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| − | '''증기기관'''(Steam Engine)이란 영국의 발명가 [[토머스 뉴커먼]]이 발명했고, [[제임스 와트]]가 개량하여 만들어진 장치이다. | + | '''증기기관'''(Steam Engine)이란 [[수증기]]의 [[열에너지]]를 [[운동에너지]]로 바꾸는 [[열기관]]이다. 영국의 발명가 [[토머스 뉴커먼]](Thomas Newcomen)이 발명했고, [[제임스 와트]](James Watt)가 개량하여 만들어진 장치이다. 기계 동력의 주요한 근원이 되었다. |
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| − | + | 증기기관은 [[증기]]의 [[열에너지]]를 동력원으로 이용하여 기계적인 일을 하는 기관이다. 기관에 사용되는 열에너지는 [[석유]]나 [[석탄]]을 [[연소]]시키거나 [[원자력]]을 이용해 얻는다. 이렇게 얻어진 열로 고온 고압의 [[수증기]]를 만들어 수증기의 압력으로 그 안의 [[피스톤]]을 움직이게 하고 그 [[왕복운동]]으로 [[동력]]을 얻는다. 한 번 사용되고 난 증기는 많은 에너지를 역학적 에너지로 빼앗겼으므로 저온 저압의 수증기로 바뀌어 다시 돌아간다. 1699년에 영국의 [[토마스 세이버리]](Thomas Savery)가 증기 펌프 기관을 실용화한 이래로 [[토머스 뉴커먼]](Thomas Newcomen), [[제임스 와트]](James Watt) 등이 효율이 높은 증기기관을 계속 발명하였다. [[증기기관차]], [[증기선]] 등에 사용되며 유명해졌으며, 이는 [[산업혁명]]의 원동력이 되었다. 증기기관의 장점은 다른 [[열기관]]에 비해 구조가 간단하고 취급이 쉬우며, 고장이 적어 수명도 길다. 또 고압 증기의 사용으로 인해 회전력이 강하며, [[저속]]에서도 힘이 세다. 반면 역회전하면 열효율이 떨어지고, 회전 속도가 느려지며, 출력이 작고, [[보일러]] 또는 복수기 등이 필요하여 소형 경량화에는 다소 무리가 있다는 한계가 있다. 한편 증기기관은 산업혁명의 주된 원인으로, 공장과 기계가 들어서게 되어 기계들이 사람이 할 일을 하게 되었고 많은 사람들이 직장을 잃게 되었다. 간접적으로는 부익부 빈익빈을 가속화 시켜 [[공산주의]]가 발생하는 원인이 되었다.<ref>〈[https://namu.wiki/w/%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80 증기기관]〉, 《나무위키》</ref> | |
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*1615년: 살로몽 드 코는 포르타가 고안한 장치와 비슷한 장치가 기술된 책을 출간 | *1615년: 살로몽 드 코는 포르타가 고안한 장치와 비슷한 장치가 기술된 책을 출간 | ||
*1629년: 지오반니 브란카는 타키 알딘이 고안한 유사 증기 터빈 장치를 사용해 방아장치를 개발 | *1629년: 지오반니 브란카는 타키 알딘이 고안한 유사 증기 터빈 장치를 사용해 방아장치를 개발 | ||
| − | *1630년: 데이비드 렘시는 | + | *1630년: 데이비드 렘시는 증기기관을 ‘불 기관’이라 칭했으며, 증기 관련 특허를 취득함 |
*1663년: 에드워드 서머셋 우스터 후작은 기관에 냉각 장치를 단 최초의 공업용 크기 증기기관을 개발 | *1663년: 에드워드 서머셋 우스터 후작은 기관에 냉각 장치를 단 최초의 공업용 크기 증기기관을 개발 | ||
*1698년: 토마스 세이버리는 우스터 후작의 증기기관을 개량해 광산채굴용 증기기관을 개발 | *1698년: 토마스 세이버리는 우스터 후작의 증기기관을 개량해 광산채굴용 증기기관을 개발 | ||
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*1769년: 프랑스의 니콜라 퀴뇨가 시험용 증기기관 자동차를 제작 | *1769년: 프랑스의 니콜라 퀴뇨가 시험용 증기기관 자동차를 제작 | ||
*1776년: 첫 상업용 볼턴과 와트 증기기관이 만들어 짐 | *1776년: 첫 상업용 볼턴과 와트 증기기관이 만들어 짐 | ||
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| − | + | [[파일:트레비식의 제작한 페니다랜 호(1804년).jpg|썸네일|250픽셀|'''트레비식이 제작한 페니다랜 호'''(1804년)]] | |
| − | + | ===트레비식의 증기기관=== | |
| − | + | 영국인 [[리처드 트레비식]](Richard Trevithick)은 트레비식 고압 증기기관을 활용해 [[증기기관차]]를 시험 운전하는 데 성공했다. 트레비식 고압 증기기관은 와트의 증기기관에 있던 응축기를 없앤 대신 [[보일러]]에서 발생하는 [[증기]]로 움직이는 [[피스톤]]이 장착된 [[실린더]]를 장착했다. 트레비식 증기기관은 실린더 모양의 보일러에 수평으로 장착된 한 개의 실린더, 보일러 연소에 쓰이는 [[석탄가스]]가 배출되는 연통, 실린더 피스톤 봉에 연결된 [[바퀴]]로 구성됐다. 트레비식은 자신의 증기기관을 이용해 최초의 기관차를 만드는 데 성공했다. 1804년 영국에서 첫 선을 보인 이 기관차는 무게가 5톤이나 나갔지만 70명의 사람과 석탄차를 포함해 모두 25톤이 나가는 차량을 시속 8km로 이동시켰다. 말이 아닌 기계가 사람을 나르는 첫 시도였다.<ref name='박진희'>동국대학교 교양교육원 박진희 교수, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3572470&cid=58941&categoryId=58960 물리산책 - 증기기관차의 발명 ('철도의 시대'를 열다)]〉, 《과학창의재단》, 2011-08-17</ref> | |
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| − | + | ===스티븐슨의 증기기관차=== | |
| − | + | 트레비식의 기관차를 발전시켜 본격적인 철도의 시대를 연 사람은 [[조지 스티븐슨]](George Stephenson)이었다. 스티븐슨은 트레비식과 달리 실린더를 수직으로 장착하고 보일러 등을 개량했다. 이를 통해 시속 39km를 낼 수 있는 증기기관차인 로코모션(Locomotion)을 개발해 최초의 석탄 수송 철도 노선에 투입했다. 스티븐슨은 당시 발달했던 제철 공법을 활용해 기차가 다니는 선로도 개량했다. 무거운 기관차가 제대로 이동하기 위해서는 튼튼한 선로가 필요했기 때문이다. 1829년에는 훗날 증기기관차의 표준 모델이 된 로켓호를 개발됐다. 로켓호는 당시 기관차 경진대회에서 시속 48km의 속도로 우승을 했다. 로켓호가 최고 속도를 낼 수 있었던 이유는 여러 개의 관이 들어있는 보일러를 이용해 연소 가스의 열이 증기를 효율적으로 생산할 수 있게 했기 때문이다. 이전 기관차 보일러에는 한 개의 파이프만 있었으나, 로켓호 보일러에는 25개의 구리 튜브가 들어 있었다. 로켓호에는 두 개의 실린더가 장착됐으며 연소실이 보일러와 분리됐고 연소실 두께도 배로 늘어났다. 이전 증기기관차보다 훨씬 효율이 높아진 로켓호는 최초의 여객용 정기 노선에 활용됐다.<ref name='박진희'/> | |
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| − | + | ===증기기차의 발달=== | |
| − | + | 증기기관차의 발전은 여러 변화를 가져왔다. 사람과 물자의 이동 시간은 매우 빨라졌고 이전보다 훨씬 편하게 여행할 수 있었다. 로켓호가 장착된 기차는 마차보다 두 배나 빨랐고, 요금도 마차의 3분의 2밖에 되지 않았다. 가장 빠른 말로도 시속 18km 밖에 낼 수 없었지만 기차는 시속 50km까지 속도를 낼 수 있었다. 말에게 먹이를 주거나 지친 말을 교체하기 위해 1시간 마다 여행을 멈출 이유도 없었다. 이에 여행객은 점차 증가했다. [[맨체스터]]와 [[리버풀]] 노선은 증기기차 개통 후 1년도 채 안 돼 50만 명이 이용했다. 기차의 빠른 속도는 국가 경제에도 영향을 미쳤다. 공장에서 생산된 물건들이 인근 지역을 벗어나 멀리까지 팔려나가게 됐기 때문이다. 이렇게 되자 점점 더 많은 공장에서 기계를 이용해 더 많은 양의 상품을 생산했다. [[유럽]] 대륙에서는 철도가 발달하면서 이웃 지역으로 수출하는 상품이 늘어났다. 그러면서 경제의 규모가 전체적으로 커졌다. 또한 증기기차의 발달은 사람들이 시간을 엄격하게 지키는 태도를 갖게 했다. 마차가 다니던 시대에도 마차의 도착 예정 시간이 있었으나 제 시간에 도착하는 경우보다 늦는 경우가 더 많았다. 반면 기차는 거의 정해진 시각에 도착하기 때문에 옛날 마차를 대하던 것처럼 느긋하게 기차역에 도착하면 기차는 이미 떠나고 없었다. 따라서 사람들은 기차 시간을 정확히 지켜야 했고 이것이 습관이 되면서 많은 사람들이 시계를 보기 시작하며 약속 시간도 구체적인 시간으로 구체화됐다.<ref name='박진희'/> | |
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===증기기관의 쇠퇴=== | ===증기기관의 쇠퇴=== | ||
| − | + | [[증기기관차]]는 19세기 말부터 새로운 기술에 밀리기 시작했다. 디젤기관차 등 증기기관차보다 편리한 기술이 나타나며 증기기관차의 입지는 점점 약해졌다. 각종 기계 기술의 발달로 초기의 트레비식 증기기관차에 비해서 비약적인 발전을 했지만, 기관차 가동 전에 충분한 예열 시간이 필요하며 증기 발생을 위해 충분한 물을 필요로 하는 점 등이 불편했다.<ref>누리, 〈[https://blog.naver.com/nuri2037/135416268 증기기관차의 발명 - 네이버캐스트]〉, 《네이버 블로그》, 2011-08-17</ref> 이런 단점을 보완하며 등장한 것이 [[디젤기관]]이다. 증기기관을 작동하는 데는 여러 사람이 필요했지만 디젤기관은 한 사람만으로 작동이 가능했다. 또한 증기기관에 비해 훨씬 조용하고 날씨 변화에 의한 지장도 거의 없었으며 [[시동]]과 중지도 훨씬 쉬웠다. 증기기관처럼 늘 정비와 청소가 필요하지도 않았다. 이런 장점들로 인해 디젤기관차는 증기기관차를 밀어내고 그 자리를 차지하게 됐다.<ref name='박진희'>동국대학교 교양교육원 박진희 교수, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3572470&cid=58941&categoryId=58960 물리산책 - 증기기관차의 발명 ('철도의 시대'를 열다)]〉, 《과학창의재단》, 2011-08-17</ref> | |
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| + | ==종류== | ||
| + | ===왕복기관=== | ||
| + | [[왕복기관]]이란 연료의 폭발로 발생한 압력으로 [[실린더]] 안의 [[피스톤]]을 [[왕복운동]]시켜 동력을 얻는 기관을 뜻한다. 이때 피스톤의 왕복운동을 그대로 이용하는 경우도 있으나 일반적으로 피스톤, 피스톤핀, 연결봉, 크랭크핀을 통해서 크랭크축의 회전운동으로 전환시켜 이용한다. 왕복기관의 종류는 연료의 연소가 일어나는 장소에 따라 크게 [[외연기관]]용 왕복기관과 [[내연기관]]용 왕복기관으로 구분할 수 있다. 외연기관용 왕복기관은 연료의 연소가 밀폐된 내부가 아닌 실린더 외부에서 일어나는 기관으로, 산업혁명을 불러온 증기기관이 이에 해당한다. [[보일러]]에서 연료를 연소시켜 발생한 고온∙고압의 증기를 실린더 내부로 전달해 피스톤을 움직이는 기관으로 주로 [[증기기관차]]에 사용되었다. 내연기관용 왕복기관은 실린더 안에서 연료의 연소가 일어나는 기관으로, 20세기 이후 주요 운송 수단인 [[자동차]], [[선박]] 등에 이용되고 있다. 내연기관용 왕복기관은 사용하는 연료에 따라 [[디젤기관]], [[가솔린기관]] 등의 종류가 있다. 가솔린기관은 점화 플러그로 불꽃을 일으켜 연료를 연소시켜 동력을 얻으며, [[디젤기관]]은 실린더 내부의 공기를 압축시켜 가열된 공기에 연료를 분사하여 연소시켜 동력을 얻는다. 내연기관용 왕복기관은 연료의 연소에서 발생하는 폭발력을 이용하기 때문에 진동과 소음을 수반하기 쉬운 단점이 있으나, 외연기관용 왕복기관보다 부피가 작고, 다양한 요구에 따른 출력을 맞출 수 있어 소형 제초기와 RC카 [[엔진]]부터 대형 선박의 디젤엔진까지 널리 사용되고 있다.<ref>〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1129449&cid=40942&categoryId=32351 왕복기관 (reciprocating engine, 往復機關)]〉, 《두산백과》</ref> | ||
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| + | ===증기터빈=== | ||
| + | [[파일:증기터빈.jpg|썸네일|300픽셀|'''[[증기터빈]]'''(steam turbine)]] | ||
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| + | [[증기터빈]]은 [[보일러]]에서 발생시킨 고온·고압의 [[증기]]를 [[노즐]] 또는 고정된 날개로부터 분출 및 팽창시켜 나온 고속의 증기류를 회전하는 [[터빈]] 날개에 부딪쳐서 그 충동 작용 또는 반동 작용에 의하여 [[축]]을 회전시키는 것이다.<ref>꽃두루, 〈[https://blog.naver.com/windtake/120028043719 증기터빈이란...]〉, 《네이버 블로그》, 2006-08-23</ref> 따라서 증기터빈은 증기가 가지는 [[열에너지]]를 [[속도]][[에너지]]로 바꾸기 위한 노즐과 속도 에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 날개로 하여 구성되어 있다. 노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단이라고 한다. 증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다. 보일러로부터 보내 오는 고압 증기는 조절 [[밸브]]를 지나 증기실로 들어가고 여기서부터 팽창하면서 각 단을 통과하여 배기실로 나간다. 회전부는 터빈축·임펠러 및 터빈 날개로 되어 있다. 임펠러는 터빈 축에 장치되어 차실에 수용되고 축은 차실 밖의 [[베어링]]에 지지된다. 터빈 축이 차실을 관통하는 곳에는 증기의 누설을 방지하기 위하여 래버린스 패킹과 같은 밀봉 패킹이 있다. 차실을 나온 증기는 복수기로 들어가 여기서 [[냉각]]되어 물이 된다. 이 물은 다시 급수 펌프로 보일러에 되돌려진다.<ref>스끼다시, 〈[https://blog.naver.com/dohyuni1018/80093871792 Steam Turbine]〉, 《네이버 블로그》, 2009-10-28</ref> 노즐은 각 단마다 설치되는 칸막이판 속에 고정되어 있다. 터빈의 단에는 터빈 날개를 충동력만으로 구동하는 것과 충동력과 반동력의 양쪽에 의하여 구동하는 것이 있다.<ref>〈[http://gabsun.com/technote7/board.php?board=kkkgallerytec&category=1&command=body&no=1273&page=1&sort=hit 증기터빈(steam turbine)]〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09</ref> 전자를 충동단, 후자를 반동단이라고 한다. 그리고 충동단만으로 이루어진 터빈을 충동터빈, 반동단만으로 이루어진 터빈을 반동터빈이라고 한다.<ref>ra07p5xw, 〈[https://blog.naver.com/ra07p5xw/220446682907 충동터빈과 반동터빈]〉, 《네이버 블로그》, 2015-08-10</ref> 증기터빈은 회전운동만으로 회전속도를 빠르게 하여 출력당 중량을 작게 할 수 있고 장시간의 연속운전이 가능하다. 따라서 왕복형의 증기기관 또는 [[내연기관]] 등에 대신하여 [[화력발전소]], [[선박]], [[공장]] 등의 대출력 [[원동기]]로 널리 사용되고 있다.<ref>〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1188983&cid=40942&categoryId=32355 증기터빈의 특징과 용도]〉, 《두산백과》</ref> | ||
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==참고자료== | ==참고자료== | ||
| − | *〈[https://namu.wiki/w/%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80?from=%EC%A6%9D%EA%B8%B0%20%EA%B8%B0%EA%B4%80 증기기관]〉, 《나무위키》 | + | * 〈[https://namu.wiki/w/%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80?from=%EC%A6%9D%EA%B8%B0%20%EA%B8%B0%EA%B4%80 증기기관]〉, 《나무위키》 |
| − | *〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80 증기기관]〉, 《위키백과》 | + | * 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80 증기기관]〉, 《위키백과》 |
| + | * 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1129449&cid=40942&categoryId=32351 왕복기관 (reciprocating engine, 往復機關)]〉, 《두산백과》 | ||
| + | * 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1188983&cid=40942&categoryId=32355 증기터빈의 특징과 용도]〉, 《두산백과》 | ||
| + | * 〈[http://gabsun.com/technote7/board.php?board=kkkgallerytec&category=1&command=body&no=1273&page=1&sort=hit 증기터빈(steam turbine)]〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09 | ||
| + | * 꽃두루, 〈[https://blog.naver.com/windtake/120028043719 증기터빈이란...]〉, 《네이버 블로그》, 2006-08-23 | ||
| + | * 스끼다시, 〈[https://blog.naver.com/dohyuni1018/80093871792 Steam Turbine]〉, 《네이버 블로그》, 2009-10-28 | ||
| + | * 동국대학교 교양교육원 박진희 교수, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3572470&cid=58941&categoryId=58960 물리산책 - 증기기관차의 발명 ('철도의 시대'를 열다)]〉, 《과학창의재단》, 2011-08-17 | ||
| + | * 누리, 〈[https://blog.naver.com/nuri2037/135416268 증기기관차의 발명 - 네이버캐스트]〉, 《네이버 블로그》, 2011-08-17 | ||
| + | * ra07p5xw, 〈[https://blog.naver.com/ra07p5xw/220446682907 충동터빈과 반동터빈]〉, 《네이버 블로그》, 2015-08-10 | ||
==같이 보기== | ==같이 보기== | ||
* [[제임스 와트]] | * [[제임스 와트]] | ||
| + | * [[증기기관차]] | ||
| + | * [[왕복기관]] | ||
| + | * [[증기터빈]] | ||
* [[산업혁명]] | * [[산업혁명]] | ||
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2022년 11월 16일 (수) 17:46 판
증기기관(Steam Engine)이란 수증기의 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 열기관이다. 영국의 발명가 토머스 뉴커먼(Thomas Newcomen)이 발명했고, 제임스 와트(James Watt)가 개량하여 만들어진 장치이다. 기계 동력의 주요한 근원이 되었다.
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목차
개요
증기기관은 증기의 열에너지를 동력원으로 이용하여 기계적인 일을 하는 기관이다. 기관에 사용되는 열에너지는 석유나 석탄을 연소시키거나 원자력을 이용해 얻는다. 이렇게 얻어진 열로 고온 고압의 수증기를 만들어 수증기의 압력으로 그 안의 피스톤을 움직이게 하고 그 왕복운동으로 동력을 얻는다. 한 번 사용되고 난 증기는 많은 에너지를 역학적 에너지로 빼앗겼으므로 저온 저압의 수증기로 바뀌어 다시 돌아간다. 1699년에 영국의 토마스 세이버리(Thomas Savery)가 증기 펌프 기관을 실용화한 이래로 토머스 뉴커먼(Thomas Newcomen), 제임스 와트(James Watt) 등이 효율이 높은 증기기관을 계속 발명하였다. 증기기관차, 증기선 등에 사용되며 유명해졌으며, 이는 산업혁명의 원동력이 되었다. 증기기관의 장점은 다른 열기관에 비해 구조가 간단하고 취급이 쉬우며, 고장이 적어 수명도 길다. 또 고압 증기의 사용으로 인해 회전력이 강하며, 저속에서도 힘이 세다. 반면 역회전하면 열효율이 떨어지고, 회전 속도가 느려지며, 출력이 작고, 보일러 또는 복수기 등이 필요하여 소형 경량화에는 다소 무리가 있다는 한계가 있다. 한편 증기기관은 산업혁명의 주된 원인으로, 공장과 기계가 들어서게 되어 기계들이 사람이 할 일을 하게 되었고 많은 사람들이 직장을 잃게 되었다. 간접적으로는 부익부 빈익빈을 가속화 시켜 공산주의가 발생하는 원인이 되었다.[1]
역사
- １세기: 알렉산드리아의 헤론이 ‘아에올리스의 공’으로 구상하여 기록, 실용은 무리였으나 증기 압력으로 움직이는 최초의 장치로 기록
- 1551년: 타키 알딘이 증기터빈을 닮은 장치를 고안
- 1601년: 지오바니 바티스타 델라 포르타가 증기를 사용한 실험을 함
- 1615년: 살로몽 드 코는 포르타가 고안한 장치와 비슷한 장치가 기술된 책을 출간
- 1629년: 지오반니 브란카는 타키 알딘이 고안한 유사 증기 터빈 장치를 사용해 방아장치를 개발
- 1630년: 데이비드 렘시는 증기기관을 ‘불 기관’이라 칭했으며, 증기 관련 특허를 취득함
- 1663년: 에드워드 서머셋 우스터 후작은 기관에 냉각 장치를 단 최초의 공업용 크기 증기기관을 개발
- 1698년: 토마스 세이버리는 우스터 후작의 증기기관을 개량해 광산채굴용 증기기관을 개발
- 1705년: 토마스 뉴커먼이 대기압식 증기기관을 개발
- 1711년~1712년: 토머스 뉴커먼은 첫 번째 상업 기관을 설치
- 1733년: 뉴커먼의 특허가 만료
- 1765년: 제임스 와트는 뉴커먼의 증기기관을 개량해 현재와 같은 모양의 증기기관이 등장
- 1769년: 프랑스의 니콜라 퀴뇨가 시험용 증기기관 자동차를 제작
- 1776년: 첫 상업용 볼턴과 와트 증기기관이 만들어 짐
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트레비식의 증기기관
영국인 리처드 트레비식(Richard Trevithick)은 트레비식 고압 증기기관을 활용해 증기기관차를 시험 운전하는 데 성공했다. 트레비식 고압 증기기관은 와트의 증기기관에 있던 응축기를 없앤 대신 보일러에서 발생하는 증기로 움직이는 피스톤이 장착된 실린더를 장착했다. 트레비식 증기기관은 실린더 모양의 보일러에 수평으로 장착된 한 개의 실린더, 보일러 연소에 쓰이는 석탄가스가 배출되는 연통, 실린더 피스톤 봉에 연결된 바퀴로 구성됐다. 트레비식은 자신의 증기기관을 이용해 최초의 기관차를 만드는 데 성공했다. 1804년 영국에서 첫 선을 보인 이 기관차는 무게가 5톤이나 나갔지만 70명의 사람과 석탄차를 포함해 모두 25톤이 나가는 차량을 시속 8km로 이동시켰다. 말이 아닌 기계가 사람을 나르는 첫 시도였다.[2]
스티븐슨의 증기기관차
트레비식의 기관차를 발전시켜 본격적인 철도의 시대를 연 사람은 조지 스티븐슨(George Stephenson)이었다. 스티븐슨은 트레비식과 달리 실린더를 수직으로 장착하고 보일러 등을 개량했다. 이를 통해 시속 39km를 낼 수 있는 증기기관차인 로코모션(Locomotion)을 개발해 최초의 석탄 수송 철도 노선에 투입했다. 스티븐슨은 당시 발달했던 제철 공법을 활용해 기차가 다니는 선로도 개량했다. 무거운 기관차가 제대로 이동하기 위해서는 튼튼한 선로가 필요했기 때문이다. 1829년에는 훗날 증기기관차의 표준 모델이 된 로켓호를 개발됐다. 로켓호는 당시 기관차 경진대회에서 시속 48km의 속도로 우승을 했다. 로켓호가 최고 속도를 낼 수 있었던 이유는 여러 개의 관이 들어있는 보일러를 이용해 연소 가스의 열이 증기를 효율적으로 생산할 수 있게 했기 때문이다. 이전 기관차 보일러에는 한 개의 파이프만 있었으나, 로켓호 보일러에는 25개의 구리 튜브가 들어 있었다. 로켓호에는 두 개의 실린더가 장착됐으며 연소실이 보일러와 분리됐고 연소실 두께도 배로 늘어났다. 이전 증기기관차보다 훨씬 효율이 높아진 로켓호는 최초의 여객용 정기 노선에 활용됐다.[2]
증기기차의 발달
증기기관차의 발전은 여러 변화를 가져왔다. 사람과 물자의 이동 시간은 매우 빨라졌고 이전보다 훨씬 편하게 여행할 수 있었다. 로켓호가 장착된 기차는 마차보다 두 배나 빨랐고, 요금도 마차의 3분의 2밖에 되지 않았다. 가장 빠른 말로도 시속 18km 밖에 낼 수 없었지만 기차는 시속 50km까지 속도를 낼 수 있었다. 말에게 먹이를 주거나 지친 말을 교체하기 위해 1시간 마다 여행을 멈출 이유도 없었다. 이에 여행객은 점차 증가했다. 맨체스터와 리버풀 노선은 증기기차 개통 후 1년도 채 안 돼 50만 명이 이용했다. 기차의 빠른 속도는 국가 경제에도 영향을 미쳤다. 공장에서 생산된 물건들이 인근 지역을 벗어나 멀리까지 팔려나가게 됐기 때문이다. 이렇게 되자 점점 더 많은 공장에서 기계를 이용해 더 많은 양의 상품을 생산했다. 유럽 대륙에서는 철도가 발달하면서 이웃 지역으로 수출하는 상품이 늘어났다. 그러면서 경제의 규모가 전체적으로 커졌다. 또한 증기기차의 발달은 사람들이 시간을 엄격하게 지키는 태도를 갖게 했다. 마차가 다니던 시대에도 마차의 도착 예정 시간이 있었으나 제 시간에 도착하는 경우보다 늦는 경우가 더 많았다. 반면 기차는 거의 정해진 시각에 도착하기 때문에 옛날 마차를 대하던 것처럼 느긋하게 기차역에 도착하면 기차는 이미 떠나고 없었다. 따라서 사람들은 기차 시간을 정확히 지켜야 했고 이것이 습관이 되면서 많은 사람들이 시계를 보기 시작하며 약속 시간도 구체적인 시간으로 구체화됐다.[2]
증기기관의 쇠퇴
증기기관차는 19세기 말부터 새로운 기술에 밀리기 시작했다. 디젤기관차 등 증기기관차보다 편리한 기술이 나타나며 증기기관차의 입지는 점점 약해졌다. 각종 기계 기술의 발달로 초기의 트레비식 증기기관차에 비해서 비약적인 발전을 했지만, 기관차 가동 전에 충분한 예열 시간이 필요하며 증기 발생을 위해 충분한 물을 필요로 하는 점 등이 불편했다.[3] 이런 단점을 보완하며 등장한 것이 디젤기관이다. 증기기관을 작동하는 데는 여러 사람이 필요했지만 디젤기관은 한 사람만으로 작동이 가능했다. 또한 증기기관에 비해 훨씬 조용하고 날씨 변화에 의한 지장도 거의 없었으며 시동과 중지도 훨씬 쉬웠다. 증기기관처럼 늘 정비와 청소가 필요하지도 않았다. 이런 장점들로 인해 디젤기관차는 증기기관차를 밀어내고 그 자리를 차지하게 됐다.[2]
종류
왕복기관
왕복기관이란 연료의 폭발로 발생한 압력으로 실린더 안의 피스톤을 왕복운동시켜 동력을 얻는 기관을 뜻한다. 이때 피스톤의 왕복운동을 그대로 이용하는 경우도 있으나 일반적으로 피스톤, 피스톤핀, 연결봉, 크랭크핀을 통해서 크랭크축의 회전운동으로 전환시켜 이용한다. 왕복기관의 종류는 연료의 연소가 일어나는 장소에 따라 크게 외연기관용 왕복기관과 내연기관용 왕복기관으로 구분할 수 있다. 외연기관용 왕복기관은 연료의 연소가 밀폐된 내부가 아닌 실린더 외부에서 일어나는 기관으로, 산업혁명을 불러온 증기기관이 이에 해당한다. 보일러에서 연료를 연소시켜 발생한 고온∙고압의 증기를 실린더 내부로 전달해 피스톤을 움직이는 기관으로 주로 증기기관차에 사용되었다. 내연기관용 왕복기관은 실린더 안에서 연료의 연소가 일어나는 기관으로, 20세기 이후 주요 운송 수단인 자동차, 선박 등에 이용되고 있다. 내연기관용 왕복기관은 사용하는 연료에 따라 디젤기관, 가솔린기관 등의 종류가 있다. 가솔린기관은 점화 플러그로 불꽃을 일으켜 연료를 연소시켜 동력을 얻으며, 디젤기관은 실린더 내부의 공기를 압축시켜 가열된 공기에 연료를 분사하여 연소시켜 동력을 얻는다. 내연기관용 왕복기관은 연료의 연소에서 발생하는 폭발력을 이용하기 때문에 진동과 소음을 수반하기 쉬운 단점이 있으나, 외연기관용 왕복기관보다 부피가 작고, 다양한 요구에 따른 출력을 맞출 수 있어 소형 제초기와 RC카 엔진부터 대형 선박의 디젤엔진까지 널리 사용되고 있다.[4]
증기터빈
증기터빈은 보일러에서 발생시킨 고온·고압의 증기를 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출 및 팽창시켜 나온 고속의 증기류를 회전하는 터빈 날개에 부딪쳐서 그 충동 작용 또는 반동 작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다.[5] 따라서 증기터빈은 증기가 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸기 위한 노즐과 속도 에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 날개로 하여 구성되어 있다. 노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단이라고 한다. 증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다. 보일러로부터 보내 오는 고압 증기는 조절 밸브를 지나 증기실로 들어가고 여기서부터 팽창하면서 각 단을 통과하여 배기실로 나간다. 회전부는 터빈축·임펠러 및 터빈 날개로 되어 있다. 임펠러는 터빈 축에 장치되어 차실에 수용되고 축은 차실 밖의 베어링에 지지된다. 터빈 축이 차실을 관통하는 곳에는 증기의 누설을 방지하기 위하여 래버린스 패킹과 같은 밀봉 패킹이 있다. 차실을 나온 증기는 복수기로 들어가 여기서 냉각되어 물이 된다. 이 물은 다시 급수 펌프로 보일러에 되돌려진다.[6] 노즐은 각 단마다 설치되는 칸막이판 속에 고정되어 있다. 터빈의 단에는 터빈 날개를 충동력만으로 구동하는 것과 충동력과 반동력의 양쪽에 의하여 구동하는 것이 있다.[7] 전자를 충동단, 후자를 반동단이라고 한다. 그리고 충동단만으로 이루어진 터빈을 충동터빈, 반동단만으로 이루어진 터빈을 반동터빈이라고 한다.[8] 증기터빈은 회전운동만으로 회전속도를 빠르게 하여 출력당 중량을 작게 할 수 있고 장시간의 연속운전이 가능하다. 따라서 왕복형의 증기기관 또는 내연기관 등에 대신하여 화력발전소, 선박, 공장 등의 대출력 원동기로 널리 사용되고 있다.[9]
각주
- ↑ 〈증기기관〉, 《나무위키》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 동국대학교 교양교육원 박진희 교수, 〈물리산책 - 증기기관차의 발명 ('철도의 시대'를 열다)〉, 《과학창의재단》, 2011-08-17
- ↑ 누리, 〈증기기관차의 발명 - 네이버캐스트〉, 《네이버 블로그》, 2011-08-17
- ↑ 〈왕복기관 (reciprocating engine, 往復機關)〉, 《두산백과》
- ↑ 꽃두루, 〈증기터빈이란...〉, 《네이버 블로그》, 2006-08-23
- ↑ 스끼다시, 〈Steam Turbine〉, 《네이버 블로그》, 2009-10-28
- ↑ 〈증기터빈(steam turbine)〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09
- ↑ ra07p5xw, 〈충동터빈과 반동터빈〉, 《네이버 블로그》, 2015-08-10
- ↑ 〈증기터빈의 특징과 용도〉, 《두산백과》
참고자료
- 〈증기기관〉, 《나무위키》
- 〈증기기관〉, 《위키백과》
- 〈왕복기관 (reciprocating engine, 往復機關)〉, 《두산백과》
- 〈증기터빈의 특징과 용도〉, 《두산백과》
- 〈증기터빈(steam turbine)〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09
- 꽃두루, 〈증기터빈이란...〉, 《네이버 블로그》, 2006-08-23
- 스끼다시, 〈Steam Turbine〉, 《네이버 블로그》, 2009-10-28
- 동국대학교 교양교육원 박진희 교수, 〈물리산책 - 증기기관차의 발명 ('철도의 시대'를 열다)〉, 《과학창의재단》, 2011-08-17
- 누리, 〈증기기관차의 발명 - 네이버캐스트〉, 《네이버 블로그》, 2011-08-17
- ra07p5xw, 〈충동터빈과 반동터빈〉, 《네이버 블로그》, 2015-08-10
같이 보기
