Höyrykone

Sanalla höyrykone tarkoitetaan yleensä mäntähöyrykonetta, vaikka myös muilla periaatteilla toimivilla koneilla voidaan muuntaa höyryn sisältämä lämpöenergia mekaaniseksi energiaksi, ja niitäkin voidaan siten pitää höyrykoneina. Varsinainen höyrykone on nykyään melko harvinainen voimanlähde, vaikka niitä aiemmin käytettiin mm. pumpuissa, vetureissa, höyrylaivoissa sekä höyrytraktoreissa ja ne vaikuttivat merkittävästi teollisen vallankumouksen syntyyn. Nykyisin voimalaitoksissa, joissa poltetaan jotakin polttoainetta tai hyödynnetään ydinvoimaa veden höyrystämiseksi, käytetään höyryturbiineja kuumennetun höyryn sisältämän energian muuntamiseen sähköenergiaksi.
Höyrykoneen tarvitsema paineinen höyry tuotetaan höyrykattilassa. Lämmönlähde voi olla mikä vain, mutta yleisimmin käytetään puun, hiilen tai öljyn polttoa lämmön tuottamiseen. Muita vaihtoehtoja on, varsinkin hajautetussa energiantuotannossa kuten maakaasu, biokaasu, hake, jätteet, bensiini, etanoli, rypsiöljy tai vilja. Myös ydinreaktorit tuottavat höyryä muunnettavaksi edelleen sähköksi.
Höyrykoneessa höyry laajenee ja liikuttaa mäntää, joka puolestaan pyörittää varsinaista toimilaitetta, joka voi olla sähkögeneraattori, laivan potkuri, pumppu, kompressori tai junan veturi.

Höyrykoneen toiminta

Oheinen kuva-animaatio havainnollistaa höyrykoneen toimintaperiaatetta. Männän ollessa vasemmassa reunassa sen yläpuolella liikkuva luisti on sellaisessa asennossa, että höyryputkesta tuleva höyry pääsee kanavistoa myöten sylinteriin männän vasemmalle puolelle. Männän oikealta puolelta on kanavan kautta yhteys poistoputkeen. Höyrynpaine työntää mäntää oikealle. Männän painuttua lähelle oikeanpuolimmaista ääriasentoaan luistin liike vaihtaa höyryn tulo- ja poistokanavat keskenään. Männän vasemmalla puolella käytetty höyry pääsee nyt purkautumaan poistoputken kautta joko ulkoilmaan tai lauhduttimeen, jossa se tiivistyy. Männän oikealle puolelle ohjatun höyryn paine lähtee työntämään mäntää vasemmalle ja kierto jatkuu. Kuvassa näkyy myös pyörivä keskipakosäädin, joka avaa tai sulkee tulohöyryputkessa olevaa venttiiliä ja pyrkii siten säilyttämään pyörimisnopeuden vakiona.
Korkeapainekoneita käytetään höyryvetureissa ja -laivoissa. Lauhduttimelliset koneet ovat edullisia silloin, kun saatavissa on runsaasti kylmää vettä, siksi lauhduttimia käytetään mm. höyrylaivoissa.

Historia

Ensimmäisen höyrykoneen, aeolipiilin, keksi kreikkalainen Heron Aleksandrialainen, joka yritti käyttää höyryä liikkeen aikaan saamiseksi, mutta mitään käytännön sovellutusta tälle laitteelle ei tiedetä. Ranskalainen  Denis Papin suunnitteli 1690 männällisen sylinterin, jossa höyryn avulla aikaansaatu tyhjiö kehitti liikkeen. Hän myös kehitti ensimmäisenä ylipaineventtiilin, jolla voitiin säätää laitteen korkein sallittu paine. Ensimmäiset teolliset koneet suunnittelivat Thomas Savery vuonna 1698 ja Thomas Newcomen vuonna 1712. Vuonna 1769 James Watt sai patentin ulkoisella lauhduttimella varustetulle höyrykoneelle. Ranskassa Nicolas-Joseph Cugnot esitteli ensimmäisen höyrykoneella toimivan auton 1769, jossa käytettiin höyryn ylipainetta hyväksi, kun englantilaisissa koneissa männän työpaine muodostui jäähtyvän höyryn aiheuttamasta alipaineesta. Höyrykoneen kehitys Ranskassa katkesi vallankumoukseen.
Ensimmäinen käytännöllinen höyryn avulla toimiva laite oli Thomas Saveryn vuonna 1698 patentoima kaivosvesipumppu. Laitteessa oli venttiilein varustettu sylinterimäinen säiliö, johon päästettiin erillisestä kattilasta höyryä. Kun säiliö oli täyttynyt höyryllä, suljettiin höyryventtiili ja avattiin pohjaventtiili. Tällöin säiliöön päästetty höyry tiivistyi ja kehitti alipaineen, joka imi säiliön täyteen vettä pohjaventtiilin kautta. Kun kaikki höyry oli tiivistynyt, suljettiin pohjaventtiili ja säiliöön johdettiin uutta höyryä, jonka paineella vesi painettiin purkuputkeen. 
Käytännöllisempi oli Newcomenin yhdessä Thomas Saveryn kanssa vuonna 1705 patentoima höyrykone, jossa höyrykattilasta laskettiin höyryä sylinteriin, jossa liikkuva mäntä nousi ylös.  Sen jälkeen venttiili katkaisee höyryn tulon ja sylinteriin suihkutetaan kylmää  vettä, jolloin syntyy alipaine höyryn tiivistyessä vedeksi paljon pienempään tilavuuteen ja männän yläpuolella vallitseva ulkoilman paine painaa männän alas. Tällä tavalla kuvan vipuvarsi saadaan liikkumaan vastaavasti. Kun vesi lasketaan sylinteristä ja uutta höyryä laitetaan tilalle, saadaan työkierto jälleen alkamaan. 
Skotlantilainen insinööri James Watt kehitti tätä konetta edelleen melkein kuusikymmentä vuotta myöhemmin. Wattin tekemä olennaisin keksintö oli ulkopuolisen lauhduttimen käyttö. Muita parannuksia oli männän liitäminen sylinteriin jäykemmin nivelmekanismin avulla ketjun asemasta. Siinä samoin kuin Newcomen koneessa varsinainen työpaine tuli vielä ulkopuolisesta ilmanpaineesta. Ulkopuolisella lauhduttimella kone saatiin toimimaan nopeammin. Wattin seuraava parannus höyrykoneeseen oli johdattaa matalapaineista höyryä männän yläpuolelle ja siten tehostaa varsinaista kondensaation muodostamaa alipainetta työiskussa, mikä lisäsi koneen hyötysuhdetta ja tehoa.  Näillä muutoksilla höyrykoneen hyötysuhde parani selvästi ja sylinteri pystyi toimimaan määrätyssä lämpötilassa. 
Tähänastiset höyrykoneet olivat olleet niin sanottuja ilmanpainekoneita, joissa höyryä käytettiin vain alipaineen aikaansaamiseen. Niissä mäntää liikuttava voima syntyi ilmakehän paineesta. Nykyaikaisen ylipaineella toimivan höyrykoneen keksimisen edellytys tapahtui vuonna 1762, kun Joseph Black kuvasi latentin lämmön lait, minkä seurauksena konetekniikan pyrkimyksenä oli hyödyntää uusia fysikaalisia tutkimustuloksia. Vuonna 1785 Wattin työnjohtajana toiminut William Murdock keksi luistin, jolla voitiin itsetoimivasti päästää höyryä vuorotellen männän kummallekin puolelle. Tällä tavoin kehitettiin nykyaikainen kaksitoiminen höyrykone, jossa mäntää liikuttava voima syntyy sylinteriin päästettävän höyryn ylipaineesta ja laajentumisesta sylinterissä.  Planeettavaihteen avulla Watt ja Boulton tekivät ensimmäisen akselia pyörittävän koneen 1785. Watt myös lisäsi koneeseensa koneen käyntiä tasoittavan keskipakoventtiilin säätämään pyörimisnopeutta, jota voidaan pitää ensimmäisenä automaattisena takaiskytkevänä säätöpiirinä.
Sylinterin jäykällä kiinnityksellä, joka myöhemmin toteutettiin kammen avulla pystyttiin 1800-luvun alussa rakentamaan kaksitoiminen höyrykone, jossa mäntää liikutetaan molempiin suuntiin höyrynpaineella. Tätä varten tarvittiin luistiventtiili. Sen jälkeen oleellisia uudistuksia ovat olleet höyrykoneen kehityksessä ovat olleet höyryn paineen nostaminen ja useamman eripaineissa toimivan sylinterin käyttö. Ylipaineen käyttämistä höyrykoneessa kehitti Englannissa Richard Trevithick, joka rakensi ensimmäisen käytössä olleen höyryveturin vuonna 1804 vetämään rautamasuunin tuotteita radalla, jolla vaunuja oli aikaisemmin vetäneet hevoset. Yhdysvalloissa samoihin aikoihin Oliver Evans patentoi ylipainetta käyttävän höyrykoneen.
Koko 1800-luvun höyrykoneet kehittyivät jatkuvasti. Merkittävänä kehitysaskeleena pidetään George Corlissin 1848 aloittaman yrityksen tekemiä parannuksia. Corliss hyödynsi koneissa standardoituja osia ja hänen kehittämä kiertoluistia soveltava venttiilikoneisto pienensi hiilen kulutusta 30 prosenttia. Nämä parannukset tekivät koneesta taloudellisen sovellettavaksi yhä laajemmin teollisuuden tarpeisiin.  Höyrykattilan kehitysaskeleita oli siirtyminen tasapohjaisesta kattilassa sisäiseen tulipesään ja sitten tulitorvikattiloihin, jolloin saatiin lisää höyrystymispintaa. Hyötysuhdetta parannettiin varustamalla kattilat tulistimella. Tulipesän vetoa lisättiin puhaltimella ja syöttövettä esilämmitettiin. Laivakoneissa standardiratkaisuksi muodostui kolmivaiheinen kone, jossa oli korkea-, keski- ja matalapainesylinterit. Tällaisessa trippeliksi kutsutussa laivakoneessa sylinterit rakennettiin riviin kampiakselin avulla ja siihen yhdistettiin potkuriakseli.