thumb|Schema funcționării unui motor cu abur naval cu acțiune dublă și destindere triplă. Aburul de presiune înaltă (roșu) se destinde în trei trepte, fiind evacuat la presiune joasă (albastru) spre condensator. Sertarele de distribuție se află în stânga cilindrului corespunzător. thumb|Motor cu abur compound orizontal, cu destindere dublă, produs de Robey: cilindrul mic, de presiune înaltă (stânga) și cel mare, de presiune joasă (dreapta) thumb|Vedere a unui motor cu abur compound, cu destindere triplă, din 1888, secționat Un motor cu abur compound este un motor cu abur cu destindere fracționată, adică destinderea aburului se face în două sau mai multe trepte. O configurație tipică pentru un motor compound este aceea că aburul se destinde inițial într-un cilindru de înaltă presiune (IP), apoi, după ce cedează căldură și îi scade presiunea, este evacuat într-unul sau mai mulți cilindri de joasă presiune (JP), cu volum mai mare, în care destinderea continuă. Motoarele cu destindere multiplă utilizează cilindri suplimentari, cu o presiune progresiv mai mică, în care din abur se extrage lucru mecanic suplimentar.
Inventată în 1781, această tehnică a fost folosită pentru prima dată la un din Cornwall în 1804. În jurul anului 1850, motoarele compound au fost introduse pentru prima dată în fabricile de materiale textile din Lancashire.
Sensul termenului „compound” este de „grupare împreună”, „compunere” , sensul 1.
Sisteme compound Există multe sisteme și configurații compound, dar există două tipuri de bază, în funcție de modul în care sunt fazate cursele pistoanelor IP și JP. Prin urmare, dacă evacuarea din cilindrul de IP poate trece direct la cel de JP (de tip Woolf compound) sau dacă fluctuația presiunii necesită un rezervor „tampon” intermediar cunoscut sub numele de „receptor” (de tip McNaught compound cu receptor).
Într-un motor cu abur cu o singură destindere (destindere simplă) aburul de presiune înaltă intră în cilindru la presiunea din cazan printr-o supapă sau sertar de distribuție. Presiunea aburului mișcă pistonul în sensul creșterii camerei de destindere din cilindru, până când supapa se închide (de exemplu, după 25 % din cursa pistonului). După ce admisiunea aburului este întreruptă, aburul din cilindru continuă să se destindă, împingând pistonul până la capătul cursei sale, unde supapa sau sertarul de evacuare se deschide și evacuează aburul parțial epuizat în atmosferă sau într-un condensator. Această întrerupere a admisiunii aburului permite extragerea unui lucru mecanic mult mai mare, deoarece destinderea aburului efectuează un lucru mecanic suplimentar față de cel efectuat de abur la presiunea din cazan (în perioada de admisiune).
Încetarea timpurie a admisiunii crește raportul de destindere, ceea ce, în principiu, permite extragerea unei cantități mai mari de energie și crește randamentul termic. Ideal, aburul s-ar destinde adiabatic, iar temperatura ar scădea corespunzător creșterii volumului. Totuși, în practică materialul cilindrului acționează ca un rezervor de căldură, răcind aburul în prima parte a destinderii și încălzindu-l în partea finală. Aceste fluxuri de căldură ireversibile scad randamentul procesului, astfel încât, dincolo de un anumit punct, creșterea suplimentară a raportului de destindere ar reduce de fapt randamentul, pe lângă scăderea , prin urmare a puterii motorului.
Motoare compound O soluție la această dilemă a fost dată în 1804 de inginerul britanic Arthur Woolf, care și-a brevetat în 1805 motorul compound de înaltă presiune Woolf. În motorul compound, aburul de înaltă presiune din cazan se destinde mai întâi într-un cilindru de înaltă presiune (IP) și apoi continuă destinderea într-unul sau mai mulți cilindri de presiune mai mică (JP). Destinderea completă a aburului are loc în mai mulți cilindri și, deoarece există o destindere mai mică în fiecare cilindru, aburul se răcește mai puțin în fiecare cilindru, ceea ce face ca rapoartele de destindere mai mari să fie practice și să crească randamentul motorului.
Există și alte avantaje: deoarece intervalul de temperatură este mai mic, condensarea în cilindru este redusă. Pierderea datorată condensării apare doar în cilindrul de presiune joasă (JP). Diferența de presiune este mai mică în fiecare cilindru, astfel încât există mai puține scurgeri de abur pe lângă piston și supape. Momentul și rotația sunt mai uniforme, astfel încât echilibrarea este mai ușoară și se poate utiliza un volant mai mic. Doar cilindrul IP mai mic trebuie să reziste la presiunea maximă, ceea ce reduce greutatea totală. Similar, componentele sunt supuse la o solicitare mai mică, astfel încâ pot fi mai ușoare. Părțile în mișcare alternativă ale motorului sunt mai ușoare, reducând vibrațiile motorului. Motorul compound poate fi pus în mișcare în orice moment al ciclului, iar în caz de defecțiune mecanică, motorul compound poate fi configurat să funcționeze ca un motor cu destindere simplă, putând astfel continua să funcționeze. Pentru ca în treapta de joasă presiune să se obțină același lucru mecanic ca în treapta de înaltă presiune este necesar un volum mai mare al cilindrului, deoarece acolo aburul are un volum masic mai mare. Prin urmare, alezajul și, în cazuri rare, cursa sunt mărite la cilindrii de presiune joasă, rezultând cilindri mai mari.
Motoarele cu destindere dublă (cunoscute de obicei sub denumirea de „motoare compound”) destind aburul în două trepte, dar acest lucru nu implică faptul că toate aceste motoare au doi cilindri. Pot avea patru cilindri care funcționează ca două perechi de IP–JP, sau lucrul mecanic al cilindrului mare, de JP, poate fi produs în doi cilindri mai mici, un cilindru IP evacuând aburul în ambii cilindri de JP, dând o configurație cu trei cilindri în care diametrul cilindrului și pistonului tuturor celor trei sunt aproximativ la fel, ceea ce face ca masele în mișcare alternativă să fie mai ușor de echilibrat.
Soluțiile constructive privind poziționarea cilindrilor pot fi: compound cu cilindri gemeni – cilindrii sunt situați alături; compound cu cilindri tandem – cilindrii sunt situați unul după altul, cu pistoanele pe aceeași tijă; compound cu cilindri telescopici – cilindrii sunt situați unul în altul; compound cu cilindri în unghi – cilindrii sunt situați „în V” (uzual la 90°) și acționează un arbore cotit comun.
După 1880 adoptarea motorului compound s-a răspândit la unitățile industriale staționare, unde era nevoie de o putere sporită la costuri cât mai mici și aproape peste tot la motoarele cu abur navale după 1880. Nu a fost utilizat pe scară largă în locomotivele feroviare, unde adesea era percepută ca fiind complicată și nepotrivită pentru mediul dur de folosire și pentru spațiul limitat oferit de gabarit (în special în Marea Britanie). Motorul compound nu a fost niciodată comun pe căile ferate britanice și nu a fost folosit deloc după 1930, dar, limitat, a fost utilizat în multe alte țări.
Prima încercare reușită de a zbura cu un avion acționat exclusiv de abur a avut loc în 1933, când George și William Besler a convertit un biplan Travel Air 2000 pentru a zbura cu un motor cu abur bicilindric în V, de 150 HP, proiect propriu, în loc de obișnuitul motor pe benzină, în linie sau radial, Curtiss OX-5 pe care l-ar fi folosit în mod normal. "World's First Steam Driven Airplane" Popular Science, July 1933, detailed article with drawings
Motoare cu destindere multiplă thumb|Diagramă indicată a unui motor cu abur cu destindere triplă Pentru a crește randamentul, o dezvoltare logică a motorului compound (descris mai sus) este fracționarea destinderii în mai multe trepte. Rezultatul este motorul cu destindere multiplă. În aceste motoare destinderea se face fie în trei, fie în patru trepte, fiind cunoscute sub numele de motoare cu destindere triplă, respectiv cu destindere cvadruplă. Aceste motoare utilizează o serie de cilindri cu acțiune simplă (doar pe o față a pistonului) sau dublă (pe ambele fețe ale pistonului, alternativ) cu diametre și/sau curse diferite, prin urmare cu volume care cresc progresiv. Acești cilindri sunt proiectați pentru a produce cantități egale de lucrul mecanic în fiecare dintre cele trei sau patru trepte de destindere. Imaginea alăturată prezintă diagrama indicată a unui motor cu destindere triplă. Suprafețele colorate sunt proporționale cu lucrul mecanic produs în fiecare treaptă: roșu în treapta de presiune înaltă, verde în treapta de presiune medie și albastru în treapta de presiune joasă.
Istoric Începuturi 1781 – Jonathan Hornblower, nepotul unuia dintre constructorii de motoare Newcomen din Cornwall, a brevetat un motor compound cu balansier, cu doi cilindri. A fost împiedicat să-l dezvolte în continuare de James Watt, care a susținut că propriile sale brevete au fost încălcate. Encyclopædia Britannica Online, retrieved 29 March 2007. 1797 – Richard Trevithick a dezvoltat un motor cu abur de înaltă presiune eficient. 1804 – Arthur Woolf a dezvoltat motorul compound de înaltă presiune Woolf staționar, brevetat în 1805. Motorul Woolf a redus încălzirea și răcirea continuă a unui motor cu abur de înaltă presiune cu destindere simplă, care era ineficient. De asemenea, a rezolvat problema că cilindrii contemporani din fontă nu puteau funcționa bine.
Destindere dublă 1833 – PS Hercules (din 1829) a fost modificat să utilizeze un cilindru de presiune foarte joasă, preluat de la PS Agrippina (din 1827), cu abur din cilindrii de presiune înaltă. Această modificare a fost proiectată de inginerul olandez Gerhard Moritz Roentgen, care astfel a devenit inventatorul motorului compound naval. Remorcherul cu zbaturi respectiv a fost folosit cu succes pentru serviciul pe râul Waal, devenind prima navă cu motor compound care a intrat în serviciu. 1845 – William McNaught a conceput o metodă de adăugare a unui cilindru suplimentar de înaltă presiune la un motor cu balansier existent. Pentru a realiza acest lucru, a fost necesară utilizarea unei țevi lungi pentru a conecta cilindrii și a unui set suplimentar de supape pentru a-i echilibra. Practic, aceasta acționa ca un rezervor, fiind inventat un nou tip de motor compound. Acest sistem permitea un control mai bun al admisiei de abur și al întreruperii admisiunii aburului. Un motor putea fi încetinit fie cu o clapetă care reducea presiunea aburului, fie prin reglarea momentului întreruperii la oricare dintre cilindri. Aceasta din urmă era mai eficientă, deoarece nu se pierdea putere. Ciclul era mai lin, deoarece cei doi cilindri nu erau în aceeași fază. 1865 – A fost lansat SS Agamemnon, echipat cu un motor compound de 300 HP. Motorul a fost proiectat de Alfred Holt, unul dintre proprietarii săi. Holt convinsese să permită o presiune a cazanului de 4 bar în loc de 1,7 bar, cât era atunci normal – era necesară o presiune mai mare pentru a valorifica avantajele destinderii duble. Randamentul obținut a permis acestei nave să parcurgă 15700 km (8500 de mile) înainte de realimentarea cu cărbune. Acest lucru l-a făcut competitiv pe rutele dintre China și Marea Britanie. National Maritime Museum, Greenwich, UK, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
Destindere multiplă thumb|Motorul compound cu cilindri gemeni Pollit și Wigzell la Muzeul Lânii de la filatura Coldharbour, care acționează tamburul cu cabluri vizibil în fundal, care transmite puterea către arbori de acționare de la toate cele cinci niveluri ale fabricii 1861 – Daniel Adamson a obținut un brevet pentru un motor cu destindere multiplă, cu trei sau mai mulți cilindri care acționează un balansier sau un arbore cotit. A construit un motor cu destindere triplă pentru Victoria Mills, Dukinfield, care s-a deschis în 1867. 1871 – Charles Normand, din Le Havre, a echipat o barcă de pe Sena cu un motor cu destindere triplă. 1872 – Frederick Bramwell a raportat că motoarele compound navale, funcționând la o presiune de 3 până la 4 bar, consumau între 0,9 și 1,1 kg de cărbune pe oră per HP indicat.