船舶用蒸気機関

船舶用蒸気エンジンは、船舶やボートの動力源として使用される蒸気エンジンです。この記事では、 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最後の年まで使用されていた往復動型の船舶用蒸気エンジンを主に扱います。往復動型蒸気エンジンは、20 世紀に船舶用途で徐々に蒸気タービンや船舶用ディーゼル エンジンに置き換えられました。

最初の商業的に成功した蒸気機関は、 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、よりコンパクトなエンジン配置が可能になりました。イギリスで蒸気機関が海洋用途にうまく適応したのは、ニューコメンのほぼ1世紀後、スコットランドの技術者ウィリアム・サイミントンが1802年に世界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・ラムゼイとジョン・フィッチは、米国で初めて蒸気船を建造しました。ラムゼイは1787年にポトマック川で蒸気船の設計を公開しましたが、フィッチは1790年にデラウェア川で旅客サービスを開始するというテストに成功し、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、 単にノースリバー蒸気船として知られる世界初の商業的に成功した蒸気船を建造しました。

フルトンの成功に続き、大西洋の両側で蒸気船の技術が急速に発展した。蒸気船は当初航続距離が短く、重量、低出力、故障しやすいことから特に耐航性は高くなかったが、河川や運河、海岸沿いの短距離航海では効果的に使用された。蒸気船による最初の大西洋横断は1819年、ジョージア州サバンナからイギリスのリバプールまでサバンナ号が航海した時であった。定期的に大西洋を横断した最初の蒸気船は1838年の舷外輪船グレート・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の技術は互いに並行して発展しました。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、伝統的な木製船体に代わる鉄、後に鋼鉄の船体が導入されたことで、船はますます大型化し、ますます複雑で強力な蒸気発電所が必要になりました。^[4]

19 世紀を通じて、多種多様な往復動型船舶用蒸気エンジンが開発されました。このようなエンジンを分類する主な方法は、接続機構とシリンダー技術の 2 つです。

初期の船舶エンジンのほとんどは同じシリンダー技術（単純な膨張、下記参照）を採用していましたが、クランクシャフトに動力を供給するためのさまざまな方法（つまり接続機構）が​​使用されていました。したがって、初期の船舶エンジンは主に接続機構によって分類されます。一般的な接続機構には、サイドレバー、尖塔、ウォーキングビーム、および直接作用型があります（次のセクションを参照）。

ただし、蒸気エンジンはシリンダー技術 (単膨張、複膨張、環状など) によっても分類できます。したがって、両方の方法で分類されたエンジンの例を見つけることができます。エンジンは複合ウォーキング ビーム タイプである可能性があり、複合はシリンダー技術、ウォーキング ビームは接続方法です。時間が経つにつれて、ほとんどのエンジンが直動式になり、シリンダー技術がより複雑になったため、人々はエンジンをシリンダー技術のみで分類し始めました。

より一般的に見られる船舶用蒸気エンジンの種類については、次のセクションにリストされています。これらの用語はすべて船舶用途に限定されているわけではないことに注意してください。

サイドレバーエンジンは、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エンジンでした。^{[5] [6]蒸気航行の初期（1815年頃以降）には、サイドレバーはヨーロッパの内陸水路と沿岸航路用の最も一般的なタイプの船舶エンジンであり、}大西洋の両側で外洋航行用の好ましいエンジンとして長年使用されていました。^[7]

サイドレバーは、最も初期の蒸気エンジンであるビームエンジンを改良したものです。典型的なサイドレバーエンジンには、サイドレバーと呼ばれる一対の重い水平方向の鉄の梁があり、中央でエンジンの底部にピンで接続されています。この接続により、レバーが限られた円弧内で旋回できます。これらのレバーは、シリンダー側で、垂直エンジンシリンダーの底部の両側まで伸びています。ピストンに垂直に接続されたピストンロッドは、シリンダーの上部から伸びています。このロッドは水平クロスヘッドに取り付けられ、両端が垂直ロッド（サイドロッドと呼ばれる）に接続されています。これらのロッドは、シリンダーの両側のレバーに接続されています。これにより、エンジンのシリンダー側でレバーがピストンに接続されます。レバーのもう一方の側（シリンダーに対するレバーピボットの反対側の端）は、水平クロステールで互いに接続されています。このクロステールは、クランクシャフトを回転させる単一のコネクティングロッドに接続されてこれを操作します。クランクシャフトの回転はレバーによって駆動され、シリンダー側ではピストンの垂直振動によって駆動されました。^[8]

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あった。^[6]内陸水路や沿岸での使用では、より軽量で効率的な設計がすぐに取って代わった。しかし、19世紀前半の大部分を通じて、外洋航行用の主流エンジンタイプであり続けた。これは、重心が比較的低く、荒波でも船が安定していたためである。^[7]また、比較的高さが低いため戦闘による損傷を受けにくかったため、軍艦用の初期の一般的なエンジンタイプでもあった。 ^{[9] 1820年に最初のイギリス海軍の蒸気船が就役してから1840年までに、70隻の蒸気船が就役し、その大部分はサイドレバーエンジンを搭載し、ボイラーの最大圧力を4psiに設定した。 [9]}蒸気圧が低いため、サイドレバーエンジンのシリンダーサイズは大きくなったが、ピストンにかかる有効圧力は、ボイラー圧力とコンデンサー内の真空との差であった。

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の駆動には適していませんでした。大西洋横断サービス用に建造されたサイドレバーエンジンを搭載した最後の船は、キュナードラインの外輪船RMS スコシアであり、1862年に就航した当時は時代錯誤とみなされていました。^[10]

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  SS パシフィックのサイドレバーエンジン (1849)
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  RMSペルシャのサイドレバーエンジン(1855)
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  1836年テムズ川の蒸気船ルビーのツインサイドレバーエンジンの模型
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  スコットランドのダンバートンに展示されている、 PSレーベン社製の初期のネイピア サイドレバー エンジン

グラスホッパーまたは「ハーフレバー」^[11]エンジンは、サイドレバーエンジンの派生型である。グラスホッパーエンジンは、従来のサイドレバーとはレバーピボットとコネクティングロッドの位置がほぼ逆になっている点で異なり、ピボットはレバーの中央ではなく一方の端に配置され、コネクティングロッドは一方の端のシリンダーともう一方の端のピボットの間にレバーに取り付けられている。^[12]

グラスホッパーエンジンの主な利点は、構造が安価で頑丈なことであり、他のどのタイプの船舶用蒸気エンジンよりもメンテナンスの手間が少ないと言われている。もう1つの利点は、クランクのどの位置からでもエンジンを簡単に始動できることである。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あった。主に川船やタグボートなどの小型船舶で使用された。^[12]

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、米国で使用されていた外輪エンジンの一種です。アメリカの蒸気航行の初期の頃には最も一般的なタイプのエンジンでした。^[13]

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ていると説明されています。クロスヘッドの両端、シリンダーの反対側から、独自のクランクシャフトを回転させるコネクティングロッドが伸びています。^[14]クロスヘッドは垂直ガイド内を移動し、アセンブリが移動するときに正しい経路を維持しました。^[15]このエンジンの別名である「Aフレーム」は、おそらくこれらのガイドをサポートするフレームの形状に由来しています。クロスヘッドエンジンの中には、複数のシリンダーを備えたものもあり、その場合、ピストンロッドは通常、すべて同じクロスヘッドに接続されていました。このタイプのエンジンの初期の例の珍しい特徴は、クランクシャフトにギアで接続されたフライホイールの設置でした。これは、スムーズな動作を確保するために必要であると考えられていました。これらのギアは、動作中にしばしば騒音を発しました。

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、外洋航行には不向きとみなされました。^[16]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。^[14] 19世紀を通じて船舶エンジンが着実に大型化、重量化するにつれ、スクエア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ウォーキングビームエンジンを採用してこのエンジンを放棄しました。^[17]

このエンジンの名前は混乱を招く可能性があります。なぜなら、「クロスヘッド」はスティープル エンジン (下記) の別名でもあるからです。そのため、多くの情報源では混乱を避けるために、このエンジンを「スクエア」エンジンという非公式な名前で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、ボアとストロークが等しいエンジンを指します。

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  クロスヘッドまたは「スクエア」エンジンのモデル。クランクシャフトの上のエンジンシリンダーの位置を示します。ピストンロッド、クロスヘッド、コネクティングロッド、パドルホイールも示します。
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  典型的なハドソン川の蒸気船のクロスヘッドエンジンの図（側面図）
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  1836 年の外輪船ニューヨーク。外輪の間には背の高い四角形の「A フレーム」エンジンがあり、その中にはストロークの頂点近くに長いピストン ロッドがあり、水平のクロスヘッドと「T」の形をしています。

ウォーキング ビームは「垂直ビーム」、「オーバーヘッド ビーム」、または単に「ビーム」とも呼ばれ、ビーム エンジンの初期の改良版の 1 つですが、その使用はほぼ完全に米国に限定されていました。^[18]導入後、ウォーキング ビームはすぐに米国で内陸水路および沿岸サービス用の最も人気のあるエンジン タイプになりました。このタイプは驚くほど長持ちすることが証明され、ウォーキング ビーム エンジンは 1940 年代後半まで時折製造されていました。海洋用途では、ビーム自体は通常、特徴的なダイヤモンド形状を与える鉄製の支柱で補強されていましたが、ビームを支えるサポートは木製であることが多かったです。「ウォーキング」という形容詞が付けられたのは、船の甲板から高く上昇するビームが稼働しているのが見え、その揺れる動きが (いくぶん空想的に) ウォーキング動作に似ているためでした。

ウォーキングビームエンジンは外輪エンジンの一種で、プロペラの動力源としてはあまり使われなかった。主に川や湖、海岸沿いを航行する船やボートに使われたが、エンジンの高さが荒波での船の安定性を低下させたため、外洋航行用の船舶にはあまり使われなかった。^[19]また、エンジンが敵の攻撃にさらされ、簡単に故障してしまうため、軍事用途にもあまり使われなかった。米国でウォーキングビームエンジンが人気だったのは、主にアメリカの浅い沿岸水路や内陸水路で運航する浅喫水のボートにウォーキングビームエンジンが適していたためである。 ^[18]

ウォーキング ビーム エンジンは、20 世紀初頭までアメリカの船会社や遊覧船で人気を博しました。ウォーキング ビーム エンジンは 19 世紀後半には技術的に時代遅れでしたが、動く「ウォーキング ビーム」を見たいと願う遊覧船の乗客の間では人気を博しました。ウォーキング ビーム エンジンがアメリカで維持されたのには技術的な理由もありました。ウォーキング ビーム エンジンは製造が容易で、製造にそれほど精密さを必要としなかったからです。エンジンのメイン フレームには木材を使用でき、より現代的なエンジン設計で一般的に使用される鉄鋳物よりもずっと低コストでした。燃料もアメリカではヨーロッパよりもずっと安かったので、ウォーキング ビーム エンジンの効率の低さはそれほど問題にはなりませんでした。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世紀中期から後半にかけてのアメリカの造船業がイギリスの造船業に対して全般的に競争力を欠いていたのは、ウォーキングビームやそれに付随する外輪船などの時代遅れの技術が世界の他の地域では放棄されていたにもかかわらず、頑固にそれらの技術に固執していたアメリカ国内の造船業者や船会社の所有者の保守主義のせいだと非難した。^[20]

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  ウォーキングビームエンジンの基本図
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  USS デラウェア （1861年）。船体の中央部にダイヤモンド型の「ウォーキングビーム」がはっきりと見える。

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とサイドレバーの両方に共通するビームコンセプトから脱却し、より小型で軽量、効率的な設計を考案した初期の試みでした。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方向の揺れに変換されませんが、代わりにクロスヘッドと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介して動かすために使用され、それが下のクランクシャフトコネクティングロッドを回転させます。^[21]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の上の三角形のアセンブリは、エンジンに特徴的な「尖塔」形状を与え、それが名前の由来です。

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いが、横幅がずっと狭いため、スペースと重量の両方を節約できる。高さと重心が高いため、ウォーキングビームと同様に外洋航行にはあまり適していないと考えられていたが、数十年にわたって、特にヨーロッパでは内陸水路や沿岸船舶で非常に人気があった。^[22]

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ました。^[23]スティープルエンジンは徐々にさまざまなタイプの直動エンジンに取って代わられました。

サイアミーズエンジンは「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、ビームエンジンまたはサイドレバーエンジンの初期の代替品でした。このタイプのエンジンには、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ており、ピストンロッドは共通のT字型クロスヘッドに接続されています。クロスヘッドの垂直アームは2つのシリンダーの間に伸び、下部でクランクシャフト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接続されており、アセンブリが移動するときに正しい経路を維持できるようにしています。^[24]

シャムエンジンはイギリスの技術者ジョセフ・モーズリー（ヘンリー1世の息子）によって発明されたが、彼がこれを振動エンジン（下記参照）の後に発明したにもかかわらず、置き換えるため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て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なかった。^{[25]しかし、スクリュープロペラを装備した最初の軍艦である}HMS ラトラーを含む、20世紀半ばの多くの軍艦で使用された。

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  シャムエンジンの基本図
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  サイアミーズ接続機構を備えた環状エンジンの図（下記参照）
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  HMSレトリビューション(1844)のシャムエンジン

19世紀の文献には、直動エンジンの定義が2つあります。前者の定義では、「直動」という用語をビームエンジン（ウォーキングビーム、サイドレバー、グラスホッパー）以外のあらゆるタイプのエンジンに適用しています。後者の定義では、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与えるエンジンにのみこの用語を使用しています。 ^[26]特に断りがない限り、この記事では後者の定義を使用しています。

サイドレバーエンジンやビーム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することができる。直動式エンジンは、低いプロファイルを提供するだけでなく、ビームエンジンやサイドレバーエンジンよりも小型で重量がかなり軽いという利点があった。イギリス海軍は、平均して直動式エンジン（初期の定義）は、同等のパワーのサイドレバーエンジンに比べて重量が40％軽く、エンジンルームのサイズも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、摩耗しやすく、メンテナンスが必要になることである。^[25]

振動エンジンは直動式エンジンの一種で、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。振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ある。これを実現するために、エンジンシリンダーはほとんどのエンジンのように固定されているのではなく、中央でトラニオンによって固定されており、クランクシャフトの回転に合わせてシリンダー自体が前後に旋回できるようにしている。これが振動エンジンという用語の由来である。 ^[27]蒸気はトラニオンを通じて供給および排出される。シリンダーの振動運動は通常、トラニオンのポートを整列させて、蒸気の供給と排気を適切なタイミングでシリンダーに導くために使用された。しかし、振動運動によって制御される別のバルブが提供されることもよくあった。これによりタイミングを変えて拡張作業が可能になった（外輪船 PDクリッペンのエンジンのように）。これによりシンプルでありながら、コンパクトさの利点が維持されている。

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ましたが、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ます。振動エンジンは19世紀のほとんどの間、人気のあるタイプの船舶エンジンであり続けました。^[27]

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  モーズレイ振動エンジンのモデル
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  HMSブラック イーグルの振動式外輪エンジン。振動式エンジンは、外輪またはプロペラの駆動に使用できます。
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  1853年にロンドンのJ. & A. Blyth社がオーストリアの外輪船Orsova号のために製造した振動エンジン

トランクエンジンは、別のタイプの直動エンジンであり、もともとは長いストロークを維持しながらエンジンの高さを低くする手段として開発されました。（当時は、長いストロークは部品への負担を軽減するため重要であると考えられていました。）

トランク エンジンでは、大径の中空ピストン内にコネクティング ロッドが配置されています。この「トランク」にはほとんど負荷がかかりません。トランクの内部は外気とつながっており、ピストン ヘッドのガジョン ピンを外側のクランクシャフトに リンクするコネクティング ロッドの左右の動きに対応できるほどの幅があります。

トランクの壁はピストンにボルトで固定されるか、ピストンと一体に鋳造され、ピストンとともに前後に動く。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の中心を通過している。^{[28] [29]}

トランク エンジンの初期の例では、シリンダーが垂直でした。しかし、造船業者は、このタイプはキールに水平に横たわるほどコンパクトであることにすぐに気付きました。この構成では、敵の攻撃から可能な限り安全で、船の水面下に完全に収まるほど低いプロファイルであったため、海軍にとって非常に便利でした。このタイプは、ジョン ペンによって軍事用に一般に製造されました。

トランクエンジンは19世紀半ばの軍艦では一般的でした。^[29]また、小型で重心が低いという利点があったものの、商用船にも使われていました。トランクエンジンは、 19世紀後半に普及したボイラーの高圧化には適さず、建造者たちはトランクエンジンを放棄して他の解決策を採用しました。^[29]

トランクエンジンは通常大型だが、クリミア戦争用に小型で大量生産可能な高回転・高圧型が作られた。このタイプは非常に効果的であったため、後の砲艦にも使用された。^[30]砲艦タイプのオリジナルのトランクエンジンは、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る。1872年に沈没した後、1985年にSS ザント号から引き上げられ、現在は手で回転させることができる。^{[31]エンジンのコンパクトな性質を示す動作モードは、}ザント号プロジェクトのウェブサイトで見ることができる 。^[32]

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  トランクエンジンのイラスト
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  HMS ベレロフォンのトランクエンジンの断面図。左側にエンジンシリンダー、環状ピストンとトランクアセンブリ、トランク内のコネクティングロッドが示されています。
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  HMS ウォーリア (1860)のトランクのエンジンを見下ろしたところ。右側のトランクからコネクティング ロッドが出ているのが見えます。

振動レバーエンジン、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技術者のジョン・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、アメリカ連邦政府のモニター艦に動力を供給するために、トランクエンジンのような小型で薄型のエンジンを必要としていた。モニター艦は、南北戦争中に開発された軍艦の一種で、従来の動力装置を設置するスペースがほとんどなかった。^[33]しかし、トランクエンジン自体は、重量の大部分がシリンダーとトランクを含むエンジン側に集中していたため、この目的には適していなかった。この問題は、小型のモニター軍艦では設計者が補うことができなかった。

外部ビデオ
USSモニターの振動レバーエンジンの模型が作動中

エリクソンは、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使用して中央にあるクランクシャフトを回転させることによってこの問題を解決しました。^[33]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ましたが、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に限定されていました。^[34]また、従来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ました。

バックアクティングエンジンはリターンコネクティングロッドエンジンとも呼ばれ、非常に低いプロファイルになるように設計された別のエンジンです。バックアクティングエンジンは、事実上、船のキールの上に垂直に立つのではなく、水平に横たわる改良されたスティープルエンジンでした。^[34]ただし、典型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、クロスヘッドで終わる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の反対側のエンジン側から「戻る」または戻ってきて、中央にあるクランクシャフトを回転させるという事実に由来しています。^[35]

バックアクティングエンジンは、19世紀半ばに軍艦と商用船の両方で人気があった別のタイプのエンジンでしたが、急速に技術が変化したこの時代の他の多くのエンジンタイプと同様に、最終的には他の解決策に置き換えられました。現在アメリカ商船博物館の展示の中心となっているTVエメリーライス（旧USS レンジャー）のバックアクティングエンジンが1台だけ現存していることが知られています。^{[36] [37]}

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  USS レンジャーの逆作動エンジンの図
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  HMSアジャンクールの連接棒エンジン(1865)

19世紀を通じて蒸気船のサイズとトン数が着実に増大するにつれ、低姿勢、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解放されたエンジニアは、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^[26]（より正確には垂直逆直接作用エンジン）がますます優位になりました。

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は、2つの間でほぼ直線を形成します。^[26]この構成は、現代の内燃機関の構成に似ています（1つの顕著な違いは、蒸気エンジンは複動式であることです。以下を参照）。一方、ほとんどの内燃機関は、下向きのストロークでのみ動力を生成します。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ため、「ハンマー」、「フォージハンマー」、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。 [ ^38]

19世紀末には、垂直エンジンが他のほぼすべてのタイプの船舶用蒸気エンジンに取って代わった。^{[26] [38]}垂直エンジンは非常に一般的になったため、通常はそのように呼ばれることはなく、代わりにシリンダー技術に基づいて、つまり複膨張、三重膨張、四重膨張などと呼ばれる。このタイプのエンジンの「垂直」という用語は不正確である。なぜなら、技術的にはシリンダーが垂直に向いている場合、どのタイプの蒸気エンジンも「垂直」であるためである。誰かが「垂直」と表現するエンジンは、無条件に「垂直」という用語を使用しない限り、垂直逆直接作用型ではない可能性がある。

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  シンプルな「ハンマー」エンジンの図
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  USS ウィスコンシン （BB-9）の垂直三段膨張エンジン。この写真では、シリンダー、ピストンロッド、コネクティングロッド、クランクシャフトの典型的な垂直エンジン配置がはっきりと確認できます。

単膨張エンジンは、蒸気を 1 段階のみで膨張させる蒸気エンジンです。つまり、すべてのシリンダーが同じ圧力で作動します。船舶エンジン開発の初期段階では、これが圧倒的に最も一般的なタイプのエンジンであったため、「単膨張」という用語はめったに使用されません。特に断りのない限り、エンジンは単膨張であると想定されます。

複合エンジンは、シリンダーを複数の段階、異なる圧力レベルで作動させる蒸気エンジンです。複合エンジンは効率を向上させる方法でした。複合エンジンが開発されるまで、蒸気エンジンは蒸気を一度だけ使用し、その後ボイラーに再循環していました。複合エンジンは、最初に蒸気を 1 つ以上のより大きく、より低圧の 2 番目のシリンダーに再循環させ、その熱エネルギーをより多く利用します。複合エンジンは、船の経済性または速度のいずれかを向上させるように構成できます。大まかに言えば、複合エンジンは、任意の数の異なる圧力シリンダーを備えた蒸気エンジンを指すことができますが、この用語は通常、蒸気を 2 段階のみで膨張させるエンジン、つまりシリンダーを 2 つの異なる圧力のみで作動させるエンジン (または「二重膨張」エンジン) を指します。^[39]

複式エンジン（多膨張エンジンを含む、下記参照）には、可変圧力シリンダーのセットが複数ある場合があ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つある場合や、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。多膨張エンジンではなく複式（または二重膨張エンジン）である理由は、圧力がxとyの2つしかないことです。^[40]

船に初めて搭載されたとされる複合エンジンは、 1824年にアメリカ人技術者のジェームズ・P・アライアがヘンリー・エックフォードに取り付けたものだった。しかし、多くの資料では、海洋複合エンジンの「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だとしている。エルダーは複合エンジンを改良し、初めて海洋横断航海に安全かつ経済的なものにした。^{[41] [42]}

船舶用複合エンジンの利点を最大限発揮させるには、英国商務省が定めたボイラー圧力の上限である平方インチ当たり25ポンド（170kPa）よりも高い圧力が必要であった。船主で技術者のアルフレッド・ホルトはより高いボイラー圧力の認可を取り付け、 1865年にボイラー圧力を60psi（410kPa）で稼働するSS アガメムノン号を進水させた。より高いボイラー圧力と複合エンジンの組み合わせにより燃料効率が大幅に向上し、 1869年にスエズ運河が開通する前から、英国から中国への航路で蒸気船が他の船に勝ることが可能となった。^[43]

三段膨張エンジンは、蒸気を3段階で膨張させる複合エンジンで、例えば、3つの異なる圧力で3つのシリンダーを持つエンジンがある。四段膨張エンジンは、蒸気を4段階で膨張させる、という具合である。^[40]しかし、上で説明したように、膨張段の数によってエンジンが定義されるのであって、シリンダーの数ではない。例えば、RMSタイタニック号には4シリンダーの三段膨張エンジンがあった。^[44]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 アバディーンのために製造したエンジンだった。 ^{[45] 1874年にSS}プロポンティスでほぼ同じエンジンを使った以前の実験では、ボイラーに問題があった。150psi（1,000kPa）で稼働していた最初の設備を、わずか90psi（620kPa）で稼働する別の設計に交換する必要があった。これでは三段膨張の経済的利益を十分に実現するには不十分だった。アバディーンには、125 psi (860 kPa) で稼働する両端スコッチ型鋼製ボイラーが 2 基装備されていました。これらのボイラーには特許取得済みの波形炉が装備されており、熱伝達とボイラー圧力に耐える十分な強度という相反する問題を克服しました。これが技術的な解決策となり、アバディーンが就航してから数年以内に、ほぼすべての新造外洋蒸気船に三段膨張エンジンが搭載されるようになりました。^{[46] : 106–111}

多段膨張エンジンの製造は20世紀に入っても続いた。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を搭載していた。これは米国の船舶用蒸気タービンの製造能力が軍艦の建造に完全に向けられていたためである。戦争中の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。戦争の終わりに向けて、タービン駆動のビクトリー船の製造数が増加した。^[47]

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  ジョシュア・ヘンディの三段膨張エンジン
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  リディア・エヴァ号（蒸気船）の三段膨張エンジン
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  1907年の外洋タグボート「ヘラクレス」の三段膨張エンジン
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  140 トン (135 トンとも呼ばれる) の垂直三段膨張エンジンは、第二次世界大戦の リバティ船の動力源として使用され、納入前にテスト用に組み立てられたものです。エンジンは長さ 21 フィート (6.4 メートル)、高さ 19 フィート (5.8 メートル) で、毎分 76回転で作動し、リバティ船を約 11 ノット (13 mph、20 km/h) で推進するように設計されました。

アニュラーエンジンは、環状（リング状）のシリンダーを備えた珍しいタイプのエンジンです。^[48]アメリカの先駆的エンジニア、ジェームズ・P・アライアの初期の複合エンジンのいくつかは、より大きなリング状の低圧シリンダーの中央に小さな高圧シリンダーを配置したアニュラータイプでした。^[49]トランクエンジンは、別のタイプのアニュラーエンジンです。3番目のタイプの海洋用アニュラーエンジンは、サイアミーズエンジン接続メカニズムを使用していましたが、2つの別々のシリンダーの代わりに、クロスヘッドの垂直アームの周りに巻き付けられた単一の環状シリンダーを持っていました（上記の「サイアミーズ」の図を参照）。^[50]

当時の船舶エンジンに関する文献には、他にもいくつかの用語が出てきます。以下に挙げるこれらの用語は、通常、上に挙げた 1 つ以上の基本的なエンジン分類用語と組み合わせて使用​​されます。

単純エンジンとは、エンジンに取り付けられたシリンダーの数に関係なく、蒸気の単一の膨張で動作するエンジンです。19 世紀中頃まで、ほとんどの船舶にはシリンダーが 1 つだけのエンジンが搭載されていましたが、複数のシリンダーを備えた単純エンジンや、複数のエンジンを搭載した船舶もありました。

複動式エンジンは、ピストンの両側に蒸気が供給されるエンジンです。以前の蒸気エンジンは蒸気を一方向にのみ供給し、運動量または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用してピストンを両方向に動かすため、回転速度と出力が向上します。^[51]「単純エンジン」という用語と同様に、「複動」という用語は、ほとんどすべての船舶エンジンが複動型であったため、文献ではあまり見られません。

これらの用語は、エンジン シリンダーの方向を指します。垂直シリンダーは垂直に立っており、ピストン ロッドはその上 (または下) で作動します。垂直倒立エンジンは、クランク シャフトがシリンダーの真下に取り付けられた垂直シリンダー配置として定義されます。傾斜型または水平型の場合、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、傾斜して作動する倒立シリンダーです。これらの用語はすべて、上記のエンジン タイプと組み合わせて使用​​されるのが一般的です。したがって、水平直接作用エンジンや傾斜複合複動エンジンなどがあります。

傾斜シリンダーと水平シリンダーは、その配置によりエンジンのプロファイルを可能な限り低く保ち、損傷を受けにくくするため、海軍艦艇では非常に有用であった。^[52]また、低プロファイルの船舶や船舶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には、垂直シリンダーと比較して振動の量を減らすという利点があった。

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ギアが上向きになっており、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付けられていました。^{[53] [54]} 19世紀後半にかけてエンジンがより高速で強力になったため、ギアはほぼ普遍的に不要になり、プロペラはエンジンと同じ回転速度で回転しました。この直接駆動配置は機械的に最も効率的であり、往復蒸気エンジン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。

• 蒸発器（船舶用） -海水からボイラー給水を得るための装置
• ガーディアンバルブ
• 蒸気船
• 蒸気機関

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• YouTube の USS モニターの振動レバーエンジン模型のビデオ
• YouTube の傾斜型逆振動エンジンのビデオ
• YouTube の伝統的なサイドホイール蒸気船ウォーキング ビーム エンジン