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자승차 복원과 우수성
윤용현(국립중앙과학관)·정동찬(국립중앙과학관) 박호석(농촌문화연구소)·윤광주(복원전문가)·윤명균(복원전문가) |
자승차 부속기구 , 방동 , 수륜 , 가 , 자승차의 구조 , 작동원리
자승차의 구조는 양수장치를 작동하는데 필요한 동력을 생산하는 수차(터빈으로 수륜과 언조로 구성), 물을 뿜어내는 펌프, 그리고 기구 간에 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성된다.

1. 자승차 부속기구 구조

 

1) 방통(方筒)

 

                                                               

 

그림 1. 저(底:밑면) 1도(圖)                                                     그림 4. 격판(隔板) 4도(圖)

 

                                                

                      그림 2. 전(前:앞면) 2도(圖)             그림 3. 측(側:옆면) 3도(圖)            그림 5. 설(舌) 5도(圖)         그림 6. 수저(水杵) 6도(圖)    

 

 

 

2) 수륜(水輪)

 

                    

그림 7. 수삽(水箑) 4도(圖)          그림 8. 삽장(箑章) 5도(圖)              그림 13. 축지(軸枝)

 

 

                                                

      그림 9. 쌍륜(雙輪) 6도(圖)         그림 10. 접목(接木) 3도     그림 11. 축지장삽단(軸枝章箑端) 7도(圖)      그림 12. 축(軸)       

 

   

 

 

 

3) 가(架)

 

  그림 16. 언조 계측치                                                         그림 17. 수륜 계측치

                         

     그림 18. 방통 계측지                                                     그림 19. 수저 계측지

그림입니다.                            

     그림 20. 자승차 완성도                                             그림 21. 자승차 설치도                    

 

 

 

 

        

사진 1. 자승차 복원 모습                                     사진 2. 자승차 복원 모습

 

          

사진 3. 자승차 복원 모습                               사진 4. 자승차 복원 모습

 

 

2. 자승차의 구조와 작동원리[1]

 

 

그림 22. 자승차 구조와 명칭도

 

 

자승차의 구조는 양수장치를 작동하는데 필요한 동력을 생산하는 수차(터빈으로 수륜과 언조로 구성), 물을 뿜어내는 펌프, 그리고 기구 간에 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성된다.

 

자승차는 흐르는 물의 에너지를 이용하여 수차(터빈)를 회전시키면 수차가 피스톤 펌프를 구동하여 낮은 곳의 물을  뿜어 올리는 원리로 오늘날의 터빈수차와 왕복식피스톤 펌프가 하나로 조합된  기계장치와 같은 원리를 가진다.

 

 

■ 터빈수차인 수륜과 언조

 

수륜과 언조로 구성되며, 흐르는 물의 위치에너지와 운동에너지를 이용하여 수차(수륜)을 회전시켜 회전동력을 생성하는 역할을 한다.

수륜에 너비 43.758cm, 길이 61.2cm의 널빤지를 수차날개(삽장)로하고 모두 8장을 45도 간격으로 배치하였다(그림11, 17 참조). 그리고 터빈 케이싱인 언조는 수차의 바깥둘레에 접하는 크기의 반원 통으로 되어있어(그림 15, 16참조) 유입되는 물이 흩어지지 않고 수차의 날개로 유도되도록 하였다. 물의 낙차나 유속을 이용하여 물레를 회전시키는 재래수차는 회전 날개가 외부로 노출된 상태로 회전하는 개방형 날개를 가지기 때문에 에너지 전달이 비효율적인 반면, 자승차의 경우는 언조라고 하는 케이싱이 있어 유입되는 물을 그대로 회전날개로 받게 하여 물이가진 에너지를 효율적으로 전달토록 하는 기능을 가졌다.

이는 오늘날의 터빈수차와  같은 원리로서 물의 위치에너지와 운동에너지의 이용을 극대화하려한 매우 획기적인기술로 평가할 수 있다.

 

■ 펌프인 수저와 전통

 

물을 뿜어 올리는 펌프는 병렬로 연결된 두 개의 전통(그림1 ~ 3, 18 참조)과 수차 축의 부속구로 회전하는 쌍륜과 연결되는 수저(그림 6, 19)로 구성되는데, 전통은 실린더, 그리

고 수저는 피스톤의 기능으로 오늘날의 왕복식 펌프와 동일한 형식이다.

수륜에서 발행된 동력은 쌍륜(그림 13, 17 참조)을 통해 회전운동이 직선운동을 바뀌어 수저로 전달되어 펌프가 작동된다. 쌍륜에 의해 수저가 위로 올려지면 전통의 바닥에

뚫린 구멍(흡입공, 그림 1 참조)을 막고 있는 설(흡입밸브, 그림 5 위)이 열리면서 물이 전통으로 빨려 들어가고 이때 물을 밖으로 내보내는 격판의 구멍(송출공, 그림 4)을 설(송출

밸브, 그림 5 아래)이 막아 들어온 물이 전통에 담기게 된다. 이 과정을 흡입행정(suction stroke)라고 한다.

수저가 최고의 위치(5단으로 구성)까지 올라가면 쌍륜과 수저의 목치(기어)가 서로 결합이 풀리게 되면 수저는 자신의 무게만으로 아래로 내려오게 되고, 이때 전통의 설은 닫히고 격판의 설이 열리면서 전통의 물이 후통으로 들어가는데, 이 과정을 송출행정(deliverly stroke)라고 한다.

후통의 물은 다음 행정으로 송출되는 물에 의해 승통을 통해 밖으로 밀려 나오면서 양수가 되는 것이다.

 

 

 

 

그림 22. 랙과 피니언 기어 (출처-브리테니커 비쥬얼 사전)

 

 

■ 동력전달장치인 쌍륜과 접륜

 

자승차에는 수륜의 회전운동을 수저에 직선운동으로 전환하는 쌍륜이란 장치와 수륜의 회전속도를 조절하는 접륜이란 동력전달기구가 사용되었다. 쌍륜은 반원모양의 원호 측면에 모두 5개의 목치(그림 13, 17)를 배열하고 수저의 목치(그림 6, 19)가 여기에 맞물리도록 하여(그림 20) 회전운동을 직선(수평, 상하)운동으로 전환한다. 이는 오늘날의 치차전동장치의 일종인 랙(rack)과 피니언(pinion)과 같은 원리로(그림 22), 쌍륜의 목치는 피니언 기어에, 수저의 목치는 랙에 해당된다. 이 장치는 회전운동을 직선운동으로 바꾸거나 직선운동을 회전운동으로 전환하는데 사용된다.

수륜의 축에 고정된 쌍륜의 목치가 수저의 목치에 맞물리면 수저가 올라가 흡입행정이 시작되고 기어의 결합이 풀리면 수저가 내려가면서 송출행정이 시작된다.

놀라운 것은 자승차에는 ‘접륜’이라고 하는 일종의 감속장치가 설계된 점이다. 터빈인 언조로 들어오는 물이 너무 많거나 물살이 세면 수륜의 회전이 너무 빨라 수저가 이를 감당하지 못해 파손 될 위험이 있는데, 이를 방지하기 위해 수륜의 축과 쌍륜사이에 별도의 접륜을 설치하여 쌍륜의 회전속도를 줄이도록 하였는데, 수륜의 축에는 목치가 9개인 소접륜을 달고, 쌍륜의 축에는 목치 18개의 대접륜을 장치하여 회전속도를 절반으로 줄게 설계하였다. 아쉬운 점은 「자승도해」에는 접륜에 대한 내용만 서술되어 있고, 도면이 없어 그 형태를 파악할 수 없으나 이빨의 개수 등으로 보아 오늘날의 평치차(기어)와 유사했을 것으로 추정된다.

 

 

3. 자승차의 과학원리와 우수성

 

자승자는 동시대의 중국이나 일본에서 사용되던 양수기구와는 비교 할 수 없을 정도로 높은 과학기술 수준을 보이고있다. 당시 중국에도 사람의 힘을 빌지 않고 수력을 이용하여 물을 퍼 올리는 일종의 자동 양수기인 ‘수전번차(水轉翻車)’와 ‘고전통차(高轉筒車)’ 등이 있었으나 수력으로 물레를돌려 낮은 곳의 물을 통이나 판에 담아 위로 끌어 올리는 정도의 낮은 기술수준이 응용되었다.

또한 당시의 일반적인 수차는 흐르는 물에 바퀴를 담그거나 위에서 떨어트려 수차를 돌리는 구조이나, 이에 반해 자승차는 흐르는 물의 에너지 회수를 극대화하기 위해 안내 케이싱인 언조를 두어 물의 위치에너지와 운동에너지의 이용을 효율적으로 할 수 있는 터빈수차의 원리를 적용한 점, 동력의 생산과 공급 그리고 펌프의 가동과정에서 사람의 힘이 필요 없는 구조인 무인자동화한 점은 당시의 기술 수준으로 미루어 매우 창의적이고 획기적인 발명으로 판단된다.

나아가 실린더를 서로 반대의 행정을 가지는 복통식으로 배치하여 펌프의 작동을 원활하게 한 점, 수차의 회전력을 펌프에 전달하여 수차의 회전운동을 직선운동으로 바꾸기 위해 ‘랙과 피니언’이란 근대적인 동력전달장치의 과학원리를 적용한 점, 펌프와 밸브의 기밀성을 향상시키기 위해 방수도장을 한 점, 수차의 회전속도 조절을 위해 치차전동방식의 감속장치를 사용한 점 등도 매우 특기할만한 기술로 평가되고 있다.

그러나 이러한 획기적인 구조에도 불구하고 자승차의 실용화 여부에 대해서는 실험단계 이거나 실제 적용 등 여러 의견이 논의 되고 있다. 만약 자승차가 실용화 되었을 경우, 자승차의 송출행정이 1m라면 시간당 약 13~19톤의 물을 양수할 수 있었을 것으로 추정되고 있다.[2]

 

 

 

[1] 국립중앙과학관 자승차 연구팀(정동찬, 윤용현)이 자승차도해 번역서와 자승차 복원도를 제공한 것을 바탕으로 저술한, 박호석, 2007. 「자승차의 기구학적 구조와 성능에 대한 고찰」 「규남 하백원의 실학사상연구」를 중심으로 발췌하여 다루었다.

[2] _ 박호석, 2007. 「자승차의 기구학적 구조와 성능에 대한 고찰」 「규남 하백원의 실학사상연구」

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