蒸気機関

JŽ 06-018 蒸気機関車、リュブリャナ、スロベニア
ジェームズ・ワットの平行リンク機構を備えたダブルアクションビームエンジンのモデル[ a ]
イギリス、カンブリア州ストット・パーク・ボビン・ミルの水車エンジン
東ドイツの蒸気機関車[ b ]
ケムナの蒸気耕起エンジン

蒸気機関は、蒸気を作動流体として用いて機械的な仕事を行う熱機関です。蒸気機関は、蒸気圧によって発生する力を利用して、シリンダー内のピストンを往復させます。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、仕事に用いられます。「蒸気機関」という用語は通常、往復動機関を指しますが、蒸気タービンやヘロスのアイオロスの球などの装置も「蒸気機関」と呼ぶ専門家もいます。蒸気機関の本質的な特徴は、外燃機関[ 1 ]であり、作動流体と燃焼生成物が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、鉄道蒸気機関車やポータブルエンジンなどの完全な蒸気装置（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式蒸気機関のようにピストンまたはタービンの機械部分のみを指す場合もあります。

アイオロスの球などの蒸気駆動装置は1世紀には知られており、16世紀にも他のいくつかの用途が記録されている。[ 2 ] 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送水ポンプを発明し特許を取得した。[ 3 ]トーマス・セイヴァリは、蒸気圧を水に直接作用させる蒸気ポンプという、初めて商業的に使用された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。1764年、ジェームズ・ワットは使用済みの蒸気を別の容器に移して凝結させることで重要な改良を行い、消費された燃料単位あたりの仕事量を大幅に向上させた。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力源としていた。蒸気エンジンは外輪船の帆に取って代わり、蒸気機関車は鉄道を走った。

往復ピストン式蒸気機関は、20世紀初頭まで主要な動力源でした。定置型蒸気機関の効率は1922年頃まで劇的に向上しました。[ 4 ]ランキンサイクル効率の最高値91%と複合熱効率31%は、1921年と1928年に実証・発表されました。[ 5 ]電動モーターと内燃機関 の設計の進歩により、商業利用における蒸気機関は徐々に置き換えられていきました。蒸気タービンは、低コスト、高運転速度、高効率という理由から、発電において往復エンジンに取って代わりました。[ 6 ]小型蒸気タービンは大型のものに比べて効率がはるかに低いことに注意してください。[ 7 ]

2023年現在、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。[ 8 ]

歴史

初期の実験

ギリシャ、アテネのコツアナス古代ギリシャ技術博物館にあるヘロンのアイオロスの球の大型復元図。

記録に残る原始的な蒸気機関としては、1世紀にローマ帝国時代のエジプトで数学者および技術者として活躍したアレクサンドリアのヘロンによって記述されたアイオロスの球がある。 [ 9 ]その後の数世紀に知られた数少ない蒸気機関は、アイオロスの球と同様、[ 10 ]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年にオスマン帝国時代のエジプトでタキ・アル＝ディン[ 11 ]によって、 1629年にイタリアでジョヴァンニ・ブランカ[ 12 ]によって記述されている。 [ 13 ] 1601年、ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは、蒸気の圧力を利用して水柱を立てる装置を記述している。[ 14 ]スペインの発明家ジェロニモ・デ・アヤンスは、 1606年に水浸しの鉱山を排水するための水ポンプなど、50件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・デ・コーは太陽エネルギーで動く大気圧エンジンを開発した。[ 16 ]フランス人のデニス・パパンは1679年に蒸気蒸解釜に関する有用な研究を行い、1690年には初めてピストンを使って重りを持ち上げている。[ 17 ]

ポンプエンジン

最初の商用蒸気駆動装置は、1698年にトーマス・セイヴァリによって開発された水ポンプでした。[ 18 ]このポンプは、凝縮蒸気を利用して真空状態を作り出し、下から水を汲み上げ、蒸気圧を利用してさらに高い位置まで水を汲み上げました。小型エンジンは効果的でしたが、大型モデルは問題を抱えていました。揚程が非常に限られており、ボイラーの爆発を起こしやすかったからです。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などに使用されました。[ 19 ]セイヴァリのエンジンの利点の一つは、その低コストでした。[ 20 ]ポルトガルのベント・デ・モウラは、セイヴァリのエンジンの構造を改良し、「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の中でジョン・スミートンは述べています。 [ 21 ]このエンジンは18世紀後半まで製造され続けました。[ 22 ] 1820年には、少なくとも1台のエンジンが稼働していたことが知られています。[ 23 ]

ピストン蒸気機関

ヤコブ・ロイポルドの蒸気機関、1720年

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、 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でした。 [ c ] [ 25 ]これは、パピンが提案したピストンを用いたサヴェ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させることで部分的な真空状態を作り出すことで動作します。このエンジンは、従来の方法では不可能だった深さの鉱山の採掘跡を排水したり、適切な「落差」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ました。水車を通過した水は、水車上部の貯水池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生み出す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、彼の主著『水圧機械劇場』に掲載された。[ 30 ]この機関は、水ポンプに動力を与えるために2つの重いピストンを用いていた。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方弁を備えていた。

初期のワット揚水エンジン

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を改良した、独立した凝縮器を備えたエンジンを開発した（1763-1775年）ことでした。ボルトンとワットの初期のエンジンは、ジョン・スミートンが改良したニューコメンのエンジンの半分の量の石炭を使用しました。[ 31 ]ニューコメンとワットの初期のエンジンは「大気圧」エンジンでした。膨張する蒸気の圧力ではなく、凝縮する蒸気によって発生する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ていました。エンジンのシリンダーに作用する唯一の力は大気圧であったため、シリンダーは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、機械の駆動に適した回転運動を実現しました。これにより工場を河川から離れた場所に建設できるようになり、産業革命のスピードが加速しました。[ 32 ] [ 26 ] [ 33 ]

高圧エンジン

高圧の意味、そして実際に周囲圧力を超える圧力は、この用語が使用された時代によって異なります。初期のヴァン・ライムスダイク[ 34 ]では、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され、有用な仕事を行うことができる状態を指していました。ユーイング（1894年）22ページには、ワットの凝縮エンジンは当時、同時代の高圧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されています。

ワットの特許は、他社が高圧エンジンや複合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・トレビシックが、そしてオリバー・エバンスがそれぞれ1801年に高圧蒸気を使用するエンジンを発表した[ 33 ] [ 35 ]。トレビシックは1802年に高圧エンジンの特許を取得し[ 36 ]、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[ 37 ] 。これらのエンジンは、従来のエンジンと比較して、同じシリンダーサイズではるかに強力であり、輸送用途に十分な小型化が可能であった。その後、技術開発と製造技術の改善（一部は蒸気エンジンを動力源として採用したことによる）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[ 26 ] 。

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ました。[ 38 ]これは高圧蒸気を膨張利用し、低圧蒸気を凝縮する複合サイクルエンジンで、比較的効率が高かったです。コーンウォール・エンジンはサイクルを通して不規則な動きとトルクをするため、主に揚水用途に限られていました。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ました。[ 39 ]

水平定置エンジン

初期の定置型蒸気機関の開発者たちは、水平シリンダーは過度の摩耗を招くと考えました。そのため、ピストン軸を垂直に配置するエンジンが開発されました。やがて水平配置は普及し、コンパクトでありながら強力なエンジンをより狭いスペースに設置できるようになりました。

水平型エンジンの最高峰は、1849年に特許を取得したコーリス蒸気エンジンである。これは4つのバルブを備えた向流式エンジンで、独立した蒸気吸入弁と排気弁、そして自動可変蒸気遮断装置を備えていた。コーリスがランフォード・メダルを受賞した際、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向上させた発明はない」と述べた。[ 40 ]蒸気使用量を30%削減しただけでなく、可変蒸気遮断装置によって速度の均一性が向上し、製造業、特に綿糸紡績業に適していた。[ 26 ] [ 33 ]

道路車両

イギリスの蒸気機関車

最初の蒸気動力による道路走行車両は18世紀後半に実験的に製造されましたが、移動可能な蒸気機関が実用的なものになったのは、リチャード・トレビシックが高圧蒸気の利用を開発した1800年頃になってからでした。19世紀前半には蒸気車両の設計が大きく進歩し、1850年代には商業ベースでの生産が可能になりました。しかし、この進歩は、蒸気動力車両の道路での使用を制限または禁止する法律によって阻まれました。車両技術の改良は1860年代から1920年代にかけて続き、蒸気道路車両は様々な用途に使用されました。

20世紀には、内燃機関技術の急速な発展により、蒸気機関は商用車両の推進源として衰退し、第二次世界大戦後も使用された車両は比較的少なくなりました。これらの車両の多くは保存のために愛好家によって購入され、現在でも多数の車両が現存しています。1960年代には、カリフォルニア州の大気汚染問題により、大気汚染を軽減する手段として蒸気動力車両の開発と研究への関心が一時的に高まりました。蒸気愛好家の関心、時折のレプリカ車両、そして実験的な技術を除けば、現在では蒸気車両は生産されていません。

船舶用エンジン

1907年の外洋タグボート「ヘラクレス」に搭載された三段膨張式船舶用蒸気機関

19世紀末頃、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、蒸気を徐々に大きなシリンダーに排出することで、圧力を下げながら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、二重膨張エンジンや三重膨張エンジンが一般的で、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顕著だった。[ 26 ]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、往復動型（ピストン型）蒸気エンジン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 ]

蒸気機関車

18世紀を通して蒸気機関の開発が進むにつれ、道路や鉄道への応用が様々な試みがなされた。[ 41 ] 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。[ 42 ]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。 [ 43 ] 彼の蒸気機関車は、レールまたは線路で誘導される内部羽根付きの車輪を使用していた。

ユニオン・パシフィック844、「FEF-3」4-8-4「ノーザン」型蒸気機関車

最初の本格的な動く鉄道用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ました。トレビシックの蒸気機関車は、10トンの鉄、70人の乗客、5台の貨車を牽引し、マーサー・ティドフィル近くのペン・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で移動しました。[ 41 ] [ 44 ] [ 45 ]この設計には、高圧蒸気の使用など、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ました。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になりました。 [ 46 ]

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「できる人捕まえて」を完成させた。そのわずか4年後、マシュー・マレーが開発した成功した2気筒機関車サラマンカが、エッジレールのラック・アンド・ピニオン方式のミドルトン鉄道で使用された。[ 47 ] 1825年にジョージ・スチーブンソンはストックトン・アンド・ダーリントン鉄道向けに「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「ロケット」を建造し、レインヒル・トライアルに出場して優勝した。[ 48 ] 1830年にリバプール・アンド・マンチェスター鉄道が開業し、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。[ 49 ]

蒸気タービン

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あった。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する。[ 50 ]蒸気タービンは、その効率、発電機サービスに適したより高い速度、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を事実上置き換えるようになった。今日では、ほとんどの電力が蒸気タービンによって供給されている。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る。[ 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適用された。

現在の発展

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。

世界最小の実用蒸気機関が2011年に公開されました。この超小型エンジンは、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ました。このエンジンはスターリングエンジンの原理に基づいて動作します。[ 51 ] [ 52 ]

蒸気機関の部品と付属品

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」（蒸気エンジンとも呼ばれる）という2つの基本的な構成要素があります。固定式の建物に設置される定置型蒸気エンジンでは、ボイラーとエンジンがそれぞれ離れた別々の建物に設置されることがあります。蒸気機関車のように移動式または可搬式の用途では、ボイラーとエンジンは一体化して設置されます。[ 53 ] [ 54 ]

広く用いられた往復動機関は、典型的には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、そしてその他の連結機構で構成されていました。蒸気は、1つまたは複数のバルブによって交互に供給と排出が行われました。速度制御は、調速機を用いた自動制御、または手動バルブによって行われました。シリンダー鋳物には、蒸気供給ポートと排気ポートが設けられていました。

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しばしば備えている。例えば、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、そして火室の通風を高めるための様々な機構などである。石炭を使用する場合は、燃料を供給容器（バンカー）から火室へ移動させるために、チェーンまたはスクリュー式の燃料供給機構と、その駆動エンジンまたはモーターが組み込まれることがある。[ 55 ]

熱源

水を沸騰させ、蒸気の温度を上げるために必要な熱は、様々な熱源から得ることができますが、最も一般的なのは、密閉空間（例：燃焼室、火室、炉）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機関、あるいは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ができます。

ボイラー

定置式蒸気機関に使用される産業用ボイラー

ボイラーは、沸騰させる水が入っている圧力容器で、できるだけ効率的に 熱を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チューブを通過し、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、火室自体のチューブ（サーミックサイフォンおよびセキュリティサーキュレーター）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）に使用されてい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、ボイラーから出た蒸気が水と接触する部分で蒸気温度を上昇させます。これは過熱と呼ばれ、湿り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の蒸気の凝縮が防止され、効率が大幅に向上します。[ 56 ] [ 57 ]

運動単位

蒸気エンジンでは、ピストンや蒸気タービン、または機械作業を行う他の類似の装置が、高圧および高温の蒸気の供給を受け、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、それ自体がしばしば「蒸気エンジン」と呼ばれます。圧縮空気やその他のガスを使用するエンジンは、蒸気エンジンとは、ガスの性質に応じた細部においてのみ異なりますが、圧縮空気は蒸気エンジンでも変わらず使用されています。[ 57 ]

コールドシンク

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。 [ 58 ]

最もシンプル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、蒸気機関車では凝縮器の重量とかさばりを回避す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、火力の吸引力を高めます。これによりエンジン出力は大幅に向上しますが、効率は低下します。

場合によっては、エンジンからの廃熱自体が有用なこともあり、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機関は、表面凝縮器を冷気シンクとして利用します。凝縮器は、海、河川、湖沼からの水流、そして多くの場合、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冷却されます。凝縮された温水（コンデンセート）は、ポンプで再び加圧され、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、水道料金が高い場所で使用されます。また、蒸発式（湿式）冷却塔によって廃熱を排出することもできます。蒸発式冷却塔は、二次外部水回路を使用して流量の一部を蒸発させ、大気中に放出します。

河川船は当初、ジェットコンデンサーを使用していました。これは、川からの冷水をエンジンの排気蒸気に注入するものです。冷却水とコンデンセートが混合されます。これは外洋船舶にも適用されていましたが、一般的には運転開始からわずか数日でボイラーに塩分が堆積し、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。[ 59 ]

蒸発した水は、雨水として再利用する以外には、その後の用途には使用できませんが、河川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清浄に保つ必要があり、冷却水や空気とは分離されています。

インジェクターは蒸気の噴流を利用してボイラーに水を送り込みます。インジェクターは効率は悪いですが、構造がシンプルなので機関車にも使用できます。

ウォーターポンプ

ほとんどの蒸気ボイラーは、連続運転ができるよう、加圧したまま水を供給する手段を備えている。公益事業用および産業用のボイラーでは、多段遠心ポンプが一般的に使用されているが、他の種類のポンプも使用されている。低圧（通常約5～10 atm（73～147 psi））のボイラー給水を供給する別の手段は、ボイラーから通常供給される蒸気ジェットを使用するインジェクターである。インジェクターは1850年代に普及したが、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ない。 [ 60 ]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に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る。

監視と制御

1875年のリチャードの指示計器。参照：指示計図（下記）

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 覗き窓など、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[ 61 ]、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もあったチャールズ・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。[ 33 ]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、これを使用して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できます。[ 62 ]これは、エンジニア、機械工、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）。

知事

1788 年のBoulton & Watt エンジンの遠心調速機、ラップ エンジン。

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であった。[ 63 ]調速機は実際には設定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小さな変動には対応できた。また、速度が変化すると必ず振動する傾向があった。結果として、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が求められる作業には適していなかった。[ 64 ]調速機は時とともに改良され、可変蒸気遮断と組み合わせることで、19世紀末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。

エンジン構成

シンプルなエンジン

単純なエンジン、あるいは「単膨張エンジン」では、蒸気は個々のシリンダー内で膨張過程全体を通過します。単純なエンジンは、1つまたは複数のシリンダーを備えています。[ 65 ]その後、蒸気は大気中に直接排出されるか、凝縮器に送られます。蒸気は高圧エンジンを通過する際に膨張しますが、システムには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排出されます。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。[ 66 ]

往復蒸気機関における効率損失の主な要因は、シリンダー内で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、蒸気の吸入飽和温度と排気圧力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吸入されると、高温蒸気の多くが金属表面に水滴として凝縮し、膨張作業に利用できる蒸気量が大幅に減少します。膨張中の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水滴は沸騰して蒸発（再蒸発）し、この蒸気はシリンダー内でそれ以上の作業を行わなくなります。

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、シリンダー表面積の増加はシリンダー内の凝縮と再蒸発の問題を悪化させる傾向がある。これは、個々のシリンダーにおける高い膨張率に関連する理論的な利点を打ち消してしまう。[ 67 ]

複合エンジン

非常に長いシリンダーへのエネルギー損失の大きさを減らす方法は、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起こるようになり、各シリンダー内の全体的な温度低下はかなり減少します。各シリンダー内でより狭い温度範囲で蒸気を段階的に膨張させることによって、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減り、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させることで、トルクの変動を減らすことができます。[ 26 ]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、そして稀にストロークも拡大され、結果としてシリンダーが大きくなります。[ 26 ]

二重膨張式（通常は複膨張式）エンジンは、蒸気を二段階で膨張させます。この二段膨張式エンジンは、二重膨張式とすることも、大きな低圧シリンダーの働きを分割して、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することで、シリンダーとピストンの直径がほぼ同じになる3シリンダーレイアウトにすることもできます。これにより、往復運動する質量のバランスを取りやすくなります。[ 26 ]

2 気筒複合機は次のように配置できます。

  • クロスコンパウンド：「レシーバー」コンパウンドとも呼ばれます。シリンダーの位相がずれている（180°未満）ため、排気用の「レシーバー」が必要になります。レシーバーは通常、バルブチェストまたはケーシング自体です。
  • ウルフ化合物: シリンダーは同位相または 180° 位相シフトされています。
  • タンデムコンパウンド：ウルフコンパウンドの一種。シリンダーは端から端まで連結されており、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。シリンダーはV字型（通常は90°）に配置され、共通のクランクを駆動します。

鉄道で使われる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°位相ずれして接続される（四分割）。二重膨張グループを複製して4気筒複合エンジンを作る場合、グループ内の個々のピストンは通常180°でバランスが取れており、グループは互いに90°に設定される。あるケース（最初のタイプのヴォークレン複合エンジン）では、ピストンは同じ位相で作動し、共通のクロスヘッドとクランクを駆動し、これも2気筒エンジンと同様に90°に設定された。3気筒複合エンジンでは、低圧クランクが90°に設定され、高圧クランクが他の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。[ 68 ]

1880年以降、複合化は産業用ユニット、道路用機関車、そして船舶用機関車ではほぼ普遍的に採用されましたが、鉄道機関車では複雑であると思われがちで、広く普及したわけではありませんでした。これは、鉄道の運行環境が過酷であることと、積載ゲージによって限られたスペースしか確保できなかったことに一部起因しています（特にイギリスでは、複合化は一般的ではなく、1930年以降は採用されていませんでした）。しかしながら、大多数に採用されたわけではありませんが、他の多くの国では普及していました。[ 69 ]

多段膨張エンジン

簡略化された三段膨張エンジンのアニメーション。高圧蒸気（赤）がボイラーから入り、エンジンを通過し、低圧蒸気（青）として排出され、通常は凝縮器に送られます。

前述の複膨張エンジンの論理的な発展形として、膨張段階をさらに複数の段階に分割して効率を高めることが挙げられます。その結果生まれたのが多段膨張エンジンです。このようなエンジンは3段または4段の膨張段階を備え、それぞれ三段膨張エンジンと四段膨張エンジンと呼ばれます。これらのエンジンは、直径が徐々に大きくなるシリンダーを複数個使用します。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、低圧段階に2つの小さな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、シリンダーは通常直列に配置されていましたが、他にも様々な構成が使用されました。19世紀後半には、一部の船舶用三段膨張エンジンにヤロー・シュリック・トゥイーディー・バランシング「システム」が採用されました。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ていました。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が高く、振動も少ないエンジンが実現しました。このため、4気筒三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。しかし、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、圧倒的に多い数でした。アメリカ合衆国では、イギリスのオリジナル設計に基づいて2,700隻以上の船が建造されました。

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です。蒸気はエンジン内を左から右へと流れます。各シリンダーのバルブ室は、対応するシリンダーの左側にあります。

陸上蒸気機関は、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、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、イギリスの発明による蒸気タービンが膨張機関に取って代わった。 1905年のHMS ドレッドノートは、実績のある往復機関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大型軍艦であった。[ 70 ]

運動単位の種類

往復ピストン

複動式固定エンジン。19世紀半ばに広く使用されていた製粉所用エンジンです。下側がほぼD字型に凹んだスライドバルブに注目してください。
ダブルピストンストロークにおける4つのイベントを示す概略図。監視と制御（上記）を参照

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・排出されます。エンジンの完全なサイクルは、クランク1回転とピストン2ストロークで構成されます。サイクルは、吸気、膨張、排気、圧縮の4つの動作で構成されます。これらの動作は、シリンダーに隣接する蒸気室で作動するバルブによって制御されます。バルブは、シリンダー端に通じる蒸気ポートを開閉することで蒸気を分配し、様々な種類のバルブギアによって駆動されます。[ 71 ]

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、多くのバルブギアは逆転機構を備えており、速度と運動量が増加した際に、徐々に「カットオフを短縮」、つまり吸入イベントを短縮することで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。しかし、通常は同じバルブが両方の蒸気流を制御するため、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、排気蒸気全体がシリンダーから排出されず、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。[ 72 ]

1840 年代と 1850 年代には、さまざまな特許取得済みのバルブ ギアによってこの問題を克服する試みがありました。これらのバルブ ギアは、メイン スライド バルブの背面に別個の可変遮断膨張バルブを搭載していました。メイン スライド バルブは通常、固定遮断または制限遮断でした。この組み合わせた構成では、理想的な事象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、吸気側で遮断が発生した後、排気側が長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、理想的な事象を提供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で駆動される、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、漏れやより繊細な機構など、さまざまな問題のために、据え置き市場以外では成功しませんでした。[ 69 ] [ 73 ]

圧縮

排気行程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。これにより圧縮行程が開始され、ピストンが急速に減速する間、蒸気のクッションが形成され、ピストンはクッションに対して作用します。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ショックと温度ショックを回避します。

バルブタイミングのリード

上記の効果は、リードを設けることでさらに強化される。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、排気行程の終了直前に吸入が行われるようにバルブリードを設けることが有利であることが分かっている。これは、蒸気がピストンに力を加え始める前に、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）を含むクリアランス容積を満たすためである。[ 74 ]

ユニフロー（またはウナフロー）エンジン

ユニフロー蒸気機関のアニメーション。ポペットバルブは上部の回転カムシャフトによって制御されます。高圧蒸気が流入（赤）し、排出（黄色）されます。

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点の解決を狙ったものです。対向流サイクルでは、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、高温の吸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、蒸気の流れを一方向にのみすることで、この欠点を解消し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、優れた部分負荷性能という利点が追加され、1,000 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実現しています。ただし、ユニフロー エンジンがシリンダー壁に沿って生成する熱膨張勾配が、実用上の問題を引き起こします。

タービンエンジン

発電所で使用されている現代の蒸気タービンのローター

蒸気タービンは、駆動軸に取り付けられた1枚以上のローター（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）が交互に配置された構造です。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。蒸気はこれらのブレードに作用し、回転運動を生み出します。ステーターも同様の固定ブレードの列で構成され、蒸気の流れを次のローター段へと方向転換させます。蒸気タービンは、多くの場合、真空状態をもたらす表面凝縮器に排気します。蒸気タービンの各段は通常、特定の速度と圧力の蒸気から最大の潜在的仕事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している場合にのみ効率が良く、その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を使用せずに発電機に直接接続されています。典型的な回転速度は、60ヘルツ電力の米国では毎分3600回転（RPM）、50ヘルツ電力の欧州およびその他の国では毎分3000回転（RPM）です。原子力発電では、タービンが非常に大きいため、通常はこれらの半分の速度、つまり1800 RPMと1500 RPM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場合にのみ電力を供給できます。そのため、逆方向の電力が必要な場合は、通常、逆転段またはギアボックスが必要になります。

蒸気タービンは直接​​回転力を生み出すため、往復運動を回転運動に変換するための連結機構を必要としません。そのため、出力軸に発生する回転力はより滑らかになります。これは、同等の往復機関に比べ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。

タービニア– 最初の蒸気タービン駆動船

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％が蒸気タービンによって行われました）[ 6 ]が、最近、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の広範な適用により、この割合は80％台にまで低下しました。発電では、タービンの回転速度が速いため、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。船舶用途では、（タービニア号で開拓されました）減速ギア付きの蒸気タービン（タービニア号は減速ギアボックスなしでタービンとプロペラが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。

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回すことで発電しています。原子力船や潜水艦は、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、または蒸気でターボ発電機セットを駆動し電動モーターで推進力を供給するターボ電動トランスミッションを使用します。限られた数の蒸気タービン鉄道機関車が製造されました。非凝縮型直接駆動機関車は、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一定の成功を収めましたが、再生産されませんでした。他の場所、特にアメリカ合衆国では、電動トランスミッションを備えたより先進的な設計が試験的に製造されましたが、再現されませんでした。蒸気タービンは鉄道環境に理想的には適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機関車や電気機関車のように古典的な往復蒸気ユニットに取って代わることはできませんでした。

単純な振動シリンダー蒸気機関の動作

振動シリンダー蒸気機関

揺動シリンダー蒸気エンジンは、単純膨張型蒸気エンジンの派生型であり、蒸気をシリンダー内外に導く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動、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）の穴と一直線になるように配置されます。これらのエンジンは、そのシンプルさから主に玩具や模型に用いられますが、小型であることが重視される船舶などでは、実物大の実用エンジンとしても使用されています。[ 75 ]

ロータリー蒸気機関

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のような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が可能です。ジェームズ・ワットの時代から今日に至るまで、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、量産されたのはさらに少数です。詳細については、記事下部のリンクをご覧ください。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。結果として生じる蒸気漏れにより、非常に非効率になります。膨張作用の欠如、あるいは遮断制御手段の欠如も、多くのこのような設計における深刻な問題です。

1840年代までに、ロータリーエンジンのコンセプトには固有の問題があることが明らかになり、技術誌では嘲笑の対象となりました。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ことの明らかな利点により、1880年代と1890年代には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。

大量生産された数少ない設計の中で、スウェーデン・ストックホルムのハルト・ブラザーズ・ロータリー蒸気機関会社と、ボーシャン・タワーの球形エンジンは特筆すべきものです。タワーのエンジンは、グレート・イースタン鉄道では機関車の照明用ダイナモの駆動に、海軍本部ではイギリス海軍の艦艇に搭載されたダイナモの駆動に使用されました。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ました。

水平軸を形成する2本の支柱の間に吊り下げられた球体の線画。円周上の2本の直角噴流アームは、2本の支柱の下の密閉容器で水を沸騰させて発生した蒸気を噴出する。支柱は中空になっており、蒸気は球体内部に流れ込む。
アイオロスの球は腕から噴出する蒸気によって回転する。この効果は実用化されていない。

ロケットの種類

アイオロスの球は、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。

近代以降、ロケット工学、特にロケットカーにおいて蒸気は限定的に利用されてきました。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します。圧力が低下すると水の一部が瞬時に沸騰し、蒸気がノズルから噴出することで推進力が生まれます。[ 76 ]

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駆動されました。

安全性

蒸気機関は、ボイラーをはじめとする圧力容器を備えており、膨大な潜在エネルギーを蓄えています。蒸気の漏洩やボイラーの爆発（典型的にはBLEVE）は、過去にも多くの死傷者を出す可能性があり、実際に発生しています。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、厳格な法的規制、試験、訓練、製造、運転、認証の各段階における注意が払われています。

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している川船では、局所的なホットスポットが発生します。
  • 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/ボイラーからの蒸気の漏れによる火傷

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機構が 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 つは通常、究極のフェイルセーフとして設計されています。このような安全弁では、伝統的に、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が使用されていました。レバーの一端には、蒸気圧に抗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。初期のバルブは機関士が調整できたため、機関士が蒸気圧を高めてエンジンの出力を高めるためにバルブを締め付けたことで、多くの事故が発生しました。最近のタイプの安全弁では、調整可能なバネ仕掛けのバルブが使用されており、不法にシールが破られない限り、操作者が調整内容を改ざんできないようにロックされています。この構成は大幅に安全です。

ボイラーの火室頂部には鉛製の可溶栓が設置されている場合があります。水位が低下し、火室頂部の温度が大幅に上昇すると、鉛が溶けて蒸気が漏れ出し、作業員に警告を発します。作業員は手動で消火作業を行うことができます。ごく小型のボイラーを除き、蒸気漏れによる消火効果はほとんどありません。また、可溶栓の面積は小さすぎるため、蒸気圧を大幅に下げてボイラーの減圧を引き起こすことはできません。もし可溶栓がこれ以上大きければ、漏れ出す蒸気量自体が作業員を危険にさらすことになります。

蒸気サイクル

ランキンサイクルで使用される4つの主要装置のフロー図。1) 給水ポンプ 2) ボイラーまたは蒸気発生器 3) タービンまたはエンジン 4) 凝縮器。ここで、Q = 熱、W = 仕事。熱の大部分は廃棄物として排出されます。

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す。このサイクルは、単純な発電によく使われる部品の配置で、水の相変化（沸騰したお湯から蒸気が生成、排気蒸気が凝縮して液体の水が生成）を利用して、実用的な熱/電力変換システムを提供します。熱は閉ループの外部から供給され、加えら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ます。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ます。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、バイオマス発電、石炭火力発電所、原子力発電所を含む、世界中で使用される全電力の約90%を発電しました。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。[ 77 ]

ランキンサイクルは、効率的なタービンを使用するとTS線図がカルノーサイクルに類似してくるため、実用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、ランキンサイクルでは熱の付加（ボイラー）と排熱（凝縮器）が等圧（一定圧力）過程であるのに対し、理論カルノーサイクルでは等温（一定温度）過程であるという点です。このサイクルでは、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ポンプで加圧します。サイクル中に作動流体を液体の状態でポンプで送るのに必要なエネルギーは、圧縮機で作動流体を気体として圧縮するのに必要なエネルギー（カルノーサイクルの場合）に比べてごくわずかです。往復蒸気機関のサイクルは、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。[ 66 ]

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する閉ループシステムとして動作することも、「開ループ」システムとして動作させることもできます。「開ループ」システムでは、排気蒸気は直接大気中に放出され、ボイラーへの給水は別の水源から供給されます。通常、水は、無毒で化学的に反応性がなく、豊富で、低コストであり、熱力学的特性も優れているため、最適な流体です。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。[ 78 ]

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独自の概念と、熱と蒸気の特性に関する知識だけであった。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・ブラックにより確認され、ブラックはワットに実験手順についても助言した。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、機関自体の改良はより機械的な性質のものであった。[ 22 ]ランキンサイクルの熱力学的概念は、技術者に効率を計算するために必要な理解を与え、現代の高圧高温ボイラーと蒸気タービンの開発を助けた。

効率

エンジン サイクルの効率は、エンジンが生成する機械的仕事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指標は「デューティ」であった。この概念はワットによって初めて導入され、彼の機関がニューコメンの初期設計に比べてどれほど効率的であるかを示すために用いられた。デューティとは、1ブッシェル（94ポンド（43kg））の石炭を燃焼させることで得られる仕事量（フィートポンド）である。ニューコメン設計の最高峰は約700万デューティであったが、ほとんどは500万デューティに近かった。ワットの初期の低圧設計は最大2500万デューティを実現できたが、平均は約1700万デューティであった。これはニューコメンの平均的な設計の3倍の効率向上であった。高圧蒸気を搭載した初期のワット機関は、これを6500万デューティにまで向上させた。[ 79 ]

カルノーサイクルは理論上の理想的な熱力学サイクルであり、蒸気機関の効率の限界を定めます。カルノーサイクルは、2つの蓄熱体の間で熱が伝達されるシステムを表します。蒸気機関では、伝達された熱の一部が機械的な仕事に変換されます。2つの蓄熱体間の温度差が大きいほど、機関の効率は高くなります。この温度差を大きくする方法の一つは、過熱蒸気を使用することです。

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限り、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℃（1,049°F、838K）（ステンレス鋼のクリープ限界）、凝縮器温度は約30℃（86°F、303K）です。これにより、理論上のカルノー効率は約64%となりますが、現代の石炭火力発電所の実際の効率は42%です。このタービン入口温度の低さ（ガスタービンと比較して）が、ランキンサイクルがコンバインド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。

ランキンサイクルが他のサイクルに対して持つ主な利点の一つは、圧縮段階では作動流体が液相であるため、ポンプを駆動するために必要な仕事が比較的少ないことです。流体を凝縮させることで、ポンプに必要な仕事はタービン（または往復エンジン）の電力のわずか1～3%しか消費せず、実際のサイクルの効率を大幅に高めます。この利点は、熱付加温度が低いため、いくらか失われます。例えば、ガスタービンではタービン入口温度が1,500℃（2,730°F、1,770K）近くになります。それでもなお、実際の大型蒸気サイクルと大型の最新式シンプルサイクルガスタービンの効率はほぼ同等です。[ 80 ]

実際には、蒸気を大気中に排出する往復蒸気機関サイクルの効率（ボイラーを含む）は、通常1～10%の範囲です。しかし、凝縮器、コーリス弁、多重膨張装置、そして高い蒸気圧力／温度を追加することで、効率は大幅に向上す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効率となることもあります。蒸気再加熱装置やエコノマイザーなどを備えた、数百メガワットの電力を発電する近代的な大規模発電所では、40%台半ばの効率を達成し、最も効率的なユニットでは50%近くの熱効率を達成します。

また、廃熱をコジェネレーションで回収し、その廃熱を利用して低沸点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。

参照

注記

  1. ^この模型は1880年から1890年の間にサミュエル・ペンバートンによって建造された。
  2. ^このクラスの機関車は1942年から1950年にかけて製造され、1988年まで運用された。
  3. ^ランデス[ 24 ]はサーストンのエンジンの定義とサーストンがニューコメンのエンジンを「最初の真のエンジン」と呼んだことに言及している。

参考文献

  1. ^アメリカン・ヘリテージ英語辞典（第4版）. ホートン・ミフリン社. 2000年.
  2. ^ The Popular Science Monthly . MBLWHOI Library. [ニューヨーク、Popular Science Pub. Co.他] 1877年。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
  3. ^ 「蒸気機関を発明したのは誰か？」 Live Science、2014年3月19日。
  4. ^ Mierisch, Robert Charles (2018年5月). 「高効率蒸気エンジンの歴史と未来」(PDF) . EHA Magazine . 2 (8): 24– 25 – via engineersaustralia.org.au.
  5. ^ Gebhardt, GF (1928). Steam Power Plant Engineering (第6版). USA: John Wiley and Sons, Inc. p. 405.
  6. ^ a b c dワイザー、ウェンデル・H. (2000).エネルギー資源：発生、生産、変換、利用. ビルクハウザー. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6。
  7. ^グリーン、ドン (1997).ペリーの化学技術者ハンドブック（第7版）. 米国: マグロウヒル. pp.  29– 24. ISBN 0-07-049841-5。
  8. ^ "Spilling Products" . www.spilling.de . 2023年10月5日. 2023年10月5日閲覧。
  9. ^ 「タービン」ブリタニカ百科事典オンライン2007年7月18日.
  10. ^「建築論」 ：ウィトルウィウス（紀元前1世紀）著『建築十書』第6章（第2段落） 、2008年6月17日発行[1] 2009年7月7日アクセス
  11. ^ Ahmad Y Hassan (1976). Taqi al-Dinとアラビアの機械工学, pp. 34–35.アレッポ大学アラビア科学史研究所.
  12. ^ 「ニューヨーク州ロチェスター大学、蒸気機関の発展に関するオンライン歴史資料、第1章」 History.rochester.edu。2011年7月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年2月3日閲覧。
  13. ^ナグ 2002、432頁～。
  14. ^ 「ロバート・H・サーストン著『蒸気機関の成長の歴史』プロジェクト・グーテンベルク電子書籍」www.gutenberg.org。2025年5月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年12月19日閲覧。
  15. ^ガルシア、ニコラス (2007)。マス・アッラ・デ・ラ・レイエンダ・ネグラ。バレンシア: バレンシア大学。ページ 443–54。ISBN​​ 978-84-370-6791-9。
  16. ^ Caus, Salomon de (1576?-1626) Auteur du texte (1624–1724)。強制労働のレゾン、プレザントのさまざまな機械、大規模な装飾と泉の噴水、フィギュアの強化、サロモン・ド・コーのようなさまざまな機械、...{{cite book}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  17. ^ヒルズ 1989、15、16、33ページ。
  18. ^ Lira, Carl T. (2013年5月21日). 「Savery Pump」 .入門化学工学熱力学. ミシガン州立大学. 2014年4月11日閲覧。
  19. ^ヒルズ 1989、16～20ページ
  20. ^ Landes 1969、p. 62、注2。
  21. ^ポルトガル、ベニート・デ・モウラ；スミートン、ジョン（1752年）。「LXXII. 火力で水を汲み上げるエンジン。ポルトガルのデ・モウラ氏（FRS）が発明し、J・スミートン氏が解説した、安全構造の改良により自力で作動するエンジン」。ロンドン王立協会哲学紀要。47 （47）：436–438。doi：10.1098/rstl.1751.0073。S2CID 186208904。 
  22. ^ a bランデス 1969 .
  23. ^ジェンキンス、ライス（1971年）[初版1936年]。チューダー朝時代の工学技術史のリンク集。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局ニューコメン協会。ISBN 978-0-8369-2167-0。英国特許庁元上級審査官、リース・ジェンキンスの論文集。
  24. ^ Landes 1969、101ページ。
  25. ^ブラウン 2002年、60頁～。
  26. ^ a b c d e f g h i jハンター 1985 .
  27. ^ Nuvolari, A; Verspagen, Bart; Tunzelmann, Nicholas (2003). 「18世紀イギリスにおける蒸気機関の普及：応用進化経済学と知識基盤型経済」（資料）オランダ、アイントホーフェン：アイントホーフェン・イノベーション研究センター（ECIS）3頁。 （2003年11月20～22日に開催される第50回北米地域科学協会年次会議で発表される論文）
  28. ^ヌヴォラーリ、フェルスパゲン、トゥンゼルマン 2003、p. 4.
  29. ^ギャロウェイ、エラジャ（1828年）『蒸気機関の歴史』ロンドン：B・スティール、パターノスター・ロウ。pp.  23– 24。
  30. ^ヤコブ、ロイポルド (1725)。劇場機械水力学。ライプツィヒ：クリストフ・ツンケル。
  31. ^ Hunter & Bryant 1991義務の比較は、1778 年に慎重に実施された試験に基づいていました。
  32. ^ a bローゼン、ウィリアム (2012). 『世界で最も強力なアイデア：蒸気、産業、そして発明の物語』 シカゴ大学出版局. p. 185. ISBN 978-0-226-72634-2。
  33. ^ a b c dトムソン、ロス (2009). 『機械化時代における変化の構造：アメリカ合衆国における技術発明 1790–1865』 メリーランド州ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局. p  . 34. ISBN 978-0-8018-9141-0。
  34. ^「蒸気動力の絵画史」JT・ヴァン・ライムスダイクとケネス・ブラウン、オクトパス・ブックス・リミテッド、1989年、 ISBN 0-7064-0976-0、30ページ
  35. ^ Cowan, Ruth Schwartz (1997) 『アメリカの技術社会史』ニューヨーク: Oxford University Press, p. 74, ISBN 978-0-19-504606-9
  36. ^ディキンソン、ヘンリー・W、タイトリー、アーサー（1934年）「年表」リチャード・トレビシック、技術者であり人間でもある。ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ（イギリス）。p. xvi. OCLC 637669420。 
  37. ^『1775年以降のアメリカ車』L・スコット出版、ベイリー社、1971年、18ページ
  38. ^ハンター1985、601–628頁。
  39. ^ハンター1985、601ページ。
  40. ^ Van Slyck, JD (1879).ニューイングランドの製造業者と工場. 第1巻. Van Slyck. p. 198.
  41. ^ a bペイトン 2004 .
  42. ^ゴードン、WJ（1910年）『我が故郷の鉄道』第1巻、ロンドン：フレデリック・ウォーン社、  pp.7-9。
  43. ^ 「国立公園局の蒸気機関車に関する記事。フィッチ蒸気機関車の写真と1780～1790年建造と記載」。Nps.gov。2002年2月14日。 2012年8月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年11月3日閲覧。
  44. ^ “Richard Trevithick's steam locomotive | Rhagor” . Museumwales.ac.uk. 2011年4月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年11月3日閲覧。
  45. ^ 「蒸気機関車発明200周年記念イベント開始」 BBC 2004年2月21日2009年6月13日閲覧。南ウェールズの町が、蒸気機関車発明200周年を記念する数ヶ月にわたる祝賀行事を開始した。マーサー・ティドフィルは、1804年2月21日、リチャード・トレビシックが高圧蒸気機関車を地元の鉄工所の路面電車のレールに載せ、世界を鉄道時代へと導いた場所である。
  46. ^ガーネット、AF（2005年）『スチールホイール』キャンウッド・プレス、  pp.18-19。
  47. ^ヤング、ロバート（2000年）『ティモシー・ハックワースと機関車』（1923年版の再版）英国ルイス：ブックギルド社
  48. ^ハミルトン・エリス (1968). 『鉄道図鑑』ハムリン出版グループ. pp.  24– 30.
  49. ^ Michael Reimer、Dirk Endisch: Baureihe 52.80 – Die rekonstruierte Kriegslokomotive、GeraMond、 ISBN 3-7654-7101-1
  50. ^ヴァーツラフ・スミル（2005年）、20世紀の創造：1867年から1914年の技術革新とその永続的な影響、オックスフォード大学出版局、62ページ、ISBN 978-0-19-516874-7、 2009年1月3日閲覧。
  51. ^ 「世界最小の蒸気機関がドイツで製造」 BBCニュース、2011年12月12日。 2025年5月24日閲覧。
  52. ^ Noack, Rick (2011年12月13日). 「科学者が世界最小の蒸気エンジンを開発」 . CNN . 2025年5月24日閲覧。
  53. ^ハンター 1985、pp. 495–96 コルトポータブルエンジンの説明
  54. ^マクニール 1990蒸気機関車の説明を参照
  55. ^ジェローム、ハリー (1934).産業の機械化、全米経済研究所(PDF) . pp.  166– 67.
  56. ^ヒルズ 1989、248ページ。
  57. ^ a bピーボディ1893年、384ページ。
  58. ^ 「化石エネルギー：タービン発電所の仕組み」 Fossil.energy.gov。2011年8月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年9月25日閲覧。
  59. ^ニック・ロビンズ『彗星の到来：外輪船の興亡』シーフォース出版、2012年、 ISBN 1-4738-1328-X第4章
  60. ^ハンター1985、341-343ページ。
  61. ^ Hunter & Bryant 1991、p. 123、「蒸気エンジンインジケーター」Stillman、Paul（1851）。
  62. ^ Walter, John (2008). 「The Engine Indicator」（PDF） pp.  xxv– xxvi. 2012年3月10日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
  63. ^ベネット, S. (1979).制御工学の歴史 1800–1930 . ロンドン: ピーター・ペレグリナス社. ISBN 978-0-86341-047-5。
  64. ^ベネット 1979
  65. ^モハン・セン著『基礎機械工学』266ページ
  66. ^ a bハンター1985、445ページ。
  67. ^ 「スターリング｜内燃機関｜シリンダー（エンジン）｜30日間無料トライアル」 Scribd 。2020年5月21日閲覧。
  68. ^「三重膨張エンジン」. Scientific American . 60 (19): 294– 295. 1889年5月11日. doi : 10.1038/scientificamerican05111889-294 . ISSN 0036-8733 . 
  69. ^ a b van Riemsdijk、ジョン (1994)。複式機関車。ペンリン、英国: Atlantic Transport Publishers。2 ～ 3ページ 。ISBN 978-0-906899-61-8。
  70. ^ブルックス、ジョン.ユトランド沖海戦におけるドレッドノート砲撃. p. 14.
  71. ^ 「バルブと蒸気箱 - 高度な蒸気牽引」 2017年6月3日。 2024年6月19日閲覧。
  72. ^「バックファイア」。トラクターフィールドブック：動力付き農機具仕様。シカゴ：ファーム・インプリメント・ニュース・カンパニー。1928年。pp. 108–109 [ 108 ]。
  73. ^シャペロン 2000、pp.56-72,120-。
  74. ^ベル, AM (1950).機関車. ロンドン: ヴァーチュー・アンド・カンパニー. pp.  61– 63.
  75. ^シートン, AE (1918). 『船舶工学マニュアル』 ロンドン: チャールズ・グリフィン. pp.  56– 108.
  76. ^ Steam Rockets Archived 24 November 2019 at the Wayback Machine Tecaeromax
  77. ^ 「ウィリアム・J・M・ランキン」スコットランド工学殿堂。 2022年12月13日閲覧。
  78. ^ Parada, Angel Fernando Monroy (2013). 「地熱バイナリーサイクル発電所の原理、運用、保守」(PDF) . Orkustofnun (アイスランド国立エネルギー庁) . 2022年12月13日閲覧。
  79. ^ジョン・エニス、「コーンウォールの鉱山で使用された蒸気機関のさまざまな時期における役割に関する考察」土木技術者協会紀要第3巻（1840年1月14日）、457ページ
  80. ^ Yin, Feijia; Rao, Arvind Gangoli (2020年2月1日). 「中間段タービンバーナーを備えたガスタービンエンジンのレビュー」 . Progress in Aerospace Sciences . 121 100695. Bibcode : 2020PrAeS.12100695Y . doi : 10.1016/j.paerosci.2020.100695 . ISSN 0376-0421 . S2CID 226624605 .  

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