Motors coet de vapor

L'eolípila representa el principi d'ús de vapor en motors a reacció, tot i que es tracta d'una propulsió indirecta.

En temps més moderns ha sorgit un ús limitat del vapor per a coeteria, particularment amb l'ús de propulsió amb coet per automoció. Aquesta tècnica és, en concepte, molt simple. Es tracta de plenar un tanc a pressió amb un tanc d'aigua calenta a alta pressió i d'obrir una vàlvula que permet el pas de corrent cap a una tovera. La pèrdua de pressió dóna lloc immediatament a la transformació en vapor de part de l'aigua, fent circular vapor cap a la tovera. Això crea una força propulsiva significant.

Podria esperar-se que l'aigua del tanc a pressió s'emmagatzemés a alta pressió, però ja en la pràctica els tancs tenen molta massa, cosa que redueix l'acceleració del vehicle. No obstant, es fa servir una pressió molt baixa, que permet fer servir tancs més lleugers que donen una major velocitat al vehicle.

Suposadament, també s'han visualitzat com a possible propulsor de vehicle espacial, tot i que els coets a vapor són relativament ineficient en l'ús de líquid propulsor, l'extracció d'aigua com a propulsor és viable al trobar-se en forma de gel, cosa que pot abaratir el cost d'obtenir propulsor en comptes d'aconseguir hidrogen per a coets convencionals.

Motors d'expansió simple

Aquesta tipologia comprèn aquelles màquines on el vapor només treballa una vegada al cilindre. Una vegada s'ha expandit el vapor i s'ha transmès l'energia mecànica al mecanisme biela-manovella, el gas és directament expulsat a l'atmosfera o bé dins un condensador, tot i que el calor remanent també pot trobar aplicació en l'ús en calefacció d'un espai habitat o en el subministrament d'aigua preescalfada la caldera.


A la majoria de pistons alternatius de les màquines de vapor, el flux d'aquest sol invertir-se en cada cicle, entrant i sortint del cilindre per la mateixa presa. El cicle sencer del motor fa servir una rotació de la manovella o cigonyal i dos carreres del pistó. El cicle també es pot dir que es comprèn de quatre esdeveniments – admissió, expansió, expulsió i compressió – . Aquestos esdeveniments són controlats per vàlvules que treballen sovint dins una gola de vapor adjacent al cilindre; les vàlvules distribueixen el vapor obrint i tancant les preses de vapor que comuniquen amb el final del cilindre i que són moguts per una vàlvula d'engranatge, de la qual poden existir diferents tipus. La vàlvula més simple dóna lloc a esdeveniments de longitud fixa durant el cicle del motor i sovint fan rotar el motor en una única direcció. No obstant, tenen un mecanisme d'inversió amb el que es pot estalviar vapor al guanyar-se velocitat i inèrcia de rotació gràcies a un escurçament de la velocitat de tall progressiu o, en certa mesura, l'escurçament de l'esdeveniment d'admissió que augmentaria el període d'expansió. No obstant, al ser controlat el flux per les vàlvules, el tall en l'admissió de vapor afecta adversament als períodes d'expulsió i de compressió, que han de romandre, en teoria constants. Si l'esdeveniment d'expulsió és massa curt, no es pot evacuar tot el vapor del cilindre, de manera que queda blocat i dóna massa compressió (“contrapressió”).

Motors d'expansió múltiple

És l'extensió lògica del motor compost per tal de dividir l'expansió entre més d'una etapa per tal d'incrementar l'eficiència. El resultat és un motor d'expansió múltiple. Aquestos motors fan servir tres o quatre etapes d'expansió i s'anomenen motors de triple o quàdruple expansió respectivament. Aquestos motors fan servir una sèrie de cilindres de doble efecte que incrementen progressivament el diàmetre o la carrera, incrementant-ne alhora el volum. Aquestos cilindres es dissenyen per tal de dividir el treball entre tres o quatre, segons convé, porcions iguals per cada etapa d'expansió. Com al motor de doble expansió, on l'espai és escàs, dos cilindres més petits d'una gran suma de volum poden fer-se servir per a l'etapa de baixa pressió. Els motors d'expansió múltiple típicament tenien els cilindres arranjats en línia, tot i que van sorgir diverses tipologies d'organització. Al final del segle XIX, el sistema de balanceig de Yarrow-Schlick-Tweedy es feia servir en alguns motors de triple expansió marins. Els motors Y-S-T dividien les etapes d'expansió de baixes pressions entre dos cilindres, un a cada extrem del motor. Això permetia un millor balanceig del cigonyal, de manera que s'obtenia una resposta més suau i ràpida, amb menors vibracions generades pel motor. Això va fer popular la configuració de motor de triple expansió de quatre cilindres als vaixells de passatgers que, no obstant, sigueren reemplaçats per turbines, virtualment sense vibracions.

Motors composts

Al expandir-se el vapor en un motor d'alta pressió, la temperatura disminueix, degut a que no s'allibera calor per part del sistema, això és conegut com a expansió adiabàtica i resulta en vapor entrant en el cilindre a alta temperatura i abandonant-lo a baixa temperatura. D'aquesta manera es causen cicles d'escalfament i refredament del cilindre amb cada carrera, causant certes ineficiències.

Un mètode per tal de disminuir la magnitud d'aquest escalfament i refredament es va inventar el 1804 per part de l'enginyer britànic Arthur Woolf, que va patentar el seu motor compost d'alta pressió Woolf el 1805. Al motor compost, el vapor d'alta pressió provinent de la caldera s'expandeix a un cilindre d'alta pressió (AP) i després entra a un cilindre de baixa pressió (BP). L'expansió completa del vapor ara és causada travessant múltiples cilindres ocorrent a cada cilindre una expansió menor. Aquesta configuració permet reduir la magnitud del cicle d'escalfament i refredament, augmentant l'eficiència del motor. Per tal de derivar igual càrrega de treball al funcionar amb càrregues de menor pressió es requereix un volum major de cilindre, al ocupar el vapor expandit un volum més gran. És per això que el diàmetre, i de vegades la carrera, s'incrementen en cilindres de baixa pressió, donant com a resultat cilindres més grans.

Els motors d'expansió doble (anomenada composta de manera sovint) expandeixen el vapor en dos etapes. Les parelles poden ser duplicades o el treball d'un cilindre de baixa pressió pot dividir-se amb un cilindre d'alta pressió, expulsant en un o en l'altre, donant lloc a una configuració de 3 cilindres on els diàmetres del cilindre i l'èmbol són aproximadament el mateix fent així les masses alternatives fàcils de balancejar.