[공학] 증기기관의 개선

매튜 볼턴은 단동 왕복식 와트 엔진은 펌프질에만 사용할 수 있어 상대적으로 미래가 제한적인 것을 깨달았다. 불턴은 1781년 와트에게 보낸 편지에서 런던, 맨체스터, 버밍엄의 사람들이 증기기관에 열광하고 있다는 사실도 알고 있었다. 그래서 그는 와트에게 회전식 엔진을 개발하라고 독촉했다. 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 가장 확실한 방법은 크랭크와 플라이휠을 사용하여 크랭크가 데드 센터를 통과시키는 것이었다. 이런 방식은 오래전부터 알려져 있었으며, 실제로 가장 초기의 850 크랭크는 플라이휠 역할도 하는 그라인 스톤에 부착되어 있었다. 와트를 포함한 그 누구도 플라이휠이 한 회전 동안 엔진 회전수를 거의 균일하게 유지한다는 사실을 깨닫지 못했던 것 같다. 플라이휠은 크랭크가 데드 센터를 통과할 때 에너지를 방출하고 나머지 스트로크 동안 에너지를 저장하는 에너지 저장소 역할을 하므로 이러한 이해 부족은 놀라운 일이 아니지만, 19세기 중반이 되어서야 과학자들은 에너지 개념을 발전시켰다. 와트에게는 미지의 개념이었다.

 

어쨌든 와트가 본격적으로 회전 엔진을 생산하기 시작할 무렵 버밍엄의 제임스 피커드는 이미 ‘바퀴의 회전’에 증기기관을 적용하는 방법으로 크랭크에 관한 특허를 받았다. 와트는 '크랭크를 엔진에 적용하는 것은 빵을 자르거나 치즈를 자르려고 마치 칼을 사용하는 것과 같다'라고 주장하며, 크랭크에 대해 매우 옳은 말을 했다. 크랭크는 수 세기 동안 사용되어 왔기 때문에 와트는 특허 청구에 대해 전혀 신경 쓰지 않을 수 있었다.

 

와트가 피커드의 주장에 이의를 제기하면 자신의 특허가 일부 침해당할지 두려웠을 수도 있다. 와트의 주장은 지나치게 광범위하여 증기기관 분야에서 독점권을 갖게 되었다. 어쨌든 와트는 논란을 피하는 쪽을 선택했다. 1794년 피커드의 특허가 만료될 때까지 와트는 소위 '태양과 행성'이라는 맞물린 기어 시스템을 사용하려고 했는데, 그중 하나는 작업용 들보와 연결된 막대에, 다른 하나는 회전축에 단단히 고정되어 있었다. 피커드는 이 방식을 절대 받아들이지 않았던 것 같다. 유성식 시스템에는 한 가지 장점이 있었는데, 같은 지름의 바퀴를 사용하면 샤프트가 엔진의 사이클마다 두 번 회전했다. 그러나 이 장치는 마찰로 많은 전력을 소비하고 소음이 매우 컸다. 그러나 피커드가 인세를 받았는지 관계없이 이 크랭크가 당시 여러 엔진에 사용되었다는 증거가 있으며, 불턴과 와트 역시 특허가 실제로 만료되기 전에 제한적으로 이 크랭크를 적용했던 것으로 보인다.

 

제임스 와트는 엔진 생산에 필요한 자금이 부족했지만, 카론 제철소의 존 로벅 박사에게서 3분의 2 지분을 대가로 기꺼이 자본을 제공할 수 있는 또 다른 발명가를 찾았다. 로벅이 어려운 시기를 만나 철수했을 때, 와트는 버밍엄의 매튜 볼튼에서 자금 조달을 맡을 수 있는 부유한 사람을 다시 만나게 되는 행운을 누렸다. 1775년에 설립된 불턴과 와트의 회사는 1800년에 와트의 기본 특허와 독점권이 만료되었음에도 19세기까지 아들들의 경영 아래 수년간 번영을 거듭하며 성공적으로 지속되었다.

 

버밍엄 인근 소호에 있는 회사의 공장에서 실험용으로 설치되었지만 실제로 사용되지는 않은 최초의 와트 엔진은 지름이 18인치에 불과한 실린더를 사용한 단동식 엔진이었다. 1776년 브로슬리 제철소와 블룸필드 제련소를 위해 제작한 상업용 엔진은 실린더 지름이 각각 38인치와 50인치였다. 1774년 제철 장인 존 윌킨슨이 보링 공정을 크게 개선한 기계를 개발하면서 와트는 곧 ‘최악의 경우 얇은 6펜스 두께보다 절대적인 진리에서 멀지 않은’ 72인치의 실린더를 보장할 수 있게 되었다. 당시에는 와트의 지름 6피트짜리 실린더가 동력 생산의 궁극으로 보였을지도 모른다. 사실 피스톤과 실린더의 크기는 많이 늘어나지 않았고, 1900년 이후에도 지름 8피트짜리 실린더는 큰 것으로 여겨졌다. 제임스 와트 시대에는 상상하기 힘들 정도로 용량을 늘린 것은 증기 압력과 왕복 증기 엔진의 작동 속도였다. 물론 와트는 터빈과 내연기관이 자신의 왕복 복동 엔진을 얼마나 대체할 수 있을지 전혀 몰랐다.

 

세기가 바뀌면서 증기 사용은 매우 보편화되어 엔진의 용량을 결정하기 위한 명확한 표준을 정해야 했다. 마력에 대한 친숙함으로 마력은 자연스러운 측정 단위가 되었다. 세이버리는 증기기관이 특정 순간에 교체하는 말뿐만 아니라 하루 24시간 연속 작동을 위해 유지 보수해야 하는 말의 작업도 수행할 수 있다고 언급했다. 스미튼은 말 한 마리가 중력을 거슬러 1분 동안 1피트 높이로 들어 올릴 수 있는 기계적 효과는 22,916파운드에 달한다고 더 정확하게 추정했다. 데사굴리에는 그 양을 27,500파운드까지 늘렸다. 그리고 1782년 와트는 실험을 통해 '양조장 말'이 분당 32,400파운드의 양을 생산할 수 있다는 사실을 발견했다. 이듬해 불턴과 와트는 판매용 엔진을 분류하기 위해 분당 33,000파운드의 수치를 표준화했다. 1809년에는 이 수치가 일반적으로 1마력에 해당하는 것으로 받아들여져 오늘날까지 사용되고 있다.

 

 

와트의 기본 특허가 만료된 1800년까지 약 500대의 불턴과 와트 엔진이 사용되었다. 38%는 물을 펌프질하는 데, 62%는 방직 공장, 용광로, 압연기, 제분 공장 및 기타 산업에 회전 동력을 공급하는 데 사용되었다. 제임스 와트와 매튜 불턴의 개인적 친구였던 유명한 도자기 제작자 조시아 웨지우드는 1790년에야 자신의 에트루리아 공장에 증기기관을 설치했지만, 제철업자 존 윌킨슨과 헨리 코트 같은 다른 사람은 이 새로운 동력원을 사용하는 데 더 열성적으로 움직였다. 와트의 엔진이 엄청난 영향력을 발휘하고 있었다는 것은 증기기관을 생산하고 개선하는 경쟁에 뛰어들려는 사람들이 많았던 것만 봐도 알 수 있다.