테슬라 터빈 Part I. II.

이 장치는 완벽하게 역작용을 일으킬 수 있습니다. 축에 전원이 공급되면 디스크들은 돌아가게 되고, 우리는 펌프를 하나 갖게 됩니다. 유체[fluid]가 고속으로 주입되면, 디스크의 양쪽 면 모두에 경계층 효과가 생겨나고, 이 때 우리는 터빈을 하나 가진 셈입니다. 유체는 터빈의 배출구가 되는 가운데 구멍을 통해 빠져 나오기 전까지, 안쪽으로 향하는 나선 방향으로 진행해 들어갑니다. 그런데, 우리는 다시 정반대되는 작용을 일으키도록 축에 전원을 공급하여 이것이 순환하게 만들 수 있습니다. 이 때, 디스크들은 ‘펌프 측의’ 디스크들이 되는 것입니다. 말하자면, 안쪽으로 들어간 유체들은, 디스크 주변 가장자리로 퍼져 나가기 전까지, 바깥쪽으로 향하는 나선 방향으로 고속으로 진행해 나오게 되는 것입니다. 베르누이 방정식[Bernoulli’s equation](유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의 관계를 나타낸 식. 흐르는 유체에 대해 유선[streamline] 상에서 모든 형태의 에너지의 합은 언제나 일정하다는 점을 설명?역주)을 살펴보면, 전체 압력은 속도 제곱(동압력?역주)에 정압력[static pressure]을 더한 값을 갖습니다. (P<SUB>total</SUB> = V<SUP>2</SUP> + P<SUB>S</SUB><SUP>2</SUP>) 이 간단한 방정식으로부터 알 수 있는 사실은, 만약 우리가 ‘속도 제곱’의 값을 변환시키게 되면, 정압력값이 달라져야 한다는 것입니다. 유체가 펌프 가장자리로 고속으로 빠져 나올 때, 유체상의 에너지 전체 압력은, 일정한 속도 속에 형성됩니다. 이것은 펌프 기술에 있어서 아주 흥미로운 개념으로, 이에 대해 저는 잠시 뒤에 다시 설명하겠습니다.

이 때, 펌프 바깥쪽으로 빠져 나오는 고속의 유체는 ‘확산기[diffuser]’라는 장치 속으로 들어가게 됩니다. 확산기는 점차적으로 팽창하는 표면들 위로 유체가 퍼져 나가도록 하는 것이 목적입니다. 유체의 움직임은 느려지고, 속도는 감속되며, 정압력은 증대됩니다. 유체의 정압력을 증대시키는 것이 바로 펌프의 기능이기도 합니다. 이 기구의 이 장치와 관련하여 특이한 점이 하나 있다면, 일반적인 펌프와는 달리, ‘양력(揚力)(유체 속을 수평으로 운동하는 물체가 유체로부터 받는 힘으로, 진행방향에 대해 수직인 위쪽으로 가해지는 힘?역주) 표면[lifting surfaces]’이 존재하지 않는다는 것입니다. 원심성 펌프[the centrifugal pump]도, 풍향 펌프[the vane pump]도, 피스톤 펌프[the piston pump]도 모두 유체를 따라 움직이는 양력 표면을 가집니다. 그렇지만, 바로 여기에, 이러한 장비들을 이용하는 데에 있어서의, 기본적인 난점들이 존재하는 것입니다.

바로 이 점에 있어서, 테슬라 접근법, 또는 경계층 접근법은 분명한 장점들을 갖습니다. 이들, 디스크들 각각의 양쪽 면 모두에 존재하는 경계층은, 경계층 견인 효과를 일으키는 유체를 잡아 당겨, 이를 더 가속시키게 됩니다. 그러면, 원심력은 유체를 펌프 바깥쪽으로 몰아 가게 되고, 유체는 가장자리를 통해 빠져나갑니다. 터빈 안에서 우리는 이를 반대로 작동시켜 줍니다. ‘일련의 분사구[series of nozzles]’를 통해 유체를 고온, 고압으로 만들어 주는 것입니다. ‘분사구[nozzle]’의 역할은 ‘확산기[diffuser]’의 역할에 정반대가 되는 것입니다. 압력과 온도를 증대시켜 유체를 고속으로 만들어 주는데, 이를 통해 유체를 터빈 바깥쪽의 ‘접선[tangential]’으로 보내는 것입니다. 우리는 고속 상태에서 이렇게 하게 됩니다. 그러면, 이것은 터빈 내 디스크의 양쪽 면 위로 경계층이 형성되도록 만들어 줍니다. 압력률[the pressure ratio]에 따라 유체는 터빈 중심으로 밀어붙여지는 것입니다. 경계층 견인 효과를 통해, 모든 에너지를 디스크쪽으로 전달하고 나면, 터빈 중심에는 아래쪽으로 향하는 나선형 통로[helical path]가 형성됩니다.

이러한 방식의 에너지 전달 과정을 분석해 보면, 추진력과 반발력으로 구동되는 ‘보편적인 날있는 터빈[conventional bladed turbine]’에서 보다, 이 터빈에서는 어떤 대상을 밀어 붙이는 데에 있어서, 훨씬 더 효과적인 잠재력을 가질 수 있는 것입니다. 물론 ‘양력 표면[lifting surfaces]’이 없기 때문에, 유체 혹은 그 어떤 물질이라도 터빈을 통과해 지나가는 것은, 다른 것들 위로 가 닿을 여지가 없는 것입니다. 이는 기존 펌프의 한계점들이었던 것입니다.

일반적인 펌프들에 있어서는, ‘캐비테이션[cavitation]’(프로펠러 뒤쪽에 생기는 진공 현상?역주)이라는 현상이 발생합니다. 캐비테이션은 액체 안에 공기 방울들이 형성될 때 생깁니다. 이 기포들은 바깥쪽 가스로부터 생겨나 액체에 섞이기도 하고, 또는 장치 내부로 액체가 통과할 때 발생하는 비등작용[boiling]으로 만들어지기도 합니다. 높은 증기압을 가지면서도, 끓는 점이 아주 낮은 여러가지 액체들이 존재합니다. 만약 우리가 한가지 액체에 가해지는 정압력을 낮춰주면, 이 액체는 보통 때보다 더 낮은 온도에서 끓게 됩니다. 예를 들어 우리가 물을 휘트니산[Mt. Whitney] 꼭대기나 파이크스산 봉우리[Pikes Peak]에 가지고 올라가면, 물은 212°F에서 끓지 않습니다. ; 물은 보다 낮은 온도에서 끓는 것입니다. 마찬가지로, 우리가 물을 일반적인 펌프 안으로 통과시킬 때에도, 예를 들어 물은 165°F에서 끓게 되는데, 이는 펌프 가장자리에서 발생하는 흡입력으로 정압력이 낮아졌기 때문에 그런 것입니다. 내부적으로, 해당 액체로부터 기포들이 생겨나게 되는데, 이들은 펌프를 빠져 나와야 합니다. 그런데, 실제로 발생하는 일은, 양력 표면이 뒤따라 생겨나 이 기포들을 터트려, 기포들을 붕괴시키는 것입니다. 이것은 파열(외파)[explosion]의 반대 현상을 일으킵니다.?내파[implosion]. 이 내파 현상이 일어남과 동시에, 액체는 기포가 있던 빈 공간 안으로 달려드는 것입니다. 이 ‘내부돌진[inrush]’은 펌프의 양력 표면을 파들어[dig away] 가게 됩니다. 극단적인 캐비테이션 현상이 일어나는 상태에서 일정시간 펌프를 작동시키게 된다면, 펌프의 회전자는 마치 레이스가 달린 커튼처럼 보일 것입니다. 실상, 저는 회전축과 그 끝에 타다 남은 찌꺼기들이 붙어 있는 펌프들을 봐 왔습니다. 캐비테이션 현상 때문에 회전자의 나머지 부분들은 완전히 사라져 버렸던 것입니다. 하지만, 이것은 펌프에 있어서 꽤나 심각한 문제입니다.

그런데, 이에 더해, 펌프 회전자 상의 캐비테이션 효과만큼, 혹은 그 보다 더 나쁜 현상도 펌프 하류부분[downstream of pump]에 발생합니다. 펌프 안에서의 캐비테이션으로 인해, 펌프 하류부분에는 커다란 압력 불안정 상태[pressure fluctuations]가 생기는 것입니다. 이러한 압력 불안정은 통을 반으로 쪼개버릴 수도 있고, ‘열 교환기[heat exchanger]’를 찢어버릴 수도 있습니다. 석유 화학 공장에서건, 여타의 화학공장에서건, 펌프상에 캐비테이션이 발생하는 한, 이로 인한 ‘압력 불안정 현상’은 모든 형태의 손상을 야기할 수 있는 것입니다. 끓는 점이 매우 낮은, 물이 아닌 액체, 가령, 이소펜탄[isopentane]을 펌프질한다고 할 것 같으면, 펌프안에 캐비테이션이 발생하지 않도록 만드는 것은 거의 불가능합니다.

하지만, 테슬라 터빈[the Tesla Turbine] 또는 경계층 펌프[boundary layer pump]는 어떠한 ‘양력 표면’도 갖지 않습니다.[하톤 : 이 문장을 다시 읽어 보십시오!] 따라서, 캐비테이션이라고 하는 현상이 이 펌프 안에서는 발생할 수가 없는 것입니다. 이는 우리가 액체와 기체를 함께 펌프질 할 수도 있다는 것을 의미합니다. 실상 우리는 세가지의 물질 상태에 있는 것 모두를 펌프질 할 수 있습니다. 물론 세가지 물질 상태란, 액체, 기체, 고체를 말합니다.[하톤: 심지어, 스펠트[Spelt](사료용 밀)나 감자도 펌프질 할 수 있다는 말입니다.]

다른 펌프 회사들은 미심쩍게 생각하지만, 어떻게 우리가 고체를 펌프질 할 수 있다는 것일까요? 이 경우, 양력 표면은 ‘침범[impingement]’에 직면하게 됩니다. 양력 표면이 고체를, 예를 들면, 모래 알갱이들을 치는 것입니다. 양력 표면상의 이 접촉은 바로 양력 표면을 닳게 만들고 이를 파들어 가는 것입니다. 따라서, 만약 우리가 세가지 단계의 물질 모두를 기존의 펌프로 펌프질하게 되면, ‘캐비테이션 작용’에 ‘침범 작용’ 두가지가 동시에 발생하는 것입니다. 물론 그러한 현상이 발생하는 한, 펌프는 이내 쓸모 없게 됩니다. 금새 파괴되어 버리고 말 것입니다. 얼마나 빨리 고장나느냐가 문제가 될 뿐일 것입니다.

만약 펌프 가동 속도를 높인다면, 이 현상은 훨씬 더 빨리 발생할 것이고, 더 신속한 방식으로 펌프는 파괴되고 말 것입니다. 만약 펌프 가동 속도를 낮춘다면, 이 현상은 긴 시간대에 걸쳐 보다 오랫동안 발생할 것입니다. 여하튼 이러한 점은 기존 펌프의 또 한가지 단점입니다. 펌프 수명을 늘리려면, 가급적 펌프 가동 속도를 낮춰줘야 합니다. 이렇게 하면, 방금 제가 이야기 한 것, 즉 펌프가 단시일 안에 신속하게 고장나는 일을 막아 줄 수 있습니다. 그런데, 현실적으로 펌프를 매일 사용하는 사람들이, 펌프를 어떻게 쓰는 지를 알면 놀랄 것입니다. 사람들을 펌프질을 할 때, 액체를 사용해야 된다는 사실을 잘 알고 있습니다. 물의 온도는 60°F 정도에, ‘뉴튼이 정의한 순수한 액체 상태[pure Newtonian fluid]’가 표준적인 상황에 가장 알맞습니다. 그렇지만, 불행히도, 제 고객들 가운데, 그 어느 누구도, 깨끗하고, 차고, 순수한 물을 사용하지 않습니다. 사람들은 유황산[sulfuric acid]과 같은 고약한 액체나, 바닥에 유리 재질이 섞여 있는 물, 혹은 모래나 다른 화학 물질이 포함된 더러운 물도 종종 펌프질하게 되는데, 이러한 것들은 금속을 상하게 만들 수 있습니다. 펌프가 사용되는 현실 세계에서의 문제점이라면, 이러한 환경에서 사용되는 기존의 펌프들은 모두 ‘양력 표면’을 갖는 장치들이라는 것입니다.

우리가 처한 유일한 곤란함이 있다면, 그건 우리 회사가 소규모 회사라는 점입니다. 우리는 문자 그대로 사탕 가게 앞에 서 있는 아이나 다름없습니다. 우리는 해보고 싶은 것도, 이뤄보고 싶은 것도 너무 많은데, 이를 다 해 볼 수는 없는 것입니다. 그래서 우리는 산업체에서 가장 유용하게 쓰일 수 있는 기술과 관련하여, 가장 중요하다고 판단되는 걸 선별해야 하는 것입니다. 어쨌든 우리는 여러가지 실험들을 해 봤고, 나는 가급적이면 간단하게 우리가 시행했던 것들 가운데 몇가지를 소개할까 합니다. [하톤 : 독자들 가운데 단 한 사람이라도, 제이크 포셀[Jake Possell], 혹은 “포셀 펌프[Possell Pump]”에 대해서 들어 본 적이 있습니까? 아마 없을 것입니다! ‘테슬라와 포셀[Tesla-Possell]’에 관련한 이야기는 어쩌면, ‘저메인과 러셀[Germain-Russell]’의 경우에 느꼈던 생소함만큼이나 낯설게 여겨지지 않습니까? “펌프나 터빈[pump-turbine]”과 같은, 이 엄청나게 중요한 대상을 어떻게 간과할 수 있는 겁니까? 그러고 싶거든, 계속 그렇게 하십시오. 도리스[Doris]와 E.J.는 모두 이미 10년 전에 포셀이 세가지 물질 상태를 모두 펌프에 이용하는 것을 직접 본 적이 있습니다. 도리스와 래리[Larry]는 ‘무진동 ‘심장’ 펌프[a pulseless heart pump]’를 일반에 공개하는 문제로 전화통화를 한 적도 있었습니다. 그렇지만, 이것은 나중에 ‘반쯤 완성될[semi-developed]’ 수 밖에 없었습니다. 사실 나는 “반쯤 망친[half-assed]”이라는 표현이 더 적절할 것으로 봅니다. 이 중요한 사안에 대해서 어떻게 “단지 일을 관둬 버리고”[“just off” the work-bench] 말 수가 있는 겁니까? 이 놀라운 기계는 감자 껍질도 펌프질 할 수 있었고(다른 어떤 펌프도 그렇게 못합니다.), 그러고도 완벽하게 세척될 수 있었습니다. 당신들은 실상 ‘문제’를 해결하는 데 필요한 여러가지 것들을 이미 가졌었던 것입니다.?그렇지만, 엘리트들이 이 귀한 선물을 어딘가에 갖다 묻어버릴 때까지, 당신들은 자고, 자고, 자고, 또 잤습니다.]

우리는 세가지 물질 상태를 펌프에 이용할 수 있습니다. 우리는 경계층 효과에 의한 장비 손상을 일으킴이 없이, 세가지 물질 상태 중 두가지를 한꺼번에 펌프질 할 수도 있습니다. 달리 말하자면, 우리는 기체와 고체를 한번에 펌프질 할 수 있는 것입니다. 이것이 바로 이 펌프의 특성이기도 합니다. 나는 우리 회사가 어쩌면 이 세상에서 유일하게, 회전자[rotor]에 손상을 입힘이 없이 고체와 기체를 함께 펌프질 할 수 있는 펌프를 만드는 회사가 아닐까 생각합니다. 사실상 경계층이 회전자와 펌프 내부를 ‘보호’해 주는 것입니다. 이 펌프를 통과해 지나가는 고체 물질들은 펌프 안 쪽의 어떠한 표면도 결코 건드리지 않습니다. 달리 말하자면, 고체 물질들은 하나의 디스크의 경계층과 인접한 다른 디스크의 경계층 사이를 통과해 지나가는 것입니다.

한 명의 엔지니어로서 나는 이 사실을 많은 사람들에게 이야기했습니다. 하지만, 항상 미심쩍어하는 답변들만 돌아 왔습니다. “당신은 그게 그렇게 될 거라고 생각하는지 모르겠지만, 실제로 그렇게 안되면 어떡할래요?” 사실 우리 스스로도 이에 대한 확신을 갖기 위해서, 여러가지 실험들을 해 봤는데, 그 가운데 한 번은, 해변에서 커다란 펌프를 가지고 바닷물을 한 번 펌프질해 보기로 했습니다. 우리는 장시간에 걸쳐 시행해 봤습니다. 이에 쓰일 펌프를 만들기 전에, 우리는 회사 시설 감독관을 시켜 그리스 펜[grease pencil]으로 펌프 회전자 바깥에 작은 표시를 하게 했고, 그런 다음에 펌프를 조립했습니다. 우리는 불순물로 가득찬 바닷물을 펌프질해 봤습니다. 우선 여기에는 아주 많은 양의 소금이 들어 있었고, 다량의 모래 알갱이들, 조개 껍질들, 해초들, 그 밖의 온갖 것들이 다 들어 있었습니다. 이 모든 것들이 다 펌프를 통과해 지나가게 되는 것이었습니다. 하루 24시간 동안 돌리기를 2주 동안 계속 한 다음, 우리는 펌프를 분해시켜 봤습니다. 유레카[Eureka]! 바로 회전자 위에 그리스 펜으로 작은 표시를 해 둔 것이 고스란히 남아 있었던 것입니다. 우리는 엄지 손가락으로 그 표시를 지워 봤는데, 금새 지워졌습니다. ‘경계층 보호 작용[the boundary layer protection]’은 실제로 작동했던 것입니다. 바로 이것이 이 펌프의 핵심 사안인 것입니다.