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물·증기와 동력

－蒸氣－動力

물 속 깊이 들어갈수록 높은 압력을 받으며, 평지보다 산꼭대기의 기압은 낮다. 즉, 같은 유체(流體：액체와 기체를 합해서 일컫는 말) 안에서도 높이에 따라서 압력이 다르다.

또 흐르고 있는 유체를 가로막고, 유체에 속도변화를 주게 되면, 유체에서 힘을 받는다. 또한 용기(容器) 안의 유체가 높은 압력에 있을수록, 용기에 있는 구멍으로부터 유체가 힘차게 분출한다. 유체에서 동력을 얻는 데는, 이러한 유체의 역학적 성질을 이용한다.

물의 에너지

－energy 물은 액체이니까, 문제시되는 정도의 압력이나 비점(沸點) 이하의 온도에서는 체적 변화, 즉 밀도 변화를 무시할 수가 있다. 이같이 밀도(密度)가 일정하게 유지되는 비압축성 유체의 역학적 성질을 정량적(定量的)으로 나타낸 것이 유명한 베르누이(Bernoulli)의 정리이다. 이 정리는 외력(外力)으로서 중력(重力)만이 작용하고, 점성(粘性)을 무시할 수가 있으며, 유체 내의 각점에서의 흐름 상태가 시간에 관계없는 이른바 정상류(定常流)에 대해서는 다음과 같은 식으로 나타낸다. ⑴ 또는 ⑵ 식 중에 표시한 각 기호는, 〔표〕－1에서와 같은 양을 나타낸다. ⑴의 식에서 는 유체와 함께 움직이고 있는 물체가 유체에서 받는 압력, 는 유체 중에서 흐름을 가로막아 속도를 영으로 할 때에 생기는 압력, 는 밑면이 단위 면적이고 높이가 인 유체주(流體柱)의 무게, 즉 이 유체를 연직으로 세웠을 때에 밑면이 받는 압력이다. 베르누이의 정리는, ⑴ 식의 이들 3개의 압력의 합이 1줄기의 유선(流線) 위의 각점에서 일정치 인 것을 표시하고 있다. ⑵식으로 생각하면, 베르누이의 정리를 다음과 같이 해석할 수가 있다. 는 단위무게의 유체가 압력 일 때에 속에 가지고 있는 에너지라고 생각할 수 있다(고압유체는 저압유체에 대해 일을 할 수 있으며, 압력차가 클수록 그 일량도 크다). 또 는 단위무게 유체의 운동에너지, 는 기준 수평면에서 높이에 있는 단위무게 유체의 위치에너지이기 때문에 ⑵식은 이들 에너지의 합이 일정하다고 하는 에너지 보존의 법칙을 나타내고 있다. 이상으로 1줄의 유선 위의 2점을 1, 2로 나타내면 다음의 식이 성립한다. ⑶ 또는 ⑷ 물에서 동력을 얻는다는 것은 물에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것이므로 1의 지점을 물의 출발점(가령 저수지), 2의 지점을 동력을 얻는 장치가 있는 곳(가령 물터빈)이라 하면, 2의 지점에서 즉 가 큰 것이 바람직하다. 이것은 1의 지점에서 말하면 , , 가 크다는 것이다. 을 크게 하려면, 물을 용기에 넣고 압력을 가하면 된다. 그러나 수력발전과 같이 다량의 물을 장시간 쓸 경우에, 물의 비압축성 때문에 이것은 불가능하며, 또 가능하면 인위적이 아닌 방법이 바람직하다. 그러므로 흐름이 빠른 강물을 이용하여 을 크게 하는 것이 생각된다. 그러나 가령 =10(m/s)인 흐름의 경우라도 는 약 5m의 연직 물기둥이 밑면에 미치는 압력의 세기에 해당하는 정도에 불과하다. 다행히도 나머지 수단으로서의 를 크게 하는 것은 산악지대의 지형을 이용하면 가능하다. 즉, 강의 상류인 높은 곳에서 물을 받아 넣을 때 관(管)을 통해서 낮은 곳으로 이끌어서 를 크게 하여 물의 위치에너지를 이용해서 동력을 얻는 방법이 많이 쓰이고 있다.

물의 체적 변화

－體積變化

물에서는 밀도변화라고도 부를 수 있는 것으로서 가령 1기압의 물을 100기압으로 하면 약 0.5% 줄어들고, 0℃의 물을 100℃로 하면 약 4% 팽창하는 데 지나지 않는다.

유선

流線

각점에서의 흐름의 방향이 그 점에서의 접선 방향과 일치될 수 있게끔 흐름 가운데로 끈 곡선. 유선이 달라지면 P sub 0 는 일반적으로 달라진 값을 취한다.

단위무게의 유체적 위치에너지

單位－流體的位置energy어떤 기준 수평면에서 의 높이에 있는 단위무게의 유체적 위치에너지. 운동에너지와 위치에너지는 질량을 m이라 하면 각각 와 , 단위무게에서는, 가 된다.

증기의 에너지

蒸氣－energy

증기는 적당한 열을 취득하여 물에서 파생된 기체인데, 기체의 공통된 성질로서 온도·열·압력에 민감하다. 따라서, 증기로부터 동력(動力)을 얻는 과정에서는 이러한 여러 요인을 고려하여야 한다.

말하자면 문제를 열역학적으로 다루지 않으면 안 된다고 할 수 있다. 그러나 증기의 흐름에 대해서도, 일단 증기의 압력·밀도·속도에 관하여 베르누이의 식에 들어맞는 관계가 있다. 이 관계식은 자동과정(作動過程)의 열적 조건에 의해서 차이가 생기게 마련이다. 그리고 증기의 밀도가 작기 때문에 실제적으로 얻어질 정도의 유로(流路)의 고저(高低)에 의한 위치에너지는, 밀도변화를 고려하여도 문제가 되지 않는다.

처음부터 고속(高速)의 증기를 증기원(蒸氣源)으로부터 얻을 수는 없으므로 포텐셜에너지로서의 압력이 큰 증기를 발생시킬 필요가 있다.

그런데 일반적으로 기체는 압력이 어느 값 이상으로 올라가면 응축되어 액화(液化)한다. 이 값(임계치)은 기체를 고온으로 만들수록 높아진다.

한편 기체를 어느 온도(임계온도) 이상으로 하면 아무리 압력(壓力)을 높일지라도 액화되지는 않게 된다. 그렇기 때문에 증기에서 동력을 얻을 경우, 증기압이 수압면(水壓面)에 작용하기까지의 팽창 또는 압축을 수반하는 작동(作動)과정에서, 액화하여 압력이 내려가는 일이 없는 고온·고압의 증기를 사용하는 편이 좋을 것이다. 사실 이 증기는 열역학적으로 생각하면 에너지가 크다.

온도·열·압력에의 증기의 민감도

溫度·熱·壓力－蒸氣－敏感度

가령 응축되지 않는 범위 내에서 압력을 일정하게 해 두고 온도를 100℃로부터 200℃로 올리면 체적은 약 25% 팽창하고, 온도를 일정하게 해 두고 압력을 2배로 올리면 체적은 약 2분의 1이 된다.

증기의 밀도변화 문제

蒸氣－密度變化問題

가령 140℃ 포화증기의 10m의 연직 기둥이 밑면에 미치는 압력은 2g／㎠이고, 또한 이 때의 증기압은 3.6기압으로서 위에서 말한 압력의 1,860배이다.

수원과 증기원

水源－蒸氣源

물의 에너지를 이용하고 계속적으로 동력을 얻어낼 경우는, 물이 비압축성이기 때문에 사용하는 물의 부피가 커지게 되고, 천연자연(天然自然)에서 수원(水源)을 구하게 된다. 따라서 물에서 동력을 얻는 시설은 지리적(地理的)으로 한정되고, 또 이동성도 없다.

한편, 증기는 큰 체적의 것이 비교적 적은 양의 물로부터 얻어진다.

더욱이 증기를 고압으로 하여 용기 속에 밀폐시켜, 필요에 따라서 빼내되, 팽창시켜서 사용할 수가 있다. 따라서 증기원은 같은 양의 동력을 얻기 위한 수원에 비해서 훨씬 형태가 작아지고, 또한 이동도 가능하고, 동력을 얻는 장치 바로 가까이에 놓을 수가 있다.

물에서 동력을 얻는 기계

－動力－機械 수원(水源)으로부터의 물이 물체에 작용하여 물체를 움직이면, 물은 일을 하고, 물체는 일을 얻는다. 이 일은 처음에 물이 지니고 있던 에너지의 일부를 나누어 가진 것이니까, 일을 다 끝내고 흘러가는 물이 가지고 있는 에너지는, 일을 한 분량만큼은 작아진다. 물에서 동력을 얻어내는 장치 S의 입구와 출구에서의 물의 상태가 〔그림〕－1과 같다고 하면, 단위무게의 물이 S에 줄 수 있는 일 W는, 물이 지니는 에너지의 차(水力損失)로서 다음 식으로부터 구할 수 있다. (5) 여기에서 는 낙차, 는 속도차, 는 압력차이다. 또 이 장치가 흘러드는 물에서 획득하는 에너지의 비율 는 다음 식으로 나타내게 된다. 는 장치의 수력학적인 우량도를 나타내므로 수력효율(水力效率)이라고 한다. (6) 그런데 실제로는 일 W 전부를 유효하게 밖으로 빼낼 수 있는 건 아니다. 수로(水路)의 저항, 수압면 기타 기계 부분의 마찰 등에 의한 에너지 손실이 있으므로, 실제로 획득할 수 있는 일 는, (7) 은 기계효율(機械效率)이라 불린다. 결국 처음 물의 에너지 중 가 일로서 획득될 수 있었던 결과가 되니까, 실효율을 로 놓으면, 로 된다. 즉 실효율은 수력효율과 기계효율의 곱과 같다. 물론 가 1에 가까운 것이 바람직하며, 그러기 위해서는 기계 부분의 기술만이 아니라 그 앞뒤의 계통도 중요함을 알게 된다.

물에서 동력을 얻는 기계

－動力－機械

수원(水源)으로부터의 물이 물체에 작용하여 물체를 움직이면, 물은 일을 하고, 물체는 일을 얻는다.

이 일은 처음에 물이 지니고 있던 에너지의 일부를 나누어 가진 것이니까, 일을 다 끝내고 흘러가는 물이 가지고 있는 에너지는, 일을 한 분량만큼은 작아진다.

물에서 동력을 얻어내는 장치 S의 입구와 출구에서의 물의 상태가 〔그림〕－1과 같다고 하면, 단위무게의 물이 S에 줄 수 있는 일 W는, 물이 지니는 에너지의 차(水力損失)로서 다음 식으로부터 구할 수 있다. W = H-H^＇ = h-h^＇ +{(v^2 -v^＇2 )} over 2g + {(p-p^＇)} over r

(5)

여기에서 h - h ^＇ 는 낙차, v - v ^＇ 는 속도차, p -p^＇ 는 압력차이다. 또 이 장치가 흘러드는 물에서 획득하는 에너지의 비율 etah 는 다음 식으로 나타내게 된다. etah 는 장치의 수력학적인 우량도를 나타내므로 수력효율(水力效率)이라고

한다.

eta_h = W OVER H = H-H^＇ OVER H ＜ 1

⑹

그런데 실제로는 일 W

전부를 유효하게 밖으로 빼낼 수 있는 건 아니다. 수로(水路)의 저항, 수압면 기타 기계 부분의 마찰 등에 의한 에너지 손실이 있으므로, 실제로 획득할 수 있는 일 W_r` 는,

W_r` = eta_m W~(0＜eta_m ＜1)

(7)

eta_m 은 기계효율(機械效率)이라 불린다. 결국 처음 물의 에너지 H`

중 W_r` 가 일로서 획득될 수 있었던 결과가 되니까, 실효율을 eta` 로 놓으면,

η＝`Wr overH`＝`Wr over H`·`W OVERH`＝`ηmηh``＜1 로 된다. 즉 실효율은 수력효율과 기계효율의 곱과 같다. 물론 eta` 가 1에 가까운 것이 바람직하며, 그러기 위해서는 기계 부분의 기술만이 아니라 그 앞뒤의 계통도 중요함을 알게 된다.

현대까지의 수차

現代－水車 수차동력은 17세기 말경에 일단은 증기동력에 의하여 그 자리를 잃은 것 같았으나, 19세기 중엽에 이르러서 새로운 설계와 기술에 의하여 터빈이라는 이름으로 다시금 등장하게 되었다. 그래서 증기동력 이전 형식의 수차는 구식수차(舊式水車), 그 이후에 개발된 수차는 신식수차라고 편의상 나누기로 한다.

수차는 그 신구형에 관계없이 물의 작용에 따라 중력수차(重力水車)·충동수차(衝動水車)·반동수차(反動水車)의 3종으로 구별할 수가 있다. 중력수차는 주로 ⑸식의 제1항, 즉 중력과 관계된 낙차에 의해서 움직여진다. 충동수차는 제2항, 즉 물에너지의 거의 모든 것을 운동에너지로 만들고, 그 충격을 이용하고 있다. 반동수차는 용기로부터 물을 분출시켰을 때의 반작용을, 역학적으로 말하면

'운동량 보존의 법칙'을 이용하고 있다. 실제적인 수차는, 이 3종류의 효과를 알맞는 비율로 취택한 구조로 되어 있다.

구식수차

舊式水車 구식수차에는 4종류가 있다.

윗걸이수차

－水車 흘러드는 물이 수차의 상부에 작용한다. 충동작용도 다소 있으나, 물받이에 실린 물의 무게로 차축에 회전력을 주고 있으니까, 대체적인 면에서 볼 때

중력수차라고 보아도 좋다. 따라서 출력을 크게 하는(낙차를 크게 하는) 데에는 수차의 직경을 크게 하여야 한다. 그러나 여기에도 한도가 있어서, 직경은 대량 5∼10m 정도이다. 효율은 90% 정도이다.

가슴걸이수차

－水車 수차 둘레의 중앙 부근에 물이 들어가게 된다. 중력수차로 간주되지만, ⑸식 제3항의 작용도 다소 있다. 효율은 65% 정도이다.

아랫걸이수차

－水車 수차 아래쪽에서 날개가 물 분류의 충격을 받게 한 1종의 충동수차이다. 효율은 불과 30% 정도이다.

바커수차

Barker 水車 바커가 1740년경에 고안한 일종의 반동수차로서, 직립관 윗부분에 물을 부어 넣고, 관 아랫부분에 있는 원판상실(圓板狀室) 둘레의 노즐로부터 물을 접선 방향으로 분출시켜, 그 반동으로 회전된다.

구식수차에서 신식수차로

舊式水車－新式水車－

구식수차는 형식은 달라도 주체(主體)는 중력수차로서 기껏 수차의 직경 정도의 낙차에 해당하는 물의 위치에너지를 이용하고 있는 데 불과하고, 그 출력도 크지 않다. 따라서 수차가 증기동력에 필적하든가 또는 능가하기 위해서는, 고낙차의 물에너지를 이용하여 대출력을 낼 수 있는 소형, 더욱이 고효율의 것이 요구된다. 그러므로 중력 수차는 그대로이고, 전적(專的)으로 충동수차와 반동수차의 개량이 이루어졌다. 이것이 신식수차로서, 물터빈이라고 불리는 것이다.

충동터빈의 발달

衝動 turbine－發達

평면에 물을 부딪치게 하는 편이 효율이 좋다. 프랑스의 퐁슬레(Poncelet)는 1826년경, 이것을 이용하여 아랫걸이수차를 개량하였다. 다시 1856년경, 비교적 고낙차용으로서 지라르(Girard)는 충동터빈을 개발하였다. 이 때까지의 수차의 물받이는 1바울형(Bow1型)이며, 그 때문에 들어오는 분류수와 바울과 충돌 후 튀어오는 물과의 간섭이 크고, 에너지 손실이 컸다. 이것을 2바울형으로 하고, 분류수를 좌우로 나눠서, 튀어돌아오는 물과의 간섭을 적게 함으로써 효율을 매우 높인 사람은 미국의 펠톤(Pelton)으로서, 1870년경의 일이다.

반동터빈의 발달

反動 turbine－發達

반동수차를 다소 근대적으로 만든 것은 프랑스의 푸르네이론(B. Fourneyron, 1802∼1867)의 수차(1830년경)이다. 이것은 만곡(灣曲)된 물받이를 갖추고 있어, 반동을 크게 하고 있다. 물은 차축 방향으로부터 들어오고, 안개날개를 통과하면서 차축에 대해 직각 방향으로 방향을 바꾸어 방사상으로 흐른다. 그러나 날개수레가 밖에 있으므로, 물 흐름이 항상 날개수레 속에 가득차는 결점이 있다. 포드(Ford)는 이것을 개량하여 물흐름을 바깥쪽으로부터 안쪽으로 향하게 했다(1836년). 그리고 미국의 프랜시스(Francis)는 1848년경, 포드수차를 개량하여 스파이럴 케이싱 및 유량조정용 안개날개를 채용한 오늘날의 프랜시스수차를 발명했다.

프로펠러수차의 발달

propeller 水車－發達

다른 한편에서는 수자원 또는 입지조건 등의 요구에서, 저낙차용 수차로서 20세기에 이르러 프로펠러수차가 개발되었다. 이것도 일종의 반동수차다. 먼저, 미국에서 고정날개식의 축류 프로펠러수차가 개발되어, 대량의 물을 흘려 고속 회전을 가능케 했다. 그러나 이것은 부하(負荷)가 작을 때에 효율이 매우 낮으므로 오스트리아의 카플란(Kaplan)은, 1912년경에 이의 결점을 개선한 카플란수차를 발명했다. 카플란수차는 프로펠러의 날개 각도를 바꿀 수 있게 함으로써 효율의 저하를 막고 있다.

물터빈의 종류와 구조

水 turbine－種類－構造

여기에서는 물의 작용의 관점에서 분류하기로 하되 충동수차를 대표하는 것으론 펠톤수차, 반동수차를 대표하는 것으로는 프랜시스수차를 말하고, 다시 비교적 새로운 카플란수차에 대해서 언급한다.

펠톤수차

Pelton 水車케이싱 가운데 물받이를 차반(車盤) 바깥둘레에 붙인 날개수레가 있는데, 날개 수레는 노즐로부터의 물 분류(噴流)의 충격으로 회전시킬 수 있는 구조로 되어 있다(〔그림〕－4). 차축이 수평과 연직(鉛直) 두 가지 형태가 있는데, 보통 전자를 사용한다. 또 하나의 차축에 날개수레가 한개로 한정되지 않고 두개 있는 것도 있다. 그리고, 하나의 날개 수레에 물을 부딪치게 하는 노즐의 수도 가지각색이다. 각 물받이는 2바울형이며, 2바울이 접하는 데가 물자름으로 되어 있다. 이 물자름과 바울 외연(外緣)이 만나는 부분이 뾰족하게 되어 있고, 분류가 이 부분에 충돌해서 간섭되지 않고 바울의 안쪽면에 따라 흘러서 방향을 바꾸어 물받이를 떠나게 한다. 노즐 중앙에는 니들판(瓣)이 있는데, 이 판은 레버에 의해 나오고 들어가게 되어 있으며, 또한 노즐출구와 밸브 사이의 면적을 변화시킴으로써 분류의 수량(水量)을 조절할 수 있도록 되어 있다. 다음으로 펠톤수차에서의 물의 작용을 생각해 보자. 〔그림〕－3에서 보여주듯이 속도 의 분류가 물받이에 충동하여, 물받이에 속도 를 부여하고 만곡면에서 반전(反轉)하여 흘러나가는 것이라 하면 날개수레의 효율(수력효율) 은 다음 식으로 나타내게 된다. 이며 로 되고 효율이 최대로 된다. 보통 β=4˚∼5˚이지만, 물받이를 2바울형으로 하면 평판(β=90˚)일 경우보다 2배나 효율이 좋아지는 셈이다. 물받이를 떠난 물은 이미 일을 하지 않게 되니까, 물받이와 방수면(放水面) 사이의 낙차는 수차에 대한 일에 기여하지 않고 날개수레를 통과하는 흐름의 압력은 일정하다.

프랜시스수차

Francis水車 프랜시스수차에는 적용되는 낙차 범위가 넓으므로 많은 형식이 있다. 가령 입축단륜단류스파이럴(立軸單輪單流渦卷形)에서는 수원(水源)으로부터 도입된 물은, 스파이럴 케이싱을 한 바퀴 도는 동안에 안내날개 사이를 지나고, 날개수레의 온둘레에 골고루 흘러들어 날개 사이를 안쪽으로 흐르되 날개에는 반동을 주면서 흡출관(吸出管)으로 나와 방수로로 내보내진다. 프랜시스수차에서는, 날개수레와 방수면과의 사이의 낙차(흡출높이)는 수차에의 일에 유효하게 이용되고 있다. 흡출관은 끝이 넓게 만들어져 있어, 날개에서 나온 물이 하류로 흐르기 쉽게 하고, 흐름에 대한 저항을 적게 함으로써 물의 흡출효과(吸出效果)를 크게 하고 있다. 다만 이렇게 하기 위해서는 수원으로부터 방수면까지 수로는 빈틈이 완전히 물로 꽉 채워져 있어야만 한다. 안내날개는 조작기구(操作機構)에 의해 각도가 변경될 수 있게 되어 있다. 프랜시스수차에서의 물의 작용을 살펴보자.〔그림〕－5처럼 물은 안내날개의 유로(流路)를 절대속도 으로 나와 날개수레로 들어가는 것으로 한다. 날개수레는 입구에서 주속도(周速度：날개수레의 바깥 둘레의 속도) 을 가지고 있으니까, 물은 날개 속으로 상대속도(날개와 함께 회전하면서 관측했을 때의 유체의 속도) 으로 들어가게 된다(날개 수레의 날개 입구는 대략 방향으로 만들어져 있다). 날개의 출구에서 상대속도가 2, 절대속도가 로 흘러나가는 것이라고 한다면 날개수레의 수력효율 는 다음 식으로 구해진다. 은 과 이 이루는 각, 는 와 가 이루는 각, 는 유효낙차이다. 이 식에서 날개수레 입구의 조건을 일정하게 하고 즉 유출 방향이 날개수레의 중심을 향하고 있을 때에 최대효율이 됨을 알게 된다. 그러나 실제로는, 물은 날개수레를 통과하는 동안에 점차 방향을 차축방향으로 바꾸고, 최후에는 축방향으로 되어 나가므로 날개 안의 흐름은 복잡해지고, 수력효율도 위의 식처럼 간단하게 되지 않는다. 한편, 반동수차에서는 날개수레를 통과하는 동안에 물의 압력이 현저히 변한다.

카플란수차

Kaplan 水車 카플란수차는 반동수차의 일종으로서, 구조는 프랜시스수차와 비슷한데, 그것보다는 간단하다. 저낙차용(低落差用)이니까, 큰 동력을 얻기 위하여 다량의 물을 흘려 보내게 되므로, 날개수레와 물의 마찰저항을 될수록 적게 할 필요가 있다.

그러기 위해서, 날개수레는 그 날개 수를 적게 하고(2∼8매), 흐름방향의 날개의 길이는 짧게 하고, 또한 프랜시스수차의 날개 수레 바깥쪽의 둥근 바퀴를 제거하며, 마치 선박의 추진기(프로펠러)와 같은 형태를 취하고 있다.

물흐름은 안내날개를 통과하기까지는 축에 직각으로 안쪽을 향하는 내와류(內渦流)이지만, 안내날개를 나와 점차로 방향이 굽어, 축방향(軸方向)과 동일하게 되어 날개수레로 흘러든다. 따라서 안내날개와 날개수레 사이의 유로에의 도벽(導壁)이 없으나, 여기에서 흐름이 혼란을 일으키는 일은 없다. 또 프랜시스수차와 동일한 이유로 흡출관의 직경을 크게 하고 있다. 카플란수차의 우수한 점은, 사용수량에 따라서 최고효율로 작동(作動)할 수 있도록, 안내날개와 함께 날개수레의 날개의 기울기도 변경시킬 수가 있게 되어 있는 점이다.

3종류의 수차의 특징

三種類－水車－特徵

이상 세 종류의 수차의 설계시에 상정(想定)된 속도 즉, 정격속도(定格速度) 운전시에서의 부하(負荷)와 효율은 대략 〔그림〕－6과 같이 된다.

그렇기 때문에 카플란수차는 넓은 범위의 부하변동에 대하여 높은 효율을 유지하는 것을 알 수 있다.

펠톤수차에서는, 물은 수차 전체에 동시에 작용치 않으므로, 노즐로부터 나온 분류(噴流)가 부딪치고 있는 물받이에만 충동작용을 준다. 즉, 각 순간의 물의 작용면적이 작다. 출력을 크게 하기 위해서는 에너지밀도가 큰 물을 사용하고, 분류속도도 크게 해 주어야만 한다. 따라서 펠톤수차에는 고낙차(高落差)의 물이 요구된다.

한편 프랜시스수차에서는 날개수레 전체가 물에 잠겨 있기 때문에, 물은 동시에 날개수레 전체에서 작용한다. 즉 각 순간의 물의 작용면적이 크다.

이 때문에 물의 에너지밀도는 펠톤수차의 경우처럼 크게 할 필요는 없다. 프랜시스수차가 중낙차용(中落差用)으로서 쓰이는 것은 이 때문이다. 그 후 물의 유로를 크게 하고 저낙차용으로 개발한 것이 카플란수차이다. 근년의 수차의 발달은 일반적으로 대용량·고속화적 경향으로 흐르고 있는데 낙차에 따라 대략 〔그림〕－7처럼 구분해서 쓰고 있다.

증기에서 동력을 얻는 기계

증기에서 동력을 얻는 기계

蒸氣－動力－機械

증기에서 동력을 얻는 기계에는, 크게 나누어 증기기관과 증기터빈의 2종류가 있다.

증기기관

蒸氣機關

증기의 힘에 의하여 일을 얻고자 하는 생각이 실용화된 것은 17세기 중엽 이후의 일이다. 피스톤을 사용할 것을 처음으로 생각한 사람은 파팽(프랑스, 1647∼1712)이다. 그는 〔그림〕－8처럼 실린더 내에 물을 넣어 외부로부터의 가열과 냉각(冷却)을 반복하고 물의 비등증발(沸騰蒸發)과 증기의 응축을 교대로 일으켜서 피스톤을 움직이게 하려고 생각했다. 그러나 이것은 1사이클에 요하는 시간이 길고, 또 모처럼 가열시킨 실린더를 냉각시키게 되므로 열효율이 매우 나쁘다. 뉴커멘(Newcommen)은 파팽의 생각을 채택하고, 증기 발생이 실린더와 분리된 보일러에서 일어나도록 개량시켰다.

이어서

와트 (영국, 1736∼1819)는

이를 개량하여, 실린더의 바깥에 마련한 용기 즉, 복수기(復水器：콘덴서)에서 증기를 응축시키도록 하여 증기의 절약을

도모했다(1765년). 이들 기관에서 증기의 압력이 직접 쓰이고 있는 것은 피스톤의 왕복운동의 한쪽만이고, 응축과정에서는 대기압과 응축에 의한 저압(低壓)과의 압력차가 일을 하고 있다. 즉 단동기관(單動機關)이다. 이와는 달리 증기의 압력을 피스톤의 왕복(往復)의 양과정에서 사용하는 이른바 복동기관(復動機關)을 개발(1769년)한 사람이 와트이다.

와트는 다시금 피스톤의 왕복운동을 차바퀴의 회전운동으로 바꾸도록 개량하여 1782년 드디어 실용적인 증기기관을 완성시켰다. 이 기관은 피스톤이 행정(行程)의 중도에 있는 동안에 실린더로 들어가는 증기를 닫아버리고, 그 뒤는 증기의 팽창력을 이용하여 피스톤을 밀어 움직이도록 되어 있다. 이로써 증기 소비가 절약되고, 열효율이 높아졌다.

그리고 실린더에 대한 증기 공급량을 자동적으로 가감하는 조속기(調速機)를 마련하여 적정운전(適正運轉)을 가능케 했다. 와트의 증기기관도 당시의 기술로써는 고압증기를 사용할 수 없었고, 다소 고압력의 증기가 쓰일 수 있도록 개량된 것은 1800년에 이르러서부터이며, 복수기(復水器) 없는 이른바 불응기관(不凝機關)도 나타났다. 그리고 1829년에 스티븐슨(Stevenson)에 의해 증기기관차가 완성되었다. 그 후 공작기술도 발전하고, 구조도 개량되고, 사용 증기도 고압화됨으로써 실린더도 2개 이상 쓸 수 있게 되어, 19세기는 증기기관 만능시대로 되었다.

증기기관의 종류·성능·특징

( 蒸氣機關－種類·性能·特徵)현대의 증기기관은 매우 종류가 많고, 분류 방식도 여러 가지가 있다. 우선 복수기의 유무에 따라 복수기관(復水機關)과 불응기관(不凝機關)으로 나뉜다. 복수기관은 폐기(廢氣)를 복수기에서 응결시켜 피스톤이 배압(背壓)을 낮게 하므로 효율이 좋고 증기 소비량도 적게 할 수 있으나, 복수기 및 관련구조가 복잡하고 비용도 늘어난다. 실린더 내로 들어간 증기의 팽창도수로 나누면, 단단팽창기관(單段膨脹機關)과 다단팽창기관이 있다. 후자는 제1의 실린더에서 작동한 증기를 제2의 실린더로 끌어들이는 식으로 순차적으로 알맞게 팽창을 시켜서 열손실을 적게 하고 있다. 〔표〕－2는 각종 증기기관의 성능의 대략적인 수치이다.증기기관의 예로서는 횡형단통왕복기관(橫形單通往復機關)의 구조와 피스톤 양쪽으로 번갈아 가며 증기를 보내주기 위해서의 미끄럼판(瓣)의 작동(作動) 상태를 〔그림〕－9에서 보여 준다. 또 부하의 증감에 따라 회전수가 증감하는데, 조속기(調速機)를 써서 실린더에 대한 증기의 공급량을 기관의 회전수에 응해서 증감케 하여 회전의 변화를 적게 한다. 현재로서는 서브모터를 써서 증기량을 조절하는 것이 보통이다. 증기기관은 부하의 격변에 견디고 시동회전력(始動回轉力)이 크고 저속(低俗)회전으로 사용할 수 있는 등의 이점이 있다. 반면, 왕복운동기관이기 때문에 증기공급이 불연속적으로 되고, 소형경량화(小形輕量化)는 어렵고, 또 수천마력 이상의 대출력기관으로 하는 것도 어려운 등의 단점이 있다. 그리고 증기터빈이나 내연기관의 발달에 따라서 대출력은 증기터빈, 중소(中小) 출력은 내연기관에 의존하게끔 되어, 증기기관의 용도는 몹시 좁아졌다.

〔표〕-2  증기기관의 증기 소비량·열효율 및 기계효율
종      류		증기 소비량 ㎏/HPh	열  효  율 %	기계효율 %
단 단 팽 창	불 응 식	7∼10	10∼14	85∼95
	복 수 식	5∼7	13∼19
2  단  팽 창  복 수 식		5∼7	13∼20	80∼90
3  단  팽 창  복 수 식		4∼6	16∼21	80∼90

증기터빈

蒸氣 turbine

움직이고 있는 물의 압력을 이용한 물터빈이 있듯이 증기의 동력압력(動力壓力)을 이용한 것에

증기터빈이 있다. 즉 공기의 팽창에 따라 정적(靜的)인 압력에너지(열에너지)를 고속증기의 동적인 운동에너지로 바꾸고 회전날개에 부딪게 함으로써 충동작용·반동작용, 또는 이 양작용에 의해 날개에 동력을 전하고 회전날개를 회전시켜서 일을 밖으로 빼내고자 하는 것이다.

증기터빈의 원리는 단순하며, 역사도 오래되었다. 기원전 130년경 헤론(Heron)은 반동증기터빈의 원형(原型)이라고도 할 수 있는 것을 만들었고, 또 1629년경 브랑카(이탈리아)는 일종의 충동터빈을 생각해 냈다. 이것들은 장난감과 같은 것으로서, 실용화는 기술적으로 어려웠으며 더구나 그 뒤는 증기기관 만능으로 되어 전혀 돌아보지 않게 되었다. 그러나 19세기가 되자 재료·공작기술·이론의 발달과 함께 재인식되었고 더욱이 대출력을 필요로 하는 원동기(原動機)로서 유망하다고 생각하게 되었고 현재까지의 짧은 기간 동안에 놀랄 만한 진보를 이룩했다.

증기터빈의 종류는 대단히 많다. 그러나 증기의 열에너지가 날개에 대해서 하는 동적전달(動的傳達)에 중점을 두고 분류하면, 역시 충동터빈과 반동터빈의 2종류로 크게 나눌 수 있다. 이 2종류를 기본으로 하여 단수(段數)를 늘린다든지 팽창 방법을 변경시킨다든지 해서 각종 터빈을 만들고 있다.

충동터빈

衝動 turbine

날개수레의 수증기의 압력이나 속도의 변화 방식 등에 의해서 몇몇 종류로 나눠진다. 그 예를 기술한다.

단단단속도충동터빈

單段單速度衝動 turbine

스웨덴의 드

라발(De Laval)이 1883년에 만든 터빈으로서, 주요부는 노즐과 날개수레로 되어 있다. 고압증기를 노즐을 통하여 감압시키면서 팽창시켜, 고속증기류(흐름)로써 날개에 충동시킨다. 이 모양을 날개수레를 전개하여 표시한 것이 〔그림〕－11의 왼쪽이다. 증기압은 노즐에서부터 분출된 뒤 일정하며, 1렬의 날개에 1회 충격한 것만으로 단숨에 토출압(吐出壓)까지 떨어지고 있다. 이것이 단단단속도(單段單速度)라고 불리는 이유이다. 노즐은 도중에서 미세(微細)해지고 넓어지는 이른바 드라발관(管)으로서, 지금의 경우 출구의 증기속도는 매초 1000m라는 놀랄 만한 고속이 된다. 그리고 날개수레에 주어지는 일이 가장 효과적일 때의 회전수는 매분 2만 회 정도가 되므로 실용회전수로 하기 위해서는 감속톱니바퀴(減速齒車)를 사용하여야 한다. 한편 날개수레가 고속회전하니까 회전의 균형이 중요하며 날개를 견고하게 달 필요가 있다.

단단다속도충동터빈

單段多速度衝動 turbine

증기압을 노즐로 단숨에 토출압까지 내리는 것은 단단단속도터빈과 동일하지만, 속도에너지의 기계적 일로의 변화를 몇 단계로 나눠서 행한다. 즉 증기는 〔그림〕－11의 가운데에 표시한 것과 같이 첫번째의 회전날개로 그 속도에너지의 일부를 일로 바꾼 후 고정날개(안내날개)로 속도방향을 바꿔서 두번째의 회전날개로 들어가고, 속도에너지의 일부를 다시금 일로 변환시킨다. 이와 같이 하면 최고효율을 나타낼 때의 터빈회전수를 실용회전수까지 내릴 수가 있으며, 감속장치가 불필요하게 된다.

다단단속도충동터빈

多段單速度衝動 turbine

단단단속도터빈을, 증기의 압력을 고속증기류(흐름)로 변환시기는 과정을 여러 단(段)으로 나눠서 행하도록 개량한 것으로서 구조는 〔그림〕－11의 오른쪽처럼 되며, 각 단마다 노즐과 회전날개를 갖추고 있다.

이와 같이 하면 회전날개 입구의 증기속도를 단단단속도터빈보다 저하시킬 수가 있으며, 터빈의 회전수를 알맞는 값까지 효율좋게 내릴 수가 있다. 각 단을 구분하는 벽을 분할판(分轄板)이라고 하고, 두번째 이하의 노즐은 분할판에 주입(鑄入)돼 있다. 라토(Rateau)터빈·죌리(Zoelly)터빈은 이런 종류의 것이다.

다단다속도충동터빈

多段多速度衝動 turbine

앞서 설명한 단단다속도충동터빈과 다단단속도충동터빈을 조합한 구조를 하고 있다. 즉 증기압력의 전체의 강하를 여러 단으로 나눠서 행하되 각 단 내에서 속도에너지의 회전날개에 대한 작용을 몇 번으로 나눠서 행한다(〔그림〕－12). 커티스터빈은 이 종류의 하나이다.

반동터빈

反動 turbine

반동터빈은 증기의 팽창을 회전날개에서도 행하게 하여 이 때의 반동을 이용하는 것이다(다소의 충동작용도 있다). 따라서 압력 저하는 회전날개 중에서도 일어난다. 구조는 안내날개와 회전날개의 2열의 날개로 1단(一段)을 형성하고, 필요에 따라서 단수를 늘인다. 최대효율 때의 회전날개의 주속(周速)은 증기속도의 약 0.9배이다(충동터빈에서는 0.5배). 대체로 반동터빈에서는 증기를 서서히 작용시키니까, 날개 가운데의 증기 유속(流速)이 낮고, 마찰이나 와류(渦流)도 작고 열효율이 좋다. 그러나 반동식은 충동식보다 단수(段數)가 많고 길이도 길어진다.

축류반동터빈

軸流反動 turbine

이 형의 터빈은 영국의 파슨스(C. A. Parsons)에 의해 1848년 발명됐다(〔그림〕－13).

복류반동터빈

輻流反動 turbine

이것은 스웨덴의 융스트룀(Ljungstr

m) 형제에 의하여 1911년에 발명된 터빈이다. 2개의 회전축에 각각 날개수레가 고정돼 있어, 증기는 중심으로 들어가고, 여기에서 축과 직각방향으로 방사상(放射狀)의 흐름이 되어 날개에 작용하고, 바깥둘레에서 복수기(復水器)로 배출된다. 두개의 날개수레는 서로 반대방향으로 동일한 속도로 회전하므로 상대속도는 절대속도의 2배로 된다. 따라서 날개열(列)을 적게 할 수가 있으며, 소형이 된다. 또 새어나가는 증기의 양이라든가, 전도(傳導)·복사(輻射)에 의한 열의 손실이 적고, 열효율이 높다.

충동반동터빈

衝動反動 turbine

고압부에선 충동식, 저압부에선 반동식을 사용한 터빈이다. 충동식에서는 전마력을 낼 때라도, 전체 둘레의 일부를 차지할 뿐인 노즐에서부터 증기가 분출되므로, 팽창 초의 고압부에서 충동식을 채용한다.

보일러

boiler

보일러는 물에 열을 가해서 증기를 발생시키는 장치이다. 그 주요부는 연료 연소장치 및 노(爐)·물 및 증기를 포용(包容)하는 강철로 된 용기로 이뤄진다. 이 밖에 증기온도를 올리는 과열기(過熱器)와 재열기(再熱器) 또는 연소용 공기를 데우는 예열기(豫熱器) 등의 부속 장치가 있다.

보일러에 있어 가장 중요한 것은, 연료 연소에 의하여 생긴 열을 가급적 허비없이 물과 증기에 전달하는 일이다. 여기에서 연소형식이라든가 전열면(傳熱面)의 형태 등이 문제로 된다. 또 고압증기를 발생시키므로, 재료강도·내열성(耐熱性)·안전성 같은 문제도 생긴다. 보일러의 구조는 이 같은 것을 생각해서 여러 가지로 연구되어 왔으며, 그 종류도 매우 많다.

여기서는 그 일례로서 횡연관(橫煙管)보일러를 기술한다. 보일러의 본체(本體)인 강철로 만들어진 용기 속에는 물과 포화증기가 있으므로 포화증기 중에는 다소의 수분이 구름이 꽉 차서 생기는 물방울 형태로 포함되어 있다. 따라서 이 증기를 그대로 증기원동기에서 사용하면, 도중의 송기(送氣)도 문제이지만, 원동기 중의 팽창과정 등에서 응축이 생기고, 압력저하라든가 피스톤 또는 회전날개에 대한 작용 저하를 초래한다. 그래서 포화증기 중의 수분을 증발시키고, 다시금 가열해서 과열증기(過熱蒸氣)로 만든 다음에 증기원동기로 보내 줄 필요가 있다. 이 같은 일을 위해서 과열기가 있다. 과열도가 높을수록 유리하지만, 사용 재료의 강도(强度) 등을 감안하여, 보통 원동기에서의 팽창 종단(終端)에서 증기 중의 수분이 10%를 넘지 않도록 최초의 과열도를 결정한다.

펌프와 압축기

펌프와 압축기

pump－壓縮機

물(액체)이나 증기(기체)가 지니는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 것으로서 수차·물터빈 증기기관·증기터빈 등이 있었는데, 이 에너지의 변환 과정이 거꾸로 되도록, 즉 기계적 일이 액체나 기체의 에너지가 되도록 액체나 기체를 보내 주는 것으로서 펌프와 압축기(壓縮機)가 있다. 대체로 유체(流體)의 운동 또는 위치적 에너지로 변환시키는 것이 펌프이며, 압력적 에너지로 변환하는 것이 압축기이다. 액체는 비압축성(非壓縮性)이지만, 기계는 압축성을 지니고 있기 때문에 압축기는 기체에서만 생각할 수가 있다.

액체펌프

液體 pump

왕복펌프

往復 pump

〔그림〕－14의 a처럼 판기구(瓣機構)를 갖는 것이 특징이며, 종류가 많다. 이 그림의 경우에선 피스톤의 좌우에 판기구가 있는데, 한쪽에만 있어도 괜찮다. 각종 원동기로부터의 동력이 크랭크기구(機構) 등에 의해 피스톤으로 전해져서 피스톤을 좌우로 움직이게 한다. 가령 피스톤이 우측으로 이동하면 실린더 내의 피스톤 좌측 부분에서는 압력이 내려가므로 송출판(送出瓣)이 닫히고 흡입판(吸入瓣)이 열려서 액체가 흘러들어간다. 피스톤의 우측 부분에서는 압력이 오르므로 흡입판이 닫히고 송출판이 열려서 액체를 보내게 된다. 이것이 반복해서 펌프의 작용을 한다. 왕복펌프는 피스톤의 왕복에 의해서 액체의 흐름이 맥동(脈動)한다.

스파이럴 펌프

spiral pump

날개수레를 움직여서 액체에 에너지를 주고, 외압(外壓)에 맞서서 내보내는 펌프로서, 주요부는 〔그림〕－14의 b와 같은 구조로 되어 있다. 날개 수레가 회전하면 날개(날개의 형태는 대략 쌍수나선으로 되어 있다) 사이의 액체는 바깥으로 배제되는 힘을 받으며 일을 얻는다. 그림은 디퓨저를 갖추고 있는 '터빈펌프'이지만, 이것이 없는 '볼류트 펌프' 등도 있다. 스파이럴 펌프에서는 흐름의 맥동이 없다.

축류펌프

軸流 pump

프로펠러형 날개를 회전시켜 액체를 축방향으로 보낸다(〔그림〕－14의 c). 날개의 각도를 바꿈으로써 넓은 양정범위(揚程範圍)로 효율적으로 사용할 수 있다. 이것은 카플란수차와 대응될 수 있다.

회전펌프

回轉 pump

톱니바퀴·나사 등을 갖춘 회전자(回轉子)를 케이싱 내에 밀접시키면서 회전시키고 액체를 내보내는 펌프이다. 〔그림〕－14의 d는 그 일례인 치차(齒車)펌프이다. 기타 재생펌프·분류(噴流)펌프·점성(粘性)펌프 등의 특수 펌프가 있다.

기체의 펌프 및 압축기

機體－pump－壓縮機

기체의 경우 그 압축성에서, 펌프라 할지라도 압축기의 기능(機能)을 갖추고 있고, 압축기라 할지라도 펌프의 기능을 갖추고 있다. 굳이 구별하면, 송기(送氣) 때에 맞대항할 외압은 낮으나 단위시간당의 송기용량(送氣容量)이 비교적 큰 것을 펌프(이 때문에 기체용펌프는 송풍기라고도 불린다), 단위시간당의 송기용량이 작을지라도 대항할 수 있는 외압이 큰 것을 압축기라고 일컫는 것이 상례이다.

왕복압축기

往復壓縮機

원리는 액체의 왕복펌프와 똑같다. 따라서 송기량에 맥동(脈動)이 있으며, 또 압력에도 맥동을 부여한다. 실린더 내에서는 기체가 단열압축(斷熱壓縮)된다고 생각되니까, 발열하며 밖으로부터 냉각시킬 필요가 있다.

원심송풍기 및 압축기

遠心送風機－壓縮機

구조는 액체의 스파이럴 펌프와 비슷하며, 케이싱 내에서 회전하는 날개수레에 의하여 생기는 기체의 원심력을 이용하여 기체를 압송(壓送)하는 것이다. 날개수레의 날개는 축방향에서 보아 쌍수나선상(雙數螺旋狀)인 것과 직선방사상(直線放射狀)인 것이 있다. 제트엔진 등에서 쓰이는 원심압축기는 후자이다.

축류송풍기 및 압축기

軸流送風機－壓縮機

액체의 축류 펌프에 대응하고 있다. 고속운전에 알맞으며, 축방향으로 송풍한다. 풍동(風洞：인공적으로 공기의 흐름을 발생시키기 위한 터널형의 장치) 등에서 쓰이는 송풍기는 이 형식의 압축기를 다단(多段)으로 하여 사용한다.

기타

其他

액체의 경우와 동일하게 회전송풍기 및 압축기가 있다. 또 압축기의 반대인 즉 용기 속의 기체를 배제하는 진공펌프도 있다. 진공펌프에는 회전형 진공펌프(5×10­5㎜Hg 정도까지 진공으로 할 수 있다(〔그림〕－14의 e), 기름이나 수은을 가열 증발시켜서 분류(噴流)를 만들고, 이것과 용기기체(容器氣體)와의 마찰에 의하여 기체를 내보내는 확산펌프(到達眞空度 10­6㎜Hg 이하)가 있다.