Steam Engine(스팀엔진)이란? - 개요, 부품 및 작동

스팀엔진이란?

증기 기관은 증기를 작동 유체로 사용하여 기계적 작업을 수행하는 열 기관입니다. 증기 기관은 증기 압력에 의해 생성된 힘을 사용하여 피스톤을 실린더 내부에서 앞뒤로 밀어냅니다.

이 미는 힘은 커넥팅 로드와 플라이휠에 의해 작업을 위한 회전력으로 변환될 수 있습니다. "증기 엔진"이라는 용어는 일반적으로 증기 터빈이 아닌 방금 설명한 왕복 엔진에만 적용됩니다.

증기 기관은 작동 유체가 연소 생성물과 분리되는 외연 기관입니다. 이 과정을 분석하는 데 사용되는 이상적인 열역학적 사이클을 랭킨 사이클이라고 합니다.

일반적으로 증기 기관이라는 용어는 철도 증기 기관차 및 휴대용 엔진과 같은 완전한 증기 플랜트(보일러 등 포함)를 지칭하거나 빔 엔진 및 고정식에서와 같이 피스톤 또는 터빈 기계만을 지칭할 수 있습니다. 증기 기관.

증기 구동 장치는 16세기와 17세기에 몇 가지 다른 용도가 기록된 서기 1세기의 에어올리필로 일찍 알려졌지만 Thomas Savery는 최초의 상업적으로 사용된 증기 동력 장치인 증기 펌프의 발명자로 간주됩니다. 그것은 물에 직접 작동하는 증기 압력을 사용했습니다.

 

증기 기관 발명

기계에 지속적인 동력을 전달할 수 있는 최초의 상업적으로 성공한 엔진은 Thomas Newcomen에 의해 1712년에 개발되었습니다. James Watt는 사용 후 증기를 별도의 용기로 제거하여 응축시켜 연료 소비 단위당 얻을 수 있는 작업량을 크게 개선함으로써 중요한 개선을 이루었습니다.

19세기까지 고정식 증기 기관은 산업 혁명의 공장에 동력을 공급했습니다. 증기 기관은 외륜 증기선의 선박용 돛과 철도에서 운행되는 증기 기관차를 대체했습니다.

왕복 피스톤식 증기 기관은 전기 모터와 내연 기관 설계의 발전으로 상업적 용도에서 증기 기관의 점진적인 교체로 이어진 20세기 초반까지 지배적인 동력원이었습니다. 증기 터빈은 더 낮은 비용, 더 높은 작동 속도 및 더 높은 효율성으로 인해 발전에서 왕복 엔진을 대체했습니다.

 

 

증기 엔진 작동원리

증기 기관에서는 일반적으로 보일러에서 공급되는 뜨거운 증기가 압력을 받아 팽창하고 열 에너지의 일부가 일로 변환됩니다. 나머지 열은 빠져나가도록 허용하거나, 최대 엔진 효율을 위해 증기는 비교적 낮은 온도와 압력에서 별도의 장치인 응축기에서 응축될 수 있습니다.

높은 효율을 위해 증기는 엔진 내 팽창의 결과로 넓은 온도 범위를 통과해야 합니다. 가장 효율적인 성능, 즉 낮은 응축기 온도와 높은 보일러 압력을 사용하여 공급된 열에 대한 최대 작업 출력을 확보합니다.

증기는 보일러에서 엔진으로 가는 도중에 과열기를 통과하여 더 가열될 수 있습니다. 일반적인 과열기는 보일러 노의 뜨거운 가스에 표면이 노출된 평행 파이프 그룹입니다.

과열기를 통해 증기는 끓는 물에 의해 생성되는 온도 이상으로 가열될 수 있습니다.

왕복 기관, 피스톤 및 실린더 유형의 증기 기관에서 압력을받는 증기는 밸브 메커니즘에 의해 실린더로 유입됩니다. 증기가 팽창함에 따라 피스톤을 밀어서 회전 운동을 생성하기 위해 일반적으로 플라이휠의 크랭크에 연결됩니다. 복동식 엔진에서 보일러의 증기는 피스톤의 양쪽으로 교대로 유입됩니다.

단순 증기 기관에서 증기의 팽창은 하나의 실린더에서만 발생하는 반면, 복합 기관에서는 증기의 더 큰 팽창과 더 높은 효율을 위해 크기가 증가하는 2개 이상의 실린더가 있습니다. 첫 번째 및 가장 작은 피스톤은 초기 고압 증기에 의해 작동되고 두 번째 피스톤은 첫 번째에서 배출되는 저압 증기에 의해 작동됩니다.

증기 터빈에서 증기는 노즐을 통해 고속으로 배출된 다음 일련의 고정 및 이동 블레이드를 통해 흐르므로 로터가 고속으로 이동합니다. 증기 터빈은 더 작고 일반적으로 왕복 증기 엔진보다 더 높은 온도와 더 큰 팽창비를 허용합니다. 터빈은 증기로 많은 양의 전력을 생산하는 데 사용되는 보편적인 수단입니다.

 

증기 기관의 부품

화실(Firebox)
연료를 태워 열을 발생시키는 곳입니다.

보일러(Boiler)
Lindy는 소방관 보일러를 사용합니다. 화실에서 생성된 뜨거운 가스는 보일러의 튜브 랙을 통해 당겨집니다. 튜브는 증기를 생성하기 위해 튜브를 둘러싸고 있는 물을 가열합니다. 증기는 보일러 상단의 스팀 돔에 모입니다.

스팀 돔(Steam Dome)
스팀 돔 내부에는 레귤레이터 밸브, 안전 밸브 및 휘슬이 있습니다. 조절 밸브는 운전실의 스로틀에 부착되어 있습니다. 엔지니어는 스로틀을 사용하여 실린더에 전달되는 증기의 양을 제어합니다. 휘파람은 증기 압력에 의해 부는 4개의 차임, 1925 Baldwin 휘파람입니다. 압력이 너무 높아지면 안전 밸브가 열려 증기를 방출합니다.

밸브, 실린더 및 피스톤(Valves, Cylinders, and Pistons)
증기는 실린더에서 기계적 에너지로 변환됩니다. 압력을 받는 증기는 실린더 밸브를 통해 챔버로 전달되고 피스톤을 구동합니다. 대부분의 기관차와 마찬가지로 Lindy는 이중 작동 실린더를 사용합니다. 이것은 피스톤의 양쪽에 교대로 증기를 도입하여 피스톤 로드를 밀고 당기면서 두 스트로크에서 동력을 생성함으로써 두 배의 동력을 달성합니다.

로드(Rods)
피스톤은 가이드에서 작동하는 크로스헤드에 의해 실린더에 정렬됩니다. 크로스헤드는 커넥팅 로드의 작은 끝을 운반합니다. 다른 쪽 끝인 큰 쪽은 크랭크 핀이 있는 바퀴에 동력을 전달합니다. 대부분의 기관차와 마찬가지로 Lindy에는 이중 작동 실린더에서 생성된 동력을 공유하기 위해 두 개 이상의 구동 바퀴 세트가 있습니다. 기관차의 양쪽에 있는 크랭크는 바퀴의 완전한 회전에 걸쳐 동력을 분산시키기 위해 90° 오프셋됩니다.

스모크박스(Smokebox)
사용된 증기는 스택 아래의 블래스트 파이프를 통해 실린더에서 방출됩니다. 이 배열은 보일러 튜브를 통해 화실 가스를 끌어들이는 연기 상자의 압력을 감소시킵니다. 기관차가 더 세게 작동할수록 더 많은 가스가 튜브를 통해 끌어당겨져 더 많은 증기가 생성됩니다.

스택(The Stack)
블래스트 파이프에서 사용된 증기는 보일러 튜브의 가스와 혼합되어 굴뚝을 통해 빠져 나옵니다. 기관차가 더 세게 작동할수록 더 많은 가스와 증기가 굴뚝에서 나옵니다.

캡(Cab)
열차 승무원은 운전실에서 엔진을 작동합니다. fireman의 일은 화실의 불을 제어하고 보일러에 물을 공급하여 증기를 만드는 것입니다. 엔지니어는 스로틀을 작동하여 증기를 사용하고 증기 압력, 연료 및 물을 모니터링합니다.

샌드 돔(Sand Dome)
돔에는 바퀴와 레일 사이의 견인력을 위해 구동 바퀴 앞이나 뒤에 분사하여 엔지니어가 활용할 수 있는 모래가 들어 있습니다.

 

증기 엔진의 응용

증기 엔진은 다음을 포함한 모든 종류의 응용 프로그램에 사용되었습니다.

▷ 공장
▷ 광산
▷ 기관차
▷ 증기선