16 연말부터 17 말까지 영국 광업업, 특히 탄광은 이미 상당한 규모로 발전하여 인력과 축력만으로는 지하수를 빨아들이는 요구를 충족시킬 수 없었고, 현장에는 값싼 석탄이 연료로 풍부하게 공급되었다. 현실의 필요성은 영국의 파판, 사프리, 뉴코멘 등 많은 사람들이' 화력제수' 의 탐구와 실험에 뛰어들게 했다.
사프리가 만든 세계 최초의 실용적인 증기 펌프는 1698 년' 광부의 친구' 라는 영국 특허를 받았다. 그는 먼저 계란형 용기에 증기를 채운 다음 증기 흡입 밸브를 닫고 용기 밖으로 찬물을 분사하여 용기 안의 증기가 응결되어 진공을 형성하게 했다. 유입 밸브를 열면 광산 바닥의 물이 대기압력의 작용으로 유입관을 통해 용기에 흡입됩니다. 입구 밸브를 닫고 입구 밸브를 다시 열고 증기 압력을 이용하여 용기 안의 물을 배수 밸브를 통해 밀어냅니다. 용기 안의 물이 마르고 증기가 가득 차면 증기 수입 밸브와 배수 밸브를 닫고 다시 물을 뿌려 증기를 응결시킨다. 이렇게 반복적으로 순환하면 두 개의 계란형 용기가 번갈아 작동하여 끊임없이 배수할 수 있다.
사프리의 펌프는 진공 흡입력에 의지하여 물을 펌핑하는데, 펌핑 깊이는 6 미터를 초과할 수 없다. 수십 미터 깊이의 광산에서 물을 뽑기 위해서는 광산 깊숙한 곳에 펌프를 설치하고, 높은 증기 압력을 이용하여 물을 바닥으로 뽑아야 하는데, 이는 당시에는 의심할 여지없이 어렵고 위험했다.
뉴코멘과 그의 조수 칼리는 1705 년에 독립 펌프를 구동하기 위해 대기 증기기관을 발명했는데, 이를 뉴코멘 대기 증기기관이라고 한다. 이 증기기관은 영국에서 먼저 보급된 후 유럽 대륙에서 보급되어 19 세기 초까지 여전히 개조된 제품을 제조하고 있다. 뉴코멘 대기 증기기관의 열효율은 매우 낮았다. 이는 주로 증기가 실린더에 들어간 후 방금 물에 냉각된 실린더 벽에 응결되어 대량의 열을 잃었기 때문이다. 석탄값이 낮은 산탄 지역에서만 보급하다.
1764 년 영국 기기 수리공 와트는 글래스고 대학을 위해 뉴코멘 증기 기관 모형을 수리할 때 이 단점을 알아차렸고 1765 년 냉응기가 항아리 벽과 분리된 증기기관을 발명하고 1769 년 영국 특허를 획득했다. 초기에 와트의 증기기관은 여전히 균형봉과 레버 기구를 사용하여 펌프를 구동하였다. 냉응기의 응결물과 공기를 제거하기 위해 와트는 공기 펌프를 설치했다. 그는 또한 실린더 외벽에 중간층을 설치하고 증기로 실린더 벽을 가열하여 응축 손실을 줄였다.
1782 정도에서 와트는 기계를 더욱 개선하여 두 가지 중요한 발명품을 완성했습니다. 즉, 활성 냉가공 여정 중간에 증기 밸브를 닫아 증기 팽창을 일으켜 열효율을 높였습니다. 증기를 피스톤 양쪽에서 작동시켜 출력 전력을 높이다. 이때 피스톤은 레버를 당겨서 레버를 밀고 부채형 균형봉과 지퍼는 더 이상 적용되지 않아 와트가 평행사변형 매커니즘을 발명했다. 와트는 또한 18 연말에 크랭크 커넥팅로드 메커니즘을 증기 엔진에 적용했다.
와트의 창조적 작업은 증기 기관을 빠르게 발전시켰다. 그는 물을 올릴 수 있는 기계를 널리 사용할 수 있는 증기기관으로 바꾸었고, 증기기관의 열효율은 두 배로 높아져 석탄 소모를 크게 줄였다. 그래서 와트는 증기기관의 주요 발명자이다.
18 세기 후반 이후 증기기관은 광업뿐만 아니라 제련, 방직, 기계 제조 등의 산업에도 광범위하게 적용되었다. 영국의 직물 생산량을 20 여 년 동안 5 배 (1766 에서 1789 로 증가) 증가시켜 시장에 대량의 소비재를 제공하고 자금 축적을 가속화하며 운송업에 대한 절실한 요구를 제기했다.
선박에서 증기기관을 추진동력으로 사용하는 실험은 1776 년에 시작되었고, 지속적인 개선을 통해 미국 풀턴은 최초의 실용적인 추진증기기관선' 클레몬트' 호를 만들었다. 그 이후로 증기기관이 배에서 추진동력으로 사용된 지 이미 100 여 년이 되었다.
180 1 년 영국의 트리비시크는 이동식 증기기관의 개념을 제시했다. 1803 년 철로를 이용한 이동식 증기기관이 탄광 지역에 처음 등장한 것이 기관차의 초기 형태다. 영국의 스티븐슨은 끊임없이 기관차를 개선하여 1829 년에' 로켓' 증기 기관차를 만들었다. 기관차는 시간당 46km 의 속도로 승객 30 명을 태운 객차 한 칸을 견인해 각국의 관심을 끌며 철도 시대를 열었다.
19 말, 전력 응용이 일어나면서 증기기관은 한때 발전소의 주요 동력기계로 사용되었다. 1900 년, 미국 뉴욕에는 5 메가와트의 단독전력의 증기기관 발전소가 있었다.
증기 기관의 발전은 20 세기 초에 정점에 달했다. 그것은 일정한 토크, 변속, 가역, 운행신뢰성, 제조수리편리함 등의 장점을 가지고 있어 발전소, 공장, 기관차, 선박 등 다양한 분야에서 특히 군함에서 당시 유일한 원동기로 널리 사용되고 있다.
증기기관은 증기에 따라 피스톤의 한쪽이나 양쪽에서 일을 하는데, 단작용식과 쌍작용식으로 나눌 수 있다. 실린더 배열에 따르면, 수직 및 수평 으로 나눌 수 있습니다; 증기가 한 항아리에서 팽창하는지, 여러 항아리에서 연속적으로 팽창하는지에 따라 단일 팽창형과 다중 팽창형으로 나눌 수 있다. 실린더 내 증기의 흐름에 따라 역류식과 단류로 나눌 수 있다. 배기 방식과 배기 압력에 따라 응축, 대기식, 배압식으로 나눌 수 있습니다.
단순 증기기관은 주로 실린더, 베이스, 피스톤, 크랭크 커넥팅로드 메커니즘, 슬라이드 밸브 밸브, 속도 조절 메커니즘 및 플라이휠로 구성되며 실린더와 베이스는 정지 부품입니다. 보일러에서 온 새 증기는 주 증기 밸브와 스로틀 밸브를 통해 슬라이드 밸브실로 들어가고, 슬라이드 밸브 제어에 의해 실린더 왼쪽 또는 오른쪽으로 번갈아 들어가 피스톤 운동을 추진한다.
증기 기관의 발전은 우선 전력과 효율의 향상에 반영되지만, 전력과 효율의 증가는 주로 증기 매개변수의 향상에 달려 있다. 증기기관 시작 시 증기압력은 0.11~ 0.13mpa, 19 세기 초 0.35 ~ 0.7 MPa 에 불과했다. 1920 년대는 6 ~ 10 MPa 였다. 증기 온도 방면에서 19 연말에는 250 C 를 넘지 않았지만, 30 년대에는 450 ~ 480 C 에서 사용했다.
효율성의 경우 와트의 초기 단계에서 연속적으로 작동하는 증기 기관의 총 효율은 연료의 발열량에 따라 3% 미만으로 계산됩니다. 1840 까지 최고의 응축 증기 기관의 총 효율은 8% 에 달할 수 있습니다. 20 세기까지 증기 기관의 최고 효율은 20% 이상에 이를 수 있다.
회전 속도 측면에서 18 년 말 와트증기기관은 40 ~ 50 회전밖에 되지 않았다. 20 세기 초에는 회전 속도가 100 ~ 300 회전/분에 달했고, 일부 증기기관은 한때 2500 회전/분에 달했다. 전력으로 볼 때, 처음에는 단독전력이 몇 마력에 불과하며, 20 세기 초의 선박용 증기기관 전력은 25,000 마력에 달할 수 있다.
증기 매개변수와 전력이 높아지면서 증기는 한 항아리에서 계속 팽창할 수 없고, 연결된 항아리 안에서 계속 팽창해야 하기 때문에 다단 팽창 증기기관이 생기게 된다. 윤활유 인화점 제한으로 증기기관에 사용되는 증기의 최고 온도는 일반적으로 400 C 미만이고 기관차 선박 등 모바일 증기기관은 약간 낮아 대부분 350 C 를 넘지 않는다. 팽창 가능성과 구조의 경제성을 감안하면 일반적인 압력은 2.5 MPa 이하이다. 증기 매개변수가 제한되어 증기 기관의 전력 증가를 제한한다.
증기 기관의 출현과 개선은 사회와 경제의 발전을 촉진시켰지만, 동시에 경제 발전은 오히려 증기 기관에 더 높은 전력, 고효율, 중량, 부피 등 더 높은 요구를 하였다. 증기 엔진에 대한 많은 개선과 사용 범위 확대, 성능 향상에도 불구하고 증기 터빈과 내연 기관의 발전에 따라 증기기관은 극복할 수 없는 약점이 있어 점차 쇠퇴하고 있다.
증기기관의 약점은 보일러를 빼놓을 수 없고, 전체 설비가 육중하고 거대하다는 것이다. 신선한 증기의 압력과 온도는 너무 높아서는 안 되고, 배기압력도 너무 낮아서는 안 된다. 이렇게 하면 열효율을 높이기가 어렵다. 왕복동 기계입니다. 관성력은 회전 속도의 증가를 제한합니다. 작업 과정이 불연속적이고 증기 유량이 제한되어 동력의 상승을 제한한다.
이에 따라 육중한 보일러를 버린 내연기관은 무게가 가볍고, 부피가 작고, 열효율이 높고, 조작이 유연하다는 등의 장점으로 선박과 기관차의 증기기관을 점차 대체했다. 증기 터빈은 열효율이 높고, 독립 전력이 크고, 회전 속도가 높으며, 단위 전력이 가볍고, 운행이 원활하다는 등의 장점을 가지고 있어 증기기관을 발전소에서 밀어냈다.
그런 다음 모터는 사용이 편리하기 때문에 증기기관의 공업설비에서의 응용을 대체했다. 저전력 증기 기관의 열효율은 증기 터빈보다 높기 때문에 석탄 생산지나 저질 연료만 있는 지역이나 특수한 상황에서는 증기 엔진이 역할을 할 수 있는 공간이 있다.
증기기관은 매우 큰 역사적 작용을 하여 기계공업과 사회의 발전을 촉진시켰다. 그것의 발전에 따라 세워진 열역학과 메커니즘은 증기 터빈과 내연 기관의 발전을 위한 토대를 마련했다. 증기 터빈은 증기를 공질로 하는 증기기관의 특징을 계승하여, 응고기를 이용하여 배기 압력을 낮추고 왕복운동과 간헐적인 흡기의 단점을 배제했다. 내연 기관은 증기 기관의 기본 구조와 전동 형식을 계승하여 연료가 실린더 연소에 직접 입력되는 방식을 채택하여 열효율이 훨씬 높은 열순환을 형성한다. 동시에 증기 엔진에 사용되는 실린더, 피스톤, 플라이휠, 해머거버너, 밸브 및 씰은 많은 현대 기계의 기본 부품입니다.