헤론 터빈에서 제트 엔진까지

세계 유일의 반작용식 스팀 터빈을 발명한 저자가 2000여 년간 이어져온 엔진의 발달 과정과 작동원리를 상세히 설명한 엔진 입문 교양서!

손을 사용하지 않고 물체를 움직이고자 한 인류의 오랜 꿈을 실현해준 도구, 엔진! 『엔진의 역사』는 고대 그리스의 헤론 터빈 이후 현대의 제트 엔진까지 2000여 년간 이어져온 엔진의 발달 과정과 그 작동원리를 ‘넓고 깊게’ 알려주는 책이다. 산업혁명의 동력이 된 스팀 엔진을 비롯해 자동차의 내연기관인 오토사이클 엔진, 우주 개발을 견인하는 로켓 엔진, 항공기에 사용되는 제트 엔진 등 우리가 알고 있는 수많은 종류의 엔진들은 주로 유럽과 미국 등 서양에서 발명되어 개량되었고, 그 어느 것 하나 우리나라나 동양에서 발명되어 발전된 것이 없다. 그래서일까? 엔진의 종류에 따른 개별적인 발달사를 소개하는 책들은 간간이 있었지만 이렇게 서로 다른 엔진들의 전반적인 통사(通史)와 작동원리를 알기 쉬우면서도 깊이 있게 풀어 쓴 책은 외국에서도 그 예를 찾기가 힘들다. 엔진에 관심은 있지만 지나치게 전문적이거나 또는 제한된 내용이어서 아쉬움을 느끼던 학생들과 일반 독자들, 이 분야의 연구에 종사하는 사람들을 위해 쓴 『엔진의 역사』 출간이 반가운 이유이다.

들어가는 글 창의적이고 더욱 발전된 새로운 엔진을 기다리며 7

1장 고대에서 제임스 와트까지
엔진의 정의 15
증기기관의 발달 19
제임스 와트 27

2장 스팀 엔진의 이용(I)
공장의 동력원 37
교통기관으로의 발전 39
증기자동차/ 증기기관차와 철도의 등장/ 역사적인 증기기관차들
리처드 트레비식 49 조지 스티븐슨 52

3장 스팀 엔진의 이용(II)
증기선의 출현과 발달 61
증기선의 상용화 65

4장 보일러
보일러의 특징 77
보일러의 이용 82
연관보일러/ 수관보일러/ 보일러에 사용하는 물 처리

5장 와트 이후의 증기기관의 발달
고압 피스톤식 스팀 엔진 91
로터리식 스팀 엔진 95
율 엔진/ 이브 엔진/ 제임스 와트 엔진과 채프먼 엔진/ 파펜하임 엔진/ 빌 엔진/ 이중슬라이드 피스톤 로터리 엔진/ 쿨리 엔진

6장 스털링 엔진과 또 다른 대기압 엔진
스털링 엔진 109
작동원리 111
대기압 외연 엔진 115
작동원리 115

7장 스팀 터빈
스팀 터빈의 역사 119
스팀 터빈의 개량과 발전 122
드라발 터빈과 파슨스 터빈/ 헤론-김 터빈
구스타프 드라발 123 찰스 파슨스 124

8장 내연기관(I)
역사적 배경 139
오토사이클 엔진 144
4행정 엔진의 작동원리/ 2행정 엔진의 작동원리
디젤 엔진 150
디젤 엔진의 특징/ 세계에서 가장 큰 디젤 엔진
니콜라우스 오토 144 카를 벤츠 145 루돌프 디젤 150

9장 내연기관(II)과 로터리 엔진
그 밖의 내연기관 157
앳킨슨 엔진/ 6행정 엔진
로터리 내연 엔진 163
방켈 엔진/ 김 로터리 엔진/ 앳킨슨 로터리 엔진

10장 자동차의 역사
자동차의 발달 175
자동차의 대중화 182
헨리 포드 182

11장 로켓 엔진
로켓 엔진의 역사 195
로켓의 연료와 추진 197
고체연료 로켓/ 액체연료 로켓/ 분출가스의 추진 효율/ 최초로 액체연료를 사용한 V-2 로켓
로켓을 만든 사람들 210
로버트 고더드 210 베른헤르 폰 브라운 216

12장 제트 엔진
제트 엔진의 역사 225
제트 엔진의 작동 229
제트 엔진의 종류 233
터보제트 엔진/ 터보프롭 엔진/ 터보팬 엔진/ 터보샤프트 엔진/ 램제트 엔진
프랭크 휘틀 226 한스 폰 오하인 227

13장 수차와 수력 터빈
재생 가능한 에너지 241
수차의 발달 243
수차와 수력 터빈 250
펠턴 수차/ 슈밤크루그 터빈/ 방키 터빈/ 프랜시스 터빈/ 카플란 터빈/ 여러 형태의 프로펠러식 터빈

14장 풍차와 풍력 터빈

풍차의 형태 265
풍력 터빈의 종류 270
프로펠러형 풍력 터빈/ 수직축형 풍력 터빈/ 기발한 형태의 풍력 터빈
현대식 풍력 터빈의 발달 286

부록 ‘Betz의 법칙’에 대한 재검토 293
그림 출처 311

16쪽)
우리가 엔진이라고 부를 수 있을 만한 최초의 것은 기원전 2세기경(어떤 문헌에는 기원후 75년경이라고도 되어 있다) 고대 그리스의 헤론(Heron)에 의해 사람들에게 알려진 에올리필(Aeolipile)일 것이다.23쪽)
스팀의 응축하는 힘(우스터 분수와는 달리)을 이용해 처음으로 유용한 일을 한 엔진이고 또 제임스 와트에 의해 보다 실용적인 스팀 엔진으로 발전되었다는 점에서 뉴커먼 엔진(Newcomen Engine)은 매우 중요한 의미를 가진다. 제임스 와트는 뉴커먼의 엔진을 개량해서 전보다 75퍼센트나 적은 양의 석탄을 사용하게 만들었다. 나중에는 왕복운동을 원운동으로 바꾸는 엔진을 만들어 당시 수차의 힘을 이용하기 위해 물가에 있어야만 했던 공장들을 어디에나 지을 수 있게 함으로써 산업혁명의 발전을 이끌었다48쪽)
많은 사람들이 철도의 개발에 공헌하였으나 철도에 사용할 수 있는 스팀 엔진의 개발에 절대적인 공헌을 한 것은 가장 처음 고압 스팀을 이용한 엔진을 만들었던 리처드 트레비식과 조지 스티븐슨일 것이다.78쪽)
거의 비슷한 시기에 미국의 바브콕(George Herman Babcock, 1832~1893년)과 윌콕스(Stephen Wilcox, 1830~1893년)는 그와 반대로 물이 파이프를 통하고 그 언저리로 불길이 타는 보일러를 발명하여 특허를 얻었다. 바브콕-윌콕스 보일러는 높은 압력의 물이 물통 대신 파이프 안에 있게 되어 폭발의 위험이 크게 줄었다. 같은 두께의 벽을 가진다면 부피가 큰 물통보다는 직경이 작은 파이프가 파열되는 것이 어렵고, 또 파열되더라도 스팀이 유출되는 부분이 작아 보일러의 몸체가 폭발하는 것보다 훨씬 덜 위험하다. 이 보일러는 현재 수관(水管)보일러라고 하여 널리 사용되고 있다.126~127쪽)
파슨스는 드라발 터빈의 단점을 이해하고 좀 더 낮은 회전 속도에서도 높은 효율을 얻기 위해서는 팬에 입사(入射)되는 스팀의 압력이 낮아져야 한다고 생각했다. 그러나 낮은 압력으로는 큰 동력을 얻을 수가 없고 상대적으로 엔진의 크기도 훨씬 더 커져야 하므로 이러한 것을 해결하기 위해 그는 같은 스팀이 여러 단의 팬의 열(列)을 지나게 하였다. 그러면 각 단에서 일어나는 압력차는 그 단의 수만큼 줄어들고 각 팬을 지나는 스팀 입자들의 속도도 그에 상응해서 줄어들게 된다. 따라서 팬의 회전 속도가 드라발의 경우처럼 높지 않아도 비교적 높은 변환 효율을 달성할 수 있다.143쪽)
1885년에 독일의 다임러가 명실공히 현재의 가솔린 엔진과 같은 작고 빠르고 또 수직의 피스톤과 카뷰레터(Carburetor)를 통해 연료를 주입하는 4행정 엔진을 만들고, 1889년에 버섯 모양의 밸브와 두 개의 실린더가 V자형으로 배열된 2기통 엔진을 완성했다. 이 엔진은 당시 그 어떤 엔진보다도 더 높은 출력 대 중량 비(Power to Weight ratio)를 가지고 있었다고 하며, 1924년에 처음 사용된 전기 모터에 의한 시동장치를 제외하고는 모든 자동차 엔진의 근본이 되었다. 따라서 다임러 엔진이야말로 오늘날 자동차 엔진의 시초라고 할 수 있다.163쪽)
로터리 내연 엔진(Rotary Internal Combustion Engine)이란 연료의 연소로 발생하는 고압가스가 피스톤과 크랭크에 의존하지 않고 직접 회전운동을 하도록 고안된 엔진을 말한다. 이렇게 함으로써 크랭크를 비롯한 캠(cam, 회전운동을 왕복운동 따위로 바꿔주는 기계장치)이나 밸브 등의 수를 크게 줄일 수 있고, 엔진 전체의 부피와 무게뿐 아니라 크랭크와 피스톤에 의한 저항도 줄일 수 있어 엔진의 연료 효율과 출력 대 중량 비를 많이 높일 수 있다. 로터리 엔진이 처음으로 자동차의 엔진으로 사용된 것이 바로 방켈 엔진(Wankel Engine)이다. 그러나 방켈 엔진은 아쉽게도 구조상 로터리 엔진이 갖는 연료의 효율성은 얻지 못하고 있다.210쪽)
로버트 고더드(Robert Hutchings Goddard, 1882~1945년)는 미국의 물리학자로 액체로켓 개발의 선구자이다. 그는 1926년 3월 16일, 세계 최초의 액체로켓을 발사했으며 1930~1935년에 시속 885킬로미터에 이르는 로켓을 쏘아 올렸다. 그의 업적은 당시로서는 혁명적인 것이었으나 다른 학자들은 그의 이론에 냉소적이었다. 그는 살아 있는 동안은 거의 인정을 받지 못했지만 죽은 뒤 차츰 현대적인 로켓의 아버지로 추앙받게 되었다.235쪽)
제트 엔진은 피스톤 엔진에 비해 회전 속도가 빨라서 프로펠러는 직경이 작고 날개가 여러 개 있는 것을 써야 한다. 프로펠러의 직경이 크면 같은 속도로 회전하더라도 날개 끝의 접선(회전) 속도가 높아지기 때문이다. 접선 속도가 마하1(음속)에 이르면 효율이 급격히 떨어지고 충격파에 의한 문제들도 일어나므로 속도를 낮추는 것이 중요하다. 이를 위해 프로펠러의 회전 속도를 압축기의 터빈의 회전 속도보다 낮게 하는 감속기어를 엔진 내부에 두고 있다.258쪽)
카플란 터빈은 프로펠러식 터빈으로 프로펠러의 피치(pitch, 간격의 각도) 조절이 가능하다. 1913년 오스트리아의 빅토르 카플란(Viktor Kaplan, 1876~1934년) 교수가 발명했다. 유량(流量)은 풍부하지만 프랜시스 터빈으로는 효율적으로 작동할 수 없는 수압이 낮은 곳에 적합하도록 고안되어 널리 이용되고 있다.290쪽)
유럽의 여러 나라를 비롯해 미국, 중국 등 국토가 넓은 나라는 위치가 북극권이나 무역풍 대역에 속하는 지역이 많아 일 년 내내 일정한 바람이 부는 지역을 택해 충분한 풍력을 얻을 수 있다. 그러나 우리나라는 북극이나 남극의 제트기류나 무역풍 대역의 편서풍 등의 혜택을 받지 못하는 위치에 있으므로 충분한 속도로 지속적으로 부는 바람을 기대하기 어렵다. 따라서 간헐적으로 부는 미풍이나 약풍에도 충분히 작동할 수 있도록 날개(블레이드)의 수를 늘리거나 면적이 넓은 날개로 바람에 대한 각 날개의 대면적(?面積)을 늘릴 필요가 있다.

엔진은 어떻게 진화해왔는가?
엔진이 바꾼 인류의 미래 엔진이란 무엇일까. 저자는 엔진의 역사를 이야기하기 전에 엔진의 정의부터 밝히는 것이 순서라고 말한다. 엔진은 열, 전기, 수력 등으로부터 입력되는 에너지를 기계적인 운동 에너지로 변환시키는 장치이다. 영어에서는 엔진(Engine)과 모터(Motor)가 유사하게 쓰이고 있으나 원래 엔진이란 연료를 직접 사용하여 운동 에너지를 발생시키는 장치이고, 모터는 전기 모터처럼 그 입력원이 되는 에너지가 연료를 사용하여 일단 다른 형태로 바뀐 에너지를 사용하는 기기이므로 이 책에서는 엔진이라는 단어를 쓰고 있다.
처음 도구를 만든 인류가 다음으로 한 생각은 손을 대지 않고도 도구가 자동으로 일을 해줄 수는 없을까 하는 것이었다. 사람들은 물을 끓이면 발생하는 증기에 주목했다. 곧 일정한 용기에 물을 담아 가열하면 증기가 발생하면서 용기 내의 압력이 용기 바깥의 공기 압력보다 높아지는데 이 압력차를 이용하면 물체를 움직이는 것이 가능하다. 이것이 바로 스팀 엔진(증기기관)의 원리이다.
저자는 이러한 엔진의 기원을 고대 그리스에서 찾았다. 기원전 2세기경 알렉산드리아 지방에서 활동하던 발명가 헤론(Heron of Alexandria)이 고안한 ‘에올리필(Aeolipile)’이 그것이다. ‘헤론 터빈’이라고도 불리는 이 장치는 증기가 내뿜는 힘으로 구체(球?)가 돌아가도록 되어 있는데 이 엔진의 아이디어가 실제로 사용된 것은 그로부터 1500년이 지난 뒤였다. 많은 사람들이 스팀 엔진의 연구에 뛰어들면서 마침내 산업과 접목된 스팀 엔진이 완성되었고 이는 18세기 산업혁명을 견인한 주역이 되었다.
이후 스팀 엔진을 대체할 동력원으로 내연기관과 전기 모터 등이 나왔고 1884년에 발명된 스팀 터빈은 스팀 엔진의 쇠퇴에도 불구하고 현재까지 전 세계 전력 생산의 기본 동력원이 되고 있다. 20세기 초에 비약적으로 발전한 오토사이클 엔진을 장착한 자동차는 이제 우리가 살아가는 데 없어서는 안 될 필수품이 되었으며, 제2차 세계대전 중 발명되어 실용화한 제트 엔진 여객기들은 오늘날 수많은 사람들을 세계 곳곳으로 실어 나르며 지구 전체를 하나의 생활권으로 만들었다.
저자는 우리에게 잘 알려지지 않은 엔진의 역사를 하나하나 돌아보면서도 그 중심에 선 발명가와 기술자들을 빼놓지 않았다. ‘증기기관의 아버지’라 불리는 제임스 와트를 비롯해 가장 처음 고압 스팀을 이용한 엔진을 만든 리처드 트레비식과 조지 스티븐슨, 스팀 터빈의 발전에 획기적인 공을 세운 구스타프 드라발과 찰스 파슨스, 내연기관 발달의 공로자인 니콜라우스 오토와 루돌프 디젤, 로켓을 만든 로버트 고더드와 베른헤르 폰 브라운, 제트 엔진을 발명한 프랭크 휘틀과 한스 폰 오하인을 통해 그들이 어떻게 새로운 엔진을 만들 수 있었는지, 그 배경은 무엇이고 용도는 어떠했는지 등을 세심히 살폈다. 그리고 이러한 엔진들이 바꿔온 세상의 모습을 경이롭게 바라보았다.

실제로 엔진을 발명한 전문가가
엔진의 작동원리를 설명하다 저자는 ‘헤론-김 터빈’과 ‘김 로터리 엔진’ 등을 발명하고 국내외 수십 건의 특허를 취득한 엔지니어로 아예 터빈 회사를 설립해 지금도 현직에서 활동하고 있다. 그래서인지 저자가 설명하는 엔진의 작동원리는 매우 정교하면서도 전문적이다. 특히 기계공학적인 부분이나 역학과 물리학의 전문적인 지식이 요구되는 부분은 되도록 피하면서도 원리적으로 그 엔진이 가진 특성을 잘 이해할 수 있게 해준다.
이 책을 읽는 학생들이나 일반 독자들은 수많은 유용한 그림(사진) 자료들과 함께 서로 다른 종류의 엔진들이 어떻게 작동하는가를 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다. 제트 엔진은 어떻게 작동하며 왜 자동차 엔진보다 월등히 큰 출력을 내는지, 스털링 엔진은 스팀 엔진이나 오토사이클 엔진과 달리 연료 효율이 높고 폐열을 이용할 수 있는 이점이 있음에도 왜 실용화가 어려운지 등도 알게 될 것이다. 또 풍력 터빈이라고 하면 주로 날개가 3개인 프로펠러식 터빈만 있는 것으로 생각하기 쉬우나 기발한 형태의 여러 풍력 터빈도 존재한다는 것을 이 책을 통해 확인할 수 있을 것이다. 그 외에 실제 저자가 발명한 순 반작용식 스팀 터빈과 로터리 엔진도 소개하였는데 이는 새로운 아이디어를 가지고 엔진을 발명하려는 사람들에게 풍부한 통찰력을 가질 수 있도록 도와줄 것이다.
마지막으로 저자는 우리 젊은이들이, 한글을 창안하고 금속활자를 세계에서 가장 먼저 만든 선조들의 창의력을 이어받아 앞으로 더욱 발전된 새로운 동력원을 개척해 나갈 것을 애정 어린 마음으로 주문한다. 연구자들을 위해 미발표 논문
「Betz의 법칙에 대한 재검토」를 특별 공개하다

‘Betz의 법칙’이란 독일의 물리학자 알베르트 베츠(Albert Betz, 1885~1968)가 1919년에 발표한 논문에서 제시한 개방형 프로펠러식 풍력 터빈의 효율의 이론적 한계를 말한다. 이 이론에 따라 지난 100년간 풍력 터빈의 효율은 Betz의 한계인 59.3퍼센트를 넘을 수 없는 것으로 인정되어왔다. 저자는 그간 여러 종류의 터빈을 연구하는 과정에서 유독 풍력 터빈만이 이렇게 낮은 효율의 한계를 갖는 것에 의문을 가졌는데 이는 저자가 Betz의 법칙의 유도 과정을 다시 상세히 검토하게 된 동기가 되었다. 그 결과, 저자는 Betz가 논문의 수식(數式)을 유도하는 과정에서 설정한 가정들에 근본적인 오류가 있고 또 그 유도 과정에서도 잘못된 속도를 대입하였음을 알게 되었다.
저자는 ‘Betz의 법칙’이 그동안 (모든) 터빈의 효율의 이론적인 수식 유도에 관한 효시이고 상징이었으므로 그의 이름을 딴 법칙을 부정하는 의미의 이 논문이 너무나 의외이고 중요한 결과로 받아들여질 수 있기에 발표를 미루어왔으나, 이러한 한계가 잘못되었다는 것을 연구원들이 이해하게 된다면 앞으로 더 효율이 높은 풍력 터빈을 개발할 수 있으리라는 희망과 의욕이 높아질 것이라 믿어 책의 말미에 먼저 발표하게 되었으며 곧 〈미국기계공학지(ASME:American Society for Mechanical Engineering)〉에 투고할 예정이라고 한다.