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기획특집/연재

철도차량의 역사(4)

증기기관차

5. 기술발전


5. 1. 증기기관차


  조지 스티븐슨 씨는 마차철도(馬車鐵道)에 4피트 8.5인치(1,435 mm)의 표준궤를 정했다. 그러나 만족스러운 기관차를 만들기 위해서는 이래서는 부족하다는 주장도 있었다. 이잠바드ㆍ킹덤ㆍ브루넬은 그레이트 웨스턴 철도건설에 있어서 7피트 0.25인치(2,140 mm)의 광궤를 채용했다. 이로써 당시의 공작정도(工作精度)로 여유를 가지고 기관차를 제조할 수 있어 안정되고 고속주행을 할 수 있게 되었다. 이렇게 표준궤(標準軌) 대(對) 광궤(廣軌)의「궤간전쟁(軌間戰爭)」이 일어났다.


  광궤 기관차는 확실히 기술적으로 뛰어나 고속성능에서나 견인성능에서도 우수했다. 그러나 이미 표준궤의 철도망은 크게 늘어났고, 표준궤와 광궤가 접속하는 지점에서 환승해야 하며, 화물을 환적해야 하는 번거로움은 항상 소수파의 광궤에 넘어갔다.


  기술적으로는 뛰어나도 경제적·현실적인 문제로 광궤는 궤간전쟁에 패배하게 되었고, 브루넬이 죽은 후 그레이트 웨스턴 철도에서도 표준궤로 개궤(改軌)하는 것으로 추진되었다. 최종적으로는 1892년 5월 20일, 광궤 증기기관차「그레이트 브리튼 호(號)」가 견인하는 런던 패딩턴 역을 10시 15분에 출발하는 펜잔스 행 급행열차「코니슈 만 호(號)」를 마지막으로 불과 2일에 궤간변경(軌間變更)에 관한 공사가 진행되어 마지막 광궤(廣軌)는 영국에서 소멸하였다.


  한편, 최근 반대로 협궤의 철도기술 개발도 행해지고 있었다. 증기기관차를 실용적으로 움직이기 위해서는 표준궤가 최소라고 당초는 생각되고 있었지만 드디어 건설비를 억제하고 싶다는 요구로부터 협궤가 개발되었다. 세계 최초의 실용 협궤철도는 벨기에의 안트베르펜과 세인트 니콜스 간이 1844년 11월에 개통되었다. 궤간은 3피트 9인치를 미터 법으로 환산하면 1,100 mm이다. 또 노르웨이에서는 3피트 6인치(1,067 mm)의 협궤철도가 개통되면서 이는 일본과 호주, 뉴질랜드, 남 아프리카 등에 영향을 주게 되었다. 


  다만, 벨기에와 노르웨이는 이후 표준궤로 궤간변경하고 있다. 협궤는 건설비가 싸기 때문에 산이 많은 나라나 개발 도상국, 식민지 등에서 널리 채용된다.


  공작정밀도(工作 精密度)가 낮은 시대에는 피스톤이나 차륜을 고속 회전시키지 못해 낮은 회전수로 높은 속도를 내기 위해서는 큰 동륜(動輪)이 필요했다. 이 때문에 1축의 동륜(動輪)을 극단적으로 크게 만든「싱글 드라이버(single driver) 형」이 발전하였다. 그러나 동륜(動輪)의 대형화하는 데에는 한계가 있으며, 또한 동륜(動輪) 1축만으로는 견인력이 부족하기 때문에 새로운 형식의 기관차를 개발하였다.


  새로운 형식은 주로 차축의 수를 늘리는 쪽으로 발전하였으며, 그 발전은 미국이 주로 견인하였다. 초기에는 빈약한 선로에 대응하기 위해서 기관차 기술을 발전시키고 있었지만 이윽고 미국의 선로는 세계에서도 최고 수준의 규격으로 개량되는 가운데 세계 최대 클래스의 증기기관차가 이용되게 되었다.


  그 과정에서 새롭게 차축을 배치한 기관차가 속속 투입되어 4-6-0「텐 휠러(Ten-Wheeler, 1854년)」, 2-6-0「모갈(Mogul, 1860년)」, 2-8-0「콤소리데이션(Consolidation, 1866년)」, 2-10-0「데카 포드(Decapod, 1867년)」, 2-8-2「미카도(Mikado, 1883년)」, 4-6-2「퍼시픽(Pacific, 1889년)」, 4-4-2「아틀랜틱(Atlantic, 1894년)」으로 발전하였다.


  보일러에서 증기 발생량을 늘리기 위해서는 화실(火室)을 넓혀 석탄을 태우는 면적을 늘려야 한다. 이 때문에 동륜(動輪)의 뒤에 종륜(從輪)을 췸부하여 화실(火室)을 뒤로 넓힌 형식으로 생각하였다. 이것이 차륜배치 2-8-2의「미카도」이다. 이「미카도 형(型)」의 최초의 기관차는 1883년도에 만들었지만 이것은 화실(火室)을 넓히기 위한 종륜(從輪)은 아니었다. 


  화실(火室)이 넓히기 위해서 종륜(從輪)을 취부한다고 하는 본래의「미카도 형」의 발상에 의해서 만들어진 최초의 기관차는 일본 철도용으로 볼드윈이 1897년도에 제작한 9700 형으로써 일본용이어서 천황(天皇)의 별칭에서「미카도」 이름을 볼드윈에 의해 붙여졌다. 또 4-6-2의「퍼시픽 형(型)」에도 마찬가지로 뉴질랜드용으로 1902년도에 제작한 기관차로써 화실(火室)을 증대시킴으로써 이러한 협궤 철도용 기관차부터 넓은 화실(火室)이 본격적으로 시작된 셈이다.


  밸브장치(弁裝置)는 증기기관 실린더에 증기를 공급해 배출하는 타이밍을 제어하고, 전진과 후진을 전환하거나 컷오프를 제어해 증기를 절약하기 위한 장치이다. 초기 기관차에는 스티븐슨 씨가 고안한 스티븐슨 식 변장치가 사용되었다. 1844년 벨기에 국철의 기사 왈샤트(Egide Walschaerts) 씨는 왈샤트 밸브장치를 고안하였다. 독일의 호이징거(Heusinger) 씨가 개량했기 때문에 호이징거 식이라고도 부른다.


  이 밸브장치는 그 우수성에서 확산되면서 후 증기기관차 시대의 종말까지 사용되는 장치가 되었다. 한편 미국에 있어서는 광대한 대지를 장거리에 걸쳐서 주행하는 동안 만족하게 정비하기가 어렵기 때문에 습동부분을 없애 정비시간을 줄인 베이커 식 밸브장치가 개발되어 보급되었다


  증기기관차에는 보일러로 증기를 만들어 실린더에 공급하고 있다. 증기는 액체의 물에서 비등(沸騰)시켜 만든 단계는 아직 다량의 수분을 함유하고 있어 포화증기라고 부른다. 이를 더욱 가열해 수분을 완전히 증기로 변환해 온도를 높인 것은 과열증기라고 부른다. 과열증기를 사용하는 것이 보다 효율이 좋아진다고 하는 것부터 증기기관차에도 과열증기를 사용하여 왔다. 처


  음 뛰어든 것은 1852년, 런던 앤드 노스웨스턴 철도기사(鐵道技師) 맛코 넬 씨이며, 더욱이 구미(歐美) 각국에서 여러 가지 실험이 시도됐으나 잘 되지 않았다. 처음 성공한 것은 1891년, 독일의 빌헬름 슈미트(Wilhelm Schmidt) 씨이다. 또 벨기에 국철의 기사장(技師長) J.B. 풀럼 씨의 조언에서 연관(煙管) 내 과열관을 둘러친 구성을 1901년도에 완성하고, 슈미트 식 과열증기 시스템은 순식간에 전 세계 증기기관차에 퍼지게 돠었다.


      


  보일러로 만든 증기를 고압 실린더에 먼저 통하여 아직 압력에 남는 고압 실린더의 배기를 저압 실린더에 통한다는 2단계로 나누어 이용하는 방식을 복식 기관차(복식)이라고 한다. 복식에 대해서 종래의 방식은 단식(심플)이라고 한다.복식에서는, 증기의 열 에너지를 유효하게 이끌어 내고 열 효율을 향상할 수 있다. 복식의 발상도 증기 기관차의 역사 비교적 초기부터 있어 1850년에 영국의 이스턴 카운티 철도 죠은・니콜송과 제임스 사무엘슨으로 특허가 되어 있다.


  그러나 실용에 충분한 기관차가 실제로 만들어진 것은 1876년의 일로 스위스 아나톨 말레이의 설계에 따른 프랑스의 기관차였다.머리는 더 연구를 진행, 증기 기관차를 2차체 연결하고 고압 실린더로 사용한 후의 증기를 저압 실린더의 탑재된 차체에 보내고 쓰는 말레이 식 기관차를 발명하였다. 말레이 식을 포함한 복식 기관차는 당분간 각국에서 이용되었지만 과열증기 시스템이 보급되면 메리트가 희미해져 조작이나 보수의 불편함으로부터 프랑스를 제외하고 별로 볼 수 없게 되었다.


  프랑스에서는 정밀한 기관차에서 성능을 최대한으로 활용하겠다는 발상에서 끝까지 복식이 이용되었으며, 소형 기관차에서도 세계 최대의 아메리카 기관차에 필적하는 출력을 실현할 수 있을 정도로 발전하였다.


  세계 최대의 출력을 갖는 증기기관차로 알려진 미국의「빅 보이」도 말레이 식이라고 불렀지만 이는 두 차체를 연결한 것이지만 복식은 아니다.


    
           마라도 호 증기기관차


  증기기관차의 실린더 수는 보통 좌우 각각 1개씩 2개이며, 복식의 경우 고압과 저압이 조합되어 4개이다. 영국에는 4기통에도 단식(單式)으로써 연비향상 뿐만 아니라 같은 차량한계 내에서 출력 증대와 내외 실린더의 구동을 반대로 하여 진동을 억제하는 목적의 기관차가 개발되어 프랑스의 복식 4기통과 함께 쓰였지만 양측 모두 대형화가 진행되면서 크랭크 차축이 왜곡되기 쉽다(차축에 크랭크가 2개 있는 강도가 떨어지는)라는 문제가 발생하며, 중앙 크랭크를 1개로 한 3실린더 기(機) 쪽이 크랭크 웹의 두께 두꺼워 큰 마력화(馬力化)에 유리하다. 


  토오크 변동도 2ㆍ4기통이 1회전에 4회인 데 반해 3기통은 6회로 분산하기 때문에 토오크의 기복이 적어 진동이 줄어든다는 계산이 되지만 레버로 외측 실린더의 움직임을 곧바로 내측의 실린더[위상(位相)이 반대이므로 복잡한 기구도 필요 없다)에서 움직이면 되는 4실린더에 대해 전용 밸브를 달아 중앙 실린더를 움직이지 않으면 안 되기 때문에 정비하기 어렵다는 결점이 있다.


  개량 안(改良案)으로써 영국의 런던 앤드 노스·이스턴 철도 기사장(技師長) 나이젤 그레즈리 씨는 2개의 밸브장치에서 연장한 레버로 3기통을 구동하는 그레즈리 식 연동 밸브장치를 개발하여 자사(自社) 기관차에 사용했으나 이것은 전방에서 바로 보수할 수 있는 대신 부지런히 정비하지 않으면 중앙 실린더의 움직임에 차이가 생겨 크랭크 손상으로 이어지기 때문에 일장 일단이 있으므로 영국 등 내측 실린더를 정비하는 데 익숙해진 곳에서 철거(전용밸브 취부)하여 개조를 받은 것도 있었다


  이렇게 발전한 증기기관차는 런던 앤드 노스·이스턴 철도의 A4형 증기기관차 1량, 4468호 기(機)「마라드(Mallard)」호로 1938년 7월 3일, 203 km/h라는 세계 최고속도 기록을 달성하였다. 이는 2008년까지 깨지지 않는 증기기관차의 세계 최고속도이다. 이 기관차는 국립 요크 철도박물관에 보존되어 있다.


    

                                               마레 식 증기기관차


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