증기기관의 역사

History of the steam engine
이 기사는 왕복식 증기 엔진의 역사에 관한 것입니다.터빈형 엔진의 병렬 개발은 증기 터빈을 참조하십시오.
주요 기사:증기 기관
1698 Savery 증기 펌프 - 상업적으로 성공한 최초의 증기 동력 장치, Thomas Savery가 제작했습니다.

최초의 기록된 기본적인 증기 기관은 비트루비우스가 기원전 30년에서 15년 사이에 언급하고 1세기 로마 [1]이집트의 알렉산드리아의 헤론이 묘사한 에올리필레였다.Taqi al-Din의 증기 잭, 16세기 오스만 이집트의 증기 터빈, 17세기 영국의 토마스 세이버리의 증기 펌프와 같은 몇 가지 증기 동력 장치가 나중에 실험되거나 제안되었습니다.1712년 토마스 뉴코멘의 대기 엔진은 20세기 초까지 사용된 증기 엔진의 기본 형태인 피스톤과 실린더의 원리를 사용하여 상업적으로 성공한 최초의 엔진이 되었다.증기 엔진은 탄광에서 물을 퍼내는 데 사용되었다.

산업 혁명 동안 증기 엔진은 물과 풍력을 대체하기 시작했고, 결국 19세기 말에 지배적인 동력원이 되었고, 20세기 초반까지 그렇게 남아있었다. 증기 터빈과 내연 기관은 증기 기관의 빠른 교체로 이어졌다.증기 터빈은 발전기를 구동하는 [2]가장 일반적인 방법이 되었다.첨단 증기 기술의 새로운 물결의 기초로서 왕복 증기 엔진을 부활시키는 것의 실용성에 대한 조사가 이루어지고 있다.

전구체

증기 동력의 초기 사용

다음 항목도 참조하십시오.에어올리파일과 스팀잭
애올리파일

가장 먼저 알려진 기본적인 증기 엔진과 반응 증기 터빈인 에어올리파일은 1세기 로마 이집트의 헤론이라는 수학자이자 엔지니어에 의해 그의 원고 스피리탈리아 세우 [3][4]공압에 기록되어 있다.비트루비우스도 약 100년 전에 De Architectura에서 같은 장치를 언급했습니다.노즐에서 접선 방향으로 뿜어져 나오는 증기는 회전하는 회전 볼을 유발했다.열효율이 낮았다.이것은 증기 압력이 기계적인 움직임으로 바뀌는 것이 1세기 로마 이집트에서 알려졌음을 암시한다.헤론은 또한 밀폐된 용기에서 물의 양을 제거하기 위해 제단 불에서 가열된 공기를 사용하는 기계를 고안했다.물의 무게는 절 [4][5]문을 작동시키기 위해 숨겨진 밧줄을 당기기 위해 만들어졌다.몇몇 역사학자들은 두 발명품을 결합해 아올리파일이 유용한 일을 [citation needed]할 수 있었다고 잘못 주장했습니다.

1125년 멤스베리의 윌리엄에 따르면, 랭스는 [4][6]저베르투스 교수가 설계하고 건설한 것으로 보이는 압축으로부터 "뜨거운 물에 의해" 탈출하는 공기로 작동되는 기관을 가진 교회의 본거지였다.

15세기 후반의 레오나르도 다빈치의 논문 중 하나는 '아키토네레'라고 불리는 증기 동력 대포를 설계한 것인데, 이 대포를 봉인된 붉은 열선 [7]대포에 갑자기 뜨거운 물이 유입됨으로써 작동한다.

기본적인 충격 증기 터빈은 16세기 오스만 이집트의 철학자, 천문학자, 기술자인 Taqi al-Din에 의해 1551년에 설명되었는데, 그는 바퀴 주변 회전 베인에서 노는 증기 분출에 의해 침이 회전하는 방법을 설명했습니다.침을 회전시키는 비슷한 장치는 나중에 1648년 [8]존 윌킨스에 의해 설명되었다.이 장치들은 당시에는 "밀"이라고 불렸지만 지금은 증기 잭으로 알려져 있다.또 다른 유사한 증기 터빈은 1629년 이탈리아 기술자인 지오반니 브랑카에 의해 [9]박격포에서 작업하는 한 쌍의 절굿공이를 번갈아 들어올렸다 떨어뜨렸다 하는 원통형 탈출 장치를 돌린 것으로 나타났다.그러나 이러한 초기 증기 터빈의 증기 흐름은 집중되지 않았고 대부분의 에너지가 모든 방향으로 분산되었다.이것은 엄청난 에너지 낭비로 이어졌을 것이고, 그래서 그것들은 산업용으로 심각하게 고려되지 않았다.

1605년, 프랑스의 수학자 플로렌스 리볼은 포탄에 갇히고 열을 가하면 [10]포탄이 폭발할 것이라고 그의 발견에 대해 썼다.

1606년, 스페인의 Jeronimo de Ayanz y Beaumont는 증기 펌프에 대한 특허를 획득했습니다.이 펌프는 스페인 [11]과달카날의 침수된 광산을 배수하는 데 성공적으로 사용되었다.

상업용 증기기관 개발

"1712년 토마스 뉴코멘이 함께 했을 때 증기 엔진이 탄생했다는 발견은 다음과 같습니다."[12]

  • 진공의 개념(즉, 주변 압력의 감소)
  • 압력의 개념
  • 진공 생성 기술
  • 증기 발생 수단
  • 피스톤 및 실린더

1643년 에반젤리스타 토리첼리는 약 32피트(기압은 32.9피트 또는 10.03미터)였던 흡입 리프트 워터 펌프에 대한 실험을 실시했다.물의 증기 압력은 이론적인 리프트 높이를 낮춥니다.)그는 수은이 가득 담긴 튜브를 사용하여 실험을 고안했고 수은이 담긴 그릇(기압계) 위에 있는 빈 공간, 즉 [13]진공 상태를 관찰했다.

토리첼리의 영향을 받은 오토 폰 게리케는 공기총을 가압하는 데 사용되는 공기 펌프를 개조하여 진공 펌프를 발명했다.게릭케는 1654년 그가 시장이었던 독일 마그데부르크에서 시위를 벌였다.두 개의 구리 반구를 함께 장착하고 공기를 퍼냈다.공기 밸브를 열 때까지 반구에 묶여 있는 무게로 반구를 떼어낼 수 없었다.이 실험은 1656년에 마그데부르크 [13]반구를 분리할 수 없는 각각 8마리로 구성된 두 팀을 사용하여 반복되었다.

가스파르 쇼트(Gaspar Schott)는 그의 Mechanica Hydrogyo-Pneumatica (1657년)[13]에서 반구 실험을 최초로 기술했다.

로버트 보일은 숏의 책을 읽은 후 개량된 진공 펌프를 만들고 관련 [13]실험을 했다.

데니스 파팽은 1663년 파리에서 크리스티안 호이겐스와 고트프리드 라이프니츠와 함께 일하면서 진공청소기를 사용하여 동력을 발생시키는 것에 관심을 갖게 되었다.파핀은 1676년부터 1679년까지 로버트 보일을 위해 일했고, 그의 연구에 대한 설명을 "Continuation of New Experiments" (1680년)에 발표했고, 1689년에 Royal Society에 발표를 했다.1690년부터 파핀은 증기로 동력을 생산하기 위해 피스톤을 실험하기 시작했고 증기 엔진을 제작했다.그는 대기 및 압력 증기 엔진으로 실험하여 1707년에 [13]결과를 발표했다.

1663년, 제2대 우스터 후작 에드워드 서머셋은 커피 퍼콜레이터와 비슷한 원리를 사용하여 층간 물을 올리는 방법을 설명한 100개의 발명품을 출판했다.그의 시스템은 보일러(가열된 대포통)를 펌핑 동작으로부터 분리한 최초의 시스템이었다.물탱크에서 강화통으로 물이 유입된 후 별도의 보일러에서 증기가 유입되는 밸브를 열었습니다.수압은 수면을 덮었고,[14] 수압은 수관을 타고 올라갔습니다.그는 탑을 통해 물을 공급하기 위해 라글란 성의 그레이트 타워 벽에 증기 동력 장치를 설치했다.엔진이 설치된 벽의 홈은 19세기에도 볼 수 있었다.하지만, 아무도 그런 혁명적인 컨셉에 돈을 걸 준비가 되어 있지 않았고, 후원자 없이 기계는 [13][15]개발되지 않은 채로 남아있었다.

수학자이자 펌프에 대해 연구한 발명가 사무엘 몰랜드는 보크홀 조례 사무소에 토마스 세이버리가 읽은 증기 펌프 디자인에 대한 메모를 남겼다.1698년 세이버리는 "광부의 친구"라고 불리는 증기 펌프를 만들었다.그것은 진공과 압력을 모두 사용했다.이것들은 수년간 [13]저출력 서비스에 사용되었습니다.

토마스 뉴코멘은 주철 제품을 취급하는 상인이었다.뉴코멘의 엔진은 파핀이 제안한 피스톤과 실린더 설계에 기초했다.뉴코멘의 엔진 증기는 실린더 내부에 뿌려진 물에 의해 응축되어 기압이 피스톤을 움직이게 했습니다.뉴코멘의 첫 [13]번째 엔진은 1712년 스태퍼드셔의 더들리 성에 있는 광산에 설치되었다.

실린더

데니스 파핀의 피스톤-기통 엔진 디자인, 1680년

드니 파팽 (1647년 8월 22일–1712년)은 압력솥의 선구자인 증기 굴착기의 선구자로 가장 잘 알려진 프랑스의 물리학자, 수학자, 발명가였다.1670년대 중반, 파핀은 네덜란드의 물리학자 크리스티안 호이겐스와 함께 실린더 안의 화약을 폭발시켜 실린더에서 공기를 몰아내는 엔진을 개발했습니다.이 수단에 의해 생성된 진공의 불완전성을 깨닫고 1680년 영국으로 이동하면서 파핀은 끓는 물에서 더 완전한 진공 상태를 얻은 다음 증기가 응축되도록 하는 같은 실린더의 버전을 고안했다. 이렇게 그는 피스톤의 끝을 도르래 위를 통과하는 로프에 부착함으로써 무게를 증가시킬 수 있었다.시연 모델로서 시스템은 작동했지만, 반복하기 위해서는 전체 장비를 분해하고 재조립해야 했습니다.파핀은 자동 사이클을 만들기 위해서는 보일러에서 증기가 별도로 생성되어야 한다는 것을 재빨리 깨달았습니다. 그러나 그는 프로젝트를 더 이상 진행하지 않았습니다.파핀은 또한 Taqi al Din과 Savery의 개념의 조합으로 맷돌 위에서 제트기를 조종하는 패들 보트를 디자인했고, 안전 밸브와 같은 많은 중요한 장치들을 가지고 있는 것으로 인정받았다.증기를 이용하는 문제에 대한 파핀의 수년간의 연구는 그의 죽음 직후에 성공적인 산업용 엔진을 개발하는 데 중요한 역할을 했다.

세이버리 증기 펌프

주요 기사:토머스 세이버리

산업적으로 적용된 최초의 증기 엔진은 1698년 토마스 세이버리가 설계한 "소방기관" 또는 "광부 친구"였다.이것은 피스톤이 없는 증기 펌프였는데, 우스터에서 개발한 것과 비슷했다.Savery는 디자인의 실용성을 크게 향상시킨 두 가지 중요한 공헌을 했습니다.첫째, 엔진 아래에 물을 공급하기 위해 응축된 증기를 사용하여 펌핑 탱크(Worcester의 예에서는 배럴)에 부분적인 진공 상태를 생성하고, 이를 사용하여 물을 위로 끌어올렸습니다.둘째, 증기를 빠르게 냉각시켜 진공 상태를 만들기 위해 그는 저수지에 찬물을 흘렸다.

작동에는 몇 개의 밸브가 필요했습니다. 사이클이 시작되면 저장소가 비면 증기를 받아들이기 위해 밸브가 열립니다.이 밸브는 탱크를 밀폐하기 위해 닫히고 냉각수 밸브는 증기를 응축하여 부분 진공 상태를 생성하기 위해 열립니다.그런 다음 공급 밸브가 열려 탱크로 물을 끌어올립니다. 일반적인 엔진은 물을 최대 [16]20피트까지 끌어올릴 수 있습니다.그 후, 우스터 설계와 같이 증기 밸브가 다시 열렸고, 물 위에 압력이 쌓이고 위로 펌핑되었습니다.이 주기는 기본적으로 주어진 증기 압력에 대해 물을 퍼올릴 수 있는 거리를 두 배로 늘렸고, 생산 예는 물을 약 40피트 [16]증가시켰다.

세이버리의 엔진은 최근에야 심각해졌던 문제를 해결했다; 더 깊은 깊이에 도달하면서 영국 남부의 광산에서 물을 끌어올리는 것이다.세이버리의 엔진은 뉴코멘의 엔진보다 다소 덜 효율적이지만, 뉴코멘 엔진에 사용되는 별도의 펌프가 비효율적이어서 두 엔진의 효율은 석탄 1부셸당 600만 파운드(1%[17] 미만)로 거의 동일했다.또한 Savery 엔진은 사이클의 일부가 보일러에 의해 공급되는 압력 하에서 증기를 필요로 했고, 압력 용기는 충분히 견고하지 못해 [18]폭발하기 쉽기 때문에 매우 안전하지 않았습니다.1705년경 브로드워터(수요일 근처)에서 그의 펌프 중 하나가 폭발하면서 그의 [19]발명품을 이용하려는 시도는 끝이 났을 것이다.

세이버리 엔진은 뉴코멘 엔진보다 가격이 저렴했고 더 작은 [20]크기로 생산되었다.일부 건설업자들은 18세기 [17]후반까지 세이버리의 개량된 엔진을 생산하고 있었다.FRS인 Bento de Moura Portal은 [21]1751년에 출판된 철학 거래에서 John Smeaton에 의해 기술된 바와 같이, 세이버리의 건축을 "스스로 작동할 수 있도록 하기 위해" 기발한 개선을 도입했다.

대기 응축 엔진

뉴코멘 대기 엔진

뉴코멘 엔진 조각.이것은 드사굴리에의 1744년 작품인 "실험 철학의 과정"에 있는 그림에서 베낀 것으로 보이며, 그 자체가 헨리 베이튼의 1717년 판화를 뒤집은 것으로 믿어진다.그것은 아마도 1714년경 워릭셔 [22]그리프 콜리에에 세워진 두 번째 뉴코멘 엔진일 것이다.

상업적인 수요가 있을 수 있는 최초의 실용적인 증기 엔진을 개발하기 위해 파핀에 의해 확립된 대부분의 필수 요소들을 한데 모았다고 말할 수 있는 사람은 1712년의 대기 엔진인 토마스 뉴코멘이었다.이는 지표면에 설치된 왕복 빔 엔진의 형태를 취했으며 빔의 한쪽 끝에 일련의 펌프를 구동했습니다.빔의 다른 끝에서 체인으로 연결된 엔진은 대기, 즉 진공 [23]원리로 작동했습니다.

뉴코멘의 디자인은 초기 개념의 몇 가지 요소를 사용했다.세이버리와 마찬가지로 뉴코멘의 엔진은 물로 냉각된 증기를 사용하여 진공 상태를 만들었습니다.그러나 세이버리의 펌프와는 달리 뉴코멘은 물을 직접 끌어당기는 대신 피스톤을 끌어당기기 위해 진공청소기를 사용했다.실린더의 상단부는 기압에 열려 있었고, 진공이 형성되었을 때 피스톤 위의 기압이 실린더 안으로 밀어 넣었다.피스톤은 냉각수를 공급한 바로 그 탱크에서 흘러나오는 물방울에 의해 윤활되고 밀봉되었습니다.또 냉각효과를 높이기 위해 직접 실린더에 물을 뿌렸다.

Animation of a Newcomen atmospheric engine in action

피스톤은 체인으로 커다란 피벗 빔에 부착되어 있었다.피스톤이 빔을 당겼을 때 빔의 다른 한쪽이 위로 당겨졌다.이 끝은 광산의 일반적인 펌프 핸들을 잡아당기는 로드에 부착되어 있었습니다.이 파워 스트로크가 끝날 때, 증기 밸브가 다시 열렸고 펌프 로드의 무게가 빔을 끌어내리면서 피스톤을 들어올리고 다시 실린더로 증기를 끌어당겼다.

피스톤과 빔을 사용함으로써 뉴코멘 엔진은 광산 전체의 다양한 레벨의 펌프에 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 고압 증기의 필요성을 없앨 수 있었습니다.전체 시스템이 지상의 한 건물로 격리되었다.비효율적이고 석탄(후발 엔진에 비해)이 매우 무겁지만, 이러한 엔진은 이전에 [18]가능했던 것보다 훨씬 더 많은 양의 물을 더 깊이에서 끌어올렸다.1735년까지 100개 이상의 뉴코멘 엔진이 영국 전역에 설치되었고 1800년에는 2,000개 이상의 엔진이 작동한 것으로 추정됩니다(와트 버전 포함).

John Smeaton은 Newcomen 엔진, 특히 씰을 많이 개선했으며, 이를 개선함으로써 효율성을 거의 세 배로 높일 수 있었습니다.그는 또한 실린더로부터 동력을 전달하기 위해 빔 대신 바퀴를 사용하는 것을 선호했고, 이것은 그의 엔진을 더 작게 만들었다.Smeaton은 증기 엔진 작동 설계의 엄격한 이론을 개발한 최초의 사람이었다.그는 작업에 필요한 동력량, 실린더의 크기 및 속도, 보일러의 크기 및 연료 소비량을 계산하기 위해 의도된 역할에서 후퇴했습니다.이것들은 콘월과 뉴캐슬에서 수십 개의 뉴코멘 엔진을 연구한 후 경험적으로 개발되었고, 1770년 오스트호프에 있는 그의 집에서 실험적인 엔진을 만들었다.불과 몇 년 후 와트 엔진이 도입될 때까지 Smeaton은 100hp [24]범위에 이르는 수십 개의 대형 엔진을 제작했습니다.

와트 분리 콘덴서

초기 와트 펌프 엔진.

1759년 글래스고 대학에서 악기 제작자와 수리공으로 일하던 중, 제임스 와트는 존 로비슨 교수에 의해 증기의 힘을 알게 되었다.매료된 와트는 이 주제에 대해 그가 할 수 있는 모든 것을 읽었고, 독립적으로 잠열 개념을 개발했는데, 최근에야 같은 대학에서 조셉 블랙에 의해 출판되었다.와트가 대학이 뉴코멘 엔진의 작은 작동 모델을 소유하고 있다는 것을 알았을 때, 그는 그것이 성공적으로 수리되지 않았던 런던에서 그것을 돌려받도록 강요했다.와트는 기계를 수리했지만, 완전히 수리해도 거의 작동하지 않는다는 것을 알았다.

설계를 수행한 후 와트는 엔진에 사용되는 증기의 80%가 낭비된다는 결론을 내렸습니다.원동력을 제공하는 대신 실린더를 가열하는 데 사용되었습니다.뉴코멘 설계에서는 모든 파워 스트로크가 차가운 물을 뿌리는 것으로 시작되었으며, 이는 증기를 응축시킬 뿐만 아니라 실린더의 벽도 식혔다.실린더가 다시 증기를 받아들이기 전에 이 열을 교체해야 했다.뉴코멘 엔진에서는 열이 증기에 의해서만 공급되었기 때문에 증기 밸브가 다시 열렸을 때 대부분의 열이 실린더에 들어가자마자 차가운 벽에 응축되었습니다.실린더가 다시 데워지고 증기가 차오르기 시작하기까지는 상당한 시간과 증기가 필요했다.

와트는 차가운 물을 다른 실린더로 옮겨 동력 실린더 옆에 놓아 물 분무 문제를 해결했다.유도 스트로크가 완료되면 둘 사이에 밸브가 열리고 실린더로 유입된 증기는 이 차가운 실린더 안에서 응축됩니다.이렇게 하면 수증기를 실린더로 더 많이 끌어당기는 진공이 생성되어 수증기가 대부분 응축될 때까지 계속됩니다.그런 다음 밸브가 닫혔고, 메인 실린더의 작동은 기존의 뉴코멘 엔진에서처럼 계속되었다.파워 실린더가 작동 온도로 계속 유지되었기 때문에 피스톤이 위로 당겨지는 즉시 시스템이 또 다른 스트로크를 수행할 준비가 되었습니다.온도를 유지하는 것은 증기가 들어가는 실린더 주변의 재킷이었다.와트는 1765년에 작업용 모델을 생산했다.

이것이 큰 발전이라고 확신한 Watt는 설계에 임하는 동안 벤처 캐피털을 제공하기 위해 파트너십을 맺었습니다.와트는 이 한 번의 개선으로 만족하지 못하고 엔진의 거의 모든 부분에 대한 일련의 다른 개선 작업에 지칠 줄 모르고 임했습니다.와트는 소형 진공 펌프를 추가하여 증기를 실린더에서 콘덴서로 끌어냄으로써 시스템을 더욱 개선하여 사이클 시간을 더욱 개선했습니다.뉴코멘 설계의 보다 근본적인 변화는 실린더의 상단을 닫고 피스톤 위에 저압 증기를 도입하는 것이었습니다.그 힘은 기압과 진공의 차이 때문이 아니라증기와 진공의 압력에 의한 것입니다.이것은 다소 높은 값입니다.상향 리턴 스트로크 시, 상단의 증기가 파이프를 통해 피스톤 하부로 전달되어 하향 스트로크를 위해 응축될 준비가 되었습니다.Newcomen 엔진의 피스톤은 상부에 소량의 물을 유지함으로써 씰링되었습니다.증기의 존재로 인해 와트의 엔진에서는 더 이상 이것이 가능하지 않았습니다.와트는 효과가 있는 물개를 찾기 위해 상당한 노력을 기울였고, 결국 타우와 기름을 섞어서 얻었어요.피스톤 로드는 또한 비슷한 방식으로 [25]씰링된 상단 실린더 커버의 글랜드를 통과합니다.

피스톤 씰링 문제는 충분히 둥근 실린더를 생산할 방법이 없었기 때문입니다.와트는 주철로 실린더를 천공하려고 했지만 너무 동그랗게 되어 있었다.와트는 망치로 두드려진 [26]철제 실린더를 사용해야만 했다.다음 인용문은 Roe(1916)에서 인용한 것입니다.

"[존] 스미튼이 처음 엔진을 보았을 때, 그는 "이렇게 복잡한 기계를 충분히 정밀하게 제조할 수 있는 도구도 장인도 존재하지 않는다"[26]고 기술자 협회에 보고했다."

와트는 마침내 1774년에 출시하기에 충분한 디자인을 고려했고, 와트 엔진은 시장에 출시되었습니다.설계의 일부가 기존 뉴코멘 엔진에 쉽게 장착될 수 있었기 때문에 광산에서 완전히 새로운 엔진을 만들 필요가 없었습니다.대신 와트와 그의 사업 파트너인 매튜 불튼은 연료비 절감으로 절약되는 비용의 일부를 엔진 운영자에게 청구하면서 이러한 개선 사항을 승인했다.디자인은 매우 성공적이었고, Boulton and Watt 회사는 디자인을 허가하고 새로운 제조업체들이 엔진을 제작하는 것을 돕기 위해 설립되었습니다.두 회사는 이후 소호 주조 공장을 열어 자체 엔진을 생산하게 되었습니다.

1774년, 존 윌킨슨은 당시 사용된 캔틸레버 보어와는 달리, 양 끝에 지지된 보링 공구를 지탱하는 축이 있는 보링 기계를 발명했다.이 기계로 그는 1776년 [26]불튼과 와트의 첫 상용 엔진 실린더를 성공적으로 뚫을 수 있었다.

와트는 그의 디자인을 개선하는 것을 멈추지 않았다.이를 통해 작동 사이클 속도가 더욱 향상되었고, 거버너, 자동 밸브, 복동 피스톤, 다양한 회전 동력 이륙 및 기타 많은 개선 사항이 도입되었습니다.와트의 기술은 고정식 증기 [27]엔진을 상업적으로 널리 사용할 수 있게 했다.

험프리 게인스버러(Humphrey Gainsborough)는 1760년대에 응축식 증기 엔진을 생산했는데, 그는 이것을 달 협회의 회원인 리차드 러벨 에지워스(Richard Lovell Edgeworth)에게 보여주었다.게인스버러는 와트가 그의 아이디어를 [28]발명에 사용했다고 믿었지만, 제임스 와트는 이 시기에 달 협회의 회원이 아니었고 최종 설계로 이어지는 사고 과정을 설명하는 그의 많은 설명은 이 이야기를 부정하는 경향이 있다.

저압, 실린더 변위, 연소 및 증발 속도, 콘덴서 용량에 의해 전력은 여전히 제한되었습니다.이론적으로 최대 효율은 피스톤 양쪽에 있는 상대적으로 낮은 온도 차이로 인해 제한되었습니다. 즉, 와트 엔진이 사용 가능한 양의 출력을 제공하려면 첫 번째 생산 엔진이 매우 커야 했고 따라서 제작 및 설치 비용이 많이 들었습니다.

와트 복동 및 회전 엔진

상세 정보:회전 빔 엔진

와트는 증기가 피스톤을 양방향으로 구동하는 복동 엔진을 개발하여 엔진 속도와 효율을 높였습니다.복동 원리는 또한 주어진 물리적 크기의 [29][30]엔진의 출력을 크게 증가시켰습니다.

Boulton & Watt는 왕복 엔진을 회전식 엔진으로 개발했습니다.뉴코멘 엔진과 달리 와트 엔진은 태양 및 유성 기어를 통해 구동축에 연결되어 이중 작동 응축 실린더와 함께 회전 동력을 제공할 수 있을 정도로 부드럽게 작동합니다.가장 초기의 예는 데모레이터로 제작되었으며 버튼의 래핑(광택) 또는 이와 유사한 기계를 작동시키기 위해 Boulton의 공장에 설치되었습니다.이러한 이유로 그것은 항상 [31][32]랩 엔진으로 알려져 있었다.초기 증기 엔진에서 피스톤은 보통 플라이휠이 아닌 로드 방식으로 균형 잡힌 빔에 연결되며, 따라서 이러한 엔진은 빔 엔진으로 알려져 있습니다.

초기의 증기 엔진은 면방적과 같은 중요한 작업에 충분한 일정한 속도를 제공하지 못했습니다.속도를 제어하기 위해 엔진은 물레방아에 물을 퍼올려 기계에 동력을 공급하기 위해 사용되었습니다.[33][34]

고압 엔진

18세기가 진행되면서, 더 높은 압력에 대한 요구가 제기되었다; 이것은 와트가 다른 사람들이 고압 엔진을 만들어 자동차에 사용하는 것을 막기 위해 그에게 특허권을 준 독점권을 사용한 것에 의해 강하게 저항되었다.그는 당시의 보일러 기술, 제조 방식, 사용된 재료의 강도를 믿지 않았다.

고압 엔진의 중요한 장점은 다음과 같습니다.

  1. 소정의 출력에 대해서, 종래보다 훨씬 작게 할 수 있습니다.따라서 자신과 다른 물체를 추진하기에 충분히 작고 강력한 증기 엔진이 개발될 가능성이 있었다.그 결과, 수송을 위한 증기 동력은 이제 화물 사업, 여행, 군사 전략, 그리고 근본적으로 사회의 모든 측면에 혁명을 일으킨 배와 육상 차량의 형태로 실용화 되었다.
  2. 크기가 작았기 때문에, 그것들은 훨씬 덜 비쌌다.
  3. 대기 엔진에 필요한 응축기 냉각수를 많이 필요로 하지 않았다.
  4. 고속으로 동작하도록 설계할 수 있기 때문에 기계의 동력을 공급하는 데 보다 적합합니다.

단점은 다음과 같습니다.

  1. 저압 범위에서는 특히 증기가 확장적으로 사용되지 않는 경우 응축 엔진보다 효율이 낮았습니다.
  2. 그들은 보일러 폭발에 더 민감했다.

고압 증기 엔진과 저압 증기 엔진이 작동하는 방식의 주된 차이는 피스톤을 움직이는 힘의 원천입니다.뉴코멘과 와트의 엔진에서 대부분의 압력 차이를 만드는 것은 수증기의 응축이며, 대기압(뉴코멘)과 저압증기(보일러 [35]압력 7psi 이상)와 응축기[36] 진공(와트)이 피스톤을 움직이게 합니다.고압 엔진에서 대부분의 압력 차이는 보일러에서 나오는 고압 증기에 의해 발생합니다. 피스톤의 저압측은 대기압이거나 콘덴서 압력에 연결될 수 있습니다.뉴코멘의 지표 다이어그램은 거의 200년 후에 다시 부활하여 엔진 출력의 약 20%를 3중 팽창 엔진의 저압 실린더가 다시 거의 완전히 대기 [37]라인 아래로 기여하게 될 것이다.

"강력한 증기"의 첫 번째 주창자는 1725년경 백과사전 작품들에 등장한 엔진에 대한 그의 계획에서 제이콥 루폴드였다.증기 추진 보트와 차량을 위한 다양한 프로젝트도 세기에 걸쳐 나타났는데, 가장 유망한 것 중 하나는 1769년 그의 "증기 마차"를 보여준 니콜라스-조셉 쿠그노(Nicolas-Joseph Cugnot)의 건조였다.이 차량에 사용되는 작동 압력은 알려지지 않았지만, 보일러의 크기가 작기 때문에 증기를 올리기 위해 멈춰야 하기 전에 한 번에 수백 미터 이상 전진할 수 있는 증기 생산 속도가 부족했습니다.다른 프로젝트와 모델들이 제안되었지만, 윌리엄 머독의 1784년 모델처럼, 많은 것들이 불튼과 와트에 의해 저지되었다.

이것은 미국에서는 적용되지 않았고, 1788년 존 피치가 만든 증기선이 펜실베이니아 필라델피아와 뉴저지 벌링턴 사이의 델라웨어 강을 따라 30명의 승객을 태우며 정기 상선 운항을 했다.이 보트는 일반적으로 시간당 7~8마일을 달릴 수 있으며 짧은 기간 동안 2,000마일(3,200km) 이상을 주행했습니다.피치 증기선은 상업적으로 성공하지 못했는데, 이 항로는 비교적 좋은 왜건 도로로 충분히 덮여 있었기 때문이다.1802년 윌리엄 시밍턴은 실용적인 증기선을 만들었고, 1807년 로버트 풀튼은 상업적으로 성공한 최초의 증기선에 [citation needed]동력을 공급하기 위해 와트 증기 엔진을 사용했다.

올리버 에반스는 보트 엔진과 정지용도에 적용하는 "강력 증기"를 선호했다.그는 원통형 보일러의 선구자였지만, 에반스의 보일러는 몇 번의 심각한 보일러 폭발을 겪었고, 이는 와트의 거리낌에 무게를 두는 경향이 있었다.그는 1811년 [38]펜실베니아 피츠버그에서 피츠버그 증기 기관 회사를 설립했습니다.그 회사는 미시시피 유역의 강 보트 거래에 고압 증기 엔진을 도입했다.

최초의 고압 증기 엔진은 1800년 리처드 트레비틱에 [39]의해 발명되었다.

열역학적 관점에서 수증기를 압력 하에서 올리는 것의 중요성은 수증기가 더 높은 온도에 도달한다는 것입니다.따라서 고압 증기를 사용하는 엔진은 저압 진공 엔진보다 더 높은 온도와 압력 차이에서 작동합니다.따라서 고압 엔진은 왕복 증기 기술의 발전의 기초가 되었다.그렇다 하더라도 1800년 경에 "고압"은 오늘날 매우 낮은 압력으로 간주될 수 있는 40-50psi(276-345kPa)에 달했다. 즉, 문제의 고압 엔진은 오직 증기의 팽창력에 의해서만 구동되며, 증기가 작동한 후에는 보통 더 높은 압력으로 배출된다.대기압굴뚝으로 유입되는 배기 증기의 폭발을 이용하여 화격자를 통해 유도 통풍을 일으키고 연소 속도를 증가시켜 작은 용해로에서 더 많은 열을 발생시킬 수 있습니다. 단, 피스톤의 배기 측에 역압을 발생시킵니다.

1804년 2월 21일, 사우스웨일스 머티어 타이드필의 페니다렌 제철소에서 리처드 트레비틱이 만든 최초의 자주식 철도 증기 기관차 또는 증기 기관차가 [40]시연되었다.

코니쉬 엔진 및 컴파운딩

주요 기사:콘월 증기 엔진 및 복합 엔진
Trevithick 펌프 엔진(코니쉬 시스템).

1811년경, 리차드 트레비틱은 그의 새로운 원통형 콘월 보일러 중 하나에 적용하기 위해 와트 펌핑 엔진을 업데이트해야 했습니다.트레비틱이 1816년 남아메리카로 떠났을 때, 그의 개선은 윌리엄 심스에 의해 계속되었다.이와 동시에 Arthur Woolf는 두 개의 실린더를 가진 복합 엔진을 개발하여 증기가 저압 실린더로 방출되기 전에 고압 실린더에서 팽창하도록 했습니다.효율은 보일러, 엔진 및 파이프를 [41]단열시킨 Samuel Groase에 의해 더욱 향상되었습니다.

피스톤 위의 증기 압력은 결국 40psi(0.28MPa) 또는 심지어 50psi(0.34MPa)까지 증가했으며, 이제 하향 행정에 많은 전력을 공급하게 되었습니다. 동시에 응축이 개선되었습니다.이로 인해 효율이 상당히 높아졌고, 19세기 내내 코니쉬 시스템의 펌핑 엔진(종종 코니쉬 엔진으로 알려져 있음)이 계속 새롭게 제작되었다.구형 와트 엔진은 적합하도록 업데이트되었습니다.

석탄이 저렴한 섬유 제조 지역에서는 엔진 자본 비용이 높고, 엔진 마모가 심해 이러한 콘월식 개선의 속도가 느렸다.변화는 1830년대에야 시작되었고, 보통 다른 (고압)[42] 실린더를 추가함으로써 복합화 되었다.

초기 증기 엔진의 또 다른 한 가지 제한 사항은 속도 가변성으로 인해 많은 섬유 용도, 특히 회전에는 적합하지 않았습니다.안정된 속도를 얻기 위해, 초기의 증기 동력 직물 공장들은 증기 엔진을 사용하여 물을 물레방아에 퍼올렸고,[43] 물레방아는 기계를 작동시켰다.

이 엔진들 중 많은 것들이 전 세계에 공급되었고 석탄 소비량을 크게 줄이면서 오랜 세월 동안 안정적이고 효율적인 서비스를 제공했습니다.그 중 일부는 매우 컸고 그 형태는 1890년대까지 계속 만들어졌다.

콜리스 엔진

주요 기사: Corliss 증기 엔진
"고든의 개선된 콜리스 밸브 기어", 상세도손목 플레이트는 로드가 4개의 밸브 각각으로 방사되는 중앙 플레이트입니다.

콜리스 증기 기관 (특허 1849년)은 제임스 [44]와트 이후 가장 큰 개선으로 불렸다.콜리스 엔진은 속도 제어와 효율이 크게 향상되어 스피닝을 포함한 모든 산업 분야에 적합했습니다.

콜리스는 증기 공급과 배기가스를 위해 별도의 포트를 사용했는데, 이는 뜨거운 증기가 사용하는 통로를 배기가 식히는 것을 막았습니다.Corliss는 또한 부분적으로 회전하는 밸브를 사용하여 빠른 동작을 제공하여 압력 손실을 줄였습니다.밸브 자체도 마찰 감소의 원인이었으며, 특히 일반적으로 엔진 [45]출력의 10%를 사용하는 슬라이드 밸브와 비교하면 더욱 그러했습니다.

Corliss는 자동 변수 컷을 사용했습니다.밸브 기어는 가바나(Governor)를 사용하여 엔진 속도를 제어하여 차단 타이밍을 변화시킵니다.이는 향상된 속도 제어와 더불어 효율성 향상에 부분적으로 영향을 미쳤습니다.

상세 정보:증기 기관

포터-앨런 고속 증기 엔진

상세 정보:고속 증기 기관
포터-앨런 고속 엔진플라이휠의 왼쪽 전면에 있는 포터 조속기를 보려면 확대하십시오.

1862년에 도입된 Porter-Allen 엔진은 탁월한 능력을 가진 기계공 Allen이 Porter를 위해 개발한 고급 밸브 기어 메커니즘을 사용했으며 처음에는 일반적으로 Allen 엔진으로 알려졌습니다.고속 엔진은 기계와 제조 [45]기술의 진보로 이루어진 균형 잡힌 정밀 기계였습니다.

고속 엔진은 일반 엔진보다 3~5배 빠른 피스톤 속도로 작동했다.속도 변동도 낮았다.고속 엔진은 원형톱에 동력을 공급하기 위해 제재소에서 널리 사용되었다.나중에 그것은 전기 발전에 사용되었다.

그 엔진은 몇 가지 장점이 있었다.경우에 따라서는 직접 결합될 수도 있습니다.만약 기어나 벨트, 드럼을 사용한다면, 그것들은 훨씬 더 작은 크기일 수 있다.엔진 자체도 발전된 [45]출력에 비해 작았다.

Porter는 회전 중량을 줄이고 샤프트 주위에 무게를 더함으로써 플라이볼 조속기를 크게 개선했습니다.이로써 스피드 컨트롤이 대폭 개선되었습니다.포터의 주지사는 [citation needed]1880년에 선두주자가 되었다.

포터-앨런 엔진의 효율은 좋았지만 콜리스 [8]엔진과 동등하지는 않았다.

유니플로(또는 유니플로) 엔진

주요 기사:유니플로우 증기 엔진

유니플로 엔진은 가장 효율적인 유형의 고압 엔진이었다.그것은 1911년에 발명되었고 배에서 사용되었지만 증기 터빈과 이후 해양 디젤 [46][47][48][12]엔진으로 대체되었다.

레퍼런스

  1. ^ "그럴듯해"브리태니커 백과사전.2007년 브리태니커 백과사전 온라인 7월 18일
  2. ^ Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
  3. ^ 헤론 알렉산드리누스 (알렉산드리아의 영웅) (62 CE): 스피리탈리아 세우 공압.1998년 뮌헨 K G Saur GmbH 전재.ISBN 3-519-01413-0.
  4. ^ a b c Dayton, Fred Erving (1925). "Two Thousand Years of Steam". Steamboat Days. Frederick A. Stokes company. p. 1.
  5. ^ Hero of Alexandria (1851). "Temple Doors opened by Fire on an Altar". Pneumatics of Hero of Alexandria. Bennet Woodcroft (trans.). London: Taylor Walton and Maberly (online edition from University of Rochester, Rochester, NY). Archived from the original on 2008-05-09. Retrieved 2008-04-23.
  6. ^ "Thurston, Robert (1878), "A history of the growth of the steam engine"". History.rochester.edu. 1996-12-16. Archived from the original on 1997-06-29. Retrieved 2012-01-26.
  7. ^ Thurston, Robert Henry (1996). A History of the Growth of the Steam-Engine (reprint ed.). Elibron. p. 12. ISBN 1-4021-6205-7.
  8. ^ a b Taqi al-Din과 첫 증기 터빈, 1551년.2008-02-18 Wayback Machine, 2009년 10월 23일 회선에 접속된 웹 페이지. 이 웹 페이지는 Ahmad Y Hassan(1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, 34-5 페이지, Aleppo 대학 아랍어 과학사 연구소를 참조합니다.
  9. ^ "University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one". History.rochester.edu. Archived from the original on 2012-02-04. Retrieved 2012-01-26.
  10. ^ Robert Henry Thurston, 증기기관의 성장사, D.Appleton and company, 1903, Google Print, 페이지 15-16 (공개 도메인)
  11. ^ Garcia, Nicolas (2007). Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia. pp. 443–454. ISBN 9788437067919.
  12. ^ a b McNeil, Ian (1990). An Encyclopedia of the History of Technology. London: Routledge. ISBN 0-415-14792-1.
  13. ^ a b c d e f g h Johnson, Steven (2008). The Invention of Air: A story of Science, Faith, Revolution and the Birth of America. New York: Riverhood Books. ISBN 978-1-59448-852-8.
  14. ^ 트레드골드, 3페이지
  15. ^ Thurston, Robert Henry (1883). A History of the Growth of the Steam-Engine. London: Keegan Paul and Trench (reprinted Adamant 2001). pp. 21–22. ISBN 1-4021-6205-7.
  16. ^ a b 트레드골드, 6페이지
  17. ^ a b Landes, David. S. (1969). The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present. Cambridge, New York: Press Syndicate of the University of Cambridge. ISBN 0-521-09418-6.
  18. ^ a b L. T. C. Rolt와 J. S. Allen, Thomas Newcomen의 증기 엔진(랜드마크 출판, Ashbourne 1997).
  19. ^ P. W. King. "Black Country Mining before the Industrial Revolution". Mining History: The Bulletin of the Peak District Mines History Society. 16 (6): 42–3.
  20. ^ Jenkins, Rhys (1936). Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge (1st), Books for Libraries Press (2nd): The Newcomen Society at the Cambridge University Press. ISBN 0-8369-2167-4The Colected Papers of Rhys Jenkins, Former Senior Examiner in the British Patent Office{{cite book}}: CS1 maint: 위치(링크) CS1 maint: 포스트스크립트(링크)
  21. ^ "Phil. Trans. 1751-1752 47, 436-438, published 1 January 1751". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 47: 436–438. 31 December 1752. doi:10.1098/rstl.1751.0073. S2CID 186208904.
  22. ^ Hulse David K(1999) : "증기 엔진의 초기 개발"; TEE 출판사, Leamington Spa, 영국, ISBN, 85761 107 1
  23. ^ "Paxton Engineering Division Report (2 of 3)". Content.cdlib.org. 2009-10-20. Retrieved 2012-01-26.
  24. ^ 트레드골드, 21-24페이지
  25. ^ "Energy Hall See 'Old Bess' at work". Science Museum. Archived from the original on 2012-02-05. Retrieved 2012-01-26.
  26. ^ a b c 1926년 뉴욕과 런던의 McGraw-Hill에서 전재(LCCN 27-24075), 일리노이주 브래들리의 Lindsay Publications, Inc.에서 전재Roe, Joseph Wickham (1916), English and American Tool Builders, New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753(ISBN 978-0-917914-73)
  27. ^ Ogg, David. (1965), Ancien 체제의 유럽: 1715-1783 폰타나 유럽사 (117페이지 및 283)
  28. ^ Tyler, David (2004) :옥스퍼드 국립 전기 사전옥스퍼드 대학 출판부
  29. ^ Ayres, Robert (1989). "Technological Transformations and Long Waves" (PDF): 13. Archived from the original (PDF) on 2012-03-01. Retrieved 2015-12-08. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  30. ^ Rosen, William (2012). The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University Of Chicago Press. p. 185. ISBN 978-0226726342.
  31. ^ "The "Lap engine" in the Science Museum Group collection". collection.sciencemuseumgroup.org.uk. Retrieved 2020-05-11.
  32. ^ Hulse, David K., 스팀파워에 의한 회전운동 개발(TEE Publishing Ltd., Leamington, 2001) ISBN 1-85761-119-5.
  33. ^ 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. 47. ISBN 978-0-8018-9141-0.
  34. ^ Bennett, S. (1979). A History of Control Engineering 1800-1930. London: Peter Peregrinus Ltd. p. 2. ISBN 0-86341-047-2.
  35. ^ https://archive.org/stream/cu31924004249532#page/n45/mode/2up 페이지 21
  36. ^ "스팀 엔진 - 왕복 엔진의 간단한 역사, R.J. Law, 과학 박물관, 영국 여왕의 문구 사무실, ISBN 0 11 290016 X, 페이지 12"
  37. ^ "Member Login - Graces Guide" (PDF).
  38. ^ Meyer, David R (2006). Networked machinists: high-technology industries in Antebellum America. Johns Hopkins studies in the history of technology. Baltimore: Johns Hopkins University Press. p. 44. ISBN 978-0-8018-8471-9. OCLC 65340979.
  39. ^ "Engineering Timelines - Richard Trevithick - High pressure steam".
  40. ^ 영, 로버트: "Timothy Hackworth and the Loconotive"; 영국 루이스 북길드 주식회사(2000년) (1923년 개정판) 페이지 18-21
  41. ^ Nuvolari, Alessandro; Verspagen, Bart (2007). "Lean's Engine Reporter and the Cornish Engine". Transactions of the Newcomen Society. 77 (2): 167–190. doi:10.1179/175035207X204806. S2CID 56298553.
  42. ^ Nuvolari, Alessandro; Verspagen, Bart (2009). "Technical choice, innovation and British steam engineering, 1800-1850". Economic History Review. 63 (3): 685–710. doi:10.1111/j.1468-0289.2009.00472.x. S2CID 154050461.
  43. ^ 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. pp. 83–85. ISBN 978-0-8018-9141-0.
  44. ^ 톰슨, 페이지 83-85
  45. ^ a b c Hunter, Louis C. (1985). A History of Industrial Power in the United States, 1730-1930, Vol. 2: Steam Power. Charlottesville: University Press of Virginia.
  46. ^ 헌터 & year-1985
  47. ^ McNeil, Ian (1990). An Encyclopedia of the History of Technology. London: Routledge. ISBN 0415147921.
  48. ^ Marc Levinson (2006). The Box: How the Shipping Container Made the World Smaller and the World Economy Bigger. Princeton Univ. Press. ISBN 0-691-12324-1.컨테이너 수송 시대의 엔진 유형에 대해 설명하지만 유니플로에 대해서는 언급하지 않습니다.

참고 문헌

추가 정보

Wikimedia Commons에는 증기 엔진의 역사와 관련된 미디어가 있습니다.