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[근대] 증기기관 (한메)
증기기관 蒸氣機關 steam engine 증기의 열에너지를 기계적인 일로 변환하는 원동기관. 일반적으로는 보일러에서 발생시킨 증기의 압력으로 실린더 안의 피스톤을 움직여 그 힘으로 동력을 얻는 왕복운동기관을 말한다. [역사] 17세기말 인구 증가와 공업발달로 금속에 대한 수요가 급증하면서 광산 개발이 성행하였고 광산의 갱도(坑道)가 깊어짐에 따라 늘어나는 용수량을 정상적으로 배수하기 위해 보다 강력한 동력을 필요로 하게 되었다. 배수작업에 직접 증기에너지를 이용하는 증기펌프기관은 1699년 영국의 T.세이버리에 의해 실용화되었다. 이것은 봄베 속으로 증기를 보내 안에 고인 물을 역지판(逆止瓣)을 통해 위쪽의 파이프로 밀어올린 뒤 증기를 냉각시키면 부피가 1/10000로 줄어 봄베 속은 거의 진공상태로 된다. 이때 대기압력으로 밀린 갱내의 물이 역지판을 통과하여 봄베 안으로 들어오면 이를 다시 증기압력으로 밀어내면서 연속적으로 배수작업이 이루어진다. 그러나 세이버리의 증기펌프는 지하에서 사용하는 데 어려움이 많아 1712년 T.뉴커먼이 증기로 피스톤을 움직여 배수펌프를 작동시키는 대기압기관을 만들었다. 이것은 양 끝에 펌프를 미는 로드와 피스톤을 사슬로 매단 빔이 있어 빔기관이라고도 한다. 실린더와 피스톤 가공이 정밀하지 못하였으므로 피스톤 위에 약간의 물을 넣어 공기나 증기의 누출을 막았다. 초기에는 밑에 있는 보일러의 밸브를 열어 실린더 안으로 증기를 가득 넣고 밸브를 잠근 뒤 실린더 밖에서 물로 냉각시켜 진공상태를 만든다. 대기압으로 인하여 피스톤이 내려가 펌프를 미는 로드를 끌어올리면 펌프에는 물이 들어간다. 피스톤이 아래에 닿을 때는 배수용 밸브를 열어 실린더 안에 있는 물을 버린다. 무거운 펌프를 미는 로드는 물을 펌프에서 밀어내면서 내려가고 피스톤은 올라간다. 이러한 방법으로 밸브를 조작하며 반복운동을 한다. 이 기관은 곧 실린더 안에 냉각수를 분무하도록 개량되었고, 밸브의 조작도 수동에서 피스톤에 연동된 펌프로 개량되면서 오랫동안 사용되었다. 그러나 뉴커먼기관은 열효율이 나쁘고, 많은 석탄이 필요하였으므로 영국 이외에서는 그다지 이용되지 않았다. J.와트는 글래스고대학에 근무하는 동안 뉴커먼기관의 수리를 의뢰받았는데, 1765년 증기를 실린더와는 별도의 방에서 냉각하여 물로 복원시키는 복수기를 개발, 뉴커먼기관보다 4배 정도 효율성이 뛰어났다. 그 뒤 와트는 개량을 계속, 피스톤 위에 실린더 뚜껑을 붙이고, 피스톤 주위와 실린더가 맞닿는 부분에 홈을 판 뒤 삼(麻) 등으로 패킹을 넣고, 실린더 뚜껑의 피스톤이 드나드는 곳에도 패킹을 넣음으로써 증기를 보낼 때 피스톤과 실린더 뚜껑 사이로 공기가 들어오지 않도록 하였다. 다음에 실린더가 냉각되면 효율이 낮아지므로 증기를 실린더 주위에 보내어 보온하였다. 이 방법으로 피스톤은 대기압 이상의 증기압력으로 밀리게 되었다. 1782년 무렵에는 피스톤이 작동할 때에는 피스톤 위로 증기를 보내지 않고 증기의 팽창력을 이용하게 하였다. 또 복수기는 피스톤 아래에만 연결하고 피스톤 위로 보낸 증기를 다시 피스톤 아래로 보내어 피스톤을 밀어올리는 복동식으로 개량함으로써 증기를 2번 사용하였다. 이 방식은 피스톤이 위로 올라갈 때도 힘을 내므로, 빔과 피스톤을 단단히 연결하기 위한 링크장치가 84년 만들어져 와트형 빔기관은 거의 완성되었다. 이로써 증기기관은 단순히 광산 배수용뿐만 아니라 일반 공업용 동력원으로서 이용되기 시작하였다. 와트는 1782년에 빔펌프 밀대가 붙은 곳에 연접봉과 차동(差動)톱니바퀴로 연결된 플라이휠을 설치하여 회전하는 기계를 만들었다. 이전부터 방적기 등에 쓰이고 있던 원심식 조속기를 개량하여 이것으로 증기량을 조절하는 조리개 밸브를 움직여 일정한 회전수를 유지시킬 수 있는 와트조속기를 고안하였다. 그 뒤 차동톱니바퀴기구는 크랭크와 연접봉으로 바뀌었는데, 이 기관은 공장이나 발전소의 동력원으로서 널리 이용되었다. 와트의 회사후계자가 된 W.머독은 1802년 와트형 밸브의 일부를 플라이휠에 붙인 편심륜으로 움직이는 간단한 슬라이드밸브와 증기 흡·배기공의 조합식 소형 복동기관을 만들었다. 이 형식은 그 뒤 증기기관의 기본형이 되었다. 증기기관이 공장 등에 보급되자 교통용의 소형 동력원으로서의 증기기관이 기대되었지만 그때까지의 와트기관은 대기압 정도의 압력을 이용한 것이며 형태도 컸으므로 차량용으로는 이용할 수 없었다. 이로 인해 보일러 파괴의 위험을 무릅쓰고 대기압의 2배 이상을 이용하는 고압기관의 개발이 진행되었다. N.J.퀴뇨는 1769년에 고압기관을 사용한 포차를 끄는 증기자동차를 만들었다. 미국에서는 1815년 O.에반스가 14기압의 증기를 사용하는 기관을 만들었고, 영국에서는 1802년 R.트레비식이 10.5기압 증기를 사용하여 소형 보일러와 실린더가 한 덩어리를 이룬 증기기관을 만들었다. 트레비식의 증기기관은 보일러에 보내는 물의 여열과 연관형(煙管型)소형 보일러를 개발하였는데 이는 강제송풍과 이미 사용한 증기로 배연을 촉진하는 방식으로 소형이면서도 높은 효율과 출력을 얻게 하였다. 1805년에는 수직 실린더를 설치하고 그 위에 연접봉을 달았던 그때까지의 형식에서 벗어나 처음으로 실린더를 수평식으로 한 기관이 만들어짐으로써 소형 교통기계용으로부터 대형 공장용까지 증기기관의 주류를 이루었다. 고압기관에서 1번 사용한 증기는 아직 대기압 이상의 압력을 가지고 있으므로 이를 와트형 저압기관에서 받아 쓸 수 있게 하는 방법이 고안되었다. 1804년 A.울프는 처음에 고압증기로 하나의 실린더 피스톤을 움직이고, 그 배기를 이용하여 다음 실린더에서는 저압으로 피스톤을 움직이는 복식기관을 만들었다. 그 뒤 복식기관에 가장 적합한 피스톤의 면적비에 대한 지식을 얻게 되어 와트형 빔기관도 복식으로 개량되었다. 머독의 슬라이드밸브도 개량되었는데, 1801년 머레이는 증기의 팽창력을 이용, 피스톤이 실린더 끝에 닿을 때 남아 있는 증기가 완충작용을 할 수 있도록 슬라이드밸브 치수를 정하고, 밸브가 크랭크에 붙어 있는 편심륜에 의해 피스톤보다 90° 이상 빨리 움직이게 하였다. 이와 같은 개량과 고압기관의 발달에 따라 19세기 중엽∼말엽 사이에 400rpm 정도의 고속기관과 피스톤 지름 2m, 길이 2.5m의 대형기관도 만들어졌다. 이 무렵 J.램즈보텀은 피스톤 둘레에 홈을 파고 그 속에 탄력 있는 피스톤링을 끼워 놓아 고압증기에 잘 견디게 하였다. 증기기관의 주류는 슬라이드밸브에서 증기의 흐름을 조절하는 횡형 고압복동복식기관으로, 마지막 팽창은 와트형과 같이 진공까지 이루어졌다. 횡형기관이 대형·고속화됨에 따라 여닫는 데 시간이 걸리는 슬라이드밸브를 대신하여 캠축으로 움직이는 드롭밸브가 41년에 개발되었다. 이 밸브는 여닫이가 빠르고 피스톤이 움직이는 전과정에 걸쳐 증기압력을 유용하게 쓰게 되었다. 또 이제까지의 기관에서는 같은 장소에서 실린더에 증기를 흡·배기 때문에 실린더와 밸브가 가열과 냉각을 되풀이하여 증기의 열에너지가 낭비되었다. 이 손실을 덜기 위해 증기를 실린더 끝에서 넣고 중앙에서 배출하는 유니플로형식의 기관이 85년에 발명되었고 1908년에 흡기밸브에 드롭밸브를 사용해 실용화되었다. 1850년 무렵 초기의 기관과는 달리 피스톤과 실린더가 위에, 크랭크가 아래에 있는 새로운 형식의 종형(縱型) 입형(立型)이 만들어져 펌프장이나 부지가 좁은 발전소 등에서 쓰였다. 트레비식이 처음으로 증기기관차를 만든 뒤 차량용으로도 증기기관이 쓰이기 시작하였다. 쉽게 기관회전수의 출력을 변경하고 역회전도 할 수 있어야 했으므로 1840년에 G.스티븐슨은 크랭크축에 정·역회전용 편심륜 2개를 만들어 기관차가 정지했을 때도 기관을 자유롭게 정·역회전시키는 링크를 만들었다. 1841년에는 방향뿐만 아니라 피스톤에 보내는 증기량까지도 조절할 수 있게 개량되어 증기기관차·공장·발전소·선박 등에 쓰였다. 스티븐슨의 링크는 설치장소가 필요하므로 79년 D.조이는 링크기구만으로 편심륜 기능을 가지는 링크를 고안하였다. 이 링크는 장소가 필요없으므로 실린더가 동륜 사이에 놓여진 증기기관차에 많이 사용되었다. 1844년에는 같은 방법으로 2개의 편심륜을 사용하지 않는 링크기구를 E.월셰르트가 고안하여 로커모션호에 사용하였다. 이 링크는 고압증기의 사용으로 피스톤이 움직이는 도중에 증기 공급을 멈추는 컷오프의 경우에 유효하였다. 또 1925년부터 증기를 물이 끓는 온도보다 훨씬 높은 온도로 가열한 과열증기의 사용도 시작되었으나 가볍고 소형인 증기터빈과 내연기관의 발달로 20세기 중엽에는 거의 쓰이지 않게 되었다. [형식] 증기기관에는 여러 가지 형식이 있다. ① 실린더로 증기를 공급하는 방식에는 ㉠ 피스톤 한쪽에만 증기를 보내는 단동기관 ㉡ 피스톤양쪽에 번갈아 증기를 보내는 복동기관이 있다 ② 기관에서 배출하는 증기의 상태에 따라 ㉠ 증기기관차처럼 증기를 그대로 대기 중에 방출하는 불응기관(不凝機關) ㉡ 배기를 와트형처럼 냉각시켜 물로 만들어 진공에 가까울 정도까지 압력을 내리는 복수기관 ㉢ 증기를 대기압까지 떨어뜨리지 않고 배출하여 공장 등의 가열용 증기로서 사용하는 배압기관으로 나뉜다. ③ 증기를 팽창시키는 방법에 따라 ㉠ 하나의 실린더로 끝까지 팽창시키는 단식기관 ㉡ 여러 실린더를 거쳐 차례로 팽창시키는 복식기관·다단팽창기관이 있다. 단식기관은 실린더가 저온의 배기로 냉각된 뒤에 실린더에 들어간 고온증기를 냉각시켜 일부를 물로 만들므로 열효율이 떨어지기 때문에 유니플로기관을 쓰게 되면 열효율을 높일 수 있다. 복식기관은 흡배기 온도차가 적으므로 이러한 결함은 없다 ④ 회전수에는 ㉠ 200rpm 이상의 고속기관 ㉡ 100∼200rpm의 중속기관 ㉢ 100rpm 이하의 저속기관 등으로 나뉜다 ⑤ 기관의 설치방식에 따라 ㉠ 실린더가 수평인 횡형·수평형기관 ㉡ 수직으로 설치하는 입형기관이 있다. [특징] 증기기관은 다른 열기관에 비하면 구조가 간단하고 취급이 쉬우며 고장이 적고 수명도 길다. 또 보일러 등에서 만든 고압증기를 사용하므로 시동할 때 회전력이 강하며 저속에서도 힘이 세고, 역회전도 쉽지만 열효율이 떨어지며 회전속도가 느린 것이 결점이다. 또한 큰 출력을 낼 수 없으며 보일러·복수기가 항상 필요하며 소형경량화가 어렵다. [구조] 본체는 실린더와 피스톤, 연접봉과 크랭크, 플라이휠 등으로 되어 있다. 피스톤과 연접봉은 직접 연결되어 있지 않고, 피스톤을 평행으로 움직이게 하고 증기와 공기가 새는 것을 방지하기 위해 피스톤에 피스톤로드를 붙여 패킹을 통과하는 실린더 밖의 크로스헤드와 연결하고 크로스헤드는 연접봉으로 연결되어 있다. 증기는 증기량을 조절하는 조리개밸브와 증기의 흐름방향을 결정하는 증기분배밸브를 거쳐 실린더에 들어가 피스톤을 움직인다. 증기분배밸브는 증기의 흐름을 제어하며, 흡·배기공을 여닫는 밸브로 슬라이드밸브·드롭밸브·코리스밸브가 있다. ① 슬라이드밸브 피스톤처럼 실린더에 붙어 있는 밸브실 안에서 수평으로 움직이는 밸브로 밸브평면이 실린더에 있는 흡·배기구를 여닫는다. 평면과 접하고 있는 형은 단면이 D자 모양이므로 D형 밸브라 하고 피스톤모양의 것을 피스톤밸브라 한다. D형 밸브는 공급되는 증기의 압력으로 기밀(氣密)이 유지되므로 고압증기에서는 마찰저항이 커진다. 피스톤밸브에서는 이러한 결점이 없으므로 증기압력이 높은 기관에서 사용된다. D형 밸브는 바깥쪽에서 흡기되고 안쪽으로 배기되는데 피스톤밸브는 그 반대가 된다. 슬라이드밸브는 크랭크축에 붙은 편심륜으로 구동되어 D형 밸브처럼 바깥쪽에서 흡기할 때는 피스톤보다 90°이상 앞서 움직이고, 피스톤밸브처럼 안쪽에서 흡기되는 경우는 90°이하 늦게 움직이게 된다. ② 드릅밸브 슬라이드밸브가 실린더 중앙에 있는 하나의 밸브로 흡·배기공을 다 여닫는 것에 비해 드롭밸브는 각각 전용의 밸브가 실린더 끝에 있다. 실린더와 나란히 설치한 옆축에서 구동되는 캠이 스프링으로 닫혀 있는 밸브를 열기때문에 여닫는 시간이 짧다. ③ 코리스밸브 캠으로 움직이는 축모양의 밸브로 드롭밸브와 똑같이 쓰인다. 일반 공장용이나 발전소용 증기기관은 회전방향이 일정하지만 차랑용이나 소형 공장용 등에서는 역회전도 필요하다. 증기기관의 회전방향은 편심륜과 크랭크축의 관계에 따라 결정되는데 이를 조절하는 역전장치로는 링크장치와 레이디얼장치가 있다. 링크장치는 크랭크축에 2개의 편심륜을 설치한 것으로 스티븐슨식 밸브기구가 대표적이다. 2개의 편심륜과 슬라이드밸브의 연결을 연속적으로 바꾸어 정지상태에서 정·역회전이 가능하며 출력조절도 연속적으로 할 수 있다. 레이디얼장치는 월셰르트밸브기구가 대표적이며 편심륜이 하나이고 크로스헤드의 운동을 이용하고 있다. 이것도 정지상태에서 정·역 양방향으로 회전방향을 바꿀 수 있는 동시에 출력 조절도 할 수 있다. 발전용이나 공장의 주원동력 등에서는 장시간 일정한 회전수의 유지가 필요하므로 조속(調速)장치를 붙인다. 조속에는 흡기조리개밸브를 조절하는 방법과 증기분배밸브의 움직임을 조절하는 방법이 있다. 조리개밸브를 조절하는 방법은 조리개가 저항을 받지 않도록 분배밸브의 움직임을 조절하는 컷오프조속이 많이 쓰이는데 분배밸브를 이중으로 만들거나 가동편심륜이나 월셰르트밸브기구를 사용하면 된다. 조속기는 부하의 변동에 따라 회전수가 달라지면 컷오프 위치를 바꾸어 출력을 조정하고 회전수를 일정하게 유지하는 장치로 슬리브조속기와 축조속기가 있다. 슬리브조속기는 원심추의 변위를 슬리브에 전하여 흡기조리개밸브나 컷오프 위치를 바꾼다. 축조속기는 크랭크축에 붙여 원심추로 편심륜을 움직인다. <홍량> 출전 : [한메디지탈세계대백과 밀레니엄], 한메소프트, 1999 |
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