Máquina de vapor

Una máquina de vapor rudimentaria registrada fue la eolípila descrita por Herón de Alejandría , un matemático e ingeniero helenístico en el Egipto romano durante el siglo I d. C. ^{[ 9 ]} En los siglos siguientes, las pocas máquinas de vapor conocidas fueron, como la eolípila, ^{[ 10 ]} esencialmente dispositivos experimentales utilizados por inventores para demostrar las propiedades del vapor.

Un dispositivo rudimentario de turbina de vapor fue descrito por Taqi al-Din ^{[ 11 ]} en el Egipto otomano en 1551 y por Giovanni Branca ^{[ 12 ]} en Italia en 1629. ^{[ 13 ]} En 1601, Giambattista della Porta describió un aparato mediante el cual la presión del vapor podía elevar una columna de agua. ^{[ 14 ]} El inventor español Jerónimo de Ayanz recibió patentes en 1606 por 50 inventos impulsados ​​por vapor, incluyendo una bomba de agua para drenar minas inundadas. ^{[ 15 ]} Hacia 1615, Salomon de Caus desarrolló un motor atmosférico impulsado por energía solar. ^{[ 16 ]} El francés Denis Papin realizó un trabajo útil sobre el digestor de vapor en 1679, y utilizó por primera vez un pistón para elevar pesos en 1690. ^{[ 17 ]}

El primer dispositivo comercial impulsado por vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery . ^{[ 18 ]} Utilizaba vapor condensado para crear un vacío que elevaba el agua desde abajo y luego usaba la presión del vapor para elevarla aún más. Los motores pequeños eran efectivos, aunque los modelos más grandes presentaban problemas. Tenían una altura de elevación muy limitada y eran propensos a explosiones de caldera . El motor de Savery se utilizó en minas, estaciones de bombeo y para suministrar agua a ruedas hidráulicas que impulsaban maquinaria textil. ^{[ 19 ]} Una ventaja del motor de Savery era su bajo costo. ^{[ 20 ]} Bento de Moura Portugal introdujo una mejora en la construcción de Savery "para que fuera capaz de funcionar por sí mismo", como lo describió John Smeaton en las Philosophical Transactions publicadas en 1751. ^{[ 21 ]} Continuó fabricándose hasta finales del siglo XVIII. ^{[ 22 ]} Se sabe que al menos un motor seguía en funcionamiento en 1820. ^{[ 23 ]}

El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue el motor atmosférico (o "motor de incendios"), inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. ^{[ c ] [ 25 ]} Mejoró la bomba de vapor de Savery, utilizando un pistón como propuso Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente y se usaba principalmente para bombear agua. Funcionaba creando un vacío parcial mediante la condensación de vapor bajo un pistón dentro de un cilindro. Se empleó para drenar explotaciones mineras a profundidades originalmente impracticables con los medios tradicionales, y para proporcionar agua reutilizable para accionar ruedas hidráulicas en fábricas ubicadas lejos de una "cabeza" adecuada. El agua que pasaba sobre la rueda se bombeaba a un depósito de almacenamiento sobre la rueda. ^{[ 26 ] [ 27 ]} En 1780, James Pickard patentó el uso de un volante y un cigüeñal para proporcionar movimiento rotatorio a partir de un motor de Newcomen mejorado. ^{[ 28 ]}

En 1720, Jacob Leupold describió una máquina de vapor de alta presión de dos cilindros. ^{[ 29 ]} El invento se publicó en su obra principal «Theatri Machinarum Hydraulicarum». ^{[ 30 ]} La máquina utilizaba dos pistones pesados ​​para accionar una bomba de agua. Cada pistón se elevaba por la presión del vapor y volvía a su posición original por gravedad. Los dos pistones compartían una válvula rotativa común de cuatro vías conectada directamente a una caldera de vapor.

El siguiente paso importante ocurrió cuando James Watt desarrolló (1763–1775) una versión mejorada de la máquina de Newcomen, con un condensador separado . Las primeras máquinas de Boulton y Watt usaban la mitad de carbón que la versión mejorada de la de Newcomen de John Smeaton . ^{[ 31 ]} Las primeras máquinas de Newcomen y Watt eran "atmosféricas". Se impulsaban mediante la presión del aire que empujaba un pistón hacia el vacío parcial generado por el vapor condensado, en lugar de la presión del vapor en expansión. Los cilindros de la máquina tenían que ser grandes porque la única fuerza utilizable que actuaba sobre ellos era la presión atmosférica . ^{[ 26 ] [ 32 ]}

Watt perfeccionó su motor, modificándolo para que proporcionara un movimiento rotatorio adecuado para accionar maquinaria. Esto permitió ubicar las fábricas lejos de los ríos y aceleró el ritmo de la Revolución Industrial. ^{[ 32 ] [ 26 ] [ 33 ]}

El significado de alta presión, junto con un valor real por encima de la presión ambiente, depende de la época en que se utilizó el término. En sus inicios, Van Reimsdijk ^{[ 34 ]} se refiere al vapor a una presión suficientemente alta como para ser expulsado a la atmósfera sin necesidad de vacío para realizar trabajo útil. Ewing afirma que las máquinas de condensación de Watt eran conocidas, en aquel entonces, como de baja presión en comparación con las máquinas de alta presión sin condensación de la misma época. ^{[ 35 ]}

La patente de Watt impidió que otros fabricaran motores de alta presión y de combustión compuesta. Poco después de que la patente de Watt expirara en 1800, Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 ^{[ 33 ] [ 36 ]} introdujeron motores que utilizaban vapor a alta presión; Trevithick obtuvo su patente de motor de alta presión en 1802, ^{[ 37 ]} y Evans había fabricado varios modelos funcionales antes de eso. ^{[ 38 ]} Estos eran mucho más potentes para un tamaño de cilindro dado que los motores anteriores y podían fabricarse lo suficientemente pequeños para aplicaciones de transporte. Posteriormente, los desarrollos tecnológicos y las mejoras en las técnicas de fabricación (en parte propiciadas por la adopción de la máquina de vapor como fuente de energía) dieron como resultado el diseño de motores más eficientes que podían ser más pequeños, más rápidos o más potentes, según la aplicación prevista. ^{[ 26 ]}

La máquina Cornish fue desarrollada por Trevithick y otros en la década de 1810. ^{[ 39 ]} Era una máquina de ciclo compuesto que utilizaba vapor a alta presión de forma expansiva y luego condensaba el vapor a baja presión, lo que la hacía relativamente eficiente. La máquina Cornish tenía un movimiento y un par irregulares a lo largo del ciclo, lo que limitaba su uso principalmente al bombeo. Las máquinas Cornish se utilizaron en minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo XIX. ^{[ 40 ]}

Los primeros constructores de máquinas de vapor estacionarias consideraban que los cilindros horizontales sufrirían un desgaste excesivo. Por ello, sus máquinas se diseñaban con el eje del pistón en posición vertical. Con el tiempo, la disposición horizontal se popularizó, permitiendo instalar máquinas compactas pero potentes en espacios reducidos.

La cúspide de la máquina horizontal fue la máquina de vapor Corliss , patentada en 1849, que era una máquina de contracorriente de cuatro válvulas con válvulas de admisión y escape de vapor separadas y corte de vapor variable automático. Cuando Corliss recibió la Medalla Rumford , el comité afirmó que "ningún invento desde la época de Watt ha mejorado tanto la eficiencia de la máquina de vapor". ^{[ 41 ]} Además de usar un 30 % menos de vapor, proporcionaba una velocidad más uniforme debido al corte de vapor variable, lo que la hacía muy adecuada para la fabricación, especialmente para el hilado de algodón. ^{[ 26 ] [ 33 ]}

Los primeros vehículos experimentales de vapor para carretera se construyeron a finales del siglo XVIII, pero no fue hasta después de que Richard Trevithick desarrollara el uso del vapor a alta presión, alrededor de 1800, que las máquinas de vapor móviles se convirtieron en una opción viable. La primera mitad del siglo XIX presenció grandes avances en el diseño de vehículos de vapor, y para la década de 1850 ya era factible producirlos a escala comercial. Este progreso se vio frenado por una legislación que limitaba o prohibía el uso de vehículos de vapor en las carreteras. Las mejoras en la tecnología de los vehículos continuaron desde la década de 1860 hasta la de 1920. Los vehículos de vapor para carretera se utilizaron para numerosas aplicaciones.

En el siglo XX, el rápido desarrollo de la tecnología de motores de combustión interna provocó la desaparición de la máquina de vapor como fuente de propulsión comercial para vehículos, y solo unas pocas permanecieron en uso tras la Segunda Guerra Mundial . Muchos de estos vehículos fueron adquiridos por aficionados para su conservación, y aún existen numerosos ejemplares. En la década de 1960, los problemas de contaminación atmosférica en California suscitaron un breve interés por el desarrollo y el estudio de vehículos a vapor como posible solución para reducir la contaminación. Aparte del interés de los aficionados al vapor, alguna réplica ocasional y la tecnología experimental, actualmente no se fabrican vehículos a vapor.

Hacia finales del siglo XIX, las máquinas de vapor compuestas se generalizaron. Estas máquinas descargaban el vapor en cilindros sucesivamente más grandes para acomodar los mayores volúmenes a presiones reducidas, lo que mejoraba la eficiencia. Estas etapas se denominaban expansiones, siendo comunes las máquinas de doble y triple expansión, especialmente en el transporte marítimo, donde la eficiencia era importante para reducir el peso del carbón transportado. ^{[ 26 ]} Las máquinas de vapor siguieron siendo la principal fuente de energía hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de la turbina de vapor , los motores eléctricos y los motores de combustión interna dieron lugar gradualmente a la sustitución de las máquinas de vapor de pistón, mientras que el transporte marítimo mercante dependía cada vez más de los motores diésel y los buques de guerra de la turbina de vapor. ^{[ 26 ] [ 6 ]}

A medida que el desarrollo de las máquinas de vapor progresaba a lo largo del siglo XVIII, se hicieron varios intentos de aplicarlas al uso de carreteras y ferrocarriles. ^{[ 42 ]} En 1784, William Murdoch , un inventor escocés , construyó un modelo de locomotora de vapor para carreteras. ^{[ 43 ]} Un modelo funcional temprano de una locomotora de vapor para ferrocarril fue diseñado y construido por el pionero de los barcos de vapor John Fitch en los Estados Unidos, probablemente durante las décadas de 1780 o 1790. ^{[ 44 ]} Su locomotora de vapor utilizaba ruedas con aspas interiores guiadas por rieles o vías.

La primera locomotora de vapor ferroviaria a escala real fue construida por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje en ferrocarril del mundo cuando la locomotora de vapor de Trevithick arrastró 10 toneladas de hierro, 70 pasajeros y cinco vagones a lo largo del tranvía desde la fundición de hierro de Pen-y-darren , cerca de Merthyr Tydfil, hasta Abercynon en el sur de Gales . ^{[ 42 ] [ 45 ] [ 46 ]} El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes, entre ellas el uso de vapor a alta presión, que redujo el peso de la máquina y aumentó su eficiencia. Trevithick visitó la zona de Newcastle más tarde en 1804 y los ferrocarriles mineros del noreste de Inglaterra se convirtieron en el principal centro de experimentación y desarrollo de locomotoras de vapor. ^{[ 47 ]}

Trevithick continuó sus propios experimentos utilizando un trío de locomotoras, concluyendo con la Catch Me Who Can en 1808. Solo cuatro años después, la exitosa locomotora de dos cilindros Salamanca de Matthew Murray fue utilizada por el ferrocarril de cremallera y piñón de rieles de borde de Middleton . ^{[ 48 ]} En 1825 , George Stephenson construyó la Locomotion para el ferrocarril de Stockton y Darlington . Este fue el primer ferrocarril público de vapor del mundo y luego, en 1829, construyó The Rocket que participó y ganó las Pruebas de Rainhill . ^{[ 49 ]} El ferrocarril de Liverpool y Manchester abrió en 1830 haciendo uso exclusivo de la energía de vapor tanto para trenes de pasajeros como de carga.

Las locomotoras de vapor se siguieron fabricando hasta finales del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania Oriental (donde se produjo la DR Clase 52.80 ). ^{[ 50 ]}

La última gran evolución del diseño de la máquina de vapor fue el uso de turbinas de vapor a partir de finales del siglo XIX. Las turbinas de vapor son generalmente más eficientes que las máquinas de vapor de pistón alternativo (para potencias superiores a varios cientos de caballos de fuerza), tienen menos piezas móviles y proporcionan potencia rotativa directamente en lugar de a través de un sistema de biela o medios similares. ^{[ 51 ]} Las turbinas de vapor prácticamente reemplazaron a los motores alternativos en las centrales eléctricas a principios del siglo XX, donde su eficiencia, mayor velocidad adecuada para el servicio de generadores y rotación suave fueron ventajas. Hoy en día, la mayor parte de la energía eléctrica se proporciona mediante turbinas de vapor. En Estados Unidos, el 90% de la energía eléctrica se produce de esta manera utilizando una variedad de fuentes de calor. ^{[ 6 ]} Las turbinas de vapor se aplicaron ampliamente para la propulsión de grandes buques durante la mayor parte del siglo XX.

Aunque la máquina de vapor de pistón ya no se utiliza de forma generalizada a nivel comercial, varias empresas están explorando o explotando el potencial de este motor como alternativa a los motores de combustión interna.

La "máquina de vapor" funcional más pequeña del mundo fue presentada en 2011. Este motor a microescala fue desarrollado por dos científicos alemanes de la Universidad de Stuttgart . Funciona según el principio de un motor Stirling . ^{[ 52 ] [ 53 ]}

El calor necesario para hervir el agua y elevar la temperatura del vapor puede obtenerse de diversas fuentes, generalmente mediante la combustión de materiales combustibles con un suministro adecuado de aire en un espacio cerrado (por ejemplo, cámara de combustión , hogar , horno). En el caso de máquinas de vapor de juguete o a escala real, la fuente de calor puede ser una resistencia eléctrica .

Las calderas son recipientes a presión que contienen agua para hervir y cuentan con mecanismos que transfieren el calor al agua de la forma más eficaz posible.

Los dos tipos más comunes son:

Caldera de tubos de agua

El agua se hace circular a través de tubos rodeados de gas caliente.

caldera de tubos de fuego

El gas caliente pasa a través de tubos sumergidos en agua; esa misma agua también circula por una camisa de agua que rodea el hogar y, en las calderas de locomotoras de alta potencia, también pasa por tubos en el propio hogar (sifones térmicos y circuladores de seguridad).

Las calderas de tubos de humo fueron el tipo principal utilizado para el vapor a alta presión en los inicios de la propulsión (práctica típica de las locomotoras de vapor), pero fueron sustituidas en gran medida por calderas de tubos de agua, más económicas, a finales del siglo XIX para la propulsión marina y grandes aplicaciones estacionarias.

Muchas calderas elevan la temperatura del vapor después de que este haya salido de la parte de la caldera donde está en contacto con el agua. Este proceso, conocido como sobrecalentamiento , convierte el vapor húmedo en vapor sobrecalentado . Evita la condensación del vapor en los cilindros del motor y proporciona una eficiencia significativamente mayor . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

En una máquina de vapor, un pistón, una turbina de vapor o cualquier otro dispositivo similar para realizar trabajo mecánico toma un suministro de vapor a alta presión y temperatura y lo suministra a menor presión y temperatura, aprovechando al máximo la diferencia de energía del vapor para realizar trabajo mecánico.

Estas «unidades motoras» suelen denominarse «máquinas de vapor». Las máquinas que utilizan aire comprimido u otros gases se diferencian de las máquinas de vapor únicamente en detalles que dependen de la naturaleza del gas, si bien el aire comprimido se ha utilizado en las máquinas de vapor sin modificaciones. ^{[ 58 ]}

Como ocurre con todos los motores térmicos, la mayor parte de la energía primaria debe emitirse como calor residual a una temperatura relativamente baja. ^{[ 59 ]}

La solución más sencilla para disipar el vapor en frío consiste en liberarlo al ambiente. Este método se utiliza a menudo en las locomotoras de vapor para evitar el peso y el volumen de los condensadores. Parte del vapor liberado se expulsa por la chimenea para aumentar la corriente de aire sobre el fuego, lo que incrementa considerablemente la potencia del motor, pero reduce la eficiencia.

En ocasiones, el calor residual del motor resulta útil, y en esos casos se puede obtener una eficiencia global muy alta.

Las máquinas de vapor en centrales eléctricas estacionarias utilizan condensadores de superficie como disipadores de calor. Estos condensadores se enfrían mediante el flujo de agua proveniente de océanos, ríos y lagos, y a menudo también mediante torres de refrigeración que evaporan el agua para disipar la energía térmica. El agua caliente condensada resultante ( condensado ) se bombea de nuevo a presión y se envía a la caldera. Una torre de refrigeración seca es similar a un radiador de automóvil y se utiliza en lugares donde el agua es costosa. El calor residual también puede disiparse mediante torres de refrigeración evaporativas (húmedas), que utilizan un circuito de agua externo secundario que evapora parte del flujo hacia el aire.

Inicialmente, los barcos fluviales utilizaban un condensador de chorro en el que se inyectaba agua fría del río en el vapor de escape del motor. El agua de refrigeración y el condensado se mezclaban. Si bien este sistema también se aplicaba a los buques de alta mar, generalmente, tras solo unos días de funcionamiento, la caldera se cubría de depósitos de sal, lo que reducía su rendimiento y aumentaba el riesgo de explosión. A partir de 1834, el uso de condensadores de superficie en los barcos eliminó la acumulación de incrustaciones en las calderas y mejoró la eficiencia del motor. ^{[ 60 ]}

El agua evaporada no puede utilizarse para fines posteriores (salvo como agua de lluvia), mientras que el agua de río sí puede reutilizarse. En todos los casos, el agua de alimentación de la caldera de la central de vapor, que debe mantenerse pura, se mantiene separada del agua de refrigeración o del aire.

La mayoría de las calderas de vapor tienen un medio para suministrar agua a presión, de modo que puedan funcionar continuamente. Las calderas industriales y de servicios públicos suelen usar bombas centrífugas multietapa ; sin embargo, se utilizan otros tipos. Otro medio para suministrar agua de alimentación a la caldera a menor presión (normalmente de 5 a 10 atm (73 a 147 psi) ) es un inyector , que utiliza un chorro de vapor generalmente suministrado desde la caldera. Los inyectores se popularizaron en la década de 1850, pero ya no se utilizan ampliamente, excepto en aplicaciones como las locomotoras de vapor. ^{[ 61 ]} Es la presurización del agua que circula a través de la caldera de vapor lo que permite elevar la temperatura del agua a valores muy superiores a los 100 °C (212 °F) del punto de ebullición del agua a una atmósfera de presión, y de ese modo aumentar la eficiencia del ciclo de vapor.    

Por razones de seguridad, casi todas las máquinas de vapor están equipadas con mecanismos para controlar la caldera, como un manómetro y un visor para controlar el nivel del agua.

Muchos motores, tanto estacionarios como móviles, también están equipados con un regulador para controlar la velocidad del motor sin necesidad de intervención humana.

El instrumento más útil para analizar el rendimiento de las máquinas de vapor es el indicador de motor de vapor. Las primeras versiones se utilizaban ya en 1851, ^{[ 62 ]} pero el indicador más exitoso fue desarrollado por Charles Richard para el inventor y fabricante de motores de alta velocidad Charles Porter y exhibido en la Exposición de Londres de 1862. ^{[ 33 ]} El indicador de motor de vapor registra en papel la presión en el cilindro a lo largo del ciclo, lo que permite detectar diversos problemas y calcular la potencia desarrollada. ^{[ 63 ]} Era de uso habitual entre ingenieros, mecánicos e inspectores de seguros. El indicador de motor también se puede utilizar en motores de combustión interna. Véase la imagen del diagrama del indicador a continuación (en la sección Tipos de unidades de motor ).

El regulador centrífugo fue adoptado por James Watt para su uso en una máquina de vapor en 1788 después de que su socio Boulton viera uno en el equipo de un molino harinero que Boulton & Watt estaban construyendo. ^{[ 64 ]} El regulador no podía mantener una velocidad fija, ya que adoptaba una nueva velocidad constante en respuesta a los cambios de carga. El regulador podía manejar variaciones menores, como las causadas por la fluctuación de la carga térmica en la caldera. Además, existía una tendencia a la oscilación cada vez que había un cambio de velocidad. En consecuencia, las máquinas equipadas solo con este regulador no eran adecuadas para operaciones que requerían velocidad constante, como el hilado de algodón. ^{[ 65 ]} El regulador se mejoró con el tiempo y, junto con el corte de vapor variable, se logró un buen control de velocidad en respuesta a los cambios de carga hacia finales del siglo XIX.

En un motor simple, o "motor de expansión simple", la carga de vapor pasa por todo el proceso de expansión en un cilindro individual. Un motor simple puede tener uno o más cilindros individuales. ^{[ 66 ]} Luego se descarga directamente a la atmósfera o a un condensador. A medida que el vapor se expande al pasar por un motor de alta presión, su temperatura disminuye porque no se agrega calor al sistema; esto se conoce como expansión adiabática y da como resultado que el vapor entre al cilindro a alta temperatura y salga a una temperatura más baja. Esto causa un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada carrera, lo que es una fuente de ineficiencia. ^{[ 67 ]}

La principal causa de pérdida de eficiencia en las máquinas de vapor alternativas es la condensación y reevaporación del vapor en el cilindro. El cilindro de vapor y las partes metálicas adyacentes operan a una temperatura intermedia entre la temperatura de saturación de admisión del vapor y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de escape. Al ingresar vapor a alta presión en el cilindro, gran parte del vapor a alta temperatura se condensa en forma de gotas de agua sobre las superficies metálicas, lo que reduce significativamente el vapor disponible para realizar trabajo expansivo. Cuando el vapor en expansión alcanza baja presión (especialmente durante la carrera de escape), las gotas de agua depositadas previamente dentro del cilindro se evaporan y este vapor deja de realizar trabajo en el cilindro.

Existen límites prácticos para la relación de expansión de un cilindro de máquina de vapor, ya que el aumento de la superficie del cilindro tiende a agravar los problemas de condensación y reevaporación. Esto anula las ventajas teóricas asociadas a una alta relación de expansión en un cilindro individual. ^{[ 68 ]}

Un método para disminuir la magnitud de la pérdida de energía en un cilindro muy largo fue inventado en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf , quien patentó su motor compuesto de alta presión Woolf en 1805. En el motor compuesto, el vapor a alta presión de la caldera se expande en un cilindro de alta presión (HP) y luego entra en uno o más cilindros subsiguientes de baja presión (LP) . La expansión completa del vapor ahora ocurre a través de múltiples cilindros, con una caída de temperatura general dentro de cada cilindro considerablemente reducida. Al expandir el vapor en etapas con un rango de temperatura más pequeño (dentro de cada cilindro), se reduce el problema de eficiencia de condensación y reevaporación (descrito anteriormente). Esto reduce la magnitud del calentamiento y enfriamiento del cilindro, aumentando la eficiencia del motor. Al escalonar la expansión en múltiples cilindros, se pueden reducir las variaciones de par. ^{[ 26 ]} Para obtener el mismo trabajo del cilindro de baja presión se requiere un mayor volumen de cilindro, ya que este vapor ocupa un volumen mayor. Por lo tanto, el diámetro, y en raras ocasiones la carrera, se incrementan en los cilindros de baja presión, lo que resulta en cilindros más grandes. ^{[ 26 ]}

Las máquinas de doble expansión (generalmente conocidas como de expansión compuesta ) expandían el vapor en dos etapas. Los pares podían duplicarse o el trabajo del gran cilindro de baja presión podía dividirse, con un cilindro de alta presión descargando en dos cilindros de baja presión, lo que daba lugar a una configuración de tres cilindros donde el diámetro del cilindro y del pistón eran aproximadamente iguales, facilitando así el equilibrio de las masas recíprocas. ^{[ 26 ]}

Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar de la siguiente manera:

• Compuestos cruzados : También conocidos como compuestos de "receptor". Cilindros desfasados ​​(< 180°), lo que requiere el uso de un "receptor" de escape, que generalmente no es más que la propia caja de válvulas o carcasa.
• Compuestos de Woolf : Los cilindros están en fase o desfasados ​​180°.
• Compuestos en tándem : Una forma de compuesto Woolf. Los cilindros están uno al lado del otro, accionando una biela común.
• Compuestos angulares : Una forma de compuesto cruzado. Los cilindros están dispuestos en forma de V (generalmente a 90°) y accionan una manivela común.

En los motores compuestos de dos cilindros utilizados en el ferrocarril, los pistones están conectados a las bielas como en un motor simple de dos cilindros, pero desfasados ​​90° entre sí ( en cuartos ). Cuando se duplica el grupo de doble expansión, dando lugar a un motor compuesto de cuatro cilindros, los pistones individuales dentro del grupo suelen estar equilibrados a 180°, y los grupos se colocan a 90° entre sí. En un caso (el primer tipo de motor compuesto de Vauclain ), los pistones funcionaban en la misma fase, accionando una cruceta y una biela comunes, también desfasadas 90° como en un motor de dos cilindros. En la configuración de motor compuesto de tres cilindros, las bielas de baja presión (BP) se colocaban a 90° con la de alta presión (AP) a 135° con respecto a las otras dos, o, en algunos casos, las tres bielas se colocaban a 120°. ^{[ 69 ]}

La adopción de la compresión compuesta fue común en unidades industriales, en locomotoras de carretera y casi universal en locomotoras marinas después de 1880; no fue universalmente popular en locomotoras ferroviarias, donde a menudo se percibía como complicada. Esto se debe en parte al duro entorno operativo ferroviario y al espacio limitado que ofrecía el gálibo (particularmente en Gran Bretaña, donde la compresión compuesta nunca fue común ni se empleó después de 1930). Sin embargo, aunque nunca fue mayoritaria, fue popular en muchos otros países. ^{[ 70 ]}

Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) dividir la expansión en más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Estos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de triple y cuádruple expansión, respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de diámetro progresivamente creciente. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en partes iguales para cada etapa de expansión. Al igual que con el motor de doble expansión, si el espacio es limitado, se pueden utilizar dos cilindros más pequeños para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple generalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaron otras configuraciones. A finales del siglo XIX, el "sistema" de equilibrado Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizó en algunos motores marinos de triple expansión . Los motores YST dividían las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitía un mejor equilibrado del cigüeñal, lo que resultaba en un motor más suave, de respuesta más rápida y con menos vibraciones. Esto hizo que el motor de cuatro cilindros de triple expansión fuera popular en los grandes transatlánticos (como la clase Olympic ), pero finalmente fue reemplazado por el motor de turbina, prácticamente libre de vibraciones . Cabe destacar, sin embargo, que los motores de vapor alternativos de triple expansión se utilizaron para propulsar los buques Liberty de la Segunda Guerra Mundial , la mayor cantidad de buques idénticos jamás construidos. Se construyeron más de 2700 buques en Estados Unidos, a partir de un diseño original británico.

La imagen de esta sección muestra una animación de una máquina de triple expansión. El vapor circula por la máquina de izquierda a derecha. La caja de válvulas de cada cilindro se encuentra a la izquierda del cilindro correspondiente.

Las máquinas de vapor terrestres podían expulsar su vapor a la atmósfera, ya que el agua de alimentación solía estar fácilmente disponible. Antes y durante la Primera Guerra Mundial , el motor de expansión dominó las aplicaciones marinas, donde la alta velocidad de la embarcación no era esencial. Sin embargo, fue reemplazado por la turbina de vapor, invención británica , donde se requería velocidad, por ejemplo, en buques de guerra, como los acorazados dreadnought , y transatlánticos . El HMS Dreadnought  de 1905 fue el primer gran buque de guerra en reemplazar la probada tecnología del motor alternativo con la entonces novedosa turbina de vapor. ^{[ 71 ]}

En la mayoría de los motores de pistón alternativo, el vapor invierte su dirección de flujo en cada carrera (contracorriente), entrando y saliendo por el mismo extremo del cilindro. El ciclo completo del motor ocupa una rotación de la manivela y dos carreras del pistón; el ciclo también comprende cuatro eventos : admisión, expansión, escape y compresión. Estos eventos son controlados por válvulas que a menudo funcionan dentro de una cámara de vapor adyacente al cilindro; las válvulas distribuyen el vapor abriendo y cerrando los orificios de vapor que se comunican con los extremos del cilindro y son accionadas por un mecanismo de distribución , del cual existen muchos tipos. ^{[ 72 ]}

Los mecanismos de distribución más sencillos proporcionan eventos de duración fija durante el ciclo del motor y, a menudo, hacen que el motor gire en una sola dirección. Sin embargo, muchos cuentan con un mecanismo de inversión que, además, permite ahorrar vapor a medida que se gana velocidad e impulso, acortando gradualmente el corte o, mejor dicho, el evento de admisión; esto, a su vez, alarga proporcionalmente el período de expansión. No obstante, dado que una misma válvula suele controlar ambos flujos de vapor, un corte corto en la admisión afecta negativamente a los períodos de escape y compresión, que idealmente deberían mantenerse siempre bastante constantes; si el evento de escape es demasiado breve, la totalidad del vapor de escape no puede evacuar el cilindro, lo que provoca una compresión excesiva ( "retroceso" ). ^{[ 73 ]}

En las décadas de 1840 y 1850, se intentó superar este problema mediante varios mecanismos de válvulas patentados con una válvula de expansión de corte variable separada montada en la parte posterior de la válvula de corredera principal; esta última generalmente tenía un corte fijo o limitado. La configuración combinada proporcionaba una aproximación razonable de los eventos ideales, a costa de una mayor fricción y desgaste, y el mecanismo tendía a ser complicado. La solución de compromiso habitual ha sido proporcionar solapamiento alargando las superficies de fricción de la válvula de tal manera que se superpongan el puerto en el lado de admisión, con el efecto de que el lado de escape permanezca abierto durante un período más largo después de que se haya producido el corte en el lado de admisión. Este recurso se ha considerado desde entonces generalmente satisfactorio para la mayoría de los propósitos y hace posible el uso de los movimientos más simples de Stephenson , Joy y Walschaerts . Los mecanismos de válvulas de asiento de Corliss , y posteriores, tenían válvulas de admisión y escape separadas accionadas por mecanismos de disparo o levas perfiladas para dar eventos ideales; La mayoría de estos engranajes nunca tuvieron éxito fuera del mercado estacionario debido a varios otros problemas, incluyendo fugas y mecanismos más delicados. ^{[ 70 ] [ 74 ]}

Los motores Uniflow intentan remediar las dificultades derivadas del ciclo de contracorriente habitual, donde, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfrían con el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor de admisión entrante, más caliente, desperdicia parte de su energía al restaurar la temperatura de trabajo. El objetivo del Uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia al proporcionar un puerto adicional descubierto por el pistón al final de cada carrera, lo que hace que el vapor fluya en una sola dirección. De esta manera, el motor Uniflow de expansión simple ofrece una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos clásicos, con la ventaja añadida de un rendimiento superior a carga parcial y una eficiencia comparable a la de las turbinas para motores más pequeños de menos de mil caballos de fuerza. Sin embargo, el gradiente de expansión térmica que producen los motores Uniflow a lo largo de la pared del cilindro genera dificultades prácticas .

Una turbina de vapor consta de uno o más rotores (discos giratorios) montados en un eje de transmisión, que se alternan con una serie de estatores (discos estáticos) fijos a la carcasa de la turbina. Los rotores tienen una disposición de álabes similar a la de una hélice en su borde exterior. El vapor actúa sobre estos álabes, produciendo un movimiento rotatorio. El estator consta de una serie de álabes similares, pero fijos, que sirven para redirigir el flujo de vapor hacia la siguiente etapa del rotor. Una turbina de vapor suele descargar el vapor en un condensador de superficie que proporciona vacío. Las etapas de una turbina de vapor se disponen normalmente para extraer el máximo trabajo potencial de una velocidad y presión de vapor específicas, dando lugar a una serie de etapas de alta y baja presión de tamaño variable. Las turbinas solo son eficientes si giran a una velocidad relativamente alta; por lo tanto, suelen conectarse a engranajes reductores para accionar aplicaciones de menor velocidad, como la hélice de un barco. En la gran mayoría de las grandes centrales eléctricas, las turbinas se conectan directamente a los generadores sin engranajes reductores. Las velocidades típicas son de 3600 revoluciones por minuto (RPM) en Estados Unidos con una fuente de alimentación de 60 Hz, y de 3000 RPM en Europa y otros países con sistemas eléctricos de 50 Hz. En aplicaciones de energía nuclear, debido a su enorme tamaño, las turbinas suelen funcionar a la mitad de estas velocidades: 1800 RPM y 1500 RPM. Además, el rotor de una turbina solo puede generar energía al girar en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa inversora o una caja de engranajes cuando se necesita energía en la dirección opuesta.

Las turbinas de vapor proporcionan fuerza rotacional directa y, por lo tanto, no requieren un mecanismo de acoplamiento para convertir el movimiento alternativo en rotacional. De esta forma, generan fuerzas rotacionales más suaves en el eje de salida. Esto contribuye a un menor mantenimiento y a un menor desgaste de la maquinaria que impulsan, en comparación con un motor alternativo similar.

El principal uso de las turbinas de vapor es la generación de electricidad (en la década de 1990, alrededor del 90 % de la producción eléctrica mundial se realizaba mediante turbinas de vapor) ^{[ 6 ];} sin embargo, la reciente y generalizada aplicación de grandes turbinas de gas y centrales eléctricas de ciclo combinado ha reducido este porcentaje al 80 % para las turbinas de vapor. En la producción de electricidad, la alta velocidad de rotación de la turbina se ajusta bien a la velocidad de los generadores eléctricos modernos, que suelen estar conectados directamente a sus turbinas motrices. En el ámbito marítimo (siendo pioneras en el Turbinia ), las turbinas de vapor con engranajes reductores (aunque el Turbinia tiene turbinas directas a las hélices sin caja reductora) dominaron la propulsión de grandes buques a finales del siglo XX, siendo más eficientes (y requiriendo mucho menos mantenimiento) que los motores de vapor alternativos. En las últimas décadas, los motores diésel alternativos y las turbinas de gas han sustituido casi por completo la propulsión a vapor en aplicaciones marítimas.

Prácticamente todas las centrales nucleares generan electricidad calentando agua para producir vapor que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico . Los buques y submarinos de propulsión nuclear utilizan una turbina de vapor directamente para la propulsión principal, con generadores que proporcionan energía auxiliar, o bien emplean transmisión turboeléctrica , donde el vapor impulsa un grupo turbogenerador con propulsión proporcionada por motores eléctricos. Se fabricó un número limitado de locomotoras ferroviarias con turbina de vapor . Algunas locomotoras de transmisión directa sin condensación tuvieron cierto éxito en operaciones de transporte de mercancías de larga distancia en Suecia y en servicios exprés de pasajeros en Gran Bretaña , pero no se repitieron. En otros lugares, especialmente en Estados Unidos, se construyeron experimentalmente diseños más avanzados con transmisión eléctrica, pero no se reprodujeron. Se descubrió que las turbinas de vapor no eran ideales para el entorno ferroviario y estas locomotoras no lograron desbancar a la clásica unidad de vapor de pistón como lo ha hecho la tracción diésel y eléctrica moderna.

Una máquina de vapor de cilindro oscilante es una variante de la máquina de vapor de expansión simple que no requiere válvulas para dirigir el vapor dentro y fuera del cilindro. En lugar de válvulas, todo el cilindro oscila, de manera que uno o más orificios del cilindro se alinean con orificios en una cara de puerto fija o en el soporte pivotante ( muñón ). Estas máquinas se utilizan principalmente en juguetes y maquetas debido a su simplicidad, pero también se han utilizado en máquinas de tamaño real, principalmente en barcos , donde se valora su compacidad. ^{[ 76 ]}

Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistones , como el motor Wankel, en lugar de los cilindros y el mecanismo de válvulas de una máquina de vapor de pistón convencional. Se han diseñado muchos motores de este tipo, desde la época de James Watt hasta la actualidad, pero relativamente pocos se construyeron y aún menos llegaron a producirse en serie; consulte el enlace al final del artículo para obtener más detalles. El principal problema radica en la dificultad de sellar los rotores para que sean herméticos al vapor frente al desgaste y la dilatación térmica ; las fugas resultantes los hacían muy ineficientes. La falta de un mecanismo de expansión, o de cualquier medio para controlar el corte , también constituye un grave problema en muchos de estos diseños.

Hacia la década de 1840, era evidente que el concepto tenía problemas inherentes y los motores rotativos eran objeto de cierta burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad y las ventajas obvias de accionar una dinamo directamente desde un motor de alta velocidad propiciaron un resurgimiento del interés en las décadas de 1880 y 1890, y algunos diseños tuvieron un éxito limitado .

De los pocos diseños que se fabricaron en serie, destacan los de la Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de Beauchamp Tower . Los motores de Tower fueron utilizados por la Great Eastern Railway para accionar las dinamos de iluminación de sus locomotoras, y por el Almirantazgo para accionar las dinamos a bordo de los buques de la Royal Navy . Finalmente, fueron reemplazados en estas aplicaciones específicas por turbinas de vapor.

El eolípilo representa el uso del vapor mediante el principio de reacción del cohete , aunque no para la propulsión directa.

En tiempos más recientes, el uso del vapor en cohetes ha sido limitado, especialmente en coches cohete. La cohetería de vapor funciona llenando un recipiente a presión con agua caliente a alta presión y abriendo una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída de presión hace hervir inmediatamente parte del agua y el vapor sale por la boquilla, creando una fuerza propulsora. ^{[ 77 ]}

En 1679, el carruaje de Ferdinand Verbiest funcionaba con una eolípila.