증기 기관

Steam engine
철도 기관차는 증기 기관차를 참조하십시오.증기 터빈은 증기 터빈을 참조한다.
"증기 기계"와 "증기 동력"은 여기에서 리디렉션됩니다.비디오 게임 유통 서비스는 스팀(서비스)을 참고하세요.기타 용도는 증기 기계(동음이의)를 참조하십시오.
테크놀로지의 역사
기술 시대별
전근대사
근대사
미래.
과거 지역별
테크놀로지 유형별
테크놀로지 타임라인
기사 색인
더블 [a]액션을 위한 제임스 와트의 병렬 링크를 특징으로 하는 빔 엔진 모델입니다.
영국 컴브리아, Stott Park Bobbin Mill의 제분 엔진
동독에서 온 증기 기관차입니다.이 등급의 엔진은 1942~1950년에 제작되어 1988년까지 운용되었습니다.
Kemna의 증기 쟁기 엔진

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

주요 기사:증기기관의 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

제이콥 루폴드의 증기 기관, 1720

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.

초기 와트 펌프 엔진

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

주요 기사:정지 증기 기관

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

주요 기사:증기차량의 역사
영국산 증기 구동 로드 로코모티브

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

1907년식 원양 예인 헤라클레스의 3중 팽창 해양 증기 기관
주요 기사:선박용 증기 기관

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

주요 기사:증기기관차, 견인엔진 및 증기트랙터

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.

유니언 퍼시픽 844 a 'FEF-3' 4-8-4 '북방'형 증기기관차

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

주요 기사: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

주요 기사:고도의 증기 기술

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

주요 기사:보일러(증기 발생기)
고정식 증기기관에 사용되는 산업용 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

상세정보 : ② 모터유닛의 종류

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.

분사기는 보일러에 물을 주입하기 위해 증기 분사를 사용한다.인젝터는 비효율적이지만 기관차에 사용하기에는 충분히 단순합니다.

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

1875년의 리처드의 지시기참조: 인디케이터 다이어그램(아래)

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

주요 기사: Governor (디바이스)
Boulton & Watt 엔진의 1788 Lap Engine의 원심 조속기.

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

주요 기사:복합 증기 기관

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

주요 기사:복합 증기 기관
단순화된 트리플 익스팬션 엔진의 애니메이션입니다.고압 증기(빨간색)는 보일러에서 유입되어 엔진을 통과하여 저압 증기(파란색)로 배출되며, 일반적으로 콘덴서로 배출됩니다.

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

주요 기사:왕복 엔진
복동 정지 엔진이것은 19세기 중반의 일반적인 제분 엔진이었다.거의 "D"자 모양의 오목한 밑면이 있는 슬라이드 밸브에 주목하십시오.
더블 피스톤 스트로크의 네 가지 이벤트를 보여주는 개략적 표시기 다이어그램.참조: 감시 및 제어 (위)

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).

유니플로(또는 유니플로) 엔진

주요 기사:유니플로우 증기 엔진
단열 증기 엔진의 애니메이션.
포핏 밸브는 상단의 회전 캠축에 의해 제어됩니다.고압 수증기는 빨갛게, 그리고 배기는 노란색으로 들어갑니다.

유니플로 엔진은 매 스트로크 동안 포트와 실린더 벽면이 통과하는 배기 증기에 의해 냉각되는 반면 유입되는 고온의 흡입 증기는 작동 온도를 복원하는 데 에너지를 일부 낭비하는 일반적인 역류 사이클에서 발생하는 어려움을 해결하려고 시도합니다.유니플로우의 목적은 각 스트로크가 끝날 때마다 피스톤에 의해 덮이지 않는 추가 포트를 제공하여 증기가 한 방향으로만 흐르도록 함으로써 이러한 결함을 수정하고 효율성을 향상시키는 것입니다.이를 통해 단순팽창 유니플로 엔진은 기존 복합시스템과 동등한 효율과 더불어 뛰어난 부분부하 성능 및 1,000마력 미만의 소형 엔진용 터빈에 필적하는 효율성을 제공합니다.그러나 실린더 벽을 따라 발생하는 열팽창 구배 유니플로 엔진으로 인해 실질적인 [citation needed]어려움이 발생합니다.

터빈 엔진

주요 기사:증기 터빈
발전소에서 사용되는 현대식 증기 터빈의 회전자

증기 터빈은 구동축에 장착된 하나 이상의 로터(회전 디스크)로 구성되어 터빈 케이스에 고정된 일련의 스태터(정적 디스크)와 교대로 구성됩니다.로터는 바깥쪽 가장자리에 프로펠러처럼 배치된 블레이드를 가지고 있습니다.증기는 이 날개에 작용하여 회전 운동을 일으킨다.스테이터는 비슷하지만 고정된 일련의 블레이드로 구성되어 증기 흐름을 다음 로터 스테이지로 리디렉션하는 역할을 합니다.증기 터빈은 종종 진공 상태를 제공하는 표면 응축기로 배기됩니다.증기 터빈의 단계는 일반적으로 증기의 특정 속도 및 압력에서 최대 잠재적 작업을 추출하도록 배치되어 일련의 가변 크기 고압 및 저압 단계를 발생시킵니다.터빈은 비교적 빠른 속도로 회전하는 경우에만 효율적이기 때문에 일반적으로 선박의 프로펠러와 같은 저속 애플리케이션을 구동하기 위해 감속 기어로 연결됩니다.대부분의 대형 발전소에서 터빈은 감속 장치 없이 발전기에 직접 연결됩니다.통상적인 속도는 미국에서는 60Hz의 전력으로 3600RPM, 유럽 등에서는 3000RPM입니다.원자력 발전 애플리케이션에서는 터빈은 일반적으로 이 속도의 절반인 1800RPM과 1500RPM으로 작동합니다. 터빈 로터는 또한 한 방향으로 회전할 때만 전력을 공급할 수 있습니다.따라서 일반적으로 [citation needed]반대 방향으로 전원이 필요한 경우에는 후진 단계 또는 변속 장치가 필요합니다.

증기 터빈은 직접 회전력을 제공하므로 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 링크 메커니즘이 필요하지 않습니다.따라서 출력축에 대한 회전력이 더 부드러워집니다.이는 동등한 왕복 [citation needed]엔진에 비해 유지 보수 요건이 낮고 동력을 공급하는 기계의 마모가 적다는 데 기여합니다.

터비니아 – 최초의 증기 터빈 동력선

증기 터빈의 주요 용도는 전기 발전(90년대 전 세계 전기 생산의 약 90%가 증기 [3]터빈을 사용했다)이지만, 최근 대규모 가스터빈 유닛과 전형적인 복합 사이클 발전소의 광범위한 적용으로 인해 이 비율이 증기 터빈의 80% 수준으로 감소하였다.전기 생산에서 터빈의 고속 회전은 일반적으로 구동 터빈에 직접 연결되는 최신 발전기의 속도와 잘 일치합니다.해양 서비스(터비니아 강에서 개척됨)에서 감속 기어를 갖춘 증기 터빈(터비니아는 감속 기어 박스가 없는 프로펠러에 직접 터빈을 장착함)은 20세기 후반 내내 왕복 증기 엔진보다 더 효율적이며 유지보수가 훨씬 덜 필요한 대형 선박 추진력을 지배했습니다.최근 수십 년 동안, 왕복 디젤 엔진과 가스 터빈은 해양 용도로 [citation needed]증기 추진력을 거의 완전히 대체했습니다.

사실상 모든 원자력 발전소는 발전기에 연결된 터빈을 구동하는 증기를 제공하기 위해 물을 가열하여 전기를 생산한다.원자력선박과 잠수함은 발전기가 보조 동력을 제공하는 증기 터빈을 주 추진에 직접 사용하거나, 또는 전기 모터에 의해 제공되는 추진력을 가진 터보 발전기 세트를 구동하는 터보 전기 변속기를 사용한다.제한된 수의 증기 터빈 철도 기관차가 제조되었다.일부 결로하지 않는 직결구동 기관차는 스웨덴의 장거리 화물 운행과 영국의 급행 여객 운행에서 어느 정도 성공을 거뒀지만 반복되지는 않았다.다른 곳, 특히 미국에서는 전기 변속기를 사용한 보다 진보된 설계가 실험적으로 제작되었지만 재현되지는 않았다.증기 터빈은 철도 환경에 이상적으로 적합하지 않았으며, 이러한 기관차는 현대의 디젤 및 전기 견인 [citation needed]방식에서 전통적인 왕복 증기 장치를 퇴출시키는 데 실패했습니다.

단순진동기통 증기엔진

진동 실린더 증기 엔진

주요 기사:진동 실린더 증기 엔진

진동 실린더 증기 엔진은 증기를 실린더 안팎으로 유도하기 위해 밸브가 필요하지 않은 단순 팽창 증기 엔진의 변형입니다.밸브 대신 실린더 전체가 흔들리거나 진동하여 실린더에 있는 하나 이상의 구멍이 고정 포트 면 또는 피벗 마운트(트루니언)에 있는 구멍과 정렬됩니다.이 엔진은 단순성 때문에 장난감이나 모형에서 주로 사용되지만, 소형성이 [64]중시되는 선박에서 주로 풀사이즈 작동 엔진에도 사용되었습니다.

로터리 증기 기관

기존 왕복 증기 엔진의 실린더 및 밸브 기어 대신 Wankel 엔진과 같은 피스톤리스 회전 엔진에 기반한 메커니즘을 사용할 수 있습니다.James Watt 시대부터 오늘날까지 이러한 엔진은 많이 설계되었지만, 실제 제작된 엔진은 비교적 적었고 대량 생산에 들어간 엔진은 더 적었습니다. 자세한 내용은 기사 하단의 링크를 참조하십시오.가장 큰 문제는 마모 및 열팽창 시 로터를 밀폐하기 어렵다는 것입니다. 이로 인해 로터가 매우 비효율적이게 됩니다.확장 작업 또는 컷오프 제어 방법의 부족도 이러한 [citation needed]설계에서 심각한 문제입니다.

1840년대에 이르러서는 이 개념에 내재된 문제가 있다는 것이 분명해졌고 회전 엔진은 기술 신문에서 조롱의 대상이 되었습니다.하지만 현장에 전기가 들어오고 고속 엔진에서 다이너모를 직접 구동하는 것의 명백한 이점은 1880년대와 1890년대에 관심을 불러일으켰고, 몇몇 디자인은 제한적인 [citation needed]성공을 거두었습니다.

대량으로 제작된 몇 안 되는 디자인 중 스웨덴 스톡홀름의 헐트브러더스 로터리 증기 엔진 회사와 보챔프 타워의 구형 엔진이 눈에 띈다.타워의 엔진은 Great Eastern 철도에 의해 기관차에 조명 동력기를 구동하기 위해 사용되었고, 해군성은 영국 해군의 배에 동력기를 구동하기 위해 사용되었다.이러한 틈새 분야에서는 [citation needed]결국 증기 터빈으로 대체되었습니다.

Line drawing of a sphere suspended between two uprights forming a horizontal axis. Two right-angle jet arms at the circumference expel steam that has been produced by boiling water in a closed vessel under the two uprights, which are hollow and let steam flow into the interior of the sphere.
암에서 빠져나오는 증기에 의해 아올리파일이 회전한다.이 [citation needed]효과는 실용화되지 않았다.

로켓형

주요 기사:증기 로켓

항우연은 직접 [citation needed]추진은 아니지만 로켓-반응 원리에 의한 증기 사용을 나타낸다.

현대에는 로켓을 위한 증기 사용이 제한적이었습니다. 특히 로켓 자동차를 위한 증기 사용이 제한적이었습니다.증기 로켓은 고압에서 압력 용기에 뜨거운 물을 채우고 적절한 노즐로 통하는 밸브를 여는 방식으로 작동한다.압력의 강하는 즉시 일부 물을 끓이고 증기는 [65]노즐을 통해 떠나 추진력을 생성합니다.

페르디난드 베르비에스트의 마차는 1679년에 [citation needed]애올리파일에 의해 움직였다.

안전.

증기 엔진은 많은 양의 잠재적 에너지를 포함하는 압력 용기인 보일러 및 기타 부품을 보유하고 있습니다.증기 유출과 보일러 폭발(일반적으로 BLEVE)은 과거에 큰 인명 손실을 야기했을 수 있습니다.국가마다 규격의 차이가 있을 수 있지만 [citation needed]안전을 보장하기 위해 엄격한 법률, 테스트, 훈련, 제조, 운용 및 인증에 대한 관리가 적용됩니다.

장애 모드에는 다음이 포함됩니다.

  • 보일러의 과잉 환기
  • 과열과 용기 고장의 원인이 되는 보일러 내의 수분 부족
  • 특히 더러운 급수를 사용하는 강보트에서 국지적인 핫스팟을 일으키는 퇴적물과 비늘의 축적
  • 부적절한 시공 또는 유지보수로 인한 보일러 압력용기 고장
  • 열상을 일으키는 파이프 구조/배관으로부터의 증기 누출

증기 엔진은 보일러의 압력이 너무 높아지지 않도록 하기 위한 두 가지 독립적인 메커니즘을 가지고 있는 경우가 많습니다. 하나는 사용자에 의해 조정될 수 있고, 다른 하나는 일반적으로 궁극의 페일 세이프로 설계됩니다.이러한 안전 밸브는 전통적으로 보일러 상부의 플러그 밸브를 고정하기 위해 간단한 레버를 사용했습니다.레버의 한쪽 끝에는 밸브를 증기 압력에 대해 구속하는 추 또는 스프링이 실려 있었습니다.초기 밸브는 엔진 운전자에 의해 조정될 수 있으며, 운전자가 더 높은 증기 압력과 엔진으로부터의 더 많은 출력을 허용하기 위해 밸브를 잠그는 많은 사고로 이어졌습니다.보다 최근의 안전 밸브는 스프링식 조절 밸브를 사용하며, 이는 씰이 불법적으로 파손되지 않는 한 조작자가 조절을 조작하지 않도록 잠근다.이 준비가 상당히 [citation needed]안전합니다.

납 퓨즈 플러그는 보일러의 소방함 크라운에 있을 수 있습니다.수위가 낮아져 소방관 온도가 크게 상승하면 납이 녹고 증기가 빠져나가 화재를 수동으로 진압할 수 있는 작업자에게 경고한다.가장 작은 보일러를 제외하고 증기 유출은 화재를 완화하는 데 거의 영향을 미치지 않습니다.또한 플러그는 면적이 너무 작아서 증기 압력을 크게 낮추지 못해 보일러를 감압합니다.만약 그들이 더 크다면, 빠져나가는 증기의 양 자체가 [citation needed]선원들을 위험에 빠뜨릴 것이다.

증기 사이클

주요 기사: 랭킨 사이클
다음 항목도 참조하십시오.열역학 및 열전달
랭킨 사이클에 사용되는 4개의 주요 장치의 흐름도.1) 급수 펌프 2) 보일러 또는 증기 발생기 3) 터빈 또는 엔진 4) 응축기. 여기서 Q = 발열 및 W = 작동한다.대부분의 열은 폐기물로 배출됩니다.

랭킨 사이클은 증기 엔진의 기본적인 열역학적 토대입니다.사이클은 일반적으로 단순한 전력 생산에 사용되는 구성 요소의 배열로, 물의 상변화(끓는 물 증기의 생성, 응축 배기의 생성, 액체 물의 생성)를 활용하여 실질적인 열/전력 변환 시스템을 제공합니다.열은 폐쇄 루프에 외부로 공급되며, 추가된 열의 일부는 작동으로 변환되고 폐열은 콘덴서에서 제거됩니다.랭킨 사이클은 거의 모든 증기 동력 생산 애플리케이션에 사용됩니다.1990년대에 랭킨 증기 사이클은 거의 모든 태양광, 바이오매스, 석탄 및 원자력 발전소를 포함하여 전 세계에서 사용되는 모든 전력의 약 90%를 생산했다.이것은 스코틀랜드의 [citation needed]수학자인 윌리엄 존 맥쿼른 랭킨의 이름을 따서 지어졌다.

효율적인 터빈을 사용할 때 TS 다이어그램이 카르노 사이클과 유사하기 때문에 랭킨 사이클을 실용적인 카르노 사이클이라고 부르기도 합니다.주된 차이점은 (보일러 내) 열 첨가와 (콘덴서 내) 제거는 랭킨 사이클의 등압(정압) 과정이고, 이론적인 카르노 사이클의 등온(정온) 과정이라는 것입니다.이 사이클에서 펌프는 기체가 아닌 액체로 응축기로부터 받은 작동유체를 가압하기 위해 사용된다.작동 유체를 액체 형태로 펌핑하는 사이클은 작동 유체를 압축기에서 기체 형태로 압축하는 데 필요한 에너지와 비교하여 운반하는 데 필요한 에너지의 극히 일부입니다(Carnot 사이클).왕복 증기 엔진의 사이클은 실린더 또는 증기 입구 [57]통로에서 발생하는 응축 및 재증발로 인해 터빈의 사이클과 다릅니다.

랭킨 사이클의 작동 유체는 작동 유체가 지속적으로 재활용되는 폐쇄 루프 시스템으로 작동할 수도 있고, 배기 증기가 대기로 직접 방출되어 보일러에 별도의 급수원이 공급되는 "개방 루프" 시스템일 수도 있습니다.일반적으로 물은 무독성 및 비반응성 화학, 풍부함, 저비용, 열역학 특성 등 바람직한 특성으로 인해 선택되는 유체이다.수은은 수은 증기 터빈의 작동 유체이다.저비등 탄화수소는 바이너리 [citation needed]사이클로 사용할 수 있습니다.

증기 엔진은 열역학 이론의 발전에 많은 기여를 했습니다; 하지만 증기 엔진에 영향을 준 과학 이론의 유일한 적용은 증기와 대기압의 힘을 이용하는 원래의 개념과 열과 증기의 특성에 대한 지식이었습니다.와트가 모델 증기 엔진에서 수행한 실험적인 측정은 별도의 콘덴서의 개발로 이어졌습니다.와트는 잠열을 독립적으로 발견했는데, 이는 최초 발견자인 조셉 블랙에 의해 확인되었으며, 그는 와트에게 실험 절차를 조언하기도 했다.와트는 또한 압력에 따라 물의 끓는점이 변하는 것을 알고 있었다.그렇지 않으면,[14] 엔진 자체의 개선은 본질적으로 더 기계적이었습니다.랭킨 사이클의 열역학적 개념은 엔지니어가 효율을 계산하는 데 필요한 이해를 제공했으며, 이는 현대식 고압 및 온도 보일러와 증기 [citation needed]터빈의 개발에 도움이 되었습니다.

효율성.

주요 기사:열효율
다음 항목도 참조하십시오.엔진 효율 steam 증기 엔진

엔진 사이클의 효율성은 엔진이 생성하는 기계적 작업의 에너지 출력을 엔진에 투입되는 에너지와 연소 [citation needed]연료로 나누어 계산할 수 있습니다.

증기 엔진의 에너지 효율에 대한 역사적 척도는 "의무"였습니다.듀티의 개념은 와트가 초기 뉴코멘 설계보다 그의 엔진이 얼마나 더 효율적인지를 설명하기 위해 처음 도입했습니다.의무는 석탄 1부셸(94파운드)을 태워서 전달되는 작업량의 개수입니다.뉴코멘 디자인의 가장 좋은 예는 약 7백만 개의 임무가 있었지만, 대부분은 5백만 개에 가까웠습니다.와트의 원래 저압 설계는 2500만 개의 높은 부하를 전달할 수 있었지만, 평균 약 17개의 부하를 전달할 수 있었습니다.이것은 평균적인 뉴코멘 디자인보다 3배 향상된 것입니다.고압 증기를 장착한 초기 와트 엔진은 이를 6500만 [66]개로 개선했다.

고온 저장소에서 저온 저장소로 열이 이동하며 효율은 온도차에 따라 달라지는 카르노 사이클만큼 효율적인 열 엔진은 없습니다.최대의 효율을 위해 증기 엔진은 가능한 한 높은 증기 온도(과열 증기)에서 작동하고 폐열을 가능한 [citation needed]한 낮은 온도에서 방출해야 합니다.

랭킨 사이클의 효율은 일반적으로 작동 유체에 의해 제한됩니다.작동 유체에 대한 초임계 레벨에 도달하는 압력이 없으면 사이클이 작동할 수 있는 온도 범위는 작습니다. 증기 터빈의 터빈 진입 온도는 일반적으로 565°C(스테인리스강의 크리프 한계), 응축기 온도는 약 30°C입니다.이는 현대 석탄 화력발전소의 실제 효율 42%와 비교하여 이론적으로 카르노 효율 약 63%를 제공합니다.이러한 낮은 터빈 진입 온도(가스터빈과 비교)는 랭킨 사이클이 복합 사이클 가스터빈 [citation needed]발전소에서 바닥 사이클로 자주 사용되는 이유입니다.

랭킨 사이클이 다른 사이클에 비해 우선적인 장점 중 하나는 압축 단계에서 펌프를 구동하는 작업이 상대적으로 거의 필요하지 않다는 것입니다. 작동 유체는 이 시점에서 액체 상태입니다.펌프가 유체를 응축함으로써 펌프에 필요한 작업은 터빈(또는 왕복 엔진) 출력의 1~3%만 소비하고 실제 사이클에서 훨씬 더 높은 효율에 기여합니다.이 방법의 장점은 열 첨가 온도가 낮기 때문에 다소 손실됩니다.예를 들어, 가스 터빈은 터빈 진입 온도가 1500°C에 근접합니다.그럼에도 불구하고 실제 대형 증기 사이클과 대형 현대식 단순 사이클 가스 터빈의 효율성은 상당히 [67]일치합니다.

실제로 증기를 대기로 배출하는 왕복 증기 엔진 사이클은 일반적으로 1~10%의 효율을 가집니다.그러나 응축기, Corliss 밸브, 다중 팽창 및 높은 증기 압력/온도를 추가하면 대폭 개선될 수 있다.과거 10~20% 범위 내에서 약간 높은 경우는 [citation needed]거의 없습니다.

증기 재가열, 이코노마이저 등을 갖춘 현대식 대형 발전소(수백 메가와트의 전기 출력을 생산)는 40% 중반의 효율을 달성하며, 가장 효율적인 장치는 열 [citation needed]효율이 50%에 근접합니다.

또한 폐열이 낮은 비등점 작동 유체를 가열하거나 포화 저압 [citation needed]증기를 통해 지역 난방을 위한 열원으로 사용되는 열병합발전 방식을 사용하여 폐열을 포착할 수도 있습니다.

  • A steam locomotive – a GNR N2 Class No.1744 at Weybourne nr. Sheringham, Norfolk

    증기 기관차 – Weybourne nr의 GNR N2 Class No.1744.노퍽 주

  • A steam-powered bicycle by John van de Riet, in Dortmund

    도르트문트에 있는 John van de Riet의 증기 구동 자전거

  • British horse-drawn fire engine with steam-powered water pump

    증기 동력 워터 펌프를 갖춘 영국식 마차 소방차

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 이 모델은 1880년에서 1890년 사이에 사무엘 펨버튼에 의해 만들어졌습니다.
  2. ^ Landes는[16] Thurston의 엔진에 대한 정의를 언급하고 Thurston은 Newcomen을 "최초의 진정한 엔진"이라고 부릅니다.

레퍼런스

  1. ^ American Heritage Dictionary of the English Language (4th ed.). Houghton Mifflin Company. 2000.
  2. ^ "Who Invented the Steam Engine?". Live Science. 19 March 2014.
  3. ^ a b c d Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
  4. ^ "turbine". Encyclopædia Britannica Online. 18 July 2007.
  5. ^ "De Architectura" :제6장 (제2항)
    비트루비우스(기원전 1세기)의 "건축에 관한 10권의 책"에서 6월 17일 발행, 2009-07-07에 액세스한 08 [1]
  6. ^ 아흐마드 Y 하산(1976년).Taqi al-Din과 아랍어 기계 공학, 34-35페이지.알레포 대학 아랍 과학사 연구소
  7. ^ "University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one". History.rochester.edu. Archived from the original on 24 July 2011. Retrieved 3 February 2010.
  8. ^ 2002년판, 페이지 432-
  9. ^ Garcia, Nicholas (2007). Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia. pp. 443–54. ISBN 978-84-370-6791-9.
  10. ^ 힐스 1989, 페이지 15, 16, 33
  11. ^ Lira, Carl T. (21 May 2013). "The Savery Pump". Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. Michigan State University. Retrieved 11 April 2014.
  12. ^ 힐스 1989, 16-20페이지
  13. ^ "LXXII. An engine for raising water by fire; being on improvement of saver'y construction, to render it capable of working itself, invented by Mr. De Moura of Portugal, F. R. S. Described by Mr. J. Smeaton". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 47: 436–438. 1752. doi:10.1098/rstl.1751.0073. S2CID 186208904.
  14. ^ a b 1969년 랜즈
  15. ^ 영국 특허청의 전 선임 심사관 리스 젠킨스의 논문을 수집했습니다Jenkins, Ryhs (1971) [First published 1936]. Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge: The Newcomen Society at the Cambridge University Press. ISBN 978-0-8369-2167-0..
  16. ^ 랜즈 1969 페이지 101
  17. ^ 브라운 2002, 페이지 60-
  18. ^ a b c d e f g h i j 헌터 1985.
  19. ^ Nuvolari, A;Verspagen, 바트, Tunzelmann, 니콜라스(2003년)."그 확산의 증기 엔진에서 Eighteenth-Century 영국.응용 진화 경제학과기 위한 지식 베이스 Economy".아인트호벤, 네덜란드:아인트호벤 센터 혁신 연구회:3.{{ 들고 일기}}:Cite저널journal=( 도와 주)(종이 50번째 연간 북미 Meetings 지역 과학 협회의 인터내셔널에서 20–22이 2003년 11월 제출하기로)을 필요로 한다(ECIS).
  20. ^ Nuvolari, Verspagen & Tunzelmann 2003, 페이지 4.
  21. ^ Galloway, Elajah (1828). History of the Steam Engine. London: B. Steill, Paternoster-Row. pp. 23–24.
  22. ^ Leupold, Jacob (1725). Theatri Machinarum Hydraulicarum. Leipzig: Christoph Zunkel.
  23. ^ Hunter & Bryant 1991 Duty의 비교는 1778년에 신중하게 수행된 재판에 기초했다.
  24. ^ a b Rosen, William (2012). The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University of Chicago Press. p. 185. ISBN 978-0-226-72634-2.
  25. ^ a b c d Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. p. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0.
  26. ^ "증기 파워의 화보적 역사" J.T. 밴스다이크와 케네스 브라운, 옥토퍼스 북스 리미티드 1989, ISBN 0-7064-0976-0, 페이지 30
  27. ^ Cowan, Ruth Schwartz (1997), A Social History of American Technology, New York: Oxford University Press, p. 74, ISBN 978-0-19-504606-9
  28. ^ Dickinson, Henry W; Titley, Arthur (1934). "Chronology". Richard Trevithick, the engineer and the man. Cambridge, England: Cambridge University Press. p. xvi. OCLC 637669420.
  29. ^ 1775년 이래의 아메리칸 카, 퍼브 L. 스캇.Baily, 1971, 18페이지
  30. ^ 헌터 1985, 페이지 601-628.
  31. ^ 헌터 1985, 페이지 601
  32. ^ Van Slyck, J.D. (1879). New England Manufacturers and Manufactories. New England Manufacturers and Manufactories. volume 1. Van Slyck. p. 198.
  33. ^ a b 페이톤 2004.
  34. ^ Gordon, W.J. (1910). Our Home Railways, volume one. London: Frederick Warne and Co. pp. 7–9.
  35. ^ "Nation Park Service Steam Locomotive article with photo of Fitch Steam model and dates of construction as 1780–1790". Nps.gov. 14 February 2002. Retrieved 3 November 2009.
  36. ^ "Richard Trevithick's steam locomotive Rhagor". Museumwales.ac.uk. Archived from the original on 15 April 2011. Retrieved 3 November 2009.
  37. ^ "Steam train anniversary begins". BBC. 21 February 2004. Retrieved 13 June 2009. A south Wales town has begun months of celebrations to mark the 200th anniversary of the invention of the steam locomotive. Merthyr Tydfil was the location where, on 21 February 1804, Richard Trevithick took the world into the railway age when he set one of his high-pressure steam engines on a local iron master's tram rails
  38. ^ Garnett, A.F. (2005). Steel Wheels. Cannwood Press. pp. 18–19.
  39. ^ Young, Robert (2000). Timothy Hackworth and the Locomotive (reprint of 1923 ed.). Lewes, UK: the Book Guild Ltd.
  40. ^ Hamilton Ellis (1968). The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group. pp. 24–30.
  41. ^ 마이클 라이머, Dirk Endisch: Baureihe 52.80 – Die reconstruate Kriegslokotive, GeraMond, ISBN 3-7654-7101-1
  42. ^ Vaclav Smil (2005), Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867–1914 and Their Lasting Impact, Oxford University Press, p. 62, ISBN 978-0-19-516874-7, retrieved 3 January 2009
  43. ^ "Energiprojekt LTD – Biomass power plant, Steam pow". Energiprojekt.com. Archived from the original on 20 August 2008. Retrieved 3 February 2010.
  44. ^ Hunter 1985, 페이지 495–96 콜트 휴대용 엔진 설명
  45. ^ McNeil 1990 증기 기관차 설명 참조
  46. ^ Jerome, Harry (1934). Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research (PDF). pp. 166–67.
  47. ^ 힐즈 1989, 페이지 248
  48. ^ a b 피바디 1893, 페이지 384
  49. ^ "Fossil Energy: How Turbine Power Plants Work". Fossil.energy.gov. Archived from the original on 12 August 2011. Retrieved 25 September 2011.
  50. ^ 닉 로빈스, 혜성의 도래: 패들 기선의 흥망성쇠, 시포스 출판사, 2012, ISBN 1-4738-1328-X, 제4장
  51. ^ 헌터 1985, 341-43페이지.
  52. ^ Hunter & Bryant 1991, 페이지 123, '스팀 엔진 인디케이터' 스틸먼, Paul(1851).
  53. ^ Walter, John (2008). "The Engine Indicator" (PDF). pp. xxv–xxvi. Archived from the original (PDF) on 10 March 2012.
  54. ^ Bennett, S. (1979). A History of Control Engineering 1800–1930. London: Peter Peregrinus Ltd. ISBN 978-0-86341-047-5.
  55. ^ 1979년 베넷
  56. ^ 모한센의 기초기계공학 266페이지
  57. ^ a b 헌터 1985, 페이지 445
  58. ^ "Stirling Internal Combustion Engine Cylinder (Engine) Free 30-day Trial". Scribd. Retrieved 21 May 2020.
  59. ^ a b van Riemsdijk, John (1994). Compound Locomotives. Penrhyn, UK: Atlantic Transport Publishers. pp. 2–3. ISBN 978-0-906899-61-8.
  60. ^ 브룩스, 존드레드노우트 포병, 유틀란드 전투에서의 14페이지
  61. ^ "Backfiring". The Tractor Field Book: With Power Farm Equipment Specifications. Chicago: Farm Implement News Company. 1928. pp. 108–109 [ 108 ].
  62. ^ 샤펠론 2000, 56-72, 120-페이지
  63. ^ Bell, A.M. (1950). Locomotives. London: Virtue and Company. pp. 61–63.
  64. ^ Seaton, A E (1918). Manual of Marine Engineering. London: Charles Griffin. pp. 56–108.
  65. ^ 증기 로켓 테카로막스
  66. ^ John Enys, "콘월 광산에서 다른 시기에 고용된 증기 엔진의 의무에 대한 주석", 토목기술자 협회의 거래, 제3권(1840년 1월 14일), 페이지 457
  67. ^ Yin, Feijia; Rao, Arvind Gangoli (1 February 2020). "A review of gas turbine engine with inter-stage turbine burner". Progress in Aerospace Sciences. 121: 100695. Bibcode:2020PrAeS.12100695Y. doi:10.1016/j.paerosci.2020.100695. ISSN 0376-0421. S2CID 226624605.

레퍼런스

추가 정보

외부 링크

Wikimedia Commons에는 스팀 엔진과 관련된 미디어가 있습니다.
위키 인용문에는 스팀 엔진과 관련된 인용문이 있습니다.
무료사전인 위키사전에서 증기기관을 찾아보세요.