複合式蒸気機関

このジレンマに対する解決策は、1804年にイギリスのエンジニア、アーサー・ウルフによって考案され、彼は1805年にウルフ式高圧複式機関の特許を取得しました。複式機関では、ボイラーからの高圧蒸気がまず高圧（HP）シリンダー内で膨張し、その後、1つまたは複数の低圧（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、各シリンダーでの膨張が少ないため、各シリンダーでの蒸気の冷却も少なくなり、より高い膨張比が実現可能となり、機関の効率が向上します。

他にも利点があります。温度範囲が狭いため、シリンダーの凝縮が減少します。凝縮による損失はLPシリンダーに限定されます。各シリンダーの圧力差が小さいため、ピストンとバルブからの蒸気漏れが少なくなります。回転モーメントがより均一になるため、バランス調整が容易になり、より小さなフライホイールを使用できます。最も高い圧力に耐える必要があるのは、より小さなHPシリンダーのみであるため、全体の重量が軽減されます。同様に、コンポーネントにかかる応力が少なくなるため、軽量化できます。エンジンの往復運動部品が軽量化されるため、エンジンの振動が軽減されます。この複合機はサイクルのどの時点からでも始動でき、機械的故障が発生した場合は、複合機を単純なものとしてリセットして運転を継続できます。^{[ 4 ]}

低圧蒸気から同等の仕事量を得るには、蒸気が占める体積が大きいため、より大きなシリンダー容積が必要となる。したがって、低圧シリンダーでは内径、まれにストロークも拡大され、結果としてシリンダーが大型化する。

二段膨張式（通常は単に「複式」と呼ばれる）エンジンは、蒸気を二段階で膨張させますが、これは必ずしもすべてのエンジンが2つのシリンダーを持つことを意味するものではありません。4つのシリンダーが2組の低圧・高圧ペアとして動作する場合もあれば、大きな低圧シリンダーの仕事を2つの小さなシリンダーに分割し、一方の高圧シリンダーからいずれかの低圧シリンダーに排気を流すようにして、3つのシリンダーの直径とピストン径がほぼ同じになるようにした3気筒構成にすることもできます。こうすることで、往復運動する質量のバランスを取りやすくなります。

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–シリンダーが横に並んでいます 
• タンデムコンパウンド–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。 
• 伸縮式複合構造–シリンダーが互いに内側に配置されている 
• アングルコンパウンドエンジン–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。^{[シリンダー位相]} 

複式機関車の採用は、コスト削減で出力向上が求められる定置型産業設備では広く普及し、 1880 年以降は船舶用機関車でもほぼ普遍的に採用されました。鉄道機関車では、複式機関車は複雑で、過酷な鉄道運行環境や車両限界による限られたスペース（特にイギリス）には不向きだと考えられていたため、広くは採用されませんでした。複式機関車はイギリスの鉄道では決して一般的ではなく、1930 年以降は全く採用されませんでしたが、他の多くの国では限定的に使用されました。^{[ 6 ]}

空気より重い固定翼航空機を蒸気動力のみで飛行させることに初めて成功したのは1933年のことで、ジョージとウィリアム・ベスラーがトラベルエア2000複葉機を改造し、通常使用されるカーチスOX-5 直列または星型航空ガソリンエンジンの代わりに、彼らが設計した150馬力の角度複式V型2気筒蒸気エンジンで飛行させた。^{[ 7 ] [ 8 ]}

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生まれます。このようなエンジンは3段または4段の膨張を使用し、それぞれ三段膨張エンジン、四段膨張エンジンと呼ばれます。これらのエンジンは、直径やストローク、ひいては容積が徐々に増加する複動シリンダーを複数使用します。これらのシリンダーは、仕事を3つまたは4つの等しい部分に分割し、各膨張段階に1つずつ割り当てるように設計されています。隣の画像は、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に流れます。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。

• 1781年–コーンウォールでニューコメンの機関の組み立て人の一人の孫であるジョナサン・ホーンブロワーは、1781年に2気筒複式往復ビーム機関の特許を取得した。彼は、自身の特許が侵害されたと主張するジェームズ・ワットによって、それ以上の開発を妨げられた。 ^{[ 9 ]} 
• 1797年–リチャード・トレヴィシックが効果的な高圧蒸気機関を開発。^{[ 10 ]} 
• 1804年–アーサー・ウルフは、1805年に特許を取得した定置式高圧複式機関「ウルフ式高圧蒸気機関」を開発した。ウルフ式機関は、単膨張式高圧蒸気機関における継続的な加熱と冷却の増大による非効率性を軽減した。また、当時の鋳鉄製シリンダーではこの負荷にうまく対応できないという問題も解決した。 

• 1833年–蒸気外輪タグボート「ヘラクレス号」（1829年建造）は、蒸気船「アグリッピーナ号」から取り出した超低圧シリンダーを、高圧シリンダーからの蒸気で使用できるように改造された。この改造はオランダの技師ゲルハルト・モーリッツ・レントゲンによって設計され、^{[ 11 ]}彼が海軍用複合蒸気機関の発明者となった。その後、ヘラクレス号はワール川での運航に成功し、^{[ 12 ]}複合蒸気機関を搭載した最初の船舶として就航した。^{[ 13 ]} 
• 1845年–ウィリアム・マクノートは、既存のビームエンジン内に高圧シリンダーを追加する方法を考案した。そのためには、シリンダーを接続するために長いパイプを使用し、バランスを取るために追加のバルブセットを使用する必要があった。事実上、これは受容器として機能し、新しいタイプの複合装置が発明された。このシステムにより、蒸気の吸入と遮断をより細かく制御できるようになった。エンジンは、蒸気圧を下げるスロットル、またはどちらかのシリンダーの遮断を調整することによって減速できた。後者の方が動力損失がないため、より効率的であった。2つのシリンダーが同位相ではないため、サイクルはより滑らかになった。^{[ 14 ]} 
• 1865年– SSアガメムノン号（1865年）が進水し、300馬力の複式蒸気機関を搭載しました。この機関は、船主の一人であるアルフレッド・ホルトによって設計されました。ホルトは、通常の25psiではなく60psiのボイラー圧力を許可するよう貿易委員会を説得しました。二重膨張の利点を実現するには、より高い圧力が必要でした。得られた効率により、この船は石炭を補給する前に8,500マイル航行することができました。これにより、中国とイギリス間の航路で競争力を持つようになりました。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}    

• 1861年–ダニエル・アダムソンは、1本の梁またはクランクシャフトに3つ以上のシリンダーが接続された多段膨張エンジンの特許を取得しました。彼は、1867年に開業したダキンフィールドのビクトリアミルズのために3段膨張エンジンを製造しました。^{[ 18 ]} 
• 1871年–ル・アーブルのシャルル・ノルマンは、1871年にセーヌ川の船に3段膨張エンジンを取り付けた。^{[ 18 ]} 
• 1872年–フレデリック・J・ブラムウェル卿は、45psiから60psiで動作する複式船舶用エンジンは、指示馬力あたり1時間あたり2ポンドから2.5ポンドの石炭を消費すると報告した。 ^{[ 18 ]}   
• 1881年–アレクサンダー・カーネギー・カークは、三段膨張機関で動力を得た最初の大型船であるSSアバディーン号を建造した。 ^{[ 19 ]}この成功は、三段膨張の利点を実現するために必要だった（当時の）高圧で運転できるボイラーを設計するという問題を解決することにかかっていた。^{[ 20 ] : 106–111} 
• 1887年– 3段膨張機関を搭載した最初の戦艦であるHMSビクトリアが進水した。 ^{[ 21 ]} 
• 1891年– 160psiで動作する三重膨張複式船舶用エンジンは、平均して1時間あたり約1.5ポンドの石炭を指示馬力あたり消費した。^{[ 18 ]}  

最初の工場は水力で動いていたが、蒸気機関が採用されると、製造業者はもはや流水のそばに工場を建設する必要がなくなった。綿紡績は需要を満たすためにますます大きな工場を必要とし、これが所有者にますます強力なエンジンを要求するように促した。ボイラー圧力が60 psiを超えると、複式エンジンは熱力学的に有利になったが、複式エンジンの採用を決定づけたのは、より滑らかなストロークの機械的利点であった。1859年、マンチェスター地域の工場には75,886  ihp（指示馬力^{[ ihp ]}）のエンジンがあり、そのうち32,282 ihpは複式エンジンによるものであったが、60psiを超える圧力で運転されるボイラーから発生したのはわずか41,189 ihpであった。^{[ 22 ]}

概して言えば、1860年から1926年の間、ランカシャーのすべての製粉所は複式機関で駆動されていた。最後に製造された複式機関は、バックリーとテイラーがショーのワイ第2製粉所向けに製造したものであった。この機関はクロスコンパウンド設計で、出力は2,500 ihp、直径24 フィート、重量90トンのフライホイールを駆動し、1965年まで稼働していた。^{[ 23 ]}

海洋環境では、船舶が石炭を積載する必要があったため、自律性と航続距離の延長が一般的に求められていました。そのため、従来の海水ボイラーでは不十分となり、凝縮器を備えた密閉式の淡水回路に置き換える必要がありました。1880年以降、その結果として、3段または4段の膨張段を使用する多段膨張エンジン（三段膨張エンジンおよび四段膨張エンジン）が開発されました。これらのエンジンは、直径および/またはストローク（したがって容積）が段階的に増加する複動シリンダーのシリーズを使用し、各膨張段で仕事を3つまたは4つの適切な等しい部分に分割するように設計されていました。スペースが限られている場合は、低圧段に総容積の大きい2つの小型シリンダーを使用することもありました。多段膨張エンジンのシリンダーは通常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。 Y-S-Tエンジンは、低圧膨張段をエンジンの両端に配置された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向上し、よりスムーズで応答性の高い、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段膨張エンジンは大型客船（オリンピック級など）で人気を博しましたが、最終的には振動がほとんどない蒸気タービンに取って代わられました。

このタイプのエンジンの開発は、蒸気船での使用において重要でした。なぜなら、凝縮器に排気することで水を回収し、海水を使用できないボイラーに供給することができたからです。陸上の蒸気機関は、給水が通常容易に入手できるため、蒸気の大部分を排気するだけで済みました。第二次世界大戦前と戦中、膨張機関は高速船速が必須ではない船舶用途で主流でした。軍艦や客船など、速度が要求される場合は、蒸気タービンに取って代わられました。 1905年のHMSドレッドノートは、実績のある往復動エンジンの技術を、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した。 

鉄道機関車用途において、コンパウンディングによって得られる主な利点は、燃料と水の消費量の削減に加え、より長いサイクルで温度と圧力が低下することによる高い出力重量比であり、これにより効率が向上する。さらに、トルクの均一性が向上するという利点も認識されていた。

複式機関車の設計は、ジェームズ・サミュエルが1856年に取得した「連続膨張機関車」の特許にまで遡る可能性があるが^{[ 24 ]} 、鉄道複式の実際的な歴史は、 1870年代のアナトール・マレの設計から始まる。マレの機関車は、米国ではノーフォーク・アンド・ウェスタン鉄道によって幹線蒸気機関車の終焉まで運行された。フランスのアルフレッド・ジョルジュ・ド・グレンの設計も、特にアンドレ・シャペロンの改造において重要な役割を果たした。1900年頃にはさまざまな複式設計が試されたが、その複雑さとメンテナンスの手間のため、ほとんどが短命に終わった。20世紀には過熱器が広く採用され、蒸気機関車の大多数は単純膨張式となった（一部の複式機関車は単純膨張式に改造された）。技術者たちは、定速運転中の機関車は、レギュレーターを全開にし、逆転装置で設定する早期の蒸気遮断を行うことで最も効率的に運転できることに気づいた。蒸気遮断を非常に早い段階（例えばピストンストロークの15%）で行うことで、蒸気の膨張を最大限に高め、ストローク終端でのエネルギー損失を減らすことができる。過熱により、このような膨張に伴って発生する凝縮と急激な圧力低下が解消される。

大型のアメリカ製機関車は、列車のブレーキに、例えばウェスティングハウス 8 1/2" 150-D ^{[ 25 ]}のような、2 台のクロスコンパウンド式蒸気駆動空気圧縮機を使用していた。