[공학] 제임스 와트의 증기기관

뉴커먼이 사망한 지 40년 만에 제임스 와트는 세이버리, 뉴커먼과 함께 증기기관의 창시자로 인정받을 만큼 근본적이고 중요한 변화를 일으켰다. 존 스미턴과 마찬가지로 와트도 악기 제작자로 시작하여 실무 엔지니어가 되었다. 그는 스코틀랜드 과학자 조셉 블랙의 열에 관한 강의를 듣고 있던 글래스고 대학의 실험실에서 조교로 일하던 중 아이디어를 떠올렸다. 와트는 자신이 수리하던 뉴커먼 엔진 모델에서 실린더 벽을 사이클마다 냉각하고 재가열해야 했기 때문에 스트로크 사이에 열이 낭비된다는 점에 주목했다. 그는 대기압과 부분 진공 상태에서 증기를 계속 사용했지만, 증기를 응축하기 위한 별도의 격실을 실린더와 연결하되 실린더 주위에 증기 재킷을 씌워 벽을 뜨겁게 유지했다. 이렇게 해서 그는 뉴커먼이 필요로 했던 연료의 4분의 3을 절약했다.

 

제임스 와트의 작업실

 

분리형 응축기를 발명한 1765년과 첫 특허를 획득한 1769년 사이에 와트는 엔진에 두 가지 중요한 개선 사항을 추가했다. 그는 응축기의 내용물인 물, 응축된 증기, 공기를 펌프질하여 진공 상태를 유지하려고 공기 펌프를 추가했다. 또한 그는 오늘날 스터핑 박스라고 불리는 피스톤 로드 주위에 만들어진 실린더의 열린 상단을 닫고 공기가 아닌 증기를 주입하여 피스톤을 아래로 밀어냈다. 1769년 특허에서 그는 "나는 많은 경우에 대기 압력이 현재 일반 소방차 또는 뉴커먼 엔진에 사용하는 것과 같은 방식으로 증기의 팽창력을 이용해 피스톤을 누르거나 그 대신 사용할 수 있는 것을 모두 사용하고자 한다"라고 말했다. 이 특허의 네 가지 새로운 아이디어는 별도의 응축기, 실린더용 히트 재킷, 에어 펌프, 증기의 팽창력 활용이다.

 

뉴커먼 엔진과 마찬가지로 이 와트 엔진은 단동식 엔진으로 펌프질에만 유용했다. 그러나 1782년 와트는 증기와 진공이 피스톤의 반대편에 번갈아 가며 적용되는 이중 작동 엔진에 대한 특허를 획득했다. 이 새로운 엔진은 피스톤 로드에 인장뿐만 아니라 압축도 가해졌다. 따라서 피스톤 로드와 작업 막대를 연결하는 체인의 뉴커먼 어셈블리는 더 이상 사용할 수 없었다. 대신 와트는 피스톤 로드의 움직임이 막대에 전달될 때 피스톤 로드를 거의 일직선으로 정렬할 수 있도록 평행봉 어셈블리를 만들었다. 그는 1784년에 특허를 받은 이 발명품이 지금까지 만든 그 어떤 발명품보다 자랑스러웠지만, 그렇다고 해서 상상력이 완전히 소진된 것은 아니었다고 말한다. 그는 훨씬 더 큰 장점이 있는 개선품을 만들었다.

 

제임스 와트는 수은 증기 게이지, 유리 수위계, 증기를 받아들이고 방출하는 포핏 밸브도 제작했다. 그는 스트로크 계수기와 스트로크 전체에 걸쳐 실린더의 압력을 보여주는 장치를 개발했다. 그는 마찰과 누출을 줄이려고 피스톤 가장자리에 홈을 만들고 그 안을 삼(hemp)으로 채우는 방법을 고안했다. 그는 증기 조절판과 엔진 속도를 제어하려고 밀가루 공장에서 원심력 또는 플라이볼 조속기를 도입했는데, 이 조속기는 "맷돌과 바닥 돌 사이의 거리"를 조절하는 데 사용하였다. 그는 1782년에 증기의 팽창을 활용할 수 있도록 스트로크 초기에 증기 공급을 차단하는 장치를 설계하여 특허를 받기도 했다. 이 메커니즘은 오늘날 대부분의 왕복 증기 엔진에서 사용되고 있지만, 와트 자신은 저압 엔진에는 효과적으로 적용하지 않았다. 이 메커니즘은 그가 허용한 압력보다 높은 압력에서만 경제적이다.

 

엔진 크기가 커지면서 가능한 한 나무를 사용하지 않는 것이 바람직했다. 20개의 전나무를 10피트 깊이로 세트로 묶어 만든 거대한 작업용 들보에 대한 현대적 설명에 따르면 그 크기는 폭 2피트, 양쪽 끝의 두께 5피트, 중앙의 두께 10피트였다. 1787년에 와트는 이러한 서투른 부품을 주철로 대체했고, 이후 엔진을 완전히 금속으로 만들었다. 철제 작업용 들보는 트러스 또는 다이아몬드 모양의 패턴으로 제작되어 모든 재료를 유용하게 사용할 수 있었다. 따라서 불필요한 금속은 배제할 수 있었다.

 

※ 와트(Watt, James): 영국의 기계 기술자(1736~1819). 증기 기관을 발명ㆍ제조하여 산업 혁명의 기술적 원인을 조성하였다.