해양증기기관

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1. 개요

해양 증기 기관은 1800년대 초반부터 20세기 초반까지 증기선에 동력을 공급하는 데 사용된 증기 기관을 의미한다. 1802년 윌리엄 심ington이 실용적인 증기선인 샬럿 던다스를 건조하면서 해양 증기 기관이 등장했고, 로버트 풀턴이 1807년 상업적으로 성공한 증기선 노스 리버를 건조하면서 기술이 발전했다. 해양 증기 기관은 연결 메커니즘과 실린더 기술에 따라 다양한 유형으로 분류되었으며, 초기에는 사이드 레버 엔진이 널리 사용되었으나, 스크류 프로펠러의 등장과 함께 더욱 효율적인 직동 엔진과 복합, 3단 팽창 엔진으로 발전했다. 19세기 말에는 수직형 엔진이 지배적으로 사용되었으며, 대한민국은 1882년 일본에서 최초의 증기선을 도입하면서 해상 운송 능력을 강화했다.

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해양증기기관
개요
해양 증기 엔진의 다이어그램.
종류	증기 기관
용도	선박 추진
발명 시기	18세기 후반
작동 원리
연료	석탄, 석유, 핵에너지
열원	보일러에서 생성된 증기
동력 전달	피스톤, 크랭크축, 프로펠러 샤프트
배기	굴뚝을 통해 대기로 배출
주요 구성 요소
보일러	증기 생성
실린더	증기 압력을 기계적 에너지로 변환
피스톤	실린더 내에서 왕복 운동
크랭크축	피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환
플라이휠	회전 운동을 안정화
밸브 기어	증기 흐름 제어
콘덴서 (응축기)	폐증기를 물로 냉각하여 재사용 (선택 사항)
역사
초기 개발	18세기 후반, 제임스 와트의 개선된 증기 기관
상업적 적용	19세기 초, 로버트 풀턴의 증기선 "클레어몬트"
전성기	19세기 중후반, 대양 횡단 여객선 및 군함
쇠퇴	20세기 초, 증기 터빈, 디젤 엔진의 등장
장점
신뢰성	단순한 구조로 인해 높은 신뢰성
연료 다양성	다양한 연료 사용 가능 (석탄, 석유 등)
내구성	견고한 설계로 인해 긴 수명
단점
낮은 효율	증기 터빈이나 디젤 엔진에 비해 낮은 열효율
큰 크기 및 무게	동일한 출력의 다른 엔진에 비해 크고 무거움
느린 시동 시간	작동 준비까지 시간이 오래 걸림
유지 보수	정기적인 유지 보수 필요
응용 분야
과거	증기선 증기 기관차 공장 동력 발전소
현재	일부 증기선 교육 및 시연용 열병합 발전소 원자력 발전소 (증기 터빈 구동)
참고
관련 기술	증기 터빈 디젤 엔진 가스 터빈
관련 인물	제임스 와트 로버트 풀턴

2. 역사

토머스 뉴커먼이 1712년에 개발한 증기 기관은 상업적으로 성공한 최초의 증기 기관이었다.^[1] 18세기 후반 제임스 와트가 증기 기관의 효율을 크게 향상시키고, 더 소형화된 엔진 배치를 가능하게 했다. 증기 기관을 해양 분야에 성공적으로 적용하는 것은 뉴코먼 이후 거의 한 세기가 지나서야 가능했는데, 스코틀랜드 엔지니어 윌리엄 심ington이 1802년 세계 최초의 "실용적인 증기선"인 ''샬럿 던다스''를 건조했다.^[1] 제임스 럼지와 존 피치는 미국에서 증기선을 건조한 최초의 경쟁 발명가였다. 럼지는 1787년 포토맥 강에서 자신의 증기선 설계를 전시했지만, 피치는 1790년 성공적인 시험 운행을 통해 델라웨어 강에서 여객 서비스를 시작하면서 경쟁에서 승리했다.^[2] 1807년, 미국인 로버트 풀턴은 세계 최초의 상업적으로 성공한 증기선인 ''노스 리버 증기선''을 건조했는데, 이 배는 와트 엔진으로 구동되었다.

풀턴의 성공 이후, 증기선 기술은 대서양 양쪽에서 빠르게 발전했다. 증기선은 초기에는 항해 거리가 짧았고, 무게, 낮은 출력, 고장의 경향으로 인해 특별히 항해에 적합하지 않았지만, 강과 운하, 해안을 따라 짧은 여정에 성공적으로 사용되었다. 증기선이 처음으로 대서양을 횡단한 것은 1819년 사바나/Savannah^영어가 조지아주 서배너에서 영국 리버풀까지 항해했을 때였다. 정기적인 대서양 횡단을 한 최초의 증기선은 1838년 외륜선 그레이트 웨스턴/Great Western^영어이었다.^[3]

19세기가 진행되면서, 해양 증기 기관과 증기선 기술은 함께 발전했다. 외륜 추진은 점차 스크류 프로펠러로 대체되었고, 전통적인 나무 선체를 대체하기 위한 철과 나중에는 강철 선체의 도입으로 선박은 더욱 커질 수 있었으며, 이는 더욱 복잡하고 강력한 증기 동력 장치의 필요성을 낳았다.^[4]

2. 1. 초기 발전

토머스 뉴커먼이 1712년에 개발한 증기 기관은 상업적으로 성공한 최초의 증기 기관이었다. 이 기관은 주로 광산 배수 작업에 사용되었으며, 효율성은 낮았지만 실용적인 증기 기관의 시대를 열었다.

2. 2. 제임스 와트의 개량

2. 3. 해양 증기 기관의 등장

18세기 후반 제임스 와트가 증기 기관의 효율을 크게 향상시키고 소형화를 가능하게 한 이후, 증기 기관의 해상 적용이 시도되었다.^[1] 스코틀랜드 엔지니어 윌리엄 심ington은 1802년 세계 최초의 실용적인 증기선인 ''샬럿 던다스''를 건조했다.^[1] 제임스 럼지와 존 피치는 미국에서 증기선을 건조한 최초의 경쟁 발명가였다. 럼지는 1787년 포토맥 강에서 자신의 증기선 설계를 전시했지만, 피치는 1790년 성공적인 시험 운행을 통해 델라웨어 강에서 여객 서비스를 시작하면서 경쟁에서 승리했다.^[2] 1807년, 미국인 로버트 풀턴은 세계 최초의 상업적으로 성공한 증기선인 ''노스 리버 증기선''을 건조했는데, 이 배는 와트 엔진으로 구동되었다.

풀턴의 성공 이후, 증기선 기술은 대서양 양쪽에서 빠르게 발전했다. 초기 증기선은 항해 거리가 짧고, 무게, 낮은 출력, 고장 경향으로 인해 항해에 적합하지 않았지만, 강과 운하, 해안을 따라 짧은 여정에 성공적으로 사용되었다. 증기선이 처음으로 대서양을 횡단한 것은 1819년 사바나호가 조지아주 서배너에서 영국 리버풀까지 항해했을 때였다. 정기적인 대서양 횡단을 한 최초의 증기선은 1838년 외륜선 그레이트 웨스턴호이었다.^[3]

19세기가 진행되면서, 해양 증기 기관과 증기선 기술은 함께 발전했다. 외륜 추진은 점차 스크류 프로펠러로 대체되었고, 전통적인 나무 선체를 대체하기 위한 철과 나중에는 강철 선체의 도입으로 선박은 더욱 커질 수 있었으며, 이는 더욱 복잡하고 강력한 증기 동력 장치의 필요성을 낳았다.^[4] 대한민국은 1882년 일본에서 최초의 증기선 '이운호(利運號)'를 도입했고, 이후에도 여러 척의 증기선을 도입하여 해상 운송 능력을 강화했다.

2. 4. 대서양 횡단 증기선

1819년 호는 최초로 대서양을 횡단한 증기선이 되었다.^[3] 이 배는 조지아주 서배너에서 출발하여 영국 리버풀까지 항해했다. 1838년에는 외륜선 호가 최초로 정기적인 대서양 횡단 서비스를 시작했다.^[3]

19세기가 진행되면서 해양 증기 기관과 증기선 기술은 함께 발전했다. 외륜 추진은 점차 스크류 프로펠러로 대체되었고, 나무 선체 대신 철과 강철 선체가 도입되면서 선박은 더욱 커졌으며, 이는 더욱 복잡하고 강력한 증기 동력 장치의 필요성을 낳았다.^[4]

대한제국 시기에는 증기선을 이용한 원양 항로 개척이 시도되었으나, 일본의 방해와 기술 부족으로 큰 성과를 거두지 못했다.

3. 해양 증기 기관의 유형

19세기 동안 다양한 종류의 왕복식 해양 증기 기관이 개발되었다. 이러한 엔진을 분류하는 두 가지 주요 방법은 ''연결 메커니즘''과 ''실린더 기술''이다.

초기 해양 엔진의 대부분은 동일한 실린더 기술(단순 팽창)을 사용했지만, 크랭크축에 동력을 전달하는 여러 가지 다른 방법(즉, 연결 메커니즘)이 사용되었다. 따라서 초기 해양 엔진은 주로 연결 메커니즘에 따라 분류된다. 몇 가지 일반적인 연결 메커니즘으로는 사이드 레버, 스티플, 워킹 빔 및 직접 작동 방식이 있었다.

그러나 증기 기관은 실린더 기술(단순 팽창, 복합, 링형 등)에 따라 분류될 수도 있다. 따라서 두 가지 방법 모두에 따라 분류된 엔진의 예를 찾을 수 있다. 엔진은 복합 워킹 빔 유형일 수 있으며, 여기서 ''복합''은 실린더 기술이고 ''워킹 빔''은 연결 방법이다. 시간이 지남에 따라 대부분의 엔진이 직접 작동 방식이 되고 실린더 기술이 더욱 복잡해지면서, 엔진은 실린더 기술에 따라 단독으로 분류되기 시작했다.

3. 1. 연결 메커니즘에 따른 분류

3. 1. 1. 사이드 레버 엔진

사이드 레버 엔진은 유럽에서 해상용으로 널리 사용된 최초의 증기 기관이었다.^[5]^[7] 증기 항해 초창기(약 1815년)에 사이드 레버는 유럽의 내륙 수로 및 연안 항해에 가장 흔한 해양 엔진 유형이었으며, 오랫동안 대서양 양쪽의 외항 서비스에 선호되는 엔진으로 남아 있었다.^[6]

사이드 레버는 초기 형태의 증기 기관인 보일러 엔진을 개량한 것이다. 전형적인 사이드 레버 엔진은 사이드 레버라고 하는 2개의 무거운 수평 철제 빔을 가지고 있었는데, 각 빔은 엔진 바닥 근처의 핀으로 중앙에 고정되어 있어 레버가 제한된 호를 그리며 회전할 수 있었다. 엔진 실린더는 이 한 쌍의 레버 사이에 수직으로 서 있었고, 피스톤 로드는 위쪽에 있는 수평 크로스헤드에 연결되었으며, 각 크로스헤드의 양쪽 끝에서 수직 로드, 즉 사이드 로드라고 불리는 것이 실린더의 각 측면으로 뻗어 나와 같은 쪽의 사이드 레버 끝에 연결되었다. 두 사이드 레버의 반대쪽 끝은 수평 크로스 테일로 서로 연결되어 있었고, 이 크로스 테일에서 단일의 공통된 커넥팅 로드가 뻗어 나와 레버가 중앙 핀을 중심으로 위아래로 움직일 때 크랭크축을 작동시켰다.^[5]

사이드 레버 엔진의 주요 단점은 크고 무겁다는 것이었다.^[7] 내륙 수로 및 연안 서비스의 경우 더 가볍고 효율적인 설계가 곧 이를 대체했다. 그러나 비교적 낮은 무게 중심으로 인해 거친 바다에서 선박의 안정성이 높아 19세기 전반기 대부분 동안 외항 서비스에 지배적인 엔진 유형으로 남아 있었다.^[6] 또한 비교적 낮은 높이로 인해 전투 피해를 덜 받기 때문에 군함에서도 흔히 사용되는 초기 엔진 유형이었다.^[8] 1820년 최초의 영국 해군 증기선부터 1840년까지 70척의 증기선이 취역했으며, 대부분 사이드 레버 엔진을 사용했고, 보일러는 최대 4psi의 압력으로 설정되었다.^[8] 낮은 증기 압력으로 인해 사이드 레버 엔진의 실린더 크기가 커졌지만, 피스톤에 가해지는 유효 압력은 보일러 압력과 응축기의 진공 간의 차이였다.

사이드 레버 엔진은 외륜선 엔진이었으며, 프로펠러를 구동하는 데 적합하지 않았다. 대서양 횡단 서비스를 위해 건조된 마지막 사이드 레버 엔진을 장착한 선박은 큐나드 라인의 외륜 증기선 였으며, 1862년에 취역했을 때 시대착오적인 존재로 여겨졌다.^[9]

3. 1. 2. 풀무치 엔진

'''풀무치''' 또는 '하프 레버'^[10] 엔진은 사이드 레버 엔진의 변형이었다. 풀무치 엔진은 레버 피벗과 연결 로드의 위치가 다소 반대라는 점에서 기존의 사이드 레버와 다르다. 피벗은 레버의 중앙 대신 한쪽 끝에 위치하고, 연결 로드는 다른 쪽 끝의 실린더와 피벗 사이의 레버에 부착된다.^[11]

풀무치 엔진의 주요 장점은 저렴한 제작 비용과 견고함이었으며, 다른 모든 종류의 해양 증기 기관보다 유지 보수가 덜 필요한 것으로 알려졌다. 또 다른 장점은 크랭크 위치에 관계없이 엔진을 쉽게 시동할 수 있다는 것이다. 그러나 기존의 사이드 레버 엔진과 마찬가지로 풀무치 엔진은 무게와 크기 때문에 불리했다. 주로 강 배와 예인선과 같은 소형 선박에 사용되었다.^[11]

3. 1. 3. 크로스헤드 엔진

크로스헤드 엔진은 '''스퀘어''' 엔진, '''제재소''' 엔진 또는 '''A-프레임''' 엔진이라고도 불리며, 미국에서 사용된 일종의 외륜선 엔진이었다. 초기 미국 증기선 항해 시대에 가장 흔한 유형의 엔진이었다.^[12]

크로스헤드 엔진은 크랭크축 위에 수직 실린더가 있고, 피스톤 로드는 실린더의 양쪽에 각각 연결된 가로 크로스헤드에 고정되어 있으며, 각 끝에서 자체 크랭크축을 회전시키는 연결봉이 뻗어 있는 것으로 묘사된다.^[13] 크로스헤드는 수직 가이드 내에서 움직여 어셈블리가 움직일 때 올바른 경로를 유지했다.^[14] 이 엔진의 또 다른 이름인 "A-프레임"은 아마도 이러한 가이드를 지지하는 프레임의 모양에서 유래되었을 것이다. 일부 크로스헤드 엔진은 여러 개의 실린더를 가지고 있었으며, 이 경우 피스톤 로드는 일반적으로 모두 동일한 크로스헤드에 연결되었다.

이 유형의 엔진에서는 실린더가 크랭크축 위에 위치했기 때문에 무게 중심이 높았고, 따라서 외양 항해에는 적합하지 않다고 여겨졌다.^[15] 이로 인해 주로 내륙 수로용으로 건조된 선박에 한정되었다.^[13] 해양 엔진이 19세기를 거치면서 꾸준히 커지고 무거워짐에 따라 스퀘어 크로스헤드 엔진의 높은 무게 중심은 점점 더 비실용적이 되었고, 1840년대에는 조선업자들이 이를 버리고 워킹 빔 엔진을 선호하게 되었다.^[16]

이 엔진의 이름은 혼란을 일으킬 수 있는데, "크로스헤드"는 스티플 엔진(아래 참조)의 또 다른 이름이기도 하기 때문이다. 따라서 많은 자료에서는 혼란을 피하기 위해 이 엔진을 "스퀘어" 엔진이라는 비공식적인 이름으로 부르는 것을 선호한다. 또한, 이 섹션에서 설명하는 해양 크로스헤드 또는 스퀘어 엔진은 후자의 경우 보어가 스트로크와 같은 엔진을 지칭하는 내연 기관에 적용되는 용어인 "스퀘어 엔진"과 혼동해서는 안 된다.

3. 1. 4. 워킹 빔 엔진

워킹 빔(Walking beam)은 기술적으로 '''수직 빔''' 또는 '''오버헤드 빔'''이라고도 하며, 때로는 단순히 "빔"이라고도 불리는 빔 엔진의 초기 개량 방식이다. 하지만 그 사용은 거의 전적으로 미국에 국한되었다.^[17] 도입 이후 워킹 빔은 미국 내륙 수로 및 연안 서비스에서 가장 인기 있는 엔진 유형이 되었으며, 결국 미국 횡단 대양 증기선에도 사용되었다. 이 유형은 놀라운 수명을 보여 1940년대까지도 워킹 빔 엔진이 가끔씩 제조되었다. 해양 적용 분야에서 빔 자체는 일반적으로 철재 지지대로 보강되어 특징적인 다이아몬드 모양을 갖추었지만, 빔이 놓이는 지지대는 종종 나무로 만들어졌다. "워킹(walking)"이라는 형용사는 기술 용어인 "워킹(working) 빔"의 변형에서 유래된 것으로 여겨진다.

워킹 빔 엔진은 일종의 외륜선 엔진이었으며, 프로펠러 구동에는 거의 사용되지 않았다. 주로 강, 호수 및 해안선을 따라 운항하는 선박 및 보트에 사용되었지만, 엔진의 큰 높이 때문에 험한 바다에서 선박의 안정성이 떨어져서 항해용 선박에는 덜 선호되는 선택이었다.^[18] 또한 엔진이 적의 공격에 노출되어 쉽게 무력화될 수 있었기 때문에 군사적으로도 사용이 제한적이었다. 미국에서 인기를 얻은 주된 이유는 워킹 빔 엔진이 미국의 얕은 연안 및 내륙 수로에서 운항하는 얕은 흘수 선박에 적합했기 때문이다.^[17]

워킹 빔 엔진은 20세기 초까지 미국의 해운 회사와 유람선 운항에 인기를 유지했다. 워킹 빔 엔진은 19세기 후반에는 기술적으로 구식이 되었지만, "워킹 빔"의 움직임을 보기를 기대하는 유람선 승객들에게는 인기가 있었다. 미국에서 워킹 빔 엔진을 유지하는 데에는 기술적인 이유도 있었는데, 제작이 더 쉬웠고, 건설에 덜 정밀함이 요구되었다. 나무는 엔진의 주요 프레임에 사용될 수 있었고, 이는 더 현대적인 엔진 설계에 철 주물을 사용하는 일반적인 관행보다 훨씬 저렴했다. 연료 또한 유럽보다 미국에서 훨씬 저렴했기 때문에 워킹 빔 엔진의 낮은 효율성은 덜 고려되었다. 필라델피아의 조선업자 찰스 H. 크램프는 19세기 중후반 미국 조선업체와 해운 회사 소유주들이 워킹 빔 및 관련 외륜과 같은 구식 기술에 고집스럽게 매달리면서 세계 다른 지역에서는 이미 버려진 기술을 사용했기 때문에 영국의 조선 산업과의 전반적인 경쟁력 부족을 비난했다.^[19]

3. 1. 5. 스티플 엔진

스티플 엔진은 때때로 "크로스헤드" 엔진이라고도 불리며, 워킹 빔 및 사이드 레버 타입에서 흔히 볼 수 있는 빔 개념에서 벗어나 더 작고 가볍고 효율적인 설계를 시도한 초기 시도였다. 스티플 엔진에서 피스톤의 수직 진동은 빔 엔진에서처럼 수평 왕복 운동으로 변환되지 않고, 대신 크로스헤드와 두 개의 로드로 구성된 조립체를 엔진 상단의 수직 가이드를 통해 이동시키는 데 사용되며, 이는 차례로 아래의 크랭크축 커넥팅 로드를 회전시킨다.^[20] 이 유형의 초기 예시에서 크로스헤드 어셈블리는 직사각형 모양이었지만, 시간이 지남에 따라 길쭉한 삼각형으로 개선되었다. 엔진 실린더 위에 있는 삼각형 어셈블리는 엔진에 특징적인 "스티플" 모양을 부여하여, 이름의 유래가 되었다.

스티플 엔진은 워킹 빔 엔진처럼 키가 컸지만, 측면으로는 훨씬 좁아 공간과 무게를 절약했다. 높이와 높은 무게 중심 때문에, 워킹 빔 엔진처럼 외양 항해에는 적합하지 않다고 여겨졌지만, 특히 유럽에서 내륙 수로 및 연안 선박에 수십 년 동안 매우 인기가 있었다.^[21]

스티플 엔진은 1830년대에 증기선에 등장하기 시작했으며, 이 유형은 1840년대 초 스코틀랜드의 조선업자 데이비드 네이피어에 의해 완성되었다.^[22] 스티플 엔진은 점차 다양한 유형의 직동 엔진에 의해 대체되었다.

3. 1. 6. 사이암 엔진

사이암 엔진은 "이중 실린더" 또는 "트윈 실린더" 엔진이라고도 불리며, 빔 엔진 또는 사이드 레버 엔진의 또 다른 초기 대안이었다. 이 유형의 엔진은 나란히 배치된 두 개의 동일한 수직 엔진 실린더를 가지고 있으며, 피스톤 로드는 공통 T자형 크로스헤드에 부착되었다. 크로스헤드의 수직 팔은 두 실린더 사이 아래로 뻗어 있었고, 하단에서 크랭크축 연결 로드와 실린더의 수직 측면 사이를 미끄러지는 가이드 블록에 모두 연결되어 어셈블리가 움직일 때 올바른 경로를 유지할 수 있게 했다.^[23]

사이암 엔진은 영국의 엔지니어 조셉 모들리(Joseph Maudslay, 헨리 모들리의 아들)에 의해 발명되었지만, 진동 엔진(아래 참조) 이후에 발명되었음에도 불구하고, 대체하도록 설계된 사이드 레버 엔진보다 약간 작고 가벼웠기 때문에 같은 광범위한 인정을 받지 못했다.^[25] 그러나 이 엔진은 최초의 스크류 프로펠러 장착 군함인 HMS 래틀러(1843)를 포함하여 여러 세기 중반 군함에 사용되었다.

3. 1. 7. 직동 엔진

19세기 문헌에서 직접 작동 엔진에 대한 두 가지 정의가 있다. 초기 정의는 빔 엔진(예: 워킹 빔, 사이드 레버 또는 그래스호퍼)이 아닌 모든 유형의 엔진에 "직접 작동"이라는 용어를 적용한다. 후기 정의는 피스톤 로드 및/또는 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 직접 동력을 전달하는 엔진에만 이 용어를 사용한다.^[24] 달리 명시되지 않는 한, 이 문서에서는 후기 정의를 사용한다.

사이드 레버 또는 빔 엔진과 달리 직접 작동 엔진은 패들휠 또는 프로펠러에 동력을 공급하도록 쉽게 개조할 수 있었다. 프로파일이 낮을 뿐만 아니라, 직접 작동 엔진은 빔 또는 사이드 레버 엔진보다 더 작고 무게가 훨씬 가볍다는 장점이 있었다. 영국 해군은 평균적으로 직접 작동 엔진(초기 정의)의 무게가 40% 적게 나가고 동등한 동력의 사이드 레버 엔진에 비해 엔진룸 크기가 3분의 2밖에 필요하지 않다는 것을 발견했다. 이러한 엔진의 한 가지 단점은 마모가 더 심하고 유지 보수가 더 많이 필요하다는 것이다.^[25]

3. 1. 8. 진동 엔진

진동 기관은 엔진 크기와 무게를 더욱 줄이도록 설계된 직동식 엔진의 한 유형이었다. 진동 기관은 피스톤 로드가 크랭크축에 직접 연결되어 연결 로드의 필요성을 없앴다. 이를 위해 엔진 실린더는 대부분의 엔진과 달리 고정되어 있지 않고, 실린더 자체가 크랭크축이 회전함에 따라 앞뒤로 회전할 수 있도록 트러니언(trunnions)으로 중앙에 고정되어 있었다. 따라서 "진동"이라는 용어가 붙었다.^[26] 증기는 트러니언을 통해 공급되고 배출되었다. 실린더의 진동 운동은 일반적으로 트러니언의 포트를 정렬하여 증기 공급 및 배기를 올바른 시간에 실린더로 유도하는 데 사용되었다. 그러나 별도의 밸브가 종종 제공되었으며, 이는 진동 운동에 의해 제어되었다. 이를 통해 타이밍을 변경하여 팽창 작동을 가능하게 했다(예: 외륜선 PD ''Krippen''의 엔진에서). 이는 단순성을 제공하면서도 소형화의 장점을 유지했다.

최초로 특허받은 진동 기관은 1827년 조셉 모들레이(Joseph Maudslay)에 의해 제작되었지만, 이 유형은 존 펜에 의해 완성된 것으로 여겨진다. 진동 기관은 19세기 대부분 동안 인기 있는 유형의 해양증기기관으로 남아 있었다.^[26]

3. 1. 9. 트렁크 엔진

긴 행정을 유지하면서 엔진의 높이를 줄이기 위한 수단으로 개발된 또 다른 종류의 직동식 엔진이다. 당시에는 긴 행정이 부품에 가해지는 부담을 줄여주기 때문에 중요하다고 여겨졌다.

트렁크 엔진은 연결 로드를 대구경의 속이 빈 피스톤 ''내부''에 위치시킨다. 이 "트렁크"는 하중을 거의 받지 않는다. 트렁크의 내부는 외부 공기에 개방되어 있으며, 피스톤 헤드의 피스톤 핀에서 외부 크랭크축까지 연결되는 연결 로드의 좌우 움직임을 수용할 수 있을 만큼 넓다.

트렁크의 벽은 피스톤에 볼트로 고정되거나 피스톤과 일체형으로 주조되었으며, 피스톤과 함께 왕복 운동을 했다. 실린더의 작동 부분은 링 모양이며, 트렁크가 실린더 자체의 중앙을 통과한다.^[27]^[28]

초기 트렁크 엔진의 예는 수직 실린더를 가지고 있었다. 그러나 조선업자들은 이 유형이 용골을 가로질러 수평으로 배치할 수 있을 만큼 컴팩트하다는 것을 빠르게 깨달았다. 이러한 구성에서 이 유형은 해군에게 매우 유용했는데, 이는 배의 수선 아래에 완전히 들어갈 수 있을 정도로 프로파일이 낮아 적의 공격으로부터 최대한 안전했기 때문이다. 이 유형은 일반적으로 존 펜(John Penn)에 의해 군사용으로 생산되었다.

트렁크 엔진은 19세기 중반 군함에서 흔히 사용되었다.^[28] 또한 상선에도 동력을 공급했는데, 컴팩트한 크기와 낮은 무게 중심 때문에 가치가 있었지만 운영 비용이 비쌌다. 그러나 트렁크 엔진은 트렁크 주변의 증기 밀봉을 유지하기가 어려워 19세기 후반에 널리 사용된 더 높은 보일러 압력에서는 잘 작동하지 않았고, 제작자들은 다른 해결책을 선택했다.^[28]

트렁크 엔진은 일반적으로 컸지만, 크림 전쟁을 위해 소형, 대량 생산, 고회전, 고압 버전이 생산되었다. 이 유형은 매우 효과적이어서 나중의 포격선에도 지속적으로 사용되었다.^[29] 포격선 유형의 오리지널 트렁크 엔진이 프리맨틀의 서호주 박물관에 보존되어 있다. 1872년에 침몰한 후, 이 엔진은 에서 1985년에 인양되었으며 현재 손으로 돌릴 수 있다.^[30] 엔진의 작동 방식은 컴팩트한 특성을 보여준다.^[31]

3. 1. 10. 진동 레버 엔진

존 에릭슨이 개발한 기존의 트렁크 엔진의 개량형이다. 에릭슨은 미국 남북 전쟁 동안 개발된 모니터급 군함을 추진하기 위해 트렁크 엔진과 같이 작고 낮은 프로파일의 엔진이 필요했다. 모니터는 기존 동력 장치를 위한 공간이 거의 없었다.^[32] 그러나 트렁크 엔진 자체는 실린더와 트렁크가 있는 엔진 측면에 무게가 많이 쏠려 있어 소형 모니터 군함에서 설계자들이 보상할 수 없는 문제였다.

에릭슨은 엔진 중앙에 두 개의 수평 실린더를 등대고 배치하여 이 문제를 해결했다. 각 측면에 하나씩, 샤프트와 추가 레버를 통해 중앙에 위치한 크랭크축을 회전시키는 두 개의 "진동 레버"를 작동시켰다.^[32] 진동 레버 엔진은 나중에 다른 몇몇 군함과 상선에도 사용되었지만, 그 사용은 미국과 에릭슨의 고국인 스웨덴에서 건조된 선박으로 제한되었다.^[33] 기존의 엔진보다 장점이 거의 없어 다른 유형의 엔진으로 곧 대체되었다.

3. 1. 11. 백 액팅 엔진

백 액팅 엔진은 '''리턴 커넥팅 로드 엔진'''이라고도 불리며, 매우 낮은 높이로 설계된 또 다른 엔진이었다. 백 액팅 엔진은 사실상 수정된 스티플 엔진으로, 선박의 용골 위에 수직으로 세워지는 대신 수평으로 놓였다.^[33] 그러나 일반적인 스티플 엔진에서 발견되는 삼각형 크로스헤드 어셈블리 대신, 백 액팅 엔진은 일반적으로 동일한 기능을 수행하기 위해 크로스헤드에서 끝나는 두 개 이상의 길고 평행한 피스톤 로드 세트를 사용했다. "백 액팅" 또는 "리턴 커넥팅 로드"라는 용어는 커넥팅 로드가 엔진 실린더 반대편에서 "돌아와" 중앙에 위치한 크랭크축을 회전시키는 데서 유래되었다.^[34]

백 액팅 엔진은 19세기 중반 군함과 상선 모두에서 인기 있는 또 다른 유형의 엔진이었지만, 급변하는 기술 시대의 다른 많은 엔진 유형과 마찬가지로 결국 다른 해결책으로 대체되었다. 현재 생존해 있는 백 액팅 엔진은 TV ''에머리 라이스''(구 USS Ranger) 한 대뿐이며, 현재 미국 상선 박물관 전시의 중심을 이루고 있다.^[35]^[36]

3. 1. 12. 수직 엔진

19세기에 걸쳐 증기선의 크기와 톤수가 꾸준히 증가하면서, 낮은 프로필과 낮은 무게 중심을 가진 엔진에 대한 필요성은 점차 줄어들었다. 이러한 설계 제약에서 점점 더 벗어나게 되면서, 엔지니어들은 더 간단하고 효율적이며 유지 보수가 용이한 설계로 돌아갈 수 있었다. 그 결과, "수직형" 엔진^[24] (보다 정확하게는 '''수직 반전 직접 작용''' 엔진이라고 함)이 점점 더 지배적으로 사용되었다.

이 유형의 엔진에서 실린더는 크랭크축 바로 위에 위치하며, 피스톤 로드/커넥팅 로드 어셈블리는 두 개 사이에서 거의 직선을 이룬다.^[24] 이 구성은 현대식 내연 기관과 유사하다(한 가지 두드러진 차이점은 증기 기관은 복동식인 반면, 거의 모든 내연 기관은 하강 행정에서만 동력을 발생시킨다는 것이다). 수직형 엔진은 19세기 또 다른 일반적인 증기 기술인 증기 해머와 외형이 대략적으로 비슷하기 때문에 "해머", "대장간 해머" 또는 "증기 해머" 엔진이라고도 불린다.^[37]

수직형 엔진은 19세기 말에 다른 모든 유형의 해양 증기 엔진을 거의 대체하게 되었다.^[24]^[37] 수직형 엔진은 매우 흔해졌기 때문에 일반적으로 그렇게 불리지 않고, 실린더 기술에 따라 복합, 삼중 팽창, 사중 팽창 등으로 불린다. 이 유형의 엔진에 대한 "수직형"이라는 용어는 정확하지 않다. 기술적으로 실린더가 수직으로 방향을 잡고 있다면 모든 유형의 증기 기관은 "수직형"이기 때문이다. 어떤 사람이 "수직형"이라고 설명하는 엔진은 "수직형"이라는 용어를 수식 없이 사용하지 않는 한, 수직 반전 직접 작용 방식의 엔진이 아닐 수 있다.

3. 2. 실린더 기술에 따른 분류

3. 2. 1. 단순 팽창 엔진

단순 팽창 엔진은 증기를 단일 단계로 팽창시키는 증기 기관으로, 모든 실린더가 동일한 압력에서 작동한다. 이는 해양 엔진 개발 초기 시대에 가장 흔한 유형의 엔진이었기 때문에 "단순 팽창"이라는 용어는 거의 사용되지 않는다. 따라서 초기 시대의 문헌에서는 특별한 언급이 없는 한 엔진은 일반적으로 단순 팽창으로 간주할 수 있다.

3. 2. 2. 복합 엔진

복합 증기 기관은 효율을 높이는 방법이었다. 복합 증기 기관이 개발되기 전까지 증기 기관은 증기를 보일러로 재활용하기 전에 한 번만 사용했다. 복합 증기 기관은 먼저 증기를 하나 이상의 더 크고 낮은 압력의 2차 실린더로 재활용하여 열 에너지의 더 많은 부분을 사용한다. 복합 증기 기관은 선박의 경제성 또는 속도를 높이도록 구성할 수 있었다. 일반적으로 복합 증기 기관은 다양한 압력의 실린더가 있는 증기 기관을 지칭할 수 있지만, 이 용어는 일반적으로 단 두 단계로 증기를 팽창시키는 엔진, 즉 단 두 개의 다른 압력(또는 "이중 팽창" 엔진)에서 실린더를 작동시키는 엔진을 지칭한다.^[38]

복합 증기 기관(아래의 다중 팽창 엔진 포함)은 여러 개의 가변 압력 실린더 ''세트''를 가질 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 엔진은 압력 x로 작동하는 두 개의 실린더와 압력 y로 작동하는 두 개의 실린더를 가질 수 있거나, 압력 x로 작동하는 한 개의 실린더와 압력 y로 작동하는 세 개의 실린더를 가질 수 있다. 복합(또는 이중 팽창) 엔진이 다중 팽창 엔진과 구별되는 점은 x와 y, 두 개의 ''압력''만 있다는 것이다.^[42]

선박에 설치된 것으로 여겨지는 최초의 복합 증기 기관은 1824년 미국 엔지니어 제임스 P. 알레어가 ''헨리 에크포드''에 장착한 것이었다. 그러나 많은 자료에서는 해상 복합 증기 기관의 "발명"을 1850년대 글래스고의 존 엘더에게 돌린다. 엘더는 복합 증기 기관을 개선하여 대양 횡단 항해에 처음으로 안전하고 경제적으로 사용할 수 있게 했다.^[39]^[40]

해상 복합 증기 기관이 그 장점을 최대한 발휘하려면 영국의 무역 위원회에서 부과한 한계보다 높은 보일러 압력이 필요했는데, 위원회는 25psi만 허용했다. 선주이자 엔지니어인 알프레드 홀트는 더 높은 보일러 압력의 인가를 설득할 수 있었고, 1865년에 SS ''Agamemnon''(1865)을 진수하여 60psi에서 작동하는 보일러를 사용했다. 더 높은 보일러 압력과 복합 증기 기관의 조합은 연료 효율을 크게 향상시켜 1869년 수에즈 운하가 개통되기 전에도 증기선이 영국에서 중국으로 가는 노선에서 범선을 능가할 수 있게 했다.^[41]

3. 2. 3. 3단 팽창 엔진

3단 팽창 기관은 증기를 3단계로 팽창시키는 복식 기관이다. 3단계의 다른 압력으로 작동하는 실린더를 가진 증기 기관을 말한다.^[54] 최초의 성공적인 상업적 이용은 스코틀랜드 고반에서 알렉산더 C. 커크가 1881년 영국 화물선 애버딘^영어에 장착한 기관이었다.^[55]

다단 팽창 기관의 제조는 20세기에도 계속되었다. 제2차 세계 대전 당시 미국에 의해 제작된 2,700개의 자유의 배는 모두 미국의 해양 증기 터빈을 생산할 수 있는 능력이 전함 제작에 전적으로 집중되어 있었기 때문에 3단 팽창 기관에 의해 강화되었다. 전쟁 동안 3단 팽창 기관의 가장 큰 제조사는 조슈아 헨디 아이언 워크스였다. 전쟁이 끝날 무렵에는 터빈식 빅토리 선이 점점 더 많이 생산되었다.^[56]

3. 2. 4. 환형 엔진

환형 엔진은 환형(고리 모양) 실린더를 가진 특이한 유형의 엔진이다.^[47] 미국의 선구적인 엔지니어 제임스 P. 알레어의 초기 복합 엔진 중 일부는 환형 엔진으로, 작은 고압 실린더가 더 큰 링 모양의 저압 실린더 중앙에 배치되었다.^[48] 트렁크 엔진은 또 다른 유형의 환형 엔진이었다. 세 번째 유형의 환형 해양 엔진은 사이암 엔진 연결 메커니즘을 사용했지만, 두 개의 개별 실린더 대신 크로스헤드의 수직 암을 감싸는 단일 환형 실린더를 가졌다 (위의 "사이암" 아래 그림 참조).^[49]

4. 기타 용어

이 시대의 해양 엔진 관련 문헌에서는 몇 가지 다른 용어들이 사용된다. 이러한 용어들은 일반적으로 위에 나열된 하나 이상의 기본 엔진 분류 용어와 함께 사용된다.

단순 팽창 엔진은 엔진에 장착된 실린더 수와 관계없이 증기의 단일 팽창으로 작동하는 엔진이다. 19세기 중반까지 대부분의 선박은 실린더가 하나뿐인 엔진을 가지고 있었지만, 일부 선박은 여러 개의 실린더를 가진 단순 팽창 엔진 및/또는 여러 개의 엔진을 가지고 있었다.

복동식 엔진은 증기가 피스톤의 양쪽에 작용하는 엔진을 말한다. 초기 증기 기관은 한 방향으로만 증기를 공급하여 관성 또는 중력을 통해 피스톤을 원래 위치로 되돌렸지만, 복동식 엔진은 증기를 사용하여 피스톤을 양쪽 방향으로 움직이게 하여 회전 속도와 출력을 증가시켰다.^[50] "단동식 엔진"과 마찬가지로 "복동식"이라는 용어는 문헌에서 덜 자주 사용되는데, 이는 거의 모든 해양 엔진이 복동식 유형이었기 때문이다.

다음 용어는 증기 기관의 실린더 방향을 나타낸다. 수직 실린더에서 피스톤은 수직 평면으로 움직이며, 피스톤 로드는 실린더 상단에서 나와 오버헤드 크랭크축을 회전시킨다. 수직 ''도립형'' 엔진에서는 피스톤이 마찬가지로 수직 평면으로 움직이지만, 피스톤 로드는 하단에서 나와 아래에 있는 크랭크축을 회전시킨다. 경사형 또는 수평형의 경우 실린더와 피스톤은 경사지게 또는 수평으로 배치된다. 경사 도립형 실린더는 아래쪽으로 기울어진 상태로 작동하는 실린더이다. 이러한 용어는 일반적으로 위에서 언급한 엔진 유형과 함께 사용된다. 따라서 수평 트렁크 엔진이나 경사 복합 엔진 등을 가질 수 있다.

경사형 및 수평형 실린더는 해군 함선에서 매우 유용할 수 있는데, 그 방향이 엔진의 높이를 최대한 낮게 유지하여 손상에 덜 취약했기 때문이었다.^[51] 또한 낮은 프로파일의 선박이나 선박의 무게 중심을 낮게 유지하는 데에도 사용할 수 있었다. 게다가, 경사형 또는 수평형 실린더는 수직 실린더에 비해 진동량을 줄이는 이점이 있었다.

기어드 엔진 또는 "기어드 스크류"는 프로펠러를 엔진과 다른 속도로 회전시킨다. 초기 해양 프로펠러 엔진은 기어비가 증가했는데, 이는 프로펠러가 엔진 자체의 회전 속도보다 더 빠른 속도로 작동하도록 기어링되었다는 것을 의미한다.^[52]^[53] 19세기 후반에 엔진이 더 빠르고 강력해지면서 기어링은 거의 보편적으로 폐지되었고, 프로펠러는 엔진과 동일한 회전 속도로 작동했다. 이 직접 구동 방식이 기계적으로 가장 효율적이며, 왕복 증기 기관은 스크류 프로펠러에 가장 효율적인 회전 속도에 적합하다.

5. 대한민국의 증기 기관 도입과 영향

5. 1. 초기 증기선 도입

5. 2. 증기선의 영향

5. 3. 일제강점기 증기선

6. 현대의 증기 기관

7. 각주

참조

_[1] 문서 Fry, p. 27.
_[2] 서적 Steam: The Untold Story of America's First Great Invention Palgrave Macmillan
_[3] 문서 Fry, pp. 37-42.
_[4] 문서 Fry, Chapter 5.
_[5] 문서 Sennett and Oram, pp. 2-4.
_[6] 문서 Fox, p. 119.
_[7] 문서 Murray, p. 4.
_[8] 문서 Sennet and Oram, p. 3.
_[9] 문서 Maginnis, p. xiv.
_[10] 서적 The evolution of engineering in the Royal Navy Spellmount
_[11] 문서 Seaton, pp. 3-5.
_[12] 문서 Hilton, p. 59.
_[13] 문서 Ward, p. 60.
_[14] 문서 Laxton, p. 334.
_[15] 문서 Adams, p. 202.
_[16] 문서 Harvey, p. 55.
_[17] 문서 Thurston, p. 379.
_[18] 문서 Sutherland, p. 31.
_[19] 문서 Buell, pp. 92-93.
_[20] 문서 Hebert.
_[21] 문서 Evers, p. 88.
_[22] 문서 Dumpleton, p. 83.
_[23] 문서 Evers, p. 89.
_[24] 문서 Sennett and Oram, p. 12.
_[25] 문서 Murray, p. 14.
_[26] 문서 Chatterton, p. 132.
_[27] 문서 Evers, pp. 90–91.
_[28] 문서 Sennett and Oram, pp. 7–8. See also the preceding section in this reference, entitled "Horizontal engines".
_[29] 간행물 The Crimean gunboats. Part 1
_[30] 웹사이트 The Children - Western Australian Museum http://museum.wa.gov[...] 2018-03-27
_[31] 웹사이트 Restoring the Xantho engine. https://web.archive.[...] 2011-08-10
_[32] 웹사이트 Steam Launch Artemis - Engine http://www.pcez.com/[...] 2010-03-06
_[33] 웹사이트 Emory Rice T. V. Engine (1873) http://files.asme.or[...] American Society of Mechanical Engineers 2008-12-09
_[34] 문서 Sennett and Oram, pp. 7,9.
_[35] 웹사이트 Emery Rice T. V. Engine (1873) http://files.asme.or[...] American Society of Mechanical Engineers brochure 2008-12-09
_[36] 웹사이트 Emery Rice http://www.usmma.edu[...] 2010-06-13
_[37] 문서 Evers, p. 81
_[38] 문서 Thurston, 391-396
_[39] 문서 MacLehose, p. 118
_[40] 문서 Thurston, pp. 393-396
_[41] 서적 The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900 Conway Maritime Press 1993
_[42] 문서 Fry, Chapter XI
_[43] 웹사이트 Titanic's Prime Mover – An Examination of Propulsion and Power http://www.titanicol[...] 2011-01-31
_[44] 서적 Biographical Dictionary of the History of Technology https://books.google[...] Routledge 2013
_[45] 서적 The Advent of Steam - The Merchant Steamship before 1900 Conway Maritime Press Ltd 1993
_[46] 웹사이트 Joshua Hendy Iron Works http://files.asme.or[...] 2009-03-18
_[47] 문서 Murray, pp.15-16
_[48] 문서 Alllaire, pp. 282-283. See engine description for Buckeye State
_[49] 문서 Murray, pp. 15-16
_[50] 문서 Thurston, p. 110
_[51] 문서 Murray. pp. 17-18
_[52] 문서 Murray, p. 18
_[53] 문서 Fry, pp. 167-168
_[54] 문서 Fry, Chapter XI
_[55] 서적 Biographical Dictionary of the History of Technology https://books.google[...] Routledge 2013
_[56] 웹사이트 Joshua Hendy Iron Works http://files.asme.or[...] 2009-03-18

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