異なるタイプの蒸気エンジンは、歴史を通じて多くの変化を遂げており、技術はそれらを目覚ましい方法で進化させ続けてきました。
本質的に、蒸気エンジンは、水蒸気の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する外部燃焼エンジンです。それらはポンプ、機関車、船、トラクターに動力を与えるために使用されており、当時は産業革命に不可欠でした。現在、蒸気タービンを使用した電気エネルギーの生成に使用されています。
蒸気エンジンは、水を沸騰させて蒸気を生成するために使用されるボイラーで構成されています。蒸気は膨張してピストンまたはタービンを押し、その動きがホイールを回したり、他の機械を駆動したりする働きをします。
最初の蒸気エンジンは、1世紀にヘロンオブアレクサンドリアによって考案され、Eolipilaと呼ばれていました。それはボイラーに接続された中空の球からなり、ボイラーには2つの湾曲したチューブが取り付けられていました。球は沸騰した水で満たされ、蒸気がチューブから高速で放出され、ボールが回転しました。
eolipilaには実用的な目的はありませんでしたが、推進力の源として蒸気が最初に実装されたことは間違いありません。
ヘロンのエオリピアン
ただし、蒸気を使用するほとんどのシステムは、ピストンマシンと蒸気タービンの2つのタイプに分類できます。
蒸気機関の主な種類
1-プランジャーマシン
プランジャーマシンは加圧蒸気を使用します。複動ピストンを介して、加圧された蒸気は両側に交互に流入し、他方では解放または凝縮器に送られます。
エネルギーは、蒸気の逃げに対して密封されたスライドバーによって吸収されます。このロッドは、次に、クランクに接続されたコネクティングロッドを駆動して、往復運動を回転運動に変換します。
さらに、通常は回転運動の逆転を可能にするメカニズムを介して、バルブギアを駆動するために別のクランクが使用されます。
複動ピストンのペアを使用する場合、クランクアドバンスは90度の角度でオフセットされます。これにより、クランクがどの位置にあっても、モーターは常に動作します。
2-複数の拡張モーター
別のタイプの蒸気エンジンは、直径と動きが徐々に増加するいくつかの単動シリンダーを使用します。ボイラーからの高圧蒸気は、小径の最初のピストンを押し下げるために使用されます。
上向きの動きでは、部分的に膨張した蒸気は、下向きの動きを始めている第2のシリンダーに送り込まれます。これにより、第１のチャンバーで放出された比較的高い圧力がさらに膨張する。
また、中間チャンバーは最終チャンバーに排出され、最終チャンバーはコンデンサーに解放されます。このタイプのエンジンの改造では、最後のチャンバーに2つの小さなピストンが組み込まれています。
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。復水器は、わずかな電力を回復するときに、蒸気を再びボイラーでの再利用のために水に変換したためです。
地上の蒸気エンジンは、その蒸気の多くを排出し、淡水タワーから補充することができましたが、海ではこれは不可能でした。
第二次世界大戦前および第二次世界大戦中、拡張エンジンは高速で移動する必要のない船舶に使用されていました。ただし、速度を上げる必要がある場合は、蒸気タービンに置き換えました。
3-ユニフローまたはユニフォームフローモーター
別のタイプのピストンマシンは、ユニフローまたはユニフォームフローモーターです。このタイプのエンジンは、シリンダーの各半分で一方向にのみ流れる蒸気を使用します。
熱効率は、シリンダー全体に温度勾配を付けることで達成されます。蒸気は常にシリンダーの高温端に入り、クーラーの中心にある開口部から出ます。
これにより、シリンダー壁の相対的な加熱と冷却が減少します。
ユニフローエンジンでは、蒸気の入口は通常、カムシャフトによって作動するポペットバルブ（内燃エンジンで使用されるバルブと同様に機能します）によって制御されます。
動作の開始時に最小膨張量に達したときに、入口バルブが開いて蒸気を入れます。
クランクの回転中の特定の瞬間に、蒸気が入り、キャップの入口が閉じます。これにより、蒸気が連続的に膨張し、ピストンが作動します。
ストロークの終わりに、ピストンはシリンダーの中心の周りに排気穴のリングを発見します。
これらの穴はコンデンサーに接続されており、チャンバー内の圧力を下げて迅速な解放を引き起こします。クランクの継続的な回転がピストンを動かします。
4-蒸気タービン
高出力蒸気タービンは、外縁に一種のプロペラタイプのブレードを含む一連の回転ディスクを使用します。これらの可動ディスクまたはローターは、タービン構造に取り付けられた固定リングまたはステーターと交互になって、蒸気の流れを方向転換します。
動作が高速であるため、このようなタービンは通常、減速機に接続され、船のプロペラなどの別の機構を駆動します。
蒸気タービンは耐久性が高く、ピストンマシンよりメンテナンスが少なくて済みます。また、出力シャフトによりスムーズな回転力を発生させ、メンテナンスの必要性を減らし、摩耗を減らします。
蒸気タービンの主な用途は発電所であり、その高速運転は利点であり、それらの相対的な体積は不利ではありません。
また、船舶や潜水艦に動力を供給する船舶用途にも使用されます。事実上すべての原子力発電所は、水を加熱して蒸気タービンに供給することによって電気を生成します。
5-推進エンジン
高圧蒸気を利用して前方の取水口から水を吸い込み、後方から高速で排出する水中推進エンジンを搭載。
蒸気が水に凝縮すると、背後から水を追い出す衝撃波が発生します。
エンジン効率を向上させるために、エンジンは蒸気ジェットの前にある通気口から空気を引き込みます。これにより、気泡が発生し、蒸気と水との混合方法が変わります。
参考文献
- マーシャル・ブレイン（2017）。「蒸気エンジンのしくみ」。2017年6月14日、science.howstuffworks.comから取得。
- 新世界百科事典（2015）。"蒸気機関"。2017年6月14日、newworldencyclopedia.orgから取得。
- SOS Children（2008-2009）。"蒸気機関"。2017年6月14日、cs.mcgill.caから取得。
- ウッドフォード、クリス（2017）。 "蒸気機関"。 2017年6月14日、explainthatstuff.comから取得。