복식 기관

3. 역사

복식 기관은 여러 단계를 거쳐 동력을 얻는 엔진을 의미한다. 그러나 여러 단계를 사용하는 모든 엔진, 예를 들어 후기 단계를 터보차징과 같이 다른 목적으로만 사용하는 경우는 복식 기관으로 분류하지 않는다. 마찬가지로, 자유 피스톤 엔진으로 터빈을 구동하는 경우도 복식 기관이 아니다. 하지만 터보 컴파운드 엔진처럼 과급기가 샤프트 동력의 일부를 돌려받는 경우는 복식 기관에 해당한다.

'복식화'라는 용어는 '복식 기관'보다 더 넓은 개념으로, 대형 복합 터빈이나 가스 터빈의 여러 블레이드 열도 포함하지만, 이를 일반적으로 복식 기관이라 부르지는 않는다. 복식화를 사용하지 않는 엔진은 '단순 기관'(특히 증기 기관차) 또는 '단순 팽창 기관'(특히 선박 증기 기관)이라고 한다. 다만 증기 기관에서는 응축기를 사용하지 않는 기관을 '단순 기관'이라 칭하기도 하는데, 이는 와트 증기 기관과 뉴코먼 증기 기관의 주요 차이점 중 하나였다.

복식 기관의 개념은 증기 기관에서 먼저 발전했다. 조너선 혼블로워(Jonathan Hornblower)가 1781년 2실린더 복식 왕복동 증기 기관 특허를 취득했으나, 제임스 와트의 특허 문제로 더 이상 개발하지 못했다^[16]. 이후 1804년 영국의 기술자 아서 울프(Arthur Woolf)는 고압 증기를 먼저 사용하고 배출된 증기를 저압 실린더에서 다시 팽창시키는 방식의 복식 기관을 발명하여 1805년 특허를 취득했다.

울프의 발명 이후 복식 기관은 고정 증기 기관, 선박 증기 기관, 그리고 1850년대부터 일부 증기 기관차에 주로 유럽 대륙을 중심으로 적용되었다.^[1] 특히 선박 분야에서는 증기를 여러 단계에 걸쳐 팽창시키는 3단 팽창 기관이나 4단 팽창 기관이 개발되어 널리 사용되었다. 증기 기관차의 경우, 1850년 이스턴 카운티스 철도(Eastern Counties Railway)의 제임스 사무엘(James Samuel)이 "연속 팽창 기관차" 특허를 냈고^[17], 1867년 이리 철도의 No.122 기관차에 J.F. 레이(J.F. Lay)의 특허를 기반으로 탠덤식 복식 기관이 장착되는^[18] 등 초기 적용 사례가 있었다.

3. 1. 증기 기관

• LMS Compound 4-4-0
• NZR A급 (1906)
• LMS 6399 Fury
• 뷔르템베르크 Tssd
• 바이에른 S 3/6
• 일부 맬릿 기관차, 특히 초기 디자인
• 닐기리 산악 철도 X급

3. 2. 내연 기관

• 터보컴파운드 엔진
• * 트럭 및 기계 엔진
• * 항공기 엔진
• ** Napier Nomad
• ** Wright R-3350 Duplex-Cyclone: 단순 버전과 컴파운드 버전으로 모두 생산되었으며, 컴파운드 버전은 제2차 세계 대전 이후 Lockheed Constellation을 포함한 많은 항공기에 동력을 공급했다.^[8][9]
• ** Dobrynin VD-4K 항공기 엔진

4. 구성

복식 기관은 일반적으로 증기가 먼저 고압 실린더나 터빈에서 팽창하여 열과 압력을 운동 에너지로 변환한 뒤, 이어서 저압 실린더나 터빈으로 보내져 다시 한번 열과 압력을 운동 에너지로 변환하는 방식으로 작동한다. 이처럼 고압부와 저압부가 순서대로 작동하기 때문에 직렬로 작동한다고 표현하기도 한다. 이는 증기를 여러 실린더나 터빈에 동시에 분배하여 병렬로 작동시키는 단식 기관과는 대조적이다.

단식 기관은 급기압과 배기압의 차이가 클 경우, 충분한 에너지를 얻기 위해 왕복식에서는 실린더 전체를 고압에 견디도록 튼튼하게 만들어야 하고, 터빈식에서는 고압과 저압의 서로 다른 기술적 요구를 하나의 케이스 안에서 해결해야 하는 어려움이 있다. 또한, 두 방식 모두 큰 압력 차이로 인해 배기 과정에서 응축수가 발생하면 에너지 손실이 생기고^[14] 기관 내부에 문제를 일으킬 수 있어 이를 빠르게 배출해야 한다. 복식 기관은 이러한 단점을 보완하기 위해 개발되었다.

참고로, 피스톤의 상하 양쪽에서 증기를 공급하는 복동식 기관(double-acting cylinder)과는 다른 개념이므로 혼동하지 않도록 주의해야 한다.

복식 기관의 구체적인 구성은 사용 분야에 따라 특징을 보인다.

• 증기 기관차: 왕복식 복식 기관에서는 고압 실린더와 저압 실린더의 힘 균형을 맞추기 위해 용적 비율을 신중하게 결정해야 한다. 일반적으로 저압 실린더의 직경이나 스트로크 길이, 혹은 둘 다를 고압 실린더보다 크게 만든다. 응축이 일어나지 않는 기관의 경우, 고압 대 저압 실린더의 용적비는 보통 1:2.25 정도이다. 다만, 기어드 로코와 같이 특수한 경우에는 저압 측 피스톤 속도를 빠르게 조절하여 실린더 용적을 비슷하게 만들기도 한다.
• 증기선: 19세기 말 이후 선박용 왕복식 증기 기관에서는 고압, 중압, 저압 실린더를 갖춘 3단 팽창식이 주류를 이루었다. 기관차와 달리 여러 실린더가 하나의 증기 엔진 안에 통합되어 있었으며, 실린더 직경을 다르게 설계하여 압력 감소 단계에 맞춰 회전 토크를 효과적으로 얻도록 했다.^[16]

4. 1. 2 실린더 복식 기관

• 2개의 실린더에서 고압과 저압 작동이 교대로 이루어지는 ‘연속 팽창 기관차’ (사무엘(Samuel)/니콜슨(Nicholson))^[15]
• 고압 실린더 1개와 저압 실린더 1개를 사용하는 방식 (말레이, 보클랭(Vauclain), 보리스(Borries), 린드너(Lindner), 골스도르프(Golsdorf), 하드너(Herdner))

4. 2. 3 실린더 복식 기관

• 고압 실린더 2개, 저압 실린더 1개
• 대표 기술자: 웹 (Francis Webb|프랜시스 웹^영어)
• 고압 실린더 1개, 저압 실린더 2개
• 대표 기술자: 소바쥬 (Sauvage), 클로제 (Adolf Klose|아돌프 클로제^영어), 와이어만 (Weyermann), 스미스 (Walter Mackersie Smith|월터 매커시 스미스^영어), 존슨 (Samuel W. Johnson|새뮤얼 W. 존슨^영어), 딜리 (Richard Deeley|리처드 딜리^영어), 샤프로, 포르타

4. 3. 3 실린더 3단 팽창 복식 기관

4. 4. 4 실린더 3단 팽창 복식 기관

4. 5. 4 실린더 복식 기관

• 고압 실린더 2개, 저압 실린더 2개 (de Glehn|드 글렌^fra, Barbier|바르비에^fra, Borries|보리스^deu, Golsdorf|골스도르프^deu, Vauclain|보클랭^eng, Mallet|말레이^fra(관절식 증기 기관차))

• 2개 이상의 축을 구동하기 위해 엇갈리게 배치.
• 1개의 축에 동력을 집중시키기 위해 일렬로 정렬.
• 공통의 크랭크를 구동하기 위해 고압 실린더와 저압 실린더를 종렬로 배치. (이 방식은 20세기 초 미국, 특히 아치슨, 토피카 & 산타페 철도에서 주로 사용되었다.)

4. 6. 6 실린더 복식 기관

5. 증기 기관차에서의 복식 기관

증기 기관차의 효율 향상을 위해 도입된 복식 증기 기관은 증기를 고압 실린더에서 1차 팽창시킨 후, 배출된 증기를 저압 실린더에서 다시 팽창시켜 동력을 얻는 방식이다. 이를 통해 증기 에너지를 더 효과적으로 활용하여 연료와 물 소비를 줄이고, 높은 출력 대 중량비를 달성할 수 있었다.^[15] 또한, 토크 출력이 비교적 균일하여 승차감이 부드럽고 선로 부담이 적다는 장점도 있었다.

하지만 구조가 복잡하고 초기 비용이 높았으며, 최적 성능을 위해 숙련된 조작이 필요했다. 긴 증기 통로에서의 온도 저하와 응축, 유지보수의 어려움도 단점으로 지적되었다. 이후 과열 증기 기술이 발전하면서 구조가 더 간단한 단식 기관으로도 비슷한 효율을 낼 수 있게 되자 점차 경쟁력을 잃었다.

증기 기관차에는 다양한 복식 기관 구성 방식이 적용되었다. 대표적으로는 두 개의 독립된 차대에 고압 및 저압 실린더를 배치한 말렛 기관차, 고압과 저압 실린더를 나란히 두고 하나의 피스톤 밸브로 제어한 보클랭식 기관차, 4개의 실린더(고압 2, 저압 2)를 사용한 드 글렌(de Glehn)식 기관차 등이 있다.^[15] --

19세기 말부터 20세기 초까지 유럽을 중심으로 복식 기관차가 널리 사용되었으나, 앞서 언급한 단점들과 과열 증기 기술의 발달로 점차 쇠퇴했다. 그럼에도 앙드레 샤프롱이나 리비오 단테 포르타 같은 기술자들은 증기 흐름 개선, 재과열기 도입 등 개량을 통해 복식 기관의 성능 향상을 시도했으며, 일부 말렛 기관차는 예외적으로 1952년까지 제작되기도 했다.

5. 1. 장점과 과제

5. 2. 구성

5. 3. 역사

5. 4. 한국의 증기 기관차

6. 선박용 증기 기관

증기선 추진에 사용된 증기 기관은 복식 기관 기술이 활발하게 적용된 대표적인 분야이다. 선박은 장거리 운항을 위해 연료 효율성을 높이는 것이 중요했기 때문에, 증기를 여러 단계에 걸쳐 팽창시켜 에너지를 최대한 활용하는 복식, 특히 다단 팽창 방식이 선호되었다.

초기 선박용 기관은 단순 팽창 방식이었으나, 점차 효율성을 높이기 위해 2단 팽창 복식 기관이 도입되었다. 19세기 후반, 특히 1880년대 이후에는 기술 발전에 힘입어 3단 팽창 및 4단 팽창 기관이 등장하여 주력으로 사용되었다. 이러한 다단 팽창 기관의 발전은 복수기의 도입과 밀접한 관련이 있다. 복수기를 통해 사용된 증기를 물로 응축시켜 재사용하는 폐쇄 사이클 시스템을 구축함으로써 보일러에 깨끗한 담수를 공급할 수 있게 되었고, 이는 고압 증기 사용과 기관의 효율성 및 내구성 향상에 크게 기여했다.

선박용 다단 팽창 기관은 일반적으로 고압, 중압, 저압 실린더를 직렬로 배치하는 형태를 가졌다. 증기는 고압 실린더에서 1차 팽창한 후, 다음 단계의 더 큰 실린더로 이동하여 추가 팽창하는 과정을 반복한다. 각 단계의 실린더는 증기 압력 감소에 맞춰 직경이나 행정 거리를 점차 늘려, 각 단계에서 비슷한 수준의 일을 하도록 설계되었다. 이를 통해 증기 에너지를 최대한 활용하고 크랭크축에 균일한 회전력을 전달할 수 있었다. 공간이 제한적인 경우 저압 단계를 두 개의 작은 실린더로 나누어 배치하는 방식도 사용되었다.

특히 3단 팽창 기관은 상선과 군함 모두에서 널리 채택되어 큰 성공을 거두었으며,^[2][3] 이후 증기 터빈이 보편화되기 전까지 대형 선박의 주요 동력원으로 활약했다. 일부 대형 여객선에서는 3단 팽창 기관에서 배출된 저압 증기를 다시 이용하여 저압 터빈을 돌리는 복합 시스템을 구축하여 효율을 더욱 높이기도 했다.

6. 1. 역사

6. 2. 예시

• LMS Compound 4-4-0
• NZR A class (1906)
• LMS 6399 Fury
• Württemberg Tssd
• Bavarian S 3/6
• 일부 Mallet 기관차, 특히 초기 디자인
• Nilgiri Mountain Railway X class

• 트럭 및 기계 엔진
• 항공기 엔진
• * Napier Nomad
• * Wright R-3350 Duplex-Cyclone: 단순형과 복합형으로 생산되었으며, 복합형은 제2차 세계 대전 이후 Lockheed Constellation 등 많은 항공기에 사용되었다.^[8][9]
• * Dobrynin VD-4K 항공기 엔진

• 교차 복식 증기 구동 공기 압축기: 예) Westinghouse 8 1/2" 150-D, 대형 미국 기관차에 사용됨^[10]
• 대부분의 트랙션 엔진
• Rolls Royce R6 복합 왕켈 엔진^[11]

7. 기타 응용 분야

• '''기관차'''

• '''선박'''

7. 1. 트랙션 엔진

7. 2. 정치식 복식 기관

8. 주요 발명가 및 설계자

• 아서 울프
• 아나톨 말레
• 알프레드 드 글렌
• 요제프 안톤 마페이
• 가스통 뒤 부스케
• 앙드레 샤펠롱

참조

_[1] 웹사이트 The Evolution of Compound Locomotives http://mikes.railhis[...] 2012-12-07
_[2] 서적 Biographical Dictionary of the History of Technology https://books.google[...] Routledge
_[3] 웹사이트 The Friends of Dundee City Archives - Marine Engineering 1814-1984 by David Middleton https://web.archive.[...] 2013-08-08
_[4] 서적 Technology in War
_[5] 간행물 The late Mr J. W. Reed http://www.gracesgui[...] 1932-03-18
_[6] 웹사이트 Compound Internal Combustion Engines http://www.douglas-s[...]
_[7] 문서 Fifty free horsepower customer brochure http://www.demanddet[...] 2012-12-07
_[8] 웹사이트 http://www.enginehis[...] 2012-12-09
_[9] 웹사이트 http://www.supercons[...] 2012-12-09
_[10] 문서 1941 Locomotive Cyclopedia of American Practice, Eleventh Edition Simmons-Boardman Publishing Corporation
_[11] 웹사이트 http://www.der-wanke[...] 2012-12-07
_[12] 간행물 The Compound locomotive, Parts 1, 2, 3
_[13] 서적 Compound Locomotives Atlantic Transport Publishers
_[14] 서적 日本の戦艦　下 グランプリ出版 2001-07-11
_[15] 서적 Railway Machinery Blackie and Son Limited
_[16] 웹사이트 Encyclopædia Britannica Online 2007-03-29
_[17] 서적 Compound Engines facsimile reprint Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library
_[18] 서적 A History of the American Locomotive, Its Development: 1830-1880 Johns Hopkins Press
_[19] 웹사이트 Chapelon's 4 8 0 P, 2 12 0 A 1, 4 8 4 A 1, 2 8 2 E 113. http://thierry.stora[...] 2006-11-24
_[20] 웹사이트 トヨタ産業技術記念館の蒸気機関 http://www.tcmit.org[...]