증기 기관
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증기 엔진은 증기를 작동 유체로 사용하여 기계적인 작업을 수행하는 열 엔진입니다.증기 엔진은 증기 압력에 의해 생성되는 힘을 사용하여 피스톤을 실린더 안쪽으로 앞뒤로 밀어 넣습니다.이 푸시력은 커넥팅 로드와 크랭크를 통해 작업 시 회전력으로 변환될 수 있습니다."증기 엔진"이라는 용어는 일반적으로 증기 터빈이 아닌 방금 설명한 왕복 엔진에만 적용됩니다.증기 엔진은 작동 유체가 연소 생성물로부터 분리되는 외연 [1]기관입니다.이 과정을 분석하는 데 사용되는 이상적인 열역학 주기를 랭킨 주기라고 합니다.일반적으로 증기 엔진이라는 용어는 철도 증기 기관차 및 이동식 엔진과 같은 완전한 증기 플랜트(보일러 등)를 지칭하거나 빔 엔진 및 정지 증기 엔진과 같이 피스톤 또는 터빈 기계만을 지칭할 수 있습니다.
증기 구동 장치는 16세기에 기록된 몇 가지 다른 용도와 함께 서기 1세기에는 에어올리파일로 알려져 있었지만, 1606년 Jeronimo de Ayanz y Beaumont는 광산을 [2]배출하기 위한 최초의 증기 동력 물 펌프의 발명품을 특허 취득했습니다.토마스 세이버리는 물 위에서 직접 작동하는 증기 압력을 이용한 증기 펌프인 상업적으로 사용되는 최초의 증기 동력 장치를 발명한 사람으로 여겨진다.기계에 연속적인 동력을 전달할 수 있는 최초의 상업적으로 성공한 엔진은 1712년 토마스 뉴코멘에 의해 개발되었다.제임스 와트는 1764년에 연료 소비 단위당 얻는 작업의 양을 크게 향상시키면서, 결로를 위해 사용 후 증기를 별도의 용기에 제거함으로써 중요한 개선을 이루었다.19세기까지, 고정된 증기 엔진은 산업 혁명의 공장에 동력을 공급했다.증기 기관차는 패들 기선의 돛을 대체했고 증기 기관차는 철도에서 운행되었다.
왕복 피스톤식 증기 엔진은 20세기 초까지 지배적인 동력원이었으며, 그 때 전기 모터와 내연기관의 설계 발전이 상업적인 용도로 증기 엔진을 점진적으로 대체하게 되었습니다.증기 터빈은 낮은 비용, 높은 작동 속도 및 높은 [3]효율로 인해 발전에서 왕복 엔진을 대체했습니다.
역사
초기 실험
최초의 기록된 기본적인 증기 동력 엔진은 [4]서기 1세기 로마 이집트에서 그리스 수학자이자 기술자인 알렉산드리아의 영웅에 의해 묘사된 에어올리파일이었다.다음 세기 동안 알려진 몇 안 되는 증기 동력 기관들은 에어올리파일과 같이 [5]수증기의 특성을 증명하기 위해 발명가들에 의해 근본적으로 실험적인 장치들이었다.기본적인 증기 터빈 장치는 1551년 오스만 이집트의 Taqi al-Din과[6] 1629년 [8]이탈리아의 Giovanni[7] Branca에 의해 설명되었습니다.스페인의 발명가 Jeronimo de Ayanz y Beaumont는 1606년에 침수된 [9]광산을 배수하는 물 펌프를 포함한 50개의 증기 동력 발명품에 대한 특허를 받았습니다.위그노인 데니스 파핀은 1679년 증기 굴착기에서 유용한 일을 했고, [10]1690년 무게를 올리기 위해 피스톤을 처음 사용했다.
펌프 엔진
최초의 상업용 증기 동력 장치는 토마스 세이버리에 [11]의해 1698년에 개발된 물 펌프였다.그것은 응축 수증기를 사용하여 아래로부터 물을 끌어올린 후 증기 압력을 사용하여 더 높이 올렸습니다.작은 엔진은 효과적이었지만 큰 모델은 문제가 있었다.그들은 승강 높이가 매우 제한적이었고 보일러 폭발을 일으키기 쉬웠다.세이버리의 엔진은 광산과 양수장,[12] 그리고 섬유기계에 동력을 공급하는 물레방아에 물을 공급하는 데 사용되었다.세이버리의 엔진은 저렴한 가격이었다.Bento de Moura Portal은 [13]1751년에 출판된 철학적 거래에서 John Smeaton이 기술한 바와 같이 Savery의 건축을 "그 자체가 작동할 수 있도록 하기 위해" 개선하였다.그것은 18세기 [14]후반까지 계속 제조되었다.1820년에도 [15]적어도 하나의 엔진이 여전히 작동하고 있는 것으로 알려져 있었다.
피스톤 증기 엔진
기계에 지속적인 동력을 전달할 수 있는 최초의 상업적으로 성공한 엔진은 1712년경 토마스 뉴코멘에 의해 발명된 대기 엔진이었다.[b][17]파핀이 제안한 피스톤을 사용하여 세이버리의 증기 펌프를 개선했습니다.뉴코멘의 엔진은 상대적으로 비효율적이었고 주로 물을 퍼내는 데 사용되었다.실린더 내의 피스톤 아래에서 증기를 응축시켜 부분 진공 상태를 만드는 방식으로 작동했다.그것은 원래 전통적인 방법을 사용하여 실용적이지 않은 깊이의 광산 작업을 배수하고 적절한 "헤드"에서 떨어진 공장에서 물레방아를 구동하기 위해 재사용 가능한 물을 공급하는 데 사용되었다.바퀴 위를 지나간 물은 [18][19]바퀴 위의 저장 저장소로 펌프로 보내졌다.1780년 제임스 피카드는 개량된 뉴코멘 [20]엔진에서 회전 운동을 제공하기 위해 플라이휠과 크랭크축을 사용하는 특허를 취득했다.
1720년 제이콥 루폴드는 2기통 고압 증기 엔진을 [21]설명했다.이 발명품은 그의 주요 작품인 "Theatri Machinarum Hydrahylarum"[22]에 발표되었습니다.엔진은 두 개의 무거운 피스톤을 사용하여 워터 펌프에 움직임을 제공했습니다.각 피스톤은 증기 압력에 의해 상승되었다가 중력에 의해 원래 위치로 되돌아갔다.두 피스톤은 증기 보일러에 직접 연결된 공통 4방향 회전 밸브를 공유했습니다.
다음 주요 단계는 제임스 와트가 별도의 콘덴서가 있는 뉴코멘 엔진의 개량 버전을 개발했을 때(1763–1775) 일어났다.불튼과 와트의 초기 엔진은 존 스미튼의 개량형 뉴코멘의 [23]절반의 석탄을 사용했다.뉴코멘과 와트의 초기 엔진은 대기권이었다.그들은 팽창하는 증기의 압력 대신 피스톤을 응축하여 발생하는 부분 진공으로 밀어넣는 기압에 의해 구동되었다.엔진 실린더에 작용하는 유일한 사용 가능한 힘이 [18][24]대기압이었기 때문에 엔진 실린더는 커야 했다.
와트는 엔진을 더욱 발전시켜 기계 구동에 적합한 회전 운동을 제공하도록 개조했습니다.이것은 공장들을 강으로부터 멀리 둘 수 있게 했고, 산업 [24][18][25]혁명의 속도를 가속화시켰다.
고압 엔진
고압의 의미는 주변보다 높은 실제 값과 함께 용어가 사용된 시대에 따라 달라집니다.Van Rimsdik라는[26] 용어는 초기에 증기가 충분히 높은 압력으로 진공에 의존하지 않고 대기 중으로 배출되어 유용한 작업을 수행할 수 있는 것을 의미합니다.Ewing 1894, 페이지 22는 당시 와트의 응축 엔진은 같은 시기의 고압 비응축 엔진에 비해 낮은 압력으로 알려져 있었다고 말합니다.
와트의 특허는 다른 사람들이 고압 복합 엔진을 만드는 것을 막았다.1800년 와트의 특허가 만료된 직후 리처드 트레비틱과 1801년[25][27] 올리버 에반스는 고압 증기를 이용한 엔진을 도입했다.트레비틱은 1802년에 [28]고압 엔진 특허를 획득했고, 에반스는 그 [29]전에 여러 개의 작동 모델을 만들었다.이 엔진은 이전 엔진보다 실린더 크기에 훨씬 강력했으며 운송 용도로도 충분히 작게 만들 수 있었습니다.그 후 기술 개발과 제조 기술의 개선(일부는 증기 엔진을 동력원으로 채택함으로써 초래됨)은 [18]의도한 용도에 따라 더 작고, 더 빠르고, 더 강력할 수 있는 보다 효율적인 엔진을 설계하는 결과를 낳았다.
콘월 엔진은 1810년대에 [30]트레비틱과 다른 사람들에 의해 개발되었다.고압 증기를 넓게 사용한 후 저압 증기를 응축시켜 비교적 효율적인 복합 사이클 엔진이었다.코니쉬 엔진은 사이클 내내 불규칙한 움직임과 토크를 가졌으며 주로 펌핑에만 국한되었다.콘월 엔진은 19세기 [31]후반까지 광산과 급수용으로 사용되었다.
수평 정지 엔진
초기 고정식 증기 엔진 제작자들은 수평 실린더가 과도하게 마모될 수 있다고 생각했습니다.따라서 엔진은 피스톤 축이 수직 위치에 있도록 배치되었습니다.이윽고 수평 배열이 대중화되면서 소형이지만 강력한 엔진을 좁은 공간에 장착할 수 있게 되었습니다.
수평 엔진의 정점은 1849년에 특허를 받은 콜리스 증기 엔진으로, 별도의 증기 흡입 및 배기 밸브와 자동 가변 증기 차단이 있는 4밸브 카운터 플로우 엔진이었다.콜리스가 럼포드 메달을 받았을 때, 위원회는 "와트 시대 이후 증기 엔진의 [32]효율을 그렇게 높인 발명품은 없었다"고 말했다.증기를 30% 적게 사용할 뿐만 아니라 가변 증기 차단으로 인해 보다 균일한 속도를 제공하여 제조, 특히 [18][25]면방적 작업에 매우 적합합니다.
도로 차량
최초의 실험적인 도로 주행 증기 동력 차량은 18세기 말에 만들어졌지만, 리차드 트레비틱이 고압 증기의 사용을 개발한 1800년경에서야 이동식 증기 엔진이 실용적인 제안이 되었다.19세기 전반에는 증기차 디자인이 크게 진보했고, 1850년대에는 상업적으로 생산될 수 있게 되었다.이러한 발전은 증기 동력 차량의 도로 사용을 제한하거나 금지하는 법안으로 인해 좌절되었다.자동차 기술의 발전은 1860년대부터 1920년대까지 계속되었다.증기 도로 차량은 많은 용도로 사용되었다.20세기에는 내연기관 기술의 급속한 발달로 상업적으로 차량의 추진원으로서의 증기기관의 소멸을 가져왔고, 제2차 세계 대전 이후에는 상대적으로 거의 사용되지 않았다.이러한 차량들 중 많은 것들이 보존을 위해 열성적인 사람들에 의해 구입되었고, 수많은 사례들이 여전히 존재한다.1960년대에 캘리포니아의 대기오염 문제는 오염을 줄일 수 있는 가능한 수단으로서 증기 동력 자동차를 개발하고 연구하는 데 잠깐의 관심을 불러일으켰다.스팀 마니아들의 관심, 수시 복제 차량, 실험 기술 외에는 현재 스팀 차량은 생산되지 않고 있다.
선박용 엔진
19세기 말에 복합 엔진이 널리 사용되기 시작했다.복합 엔진은 감소된 압력에서 더 많은 양을 수용하기 위해 증기를 연속적으로 더 큰 실린더로 배출하여 효율성을 향상시켰습니다.이러한 단계를 팽창이라고 불렀는데, 이중 및 삼중 팽창 엔진은 특히 [18]운반되는 석탄의 무게를 줄이기 위해 효율이 중요한 운송에서 흔했습니다.증기 엔진은 증기 터빈, 전기 모터 및 내연기관의 설계의 진보가 점차 왕복(피스톤) 증기 엔진을 대체하게 된 20세기 초까지 지배적인 동력원으로 남아 있었고, 상선은 디젤 엔진에 점점 더 의존하게 되었고, 군함은 증기에 의존하게 되었다.터빈[18][3]
증기 기관차
증기기관의 발달이 18세기를 거치면서 도로와 철도 [33]이용에 적용하기 위한 다양한 시도가 이루어졌다.1784년 스코틀랜드의 발명가인 윌리엄 머독은 증기 도로 기관차 [34]모형을 만들었다.증기 철도 기관차의 초기 작동 모델은 아마도 1780년대나 1790년대에 [35]미국의 증기선의 선구자 존 피치에 의해 설계되고 만들어졌다.그의 증기 기관차는 레일이나 선로로 유도되는 날개 달린[clarification needed] 내부 바퀴를 사용했다.
최초의 본격적인 철도 증기 기관차는 영국의 리처드 트레비틱에 의해 만들어졌으며, 1804년 2월 21일 트레비틱의 이름을 밝히지 않은 증기 기관차가 [33][36][37]머티어 타이드필 인근의 펜-다렌 철공소에서 웨일즈 남부 애버너노로 열차를 끌고 가면서 세계 최초의 철도 여행이 이루어졌다.이 설계에는 엔진의 무게를 줄이고 효율성을 높이는 고압 증기를 사용하는 등 여러 가지 중요한 혁신이 적용되었습니다.트레비틱은 이후 1804년에 뉴캐슬 지역을 방문했고 영국 북동부의 탄광 철도는 증기 기관차의 [38]실험과 개발의 중심지가 되었다.
Trevithick은 1808년 Catch Me Who Can으로 결론을 내리면서 3대의 기관차를 사용하여 자신의 실험을 계속했다.불과 4년 후, 매튜 머레이의 성공적인 2기통 기관차 살라망카는 가장자리 난간 선반과 피니언 미들턴 [39]철도에 의해 사용되었다.1825년에 조지 스티븐슨은 스톡톤과 달링턴 철도를 위한 로코모션을 건설했다.이것은 세계 최초의 공공 증기 철도였고 1829년에 그는 로켓을 건설하여 레인힐 트라이얼에서 [40]우승했습니다.리버풀과 맨체스터 철도는 1830년에 여객 열차와 화물 열차 모두를 위한 증기 동력을 독점적으로 사용하여 개통되었다.
증기 기관차는 20세기 후반까지 중국과 옛 동독(DR Class 52.80이 [41]생산된 곳)에서 계속 제조되었다.
증기 터빈
증기 엔진 설계의 최종적인 주요 진화는 19세기 후반에 시작된 증기 터빈의 사용이었다.증기 터빈은 일반적으로 왕복 피스톤형 증기 엔진보다 효율적이며(수백 마력 이상의 출력의 경우), 움직이는 부분이 적으며, 커넥팅 로드 시스템이나 유사한 [42]수단을 사용하는 대신 회전 동력을 직접 제공합니다.증기 터빈은 효율, 발전기 서비스에 적합한 빠른 속도, 부드러운 회전이 장점이었던 20세기 초에 발전소에서 왕복 엔진을 사실상 대체했다.오늘날 대부분의 전력은 증기 터빈에 의해 공급된다.미국에서는 전력의 90%가 다양한 [3]열원을 사용하여 이러한 방식으로 생산됩니다.증기 터빈은 20세기 내내 대형 선박의 추진에 광범위하게 적용되었다.
현재의 개발
왕복 증기 엔진은 더 이상 상업적으로 널리 사용되지 않지만, 다양한 회사들이 내연기관의 대안으로 엔진의 잠재력을 탐구하거나 활용하고 있습니다.스웨덴의 Energiprojekt AB사는 증기의 힘을 이용하기 위해 현대적인 재료를 사용하는 데 있어 진전을 이뤘다.Energiprojekt의 증기 엔진의 효율은 고압 엔진에서 약 27~30%에 달합니다.과열 증기가 있는 1단계 5기통 엔진(화합물 없음)이며 [43][failed verification]kWh당 약 4kg(8.8lb)의 증기를 소비합니다.
증기기관 구성품 및 부속품
증기 플랜트에는 보일러 또는 증기 발생기와 "증기 엔진"이라고 하는 "모터 유닛"이라는 두 가지 기본 구성 요소가 있습니다.고정된 건물에 있는 정지식 증기 엔진은 보일러와 엔진을 어느 정도 떨어진 별도의 건물에 둘 수 있습니다.증기 기관차와 같은 휴대용 또는 이동식 사용을 위해 두 개가 [44][45]함께 장착됩니다.
일반적으로 널리 사용되는 왕복 엔진은 주철 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드와 빔 또는 크랭크와 플라이휠 및 기타 링크로 구성됩니다.증기는 하나 이상의 밸브에 의해 교대로 공급 및 배출되었다.스피드 컨트롤은 가바나 또는 수동 밸브를 사용하여 자동 제어되었습니다.실린더 주조에는 증기 공급 및 배기 포트가 포함되어 있습니다.
콘덴서가 장착된 엔진은 대기로 배출되는 엔진과는 별개의 유형입니다.
작동 중에 보일러에 물을 공급하는 펌프(인젝터 등), 물을 재순환하고 기화 잠열을 회수하는 응축기, 포화 증기점 이상으로 증기의 온도를 상승시키는 슈퍼히터, 그리고 화기의 통풍량을 증가시키는 다양한 메커니즘 등이 종종 존재합니다.석탄을 사용할 때, 연료를 공급통(벙커)에서 [46]소방함으로 이동시키기 위해 체인 또는 스크류 스토킹 메커니즘과 구동 엔진 또는 모터를 포함할 수 있다.
열원
물을 끓이고 증기의 온도를 올리는 데 필요한 열은 다양한 소스에서 얻을 수 있으며, 가장 일반적으로 밀폐된 공간(예: 연소실, 화기함, 용해로)에서 적절한 공기 공급으로 가연성 물질을 태우는 것으로부터 얻을 수 있습니다.모델 또는 완구 증기 엔진 및 일부 풀 스케일 케이스의 경우 열원은 전기 발열체일 수 있습니다.
보일러
보일러는 끓일 물을 담는 압력용기로 최대한 효과적으로 물에 열을 전달하는 것이 특징이다.
가장 일반적인 두 가지 유형은 다음과 같습니다.
- 수관 보일러
- 물은 뜨거운 가스로 둘러싸인 튜브를 통과한다.
- 방화관 보일러
- 뜨거운 가스는 물에 담근 튜브를 통과하며, 동일한 물은 소방함을 둘러싼 워터 재킷을 순환하며, 고출력 기관차 보일러에서는 소방함 자체의 튜브(온열 사이폰 및 보안 순환기)를 통과합니다.
소방관 보일러는 초기 고압 증기(일반 증기 기관차 관행)에 사용된 주요 유형이었지만, 19세기 후반에는 해양 추진 및 대규모 고정 용도로 보다 경제적인 수관 보일러로 대체되었다.
많은 보일러는 증기가 물과 접촉하는 부분을 떠난 후 증기의 온도를 높입니다.과열로 알려진 이 시스템은 '습한 증기'를 '과열 증기'로 바꿉니다.엔진 실린더의 증기 응결을 방지하고 훨씬 높은 [47][48]효율성을 제공합니다.
모터 유닛
증기기관에서 피스톤, 증기터빈 또는 기타 기계적 작업을 하기 위한 유사한 장치는 고압 및 온도에서 증기를 공급하고 낮은 압력 및 온도에서 증기를 공급하여 가능한 한 많은 증기 에너지의 차이를 사용하여 기계적 작업을 한다.
이러한 "모터 유닛"은 그 자체로 종종 '증기 엔진'이라고 불립니다.압축 공기 또는 기타 가스를 사용하는 엔진은 증기 엔진과 세부 사항만 다를 뿐이며,[48] 증기 엔진에는 변경 없이 압축 공기가 사용됩니다.
콜드 싱크
모든 열 엔진과 마찬가지로, 1차 에너지의 대부분은 비교적 [49]낮은 온도에서 폐열로 방출되어야 합니다.
가장 간단한 냉수원은 증기를 환경으로 배출하는 것이다.이것은 응축기의 무게와 부피를 피하기 위해 증기 기관차에 자주 사용됩니다.방출된 증기 중 일부는 굴뚝 위로 배출되어 화재 시 흡입력이 증가하므로 엔진 출력은 크게 증가하지만 효율은 떨어집니다.
엔진에서 나오는 폐열 자체가 유용한 경우도 있으며, 이 경우 전체 효율이 매우 높습니다.
정지 발전소의 증기 엔진은 표면 응축기를 냉간 싱크대로 사용한다.응축기는 바다, 강, 호수, 그리고 종종 냉각 에너지를 제거하기 위해 물을 증발시키는 냉각탑에 의해 냉각됩니다.결과적으로 응축된 온수(응축수)는 다시 압력으로 펌핑되어 보일러로 보내집니다.건식 냉각탑은 자동차 라디에이터와 비슷하며 물이 많이 드는 곳에 사용된다.또한 폐열은 증발(습식) 냉각 타워를 통해 배출될 수 있으며, 냉각 타워는 공기 흐름의 일부를 증발시키는 보조 외부 물 회로를 사용합니다.
리버 보트는 처음에는 제트 콘덴서를 사용했는데, 이 콘덴서는 강의 차가운 물을 엔진의 배기 증기로 주입합니다.냉각수 및 응축수 혼합.이는 해상 선박에도 적용되었지만, 일반적으로 며칠만 운항하면 보일러가 침전염으로 코팅되어 성능이 저하되고 보일러 폭발 위험이 높아집니다.약 1834년부터 선박에 표면 응축기를 사용함으로써 보일러 오염이 제거되고 엔진 [50]효율이 향상되었습니다.
증발수는 이후 목적(어디선가 비 이외)에 사용할 수 없는 반면, 하천수는 재사용할 수 있습니다.모든 경우, 증기 플랜트 보일러 급수는 반드시 순수해야 하며, 냉각수 또는 공기와는 별도로 유지되어야 한다.
양수기
대부분의 증기 보일러는 압력 상태에서 물을 공급하여 연속적으로 작동할 수 있도록 합니다.유틸리티 및 산업용 보일러는 일반적으로 다단 원심 펌프를 사용합니다. 그러나 다른 유형이 사용됩니다.저압 보일러 급수를 공급하는 또 다른 방법은 인젝터로, 보통 보일러에서 공급되는 증기 제트를 사용합니다.인젝터는 1850년대에 대중화되었지만 증기 기관차와 [51]같은 응용 분야를 제외하고는 더 이상 널리 사용되지 않습니다.증기 보일러를 순환하는 물의 가압은 물을 한 기압에서 물의 끓는 점인 100°C(212°F) 이상으로 끌어올릴 수 있게 하고, 이를 통해 증기 사이클의 효율성을 증가시킵니다.
감시 및 제어
안전상의 이유로, 거의 모든 증기 엔진은 수위를 감시하기 위한 압력계 및 뷰 글라스와 같은 보일러를 감시하는 메커니즘을 갖추고 있습니다.
또한 정지 및 이동식 엔진에는 가바나(Governer)가 장착되어 있어 사람의 간섭 없이 엔진 속도를 조절할 수 있습니다.
증기 엔진의 성능을 분석하는데 가장 유용한 도구는 증기 엔진 표시기입니다.초기 버전은 [52]1851년에 사용되었지만, 가장 성공적인 지표는 찰스 리차드에 의해 고속 엔진 발명가이자 제조사인 찰스 포터를 위해 개발되어 [25]1862년에 런던 전시회에 전시되었습니다.증기 엔진 인디케이터는 종이 위에 사이클 전체에 걸쳐 실린더의 압력을 추적하여 다양한 문제를 발견하고 발전된 [53]마력을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.엔지니어, 정비사 및 보험 검사원이 일상적으로 사용했습니다.엔진 표시등은 내연 엔진에서도 사용할 수 있습니다.아래의 표시기 그림을 참조하십시오(모터 유닛 유형 섹션).
지사
원심 조속기는 와트의 파트너인 불튼이 제분소 Boulton & Watt의 [54]설비에 있는 증기 엔진에 사용되는 것을 본 후 1788년 제임스 와트에 의해 채택되었습니다.가바나에서는 부하 변화에 대응하여 새로운 정속도를 가정하기 때문에 설정속도를 유지할 수 없었습니다.가바나(Governor)는 보일러에 가해지는 열 부하 변동으로 인해 발생하는 작은 변화를 처리할 수 있었습니다.또한, 속도 변화가 있을 때마다 진동이 일어나는 경향이 있었습니다.따라서 이 가바나만 장착된 엔진은 [55]면방적과 같이 일정한 속도를 필요로 하는 작업에 적합하지 않았습니다.거버너는 시간이 지남에 따라 개선되었고 가변 증기 차단과 결합되어 부하 변화에 대한 적절한 속도 제어가 19세기 말경에 달성되었습니다.
엔진 구성
심플 엔진
단순 엔진 또는 "단일 팽창 엔진"에서는 증기의 장입이 개별 실린더의 전체 팽창 과정을 통과하지만, 단순 엔진은 하나 이상의 개별 [56]실린더를 가질 수 있습니다.그런 다음 대기 중으로 직접 배출되거나 응축기로 배출됩니다.고압 엔진을 통과할 때 증기가 팽창하면 시스템에 열이 가해지지 않기 때문에 온도가 떨어집니다. 이를 단열 팽창이라고 하며 증기가 고온에서 실린더로 유입되어 낮은 온도로 남습니다.이로 인해 스트로크마다 실린더의 가열 및 냉각 사이클이 발생하며,[57] 이는 비효율의 원인이 됩니다.
왕복 증기 엔진의 주요 효율 손실은 실린더 응축 및 재증발입니다.증기 실린더 및 인접한 금속 부품/포트는 증기 유입 포화 온도와 배기 압력에 대응하는 포화 온도 사이의 약 중간 온도에서 작동합니다.고압 증기가 작동 실린더에 유입되면 고온 증기의 대부분이 금속 표면에 물방울로 응축되어 확장 작업에 사용할 수 있는 증기가 크게 감소합니다.팽창하는 증기가 저압에 도달하면(특히 배기 스트로크 중), 실린더/포트 내에 방금 형성된 물방울이 끓어 없어지고(재증발), [citation needed]이 증기는 실린더 내에서 더 이상 작동하지 않습니다.
실린더 표면적이 증가하면 실린더 응축 및 재증발 문제가 악화되는 경향이 있기 때문에 증기 엔진 실린더의 팽창률에는 실질적인 한계가 있습니다.이는 개별 [58]실린더의 높은 팽창 비율과 관련된 이론적 이점을 부정합니다.
복합 엔진
매우 긴 실린더에 대한 에너지 손실의 크기를 줄이는 방법은 1804년 영국의 엔지니어 Arthur Woolf에 의해 발명되었는데, 그는 1805년 그의 Woolf 고압 복합 엔진에 특허를 냈다.복합엔진은 보일러로부터의 고압증기가 고압(HP) 실린더 내에서 팽창한 후 하나 이상의 후속 저압(LP) 실린더로 들어간다.증기의 완전한 팽창은 이제 여러 실린더에 걸쳐 발생하며, 각 실린더 내의 전반적인 온도 하락이 상당히 감소합니다.온도 범위가 작은 단계(기통 내)로 증기를 확장함으로써 응축 및 재증발 효율 문제(상기 설명)를 줄일 수 있습니다.그러면 실린더 난방 및 냉방의 크기가 줄어들어 엔진의 효율이 높아집니다.이 팽창을 복수의 실린더에 스테이징함으로써 토크 변동을 [18]저감할 수 있다.저압 실린더에서 동일한 작업을 유도하려면 이 증기가 더 많은 부피를 차지하기 때문에 더 큰 실린더 부피가 필요합니다.따라서 보어와 드문 경우 스트로크가 저압 실린더에서 증가하여 실린더가 [18]커집니다.
이중 팽창 엔진(일반적으로 화합물이라고 함)은 증기를 두 단계로 팽창시켰습니다.한 쌍의 고압 실린더가 배기된 상태에서 대형 저압 실린더의 작업을 다른 실린더로 분할하여 실린더와 피스톤 직경이 거의 동일한 3기통 레이아웃을 제공하여 왕복 [18]질량의 균형을 더 쉽게 잡을 수 있습니다.
2기통 화합물은 다음과 같이 배열할 수 있다.
- 교차 화합물:실린더가 나란히 있다.
- 탠덤 화합물:실린더는 엔드 투 엔드로 공통 커넥팅 로드를 구동합니다.
- 각도 화합물:실린더는 V(일반적으로 90° 각도로)로 배열되어 공통 크랭크를 구동합니다.
철도 작업에 사용되는 2기통 컴파운드를 사용하면 피스톤은 2기통처럼 서로 90°의 위상이 어긋나도록 크랭크에 연결됩니다(사분면).이중 팽창 그룹이 중복되어 4기통 화합물이 생성되면 그룹 내의 개별 피스톤은 일반적으로 180°에서 균형을 이루며, 그룹은 서로 90°로 설정됩니다.한 가지 경우(보클레인 화합물의 첫 번째 유형)에서는 피스톤이 공통 크로스헤드 및 크랭크를 구동하는 동일한 상으로 작동했으며, 2기통 엔진의 경우 다시 90°로 설정되었습니다.3기통 컴파운드 배열의 경우 LP 크랭크는 90°로, HP 크랭크는 135°로 다른 2개 크랭크는 120°[citation needed]로 설정되었습니다.
복합물의 채택은 1880년 이후 산업 단위, 도로 엔진, 그리고 선박 엔진에서 거의 보편적으로 이루어졌습니다. 복잡한 것으로 인식되는 철도 기관차에서는 보편적으로 보편화되지 않았습니다.이는 부분적으로 가혹한 철도 운영 환경과 적재 게이지에 의해 제공되는 제한된 공간 때문입니다 (특히 1930년 이후 복합화가 일반적이지 않았고 채택되지 않은 영국에서).하지만, 비록 절대 다수를 차지하지는 않았지만, 그것은 많은 다른 [59]나라들에서 인기가 있었다.
다중 확장 엔진
효율을 높이기 위해 확장을 더 많은 단계로 분할하는 것은 복합 엔진(위에서 설명한)의 논리적 확장입니다.그 결과 다중 확장 엔진이 생성됩니다.이러한 엔진은 3단계 또는 4단계 확장 엔진을 사용하며 각각 트리플 확장 엔진과 쿼드러플 확장 엔진으로 알려져 있습니다.이러한 엔진은 직경이 점차 증가하는 일련의 실린더를 사용합니다.이러한 실린더는 각 팽창 단계에 대해 동일한 분담을 하도록 설계되어 있습니다.이중 팽창 엔진과 마찬가지로 공간이 부족할 경우 저압 단계를 위해 두 개의 작은 실린더를 사용할 수 있습니다.다중 확장 엔진에서는 일반적으로 실린더가 인라인 방식으로 배열되어 있었지만, 다른 다양한 형식이 사용되었습니다.19세기 후반, 야로-슐릭-트위디 균형 "시스템"은 일부 선박용 3중 팽창 엔진에 사용되었다.Y-S-T 엔진은 저압 팽창 단계를 엔진의 양 끝에 하나씩 있는 두 개의 실린더로 나눕니다.이를 통해 크랭크축의 밸런스가 개선되어 보다 부드럽고 빠르게 반응하는 엔진이 생성되어 진동이 적었습니다.이 때문에 4기통 3연장 엔진은 대형 여객선(올림픽 클래스 등)에서 인기를 끌었지만, 결국 사실상 진동이 없는 터빈 [citation needed]엔진으로 대체되었다.그러나 3중 팽창식 왕복 증기 엔진은 제2차 세계 대전 리버티호를 운전하기 위해 사용되었으며, 이는 지금까지 건조된 동일한 선박 중 가장 많은 숫자이다.2700척이 넘는 선박이 영국 오리지널 [citation needed]디자인으로 미국에서 건조되었다.
이 섹션의 이미지는 트리플 익스팬션 엔진의 애니메이션을 보여줍니다.증기는 엔진을 왼쪽에서 오른쪽으로 이동합니다.각 실린더의 밸브실은 해당 [citation needed]실린더의 왼쪽에 있습니다.
육상 증기 엔진은 보통 급수를 쉽게 구할 수 있기 때문에 증기를 대기 중으로 배출할 수 있다.제1차 세계대전 이전과 그 기간 동안 확장 엔진은 선박의 빠른 속도가 필수적이지 않은 해상 응용 분야를 지배했습니다.그러나, 그것은 속도가 요구되는 영국의 발명 증기 터빈으로 대체되었다. 예를 들어 드레드노트 전투함이나 원양 여객선과 같은 군함에서 그러하다.1905년의 HMS 드레드노트는 왕복 엔진의 검증된 기술을 당시 신관 증기 [60]터빈으로 대체한 최초의 주요 군함이었다.
모터 유닛의 종류
왕복 피스톤
대부분의 왕복 피스톤 엔진에서 증기는 각 스트로크(대향 흐름)에서 흐름 방향을 반대로 하여 실린더의 동일한 끝에서 들어오고 배출됩니다.전체 엔진 사이클은 크랭크 1회전 및 피스톤 스트로크 2회를 차지하며, 사이클은 입구, 팽창, 배기, 압축 등 4가지 이벤트로 구성됩니다.이러한 이벤트는 종종 실린더와 인접한 증기실 내부에서 작동하는 밸브에 의해 제어됩니다. 밸브는 실린더 단부와 통신하는 증기 포트를 개폐하여 증기를 분배하고 다양한 유형의 [citation needed]밸브 기어로 구동됩니다.
가장 단순한 밸브 기어는 엔진 사이클 중에 고정된 길이의 이벤트를 제공하며, 종종 엔진이 한 방향으로만 회전합니다.그러나 많은 경우 속도 및 운동량이 점진적으로 "컷오프 단축"되거나 오히려 진입 이벤트를 단축함으로써 얻어질 때 증기를 절약하기 위한 수단을 추가로 제공할 수 있는 후진 메커니즘이 있으며, 이는 비례적으로 팽창 기간을 연장시킨다.그러나 일반적으로 하나의 동일한 밸브가 증기 흐름을 모두 제어하기 때문에 입구 시 짧은 차단은 배기 및 압축 기간에 악영향을 미칩니다. 이상적으로는 항상 상당히 일정하게 유지되어야 합니다. 배기 이벤트가 너무 짧을 경우 배기 증기의 전체는 실린더에서 배출되지 못하고 실린더가 질식되고 과도한 압축이 발생합니다("킥백").[61]
1840년대와 1850년대에는 메인 슬라이드 밸브의 뒷면에 별도의 가변 차단 팽창 밸브가 장착된 다양한 특허 밸브 기어를 사용하여 이 문제를 해결하려는 시도가 있었습니다. 보통 밸브 기어는 고정 또는 제한적인 차단이었습니다.조합된 설정은 마찰과 마모를 증가시키면서 이상적인 사건에 대한 근사치를 제공했고 메커니즘은 복잡한 경향이 있었다.통상적인 타협적 해결책은 밸브의 마찰면을 연장하여 흡기 측 포트와 겹치도록 함으로써 흡기 측 컷오프가 발생한 후 배기 측을 더 오랫동안 개방 상태로 유지하는 것이었습니다.이 편법은 그 이후 대부분의 목적에 대해 만족스러운 것으로 간주되어 왔으며, 보다 단순한 Stephenson, Joy 및 Walschaerts 동작을 사용할 수 있게 되었다.콜리스, 그리고 나중에 포핏 밸브 기어에는 이상적인 이벤트를 제공하기 위해 트립 메커니즘이나 캠에 의해 구동되는 별도의 흡기 밸브와 배기 밸브가 있었습니다. 이러한 기어의 대부분은 누출 및 더 섬세한 메커니즘 [59][62]등 다양한 다른 문제로 인해 정지된 시장 밖에서 성공한 적이 없습니다.
압축
배기 단계가 완전히 완료되기 전에 밸브의 배기 측이 닫혀 실린더 내부의 배기 증기의 일부가 차단됩니다.이는 피스톤의 속도가 급격히 감소하는 동안 피스톤이 작용하는 증기 쿠션이 형성되는 압축 단계를 결정합니다. 또한 압력 및 온도 충격을 방지합니다. 그렇지 않으면 다음 사이클 [citation needed]시작 시 고압 증기가 갑자기 유입되어 발생할 수 있습니다.
이끌다
위의 효과는 납을 제공함으로써 더욱 강화됩니다. 나중에 내연기관에서 발견된 바와 같이 1830년대 후반부터 밸브 리드가 흡기 단계를 진행하는 데 유리하다는 것이 밝혀졌으며, 밸브 리드는 배기 스트로크가 끝나기 조금 전에 흡기되어 p로 구성된 틈새를 채웁니다.오트 및 실린더는 증기가 피스톤에 [63]힘을 가하기 전에 끝납니다(피스톤-피스톤 부피의 일부가 아님).