- 초기 빔 엔진은 증기의 팽창·응축과 대기압을 이용해 약 15마력을 지속적으로 생산했으며, 왕복 운동을 회전으로 바꿔 산업혁명기 광산과 공장 기계를 구동함
- Newcomen 엔진은 증기를 응축해 진공을 만들고 대기압으로 피스톤을 움직였지만, 실린더를 행정마다 식히고 다시 데우느라 증기의 약 4분의 3을 낭비함
- James Watt의 분리 응축기는 실린더는 뜨겁게, 응축기는 차갑게 유지해 석탄 소비를 약 3분의 2 줄였고, 복동 실린더·컷오프·정밀 가공으로 양방향에서 효율적으로 동력을 생산함
- 슬라이드 밸브와 편심륜, 빔과 평행 운동, 크랭크와 플라이휠, 급수 펌프, 조속기가 증기 흐름·직선 운동·회전·보일러 급수·속도 제어를 하나의 자동 운전 체계로 연결함
- 열효율은 Newcomen의 약 0.5% 에서 Watt의 약 3%, 1890년대 대형 선박 기관의 10% 이상, 현대 증기 터빈 발전소의 40% 이상으로 높아졌으며, 전동기가 보급되면서 중앙 빔 엔진과 축·벨트 체계는 점차 대체됨
증기의 팽창과 압력
- 물은 끓어 증기가 되면 원래 부피의 약 1,700배로 팽창함
- 물 한 컵은 약 400리터의 증기가 되어 욕조 두 개를 채울 정도가 됨
- 팽창할 공간이 부족하면 용기 벽 전체를 밀며, 이 힘을 면적으로 나눈 값이 압력임
- 물 표면에 가해진 증기 압력은 물이 접촉한 모든 곳으로 고르게 전달됨
- 압력 차이가 1기압일 때 피스톤 면적 1cm²당 약 1kg의 힘을 얻음
- 피스톤 지름을 두 배로 키우면 면적과 힘은 네 배가 됨
- 초기 제작자들은 고압 증기를 안전하게 다루지 못해 사람이 들어갈 만큼 큰 저압 실린더를 사용함
대기압과 증기 진공
- 지상에서 단면적 1cm²로 대기권 끝까지 이어지는 공기 기둥은 약 1kg이며, 대기는 모든 1cm²에 약 1kg의 힘을 가함
- 몸 안의 공기와 체액도 같은 압력으로 밀어내므로 평상시에는 대기압을 느끼지 못함
- 빨대로 마실 때는 빨대 내부 압력이 낮아지고, 컵 표면의 대기압이 액체를 위로 밀어 올림
- Otto von Guericke는 1654년 지름 약 0.5m인 두 구리 반구 내부의 공기를 빼냄
- 대기압이 반구를 약 2톤의 힘으로 붙잡아 말 여러 마리도 떼지 못함
- 밸브를 열어 공기를 넣자 손으로 분리할 수 있었음
- 증기로 용기를 채운 뒤 물을 뿌려 식히면 증기가 약 1/1,700 부피의 물로 응축되어 빠르게 진공을 만들 수 있음
- 피스톤 아래 증기를 응축하면 위쪽 대기압이 피스톤을 진공 방향으로 내리누름
- 지름 0.5m 피스톤은 완전 진공에서 약 2톤의 힘을 모을 수 있음
Newcomen의 광산 배수 기관
- 1700년대 초 광산이 지하수면 아래로 깊어지면서 물이 계속 스며들었고, 말 교대조가 밤낮으로 펌프를 돌려도 우기에는 탄광을 포기해야 했음
- Thomas Newcomen은 진공 피스톤을 거대한 흔들림 빔과 연결해 하루 종일 작동하는 기관을 만듦
- 대기압이 피스톤을 내리면 반대편의 무거운 펌프 막대가 올라감
- 펌프 막대의 무게가 피스톤을 다시 올리는 동안 실린더에는 증기가 채워짐
- 최초의 성공적인 기관은 1712년 Dudley 인근 탄광에 설치됨
- 분당 약 12행정으로 작동함
- 매 행정마다 물 약 45리터를 50m 높이로 들어 올림
- 음식이나 휴식 없이 24시간 가동할 수 있어 Cornwall에서 Newcastle까지 확산됨
- 지름 50cm 피스톤은 완전 진공에서 약 2톤의 힘을 얻으며, 누설과 펌프 막대 무게를 고려하면 약 4kW의 유효 작업을 수행할 수 있었음
- 이를 하루 동안 대신하려면 약 15~20마리의 말이 교대해야 했음
- Watt는 나중에 기관이 대체하는 말의 수를 기준으로 판매했고, 1마력을 분당 33,000 foot-pound로 정함
-
초기 실린더의 가공 한계
- 큰 철제 실린더를 주조하는 일보다 내부를 곧고 둥글게 만드는 일이 어려웠음
- Newcomen의 실린더는 손으로 갈아 만들고, 물을 덮은 가죽 플랩으로 불규칙한 내벽을 밀봉함
- Denis Papin은 1690년 피스톤 아래의 물을 끓여 올린 뒤 응축해 대기압으로 내리는 원리를 시연했지만, 연속 운전 기관으로 발전시키지는 못함
Newcomen 기관의 연료 낭비
- 차가운 물을 실린더 안에 직접 분사하면서 증기뿐 아니라 거대한 철제 실린더까지 식혔음
- 다음 행정에서 실린더를 다시 데우는 데 증기의 약 4분의 3이 낭비됨
- 탄광은 상품성이 없는 작은 석탄 조각인 slack을 연료로 쓸 수 있어 이런 비효율을 감수했지만, 다른 지역에서는 연료비가 너무 높았음
- 높은 소비량 때문에 증기기관은 이후 약 50년간 탄광 중심으로 제한됨
저압 보일러와 대기압의 이점
- Newcomen의 haystack boiler는 대기압보다 약 1/20기압 높은 증기만 생산함
- 얇은 구리·철판과 리벳으로 만들었으며, 넓은 벽과 약한 이음매가 높은 압력을 견디지 못함
- 증기가 직접 밀면 1cm²당 약 50g의 힘이지만, 응축해 대기압을 이용하면 약 1kg으로 약 20배의 힘을 얻음
- Thomas Savery는 1690년대 납땜한 구리 보일러로 고압 증기를 사용하려 했음
- 불이 납땜을 무르게 만들고 이음매가 새어 자주 수리해야 했음
- Newcomen은 대기압에 가까운 증기를 사용해 얇은 납·연철판과 리벳 구조를 선택함
- Watt의 waggon boiler는 넓은 물 챔버 아래로 뜨거운 가스를 보내고 둥근 지붕 아래에 증기를 모음
- 넓은 바닥은 열을 잘 받았지만 평평한 측면과 안쪽으로 굽은 바닥은 압력에 취약했음
- 이후 제작자들은 전체를 바깥쪽으로 굽힌 긴 원통으로 만들어 평면과 안쪽 곡면을 제거함
- 원통 반지름이 커질수록 같은 압력에서도 벌어지는 힘이 커져 보일러를 좁게 제작함
- 2기압, 반지름 0.5m 원통에는 판재 1m당 약 10톤의 원주 방향 하중이 걸리며 길이 방향 응력은 그 절반임
- 구형이 하중을 더 고르게 나누지만 압연·리벳 판재로 만들기 어려웠음
- 철과 리벳 기술이 개선되자 더 높은 압력이 가능해졌고, Richard Trevithick은 1800년 무렵 수기압 기관을 운전함
Watt의 분리 응축기
- James Watt는 1765년 University of Glasgow에서 Newcomen 모형 기관을 수리하다 과도한 증기 소비를 분석함
- Joseph Black이 연구한 잠열(latent heat) 에 따르면 물 1kg을 끓여 증기로 만드는 데는 얼음점에서 끓는점까지 가열하는 것보다 5배 넘는 에너지가 필요함
- 실린더 속 증기를 응축하는 데 이론적으로 필요한 물만 넣으면 잠열로 물이 데워져 응축이 멈추므로 충분한 진공이 생기지 않았음
- 찬물을 더 넣으면 진공은 만들어지지만 실린더까지 식어 다음 행정에서 다시 데워야 했음
- Watt는 실린더는 뜨겁게 유지하고 별도의 응축기는 차갑게 유지하는 구조를 도입함
- 행정 끝에 밸브가 열리면 증기가 차가운 응축기로 이동함
- 증기가 물로 변하면서 응축기와 연결된 실린더의 압력도 함께 내려감
- 기관이 구동하는 작은 공기 펌프가 응축수와 유입된 공기를 매 행정마다 제거함
- 분리 응축기는 석탄 소비를 약 3분의 2 줄임
- Watt와 Matthew Boulton은 고객이 절약한 석탄 비용의 3분의 1을 요금으로 받음
-
정밀 실린더 제작
- Watt 기관은 Newcomen의 느슨한 수밀 피스톤보다 훨씬 정확한 실린더가 필요했음
- John Wilkinson)은 1775년 무렵 대포 구멍 가공 기술을 응용해 양쪽이 지지된 단단한 절삭봉 방식의 보링 밀을 만듦
- 1776년 Tipton에 설치된 50인치 실린더는 치수 편차가 오래된 1실링 동전 두께보다 작았으며, 증기 누설을 막아 Watt 기관을 실용화함
복동 기관과 증기 절약
- 정밀 실린더를 바탕으로 Watt는 상부를 닫고 피스톤 양쪽에 증기를 번갈아 공급하는 복동(double-acting) 기관을 만듦
- 하강 행정에서는 위쪽 증기가 밀고 아래쪽 응축기가 압력을 낮춤
- 복귀 행정에서는 연결을 반대로 바꿔 같은 과정이 역방향으로 일어남
- 한 실린더가 양쪽 행정에서 모두 동력을 내므로 밀 기계를 돌리기에 더 일정한 밀고 당기는 힘을 제공함
- 양 끝 중 하나를 보일러에, 다른 하나를 배기에 연결하고 피스톤이 돌아오기 전에 두 연결을 전환해야 해 밸브 구성이 복잡해짐
-
슬라이드 밸브와 편심륜
- 하나의 슬라이드 밸브가 몇 cm만 이동하며 한쪽 실린더 끝을 신선한 증기에, 반대쪽을 배기에 연결함
- 밸브는 신선한 증기로 채워진 철제 상자인 증기실(steam chest) 안에 위치함
- 바깥쪽 두 포트는 실린더 양 끝으로 이어짐
- 중앙 포트는 배기를 내보냄
- 넓고 속이 빈 D형 밸브의 한쪽 가장자리는 증기 포트를 열고, 빈 뒷면은 반대쪽 포트를 배기에 연결함
- 회전축의 편심륜(eccentric) 이 밸브와 피스톤을 동기화함
- 축 중심에서 약간 벗어난 원판의 중심이 작은 원을 그리며 회전함
- 원판을 감싼 스트랩이 밸브 막대를 왕복시킴
- 피스톤이 행정 끝에 닿기 전에 다음 포트가 열리도록 축 위 위치를 조정함
-
컷오프와 복합 팽창
- 피스톤이 행정 끝에 도달하기 전에 증기 포트를 닫으면 갇힌 증기가 팽창하며 계속 밀지만 압력은 점차 낮아짐
- 행정 절반에서 공급을 끊는 50% 컷오프는 증기를 절반만 사용하면서 이상적인 전체 행정 작업의 약 85%를 생산함
- 전반부에서
pV/2, 후반부 팽창에서 약0.35pV의 작업을 얻는 계산임 - 더 일찍 차단하면 증기를 더 절약하지만 압력이 마찰과 사점 부근의 불리한 지렛대를 이기지 못할 수 있음
- Watt는 이 방식을 1782년 특허로 등록함
- 이후 복합 기관은 한 실린더의 배기를 더 큰 두 번째 실린더, 때로는 세 번째 실린더로 보내 팽창 과정에서 추가 작업을 얻음
기관 내부 작업의 측정
- Watt의 조수 John Southern)은 1796년 불투명한 실린더 내부 압력을 측정하는 장치를 제작함
- 스프링이 달린 작은 피스톤이 압력에 따라 연필을 위아래로 움직임
- 주 피스톤과 연동된 종이는 옆으로 움직임
- 만들어진 인디케이터 선도(indicator diagram) 는 행정 전체의 압력을 나타내며, 폐곡선 내부 면적으로 생산된 작업량을 측정함
- 피스톤 누설, 늦은 컷오프, 제한된 배기는 서로 다른 선도 형태를 만들어 카드 한 장으로 상태를 진단할 수 있었음
- Boulton & Watt는 이 장치를 수년간 비밀로 유지함
- Émile Clapeyron은 1834년 같은 형태의 압력·부피 선도로 Sadi Carnot의 열기관 이론을 설명했으며, 현대 열역학에서도 압력과 부피를 함께 표시함
왕복 운동을 회전으로 바꾸기
- 피스톤의 왕복 운동은 펌프에 직접 사용할 수 있지만 공장 기계에는 회전이 필요함
- 크랭크의 축 중심에서 벗어난 핀과 피스톤을 커넥팅 로드로 연결하면 왕복 힘이 축을 회전시킴
- 한 회전에 두 번 크랭크와 로드가 일직선이 되는 사점(dead centre)에서는 힘이 축 중심을 곧바로 지나 회전력이 사라짐
- 대형 플라이휠은 크랭크의 지렛대 효과가 좋을 때 에너지를 저장했다가 사점을 지날 때 돌려줌
- 무거운 플라이휠일수록 회전 속도 변화가 작아져 출력이 부드럽고 일정해짐
-
크랭크 특허와 sun-and-planet gear
- James Pickard는 1780년 증기기관 크랭크 사용을 특허로 등록함
- William Murdoch는 특허를 피하려고 sun-and-planet gear를 설계함
- 커넥팅 로드의 기어가 플라이휠 축의 다른 기어 주위를 돌며 빔 한 주기마다 축을 두 번 회전시킴
- Pickard의 특허가 1794년 만료되자 제작자들은 더 단순한 크랭크로 돌아감
- 이 구조는 유성 기어 계열이며, 여러 planet gear가 하중을 나누면서 입력과 출력을 같은 축에 둘 수 있음
- 무선 드릴, 자전거 허브, 자동변속기, 풍력 터빈에 쓰임
- 하이브리드 자동차에서는 엔진·전기 모터·바퀴 사이의 동력을 분배함
빔과 평행 운동
- 크랭크 핀은 위아래뿐 아니라 옆으로도 움직이지만 피스톤 로드는 실린더 상단 밀봉부를 곧게 통과해야 함
- 직접 연결하면 피스톤에 측면력이 걸려 밀봉부가 빠르게 파손됨
- 빔은 측면 하중을 당시 정밀 제작이 가능했던 큰 원형 베어링으로 전달하지만, 빔 끝 자체는 원호를 그리며 움직임
- Watt가 1784년 특허를 받은 평행 운동(parallel motion) 은 빔과 고정점을 여러 힌지 링크로 연결함
- 빔이 피스톤 로드를 한 방향으로 당길 때 다른 링크가 거의 같은 양만큼 반대 방향으로 당김
- 두 곡선이 상쇄되어 피스톤 로드가 직선에 매우 가까운 경로를 따름
- Watt는 평행 운동을 자신이 만든 어떤 기계 발명보다 자랑스럽다고 기록함
- 빔 반대편의 왕복 운동은 보일러 급수 펌프를 구동하는 데 사용됨
보일러 급수 펌프
- 보일러 내부 압력 때문에 물탱크를 단순 연결하면 물이 역류하므로, 운전을 멈추지 않고 급수하려면 펌프가 필요함
- 빔 끝이 좁은 플런저와 두 개의 단방향 체크 밸브를 가진 펌프를 움직임
- 플런저가 올라가면 압력이 내려가 입구 밸브가 열리고 탱크 물이 들어옴
- 내려가면 압력이 올라가 입구가 닫히고 보일러 방향 출구 밸브가 열림
- 두 밸브는 변화하는 수압에 따라 자동으로 작동함
- 펌프 압력은 보일러보다 약간 높아야 하지만 행정당 물의 양은 많지 않아도 됨
- 플런저를 좁게 만들면 같은
압력 × 면적관계에 따라 필요한 힘이 줄어들며, 기관 출력의 작은 일부만으로 보일러 수위를 유지할 수 있음
공장의 축과 가죽 벨트
- 증기기관 이전의 공장은 강가에 자리 잡고 물레방아로 주축을 돌렸으며, 철제 축·풀리·가죽 벨트가 회전을 각 기계로 전달함
- 기계의 벨트를 loose pulley로 옮기면 해당 기계만 관성으로 멈추고 주축과 다른 기계는 계속 작동함
- 밧줄이나 벨트가 원통을 감으면 각 접촉 구간의 장력이 마찰을 만들고 다음 구간에 전달되는 장력을 줄임
- 주철에 감긴 밧줄의 마찰계수를 약 0.3으로 두면 감소는
e^-μθ형태로 누적됨 - 2,000N 하중은 기둥을 한 바퀴 감으면 300N, 두 바퀴면 46N, 세 바퀴면 7N만 손에 전달됨
- 주철에 감긴 밧줄의 마찰계수를 약 0.3으로 두면 감소는
- 벨트는 설치할 때 장력을 걸어 양쪽이 비슷하게 당기도록 함
- 기계가 동력을 요구하면 마찰이 돌아오는 느슨한 쪽의 장력 일부를 구동 쪽으로 옮김
- 전달 동력은 양쪽 장력 차이 × 벨트 속도임
- 지름 16피트 플라이휠이 분당 60회전하면 벨트 속도는 약 15m/s임
- 폭 1피트 가죽 벨트의 양쪽 장력 차이가 2,000N이면 약 40마력을 전달할 수 있음
- 평평한 벨트가 원통형 풀리에서 벗어나는 것을 막기 위해 풀리 중앙을 약간 굵게 한 crown을 사용함
- 벨트가 중심을 벗어나면 원뿔형 접촉면이 앞쪽 가장자리를 중앙으로 유도함
- 중앙에서는 양쪽 경사가 균형을 이뤄 별도 가이드 없이 위치를 유지함
물레방아에서 직접 증기 구동으로
- Richard Arkwright의 Cromford 수력 공장은 1771년 문을 열었고, 이후 공장제 확산으로 좋은 강변 부지를 둘러싼 경쟁이 커짐
- 수력 공장은 건기에 멈출 수 있어 증기 펌프로 물레방아 아래의 물을 다시 위로 올리는 방식을 사용함
- 물레방아의 부드러운 회전은 유지했지만 같은 물을 올리는 데 석탄을 낭비함
- Watt는 기계에 10마력을 전달하려고 16~20마력의 펌핑 기관을 판매함
- 복동 기관과 빔·크랭크·플라이휠을 결합하면서 증기기관이 라인 샤프트를 직접 돌릴 수 있게 됨
- 공장주는 특정 강변 대신 노동자와 원료 가까이 공장을 세울 수 있게 됨
- Boulton & Watt는 1775~1800년 496대의 기관을 제작함
- 38%는 펌핑 기관이었음
- 62%는 회전 동력을 생산했으며 주로 섬유 산업에 사용됨
조속기의 자동 속도 제어
- 무부하에서 30rpm으로 돌던 기관에 기계를 연결하면 부하가 늘어 속도가 떨어짐
- 운전자가 매번 스로틀을 조절할 수 있지만 피로가 크고, 과속하면 주철 플라이휠이 파열될 수 있었음
- Watt는 풍차에서 맷돌 속도를 조절하던 장치를 증기기관용 원심 조속기(governor) 로 개조함
- Boulton은 1788년 Manchester에서 회전하는 공으로 맷돌을 조절하는 장치를 봤다고 Watt에게 전함
- Watt는 빌린 발상을 특허로 등록하지 않음
- 베벨 기어가 수직 축을 돌리고, 힌지 팔에 매달린 무거운 공 두 개가 속도에 따라 바깥쪽으로 벌어짐
- 속도가 높아지면 공이 올라가 슬라이딩 칼라를 들고, 포크와 긴 막대가 steam cock을 닫는 방향으로 움직임
- 느려지면 공이 내려와 steam cock을 다시 엶
- 공 높이는
h = g/ω²관계로 회전 속도를 직접 나타냄- 질량은 식에서 사라지므로 무거운 공은 링크를 더 강하게 밀지만 같은 속도에서 같은 높이까지 올라감
- 크랭크축 속도로 직접 돌리면 팔 길이가 약 1m 필요하므로 베벨 기어로 조속기를 더 빠르게 회전시켜 짧은 기둥에 설치함
완성된 빔 엔진
- 동력은 보일러 증기 → 실린더와 피스톤 → 밸브 기어 → 평행 운동 → 빔 → 커넥팅 로드 → 크랭크와 플라이휠 → 벨트 풀리 순서로 전달됨
- 조속기는 부하 변화에 맞춰 증기 공급을 조절하고, 빔 반대편의 급수 펌프는 보일러 물을 보충함
- 1785년 London의 Whitbread's brewery에 설치된 현존 최고(最古)의 회전 기관도 같은 형태임
- 실린더 지름은 64cm, 피스톤 행정은 1.8m였음
- 지름 4.3m 플라이휠은 분당 20회전했고 석탄을 시간당 약 40kg 태움
- 처음에는 10마력으로 평가되어 양조장의 말 구동 바퀴를 대체함
- 1795년 복동으로 개조한 뒤 같은 실린더가 15마력으로 재평가됨
- Boulton & Watt의 연간 요금이 출력에 따라 올라가 양조장은 20마력 평가를 거절함
- 총 102년간 가동됨
빔 엔진 이후의 변화
- 1780년대 공작기계는 긴 crosshead 가이드를 정밀하게 만들지 못해 빔과 평행 운동이 필요했음
- 19세기에 평삭기가 개선되며 곧은 가이드가 실용화됐고, 무거운 빔이 불필요해짐
- 1860년대에는 대부분의 신형 공장 기관이 플라이휠을 직접 구동함
- 미국 외륜선은 약 20rpm의 낮은 속도에서 큰 토크가 필요하고 수면 아래보다 위쪽 공간이 넓어 1880년대까지 높은 walking beam을 사용함
- 원양선은 유사한 기계를 선체 안에 넣었고, 외륜이 스크루 프로펠러로 교체되면서 더 작고 빠른 기관으로 이동함
- 라인 샤프트와 가죽 벨트는 20세기까지 공장 천장 위에 남아 있었음
- 전기 모터가 기계마다 독립된 회전원을 제공하면서 긴 축과 벨트가 전선으로 대체됨
- 선반 한 대를 멈춰도 공장 전체를 돌리는 중앙 기관의 부하가 바뀌지 않게 됨
증기기관 효율의 발전
- Newcomen 기관은 석탄 열의 약 0.5% 만 유효 작업으로 바꿈
- Watt의 분리 응축기는 유효 비율을 약 3% 로 높여 증기 동력이 탄광 밖으로 확산될 수 있게 함
- Corliss valves는 증기 팽창을 더 정밀하게 제어하고, compound engines는 여러 실린더에서 단계적으로 팽창시킴
- 1890년대 Titanic에 쓰인 것과 같은 대형 선박 기관은 고압과 복합 팽창으로 효율이 10%를 넘음
- 증기 터빈은 왕복 피스톤을 연속 회전하는 휠로 대체했으며, 현대 증기 터빈 발전소는 열의 40% 이상을 전력으로 변환함