와트 증기기관 원리를 3D 단면과 응축기로 확인하기

모형이 보여 주는 것

와트 증기기관은 증기로 피스톤을 밀고, 일을 마친 증기는 별도 응축기에서 식힙니다. 실린더를 계속 뜨겁게 유지해 뉴커먼 기관과 같은 일을 석탄 3분의 1 정도로 해냅니다. 제임스 와트 이전의 증기기관은 같은 쇠 실린더를 1분에 열두 번 넘게 데웠다 식혔다 하느라 석탄 대부분을 써 버렸습니다. 이 모형은 그 낭비를 없애고, 나아가 펌프만 움직이던 증기기관이 공장의 축을 돌리게 만든 기계입니다.

1780년대에 볼턴·와트 회사가 만든 회전식 빔 기관을 10분의 1 크기로 줄이고 가운데를 잘랐습니다. 빨간 면은 자른 자리입니다. 보일러에서 막 나온 증기는 주황색, 일을 마치고 응축기로 가는 증기는 옅은 파란색, 물은 짙은 파란색으로 칠했습니다. 크기 비율은 시드니 파워하우스 박물관에 있는 1785년 볼턴·와트 기관을 따랐습니다. 실린더 안지름 635 mm(25인치), 행정 1.83 m(6피트), 플라이휠 지름 4.27 m(14피트)입니다.

화면 구석의 표에는 플라이휠 속도, 스로틀이 열린 정도, 증기가 피스톤에 넣어 주는 출력, 기관이 때는 석탄, 피스톤 위쪽 압력이 나옵니다. 그래프 밑의 작은 선은 최근 30초 동안의 속도(빨강)와 스로틀(파랑)이어서, 부하를 바꾸면 조속기가 어떻게 답하는지 볼 수 있습니다. 그 아래 그래프는 실린더 윗칸의 압력-부피 고리로, 기관이 도는 동안 계속 새로 그려집니다. 뒤에 깔린 회색 선은 설계 부하에서의 고리여서, 부하 슬라이더를 움직이면 고리가 어떻게 달라지는지 비교할 수 있습니다.

뉴커먼 기관이 석탄을 많이 먹은 까닭

토머스 뉴커먼이 1712년에 만든 대기압 기관은 실린더에 증기를 채운 다음 그 안에 찬물을 뿌렸습니다. 증기가 물로 바뀌면 실린더 안 압력이 떨어지고, 바깥 공기가 피스톤을 눌러 내립니다. 기관은 잘 움직였지만 행정마다 실린더 벽이 식었고, 다음에 들어온 증기는 공간을 채우기 전에 벽부터 다시 데워야 했습니다. 증기의 상당 부분이, 그러니까 그 증기를 만든 석탄이 쇠를 데우는 데 쓰였습니다.

와트가 이 문제를 만난 것은 1763년입니다. 글래스고 대학이 증기가 모자라 자꾸 멈추는 뉴커먼 기관 모형을 고쳐 달라고 맡겼습니다. 와트는 증기를 다른 곳에서 식히면 된다고 생각했고, 1765년에는 그 방법을 모형으로 만들어 냈습니다. 특허는 1769년 1월 5일에 나왔습니다. 특허의 첫 번째 원칙은 기관이 움직이는 동안 내내 실린더를 그 안에 들어오는 증기만큼 뜨겁게 유지해야 한다는 것이었습니다.

따로 둔 응축기

모형에서 응축기는 기관실 바닥 밑, 찬물을 채운 나무 수조 안에 선 쇠통입니다. 실린더 한쪽이 배기구와 이어지면 증기가 관을 타고 응축기로 몰려가고, 분사 꼭지에서 나온 찬물을 맞아 다시 물이 됩니다. 물은 증기보다 부피가 훨씬 작아서 응축기 안 압력은 낮게 유지됩니다. 모형에서는 약 0.2 bar입니다. 실린더는 찬물에 닿을 일이 없으니 늘 뜨겁습니다.

증기가 물로 바뀌면 물이 생기고, 증기에 섞여 들어오거나 이음매로 새어 든 공기도 쌓입니다. 응축기 옆의 공기 펌프가 둘 다 퍼냅니다. 펌프의 피스톤은 빔에 달린 막대가 움직이고, 퍼 올린 따뜻한 물은 온수조로 갔다가 급수관을 따라 보일러로 돌아갑니다. 영국 과학박물관은 결과를 한 줄로 정리합니다. 와트의 응축기를 단 기관은 석탄을 3분의 2 덜 썼습니다.

모형의 숫자로도 이유가 보입니다. 스로틀을 기준 열림 45%로 두면 실린더에 들어오는 증기는 절대압력 1.14 bar로, 바깥 공기보다 조금 높을 뿐입니다. 피스톤 반대쪽이 0.2 bar인 응축기와 이어져 있으니, 한 번 왕복할 때 약 80 kJ의 일을 합니다. 같은 기관이 배기를 1.01 bar인 바깥 공기로 내보낸다면 반대쪽에서 미는 압력이 앞으로 미는 힘을 거의 다 지워서 기관이 멈춥니다.

피스톤 양쪽을 미는 증기

와트의 첫 기관들은 뉴커먼 기관처럼 단동식이었습니다. 증기가 피스톤을 아래로 밀면, 펌프 막대의 무게가 다시 끌어올렸습니다. 기계를 고르게 돌리려면 그것으로는 모자랐고, 와트는 1782년 3월 복동식으로 특허를 받았습니다. 내려갈 때는 피스톤 위쪽을, 올라갈 때는 아래쪽을 증기가 밀고, 밀리지 않는 쪽은 응축기와 이어집니다.

모형에서는 슬라이드 밸브가 이 전환을 맡습니다. 아래가 오목하게 파인 황동 덩어리가 밸브 면의 구멍 세 개 위를 오르내립니다. 위 구멍은 실린더 윗칸으로, 아래 구멍은 아랫칸으로, 가운데 구멍은 배기구로 이어집니다. 밸브가 바깥쪽 구멍 하나를 증기 상자 쪽으로 열면, 오목한 안쪽은 반대편 바깥 구멍을 배기구에 이어 줍니다.

밸브 바깥 가장자리는 구멍보다 조금 넓은데, 이 겹치는 폭을 증기 랩이라고 합니다. 랩 때문에 밸브는 행정이 끝나기 한참 전에 새 증기를 막습니다. 모형에서는 내려갈 때 행정의 46%, 올라갈 때 55%에서 막힙니다. 두 숫자가 다른 것은 빔 끝이 원호를 그리고 막대 길이가 무한히 길지 않기 때문입니다. 증기가 끊긴 뒤에도 갇힌 증기는 부풀면서 계속 피스톤을 밀어서 증기를 아낄 수 있습니다. 와트는 이 팽창 이용도 같은 1782년 특허에 넣었습니다.

흔들리는 빔으로 축을 돌리는 방법

피스톤 막대 꼭대기는 곧게 움직여야 합니다. 그렇지 않으면 막대를 감싼 패킹 상자가 상합니다. 그런데 빔 끝은 원호를 그립니다. 와트는 1784년 평행 운동 장치로 이 문제를 풀었습니다. 막대 몇 개와 반경 막대를 엮어, 한 관절이 행정 내내 거의 곧은 선을 그리게 한 것입니다. 와트는 자기 발명 가운데 이것이 가장 자랑스럽다고 했습니다. 실제 장치는 곧은 선에 가깝게 따라갈 뿐이고, 모형은 크로스헤드를 실린더 축 위에 정확히 두고 거기서 막대 위치를 거꾸로 계산했습니다.

빔 반대쪽 끝에서는 커넥팅 로드가 축까지 내려옵니다. 끝에는 크랭크 대신 기어가 달려 있는데, 이 기어는 로드에 고정되어 로드 위에서 돌지 못합니다. 이 행성 기어가 플라이휠 축에 달린 같은 크기의 태양 기어와 맞물리고, 띠쇠가 두 기어를 붙잡아 둡니다. 행성 기어가 축 둘레를 한 바퀴 돌 때 태양 기어는 두 바퀴 돌아서, 피스톤이 한 번 오르내리는 동안 축은 두 바퀴 돕니다. ASME 자료에 따르면 와트가 이 장치를 쓴 것은 크랭크가 이미 다른 사람의 특허였기 때문입니다.

지름 4.27 m 플라이휠은 한 바퀴에 두 번 오는 사점을 관성으로 넘겨 줍니다. 사점은 피스톤이 행정 끝에 있어서 축을 밀어 돌릴 수 없는 자리입니다.

조속기가 속도를 맞추는 방법

공장 기관은 돌리는 기계가 바쁠 때나 한가할 때나 거의 같은 속도로 돌아야 합니다. 원심 조속기는 사람이 지켜보지 않아도 이 일을 합니다. 플라이휠 축에서 동력을 받는 축에 팔 두 개가 달려 있고, 팔 끝에는 황동 공이 매달려 있습니다. 축이 빨리 돌면 공이 바깥으로 벌어지며 올라가고, 슬리브를 들어 올립니다. 슬리브는 꺾인 지레와 긴 막대를 거쳐 증기관 안의 나비 모양 스로틀을 조금 닫습니다. 실린더로 가는 증기가 줄어 기관이 느려집니다. 너무 느려지면 공이 내려오며 스로틀이 열립니다.

조작 탭에서 직접 바꿔 보세요. 설계 부하 30마력에서 기관은 분당 40.3바퀴로 자리를 잡습니다. 부하를 10마력으로 줄이면 플라이휠이 잠깐 42.8 rpm까지 빨라졌다가, 스로틀이 약 8%까지 닫히면서 42.6 rpm에 멈춥니다. 조속기를 끄고 같은 일을 하면 스로틀은 그대로이고, 기관은 1분 안에 110 rpm을 넘어 버립니다. 부하를 40마력으로 올리면 스로틀이 끝까지 열려도 기관은 약 29 rpm까지 느려집니다. 40 rpm에서 약 37마력을 넘는 일은 이 실린더가 해낼 수 없습니다.

이런 조속기는 원래 속도로 완전히 돌아가지는 못합니다. 스로틀을 새 위치에 붙잡아 두려면 속도가 조금 달라져 있어야 하므로, 부하가 가벼울 때 조금 더 빨리 돕니다. 이것을 처짐(드룹)이라고 합니다.

숫자로 확인해 보기

조속기 높이 공식은 원뿔 진자에서 나옵니다. 연직축 둘레를 도는 공은 팔이 안쪽으로 당기는 힘과 중력이 맞는 자리에서 멈춥니다. 그 자리는 꼭대기에서 h = g/ω²만큼 아래입니다. 공의 무게와는 상관이 없습니다. 더 빨리 돌리면 h가 작아지므로 공이 올라갑니다. 미국기계학회(ASME)는 휘트브레드 기관이 복동식으로 바뀐 뒤의 도시 출력을 약 35마력으로 추정했습니다. 평균 유효 압력 10 psi, 분당 20~21번 왕복을 가정한 값인데, 모형도 같은 숫자에 닿습니다.

같은 기관으로 비교하는 뉴커먼과 와트

조작 탭에 「분리 응축기」 스위치가 있습니다. 이것을 끄면 모형은 뉴커먼 기관처럼 움직입니다. 행정이 끝날 때마다 찬물을 실린더 안에 바로 뿌리고, 응축기 통은 쉬게 됩니다. 이때 두 가지가 달라집니다. 하나는 진공이 나빠진다는 점입니다. 찬물이 따뜻한 실린더 벽과 맞서야 하므로, 모형의 배압은 0.2 bar에서 0.55 bar로 올라갑니다. 다른 하나는 행정마다 벽이 식는다는 점입니다. 다음에 들어오는 증기는 피스톤을 밀기 전에 벽부터 다시 데워야 합니다.

와트가 붙잡은 것은 두 번째 문제였고, 석탄을 잡아먹는 것도 이쪽입니다. 모형은 일하는 증기에 벽에서 식어 버리는 증기를 더해서 이 손실을 셉니다. 분리 응축기를 쓰면 일하는 증기 1 kg마다 0.6 kg을 더합니다. 증기 재킷을 둘렀어도 열이 조금은 새기 때문입니다. 실린더 안에 물을 뿌리면 2 kg을 더하므로, 증기 전체의 3분의 2가 쇠를 다시 데우는 데 쓰입니다. 두 값 모두 모형 값이며, 과학박물관이 말하는 「석탄 3분의 2 절약」에 가깝게 골랐습니다.

실험 칸의 막대그래프는 같은 기관을 40 rpm, 스로틀을 끝까지 연 상태로 비교합니다.

같은 일을 하는 데 석탄이 3.1배 듭니다. 돌아가는 모형에서는 차이가 하나 더 보입니다. 설계 부하 30마력에서 뉴커먼 설정은 버티지 못합니다. 스로틀이 끝까지 열리고 속도가 떨어지다가 기관이 멈춥니다. 부하를 15마력으로 낮추면 40.6 rpm을 지키지만, 한 시간에 석탄 239 kg을 땝니다. 같은 부하에서 와트 설정은 87 kg입니다.

1마력·1시간에 드는 석탄 계산

와트 시대의 기술자들은 같은 양의 석탄으로 얼마나 일하는지를 보고 기관을 비교했습니다. 모형도 설계 부하, 조속기가 일하는 상태에서 같은 계산을 차례로 합니다.

이 가운데 두 값은 계산 결과가 아니라 가정입니다. 모형의 보일러는 석탄 1 kg으로 증기 6 kg을 만들고, 석탄 1 kg에는 29 MJ의 열이 들어 있다고 봅니다. 둘 다 모형 값입니다. 어느 하나를 바꾸면 표에서 그 아래 숫자가 모두 같이 움직입니다.

마지막 줄은 천천히 읽어 볼 만합니다. 석탄 속 열 100 가운데 피스톤에 일로 닿는 것은 3이 안 됩니다. 나머지는 굴뚝으로, 탱크의 찬물로, 공기 펌프가 온수조로 퍼내는 따뜻한 물로 빠져나갑니다. 모형에서 석탄 1 kg은 피스톤에 0.78 MJ의 일을 넘겨줍니다. 물 1톤을 80 m 들어 올릴 수 있는 일이고, 이런 기관을 산 사람들이 시킨 일이 바로 이런 것이었습니다. 뉴커먼 설정에서는 같은 1 kg이 0.27 MJ밖에 내지 못합니다.

1마력은 얼마일까

출력 칸에 마력을 먼저 적은 것은 와트가 자기 기관을 이 단위로 매겼기 때문입니다. 1마력은 1분에 33,000 피트·파운드의 일입니다. 33,000파운드를 1피트, 또는 330파운드를 100피트 움직이는 일을 1분마다 한다는 뜻입니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 이것을 1초에 550 피트·파운드로 보고, 745.7 W로 환산합니다. 모형은 와트를 이 수로 나눠 마력으로 바꾸므로, 26.1 kW가 35.0마력으로 나옵니다.

옆에 kW를 같이 적은 까닭은 요즘 기계는 거의 모두 와트로 출력을 표시하기 때문입니다. 와트의 단위로 보면, 시드니 기관이 개조 뒤 낸 1015마력은 말 1015마리가 쉬지 않고 하는 일입니다.

증기를 더 일찍 끊으면

와트는 밸브가 닫힌 뒤에도 실린더 안의 증기가 계속 일할 수 있다는 것을 알아챘습니다. 「증기 차단」 슬라이더로 직접 해 볼 수 있습니다. 이 슬라이더는 행정의 몇 %까지 새 증기를 들여보낼지 정합니다. 모형의 슬라이드 밸브는 실제 밸브처럼 계산하므로, 차단 시점을 바꾸면 밸브의 랩과 앞섬각이 바뀌고 배기가 열리는 때도 같이 달라집니다. 리드가 없는 밸브에서 랩이 밸브 이동 거리의 L배이면, sin δ = L일 때 피스톤이 cos²δ쯤 간 곳에서 증기가 끊깁니다. 모형의 기본 45°는 행정의 절반쯤에서 끊깁니다.

팽창이 이득인 까닭은 갇힌 증기가 공짜로 계속 밀어 주기 때문입니다. 온도가 일정한 채로 증기가 부피 2배까지 팽창하면, 들어올 때 한 일의 1 + ln 2 = 1.69배를 합니다. 4배까지 팽창하면 2.39배입니다. 그래서 증기를 일찍 끊을수록 증기 1 kg에서 일을 더 많이 뽑아냅니다.

대신 일찍 끊으면 행정마다 들어가는 증기가 줄어서 출력도 줄어듭니다. 와트의 1.45 bar에서 차단을 25%로 하면 기관은 30마력을 버티지 못하고 느려지다 멈춥니다. 보일러 압력을 2.5 bar로 올리면 스로틀을 24%만 열고도 다시 41.4 rpm을 지키고, 1마력·1시간 석탄은 3.4 kg에서 2.4 kg으로 줄어듭니다. 뒤의 기술자들이 간 길이 이것입니다. 1800년대 코니시 양수 기관은 높은 압력의 증기를 일찍 끊어 썼습니다. 모형을 차단 20%, 3.5 bar, 단동으로 맞추면 막대그래프에 1.8 kg이 나옵니다.

단동과 복동

「복동」 스위치는 실린더 아래쪽에 증기를 넣을지 정합니다. 끄면 와트의 첫 양수 기관처럼 피스톤 아래쪽이 늘 응축기 쪽으로 열려 있습니다. 왕복 한 번의 일은 절반이 되어, 스로틀을 끝까지 열어도 42마력 대신 20마력이 나옵니다. 설계 부하 30마력에서 단동 기관은 점점 느려지다 멈춥니다. 15마력에서는 스로틀을 84% 열고 38 rpm쯤을 지킵니다.

무대에서도 차이가 보입니다. 단동으로 두면 실린더 아래쪽이 내내 옅은 파란색이고, 압력 그래프의 점은 한 주기의 절반을 응축기 압력선 위에서 보냅니다.

역사 속 증기기관

「역사 속 증기기관」 목록에는 1698년 세이버리의 양수기부터 오늘날 석탄 화력 발전소까지 76대가 들어 있습니다. 이름이나 연도, 장소로 찾을 수 있고, 나라와 용도(광산·물 펌프, 공장, 기관차·도로, 배, 발전, 모형·특허·기타)로 좁힐 수 있습니다. 하나를 고르면 두 가지가 바뀝니다. 아래에서 설명할 여섯 종류 가운데 맞는 기관이 무대에 오르고, 와트 모형의 네 가지 설정이 그 기관을 흉내 내도록 바뀝니다. 배기를 어디로 보내는지(실린더 안 분사, 분리 응축기, 공기 중), 단동인지 복동인지, 증기를 끊는 시점, 보일러 압력입니다. 이 설정은 기관의 종류를 나타낼 뿐, 그 기관을 실제로 잰 값은 아닙니다.

메뉴 아래 설명에는 박물관과 기관이 각 기관에 대해 밝힌 내용을 적었습니다. 출력이 나와 있는 곳은 실제 기관의 숫자로 따로 보여 줍니다. 1843년 그레이트브리튼호의 기관은 1,000마력, 1876년 백주년 박람회 기계관을 돌린 콜리스 기관은 1,400마력, 1903년 번리 방직 공장 기관은 700마력입니다. 마지막 항목은 피스톤 기관이 아닙니다. 2024년 미국 석탄 발전소는 1 kWh를 만드는 데 평균 10,777 Btu의 연료를 썼고, 1 kWh가 3,412 Btu이므로 효율은 31.7%입니다. 지금도 물을 끓여 증기를 팽창시키고 다시 식히지만, 그 일을 터빈에서 훨씬 높은 압력과 온도로 합니다.

기관차 항목을 보면 철도가 왜 응축기 없이 달릴 수 있었는지 알 수 있습니다. 로켓호처럼 맞추면 배기를 1.01 bar의 바깥 공기로 내보내는데, 와트의 압력이라면 남는 힘이 거의 없습니다. 4.4 bar쯤 되면 대기를 밀어내고도 일할 압력이 남습니다. 대가는 1마력당 더 많은 석탄입니다.

제임스 와트의 기관에서 경인선 모갈형 탱크 기관차까지

제임스 와트의 기관은 건물 안에 고정해 두고 썼습니다. 따로 둔 응축기와 무거운 빔을 싣고 레일 위를 달릴 수는 없었습니다. 기관차는 이 무대의 다른 갈래에서 나왔습니다. 응축기 없이 높은 압력의 증기로 피스톤을 밀고, 쓰고 난 증기를 굴뚝으로 내보내는 고압 기관입니다. 우리나라에서 이 갈래가 처음 달린 날은 1899년 9월 18일입니다. 한국민족문화대백과사전은 이날 노량진과 인천 사이 약 33.8 km 구간에서 경인철도가 임시 영업을 시작했고, 1900년 7월 5일 한강철교가 준공된 뒤 7월 8일 경성역과 인천역 사이 전 구간이 개통되었다고 적습니다. 국가기록원은 철도의 날이 1899년 우리나라 최초의 철도인 경인선 개통을 기념해 만들어졌다고 설명합니다.

경인선을 처음 달린 기관차는 미국 브룩스사에서 만든 모갈형 탱크 기관차였습니다. 인천광역시교육청 화도진도서관 자료관은 이 기관차를 부품 단위로 들여와 인천에서 조립했다고 전하고, 개통 당시 증기기관차 4량, 객차 6량, 화차 28량, 모두 38량이 들어왔다고 적습니다.

비교하려면 무대에서 로켓호를 눌러 보세요. 1829년 기관차로, 일을 마친 고압 증기를 굴뚝으로 내뿜어 불을 키우는 원리가 경인선 기관차와 같습니다. 와트 기관과 다른 점은 쓰고 난 증기를 다루는 방식입니다. 와트는 증기를 응축해 진공을 얻고, 기관차는 무게를 줄이려고 증기를 버립니다.

무대 하나에 기관 여섯 대

무대 아래쪽 버튼으로 와트 기관을 다른 다섯 기관으로 바꿀 수 있습니다. 모두 움직이고, 숫자판도 그 기관의 압력, 효율, 석탄, 속도로 바뀝니다. 숫자 뒤의 작은 표시는 값이 어디서 왔는지 알려 줍니다. 「출처」는 박물관이나 기계 유산 페이지로 이어지고, 「모형 값」은 이 페이지의 모형이 그 종류의 기관으로 계산한 값입니다.

뉴커먼, 1712. 위가 열린 실린더가 건초더미 모양 보일러 위에 서 있습니다. 대기압 정도의 증기가 피스톤 아래를 채우면 벽 위 물통에서 찬물이 뿜어져 증기를 식히고, 위에서 공기가 피스톤을 누릅니다. 빔 끝의 아치 머리에 건 사슬 덕분에 피스톤 막대와 펌프 막대가 곧게 오르내립니다. 휴스턴대학교의 존 린하드는 초기 뉴커먼 기관의 효율을 1%의 3분의 1 정도로 봅니다. 29 MJ짜리 석탄 1 kg이 일을 0.1 MJ쯤 한 셈입니다. 과학박물관의 올드 세라는 웨이크필드 근처 대기압 기관으로, 1917년까지 분당 5번쯤 왕복하며 330피트 아래 물을 퍼 올렸습니다.

와트, 1785. 이 페이지가 처음부터 다루는 기관입니다. 분리 응축기와 1.45 bar에서 모형 값은 효율 2.8%, 1마력·1시간에 석탄 3.3 kg입니다.

트레비식, 1805. 과학박물관에 있는 헤이즐딘 회사의 기관은 대기압보다 약 50 psi 높은 압력(절대압 4.46 bar)으로 일했고 3마력을 냈습니다. 실린더를 보일러 속에 묻어 증기가 뜨거운 채로 들어가고, 배기는 굴뚝으로 나가므로 응축기도 빔도 없습니다. 모형으로는 2.3%입니다. 증기를 대기압으로 내보내며 잃는 몫을 높은 압력이 대부분 메워 주고, 기관 크기는 훨씬 작습니다.

로켓호, 1829. 과학박물관 그룹은 스티븐슨의 이 기관차가 여러 화염관 보일러와 배기관을 한 기계에 모았다고 설명합니다. 비스듬한 실린더 두 개에서 나온 배기가 굴뚝으로 뿜어지며 화염관으로 불길을 빨아들이니, 기관이 힘을 쓸수록 불이 세집니다. 높은 압력에 응축기가 없는 같은 조건이라 모형 값은 2.2%입니다.

3단 팽창, 1894. 증기가 점점 커지는 실린더 세 개를 차례로 지나므로, 실린더마다 앞에서 이미 팽창한 증기로 일합니다. 미국기계학회(ASME) 기계 유산인 보스턴 체스트넛 힐의 리빗 양수 기관은 시험에서 175.7 psi(절대압 13.1 bar), 분당 50.6회전으로 돌며 1마력·1시간에 석탄 1.146파운드를 썼습니다. 0.52 kg이고, 1 kg에 29 MJ로 치면 효율 17.8%로 와트 모형의 여섯 배입니다. ASME 자료는 증기를 기준으로 잰 기관만의 효율을 20.8%로 적었습니다. 2차 세계대전의 리버티선 제러마이아 오브라이언호도 2,500마력 3단 팽창 기관을 썼습니다.

파슨스 터빈, 1884. 피스톤이 없습니다. 모형에서는 증기가 케이싱 가운데로 들어가, 회전자의 움직이는 날개 줄과 케이싱의 고정 날개 줄을 지나며 팽창해 축을 바로 돌립니다. 과학박물관 그룹은 파슨스의 첫 터빈이 발전기에 맞는 분당 18,000회전으로 돌았다고 적었지만 효율은 밝히지 않아서, 숫자판에도 그렇게 표시했습니다. 1892년 케임브리지에서 응축기를 단 100 kW 파슨스 터빈 3대는 시험에서 같은 크기의 가장 좋은 피스톤 기관만큼 효율이 좋았습니다. 숫자판에는 비교를 위해 오늘날 석탄 발전소의 31.7%도 함께 보입니다.

석탄 1 kg으로 기관마다 하는 일

조작판 아래의 효율 경주는 기관마다 석탄 1 kg을 때서 물을 10 m 들어 올리게 합니다. 물 1 kg을 10 m 올리는 데 9.81 × 10 = 98.1 J이 들고 석탄 1 kg에는 29 MJ이 들어 있으니, 올린 물은 29,000,000 × 효율 ÷ 98.1 kg입니다.

두 줄은 석탄 사용량에서 계산했습니다. 1846년 필·윌리엄스·필 빔 기관은 1마력·1시간에 석탄 약 6파운드(2.72 kg)를 써서 3.4%입니다. 리빗 기관의 1.146파운드는 0.52 kg이고 17.8%입니다. 코니시 기관의 11%는 1835년 콘월의 80인치 기관에 대해 ASME가 적은 전체 효율입니다. 같은 자료는 1830년대 코니시 기관이 석탄 한 톤으로 가장 좋은 와트 기관보다 물을 네다섯 배 퍼 올렸다고 합니다. 스미턴의 롱벤턴 기관은 ASEE 논문이 「석탄 한 부셸에 9.45백만 피트파운드」라는 일량에서 계산한 대로 약 1.4%입니다. 첫 뉴커먼 기관에서 오늘날 발전소까지, 같은 석탄으로 올리는 물은 96배가 되었습니다.

막대는 로그 눈금으로 그렸습니다. 눈금 한 칸이 앞 칸의 열 배라는 뜻입니다. 보통 눈금이면 뉴커먼의 막대가 너무 짧아 보이지 않기 때문입니다. 경주 아래 그래프는 같은 아홉 기관을 연도 순으로 놓았습니다.

과제와 안전밸브

조작판 아래 과제 일곱 개는 기관이 보여 줄 수 있는 것을 하나씩 해 보게 합니다. 셋은 와트 모형으로 합니다. 같은 석탄으로 뉴커먼의 3배 일하기, 60마력 부하에서 40 rpm 지키기(1.45 bar에서는 모형이 37마력쯤에서 38 rpm 아래로 떨어지고 50마력이면 멈추므로 먼저 보일러를 2.5 bar 넘게 올려야 합니다), 증기를 일찍 끊고 압력을 올려 효율 4% 넘기기입니다. 넷째는 보일러 위의 추 달린 지렛대, 안전밸브를 씁니다. 모형의 마차형 보일러는 3.5 bar까지로 정했는데, 이 모양의 저압 보일러에 맞춰 우리가 고른 값입니다. 밸브를 켠 채 보일러 압력을 그보다 올리면 지렛대가 들리며 증기를 빼서 기관은 3.5 bar로 계속 돕니다. 밸브를 끄면 숫자판에 보일러가 위험하다는 경고가 뜹니다.

압력계와 연기

모형에는 기관사가 지켜보던 압력을 보여 주는 바늘 두 개가 있습니다. 실린더 옆 증기관의 증기 압력계는 스로틀을 지난 밸브 상자 압력을 보여 주므로, 조속기가 스로틀을 닫으면 바늘이 내려갑니다. 응축기 위 진공계는 와트의 응축기에서 0.2 bar, 뉴커먼 설정에서 0.55 bar를 가리킵니다. 굴뚝 연기는 모형이 때는 석탄 양을 따라갑니다. 부하를 높이거나 석탄을 많이 먹는 설정을 고르면 짙어집니다.

압력-부피 그래프 읽는 법

빨간 점을 시계 방향으로 따라가 보세요. 위쪽 평평한 부분은 실린더 윗칸이 증기 상자와 이어진 급기 구간입니다. 거기서 아래로 휘어 내려가는 선은 증기가 끊긴 뒤의 팽창으로, 부피가 커지는 만큼 압력이 떨어집니다. 행정의 84%에서 밸브가 윗칸을 배기구에 이어 주면 압력은 응축기 선까지 떨어집니다. 돌아오는 행정에서는 피스톤이 꼭대기에 닿기 전에 밸브가 배기구를 닫아서, 남은 증기가 틈새 공간에 눌리며 피스톤을 받쳐 줍니다. 고리 안쪽 넓이가 한 사이클 동안 피스톤 그쪽 면이 받은 일입니다.

부하를 줄이고 고리가 작아지는 모습을 보세요. 조속기가 스로틀을 닫으면 증기 상자 압력이 내려가고, 고리 윗변도 함께 내려옵니다. 이런 방식을 스로틀 조속이라고 합니다. 증기가 끊기는 위치는 그대로 두고, 더 묽은 증기로 일하게 하는 방식입니다.

실제 기관과 다른 점

1785년 기관은 슬라이드 밸브가 아니라 들어 올리는 방식의 드롭 밸브로 증기를 넣습니다. 움직이는 부품 하나로 밸브가 여닫히는 때를 모두 보여 줄 수 있어서 모형에는 슬라이드 밸브를 썼습니다. 실제 커넥팅 로드는 5.5 m로 모형의 4 m보다 길고, 휘트브레드 기관의 빔은 만든 지 여러 해 뒤에 주철로 바뀌었지만 모형의 빔은 참나무입니다. 보일러 압력은 우리가 정한 값입니다. 절대압력 1.45 bar로 두어서, 관과 스로틀을 지난 뒤 증기 상자 압력이 대기압보다 조금 높도록 했습니다. ASME가 짐작한 '대기압보다 3 psi 높은' 값과 비슷합니다. 플라이휠도 실제보다 가볍게 해서, 부하를 바꾸면 몇 분이 아니라 몇 초 만에 속도가 자리를 잡습니다.

응축기 모형에서 랩 기관까지

와트는 1765년 응축기 모형을 만들었고 1769년 특허를 받았습니다. 매슈 볼턴과 손잡은 뒤인 1776년, 특허의 원리가 광산 펌프 기관과 제철소 송풍 기관에서 처음 실제로 쓰였습니다. ASME는 이 기관들이 당시 보통 기관이 쓰던 연료의 3분의 1 정도를 썼다고 적고 있습니다. 다음은 회전 운동이었습니다. 태양·행성 기어가 들어 있는 와트의 '축 둘레 원운동' 특허는 1781년 10월 25일 자입니다. 복동식과 팽창 이용은 1782년 3월, 평행 운동 장치는 1784년 8월 특허가 이어졌습니다.

시드니에 있는 휘트브레드 양조장 기관은 1785년에 설치되었습니다. 회사가 만든 회전 기관 가운데 여섯 번째쯤으로 보이며, 1887년까지 102년 동안 일했습니다. 파워하우스 박물관에 따르면 개조를 거쳐 출력이 10마력에서 15마력으로 올라갔고, 조속기는 1790년대에 덧붙였습니다. 런던 과학박물관에 있는 1788년 랩 기관은 볼턴의 소호 공장에서 70년 동안 연마기를 돌렸습니다. ASME는 이 기관을 원심 조속기를 처음 단 기관으로 기록합니다. 와트는 이 기관을 10마력으로 매겼는데, 1858년 시험에서는 13.75마력이 나왔습니다. 볼턴·와트 회사는 모두 약 500대를 만들었고, 그 가운데 약 60%가 회전 기관이었습니다.