محرك بخاري أحادي التدفق

تتيح محركات التدفق الأحادي إمكانية تمدد أكبر في أسطوانة واحدة دون مرور بخار العادم البارد نسبيًا عبر الطرف الساخن لأسطوانة التشغيل ومنافذ البخار في محرك البخار التقليدي ذي التدفق المعاكس أثناء شوط العادم. هذه الحالة تسمح بكفاءة حرارية أعلى. تبقى منافذ العادم مفتوحة لجزء صغير فقط من شوط المكبس، وتُغلق مباشرةً بعد بدء المكبس بالتحرك نحو طرف دخول البخار إلى الأسطوانة. يُحبس البخار المتبقي داخل الأسطوانة بعد إغلاق منافذ العادم، ويُضغط هذا البخار المحبوس بواسطة المكبس العائد. يُعد هذا الأمر مرغوبًا من الناحية الديناميكية الحرارية لأنه يُسخن الطرف الساخن للأسطوانة قبل دخول البخار. مع ذلك، غالبًا ما يؤدي خطر الضغط المفرط إلى إضافة منافذ عادم مساعدة صغيرة عند رؤوس الأسطوانات. يُطلق على هذا التصميم اسم محرك التدفق الأحادي شبه الكامل.

Engines of this type usually have multiple cylinders in an in-line arrangement, and may be single- or double-acting. A particular advantage of this type is that the valves may be operated by the effect of multiple camshafts, and by changing the relative phase of these camshafts, the amount of steam admitted may be increased for high torque at low speed, and may be decreased at cruising speed for economy of operation. Alternatively, designs using a more-complex cam surface allowed the varying of timing by shifting the entire camshaft longitudinally compared to its follower, allowing the admission timing to be varied. The camshaft could be shifted by mechanical or hydraulic devices. The engine's direction of rotation may be changed by changing the absolute phase. The uniflow design also maintains a constant temperature gradient through the cylinder, avoiding passing hot and cold steam through the same end of the cylinder.

In practice, the uniflow engine has a number of operational shortcomings. The large expansion ratio requires a large cylinder volume. To gain the maximum potential work from the engine a high reciprocation rate is required, typically 80% faster than a double-acting counterflow type engine. This causes the opening times of the inlet valves to be very short, putting great strain on a delicate mechanical part. In order to withstand the huge mechanical forces encountered, engines have to be heavily built and a large flywheel is required both to smooth out the variations in torque as the steam pressure rapidly rises and falls in the cylinder and to compensate for the inertia of the heavy piston. Because there is a thermal gradient across the cylinder, the metal of the wall expands to different extents. This requires the cylinder bore to be machined wider in the cool center (sometimes described as "egg-shaped") than at the hot ends. If the cylinder is not heated correctly, or if water enters, the delicate balance can be upset causing seizure mid-stroke, which can lead to engine damage or destruction.

استُخدم مبدأ التدفق الأحادي بشكل رئيسي في توليد الطاقة الصناعية، ولكن جُرِّب أيضًا في عدد قليل من قاطرات السكك الحديدية في إنجلترا، مثل قاطرات التدفق الأحادي التابعة لسكك حديد الشمال الشرقي رقم 825 لعام 1913، ورقم 2212 لعام 1918، ^{[ 1 ]} وقاطرة باجيت التابعة لسكك حديد ميدلاند . كما أُجريت تجارب في فرنسا، ^{[ 2 ]} وألمانيا، والولايات المتحدة، وروسيا. ^{[ 1 ]} إلا أن النتائج لم تكن مُشجِّعة بما يكفي لمواصلة التطوير.

كان أول استخدام واسع النطاق لمحرك Uniflow في عربات Atkinson البخارية ، في عام 1918. ^{[ 3 ]} ولا يُعرف سوى عربة بخارية واحدة من هذا النوع لا تزال موجودة؛ فقد بُنيت في عام 1918، وقضت فترة عملها وفترة من الإهمال في أستراليا، ثم أُعيدت إلى إنجلترا وقام توم فارلي بترميمها في الفترة 1976-1977. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

شهد قطاع المحركات أحادية التدفق تطورًا تجاريًا نهائيًا في الولايات المتحدة خلال أواخر الثلاثينيات والأربعينيات من القرن العشرين، وذلك على يد شركة سكينر للمحركات، مع تطوير محرك البخار البحري أحادي التدفق المركب. ^{[ 1 ]} تستخدم هذه المحركات تصميمًا مركبًا مدببًا ، وتقترب كفاءتها من كفاءة محركات الديزل المعاصرة. وقد زُوّدت العديد من عبّارات السيارات في البحيرات العظمى بهذه المحركات، ولا تزال إحداها تعمل حتى اليوم، وهي السفينة إس إس بادجر  التي بُنيت عام 1952. أما حاملة الطائرات المرافقة من فئة كازابلانكا ، وهي أكثر تصميمات حاملات الطائرات انتشارًا في التاريخ، فقد استخدمت محركين من طراز سكينر أحادي التدفق بخمس أسطوانات، ولكنهما لم يكونا من النوع المركب المدبب. وظل محرك سكينر أحادي التدفق غير المركب في الخدمة حتى عام 2013 في ناقلة الأسمنت إس إس سانت ماري تشالنجر في البحيرات العظمى ، والذي تم تركيبه عند إعادة تزويد السفينة بالطاقة عام 1950. واستخدمت السفينة إس إس برينس جورج محركين مُعاد تدويرهما من طراز سكينر أحادي التدفق بست أسطوانات. وقد أُحيلت إلى التقاعد عام 1984. 

في الأحجام الصغيرة (أقل من 1000 حصان (750 كيلوواط) )، تكون محركات البخار الترددية أكثر كفاءة من التوربينات البخارية. استخدمت محطة وايت كليفس للطاقة الشمسية محركًا أحادي التدفق ثلاثي الأسطوانات مزودًا بصمامات دخول من نوع " باش " لتوليد حوالي 25 كيلوواط من الكهرباء.   

يشبه تصميم محرك البخار أحادي الفعل أحادي التدفق تصميم محرك الاحتراق الداخلي ثنائي الأشواط ، ويمكن تحويل محرك ثنائي الأشواط إلى محرك بخار أحادي التدفق عن طريق تزويد الأسطوانة بالبخار عبر صمام صدمي يُركّب مكان شمعة الإشعال. ^{[ 6 ]} عندما يقترب المكبس الصاعد من أعلى شوطه، يفتح الصمام الصدمي ليسمح بدخول دفقة من البخار. يُغلق الصمام تلقائيًا مع هبوط المكبس، ويُصرّف البخار عبر منافذ الأسطوانة الموجودة. ثم تدفع قوة القصور الذاتي لعجلة الموازنة المكبس إلى أعلى شوطه عكس الضغط، كما هو الحال في الشكل الأصلي للمحرك. وكما هو الحال في الشكل الأصلي، فإن هذا التحويل ليس ذاتي التشغيل، ويجب تشغيله بواسطة مصدر طاقة خارجي. ومن الأمثلة على هذا التحويل الدراجة البخارية الصغيرة التي تعمل بالبخار، والتي تُشغّل بالدواسة. ^{[ 7 ]}