸気が十分に高圧であるため、真空に依存せずに大気中に排出して有用な作業を実行できることを指していました。Ewing 1894、p. 22 には、当時、ワットの凝縮エンジンは、同時期の高圧の非凝縮エンジンと比較して低圧として知られていたと記載されています。

ワットの特許により、他社は高圧エンジンや複合エンジンを作れなくなった。ワットの特許が1800年に失効した直後、リチャード・トレビシックとオリバー・エバンスがそれぞれ1801年に高圧蒸気エンジンを発表した^{[30] [32]}。トレビシックは1802年に高圧エンジンの特許を取得し、^[33]エバンスはそれ以前にもいくつかの実用的なモデルを製作していた。^[34]これらのエンジンは、以前のエンジンに比べて一定のシリンダーサイズではるかに強力で、輸送用途に十分な小型化が可能だった。その後、技術開発と製造技術の改善（蒸気エンジンを動力源として採用したことが一因）により、用途に応じて小型、高速、高出力のより効率的なエンジンが設計されるようになった^{[23] 。}

コーンウォールエンジンは、 1810年代にトレビシックらによって開発された。^[35]これは、高圧蒸気を膨張させて使用し、その後低圧蒸気を凝縮する複合サイクルエンジンであり、比較的効率的であった。コーンウォールエンジンはサイクルを通じて不規則な動きとトルクを持ち、主にポンプ用途に限定されていた。コーンウォールエンジンは、19世紀後半まで鉱山や給水に使用されていた。^[36]

初期の定置型蒸気エンジン製造者は、水平シリンダーは摩耗が激しいと考えました。そのため、エンジンはピストン軸を垂直位置に配置するように配置されました。やがて水平配置が普及し、コンパクトでありながら強力なエンジンを狭いスペースに設置できるようになりました。

水平型エンジンの頂点は、1849年に特許を取得したコーリス蒸気エンジンで、これは4つのバルブを備えた対向流エンジンで、独立した蒸気吸入弁と排気弁、自動可変蒸気遮断を備えていた。コーリスがラン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、蒸気エンジンの効率をこれほど高めた発明はない」と述べた。^[37]蒸気使用量が30%削減されたことに加え、可変蒸気遮断により速度がより均一になり、製造業、特に綿糸紡績に適していた。^{[23] [30]}

最初の試験的な公道走行可能な蒸気自動車は 18 世紀後半に製造されたが、移動式蒸気エンジンが実用的な提案となったのは、リチャード・トレビシックが高圧蒸気の利用法を開発した 1800 年頃になってからであった。19 世紀前半には蒸気自動車の設計が大きく進歩し、1850 年代までには商業ベースで生産することが可能になった。この進歩は、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妨げられた。自動車技術の改良は 1860 年代から 1920 年代にかけて続いた。蒸気道路自動車は多くの用途に使用された。20 世紀には、内燃機関技術の急速な発展により、商業ベースでの自動車の推進源としての蒸気エンジンは衰退し、第二次世界大戦後も使用されたものは比較的少数であった。これらの自動車の多くは保存のために愛好家によって取得され、多数の例が現在でも現存している。 1960 年代、カリフォルニアの大気汚染問題により、汚染を軽減する手段として蒸気動力車両の開発と研究に関心が集まりました。蒸気愛好家の関心、時折のレプリカ車両、実験的な技術を除き、現在、蒸気車両は生産されていません。

19世紀末には、複式エンジンが広く使用されるようになった。複式エンジンは、圧力を下げて容積を増やすために、徐々に大きなシリンダーに蒸気を排出し、効率を高めた。これらの段階は膨張と呼ばれ、二重膨張エンジンや三重膨張エンジンが一般的で、特に輸送する石炭の重量を減らすために効率が重要だった船舶ではそうだった。^[23]蒸気エンジンは、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、電動モーター、内燃機関の設計の進歩により、徐々に往復動型（ピストン型）蒸気エンジンに取って代わられ、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。^{[23] [5]}

18世紀を通じて蒸気機関の開発が進むにつれ、それを道路や鉄道に応用する様々な試みがなされた。^[38] 1784年、スコットランドの発明家ウィリアム・マードックが蒸気道路機関車の模型を製作した。^[39]蒸気鉄道機関車の初期の実用的な模型は、おそらく1780年代か1790年代に、米国で蒸気船の先駆者ジョン・フィッチによって設計・製作された。 ^[40] 彼の蒸気機関車は、レールまたは線路で誘導される内部ブレード付き車輪^{[説明が必要]}を使用していた。

最初の本格的な蒸気機関車はイギリスのリチャード・トレビシックによって製造され、1804年2月21日、世界初の鉄道の旅が行われた。トレビシックの無名の蒸気機関車が、マーサー・ティドビル近郊のペン・ア・ダレン製鉄所から南ウェールズのアベルカノンまで路面電車に沿って列車を牽引したのである。^{[38] [41] [42]}この設計には、高圧蒸気の使用など、エンジンの重量を軽減し効率を高めるなど、いくつかの重要な革新が組み込まれていた。トレビシックは1804年後半にニューカッスル地域を訪れ、北東イングランドの炭鉱鉄道は蒸気機関車の実験と開発の主要な中心地となった。^[43]

トレビシックは3台の機関車を使って独自の実験を続け、 1808年にCatch Me Who Canで完結した。そのわずか4年後、マシュー・マレーによる成功したツインシリンダー機関車サラマンカが、エッジレールのラックアンドピニオン式ミドルトン鉄道で使用された。^[44] 1825年にジョージ・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年に彼はレインヒル・トライアルに出場して優勝したロケットを建造した。^[45]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20世紀後半まで中国や旧東ドイツ（DRクラス52.80が製造された）などで製造され続けた。^[46]

蒸気機関設計の最終的な大きな進化は、19世紀後半に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に往復ピストン式蒸気機関（数百馬力以上の出力の場合）よりも効率が良く、可動部品が少なく、コネクティングロッドシステムなどの手段ではなく回転力を直接提供します。^[47]蒸気タービンは、その効率、発電機サービスに適した高速性、および滑らかな回転の利点により、20世紀初頭に発電所で往復エンジンに事実上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、電力の90％がさまざまな熱源を使用してこの方法で生産されています。^[5]蒸気タービンは、20世紀のほとんどの間、大型船の推進に広く適用されました。

往復蒸気エンジンはもはや広く商業的に使用されていませんが、さまざまな企業が内燃機関の代替としてこのエンジンの可能性を探求または活用しています。

蒸気プラントには、ボイラーまたは蒸気発生器と「モーターユニット」（「蒸気エンジン」と呼ばれる）の2つの基本的なコンポーネントがあります。固定された建物内の固定式蒸気エンジンでは、ボイラーとエンジンが離れた別の建物にある場合があります。蒸気機関車などのポータブルまたは移動式の使用では、2つが一緒に取り付けられます。^{[48] [49]}

広く使用されている往復動エンジンは、通常、鋳鉄製のシリンダー、ピストン、コネクティング ロッドとビーム、またはクランクとフライホイール、およびその他のリンク機構で構成されます。蒸気は、1 つまたは複数のバルブによって交互に供給および排出されます。速度制御は、調速機を使用した自動制御、または手動バルブによって行われます。シリンダー鋳物には、蒸気供給ポートと排気ポートが含まれています。

コンデンサーを備えたエンジンは、大気中に排出するエンジンとは別のタイプです。

その他のコンポーネントも存在することが多い。運転中にボイラーに水を供給するためのポンプ（インジェクターなど）、水を再循環させて蒸発潜熱を回収するための凝縮器、蒸気の温度を飽和蒸気点以上に上げるための過熱器、火室のドラフトを増やすためのさまざまなメカニズムなどである。石炭を使用する場合は、燃料を供給容器（バンカー）から火室に移動するために、チェーンまたはスクリューのストーキング機構とその駆動エンジンまたはモーターが含まれる場合があります。^[50]

水を沸騰させて蒸気の温度を上げるために必要な熱は、さまざまな熱源から得ることができますが、最も一般的なのは、密閉された空間（燃焼室、火室、炉など）内で適切な空気を供給しながら可燃性物質を燃焼させることです。模型やおもちゃの蒸気エンジンや、いくつかの実物大のケースでは、熱源として電気加熱素子を使用できます。

ボイラーは、沸騰させる水が入っている圧力容器であり、熱をできるだけ効率的に 水に伝達する機能を備えています。

最も一般的な 2 つのタイプは次のとおりです。

水管ボイラー

水は高温のガスに囲まれたチューブを通過します。

火管ボイラー

高温のガスは水中に浸された管を通過し、同じ水が火室を囲むウォータージャケット内も循環し、高出力の機関車ボイラーでは、火室自体の管（熱サイフォンおよび安全循環器）も通過します。

火管ボイラーは初期の高圧蒸気（典型的な蒸気機関車の慣例）に使用された主なタイプでしたが、19 世紀後半には船舶の推進や大型の定置用途でより経済的な水管ボイラーに大きく置き換えられました。

多くのボイラーは、蒸気が水と接触しているボイラーの部分を離れた後に蒸気の温度を上昇させます。これは過熱と呼ばれ、湿った蒸気を過熱蒸気に変えます。これにより、エンジン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。^{[51] [52]}

蒸気エンジンでは、ピストンや蒸気タービン、または機械的な作業を行うための他の同様の装置が、高圧および高温の蒸気の供給を受けて、より低い圧力および温度の蒸気を放出し、蒸気エネルギーの差を可能な限り多く利用して機械的な作業を行います。

これらの「モーターユニット」は、それ自体が「蒸気エンジン」と呼ばれることが多い。圧縮空気や他のガスを使用するエンジンは、ガスの性質に依存する細部においてのみ蒸気エンジンと異なるが、圧縮空気は蒸気エンジンでも変わらず使用されている。^[52]

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で廃熱として放出されなければならない。 ^[53]

最も単純なコールドシンクは、蒸気を環境に放出することです。これは、凝縮器の重量とかさばりを避けるために、蒸気機関車でよく使用されます。放出された蒸気の一部は煙突から排出され、火力の吸引力を高めます。これにより、エンジン出力が大幅に向上しますが、効率は低下します。

エンジンからの廃熱自体が有用な場合もあり、その場合には非常に高い全体効率が得られます。

定置型発電所の蒸気エンジンは、表面コンデンサーを冷気シンクとして使用します。コンデンサーは、海、川、湖からの水流によって冷却されますが、多くの場合、水を蒸発させて冷却エネルギーを除去する冷却塔によっても冷却されます。その結果生じた凝縮された温水 (凝縮水) は、圧力をかけて再びボイラーに送り返されます。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、流れの一部を空気中に蒸発させる二次外部水回路を使用する蒸発式 (湿式) 冷却塔によっても排出されます。

川船は当初、川からの冷水をエンジンの排気蒸気に注入するジェットコンデンサーを使用していました。冷却水と凝縮液が混合します。これは外洋船にも適用されましたが、通常、運転開始からわずか数日後にはボイラーが堆積した塩で覆われ、性能が低下し、ボイラー爆発のリスクが高まりました。1834年頃から、船舶に表面コンデンサーが使用されるようになり、ボイラーの汚れがなくなり、エンジン効率が向上しました。^[54]

蒸発した水は、その後の目的には使用できません (どこかに雨が降った場合を除く)。一方、川の水は再利用できます。いずれの場合も、蒸気プラントのボイラー給水は純粋に保たれる必要があり、冷却水や空気とは別に保管されます。

ほとんどの蒸気ボイラーは、圧力をかけた状態で水を供給する手段を備えているため、連続運転が可能です。ユーティリティおよび産業用ボイラーでは、多段遠心ポンプが一般的に使用されていますが、他の種類のポンプも使用されています。低圧ボイラー給水用の別の手段は、通常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。^[55]蒸気ボイラー内を循環する水を加圧することで、1気圧での沸点である100°C (212°F)をはるかに超える温度まで水を上昇させることができ、それによって蒸気サイクルの効率を高めることができます。

安全上の理由から、ほぼすべての蒸気機関には、圧力計や水位を監視するための のぞき窓など、ボイラーを監視するための機構が装備されています。

多くのエンジン（固定式および移動式）には、人間の介入なしにエンジンの速度を調節するための調 速機も取り付けられています。

蒸気機関の性能を分析するのに最も有用な機器は、蒸気機関指示計です。初期のバージョンは1851年までに使用されていましたが^[56]、最も成功した指示計は、高速エンジンの発明者であり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年のロンドン博覧会で展示されました。^[30]蒸気機関指示計は、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、さまざまな問題を特定したり、発生した馬力を計算したりするために使用できます。^[57]これは、エンジニア、メカニック、保険検査官によって日常的に使用されていました。エンジン指示計は、内燃機関にも使用できます。下の指示計図の画像を参照してください（モーターユニットの種類のセクション）。

遠心調速機は、1788年にジェームズ・ワットが蒸気機関に採用したが、これはワットのパートナーであるボルトンが、ボルトン・アンド・ワットが建設していた製粉所の装置に遠心調速機が付いているのを見たことがきっかけだった。 ^[58]調速機は実際には設定された速度を維持できなかった。負荷の変化に応じて新しい一定速度を想定するためである。調速機は、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より小さな変化には対処できた。また、速度が変化すると常に振動する傾向があった。その結果、この調速機のみを備えた機関は、綿糸紡績のような一定速度を必要とする作業には適していなかった。^[59]調速機は時とともに改良され、可変蒸気遮断と相まって、19世紀末近くには負荷の変化に応じた良好な速度制御が可能になった。

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経ますが、単純なエンジンには 1 つ以上の個別のシリンダーがある場合があります。^[60]その後、蒸気は大気中または凝縮器に直接排出されます。蒸気が高圧エンジンを通過する際に膨張すると、システムに熱が加えられないため、蒸気の温度が下がります。これは断熱膨張と呼ばれ、蒸気は高温でシリンダーに入り、低温でシリンダーから出ます。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。^[61]

往復蒸気エンジンにおける効率損失の主な原因は、シリンダーの凝縮と再蒸発です。蒸気シリンダーと隣接する金属部品/ポートは、蒸気の流入飽和温度と排気圧に対応する飽和温度のほぼ中間の温度で動作します。高圧蒸気が作動シリンダーに流入すると、高温蒸気の多くが金属表面に水滴として凝縮し、膨張作業に使用できる蒸気が大幅に減少します。膨張蒸気が低圧に達すると (特に排気行程中)、シリンダー/ポート内に形成されたばかりの堆積水滴が沸騰して蒸発し (再蒸発)、この蒸気はシリンダー内でそれ以上作業を行いません。^[要出典]

蒸気機関のシリンダーの膨張率には実際的な限界があり、シリンダーの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。これにより、個々のシリンダーの膨張率が高いことに関連する理論的な利点が打ち消される。^[62]

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年に英国の技術者アーサー・ウルフによって発明され、彼は1805年にウルフ高圧複合エンジンの特許を取得しました。複合エンジンでは、ボイラーからの高圧蒸気が高圧（HP）シリンダーで膨張し、次に1つ以上の後続の低圧（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にまたがって発生するようになり、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。蒸気を段階的に（各シリンダー内で）より小さな温度範囲で膨張させることにより、凝縮および再蒸発の効率の問題（上記）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段階的に膨張することで、トルクの変動を減らすことができます。^[23]低圧シリンダーから同等の仕事を引き出すには、この蒸気がより大きな容積を占めるため、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（稀にストローク）が拡大され、シリンダーも大型化する。^[23]

二重膨張式（通常は複膨張式と呼ばれる）エンジンは、蒸気を2段階で膨張させる。ペアを重複させるか、大きな低圧シリンダーの作業を分割して、1つの高圧シリンダーからどちらか一方に排気することで、シリンダーとピストンの直径がほぼ同じである3シリンダーレイアウトを実現し、往復運動する質量のバランスをとりやすくする。^[23]

2 気筒複合エンジンは次のように配置できます。

• クロスコンパウンド：シリンダーが並んでいます。
• タンデムコンパウンド：シリンダーは端から端まで並んでおり、共通のコネクティングロッドを駆動します。
• アングルコンパウンド: シリンダーは V 字型 (通常は 90 度の角度) に配置され、共通のクランクを駆動します。

鉄道で使用される 2 気筒複合エンジンでは、ピストンは 2 気筒単体エンジンと同様にクランクに 90° 位相がずれて接続される (四分割)。二重膨張グループが複製されて 4 気筒複合エンジンが作られる場合、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° に設定される。1 つのケース (最初のタイプのVauclain 複合エンジン) 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 気筒エンジンの場合と同様に 90° に設定された。3 気筒複合エンジンでは、LP クランクが 90° に設定され、HP クランクが他の 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° に設定される。^{[引用が必要]}

複合化の採用は、産業用ユニット、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が、鉄道機関車では複雑であると認識されることが多かったため、普遍的に普及したわけではなかった。これは、鉄道の運行環境が厳しく、積載限界によって限られたスペースしかなかったことが一因である（特に英国では、複合化は一般的ではなく、1930年以降は採用されなかった）。しかし、多数派ではなかったものの、他の多くの国では普及していた。^[63]

効率を上げるために膨張をさらに多くの段階に分割することは、複合エンジン（上記）の論理的発展です。その結果が多重膨張エンジンです。このようなエンジンは3つまたは4つの膨張段階を使用し、それぞれ三重膨張エンジンと四重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、各膨張段階の作業を均等に分割するように設計されています。二重膨張エンジンと同様に、スペースが貴重である場合は、低圧段階に2つの小さなシリンダーを使用できます。多重膨張エンジンでは、シリンダーが通常一列に配置されていましたが、他のさまざまな構成が使用されました。19世紀後半には、一部の船舶用三重膨張エンジンでYarrow-Schlick-Tweedyバランス「システム」が使用されました。YSTエンジンは、低圧膨張段階をエンジンの両端に1つずつ、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、より滑らかで応答が速く、振動が少ないエンジンが実現しました。これにより、4気筒の三段膨張エンジンは大型客船（オリンピッククラスなど）で人気を博しましたが、最終的には実質的に振動のないタービンエンジンに置き換えられました。^[要出典]ただし、三段膨張往復蒸気エンジンは、第二次世界大戦のリバティ船の駆動に使用されました。これは、これまでに建造された同一船の中では圧倒的に多い数です。米国では、英国のオリジナル設計に基づいて2700隻を超える船が建造されました。^[要出典]

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流れます。各シリンダーのバルブ室は、対応するシリンダーの左側にあります。^{[引用が必要]}

陸上の蒸気機関は、給水が容易に得られるため、蒸気を大気中に放出することができた。第一次世界大戦前および大戦中は、高速船の速度が重要でない海洋用途では膨張エンジンが主流であった。しかし、速度が求められる軍艦、例えばドレッドノート戦艦や定期船では、イギリスの発明である蒸気タービンがこれに取って代わった。 1905年のHMS ドレッドノートは、実績のある往復エンジン技術を当時としては目新しい蒸気タービンに置き換えた最初の大型軍艦であった。^[64]

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ごとに流れの方向を反転し（逆流）、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回転とピストンの2ストロークで完了します。サイクルには、吸入、膨張、排気、圧縮の4つのイベントも含まれます。これらのイベントは、シリンダーに隣接する蒸気室の中で動作するバルブによって制御されます。バルブは、シリンダーの端とつながる蒸気ポートを開閉することで蒸気を分配し、多くの種類があるバルブギアによって駆動されます。 ^[65]

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。ただし、多くのバルブには逆転機構があり、速度と勢いが増すにつれて徐々に「カットオフを短くする」、つまり吸入イベントを短くすることで蒸気を節約する手段も提供できます。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 1 つのバルブが両方の蒸気の流れを制御するため、吸入時の短いカットオフは、理想的には常に一定に保たれる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、排気蒸気の全体がシリンダーから排出できず、シリンダーが詰まり、過剰な圧縮 ( 「キックバック」 ) が発生します。^[66]

1840 年代と 1850 年代には、メイン スライド バルブの背面に別個の可変カットオフ膨張バルブを搭載したさまざまな特許バルブ ギアによってこの問題を克服する試みがありました。メイン スライド バルブは通常、固定カットオフまたは制限カットオフでした。この組み合わせたセットアップでは、理想的なイベントにかなり近似できましたが、摩擦と摩耗が増加し、メカニズムが複雑になる傾向がありました。通常の妥協策は、吸気側のポートと重なるようにバルブの摩擦面を長くしてラップを提供することでした。これにより、吸気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。この方策は、それ以来、ほとんどの目的に対して一般的に満足のいくものであると考えられており、より単純なStephenson、Joy、およびWalschaerts の動作を使用できるようになりました。Corliss 、およびそれ以降のポペット バルブギアには、理想的なイベントを実現するようにプロファイルされたトリップ メカニズムまたはカムによって駆動される別々の吸気バルブと排気バルブがありました。これらのギアのほとんどは、漏れやより繊細なメカニズムなど、さまざまな問題のために、固定市場以外では成功しませんでした。^{[63] [67]}

排気段階が完全に完了する前に、バルブの排気側が閉じ、シリンダー内の排気蒸気の一部を遮断します。これにより、圧縮段階が決定され、蒸気のクッションが形成され、ピストンは速度が急速に低下する間、それに対して動作します。さらに、次のサイクルの開始時に高圧蒸気が突然流入することで発生する圧力と温度の衝撃を回避します。^{[引用が必要]}

上記の効果は、リードを設けることでさらに強化されます。後に内燃機関で発見されたように、1830年代後半から、吸入位相を早め、バルブリードを与えて、蒸気がピストンに力をかけ始める前に、ポートとシリンダー端部（ピストンの掃引容積の一部ではない）で構成されるクリアランス容積を満たすために、排気行程の終了の少し前に吸入が行われるようにすることが有利であることがわかりました。^[68]

ユニフローエンジンは、通常の逆流サイクルから生じる困難さを改善しようと試みる。逆流サイクルでは、各ストローク中にポートとシリンダー壁が通過する排気蒸気によって冷却される一方で、より高温の流入蒸気は動作温度を回復するためにエネルギーの一部を浪費する。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て蒸気の流れを一方向にのみすることで、この欠陥を改善し効率を向上させることである。この方法により、単純膨張ユニフローエンジンは、優れた部分負荷性能という追加の利点とともに、古典的な複合システムと同等の効率を提供し、1000馬力未満の小型エンジンではタービンに匹敵する効率を提供する。しかし、シリンダー壁に沿ってユニフローエンジンが生成する熱膨張勾配は、実用上の困難さをもたらす。^[要出典]。

蒸気タービンは、駆動軸に取り付けられた1 つ以上のローター(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ステーター(静止ディスク) が交互に配置されています。ローターの外縁には、プロペラのようなブレードの配列があります。蒸気がこれらのブレードに作用して、回転運動が生み出されます。ステーターは、同様の固定された一連のブレードで構成され、蒸気の流れを次のローター ステージに向け直す役割を果たします。蒸気タービンは、多くの場合、真空を提供する表面コンデンサーに排気します。蒸気タービンのステージは、通常、特定の速度と圧力の蒸気から最大限の潜在的作業を引き出すように配置されており、一連のさまざまなサイズの高圧ステージと低圧ステージを生み出します。タービンは、比較的高速で回転している場合にのみ効率的であるため、通常は減速ギアに接続され、船舶のプロペラなどの低速アプリケーションを駆動します。大規模な発電所の大半では、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。一般的な速度は、60 ヘルツの電力を使用する米国では毎分 3600 回転 (RPM)、50 ヘルツの電力システムを使用するヨーロッパやその他の国では毎分 3000 回転です。原子力発電アプリケーションでは、タービンは通常、これらの速度の半分の 1800 RPM と 1500 RPM で動作します。タービン ローターは、一方向に回転しているときのみ電力を供給できます。したがって、反対方向に電力が必要な場合は、通常、逆転ステージまたはギアボックスが必要です。^{[引用が必要]}

蒸気タービンは直接​​回転力を提供するため、往復運動を回転運動に変換するためのリンク機構を必要としません。したがって、出力軸上でより滑らかな回転力を生成します。これにより、同等の往復エンジンよりもメンテナンスの必要性が低くなり、動力源となる機械の摩耗が少なくなります。^[要出典]

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）^[5]しかし、最近は大型ガスタービンユニットと典型的な複合サイクル発電所が広く採用され、蒸気タービンの割合は80％にまで減少しました。発電では、タービンの回転速度が速いため、通常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。船舶では、（タービニアで開拓されました）減速ギア付きの蒸気タービン（タービニアは減速ギアボックスなしでプロペラに直接タービンを接続しています）が20世紀後半を通じて大型船舶の推進力を支配し、往復蒸気エンジンよりも効率的（およびメンテナンスがはるかに少ない）でした。ここ数十年で、往復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ました。^[要出典]

事実上すべての原子力発電所は、水を加熱して蒸気を生成し、発電機に接続されたタービンを駆動することで発電している。原子力船や潜水艦は、蒸気タービンを直接主推進力として使用し、発電機で補助動力を供給するか、または蒸気でターボ発電機を駆動し、電気モーターで推進力を供給するターボ電気トランスミッションを採用している。限られた数の蒸気タービン鉄道機関車が製造された。非凝縮直接駆動機関車は、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ある程度成功を収めたが、再生産はされなかった。他の場所、特に米国では、電気トランスミッションを備えたより先進的な設計が実験的に製造されたが、再現されなかった。蒸気タービンは鉄道環境に理想的に適合していないことが判明し、これらの機関車は、現代のディーゼルおよび電気牽引のように古典的な往復蒸気ユニットを駆逐することはできなかった。^[要出典]

振動シリンダー蒸気エンジンは、単純な膨張式蒸気エンジンの変形で、蒸気をシリンダーに出入りさせるためのバルブを必要としません。バルブの代わりに、シリンダー全体が揺れ、つまり振動し、シリンダーの1つまたは複数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）の穴と一列に並びます。これらのエンジンは、その単純さから主におもちゃや模型に使用されますが、コンパクトさが重視される船舶などで、実物大の実用エンジンにも使用されています。^[69]

従来の往復蒸気機関のシリンダーとバルブギアの代わりに、ヴァンケルエンジンなどのピストンレスロータリーエンジンに基づく機構を使用することもできます。ジェームズワットの時代から現在まで、このようなエンジンは数多く設計されてきましたが、実際に作られたものは比較的少なく、量産されたのはさらに少数です。詳細については、記事の下部にあるリンクを参照してください。主な問題は、摩耗や熱膨張に対してローターを蒸気密に密閉することが難しいことです。その結果生じる漏れにより、非常に非効率になります。膨張作業やカットオフの制御手段がないことにも、このような設計の多くで深刻な問題があります。^[要出典]

1840 年代までに、ロータリー エンジンの概念には固有の問題があることが明らかになり、技術誌ではロータリー エンジンが嘲笑の対象となりました。しかし、電気が登場し、高速エンジンで直接ダイナモを駆動する明らかな利点が明らかになったことで、1880 年代と 1890 年代にロータリー エンジンへの関心が再び高まり、いくつかの設計が限定的に成功を収めました。^{[出典が必要]}。

大量生産された数少ない設計の中では、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・ロータリー蒸気機関会社と、ボーシャンプ・タワーの球形エンジンが有名である。タワーのエンジンは、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の艦船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置き換えられた。^[要出典]

エオロスの球は、直接的な推進力ではないものの、ロケット反動原理による蒸気の使用を表しています。 ^[要出典]

近代では、ロケット、特にロケットカーに蒸気が限定的に利用されてきた。蒸気ロケットは、圧力容器に高圧の熱湯を満たし、適切なノズルにつながるバルブを開くことで作動する。圧力が下がるとすぐに水の一部が沸騰し、蒸気がノズルから出て推進力を生み出す。^[70]

フェルディナント・フェルビーストの馬車は1679年にアイオロスの球で動力を得ました。^[要出典]

蒸気機関には、大きな潜在エネルギーを蓄えた圧力容器であるボイラーやその他の部品があります。蒸気の漏れやボイラーの爆発(通常はBLEVE ) は、過去にも多くの死者を出す可能性があります。国によって基準は異なりますが、安全性を確保するために、厳格な法律、テスト、トレーニング、製造、操作、認証の注意が適用されます。^[要出典]

障害モードには次のようなものがあります:

• ボイラーの過圧
• ボイラー内の水不足により過熱し、容器が破損する
• 堆積物やスケールの蓄積により、特に汚れた給水を使用する川船で局所的なホットスポットが発生する。
• 不適切な建設またはメンテナンスによるボイラーの圧力容器の故障。
• 配管やボイラーからの蒸気の漏れにより火傷を負う

蒸気機関には、ボイラー内の圧力が高くなりすぎないようにするための独立したメカニズムが 2 つあることがよくあります。1 つはユーザーが調整でき、もう 1 つは究極のフェイルセーフとして設計されているのが一般的です。このような安全弁は、従来、ボイラー上部のプラグ バルブを固定するために単純なレバーを使用していました。レバーの一方の端には、蒸気圧に対してバルブを固定する重りまたはバネが付いていました。初期のバルブはエンジン ドライバーによって調整可能でしたが、ドライバーがバルブを締め付けて蒸気圧を高め、エンジンからより多くのパワーを得られるようにしたときに、多くの事故が発生しました。最近のタイプの安全弁は、調整可能なバネ式バルブを使用しており、不法にシールが破られない限り、オペレーターが調整を改ざんできないようにロックされています。この配置は、かなり安全です。^[要出典]

ボイラーの火室の頂部には鉛の可溶栓がある場合があります。水位が下がり、火室の頂部の温度が大幅に上昇すると、鉛が溶けて蒸気が漏れ、作業員に警告が発せられ、作業員は手動で火を消すことができます。最小のボイラーを除き、蒸気漏れは火を弱める効果はほとんどありません。また、栓の面積が小さすぎるため、蒸気圧を大幅に下げてボイラーの圧力を下げることはできません。栓がこれより大きければ、漏れる蒸気の量自体が乗組員を危険にさらすことになります。^[要出典]

ランキンサイクルは、蒸気機関の基本的な熱力学的基礎である。このサイクルは、単純な発電に通常使用されるコンポーネントの配置であり、水の相変化（沸騰した水が蒸気を生成し、排気蒸気が凝縮して液体の水が生成される）を使用して、実用的な熱/電力変換システムを提供する。熱は閉ループの外部に供給され、追加された熱の一部は仕事に変換され、廃熱は凝縮器で除去される。ランキンサイクルは、事実上すべての蒸気発電アプリケーションで使用されている。1990年代には、ランキン蒸気サイクルは、事実上すべての太陽光発電、バイオマス、石炭、原子力発電所 を含む、世界中で使用されるすべての電力の約90％を生成した。このサイクルは、スコットランドの博学者ウィリアム・ジョン・マククォーン・ランキンにちなんで名付けられました。^[71]

ランキンサイクルは、効率的なタービンを使用すると、TS 図がカルノーサイクルに似てくるため、実用的なカルノーサイクルと呼ばれることもあります。主な違いは、熱の付加 (ボイラー内) と除去 (凝縮器内) が、ランキンサイクルでは等圧(一定圧力) プロセスであるのに対し、理論的なカルノーサイクルでは等温(一定温度) プロセスであることです。このサイクルでは、ポンプを使用して、凝縮器から気体ではなく液体として受け取った作動流体を加圧します。サイクル中に液体の作動流体をポンプで送るのに必要なエネルギーは、圧縮機で気体の作動流体を圧縮するのに必要なエネルギー (カルノーサイクル) に比べてごくわずかです。往復蒸気エンジンのサイクルは、シリンダー内または蒸気入口通路で凝縮と再蒸発が発生するため、タービンのサイクルとは異なります。^[61]

ランキンサイクルの作動流体は、作動流体が連続的に循環される閉ループシステムとして動作することも、排気蒸気が直接大気中に放出され、ボイラーに供給される別の水源が供給される「開ループ」システムとして動作することもできます。通常、水は、無毒で化学的に反応しない、豊富、低コスト、熱力学的特性などの好ましい特性のために選択される流体です。水銀は、水銀蒸気タービンの作動流体です。低沸点炭化水素は、バイナリサイクルで使用できます。^{[要出典] [72]}

蒸気機関は熱力学理論の発展に大きく貢献したが、蒸気機関に影響を与えた科学理論の応用は、蒸気と大気圧の力を利用するという当初のコンセプトと、熱と蒸気の特性に関する知識だけだった。ワットがモデル蒸気機関で行った実験的測定は、独立した凝縮器の開発につながった。ワットは潜熱を独自に発見し、これは元の発見者であるジョセフ・ブラックによって確認され、ブラックは実験手順についてもワットに助言した。ワットは圧力による水の沸点の変化にも気づいていた。それ以外では、エンジン自体の改良はより機械的な性質のものであった。^[19]ランキンサイクルの熱力学的概念は、効率を計算するために必要な理解を技術者に与え、現代の高圧高温ボイラーと蒸気タービンの開発に役立った。^[要出典]

エンジン サイクルの効率は、エンジンが生成する機械的作業のエネルギー出力をエンジンに投入されたエネルギーで割ることによって計算できます。

蒸気機関のエネルギー効率を測る歴史的基準は「デューティ」であった。デューティの概念はワットが初めて導入したもので、彼の機関がニューコメンの初期の機関よりどれだけ効率的であるかを示すために使われた。デューティとは、 1ブッシェル（94ポンド）の石炭を燃やすことで得られる仕事のフィートポンド数である。ニューコメンの最も優れた例のデューティは約700万であったが、ほとんどは500万に近かった。ワットのオリジナルの低圧設計は、最高2500万のデューティを実現できたが、平均は約1700万であった。これはニューコメンの平均的な設計の3倍の改善であった。高圧蒸気を備えた初期のワットの機関は、これを6500万に改善した。^[73]

カルノーサイクルよりも効率的な熱機関はありません。カルノーサイクルでは、熱は高温の貯蔵庫から低温の貯蔵庫に移動され、効率は温度差に依存します。効率を最大限に高めるには、蒸気機関は可能な限り高い蒸気温度（過熱蒸気）で運転し、廃熱を可能な限り低い温度で放出する必要があります。^[要出典]

ランキンサイクルの効率は、通常、作動流体によって制限されます。作動流体の圧力が超臨界レベルに達しないと、サイクルが動作できる温度範囲は狭くなります。蒸気タービンでは、タービン入口温度は通常 565 °C (ステンレス鋼のクリープ限界) で、凝縮器温度は約 30 °C です。これにより、理論上のカルノー効率は約 63% になりますが、現代の石炭火力発電所の実際の効率は 42% です。この低いタービン入口温度 (ガスタービンと比較して) が、ランキンサイクルが複合サイクルガスタービン発電所のボトミングサイクルとしてよく使用される理由です。 ^{[引用が必要]}

ランキンサイクルが他のサイクルより優れている主な利点の 1 つは、圧縮段階では作動流体がこの時点では液相であるため、ポンプを駆動するのに比較的少ない作業で済むことです。流体を凝縮することで、ポンプに必要な作業はタービン (または往復エンジン) の電力の 1% から 3% しか消費せず、実際のサイクルの効率が大幅に向上します。この利点は、熱付加温度が低いため、多少失われます。たとえば、ガスタービンでは、タービン入口温度は 1500 °C 近くになります。それでも、実際の大型蒸気サイクルと大型の最新シンプルサイクルガスタービンの効率は、かなりよく一致しています。^[74]

実際には、蒸気を大気中に排出する往復蒸気エンジンサイクルの効率は、通常 1～10% の範囲 (ボイラーを含む) です。ただし、凝縮器、コーリス弁、多重膨張、高蒸気圧/高温を追加することで、大幅に改善される可能性があります。歴史的には 10～20% の範囲で、ごくまれにそれよりわずかに高いこともあります。^[要出典]

蒸気再加熱、エコノマイザなどを備えた現代の大規模発電所（数百メガワットの電力出力を生産）は、40% 台半ばの効率を達成し、最も効率的なユニットでは熱効率が 50% に近づきます。^{[引用が必要]}

また、廃熱をコジェネレーションで回収し、低沸点の作動流体を加熱したり、飽和低圧蒸気を介した地域暖房の熱源として使用したりすることも可能です。 ^[要出典]

• 
  蒸気機関車 -ノーフォーク州シェリンガム近郊ウェイボーンのGNR N2 クラスNo.1744
• 
  ドルトムントのジョン・ファン・デ・リートによる蒸気動力自転車
• 
  蒸気動力の水ポンプを備えた英国の馬牽引消防車

• アニメーションエンジン – さまざまなエンジンを図示します
• Howstuffworks – 「蒸気機関の仕組み」
• 1900 年の外輪船ウンターヴァルデン号に搭載された蒸気機関車のビデオ