Ensimmäinen kirjattu alkeellinen höyrykone oli eolipiili, jonka Heron Aleksandrialainen kuvasi 1. vuosisadan roomalaisessa Egyptissä. Myöhemmin kokeiltiin tai ehdotettiin useita höyrykäyttöisiä laitteita, kuten Taqi al-Dinin höyrynostinta, 1500-luvun ottomaanien Egyptissä toimivaa höyryturbiinia ja Thomas Saveryn höyrypumppua 1600-luvun Englannissa. Vuonna 1712 Thomas Newcomenin ilmanpainemoottorista tuli ensimmäinen kaupallisesti menestyksekäs moottori, jossa käytettiin männän ja sylinterin periaatetta, ja se oli höyrykoneen perustyyppi 1900-luvun alkuun asti. Höyrykonetta käytettiin veden pumppaamiseen hiilikaivoksista.

Teollisen vallankumouksen aikana höyrykoneet alkoivat korvata vesi- ja tuulivoimaa, ja niistä tuli lopulta hallitseva voimanlähde 1800-luvun lopulla, ja ne pysyivät hallitsevina 1900-luvun alkuvuosikymmeniin asti, jolloin tehokkaampi höyryturbiini ja polttomoottori johtivat mäntähöyrykoneiden nopeaan korvaamiseen. Höyryturbiinista on tullut yleisin menetelmä, jolla sähkögeneraattoreita käytetään. Parhaillaan tutkitaan, olisiko käytännössä mahdollista elvyttää edestakainen höyrykone uuden kehittyneen höyryteknologian perustaksi.

Edelläkävijät

Höyryvoiman varhaiset käyttötavat

Varhaisimman tunnetun alkeellisen höyrykoneen ja reaktiohöyryturbiinin, eolipiilin, on kuvannut 1. vuosisadan roomalaisessa Egyptissä asuva matemaatikko ja insinööri Heron Aleksandrialainen, joka on kirjattu hänen käsikirjoitukseensa Spiritalia seu Pneumatica. Suuttimista tangentiaalisesti purkautuva höyry sai kääntyvän pallon pyörimään. Sen lämpöhyötysuhde oli alhainen. Tämä viittaa siihen, että höyrynpaineen muuntaminen mekaaniseksi liikkeeksi tunnettiin Rooman Egyptissä 1. vuosisadalla. Heron kehitti myös koneen, joka käytti alttaritulessa lämmitettyä ilmaa syrjäyttämään vesimäärän suljetusta astiasta. Veden paino saatiin vetämään piilotettua köyttä temppelin ovien käyttämiseksi. Jotkut historioitsijat ovat sekoittaneet nämä kaksi keksintöä toisiinsa ja väittäneet virheellisesti, että aeolipile kykeni hyödylliseen työhön.

Historioitsija William Malmesburylaisen mukaan vuonna 1125 Reimsissä sijainneen kirkkon uruissa oli voimanlähteenä "lämmitetyn veden" puristuksesta pakeneva ilma. Laitteiston oli ilmeisesti suunnitellut ja rakentanut professori Gerbertus.

Leonardo da Vincin 1400-luvun loppupuolelta peräisin olevien papereiden joukossa on Architonnerre-nimisen höyrykäyttöisen tykin suunnitelma, joka toimii siten, että kuuma vesi virtaa äkillisesti suljettuun, tulikuumaan tykkiin.

Alkeellisen iskuhöyryturbiinin kuvasi vuonna 1551 Taqi al-Din, 1500-luvun ottomaanien Egyptissä toiminut filosofi, tähtitieteilijä ja insinööri, joka kuvasi menetelmän, jolla varrasta pyöritetään pyörivillä siivillä pyörivän pyörän kehällä pyörivän höyrysuihkun avulla. Samanlaisen laitteen vartaan pyörittämiseen kuvasi myöhemmin myös John Wilkins vuonna 1648. Näitä laitteita kutsuttiin tuolloin "myllyiksi", mutta nykyään niitä kutsutaan höyrynostimiksi. Toinen samanlainen alkeellinen höyryturbiini on italialaisen insinöörin Giovanni Brancan vuonna 1629 esittämä malli, jolla pyöritettiin sylinterinmuotoista liukulaitetta, joka vuoroin nosti ja vuoroin laski laastissa työskentelevää nostokouraa. Näiden varhaisten höyryturbiinien höyryvirta ei kuitenkaan ollut keskittynyt, ja suurin osa sen energiasta haihtui kaikkiin suuntiin. Tämä olisi johtanut suureen energian tuhlaukseen, joten niitä ei koskaan vakavasti harkittu teolliseen käyttöön.

Vuonna 1605 ranskalainen matemaatikko Florence Rivault kirjoitti tykistöä käsittelevässä tutkielmassaan löydöstään, jonka mukaan pommikuoreen suljettu ja lämmitetty vesi räjäyttäisi kuoret.

Vuonna 1606 espanjalainen Jerónimo de Ayanz y Beaumont esitteli höyrykäyttöisen vesipumpun ja sai patentin sille. Pumppua käytettiin menestyksekkäästi Espanjan Guadalcanalin tulvittujen kaivosten tyhjentämiseen.

Kaupallisen höyrykoneen kehitys "Thomas Newcomenin vuonna 1712 tekemät keksinnöt, jotka johtivat höyrykoneeseen, olivat:"

Tyhjiön käsite (eli paineen aleneminen alle ympäristön paineen). Paineen käsite Tekniikat tyhjiön luomiseksi Keino tuottaa höyryä mäntä ja sylinteri

Vuonna 1643 Evangelista Torricelli teki kokeita imunostoveden pumpuilla testatakseen niiden rajoja, jotka olivat noin 32 jalkaa (ilmakehän paine on 32,9 jalkaa eli 10,03 metriä.). Veden höyrynpaine alentaa teoreettista nostokorkeutta). Hän suunnitteli kokeen, jossa hän käytti elohopealla täytettyä putkea, joka oli käännetty elohopea-astiaan (barometri), ja havaitsi elohopeapatsaan yläpuolella tyhjän tilan, jonka hän arveli sisältävän tyhjää eli tyhjiön.

Torricellin vaikutuksesta Otto von Guericke keksi tyhjiöpumpun muuntamalla ilmapistoolin paineistamiseen käytettävää ilmapumppua. Guericke järjesti esittelyn vuonna 1654 Magdeburgissa, Saksassa, jossa hän oli pormestarina. Kaksi kuparista puolipalloa sovitettiin yhteen ja ilmaa pumpattiin ulos. Puolipalloihin kiinnitetyt painot eivät pystyneet vetämään niitä erilleen ennen kuin ilmaventtiili avattiin. Koe toistettiin vuonna 1656 käyttäen kahta kahdeksan hevosen joukkuetta, jotka eivät kyenneet erottamaan Magdeburgin puolipalloja toisistaan.

Gaspar Schott kuvasi ensimmäisenä puolipallokokeen teoksessaan Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Luettuaan Schottin kirjan Robert Boyle rakensi parannetun tyhjiöpumpun ja teki siihen liittyviä kokeita.

Denis Papin kiinnostui tyhjiön käyttämisestä käyttövoiman tuottamiseen työskennellessään Christiaan Huygensin ja Gottfried Leibnizin kanssa Pariisissa vuonna 1663. Papin työskenteli Robert Boylen palveluksessa vuosina 1676-1679. Hän julkaisi kertomuksen työstään teoksessa Continuation of New Experiments (1680) ja piti esitelmän Royal Societyn kokouksessa vuonna 1689. Vuodesta 1690 alkaen Papin alkoi kokeilla mäntää voiman tuottamiseksi höyryn avulla ja rakensi mallihöyrykoneita. Hän kokeili ilmanpainehöyrykoneita ja julkaisi tuloksensa vuonna 1707.

Vuonna 1663 Edward Somerset, 2. Worcesterin markiisi, julkaisi 100 keksintöä sisältävän kirjan, jossa kuvattiin menetelmä veden nostamiseksi lattioiden välissä käyttäen samanlaista periaatetta kuin kahvinkeittimessä. Hänen järjestelmänsä oli ensimmäinen, jossa kattila (lämmitetty tykinpiippu) erotettiin pumppaustoiminnasta. Vesi johdettiin vahvistettuun tynnyriin säiliöstä, minkä jälkeen venttiili avattiin höyryn päästämiseksi erillisestä kattilasta. Paine nousi veden päälle ja ajoi sen putkea pitkin ylöspäin. Hän asensi höyrykäyttöisen laitteensa Raglanin linnan suuren tornin seinään syöttääkseen vettä tornin läpi. Seinään tehdyt urat, joihin moottori oli asennettu, olivat nähtävissä vielä 1800-luvulla. Kukaan ei kuitenkaan ollut valmis riskeeraamaan rahaa näin vallankumouksellisen konseptin puolesta, ja ilman tukijoita kone jäi kehittämättä.

Samuel Morland, matemaatikko ja keksijä, joka työskenteli pumppujen parissa, jätti Vauxhall Ordinance Officeen muistiinpanoja höyrypumpun suunnittelusta, jotka Thomas Savery luki. Vuonna 1698 Savery rakensi höyrypumpun nimeltä "The Miner's Friend". Se käytti sekä alipainetta että painetta. Niitä käytettiin pienen hevosvoiman käyttöön useiden vuosien ajan.

Thomas Newcomen oli kauppias, joka kauppasi valurautatuotteita. Newcomenin moottori perustui Papinin ehdottamaan mäntä- ja sylinterimalliin. Newcomenin moottorissa höyry lauhdutettiin sylinterin sisälle ruiskutetulla vedellä, jolloin ilmanpaine liikutti mäntää. Newcomenin ensimmäinen moottori asennettiin kaivoksen pumppaamiseen vuonna 1712 Dudleyn linnassa Staffordshiressä.

Sylinterit Denis Papin (22. elokuuta 1647 - noin 1712) oli ranskalainen fyysikko, matemaatikko ja keksijä. Hän keksi uraauurtavan keksinnön höyrykattilan, joka oli painekattilan edeltäjä. Papin teki 1670-luvun puolivälissä yhteistyötä hollantilaisen fyysikon Christiaan Huygensin kanssa moottorin kehittämiseksi, joka ajoi ilmaa ulos sylinteristä räjäyttämällä ruudin sen sisällä. Kun Papin huomasi tällä tavoin tuotetun tyhjiön epätäydellisyyden ja muutettuaan Englantiin vuonna 1680 hän kehitti saman sylinterin version, jossa täydellisempi tyhjiö saatiin aikaan kiehuvalla vedellä, jonka jälkeen höyryn annettiin tiivistyä; tällä tavoin hän pystyi nostamaan painoja kiinnittämällä männän pään hihnapyörän yli kulkevaan köyteen. Esittelymallina järjestelmä toimi, mutta prosessin toistamiseksi koko laite oli purettava ja koottava uudelleen. Papin huomasi nopeasti, että automaattisen kierron aikaansaamiseksi höyry olisi tuotettava erikseen kattilassa, mutta hän ei kuitenkaan vienyt hanketta eteenpäin. Papin suunnitteli myös meloveneen, jonka käyttövoimana oli myllynpyörässä toimiva suihku, joka oli yhdistelmä Taqi al Dinin ja Saveryn käsityksiä, ja hänen ansiokseen lasketaan myös useita merkittäviä laitteita, kuten varoventtiili. Papinin vuosia kestäneellä tutkimuksella höyryn valjastamiseen liittyvistä ongelmista oli keskeinen rooli ensimmäisten menestyksekkäiden teollisuusmoottoreiden kehittämisessä, joka tapahtui pian hänen kuolemansa jälkeen.

Savery-höyrypumppu Ensimmäinen teollisesti sovellettu höyrykone oli Thomas Saveryn vuonna 1698 suunnittelema "palokone" eli "Miner's Friend". Kyseessä oli männätön höyrypumppu, joka oli samanlainen kuin Worcesterin kehittämä. Savery teki kaksi keskeistä työtä, jotka paransivat huomattavasti rakenteen käytännöllisyyttä. Ensinnäkin, jotta veden syöttö voitaisiin sijoittaa moottorin alapuolelle, hän käytti lauhdutettua höyryä osittaisen tyhjiön tuottamiseen pumppusäiliöön (Worcesterin esimerkissä tynnyriin) ja käytti sitä veden vetämiseen ylöspäin. Toiseksi hän juoksutti kylmää vettä säiliön yli jäähdyttääkseen höyryn nopeasti tyhjiön aikaansaamiseksi.

Toiminta vaati useita venttiilejä; kun säiliö oli tyhjä syklin alussa, venttiili avattiin höyryn päästämiseksi sisään. Venttiili suljettiin säiliön sulkemiseksi ja jäähdytysvesiventtiili kytkettiin päälle höyryn tiivistämiseksi ja osittaisen tyhjiön luomiseksi. Syöttöventtiili avattiin, jolloin vesi vedettiin ylöspäin säiliöön, ja tyypillinen moottori saattoi vetää vettä jopa 20 jalan korkeuteen. Venttiili suljettiin ja höyryventtiili avattiin uudelleen, jolloin veden päälle muodostui paine ja se pumpattiin ylöspäin, kuten Worcesterin mallissa. Sykli periaatteessa kaksinkertaisti matkan, jonka vettä voitiin pumpata millä tahansa höyrynpaineella, ja tuotantoesimerkit nostivat vettä noin 40 jalkaa.

Saveryn moottori ratkaisi ongelman, josta oli vasta hiljattain tullut vakava ongelma: veden nostaminen pois Etelä-Englannin kaivoksista, kun ne olivat päässeet suurempiin syvyyksiin. Saveryn moottori oli hieman tehottomampi kuin Newcomenin moottori, mutta tätä kompensoi se, että Newcomenin moottorin käyttämä erillinen pumppu oli tehoton, joten näiden kahden moottorin hyötysuhde oli suunnilleen sama eli 6 miljoonaa jalkapuntaa hiilipuskuria kohti (alle 1 %). Saveryn moottori ei myöskään ollut kovin turvallinen, koska osa sen kierrosta vaati höyryä, joka oli paineistettu kattilasta, eikä painesäiliötä voitu tehdä riittävän vahvaksi, joten se oli räjähdysherkkä tuon ajan tekniikan vuoksi. Yhden Saveryn pumpun räjähdys Broad Watersissa (lähellä Wednesburyä) noin vuonna 1705 merkitsi todennäköisesti loppua keksinnön hyödyntämisyrityksille.

Saveryn moottori oli edullisempi kuin Newcomenin moottori, ja sitä valmistettiin pienemmässä koossa. Jotkut rakentajat valmistivat paranneltuja versioita Saveryn moottorista aina 1700-luvun lopulle asti. Bento de Moura Portugal, FRS, esitteli nerokkaan parannuksen Saveryn rakenteeseen, jonka John Smeaton kuvasi vuonna 1751 ilmestyneessä Philosophical Transactions -julkaisussa.

Ilmakehän lauhdutusmoottorit

Newcomenin ilmanpainemoottori