수차

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 세계의 역사
- 2.2. 한국의 역사
3. 종류
4. 구조 및 작동 원리
5. 현대적 응용
참조

1. 개요

수차는 물의 힘을 이용하여 회전력을 얻는 기계로, 고대 메소포타미아에서 농지 관개에 사용된 기록이 있으며, 610년 고구려의 담징이 수차로 움직이는 맷돌을 만들었다는 기록이 있다. 다양한 종류가 있으며, 작동 원리에 따라 충동 수차와 반동 수차로 분류된다. 수차는 물의 위치 에너지와 운동 에너지를 활용하며, 최근에는 자동 조절 시스템을 갖춘 수력 터빈으로 발전하여 전력 생산에 활용되고 있다.

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수차

2. 역사

수차는 고대부터 여러 지역에서 다양한 방식으로 활용되었다. 기원전 2세기경 소아시아에서 동력 기관으로 발명되었고, 고대 로마에서는 널리 보급되지는 않았지만 기술자 비트루비우스의 저서에 언급되기도 했다. 중세 이후 유럽에서는 수차 이용이 활발해졌고, 이슬람권과 중국에서도 농업 및 산업 분야에서 활용되었다.

물을 퍼올리는 장치에서는 회전 운동이 왕복 운동보다 효율적이다.^[19] 수차는 사람, 동물의 힘이나 물의 흐름 자체를 동력원으로 사용하며, 수직축 또는 수평축을 갖춘 두 가지 설계로 나뉜다. 수평축 수차는 물이 패들에 부딪히는 위치에 따라 상류식, 중류식, 하류식으로 세분된다. 수차의 주요 기능은 관개를 위한 물 퍼올림과 곡물 제분이었다. 수평축 제분기는 동력 전달을 위해 기어 시스템이 필요했지만, 수직축 제분기에는 필요하지 않았다.

기원전 3세기에서 1세기 사이 헬레니즘 시대에 기술 혁신이 일어났다.^[20] 테살로니키의 안티파테르(안티파테르)는 수차가 여성들을 힘든 제분 작업에서 해방시켜 주었다고 칭찬했다.^[21]^[22] 고대 수차 기술은 중세 초기까지 계속 사용되었으며, 법전, 수도원 헌장, 전기(傳記) 등 새로운 유형의 기록이 등장하면서 수차에 대한 언급이 급증했다.^[47]

6세기 아일랜드 워터포드 근처 킬로테란에서 조수간만의 차를 이용하는 가장 오래된 수직축 수차가 발견되었고,^[48] 같은 유형의 가장 오래된 수평축 수차는 아일랜드 리틀 아일랜드(약 630년)에서 발견되었다.^[49] 일반적인 노르웨이 또는 그리스 수차의 경우, 가장 오래된 수평축 수차는 아일랜드 발리킬린(약 636년경)에서 발굴되었다.^[49]

우크라이나 우즈호로드 민속건축 및 생활 박물관의 작은 마을 방앗간을 가동하는 수차

특히 시토회 수도원에서는 다양한 종류의 수차를 광범위하게 사용했다.^[50] 13세기 초 스페인 아라곤 지역의 시토회 수도원인 레알 모나스테리오 데 누에스트라 세뇨라 데 루에다에는 매우 큰 수차가 남아 있다. 곡물 제분소가 가장 흔했지만, 제재소, 풀링 밀(천을 두드려 풀을 뽑는 공장) 등 다른 작업을 위한 제분소도 있었다. 수차는 산업혁명까지 증기 기관과 경쟁했다. 8세기에서 10세기경 스페인에는 노리아(Noria) 등 여러 관개 기술이 유입되어 유럽에 소개되었다. 노리아는 주변에 물통이 장착된 바퀴로 물을 퍼 올리는 데 사용되며, 토마스 글릭에 따르면 페르시아에서 유래한 것으로 보인다. 이 기술은 아랍인들이 로마인들로부터 채택하여 스페인으로 가져오기 전부터 수세기 동안 사용되었다. 이베리아 반도에서 노리아의 분포는 "안정된 이슬람 정착 지역과 일치한다".^[51]

윌리엄 1세가 소집한 회의(둠스데이 조사)에서는 영국 내 3,000개 이상의 지역에 걸쳐 6,000개가 넘는 제분소가 조사되었는데,^[52] 이는 전 세기에 비해 100개 미만에서 크게 증가한 수치이다.^[50]

수차 유형은 위치에 따라 달랐다. 물의 양이 적고 낙차가 큰 경우 상수차를, 낙차가 작고 물의 양이 많은 경우 하수차를 사용했다. 18세기에 에너지 수요가 증가하고 물이 부족해짐에 따라 효율성에 중점을 두게 되었다.^[4]

11세기 유럽 일부 지역에서는 물을 이용하는 것이 일반적이었다.^[52] 수차는 서구인들의 관점을 형성하고 변화시켰으며, 유럽은 인력과 동력에서 기계력으로 전환하기 시작했다. 린 화이트 주니어는 무생물 에너지원의 확산이 서구에서 힘, 노동, 자연, 기술에 대한 새로운 태도를 보여주는 증거라고 주장했다.^[52]

수력은 농업 생산성, 식량 생산량 증가, 대규모 도시화를 촉진했다. 또한 풍력, 조력 제분소 등 다른 에너지원에 대한 실험을 촉진하고, 운하 건설에 영향을 미쳤다. 하천 막힘, 운하 건설과 같은 기술은 유럽을 수력에 중점을 둔 경로로 이끌었다.^[55]

수차는 빵을 위한 밀가루, 맥주를 위한 맥아, 죽을 위한 거친 가루를 생산하는 데 사용되었다.^[56] 18세기 유럽 이전부터 밀wrights(목수 및 기계 설치 기술자)들은 물레방아에서 작용하는 충격과 중량이라는 두 가지 힘을 구분했다. 16세기 농업 기술 서적 저술가인 Fitzherbert는 "물의 무게뿐만 아니라 힘[충격]으로도 물레방아를 돌린다"라고 적었다.^[57] 레오나르도 다 빈치도 수력에 대해 "물의 충격은 무게가 아니지만, 거의 자체 힘과 맞먹는 무게의 힘을 발생시킨다"고 언급했다.^[58] 그러나 두 힘의 장단점에 대한 혼란은 남아 있었고, 중량의 우수한 효율성에 대한 명확한 이해는 없었다.^[59] 1750년 이전에는 어떤 힘이 지배적인지 불확실했으며, 두 힘이 서로에게 동등한 영향을 미치면서 작용한다는 것이 널리 이해되었다.^[60] 물레방아는 힘의 법칙 등 자연 법칙에 대한 질문을 촉발했다. 에반젤리스타 토리첼리는 갈릴레오의 낙하하는 물체에 대한 연구를 분석하여, 수두 아래 구멍에서 솟아나는 물의 속도가 같은 높이에서 자유 낙하하는 물방울이 얻는 속도와 같다는 것을 보여주었다.^[61]

렉시 휠(Lady Isabella Wheel), 맨섬 렉시, 광산 펌프를 작동하는 데 사용됨

물레방아는 영국 산업화 초기 단계의 원동력이었다. 물로 작동하는 왕복 장치는 트립 해머와 용광로 풍구에 사용되었다. 리처드 아크라이트의 워터 프레임은 물레방아로 작동되었다.^[62]

미국에서는 제재소, 곡물 제분소 등 다양한 용도로 수차가 사용되었다. 1922년 건설된 콜로라도주 매코이의 직경 약 12.19m 수차는 콜로라도 강에서 관개용수를 끌어올리던 수많은 수차 중 하나로 현재까지 남아 있다.

초기 개량된 방식으로는 현수차와 림 기어가 있다. 현수차는 자전거 바퀴처럼 제작되어 바퀴 테두리가 허브로부터 장력을 받아 지지된다. 림 기어는 바퀴 테두리나 외피에 홈이 있는 바퀴를 추가하는 것을 의미한다. 스텁 기어가 림 기어에 맞물려 독립적인 라인 샤프트를 사용하여 동력을 제분소로 전달한다. 토마스 휴즈가 개척하고 윌리엄 암스트롱 페어번이 개량한 이 디자인의 예는 포틀랜드 분지 운하 창고에 있는 1849년 복원된 수차에서 볼 수 있다.^[63]

오스트레일리아에서는 19세기 제재소, 제분소, 금광석을 찧는 정광 배터리 가동에 수차가 사용되었다. 금 회수 작업에 사용된 수차의 예로는 체우턴 근처의 가필드 수차(주변 지역에 있는 최소 7개의 수차 중 하나)와 아델롱 폭포의 두 수차가 있다.^[64]^[65]^[66]^[67] 왈할라 광산 지역에는 한때 최소 두 개의 수차가 있었는데, 그중 하나는 새로운 트롤리 장치를 사용하여 포트 앨버트에서 현장으로 옮겨졌으며, 거의 90일이 걸렸다.^[68] 1847년 건설된 진다바인의 수차는 스노이 강에서 에너지를 추출하는 데 사용된 최초의 기계였다.^[69]

데스리지 수차는 동력원으로 사용되지 않았지만 관개지에 대한 물의 흐름을 측정하는 데 사용되었다.^[70] 뉴질랜드에서는 수차가 광범위하게 사용되었다.^[71] 잘 보존된 영 오스트레일리아 광산의 상향식 수차 유적은 유령 도시 캐릭타운(Cromwell) 근처에 있으며,^[72] 피닉스 제분소의 수차 유적은 오아마루 근처에 있다.^[73]

조셉 니덤 등에 따르면, 서기 20년경 환담이 저술한 『신론』에는 물레방아가 곡물 제분소의 빻는 기계에 사용되었다는 내용이 추론된다.^[50] 『신론』에는 전설적인 왕 복희가 절구를 발명했고, 그것이 망치, 트립 해머 장치로 발전했다고 나와 있다. 저자는 복희에 대해 언급하지만, 서기 1세기 중국에서 물레방아가 널리 사용되었음을 암시한다.

> 복희는 절구를 발명했는데, 매우 유용했고, 나중에 경사 망치를 밟아 효율을 10배 증가시키는 방식으로 개량되었다. 그 후에는 동물, 물의 힘을 이용해 빻는 데 사용되어 이익이 100배 증가했다.

서기 31년, 두식은 물레방아와 기계를 복잡하게 사용하여 용광로 풀무에 동력을 공급, 주철을 만들었다. 『후한서』에는 다음과 같이 언급되어 있다.

> 건무 7년(서기 31년)에 두식은 남양 태수로 임명되었다. 그는 관대한 사람이었고 그의 정책은 평화로웠으며, 악당들을 처단하고 직책의 위엄을 세웠다. 계획에 능했고 백성을 사랑했으며 노동을 덜어주고 싶어했다. 그는 (철) 농기구 주조를 위한 수력 왕복장치를 발명했다. 숯불을 불어넣기 위해 푸시 풀무를 가지고 있던 제련 및 주조업자들은 물의 흐름을 이용하여 작동하도록 지시받았다… 백성들은 적은 노력으로 큰 이익을 얻었다. '물(력) 풀무'가 편리하다고 생각하고 널리 채택했다.

『진서』에 따르면, 장형(78~139)은 약 130년경에 "물이 새어 돌아가게" 할 수 있는 수력 천문의기를 발명했다. 후대 사람들은 이것이 물레방아를 의미한다고 추측했다.

『삼국지』에 따르면, 조위의 마준(약 200~265)은 물레방아를 사용하여 위 명제를 위한 대형 기계식 인형극을 가동했다. 이 장치는 나무로 조각되었고, 바퀴 모양이었으며, 지면과 평행하게 작동하여 물을 들어 올려 여러 인형과 절구가 있는 제분기를 작동시켰다. 한지 태수는 238년 이전에 야금 생산 감독관이 되었고, "용광로 풀무를 끊임없이 흐르는 물의 사용에 적용하여 이전보다 3배 더 큰 효율을 달성했다." 20년 후, 두유라는 사람이 새로운 설계를 도입했다. 263년 이후의 기록에는 물레방아를 사용한 장치인 '수퇴'에 대한 언급이 있다.

원가(424~429) 초에는 제련 및 주조 작업에 사용되는 수력 풀무를 위한 인공 호수가 만들어졌다. 그러나 호수의 토목 공사가 누수되어 파괴되었고 인력 "러닝머신 풀무"로 대체되었다.

인도에서 수차의 초기 역사는 불분명하다. 기원전 4세기 고대 인도 문서에는 'cakkavattaka'(회전하는 바퀴)라는 용어가 언급되며, 주석에서는 'arahatta-ghati-yanta'(바퀴형 용기가 부착된 기계)로 설명한다. 조셉 니덤은 이 기계가 노리아라고 제안했지만, 테리 S. 레이놀즈는 용어가 모호하며 수력 장치를 명확하게 나타내지는 않는다고 주장한다. 토킬드 스키올러는 수력 수차가 아닌, 발이나 손으로 작동하는 취수 장치를 가리킬 가능성이 높다고 주장했다.^[74]

그리스 역사 전통에 따르면, 인도는 서기 4세기 초 로마 제국으로부터 수차를 받았는데, 메트로도로스라는 인물이 "그 당시까지 그들(브라만)에게 알려지지 않았던 수차와 목욕탕"을 소개했다고 한다.^[75] 농작물 관개용수는 물을 퍼 올리는 바퀴를 사용하여 공급되었으며, 일부는 강의 흐름의 힘으로 작동되었다. 페시에 따르면 이러한 종류의 취수 장치는 후대 로마 제국이나 중국보다 앞서 고대 인도에서 사용되었지만,^[76] 수차의 최초 문헌, 고고학적 및 그림 자료는 헬레니즘 시대에 나타났다.^[77]

1150년경, 천문학자 브하스카라 2세는 물을 퍼 올리는 바퀴를 관찰하고, 그러한 바퀴가 그 바퀴를 작동시키는 물줄기를 채울 만큼 충분한 물을 퍼 올리는 영구 운동 기계를 상상했다.^[78] 인도의 수리 시설 건설과 수자원 기술은 아랍어와 페르시아어 저술에 설명되어 있다. 중세 시대에 인도와 페르시아의 관개 기술 확산은 발전된 관개 시스템을 낳았고, 경제 성장과 물질 문화 발전에 기여했다.^[79]

이슬람 확산 이후 이슬람 세계 기술자들은 고대 근동의 수력 기술을 발전시켰다. 7세기 물레방아 유적이 남아 있는 바스라 지역 운하 발굴에서 확인할 수 있다. 시리아 하마에서는 오론테스 강에 있는 대형 물레방아(하마의 물레방아) 중 일부가 남아 있지만, 현재는 사용되지 않는다.^[80] 그중 가장 큰 물레방아는 지름이 약 에 달했고, 테두리는 120개의 구획으로 나뉘어 있었다. 스페인 무르시아에는 라 노라라는 작동 중인 물레방아가 있는데, 원래 물레방아는 강철로 교체되었지만 알안달루스 시대 무어인 시스템은 거의 변하지 않았다. 일부 중세 이슬람식 구획 물레방아는 최대 높이까지 물을 끌어올릴 수 있었다.^[81] 10세기 무함마드 이븐 자카리야 알라지의 『알 하위』에는 이라크의 물레방아가 또는 의 물을 끌어올릴 수 있다고 기록되어 있다. 이는 동아시아의 현대 물레방아 출력( 또는 )과 비슷하다.^[82]

이슬람 세계에서 물레방아의 산업적 용도는 7세기로 거슬러 올라가며, 수평축 및 수직축 물레방아는 9세기부터 널리 사용되었다. 제분소, 탈곡기, 제재소, 선박용 제분소, 쇄석기, 제철소, 설탕 제조소, 조력 제분소 등 다양한 산업용 물레방아가 사용되었다. 11세기까지 알안달루스와 북아프리카에서 중동과 중앙아시아에 이르기까지 이슬람 세계 전역에서 이러한 산업용 물레방아가 가동되었다.^[83] 무슬림과 기독교 기술자들은 크랭크축과 수력 터빈, 물레방아와 양수기의 기어, 댐을 물의 원천으로 사용하여 물레방아와 양수기의 동력을 추가로 제공했다.^[84] 풀링 밀과 제철소는 12세기에 이슬람 스페인에서 기독교 스페인으로 전파되었을 가능성이 있다. 산업용 물레방아는 11세기에서 13세기 사이에 알안달루스에 건설된 대규모 공장 단지에서도 사용되었다.^[85]

이슬람 세계 기술자들은 물레방아의 최대 출력을 얻기 위해 여러 해결책을 개발했다. 한 가지는 다리 교각에 물레방아를 설치하여 유량을 증가시키는 것이었다. 또 다른 해결책은 선박용 제분소였는데, 중앙에 정박한 선박 측면에 장착된 물레방아로 구동되는 방식이었다. 이 기술은 10세기 이라크 티그리스강과 유프라테스강을 따라 사용되었는데, 티크와 철로 만들어진 대형 선박용 제분소는 바그다드의 곡물 저장소에 매일 10톤의 곡물 가루를 생산할 수 있었다.^[86] 알안달루스의 이븐 바살(활동기 1038~1075)은 구동 장치에서 구동 기계로 동력 전달을 원활하게 하는 플라이휠 메커니즘을 발명했다. 그는 사키아(체인펌프)와 물레방아에 플라이휠을 사용하는 것을 개척했다.^[87] 13세기 알자자리와 16세기 타키 알딘은 기술 논문에서 많은 독창적인 양수기를 설명했다. 그들은 또한 다양한 물시계와 자동 인형을 포함한 다양한 장치에 동력을 공급하는 데 물레방아를 사용했다.

2. 1. 세계의 역사

수차는 메소포타미아 시대에 발명되어 농지 관개에 사용되었다는 기록이 있다. 고대 로마의 기술자 비트루비우스가 만든 수차가 언급되지만, 자주 사용되지 않는 기계로 기록되어 있어 노예 노동력이 풍부했던 고대 사회에서는 널리 보급되지 않았던 것으로 보인다.

일본 서기에는 610년 고구려에서 온 승려 담징이 연애(碾磑)라는 수차로 움직이는 맷돌을 만들었다는 기록이 있다.^[99]

; 이슬람권

: 이슬람권에서는 하마의 수차가 유명하며, 대규모 농지 관개용 수차 17기가 현재도 남아 관광 명소가 되고 있다. 유럽처럼 산업용 원동력으로 사용되는 일은 없었다.

; 중국

: 중국에서는 한나라 때 수력 원동기 같은 것이 보이고, 송나라 때에는 수차력을 이용하여 방적 공장까지 만들어진 것 같지만, 그 이후의 발전은 보이지 않았다.

; 고대 로마

: 고대 로마의 기술자 비트루비우스의 저서 『건축론』에서도 수차가 언급되고 있지만, 거의 사용되지 않는 기계로서, 노예 노동이 풍부했던 고대 로마 사회에서는 일반적으로 그다지 보급되지 않았던 것 같다.

; 중세 이후

: 문명의 중심이 지중해 연안을 떠나 중앙유럽/서유럽으로 이동한 중세 이후, 이 지역에서는 안정적인 수량을 얻을 수 있는 지형과 맞물려 수차의 이용이 활발해지면서 수차의 대수가 급격히 증가했다. 1086년 영국의 고문서에는 추정 인구 140만 명의 영국에 5642대의 수차가 있었다는 기록이 남아 있다. 동력 수차의 용도는 그때까지는 곡물 제분에만 한정되었지만, 10세기경부터는 산업용 동력으로도 사용되기 시작했다.

; 일본

: 일본에서는 『일본서기』에서 610년 고구려에서 온 승려 담징이 맷돌(碾磑)이라는 수차로 움직이는 절구를 만들었다고 전해지며, 헤이안 시대의 829년에 양봉안세가 여러 지역에 관개용 수차를 만들게 했다는 기록이 있다. 가마쿠라 시대의 『도연초』에는 우지 강 연안의 주민이 수차를 만드는 이야기가 있다.

: 무로마치 시대 15세기에 일본에 온 조선통신사 박서생은 일본 농촌에 수차가 있는 것에 놀라 제조법을 조사하여 본국에 보고한 것이 『조선왕조실록』에 기록되어 있으며, 에도 시대의 11차 조선통신사에서도 마찬가지로 일본 수차의 보급에 놀랐다는 사실이 기록되어 있다.

: 동력 수차의 본격적인 사용은 에도 시대가 되어서라고 한다. 쌀을 먹는 습관의 확산과 함께 정미·곡물 제분에 사용되었지만, 에도 시대 후기에는 산업용 원동력으로서도 부분적으로 사용되었다. 수차를 이용한 제분업은 "수차 일꾼"이라고 불렸고, 수차 일꾼에게 이용되는 용수는 주로 농업용수였다.

: 이러한 수차는 수차를 덮는 외장 부품이 없기 때문에 효율이 낮았다. 그 때문에 제2차 세계 대전 후에는 전동기나 내연기관의 보급으로 일본 국내에서는 쇠퇴했지만, 관광 자원이나 농업 목적으로 이용되고 있다. 반대로, 수차를 덮는 외장 부품이 있는 수차는 효율이 90% 전후로 높다. 이 때문에 발전용 수차로서 독자적으로 발전해 갔다. 일본에서는 현대에도 목제 수차를 만드는 목수(수차 목수)가 있다.^[100]

2. 2. 한국의 역사

일본 서기에 따르면, 610년 고구려에서 온 승려 담징이 연애(碾磑)라는 수차로 움직이는 맷돌을 만들었다고 한다.^[99]

3. 종류

수차는 물의 힘을 이용하여 회전력을 얻는 장치로, 크게 두 가지 기본 설계 방식이 있다.^[4]

수직축 수차: 수직 축을 중심으로 수평으로 회전하는 방식이다.
수평축 수차: 수평 축을 중심으로 수직으로 회전하는 방식이다.

수평축 수차는 물이 수차에 부딪히는 위치에 따라 다음과 같이 세분화된다.^[6]^[7]^[8]

상류식 수차: 물이 수차의 위쪽에 부딪혀 회전시킨다.
역류식 수차(피치백^[5]): 물이 수차의 위쪽에서 뒤쪽으로 부딪혀 회전시킨다.
중류식 수차: 물이 수차의 중간 부분에 부딪혀 회전시킨다.
하류식 수차: 물이 수차의 아래쪽에 부딪혀 회전시킨다.
흐름식 수차: 흐르는 물속에 수차를 담가 회전시킨다.

종류	특징	효율	그림
수직축 수차	수직축을 가진 수평형 수차로, 축에 장착된 날개에 물줄기가 부딪힌다.	낮음	수직축 수차 개략도
흐름식 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 수차 바닥이 흐르는 물에 놓인다.	18세기 이전에는 약 20%, 그 이후에는 50~60%	흐름식 수차 개략도
저수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차의 아래쪽(일반적으로 바닥에서 1/4 지점)에 부딪힌다.	18세기 이전에는 약 20%, 그 이후에는 50~60%	저수두 수차 개략도
중류식 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차의 중앙 부근(일반적으로 높이의 1/4에서 3/4 사이)에 부딪힌다.	50~60%	중류식 수차 개략도
고수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차 상단 근처(축 앞쪽)에 부딪혀 수로에서 멀어지는 방향으로 회전한다.	80~90%	고수두 수차 개략도
역류식 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차 상단 근처(축 앞쪽)에 부딪혀 수로를 향해 회전한다.	80~90%	역류식 수차 개략도

일반적으로 상류식 및 역류식 수차는 2m 이상의 높이 차이가 있는 곳에 사용되고, 중류식 수차는 적당한 수두를 가진 대량의 유량에 적합하며, 하류식 및 흐름식 수차는 수두가 거의 없거나 없는 대량의 유량에 사용된다.

수차장은 필요할 때까지 물과 에너지를 저장하는 저수지이다. 더 큰 수두는 같은 양의 물에 더 많은 중력 위치 에너지를 저장하므로 상류식 및 역류식 수차의 저수지는 중류식 수차보다 작은 경향이 있다.

수력발전에 사용되는 수차는 물의 작용 방식에 따라 반동수차와 충동수차로 크게 나눌 수 있다.

반동수차: 물의 압력 변화를 이용하는 수차이다. 프란시스 수차, 카플란 수차, 사류 수차 등이 있다.
충동수차: 물의 속도 에너지를 이용하는 수차이다. 펠톤 수차, 터고 임펄스 수차 등이 있다.

과거에는 주로 물의 위치 에너지를 이용하는 중력수차가 사용되었으나, 더 큰 출력을 얻기 위해 물의 속도 에너지를 이용하는 충동수차와 물의 압력 변화를 이용하는 반동수차가 개발되었다. 이러한 수차들을 개량하여 효율을 높인 것이 현대의 물터빈이다.

3. 1. 작동 원리에 따른 분류

수차는 물의 작용 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 물의 압력 변화를 이용하는 반동수차이고, 다른 하나는 물의 속도 에너지를 이용하는 충동수차이다.

'''반동수차''': 압력이 있는 물을 날개에서 분출할 때 생기는 반동력을 이용하여 회전하는 수차이다.
압력수두를 속도수두로 모두 바꾸지 않고, 압력을 유지하면서 물의 반동력으로 수차를 돌린다.
수차에서 배수구까지 흡출관으로 연결하여 물을 채움으로써 높이 차이를 이용할 수 있다. 이론적으로 흡출관의 길이는 대기압에 해당하는 10m 이하이다.
프란시스 수차, 카플란 수차, 사류 수차 등이 반동수차에 속한다.
'''충동수차''': 물을 노즐에서 빠르게 분출시켜 수차의 날개를 때리는 힘으로 회전하는 수차이다.
높은 낙차와 적은 유량이 있는 곳에 적합하며, 날개에 부딪힌 물은 자연스럽게 떨어진다.
펠톤 수차, 터고 임펄스 수차 등이 충동수차에 속한다.

1740년경 바커(Barker)가 고안한 반동수차는 직립관 윗부분에 물을 부어 넣고, 관 아랫부분 원판 모양의 공간 둘레에 있는 노즐에서 물을 접선 방향으로 분출시켜 그 반동으로 회전하는 방식이었다.^[4]

과거의 수차는 대부분 중력수차로, 수차 직경 정도의 낙차에 해당하는 물의 위치에너지만을 이용했기 때문에 출력이 크지 않았다. 그러나 증기기관에 필적하거나 능가하는 수차를 만들기 위해 고낙차의 물에너지를 이용하여 큰 출력을 낼 수 있는 작고 효율이 높은 수차가 필요하게 되었다. 이에 따라 충동수차와 반동수차를 개량한 새로운 수차, 즉 물터빈이 개발되었다.

1826년경 프랑스의 장빅토르 퐁슬레는 평면에 물을 부딪히게 하는 방식이 효율이 좋다는 점을 이용하여 아랫걸이수차를 개량하였다. 1856년경에는 지라르(Girard)가 비교적 높은 낙차에 적합한 충동터빈을 개발했다.

1870년경 미국의 펠톤(Pelton)은 기존 수차의 물받이가 1바울형이라 들어오는 물과 튀어 나오는 물의 간섭이 커서 에너지 손실이 크다는 점을 개선하여, 2바울형 물받이를 만들어 물을 좌우로 나누고 튀어 나오는 물과의 간섭을 줄여 효율을 크게 높였다.

1830년경 프랑스의 푸르네이론(B. Fourneyron)은 굽은 물받이를 갖춘 반동수차를 만들었다. 이 수차는 물이 차축 방향으로 들어와 안개날개를 통과하면서 차축에 직각 방향으로 방사상으로 흐르지만, 날개수레가 밖에 있어 물 흐름이 항상 날개수레 속에 가득 차는 단점이 있었다. 포드(Ford)는 1836년에 이를 개선하여 물 흐름을 바깥쪽에서 안쪽으로 향하게 했다. 1848년경 미국의 프랜시스(Francis)는 포드수차를 개량하여 스파이럴 케이싱 및 유량조정용 안개날개를 채용한 오늘날의 프랜시스수차를 발명했다.

20세기에는 낮은 낙차에서도 사용할 수 있는 프로펠러수차가 개발되었다. 이는 일종의 반동수차로, 미국에서 고정날개식 축류 프로펠러수차가 개발되어 대량의 물을 흘려 고속 회전을 가능하게 했다. 그러나 부하가 작을 때 효율이 매우 낮아지는 문제가 있어, 1912년경 오스트리아의 카플란(Kaplan)은 프로펠러의 날개 각도를 조절하여 효율 저하를 막는 카플란수차를 발명했다.

한편, 수차는 축의 방향에 따라 수평축 수차와 수직축 수차로, 물이 수차에 부딪히는 위치에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.^[4]

종류	특징	효율
수직축 수차	수직축을 가진 수평형 수차로, 축에 장착된 날개에 물줄기가 부딪힌다.	낮음
흐름식 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 수차 바닥이 흐르는 물에 놓인다.	18세기 이전에는 약 20%, 그 이후에는 50~60%
저수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차의 아래쪽(일반적으로 바닥에서 1/4 지점)에 부딪힌다.	18세기 이전에는 약 20%, 그 이후에는 50~60%
중수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차의 중앙 부근(일반적으로 높이의 1/4에서 3/4 사이)에 부딪힌다.	50~60%
고수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차 상단 근처(축 앞쪽)에 부딪혀 수로에서 멀어지는 방향으로 회전한다.	80~90%
역수두 수차	수평축을 가진 수직형 수차로, 물이 수차 상단 근처(축 앞쪽)에 부딪혀 수로를 향해 회전한다.	80~90%

3. 2. 물이 유입되는 위치에 따른 분류 (구식 수차)

수차는 물이 수차에 부딪히는 위치에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.^[6]^[7]^[8]

상류식 수차 (Overshot Waterwheel): 물이 수차의 상부에 작용한다. 물받이에 실린 물의 무게로 차축에 회전력을 주므로, 대체로 중력 수차이다. 출력을 크게 하려면 수차의 직경을 크게 해야 하지만, 대략 5~10m 정도가 한계이다. 효율은 90% 정도이다.

역류식 수차 (Backshot Waterwheel, Pitchback Waterwheel): 상류식 수차와 비슷하지만, 물이 수차 상단 근처에서 축 앞쪽에 부딪혀 수로를 향해 회전한다.

중류식 수차 (Breastshot Waterwheel): 수차 둘레의 중앙 부근에 물이 들어간다. 중력 수차로 간주되지만, 물의 흐름에 의한 작용도 일부 있다. 효율은 65% 정도이다.

하류식 수차 (Undershot Waterwheel): 수차 아래쪽에서 날개가 물 분류의 충격을 받는 충동 수차의 일종이다. 효율은 약 30% 정도이다.

상류식 및 역류식 수차는 2미터 이상의 높이 차이가 있는 곳에, 중류식 수차는 적당한 수두를 가진 대량의 유량에, 하류식 수차는 수두가 거의 없는 대량의 유량에 사용된다.

3. 3. 수평축 수차와 수직축 수차

수차는 기본적으로 두 가지 설계로 나뉜다.^[4]

수직 축을 가진 수평 수차
수평 축을 가진 수직 수차

후자(수평 축을 가진 수직 수차)는 물이 수차에 부딪히는 위치에 따라 역류식(피치백^[5]), 상류식, 중류식, 하류식 및 흐름식 수차로 세분될 수 있다.^[6]^[7]^[8] "하류식"이라는 용어는 물이 수차 아래로 지나가는 모든 수차를 가리킬 수 있지만,^[9] 일반적으로 물이 수차의 아래쪽에 유입되는 것을 의미한다.

상류식 및 역류식 수차는 일반적으로 이용 가능한 높이 차이가 2미터 이상인 곳에 사용된다. 중류식 수차는 적당한 수두를 가진 대량의 유량에 더 적합하다. 하류식 및 흐름식 수차는 수두가 거의 없거나 없는 대량의 유량에 사용된다.

종종 수차장이라고 하는 저수지가 있는데, 이는 필요할 때까지 물과 에너지를 저장하는 곳이다. 더 큰 수두는 같은 양의 물에 더 많은 중력 위치 에너지를 저장하므로 상류식 및 역류식 수차의 저수지는 중류식 수차보다 작은 경향이 있다.

상류식 및 피치백 수차는 높이 차이가 2m 이상인 작은 개울에 적합하며, 종종 작은 저수지와 함께 사용된다. 중류식 및 하류식 수차는 대형 저수지를 갖춘 강이나 대량 유량에 사용할 수 있다.

수직축을 가진 수평 수차이다.

일반적으로 '''통 수차(tub wheel)''', '''노르웨이식 수차(Norse mill)''', 또는 '''그리스식 수차(Greek mill)'''^[10]^[11] 라고 불리는 수평 수차는 현대 터빈의 원시적이고 비효율적인 형태이다. 그러나 필요한 동력을 제공한다면 효율성은 부차적인 문제이다. 일반적으로 작업장 바닥 아래 제분소 건물 안에 설치된다. 물줄기가 수차의 패들에 닿아 회전하게 된다. 이것은 일반적으로 기어가 없어 수차의 수직축이 제분소의 구동축이 되는 간단한 시스템이다.

3. 4. 기타

수차는 기본적으로 두 가지 설계로 나뉜다.^[4]

수직 축을 가진 수평 수차
수평 축을 가진 수직 수차

후자는 물이 수차에 부딪히는 위치에 따라 역류식(피치백^[5]), 상류식, 중류식, 하류식 및 흐름식 수차로 세분될 수 있다.^[6]^[7]^[8] "하류식"이라는 용어는 물이 수차 아래로 지나가는 모든 수차를 가리킬 수 있지만,^[9] 일반적으로 물이 수차의 아래쪽에 유입되는 것을 의미한다.

상류식 및 역류식 수차는 일반적으로 이용 가능한 높이 차이가 2미터 이상인 곳에 사용된다. 중류식 수차는 적당한 수두를 가진 대량의 유량에 더 적합하다. 하류식 및 흐름식 수차는 수두가 거의 없거나 없는 대량의 유량에 사용된다.

수차장은 필요할 때까지 물과 에너지를 저장하는 저수지이다. 더 큰 수두는 같은 양의 물에 더 많은 중력 위치 에너지를 저장하므로 상류식 및 역류식 수차의 저수지는 중류식 수차보다 작은 경향이 있다.

상류식 및 피치백 수차는 높이 차이가 2m 이상인 작은 개울에 적합하며, 종종 작은 저수지와 함께 사용된다. 중류식 및 하류식 수차는 대형 저수지를 갖춘 강이나 대량 유량에 사용할 수 있다.

;수력 발전용 수차의 분류

'''반동 수차:''' 압력 수두를 가진 유수를 노즐 등으로 가속시키지 않고, 날개에서 나올 때의 반동력으로 러너를 회전시키는 수차. 압력 수두의 전부를 속도 수두로 변환하지 않고, 압력을 유지한 채 유수의 반동력에 의해 수차를 회전시킨다. 수차에서 배수구까지를 흡출관으로 연결하여 물로 채움으로써 이러한 높이 차이도 이용할 수 있다. 이론적으로는 흡출관(드래프트 튜브)의 길이는 대기압에 상당하는 10m 이하가 된다. 반동 수차에는 프란시스 수차, 카플란 수차, 사류 수차 등이 있다.

'''충격 수차:''' 유수를 노즐에서 가속하여 방출하여 수차의 날개를 회전시키는 수차. 높은 낙차, 적은 유량의 수차 발전소에 적합하다. 날개에 충돌한 유수는 자연 낙하시킨다. 충격 수차에는 펠톤 수차, 터고 임펄스 수차 등이 있다.

4. 구조 및 작동 원리

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. 차축은 수평과 연직(鉛直) 두 가지 형태가 있는데, 보통 전자를 사용한다. 하나의 차축에 날개수레가 한 개뿐 아니라 두 개 있는 것도 있다. 그리고, 하나의 날개 수레에 물을 부딪치게 하는 노즐의 수도 다양하다. 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 있다.^[90]

펠톤(Pelton) 수차에서 물의 작용을 보면, 속도의 분류가 물받이에 충동하여, 물받이에 속도를 부여하고 만곡면에서 반전(反轉)하여 흘러나간다. 이때 날개수레의 효율(수력효율)은 특정 식으로 나타낼 수 있다. 보통 β=4˚∼5˚이지만, 물받이를 2바울형으로 하면 평판(β=90˚)일 경우보다 2배나 효율이 좋아진다. 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.^[90]

프랜시스 수차에는 적용되는 낙차 범위가 넓으므로 많은 형식이 있다. 예를 들어 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.^[90]

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.^[90]

프랜시스수차에서의 물의 작용은 안내날개의 유로(流路)를 절대속도로 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 수력효율는 특정 식으로 구해진다. 그러나 실제로는, 물은 날개수레를 통과하는 동안에 점차 방향을 차축방향으로 바꾸고, 최후에는 축방향으로 되어 나가므로 날개 안의 흐름은 복잡해지고, 수력효율도 위의 식처럼 간단하게 되지 않는다.^[90]

반동수차에서는 날개수레를 통과하는 동안에 물의 압력이 현저히 변한다.^[90]

카플란 수차는 반동수차의 일종으로서, 구조는 프랜시스수차와 비슷한데, 그것보다는 간단하다. 저낙차용이니까, 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, 축방향과 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 최고 효율로 작동할 수 있도록, 안내날개와 함께 날개수레의 날개의 기울기도 변경시킬 수가 있게 되어 있는 점이다.^[90]

수차에 이용 가능한 에너지는 운동 에너지와 위치 에너지 두 가지 요소로 구성된다. 운동 에너지는 수차에 유입되는 물의 속도에 따라 달라지며, 위치 에너지는 수차 유입 지점과 유출 지점 사이의 물 높이 변화에 따라 달라진다. 운동 에너지는 이를 속도 수두로 환산하여 실제 수두에 더함으로써 고려할 수 있다. 정지된 물의 경우 속도 수두는 0이며, 느리게 움직이는 물의 경우 근사적으로 무시해도 된다. 출수구의 속도는 고려하지 않는데, 이상적인 수차라면 물이 0의 에너지로 빠져나가야 하며, 이는 속도가 0이어야 함을 의미하기 때문이다. 이는 불가능하며, 물은 수차에서 멀어져야 하고, 이는 불가피한 비효율의 원인이 된다.^[90]

동력은 에너지가 전달되는 속도이며, 유량에 따라 결정된다. 고대 로마의 당나귀나 노예가 작동하던 맷돌은 약 0.5마력을 생성했던 것으로 추정되며, 수평 수차는 0.5마력보다 약간 더 생성하고, 저수차는 약 3마력을, 중세의 상수차는 최대 40~60마력을 생성했다.^[90]

압력수두

h_p

는 상류와 하류 수면 사이의 높이 차이이다. 속도수두

h_v

는 압력수두를 측정하는 지점과 같은 위치의 상류에서 물의 속도로 계산된다. 속도

v

는 막대기를 띄워 일정 거리를 이동하는 시간을 측정하는 방법(pooh sticks method)으로 측정할 수 있다. 수면의 물은 바닥이나 가장자리에 가까운 물보다 더 빠르게 움직이므로 아래 공식과 같이 보정 계수를 적용해야 한다.^[91]

유량을 측정하는 방법은 여러 가지가 있다. 가장 간단한 두 가지 방법은 다음과 같다.

단면적과 속도로부터 유량을 측정한다. 단면적과 속도는 같은 지점에서 측정해야 하지만, 상류 또는 하류의 어느 곳이든 상관없다. 다만, 수차를 통과하는 물의 양과 동일해야 한다.^[91]
때로는 양동이와 스톱워치를 사용하여 유량을 측정하는 것이 실용적일 수 있다.^[92]

수량	공식
출력	$P=\eta \cdot \rho \cdot g \cdot h \cdot \dot q$ ^[93]
유효 수두	$h = h_p + h_v$ ^[94]
속도 수두	$h_v = \frac{v^2}{2 \cdot g}$ ^[95]^[94]
체적 유량	$\dot q = A \cdot v$ ^[91]
유속	$v = k \cdot \frac{d}{t}$ ^[91]

수량	근사 공식
출력 (70% 효율 가정)	$P = 7000 \cdot \dot q \cdot h$
최적 회전 속도	$\frac{21}{\sqrt{D}}$ rpm^[96]

수량	근사 공식^[96]
출력 (효율 20% 가정)	$P = 100 \cdot A \cdot v^3$
최적 회전 속도	$\frac{9 \cdot v}{D}$ rpm

표기법. 양 위의 점은 그 양이 유량(rate)임을 나타낸다. 즉, 매초 얼마나 많은 양인지, 또는 초당 얼마나 많은 양인지를 의미한다. 이 문서에서 q는 물의 부피를 나타내고, $\dot q$ 는 초당 물의 부피를 나타낸다. 속도(velocity)를 나타내는 v와의 혼동을 피하기 위해 물의 양(quantity of water)을 의미하는 q를 사용한다.

5. 현대적 응용

일부 수차는 상단에서는 상류식(overshot)으로, 하단에서는 하류식(backshot)으로 작동하여 두 방식의 장점을 결합하기도 한다. 사진은 영국 데번의 핀치 주철 공장(Finch Foundry)에 있는 수차를 보여준다. 상부 목제 구조물이 수로이며, 왼쪽 가지는 수차에 물을 공급한다. 물은 수차 아래에서 하천으로 다시 빠져나간다.

텍사스주 앤더슨 밀의 '''앤더슨 밀'''은 두 개의 수원을 사용하여 저수차, 역수차, 상수차로 작동한다. 이를 통해 수차의 회전 방향을 반전시킬 수 있다.

특수한 종류의 상수차/역수차는 가역 수차이다. 이 수차는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 세트의 날개 또는 물통을 가지고 있어 물이 유입되는 쪽에 따라 어느 방향으로든 회전할 수 있다. 가역 수차는 광업 산업에서 광석 운반에 동력을 공급하기 위해 사용되었다. 수차의 회전 방향을 바꿈으로써 광석이 담긴 통이나 바구니를 수직갱이나 경사면을 따라 위아래로 이동시킬 수 있었다. 수차의 축에는 일반적으로 케이블 드럼이나 체인 바구니가 있었고, 수차를 멈출 수 있는 제동 장치(제동 수차)가 필수적이었다. 가장 오래된 가역 수차 그림은 게오르기우스 아그리콜라가 1556년에 그린 것이다.

최근 유방형 수차의 발전으로 자동 조절 시스템을 효과적으로 통합한 수력 터빈이 개발되었다. Aqualienne이 그 한 예이다. 이 터빈은 1m~3.5m의 수두와 20㎥/s의 유량으로 37kW에서 200kW의 전력을 생산한다.^[88] 이는 과거 물방앗간이 있던 곳에 전기를 생산하기 위해 설계되었다.

낙차식(특히 후방낙차식) 수차가 가장 효율적인 유형이다. 후방낙차식 강철 수차는 대부분의 첨단 수차보다 효율이 더 높을 수 있다(약 60%). 어떤 상황에서는 터빈보다 낙차식 수차가 더 적합하다.^[89]

개선된 효율(>67%)을 가진 수력 터빈의 개발은 기존 제분소에 수차를 설치하거나 폐쇄된 제분소를 재개발하는 대안적인 방법을 열었다. 수차와 병행하여 개발된 수력 터빈은 수차 중앙에 웨어(weir)를 통합하지만 유량에 대해 각도가 지정된 블레이드(blade)를 사용하는 방식이다. WICON-Stem 압력 기계(SPM)는 이러한 흐름을 이용한다.^[97] 추정 효율은 67%이다.

영국의 사우샘프턴 대학교 토목 환경 공학부는 두 가지 유형의 수차를 조사하여 수력 효율을 추정하고 회전식 수력 압력 기계(Rotary Hydraulic Pressure Machine)와 같은 개선 사항을 제안했다. (최대 효율 추정치 85%).^[98]

이러한 유형의 물레방아는 부분 부하/가변 유량에서 높은 효율을 보이며 매우 낮은 수두(1m)에서 작동할 수 있다. 직접 구동 축류형 영구 자석 발전기(Axial Flux Permanent Magnet Alternator)와 전력 전자 장치와 결합하여 저수두 수력 발전(Low head hydro power)에 대한 실행 가능한 대안을 제공한다.

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