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Steam engine - Wikipedia (蒸気エンジン)

以下の文中で「仕事」とあるのは、古典力学に登場する「仕事」のことです。 高校で物理を勉強したことがないと、理解が苦しくなると思います。 しかし、英国産業革命の時に「蒸気エンジン」を作った人たちにとって、この程度の知識は当たり前であったようです。 英国産業革命の時に技術的なことで活躍した人は随分と自然科学のことに通じているようです。驚きです。

以下、condenser を凝縮器と訳します。復水器と訳すこともありますが、 condense は「凝縮する」と訳した方がよいので整合性を図るために condenser も凝縮器としました。 なお、凝縮と呼んでいるのは、水蒸気の温度を下げると、(気体の) 水蒸気が液体の水に変わることです。

関連項目:

蒸気エンジン (Steam engine)

蒸気エンジンは動作流体として蒸気を使用して機械的な仕事をする熱エンジン (heat engine) である。 機械的な動きを生成するために沸騰した水を使用することは 2000 年以上もさかのぼるが、 初期の装置は実用的ではなかった。 スペインの発明家であるヘロニモ・デ・アヤンツ (Jerónimo de Ayanz y Beaumont) は 1606 年に最初の蒸気エンジンの特許を取った。 1698 年にはトーマス・サヴェリー (Thomas Savery) は蒸気ポンプの特許を取った。 このポンプでは蒸気は汲み出す水と直接接触した。 サヴェリーの蒸気ポンプでは凝縮する蒸気が真空を作り出して隔室に水を汲み上げ、 次に圧力蒸気を適用して更に (上方に) 水を押し出す。 トーマス・ニューコメン (Thomas Newcomen) の「大気圧エンジン」(atmospheric engine) は最初の本当の商用蒸気エンジンでピストンを使用し、 1712 年に鉱山で水を汲み出すことに使用された。

1781 年にジェームス・ワットは連続して回転運動する蒸気エンジンの特許を取った。 ワットの 10 馬力のエンジンは、より広範囲の製造機械に動力を与えることが可能となった。 水と石炭あるいは木材の燃料が得られればエンジンはどこにでも設置できた。 1883 年には 10,000 馬力のエンジンが可能となった。 蒸気エンジンはトラクション・エンジンや蒸気機関車のような車両にも適用可能となった。 固定式蒸気エンジンは産業革命のキーとなる構成要素で、水力がない場所にも工場を作ることができた。

蒸気エンジンは外燃エンジンで、動作流体が燃焼物から分離されている。 非燃焼の熱源 -- 例えば太陽熱、原子力、地熱 -- も使用できる。 この過程を分析するために使用される理想熱力学周期はランキン・サイクル (Rankine cycle) と呼ばれる。 このサイクルで、水は加熱され、高圧で動作するボイラーの中で蒸気に変換される。 ピストンやタービンを経由して膨張すると、機械的な仕事をする。 減圧した蒸気は凝縮され、ボイラーに汲み戻される。

1817年のボウルトン・ワットの送風用
ビーム・エンジン。ネザートンの
M.W. グラゼブルック鉄工場で使用。
バーミンガムの A38(M) 自動車道で
再建。
イングランド、カンブリアの
ストット・パーク糸巻工場
工場エンジン
東ドイツの蒸気エンジン
このクラスのエンジンは
1942 年 - 1950 年に建造
され、1988 年まで操業
訳注
Google map: ネザートン (Netherton)、 ストット・パーク糸巻工場 (Stott Park Bobbin Mill)

一般的に、「蒸気エンジン」の用語は (ボイラーなどを含む) まとめ上げられた蒸気装置 -- 例えば蒸気機関車やポータブル・エンジンなど -- のことを指し示すこともあるし、ピストンやタービンなど機械単独のこと -- 例えばビーム・エンジンや固定式蒸気エンジンなど -- のことを指し示すこともある。 特化した装置 -- 例えば蒸気ハンマーや蒸気杭打機など -- では分離したボイラーから供給される蒸気に依存している。 往復運動するピストン形式の蒸気エンジンは 20 世紀初頭まで支配的な動力源であり続けた。 20 世紀初頭には電気モーターや内燃エンジンのデザインの進展により、 商用用途においては往復運動をする (ピストンの) 蒸気エンジンが徐々に置き換えられ始め、 発電においては蒸気タービンが支配的となった。 世界中の発電の大半では、タービン形式の蒸気エンジンで生成されていることを考えれば、 「蒸気時代」は 19 世紀の変わり目をはるかに超えて、エネルギー・レベルでは (現在も) 継続していることになる。

  1. 歴史
  2. 蒸気エンジンの構成要素と付属品
  3. エンジン・コンフィギュレーション
  4. モーター・ユニットの型式
  5. 安全装置
  6. 蒸気サイクル
  7. 効率
歴史

歴史と修正:

(アレクサンドリアのヘロンによる) アイオロスの球 (aeolipile) は最初の記録された蒸気エンジンと思われ、 タービンから放出される蒸気ジェットによりトルクが生成された。

トーマス・サヴェリー (Thomas Savery) は 1698 年に最初の実用的な 1 馬力の大気圧蒸気エンジンの特許を取った。 これにはピストンも可動部もなく、蛇口 (tap) が付いていただけである。 これは火炎エンジン (fire engine) と呼ばれ、ある種の熱サイフォンで、 蒸気は空の容器に入れられ、凝縮させた。 ここで作られた真空は鉱山の底にある水だめから水を吸い出すことに使用された。 火炎エンジンはあまり効率的でなく、およそ 30 フィート以上の深さでは動作しなかった。

トーマス・ニューコメン (Thomas Newcomen) は 1712 年にサヴェリーのエンジンを修正し、 最初の商業的に成功した 5 馬力の蒸気エンジンを開発した。 原理は蒸気力を利用して、機械的な仕事を生成するものであった。

ジェームス・ワット は 1781 年に、連続的な回転運動を生成する蒸気エンジンんの特許を取った。 およそ 10 馬力であった。 これは大気圧よりも少し高い圧力の蒸気を利用する最初の蒸気エンジンで、 部分的な真空によりピストンを駆動した。 これはニューコメンのエンジンの改良であった。

1883 年から、現在に至るまで、10000 馬力ものエンジンが利用可能となった。

18 世紀初頭から、蒸気力は色々な実際的用途に適用された。 当初は、往復運動をするポンプに適用され、 1780 年代からは、回転エンジン (往復運動を回転運動に変換するもの) が登場し始め、 工場の機械 -- ミュール精紡機や動力織機 -- を駆動し始めた。 19 世紀の変わり目に、蒸気動力の輸送が、海でも陸でも登場し始め、 19 世紀が進むにつれてよりもっと支配的となった。

蒸気エンジンは産業革命の背後で動いた力であると言うこともでき、 広範囲に使用され、工場や鉱山の色々な機械を駆動した; 揚水棟の動力を与え、輸送装置 -- 例えば蒸気機関車、蒸気船、道路車両など -- を駆動した。 農業における使用は耕作に使用できる土地を増やした。 色々な折に、蒸気動力の農業用トラクターや二輪車 (これはあまり成功しなかった) あるいは スタンレー・スチーマー (Stanley Steamer) のような自動車さえ登場した。

ボイラーと凝縮器の重さから、「馬力と重さの比」は蒸気装置の方が内燃エンジンよりも落ちている。 移動体への応用に関しては、蒸気は大体は内燃エンジンや電気モーターで置き換わってしまった。 しかしながら、大半の電力は蒸気タービン装置で生成され、 間接的には世界の産業はまだ蒸気力に依存している。 燃料源と汚染に関する懸念から、 コージェネレーション (熱電供給) としてあるいは原動力としての蒸気動力への 興味が新たなものとなった。 これは「先進的蒸気運動」 (Advanced Steam movement) と呼ばれるようになっている。

初期の実験

蒸気エンジンの歴史は 1 世紀までさかのぼる: 最初の記録されている原始的な蒸気エンジンはギリシャの数学者であるアレクサンドリアのヘロンによって記述されている アイオロスの球である。これに続く時代には、幾つかの蒸気動力エンジンはアイオロスの球 (aeolipile) と同様に、 基本的には実験的な装置で、発明家が蒸気の性質を実証するために使用したものである。 原始的な蒸気タービンの装置は 1551 年にタキ・アルジン、1629 年にはジョバンニ・ブランカ (Giovanni Branca) によって記述されている。 ヘロニモ・デ・アヤンツ (Jerónimo de Ayanz y Beaumont) は 1606 年に、 50 個の蒸気動力の発明の特許を取り、 これには水浸しになった鉱山を排水するための排水ポンプが含まれていた。 ドニ・バパン (Denis Papin) は ユグノー亡命者で、1679 年に 蒸気消化装置 (steam digester) で幾つかの有益な仕事をし、 1690 年に重いものを持ち上げるためにピストンを始めて使用した。


アイオロスの球は腕から蒸気が放出されることから回転する
この効果による実用的な用途はなかった。
揚水エンジン

最初の商用の蒸気動力装置は揚水ポンプで、 1698 年にトーマス・サヴェリーにより開発された。 これは、下から水を持ち上げるのに真空を利用し、 次により高い場所に持ち上げるために蒸気圧を使用した。 小さなエンジンは効率的であったが、 より大きなモデルには問題があった。 これには、 持ち上げる高さに制限があることがわかり、ボイラーが爆発しやすかった。 このエンジンは、鉱山や揚水所、あるいは繊維機械を駆動する水車に水を供給するために少々使用された。 サヴェリーのエンジンで魅惑的な点はその安さにあった。 Bento de Moura Portugal (ポルトガル・モウラのベント), FRS (王立学会フェロー) はサヴェリーの装置に巧妙な改良を導入し、 「自分自身で動作するように」した。 このことは 1751 年に出版された哲学紀要 (Philosophical Transaction) にジョン・スミートンが記述している。 この装置は 18 世紀後半に至るまで製造された。 1 つのエンジンは 1820 年にまだ操業していたことが知られている。

ピストン蒸気エンジン

最初の商用的に成功した本当のエンジン -- 動力を生成して、それを機械に伝達できるという意味で -- は大気圧エンジンで、1712 年頃にトーマス・ニューコメンにより発明されたものである。 このエンジンはサヴェリーとパパンにより発見された技術を利用した。 ニューコメンのエンジンは比較的効率が悪く、大半は揚水に使用された。 エンジンはシリンダー内部のピストンの下で蒸気を凝縮させて出来る部分的な真空により動作した。 これはこれまでは不可能であった深さの鉱山の作業場所から排水するために使用され、 適切な水頭がそばにない工場の水車に水を提供するためにも使用された。 水車を通り過ぎた水を水車の上にある貯水池に汲み戻したのである。

1720 年にジェイコブ・リューポルド (Jacob Leupold) は 2 シリンダー高圧蒸気エンジンを記述している。 この発明は彼の主要な業績である「Theatri Machinarum Hydraulicarum」の中で出版された。 エンジンは 2 基の鉛の重りを付けたピストンを使用し、排水ポンプに連続的な動力を供給した。 どちらのピストンも蒸気圧で持ち上げ、重力で元の位置に戻った。 二基のピストンは共通の 4 方向回転バルブを使用し、これは直接蒸気ボイラーに接続されていた。

ジェイコブ・リューポルドのエンジン 1720 年 初期のワットの揚水エンジン

次の大きな進展が起きたのはジェームス・ワットが、 分離した凝縮器でニューコメンの改良版を開発した時である (1763 年 - 1775 年)。 ボウルトン・ワットの初期のエンジンは ニューコメンのエンジンのジョン・スミートンによる改良版の 半分の石炭しか使用しなかった。 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あった。 これらは、凝縮された蒸気が生成する部分的な真空にピストンが気圧で押し下げられることにより動力を得ており、 拡張する蒸気の圧力によるものではなかった。エンジンのシリンダーは大きくないといけなかった。 というのはこれらに作用する利用可能な力は大気圧によるもののみであったからである。

ワットは更に彼のエンジンを進展させることを継続し、 これを修正して、工場の機械を駆動するのに適した回転運動を提供するようにした。 これにより工場を川から離れた場所に設置することを可能とし、 産業革命の歩調を更に加速した。

高圧エンジン

1800 年頃リチャード・トレビシック (Richard Trevithick)、 及び独立して 1801 年頃にオリバー・エバンス (Oliver Evans) は 高圧蒸気を使用したエンジンを導入した。 トレビシックは 1802 年に高圧エンジンの特許を取った。これらのエンジンは与えられたシリンダー・サイズでは 以前のエンジンよりは随分と強力で、輸送の応用に十分に小さくすることが可能となった。 これ以後、技術的進展と製造技術の改善 (部分的には蒸気エンジンを動力源として採用することから得られた) から、もっと効率の良いエンジンがデザインされ、 より小さく、より速く、あるいはより強力となったが、 これは意図された応用に依存した。

コーンウォール・エンジントレビシック等により 1810 年代に開発された。 このエンジンは複合周期エンジンで高圧蒸気を膨張方向で使用し、 低圧蒸気に凝縮して、ある程度効率を良くした。 コーンウォール・エンジンには 1 サイクルを通して不規則な動きと不規則なトルクがあり、 その使用は主に揚水に制限された。 コーンウォール・エンジンは 19 世紀末に至るまで、鉱山と給水に使用された。

水平固定式エンジン

固定式エンジンの初期の建造業者は水平シリンダーは 過度な摩耗にさらされると考えた。 彼らのエンジンは、従ってピストンの軸が垂直となるように配置された。 間もなく、水平の配置がもっと人気を得ることになり、 コンパクトではあるが、より強力なエンジンが、より狭い場所に適合することになった。

水平固定式エンジンの全盛期には 1849 年に特許が取られたコーリス蒸気エンジン (Corliss steam engine) があり、これは 4 個のバルブを持つ、向流型エンジン (counter flow engine) で、 蒸気の吸気用と排気用の分離したバルブを使用し、可変な自動蒸気遮断が付いていた。 コーリスが ランフォード賞を贈与された時に、 委員会は次のように述べている:「ワットの時代からどのような発明もこれほと蒸気エンジンの効率を高めたものはない」。 蒸気の使用量が 30% 少ない上に、 このエンジンは可変な蒸気遮断によりずっと一様な速度を提供し、 製造業にずっと適したものとなり、とりわけ木綿の紡績に適していた。

海洋エンジン
詳細は海洋蒸気エンジンを参照。

19 世紀末近くに、複合エンジンが広範囲に使用されるようになった。 複合エンジンは順番に、より大きなシリンダーに蒸気を排気し、 圧力が低くなるためシリンダーの容量が大きくなる。これで効率が改善される。 各段階は膨張 (expansion) と呼ばれ、二段膨張、三段膨張エンジンが 一般的で、とりわけ船舶で一般的であった。 船舶では輸送する石炭の重さを削減することが重要であったからである。 20 世紀初頭に至るまで、蒸気エンジンは支配的な動力源であり続けたが、 電気モーターや内燃エンジンがデザイン上の進展から、 次第に往復運動をする (ピストン型式の) 蒸気エンジンに取って代わり、 20 世紀には船舶は蒸気タービンに依存することになる。

蒸気機関車

蒸気エンジンの開発が 18 世紀を通して進展すると、 道路や鉄道に応用しようとする多くの試みがあった。 1784 年に、スコットランドの発明家であるウィリアム・マードック (William Murdoch) は蒸気道路機関車の試作模型を作った。 蒸気鉄道機関車の初期の動作模型が米国の蒸気ボートの開拓者であるジョン・フィッチ (John Fitch) により、 建造されており、これは恐らくは 1780 年代か 1790 年代のことである。 彼の蒸気機関車は内側に羽根のついた車輪を使用し、レールないしは軌道で誘導された。

最初の実物大の動作する鉄道蒸気機関車は英国のリチャード・トレビシックにより建造され、 1804 年の 2 月 21 日に、世界で最初の鉄道旅行が催され、 トレビシックの無人の蒸気機関車がマーサー・ティドビル (Merthtr Tydfil) の近くの ペン=ア=ダレン (Pen-y-darren) 鉄工場からサウス・ウェールズのアベルカノン (Abercynon) までトラムウェイで列車を牽引した。 デザインには幾つかの重要な新機軸が組み込まれた。 これには高圧蒸気が含まれ、これによりエンジンの重量が軽減し、効率が高められた。 トレビシックは 1804 年の、この後にニューカッスル地域を訪れ、 イングランド北東の炭坑の鉄道が蒸気機関車の実験と開発の主要な中心地となった。

トレビシックは 3 台の機関車を使用して彼自身の実験を継続し、 1808 年の (蒸気機関車の) 「できるものなら捕まえて」 (Catch Me Who Can) で締めくくった。 そのたった 4 年後にマシュー・マレーによる 2 シリンダー (2 気筒) の機関車のサラマンカが、 エッジ・レールの形をした歯板と歯車のミドルトン鉄道 (Middleton Railway) で成功裏に使用された。 1825 年にはジョージ・スティーブンソンストックトン・ダーリントン鉄道のために「ロコモーション」を建造した。 これは世界で最初の公共の鉄道となり、そして 1829 年にはロケットを建造し、 レインヒル試験にエントリーして優勝した。 リバプール・マンチェスター鉄道は 1830 年に開通し、客車と貨車のために蒸気動力のみを使用した。

訳注
「ロケット」を製造したのは、恐らくジョージ・スティーブンソンの子息の ロバート・スティーブンソンです。 スティーブンソンのロケットを参照のこと。
蒸気タービン

蒸気エンジンのデザインの最後の重要な進展は蒸気タービンの使用で、 これは 19 世紀最後に始まる。 ピストンが往復運動する蒸気エンジンよりは蒸気タービンの方が (数百馬力以上の出力に関しては) 一般的にもっと効率がよく、 可動部が少なく、連接棒システムあるいはそれに類似なものを経由するよりは、直接回転運動を提供している。 蒸気タービンは 20 世紀初頭に発電所の往復エンジンに事実上取って代わった。 これは効率と、より高速であることと、発電機に適当であること、及び滑らかな回転が利点であった。 今日では、大半の電力は蒸気タービンで提供される。 米国では電力の 90% がこのようにして生成され、各種の熱源が使用される。 蒸気タービンは 20 世紀の大半を通じ、大型船の推進力に広範囲に適用されている。

現在の発展

往復運動をする蒸気エンジンは最早、広範囲に商用利用されていないが、 色々な会社が内燃エンジンの代替として調査・開発をしている。 スウェーデンのエネフィプロシェクト (エネルギープロジェクト Energiprojekt) AB は、 蒸気の力を利用するのに現代的な材質を利用して進展している。 エネフィプロシェクト (Energiprojekt) の蒸気エンジンの効率は高圧蒸気で 27 - 30% 程度に達している。 これは単一ステップの 5 気筒エンジン (複合なし) で加熱蒸気を使用し、 1 kWh あたりおよそ 4kg (8.8 ポンド) の蒸気を消費している。

蒸気エンジンの構成要素と付属品

蒸気装置には 2 つの基本的な構成要素がある: ボイラーあるいは蒸気生成器、それとモーター・ユニットでこれ自身蒸気エンジンとも呼ばれる。 決められた建物にある固定式蒸気エンジンでは、ボイラーとエンジンが別の建物にあって距離が離れていることがある。 ポータブル・エンジンあるいは可動用途 -- 例えば蒸気機関車 -- の場合には、この 2 つは一緒に搭載されている。

広く使用されている往復運動エンジンを構成するのは:典型的には鋳鉄のシリンダー、 ピストン、連接棒、ビームあるいはクランク、及びはずみ車と色々な接続である。 蒸気は 1 つ以上のバルブで交互に吸気・排気する。 速度制御は自動で、ガバナーを使用するか、 あるいは手動のバルブでする。 シリンダーの鋳物には蒸気の吸気用と排気用の口がついている。

エンジンで凝縮器が付いたものは蒸気を大気に排出するわけでなく、 分離型と呼ばれる。

しばしば他の構成要素もある: 運転中にボイラーに水を供給するポンプ (注水器など)、 水を再循環して気化の潜熱を回収する凝縮器、 飽和蒸気点以上に蒸気の温度を上げるための過熱装置 (superheater)、 火室の通風を増大するための色々な機械がある。 石炭が使用される時には、 チェーンやスクリューで燃料を補給する機械と、 これを駆動するエンジンやモーターが含まれていることがあり、 これにより石炭置場から火室へ燃料が運ばれる。

熱源

水を沸騰させたり、蒸気を供給するための熱源は色々な所から得ることができ、 最も一般的には可燃性物質を適当な空気の供給下に閉鎖空間 (燃焼室とか火室とか色々な名称がある) で燃焼させることによって得られる。場合によっては、熱源は原子炉のこともあるし、地熱のこともある。

ボイラー

ボイラーは沸騰させる水を格納する圧力容器で、 水を沸騰させるために水に熱を伝える何らかの仕組みが必要である。

  1. 水管ボイラー (water-tube boiler) -- 水は熱いガスで取り囲まれた 1 本以上のチューブの中に 格納されるか、あるいはここを通り抜ける。
  2. 煙管ボイラー (fire-tube boiler) -- 水が部分的に容器を満たし、容器の下あるいは容器の中に燃焼室あるいは炉があり、 容器の中を熱いガスが通り抜ける複数の管がある。

煙管ボイラーは初期の高圧蒸気 (典型的には蒸気機関車への実践) で使用された主要な形式である。 しかし、大方はもっと経済的な水管ボイラーで置き換えられることになる。 これは 19 世紀末に起きたことで、海洋の推進用途や大きな固定式蒸気エンジンで起きたことである。


固定式エンジンに使用された産業ボイラー

一旦蒸気になると、多くのボイラーでは蒸気の温度を更に上げ、 「湿り蒸気」 (wet steam) を過熱蒸気 (superheated steam) に変換した。 この「過熱」の使用により、蒸気がエンジン内で凝縮することを避け、 随分とより高い効率を得ることになる。

モーター・ユニット

蒸気エンジンでは、ピストンや蒸気タービンやあるいは機械的仕事をする類似の装置は 高圧・高温の蒸気の供給を受け取り、 低圧・低温の蒸気を排出し、できる限り多くの蒸気エネルギーの違いを機械的な仕事に振り向ける。

これらのモーター・ユニットはそれ自身蒸気エンジンとも呼ばれる。 これらは圧縮空気でも、それ以外のガスでも動作する。

コールド・シンク (Cold sink)
訳注
シンク (sink) は台所の「流し」の意味です。

すべての熱エンジンと同様に、 比較的低温のかなりの量の排熱が生産され、これを廃棄しなければならない。

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ある。 これは蒸気機関車の場合にしばしば使用されることで、 火の吸引を増大するために蒸気が煙突から放出され、 これによりエンジンのパワーは増大するが、非効率である。

時には排熱はそれ自身有益で、 このような場合には全体として非常に高い効率が達成される。 例えば、熱電併給システム (Combined Heat and Power (CHP) system) は排蒸気を地域熱供給 (district heating) に使用している。

CHP が使用されない時には、発電所の蒸気タービンは表面凝縮器 (surface condenser) をコールド・シンクとして 使用する。 凝縮器は海、川、湖の水で冷却され、 しばしば冷却塔 (cooling tower) が使用され、 エネルギー除去のために水を蒸発させる。 結果として凝縮器から出力される凝縮された熱湯はポンプによってボイラーに戻される。 乾式の冷却塔は自動車のラジエーターに似ており、水が希少な場所で使用される。 蒸発式 (湿式) 冷却塔は排熱 (rejected heat) を使用して水を蒸発させ、この水は凝縮液から隔離され、 凝縮液は閉鎖系 (closed system) を循環し、ボイラーに戻る。 このような塔ではしばしば羽毛のような蒸気 (plume) が見える。これは蒸発した水が小さな水滴に凝縮し、 暖かい空気で持ち上げられたものである。 蒸発式冷却塔は川や湖の水を一度通して冷却する場合より、水の消費が少ない。 700 メガワットの石炭火力発電所 (coal-fired power plant) では蒸発式冷却に 1 時間ごとにおよそ 3600 立方メートルの追加の水を使用するが、 川の水で冷却するとおよそ 20 倍の水が必要となる。


発電所の冷却塔の水蒸気の雲
冷却水が蒸発してそれが凝縮したもの
水ポンプ

ランキン・サイクルと大半の実用的な蒸気エンジンには水ポンプによりボイラー水をリサイクルしたり つぎ足したりして、連続的に動作させている。 公共事業や産業用のボイラーは普通は多段の遠心ポンプをしようするが、 他の型式も使用される。 ボイラーに低圧水を給水する方法に注水器 (injector) があり、 これは通常ボイラーから供給される流出ジェット (stream jet) を使用する。 注水器は 1850 年代に人気が出たが、もはや広範囲に使用されることはない。 しかし蒸気機関車のような応用には使用される。

給水器は流出ジェットを使用して強制的に
ボイラーに水を送り込む。給水器は
非効率であるが、極めて単純なので
蒸気機関車の使用に適切。
リチャードの給水器、1875 年
監視と制御

安全上の理由から、ほとんどすべての蒸気エンジンはボイラーを監視するための仕組みを 備えている。例えば圧力計や水位を監視する 「のぞき穴」 などである。

多くのエンジンは、固定式であれ可動式であれ、 エンジンの速度を調整するガバナー (調節器、governor) も備えており、 人間が干渉する必要がない (ある種の自動車の クルーズコントロールに類似)。

蒸気エンジンの性能を分析するための最も便利な装置は蒸気エンジン・インディケーター (indicator) である。 初期のバージョンは 1851 年に使用されたが、最も成功したインディケーターはチャールズ・リチャード (Charles Richard) が 高速エンジンの発明家・製造業者であるチャールズ・ポーター (Charles Porter) のために作ったもので、 これは 1862 年の ロンドン万国博覧会に展示された。 蒸気エンジン・インディケーターは 1 サイクルの間のシリンダーの圧力を紙に記録し、 色々な問題を見抜き、生成された馬力を計算することに使用できた。 これは技術者、整備工そして保険の検査官により日常的に使用された。 エンジン・インディケーターは内燃エンジンにも使用できる。 インディケーターの図式の画像は下を参照。 (往復運動ピストンを参照)

ガバナー (調速機、governor)

遠心力ガバナーは 1788 年にジェームス・ワットによって採用され、蒸気エンジンに使用された。 これは、ボウルトン・ワットが建設していた製粉工場で ワットの協力者であるボウルトン (Boulton) が一基の遠心力ガバナーを見た後のことである。 ガバナーは実際には設定した速度を保持できない。 というのはガバナーは負荷の変化に対応して新しい一定の速度を設定するからである。 ガバナーは小さな変動を処理できた。 例えばボイラーの変動する熱負荷により生じたようなものがあった。 その結果このガバナーだけ装備したエンジンでは一定の速度が要求される作業には不適切であった。 このような機械には木綿の紡績機があった。 ガバナーは時とともに改善し、色々な可変蒸気遮断と組み合わせて、 負荷の変化に対応する良い速度制御が 19 世紀末近くには達成が可能であった。


1788 年のボウルトン・ワットのエンジン
であるラップ・エンジンの遠心力ガバナー
訳注
ラッピング (lapping) には「磨く」の意味がある。 ラップ・エンジンはボタンやバックルを製造するために使用された。
エンジン・コンフィギュレーション
訳注
configuration (コンフィギュレーション) は英和辞書で見当違いな意味が書いてあります。 Merriam-Webster には次のように書いてあります:

the way the parts of something are arranged (あるものの部分がアレンジされる方法)

単純エンジン

単純エンジンでは、蒸気が駆動するのはシリンダー内部で一度だけである。 蒸気は次に直接大気中に排気されるか、凝縮器に導かれる。 蒸気が高圧で膨張すると、熱がシステムに加えられないので、温度が低下する。 これは 断熱膨張として知られ、 蒸気は高温でシリンダーに吸気され、低温でシリンダーから排気される。 これにより 1 ストローク毎にシリンダーは加熱と冷却の周期が生じる。 これが非効率の原因である。

複合エンジン (compound engine)

この加熱と冷却の大きさを和らげる方法が 1804 年に英国の技術者であるアーサー・ウルフ (Arthur Woolf) により発明された。 彼は 1805 年に「ウルフ高圧複合エンジン」の特許を取った。 複合エンジンではボイラーからの高圧蒸気は高圧 (high-pressure, HP) シリンダーで膨張し、 次にそれに続く 1 個以上の低圧 (low-pressure, LP) シリンダーに進入する。 蒸気の完全膨張は今や複数のシリンダーにまたがって起き、 各シリンダーで蒸気が失う熱量は少なくなる。 これにより、シリンダーにおいて過熱と冷却の変動は少なくなり、 エンジンの効率が増大し、 複数のシリンダーで膨張させることにより、トルクの変動を減少させることができる。 低圧蒸気から等価な仕事を引き出すためには、 シリンダーの容積が大きくなる。というのは、この蒸気はより大きな体積を占めるからである。 従って、低圧シリンダーでは内腔、そしてしばしばストロークが増大され、 その結果よりおおきなシリンダーとなる。

二段膨張 (通常は「複合」と呼ばれる) エンジンは二段階で蒸気を膨張させる。 対となるシリンダーは同じものを使ってもよいが、 大きな低圧シリンダーを 2 つに分けて、高圧シリンダーは 2 つのシリンダーのいずれかに排気してもよい。 こうすると 3 つのシリンダーのレイアウトになり、シリンダーとピストンの直径がほぼ同じ大きさとなり、 往復運動をする質量が均衡を取りやすくなる。

二基のシリンダーから成る複合エンジンは次のように配置される:

二基のシリンダーからなる複合エンジンを機関車に使用するときは、 二基のシリンダーからなる単純エンジンの場合と同様に、 90°位相がずれるようにクランクに接続する (4 分化)。 二重膨張グループが 2 個設置され、4 基のシリンダーから構成される時には、 グループ内の個々のピストンは 180°の角度で均衡を取らせ、グループ同士は 90°の角度で均衡を取らせる。 ある場合には (ヴォークレイン (Vauclain) 複合エンジンの最初の型式では)、 ピストンは同じ相で動作し、共通のクロスヘッドとクランクを駆動する。 3 基のシリンダーから成る複合エンジンの場合には、LP (低圧) クランクは互いに 90°の角度に設定され、 HP (高圧) クランクは残りの 2 つと 135°の角度に設定される。 しかし場合によっては、3 つのクランクが 120°になるように設定される。

複合エンジンの採用は、産業用では共通で、道路エンジンでも共通し、 1880 年以後では海洋エンジンではほとんど普遍的であった。 しかし、これは鉄道機関車では普遍的に人気があったわけでなく、 鉄道には複雑であると理解された。 これは部分的には鉄道の動作環境が過酷であったことと、 積載ゲージにより利用可能なスペースに限りがあったことによる。 (とりわけ英国 (の鉄道) では複合エンジンは一般的なものでなく、 1930 年より後には使用されていない。) しかしながら、多数派ではないが (複合エンジンを備えた蒸気機関車は) 多くの他の国で人気があった。

多段膨張エンジン (multiple expansion engine)

(上で述べたような) 複合エンジンの論理的な拡張は膨張をもっと多くの段階に分け、 効率を高めることである。この結果が多段膨張エンジンである。 このようなエンジンは 3 段ないしは 4 段の膨張段階を利用し、3 段膨張エンジン、 4 段膨張エンジンと呼ばれる。 これらのエンジンでは順番に直径を増大する一連のシリンダーを利用する。 シリンダーは各膨張段階で同じ仕事量に分割するようにデザインされている。 二段膨張エンジンと同様にスペースが割高であれば二基のより小さなシリンダーが各膨張段階で使用される。 多段膨張エンジンは典型的にはシリンダーを 1 列に配置するが、他の形態も使用される。 19 世紀の後半には Y-S-T (ヤロー・シュリック・ツイーディー、Yarrow-Schlick-Tweedy) 均衡システムが幾つかの海洋 3 段膨張エンジンで 使用された。Y-S-T エンジンは低圧膨張段階で 2 つのシリンダーに分割し、エンジンの両脇に設置した。 これによりクランクシャフトのバランスが良くなり、滑らかで応答性の速いエンジンとなり、振動も少なくなった。 これにより 4 シリンダーの 3 段膨張エンジンが大きな定期客船 (例えば オリンピック・クラス) で人気となったが、 究極的には事実上振動のないタービン・エンジンで置き換わった。 下の画像は 3 段膨張エンジンの動画である。蒸気は左から右にエンジンを通り抜ける。 各シリンダーの弁室は対応するシリンダーの左側にある。


単純化した 3 段膨張エンジンの動画
高圧蒸気 (赤) がボイラーから進入し
エンジンを通過して低圧蒸気 (青)
として排出。通常は凝縮器に向かう

陸上の蒸気エンジンは蒸気の大半を排気することができるが、これは給水が容易だからである。 第一次世界大戦前およびその最中には、膨張エンジンは海洋用途では支配的であり、 これは船舶の高速性が基本的ではなかったからである。 しかしながら、これは英国の発明である蒸気エンジンが速度を要求される場合に取って代わった。 これには ドレッドノート戦艦 (dreadnought battleship) のような軍艦 (warship) や外洋航行船 (ocean liner) があった。1905 年の HMS ドレッドノートは立証済みの技術である往復動作エンジンを 当時まだ新規な蒸気タービンで置き換えた最初の主要な軍艦である。


3 段膨張海洋蒸気エンジン
外洋タグボート・ハーキュリーズ
モーター・ユニットの型式
往復運動ピストン

大半の往復運動ピストンのエンジンでは、 蒸気はストローク毎に流れ (flow) の向きを逆 (カウンターフロー) にし、 同じ蒸気口 (port) から蒸気を吸気・排気する。 完全なエンジン・サイクルはクランク 1 回の回転と 2 回のピストンのストロークからなり、 サイクルは 4 回のイベント - 吸気、膨張、排気、圧縮 - から構成される。 これらのイベントはバルブによって制御され、バルブはしばしばシリンダーに隣接する弁室 (steam chest) の中で動作している。 バルブは蒸気口を開放・閉鎖することにより蒸気を供給し、シリンダー・エンドに伝達する。 そしてバルブはバルブ装置により駆動され、これには多くの型式がある。 最も単純なバルブ装置はエンジン・サイクルの各イベントに固定の長さを与え、 しばしばエンジンを一方方向に回転させる。 しかしながら、大半では逆向きのメカニズムがあり、 これはその上に、速度やモーメントが増えるにつれ蒸気を節約することにより達成することができ、 これを達成するために徐々に「遮断を短くする」あるいはむしろ吸気イベントを短くすることにより達成され、 これは今度は、これに比例して圧縮期間を長くする。 しかしながら、ただ一つのバルブが蒸気の吸気・排気を制御するため、 吸気の短い遮断は排気・圧縮の期間に不利に影響する。 排気・圧縮の期間は理想的には常に適正に一定となるように保持すべきである。 もしも排気イベントがあまりに短いと、排気蒸気の全量がシリンダーから撤収することができず、 シリンダーを詰まらせ、過大な圧縮を与えることになる (キック・バックと呼ばれる)。

複動作 (double-acting) 固定式エンジン
これは 19 世紀の普通の工場エンジン
スライド弁と窪みに注目、
ほとんど U の字を逆にした形
インディケーター図式の概要
二重ピストン・ストロークの
4 つのイベントを示す。
監視と制御を参照

1840 年代と 1850 年代にこの問題を克服する試みがあり、 色々な特許バルブ装置が考案され、分離した可変の膨張遮断バルブがメイン・スライド・バルブの 背に乗っており、メイン・スライド・バルブが固定あるいは制限された遮断をした。 このように結合した仕組みは理想的なイベントを適正に近似したが、 マサツと摩耗が増大し、機械は複雑になりがちであった。 通常の妥協の解決法はバルブのマサツ面を長くして「ヒザ」(lap) を提供することであった。 これが吸気側の蒸気口と重なり (overlap)、吸気側の遮断が起きた後も、 排気側の蒸気口がより長い時間開放状態のままとなった。 このとりあえずの手段はそれ以来、一般的に大半の用途に充分であると考えられ、 より単純なバルブ装置の使用が可能となった:スティーブンソン式バルブ装置、 ジョイ (Joy) 式バルブ装置、ワルシャート (Walschaerts) 式バルブ装置。 コーリス (Corliss) 式バルブ装置、後にはポペット・バルブ装置 (poppet valve gear) が 吸気用と排気用の別々のバルブを持ち、 これらが理想的なイベントを提供するように設定されたトリップ機構 (trip mechanism) やカムによって駆動した。もっともこれらの装置は固定式蒸気エンジン以外では成功することがなかった。 それはこれ以外の色々の問題によっていた -- 漏れやもっと繊細な仕組みが含まれている。

圧縮

排気段階が完全に完了する前に、排気側のバルブが閉鎖され、 排気蒸気の一部をシリンダー内に閉じ込める。 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、 ピストンは仕事をするが、速度は急速に減少する。 それどころか、これは圧力と温度のショックを予防する。 そうでないと、次のサイクルの開始時点で、高圧蒸気が突然に吸気されて、 圧力と温度のショックが引き起こされるのである。

リード (先行、lead)

上の効果はリードを提供することにより更に強化され、 これは後に内燃エンジンで発見されたものと同じものである。 1830 年代後半以来、吸気段階を先行させることが有利であることに気付かれていた。 バルブを先行させ、排気ストロークの終了する少し前に吸気させ、 蒸気口とシリンダー・エンドを含む「スキマ容積」(ピストンが掃き出した体積の部分ではない) に充填し、蒸気がピストンに力を働かせる前にこれをするのである。

ユニフロー・エンジン (Uniflow (or unaflow) engine)

ユニフロー・エンジンは通常の流れが逆向きのサイクルから生じる困難さを改善する試みである。 ストローク毎に、蒸気口とシリンダーの壁は排気蒸気が通過すると冷却され、 流入する吸気蒸気は動作温度を回復する際にエネルギーを少々損失する。 ユニフロー・エンジンの目的はこの欠陥を改善し、効率を上げることである。 このために、各ストロークの終わりに、ピストンから露出する追加の蒸気口を提供し、 蒸気が一方方向に流れるようにするのである。 この方法により、単純膨張ユニフロー・エンジンは古典的な複合エンジンと等価な効率を与え、 更に、優れた部分負荷の性能の利点が付け加わり、 1000 馬力以下の小さなエンジンではタービンと比較できる効率が得られる。 しかしながら、ユニフロー・エンジンがシリンダー壁に生成する熱膨張勾配が現実的な問題を与える。 半タービン (quasiturbine) はユニフロー・ロータリー蒸気エンジンで、 蒸気を熱い領域で吸入し、冷たい領域で排出する。


ユニフロー蒸気エンジンのおおよその動画
ポペット・バルブが上端で回転するカムシャフト
で制御。高圧蒸気の吸気 (赤)、排気 (黄)
タービン・エンジン

蒸気タービンは駆動軸 (drive shaft) に搭載された 1 枚以上のローター (rotor) (回転する円盤) から構成され、タービンのケースに固定された一連のステイター (stator) (固定円盤) と互い違いになっている。 ローターにはプロペラのような羽根 (blade) が外周に配置されている。 蒸気はこの羽根に作用し、回転運動を生成する。 ステイターも類似のものから構成されているが、固定されており、 一連の羽根は蒸気の流れの向きを次の段階のローターの方向に変える役目をしている。 蒸気タービンはしばしば表面凝縮器の中に排気し、これが真空を作っている。 蒸気タービンの各段階は、蒸気の特定の速度と圧力から、最大ポテンシャルの仕事を引き出すように配置され、 一連の大きさが変化し、高圧段階 (のローター) から低圧段階 (のローター) に続く。 タービンは比較的高速度で回転するときのみ効率がよく、 そのため通常は減速ギアに接続されて、低速な装置を駆動する。 これには例えば船舶のプロペラがある。 大多数の大型発電所では、タービンは直接発電機に接続されて減速ギアがない。 典型的な速度は米国の毎分 3600 回転 (RPM) で 60ヘルツの電力が得られ、 ヨーロッパと他の国では 3000 RPM で 50 ヘルツの電力が得られる。 原子力発電所の場合には典型的にはこの半分の速度 -- 1800 RPM と 1500 RPM -- で動く。 タービン・ローターは一方方向に回転するときのみに動力を供給できる。 そのため、逆方向の動力が要求される場合には、通常ギアボックスが必要となる。

発電所で使用される
現代的蒸気タービンのローター
タービニア
最初の蒸気タービン動力の船

蒸気タービンは直接的な回転力を提供し、往復運動を回転運動に変換する接続のメカニズムが必要でない。 従って、蒸気タービンは出力軸に滑らかな回転力を生成する。 これにより、同等の往復運動エンジンよりも、整備が少なくてすみ、機械の摩耗も少なくなる。

蒸気タービンの主な用途は発電である。 (1990 年には、世界の発電のおよそ 90% が蒸気タービンを利用していた。) しかしながら、最近の大型のガス・タービン・ユニットと 典型的な コンバインド・サイクル電力プラント (combined cycle power plant) の広範囲の利用により、 この比率が減少し、蒸気タービンは 80% になった。 発電ではタービンの高速回転は現代の発電機の速度とうまく適合し、 発電機は駆動タービンに直接接続されている。 海洋用途では ( タービニアで開拓され)、 蒸気タービンは減速ギアと共に 20 世紀の後半を通じて、大型船の推力を支配した。 (もっとも、タービニアではタービンが直接駆動し、減速ギアはなかった。) 蒸気タービンは往復運動蒸気エンジンよりも効率がよかったからである。 (しかも整備が少なくてすむ。) 近年の数十年間に、往復運動ディーゼル・エンジンとガス・タービンが海洋用途で、ほとんど完全に蒸気推進に 取って代わった。

ほとんどすべての原子力発電所の発電は水を加熱して蒸気を生成し、これがタービンを駆動し、 タービンが発電機に接続されている。 原子力船と原子力潜水艦では主な推力として蒸気タービンを直接使用し、発電機が補助的な動力を供給しているか、 もしくは ターボ・エレクトリック伝達を使う。これでは蒸気がタービン発電機を駆動し、推力は電気モーターで駆動される。 限られた数の蒸気タービン鉄道機関車が製造された。 復水しない直接駆動の機関車の幾つかが、スウェーデンで長距離貨物輸送で成功し、 英国で乗客輸送の急行列車で成功している。しかし、これは繰り返されなかった。 これ以外では、とりわけ米国で、もっと進展した電力伝達のものが実験的に製造されたが、 再度製造されなかった。発見されたことは、蒸気タービンは鉄道環境には理想的に適合していないことで、 これらの機関車は古典的な往復運動蒸気エンジンを追放することに失敗し、 現代のディーゼルや電気の牽引がこれを実施したのである。

首振りシリンダー蒸気エンジン (Oscillating cylinder steam engine)
首振りシリンダー蒸気エンジンを参照

首振りシリンダー蒸気エンジンは単純な膨張蒸気エンジンの変型版であり、 蒸気がシリンダーから出入りすることを指図するバルブがないものである。 バルブの代わりに、 シリンダーが揺れて、あるいは首を振って、 シリンダーの 1 つ以上の穴が、 固定された蒸気口の面の穴と 1 列に揃うようにする。 これらのエンジンは単純なためオモチャやモデルで使用される。 しかし原寸の動作エンジンでも使用され、 主に船舶で使用され、小さいことが価値あるとされる時に使用される。


単純な首振りシリンダー蒸気エンジンの動作
ロータリー蒸気エンジン

ピストンのないロータリー・エンジンに基づいて機械を作ることは可能で、 これにはヴァンケル・エンジン (Wankel engine) のようなものがあり、 伝統的な往復蒸気エンジンのシリンダーやバルブ装置の代わりに使用される。 多くのそのようなエンジンはジェームス・ワットの時代から現代までデザインされ続けたが、 比較的少ない機械が実際に作られ、更にその少数が量産された。 主な問題点はローターを密閉して、摩耗や熱膨張があっても蒸気を漏らさないようにすることが困難だからである。 この結果起きる漏れにより非常に非効率的になる。 膨張仕事 (expansive working) がないことと、遮断を制御する方法がないことも、このような多くのデザインで重大な問題である。 1840 年代までに明らかとなったことは、この発想には内在する問題があり、 ロータリー・エンジンは技術新聞で幾分の嘲笑を持って取り扱われた。 しかしながら、舞台に電気が登場し、発電機を高速エンジンで直接駆動する明らかな利点から、 1880 年代と 1890 年代に興味が復活するようにもなり、 幾つかのデザインが限定的に成功した。 半タービン (quasiturbine) は新しい形式のユニフロー蒸気エンジンである。

量産して製造された数少ないエンジンの中に、スウェーデン、ストックフォルムの ハルト・ブラザーズ・ロータリー蒸気エンジン (Hult Brothers Rotary Steam Engine) のエンジンと、 ボーシャン・タワー (Beauchamp Tower) の球形エンジンがある。 タワーのエンジンが使用されたのは:グレート・イースタン鉄道では機関車の照明用発電機の駆動、 海軍本部では海軍の艦船上の発電機の駆動。 これらは間もなく、このような得意分野での応用を蒸気タービンに取って代わられた。

ロケット型式

アイオロスの球は直接推進ではないが、 ロケット反作用の原理による蒸気使用である。

もっと現代的な時代には、ロケットへの蒸気の限定的な使用があり、 とりわけロケット・カーがある。 蒸気ロケットは圧力容器に熱湯を高圧で充填し、適切なノズルにつなげるバルブを開放することで動作する。 圧力の急落により直ちに水の一部が沸騰し、蒸気がノズルから噴出し、推進力が作られる。

安全装置

蒸気エンジンにはボイラーやそれ以外の部品で圧力容器であるものがあり、 これらは大量のポテンシャル・エネルギーを保持している。 蒸気の漏れとボイラーの爆発 (典型的には BLEVE) は多くの人命の損失につながり、しかも過去にそうであった。 国による違いはあるが、法的に厳重なテスト、訓練、製造上の注意、操業、検定が安全を確保するために適用される。

事故には次がある。

蒸気エンジンにはしばしば、ボイラーの圧力が高くなり過ぎることがないように、 2 つの独立な装置を持っていた。 1 つはユーザーが調節できるもので、第 2 のものは典型的には究極的な安全装置としてデザインされていた。 このような、安全弁は伝統的には、 ボイラー上部のプラグ弁を固定するために単純なレバーを使用した。 レバーの一方の端には重りやバネがあり、これで蒸気圧に対して弁を拘束していた。 初期のバルブはエンジン技師により調節でき、これにより多くの事故が起きた。 これは技師がバルブをしっかり留めて、 蒸気圧を高くしてエンジンからもっと多くの動力を引き出そうとした時に起きた。 もっと最近の安全弁の型式では、調節可能なバネを搭載した弁を使用し、 技師が違法に封印を壊さない限りは、調節を変更できないようになった。 この取り決めはとても安全なものになった。

鉛製で溶ける弁がボイラーの火室の最上部についていることがある。 水位が下がり、火室の温度が随分と上昇すると、 鉛が溶けて蒸気が漏れ、技師に警告する。技師は手動で火力を抑える。 最も小さいボイラーを除いては、蒸気漏れは火力を抑える効果がない。 弁はあまりに小さいので、蒸気圧を十分に下げて、ボイラーの圧力を抜くことはない。 もしも弁が大きければ、漏れ出す蒸気の量自身が操作員に危険となる。

蒸気サイクル

ランキン・サイクルは蒸気エンジンの基本的な熱力学的な支えである。 サイクルは単純動力生成に典型的に使用される部品の配置であり、 水の相変化を利用し (沸騰した水が蒸気を生成し、排気蒸気が凝縮し、液体の水が生成される) 実用的な 熱/動力 の変換システムを提供する。 熱は閉鎖ループに外的に供給され、幾分かの追加の熱が変換されて仕事となり、 排熱は凝縮器で取り除かれる。 ランキン・サイクルは事実上ほとんどすべての蒸気動力製造の応用で使用された。 ランキン蒸気サイクルは世界中で使用されている電力生成のおよそ 90% を生成し、 これにはほとんどすべてのソーラー・プラント、石炭プラント、原子力プラントが含まれている。 この名称はスコットランドの博学者であるジョン・マッコーン・ランキン (John Macquorn Rankine) にちなんで名づけられた。


ランキン・サイクルで使用される 4 つの装置の流れの図
1) 給水ポンプ、2) ボイラー or 蒸気生成器
3) タービン or エンジン、4) 凝縮器
但し Q = 熱、W = 仕事、熱の大半は廃物として破棄。

ランキン・サイクルは時々「現実的なカルノー (Carnot) サイクル」と呼ばれる。 というのは、効率の良いタービンが使用された場合には TS-図式 (Temperature–entropy diagram) はカルノー・サイクルに似てくるからである。 主な違いは、 (ボイラーにおける) 熱の追加と (凝縮器における) 排熱 (rejection) は ランキン・サイクルでは等圧 (圧力が一定、isobaric) の過程であるが、 理論的なカルノー・サイクルでは等温 (温度が一定、isothermal) の過程で あるからである。 このサイクルでは、ポンプは動作流体を加圧することに利用され、 ポンプは動作流体を凝縮器 (condenser) からガスとしてではなく液体として受け取っている。 サイクル中に動作流体を液体の形でポンプで注入することは、 (カルノー・サイクルの場合のように) ガス形態の動作流体をコンプレッサーで圧縮することに必要なエネルギーと比較すると、 輸送するのにわずかなエネルギーが必要とされる。 往復蒸気エンジンのサイクルがタービンのものと違っている点は、 凝縮と再気化がシリンダー内部や蒸気の取り込み通路でも起きる点である。

ランキン・サイクルの動作流体は閉ループ系として動作し、動作流体が連続的にリサイクルするか、 あるいは開ループ系で、排気蒸気は直接大気中に開放し、 別の水がボイラーに供給される。 普通は水は好都合な性質 により動作流体として使用されるが、 このような性質には -- 有毒ではない、化学的に活性ではない、たくさんあること、 価格が安い、熱力学的性質 -- がある。 水銀は水銀気化エンジンの動作流体である。 低温で沸騰する炭化水素はバイナリー・サイクル (二流体サイクル、binary cycle) で使用される。【訳注:バイナリー・サイクルとは地熱発電に利用されるもの。】

蒸気エンジンは熱力学の発展に随分と貢献したが、 蒸気エンジンに影響を与えた科学的な理論の唯一つの応用は、 蒸気力の発想、大気圧、熱と蒸気の性質に関しての知識のみである。 蒸気エンジンの模型でワットがした実験的な計測が「分離した凝縮器」に至った。 ワットは独立に潜熱を発見し、 これは元々の発見者である ジョセフ・ブラック (Joseph Black) により確認され、 ブラックはまた、ワットに実験的な手順を勧めている。 ワットは圧力がある時の水の沸騰点が変化することも気が付いていた。 これ以外では、エンジンの改良自身は本質的に機械的なものであった。 ランキン・サイクルの熱力学的発想は技術者に効率を計算するのに必要な理解を与え、 これは現代の高圧・高温ボイラーと蒸気タービンの開発の助けとなった。

効率

エンジンの効率は、 エンジンが生成する機械的仕事が出力するエネルギーを、 燃料を燃焼することによってエンジンに入力されるエネルギーで割ることによって計算される。

蒸気エンジンのエネルギー効率の歴史的計量法は デューティー (duty) であった。 デューティーはワットにより始めて導入され、 初期のニューコメンのエンジンよりは彼のエンジンがどれほど効率が良いかを示すためであった。 デューティーは 1 ブッシェル (94 ポンド) の石炭を燃やすことによって生成される 仕事をフィート・パウンドで表した数値である。 ニューコメンのデザインしたエンジンで最も良いものはおよそ 700 万デューティーであるが、 大半は 500 万デューティーの近くであった。 ワットの元々の低圧蒸気エンジンは 2500 万デューティーをしのぐほどであったが、 平均しておよそ 1700 万であった。 これは平均したニューコメンのエンジンの 3 倍の改良であった。 高圧蒸気を装備した初期のワットのエンジンはこれを 6500 万デューティーに改良した。

どの熱エンジンもカルノー・サイクルほど効率が良くなく、 カルノー・サイクルでは熱は高温の貯水庫から低温の貯水庫に移動し、 効率は温度差に依存している。 最も高い効率を得るためには、蒸気エンジンはできる限り高温 (過熱蒸気) で動作し、 排熱をできる限り温度が低い場所で解放しなければならない。

ランキン・サイクルの効率は、通常は動作流体よって制約を受ける。 動作流体が臨界超過 (supercritical) の圧力に到達しなければ、 動作流体が動作できる温度領域はきわめて小さい: 蒸気タービンの場合にはタービン進入温度は典型的には 565°C (ステンレス鋼の クリープ限度) で凝縮器の温度は 30°C 前後である。 これにより、理論的なカルノー・サイクルの効率は 63% であるが、 現代の石炭を燃料とする発電所の実際の効率は 52% である。 (ガスタービンと比較した時の) この低いタービン進入温度が、 コンバインド・サイクル発電所 (combined cycle cycle power stations) の基礎となるサイクルとしてランキン・サイクルが使用される理由である。

他のものと比べた時の、ランキン・サイクルの主要な利点は、圧縮段階において、比較的少ない仕事が ポンプを駆動するのに要求されることである:動作流体はこの時点で液体相だからである。 流体を凝縮することにより、ポンプに必要とされる仕事はタービン動力の 1% から 3% を消費するのみで、 実際のサイクルではもっと高い効率に寄与する。 この恩恵は熱が付け加えらる温度の低さにより幾分失われる。 例えば、ガス・タービンではタービン進入温度は 1500°C に近い。 にもかかわらず、実際の大きな蒸気サイクルと大きな現代のガス・タービンの効率はきわめてうまく合致する。

実際には、蒸気を大気中に排出する蒸気エンジンの効率は (ボイラーも含め) 典型的には 1 - 10% の領域にあるが、 凝縮器と多段膨張と 高圧蒸気/高温蒸気 を追加すれば、効率は随分改善し、 歴史的には 10 - 20 % になるが、それより高くなることはほとんどない。

(数百メガワットの電力を発電する) 現代的な大きな発電所は、 蒸気の再加熱と (燃料の) 節約装置により、40% 台半ばの効率を達成し、 最も効率的なものは 50% 近くの熱効率となる。

コジェネレーションを使用して排熱を捕えることもできる。 コジェネレーションでは排熱は沸騰点の低い動作流体を加熱することもできるし、 低圧飽和水蒸気を経由して地域暖房の熱源として使用できる。