증기기관차

• 蒸氣機關車, steam locomotive

증기기관으로부터 구동력을 얻어 움직이는 기관차를 의미한다.

개요

증기기관차는 외연기관의 일종인 증기기관을 주 동력원으로 삼는 기관차이다. 기본적으로 보일러에서 물을 끓여 증기를 발생시키고, 이 증기의 압력으로 피스톤을 구동시켜서 바퀴를 움직이는 힘을 얻는다. 따라서 열원에 관계 없이 증기를 통해 구동하는 기관차라면 모두 증기기관차에 해당한다. 디젤로 증기를 만들든, 목탄이나 톱밥으로 증기를 만들든, 전기로 물을 끓이거나 심지어 원자력으로 만들어도 증기로 구동한다면 증기기관차인 셈이다.

역사

증기기관차는 철도의 역사와 궤를 같이 한다. 증기기관을 차량에 응용한 것은 18세기 후반부터 영국 등에서 시도되었으나 1804년 리처드 트레비딕이 최초로 증기력을 사용한 기관차를 제작한 것으로 본다. 이후 1814년 조지 스티븐슨이 증기기관차의 제작에 성공하였으며 본격적인 의미의 증기기관차인 로코모션 호가 1825년에 개발되어 세계 최초의 철도 스톡턴∼달링턴 철도에서 실용화에 성공하였다. 이 기관차는 약 90t의 객·화차를 견인하여 시속 16km의 속도로 주파하였으며, 그후 1829년 리버풀-맨체스터 철도의 개업을 앞두고 기관차경주가 행해졌는데 스티븐슨과 그 아들이 만든 로켓호는 최고시속 46km를 내어 우승함으로써 증기기관차의 우수한 성능과 실용가능성을 일반에 인식시키게 된다.

그 후 증기기관차는 각국의 철도에 채택되어 장거리주행을 위하여 석탄과 물을 다른 차량에 적재하여 견인하는 텐더 기관차가 출현하였으며, 속도를 증가하기 위하여 동륜(動輪) 지름을 크게 하는 등의 시도가 이루어져 모두 실용화되었다. 기관차의 대형화는 19세기 말까지 크게 진척됨에 따라 견인력도 점점 커지게 되었으며, 영국 외에 독일, 프랑스, 미국 등지에서 자체적인 기관차 제작에 들어가면서 국가 별로 고유의 형태로 발전을 이루게 된다.

한국에서의 증기기관차

1899년 경인선을 건설하기 위해서 미국의 브룩스 공장에서 모가형 증기 기관차를 도입해 조립한 것이 국내 최초의 기관차 도입이다. 해당 기관차는 인천에 양륙하여 인천역 구내에서 조립, 건설작업에 투입되었다.

이후 일제시대 초기까지 미국 또는 독일 등지에서 기관차를 수입해 사용하였으나 점차 일본에서 제작된 차량로 대체되었으며, 경성공장 등지에서 자체 제작을 하기도 하였다. 해방 이후에는 일제 당시에 제작된 차량과, 부품 및 생산설비를 활용해 자체 제작한 증기기관차가 사용되었으며, 미군정 당시에 미국의 원조형태로 소리2형 증기 기관차을 도입하기도 하였다.

그러나, 증기기관차는 효율이 떨어지는 데다 매연, 보수의 어려움 등으로 점차 디젤기관차로 대체되기에 이르렀으며, 1969년을 끝으로 본선열차 견인을 종운하게 되었다. 다만, 이후 입환기 등으로 주요 구내에서 70년대 까지 운행하였으며, 일부 차량은 전시비축 목적으로 보존처리가 되었다.

이후 증기기관차에 대한 관광적 가치가 재조명되어 1983년에는 보존중인 미카형 증기 기관차을 동해남부선 등지에서 여객 열차 견인에 투입하기도 하였다. 그러나 노후화가 현저했던지라 수 년 후에는 다시 증기기관차 운행은 중단되었다. 1994년에 중국에서 들여온 901호 증기 기관차를 사용하여 교외선 구간에 복원운전을 하였으나, 2000년에는 유지보수 문제로 중단하게 되었다.

현재 한국에는 운행 가능한 증기기관차가 남아 있지 않은 상황이다.

증기기관차의 종류

• 형태에 따른 분류 : 기관차 자체에 탄조, 수조를 비치한 탱크기관차와, 석탄과 물을 적재한 탄수차를 연결한 텐더기관차로 나누어진다.
• 증기 가열방식에 따른 분류 : 보일러에서 발생한 증기를 그대로 사용하는 포화증기기관차와 포화증기를 더욱 과열기로 고온 건조시켜서 사용하는 과열증기기관차로 나누어진다.
• 증기의 사용방법에 따라 분류 - 증기를 실린더 내에서 1회만 사용하는 단식기관차와 실린더에서 사용한 증기를 또 다른 실린더에서 사용하는 복식기관차로 나누어진다.
• 실린더 수에 따른 분류 : 실린더의 수에 따라 2실린더·3실린더·4실린더 등으로 분류된다.
• 사용목적(동륜)에 따른 분류 : 여객용은 동륜수가 적고 동륜지름이 크다. 화물용은 동륜수가 많고 동륜지름이 작다.
• 구조적 특징에 따른 분류
  • 연접식 기관차 : 동륜군이 2개 이상으로 구성되며 이중 하나 이상이 대차와 같이 선로방향을 추종하여 회전 가능하도록 설치된 것을 말한다.
  • 말레식 기관차 : 스위스 출신의 기술자 아나톨 말레(Anatole Mallet)가 개발한 연접식 기관차로, 2개의 동륜군을 가지되 1개는 보일러가 부착된 차체에 고정되었지만 다른 한 동륜군은 그 차체의 앞쪽에 전륜과 비슷한 형태로 회전 가능하게 붙은 형태의 기관차이다. 엄밀히 구분할 경우 말레식 기관차는 복식 기관차로, 차체측 동륜군이 1단 팽창을, 전륜측 동륜군이 2단 팽창을 하는 구조이며, 각각의 동륜군에 증기를 공급하는 경우는 단순 연접식으로 구분하기도 한다.
  • 개럿식 기관차 : 영국 기술자 허버트 윌리엄 개럿(Herbert William Garrat)이 개발한 연접식 기관차로, 2개의 동륜군이 각각 대차 형식으로 구성되어있으며 보일러와 기관실, 탄수차가 이들 대차 위에 모두 설치된 구조의 기관차이다. 대량의 물을 적재하기 용이하기에 호주 등 건조지역의 영국 식민지에서 널리 사용되었다.
  • 페얼리식 기관차 : 스코틀랜드 기술자 로버트 프랜시스 페얼리(Robert Francis Fairlie)가 개발한 연접식 기관차로, 2개의 보일러를 한 차체의 양단으로 설치하되 기관실은 1개소만 두며, 동륜은 모두 대차 형태로 설치된 방식이다. 영국의 협궤 등지에서 많이 사용된 방식이다.
  • 메이어식 기관차 : 프랑스 기술자 장자크 메이어(Jean-jacques Meyer)가 개발한 연접식 기관차로, 페얼리식과 유사하게 대차형식으로 2개의 동륜을 두되, 실린더는 차체의 가운데 방향으로 몰아두며, 보일러는 통상 기관차와 같이 1개소만 설치한 형태이다. 여기에 탄수차까지 한 프레임에 올리는 경우를 킷슨-메이어식으로 따로 분류하기도 한다.
  • 기어식 기관차 : 피스톤과 동륜을 직결하지 않고, 기어박스를 통해 차륜을 구동시키는 방식의 증기기관차이다. 동륜에 직접 피스톤로드를 연결하는 방식을 적용하기 힘든 소형, 협궤용의 기관차에 적용되었다. 고속을 내기 어렵지만 보기 대차를 적용할 수 있어 곡선 등의 추종성이 높다. 세부적인 구조에 따라 셰이식, 클리맥스식, 헤이슬러식 등으로 구분한다.
  • 캐멀백 기관차 : 운전실이 기관차의 가운데에 위치하되, 보일러에 걸쳐진 형태로 설치된 기관차. 보통 면적이 큰 연소실을 설치하고, 시야개선과 질식방지 차원에서 이런 구조를 취하지만, 운전실 시야가 제한되고 보일러 운전을 담당하는 화부가 별도로 배치되어야 하며, 주행중 크랭크샤프트 절손 등이 발생할 경우 운전실이 직격당하는 위험이 있다.
  • 캡 포워드 기관차 : 운전실이 기관차의 맨 앞에 설치된 기관차로, 터널구간에서 배기로 인한 질식사고를 예방할 수 있고, 전방 시야가 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나, 석탄을 연소하는 경우엔 자동급탄장치를 설치하거나 보일러 운전을 담당할 화부를 별도로 배치해야 하기에, 중유 등 액체연료를 쓰는 경우에 그 장점을 제대로 쓸 수 있다.

증기기관차가 현역인 국가

• 미국
• 독일