공기가 일상에 미치는 영향 (3) "비행기, 범선 그리고 풍력 발전기의 날개"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-26 12:16:08
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- 비행기 날개의 단면은 아래쪽 평평하고 위쪽 아치형, 상부 공기층이 더 빠른 속도
- 기울어진 날개는 들어오는 공기를 아래쪽으로 밀어 항공기를 더 들어 올리는 반력을 만든다
- 방향타의 모양으로 측면 부분이 제거돼 궁극적으로 선박이 바람에 대해 대각선으로 움직여
- 풍력 터빈의 효율에는 물리적인 상한이 있다. 59% 이상은 불가능

1. 비행기의 매력 "올바른 모양이 중요"

무게가 수백 톤에 달하는 거대한 기계는 무중력 상태로 공중을 활공하는 것처럼 보이며 민첩한 제트기는 대기를 시속 수천 킬로미터의 속도로 추적한다. 비행기는 다른 많은 기계와 마찬가지로 최근 역사의 매혹적인 발명품이며 자연에서 영감을 얻은 것이다. 

▲ 에어버스 A380은 세계에서 가장 큰 여객기다. 발사 시 무게는 500톤이 넘는다.

© Maurian Soares Salvador / 게티 이미지


위에서는 빠르게, 아래에서는 느리게

아이디어를 주는 새와 마찬가지로 중력을 극복하는 데 있어 결정적인 요소는 날개 모양에 있으며 즉 공기역학에 있다. 비행기 날개의 단면은 중요한 것을 보여준다. 아래쪽은 평평하고 위쪽은 아치형이다. 이 모양 때문에 날개 위로 흐르는 공기는 날개 아래로 흐르는 공기보다 더 먼 거리를 이동해야 한다. 이것은 상부 공기층이 더 빠른 속도를 갖는다는 것을 의미한다.

물리학자 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)의 고려에 따르면 유체, 즉 액체 또는 기체의 압력은 속도에 따라 달라진다. 따라서 빠른 유체는 느린 유체보다 압력이 낮다. 이 법칙으로 인해 항공기 날개에 압력차가 발생한다. 위쪽 공기층은 날개에 가해지는 압력 때문에 더 빨리 당기고 아래쪽 공기는 위쪽으로 밀어낸다.
▲ 날개 위의 공기는 더 빨리 움직여서 기체를 위로 당기는 진공을 만든다. © Lukaves / 게티 이미지

날개 각도에 대한 질문


날개 모양으로 인한 압력 차이는 기계가 비행하는 데 도움이 되는 유일한 요인이 아니다.
비행 방향에 대한 날개의 각도도 중요하다. 기울어진 날개는 들어오는 공기를 아래쪽으로 밀어 항공기를 더 들어 올리는 반력을 만든다. 이것은 예를 들어 곡예비행을 하는 비행기도 거꾸로 날 수 있음을 의미한다.

더 높은 받음각은 처음에는 더 많은 상향 추력을 제공하지만 일단 특정 값에 도달하면 기류가 바뀐다. 항공기가 너무 가파르게 가려고 하면 실제 속도를 잃을 수 있다. 그러면 공기가 곡률을 따르는 대신 곡률을 지나 흐르기 때문에 양력이 더 날개를 당기지 않는다.

현대 항공기는 앞으로 몸을 기울이고 가속하여 상대적으로 쉽게 실제 속도를 제어할 수 있다. 헬리콥터는 조금 더 복잡합니다. 빠른 회전으로 인해 로터 블레이드는 작은 흐름 중단을 반복적으로 겪게 됩니다. 이것들은 항공기만큼 치명적이지는 않지만 헬리콥터의 성능을 저하시킨다. 이를 통제하기 위해 엔지니어들은 혹등고래로부터 무언가를 배웠다.

2. 범선을 타고

베르누이 효과는 또한 선원들이 바람을 거스르는 목표를 달성하는 데 도움이 된다.
범선은 바람을 직접 거슬러 갈 수는 없지만 바람을 이용할 수는 있다. 이 기술을 사용하면 항로가 항상 오른쪽으로 대각선으로, 왼쪽으로 대각선으로 교대로 설정되므로 배에서 약간 옆으로 누르게 된다.

그런 다음 부력이 압력에 추가된다. 비행기 날개처럼 돛의 곡률에 의해 만들어진다.
세일 마스트의 올바른 각도로 인해 전체 힘은 선박에 측면으로 작용할 뿐만 아니라 선박을 앞으로 밀어낸다. 선체와 방향타의 모양으로 인해 측면 부분이 제거되어 궁극적으로 선박이 바람에 대해 대각선으로 움직이게 된다. 

▲ 범선은 또한 양력을 사용하여 전진한다. © Nordevent GmbH / CC-by-sa 2.0

3. 풍력 발전용 터빈 “양력을 통한 청정 에너지”

바람은 오랫동안 인류의 에너지 생산에 중요한 역할을 해왔다.
예를 들어 곡물을 갈기 위해 일찍부터 풍차를 사용했다. 19세기 말에 바람을 전기로 변환하는 최초의 발전소가 건설되었다. 지속 가능한 미래와 관련하여 풍력 터빈도 필수 불가결한 요소다.

▲ 현대식 풍력 터빈의 로터 블레이드는 비행기 날개 모양을 하고 있으며 양력을 사용한다.

© inakiantonana / 게티 이미지


오래된 풍차와 달리 현대의 풍력 터빈은 더 직접적인 풍압을 통해 회전하지 않고 비행기 날개와 유사하다. 즉, 양력을 생성하는 영리하게 구부러진 로터 블레이드가 있다. 그러나 이것은 항공기 날개의 경우처럼 상향 효과를 가져서는 안 되며 오히려 회전을 유발해야 한다. 이것이 로터가 양력에 의해 옆으로 당겨져 회전하도록 정렬된 이유다.

블레이드 모양 및 받음각*
받음각Angle of Attack [항공] 받음각이란 공기가 흐름의 방향과 날개의 경사각이 이루는 각도. 일반적으로 받음각이 커질수록 양력(lift)도 증가한다다. 양력이란 항공기를 뜨게 하는 힘, 즉 항공기가 수평 비행할 때 항공기를 뜨게 하는 힘이다.


풍력 터빈의 날개는 중앙이 외부보다 두껍다.
그 간단한 이유는 길이가 100m 이상인 로터 블레이드가 지렛대 효과로 인해 내부보다 외부에 훨씬 더 많은 힘이 발생하기 때문이다. 재료에 너무 많은 하중이 가해지지 않고 균일한 회전이 일어나기 위해서는 내부와 같이 외부에 부력이 너무 많이 발생하지 않아야 한다.

현대식 풍력 터빈에는 다른 엔지니어링 트릭도 있다.
예를 들어, 로터 블레이드를 직접 돌려 받음각을 변경하여 더 많거나 더 적은 양력을 생성할 수 있다. 이를 통해 현재의 바람 조건에 적응할 수 있다. 바람이 일반적으로 위치에서 최적이 아닌 경우 다른 보조 장치를 사용할 수 있다.

스톨 스트립 및 와류 발생기

한 곳에서 바람이 너무 강하면 로터 블레이드에 소위 "스톨 스트립(Stall Strips)"을 사용할 수 있다.
이들은 로터의 전면 가장자리를 따라 위치하고 회전 성능을 제어하는 ​​얇은 금속 스트립이다. 풍력 터빈은 특정 회전 속도에 대해서만 설계되었다. 한계 속도에 도달하면 시스템이 고장나지 않도록 양력을 줄여야 한다. 이러한 경우 실속 스트립은 제어된 조기 실속을 보장하여 회전 속도를 다시 감소시킨다.

"와류 발생기"는 열악한 바람 조건에서 사용된다.
이들은 로터 블레이드의 바람 방향에 수직인 작은 판이다. 그들은 부력을 증가시키는 작은 소용돌이를 만든다. 그러나 이러한 조정은 재조정의 역할을 하며 표준으로 사용되지 않는다.
▲ 와류 발생기는 풍력 터빈의 성능을 증가시킨다. © Verne2017 / CC-by-sa 4.0

59%의 성능, 그 이상은 불가능

덧붙여서, 풍력 터빈의 효율에는 물리적인 상한이 있다. 바람의 전체 운동 에너지를 로터로 전달할 수 있다면 공기는 풍력 터빈 바로 뒤에 정지하게 된다. 결과적으로 더 움직임을 추진하기 위해 더 이상 흐를 수 없다.

20세기 초 독일의 물리학자 알버트 베츠(Albert Betz)는 로터 뒤의 풍속이 여전히 초기 속도의 1/3일 때 풍력 터빈이 최대 출력을 생성한다고 계산했다. 이상적인 전력 소비에서 로터는 약 0.59의 전력 계수를 갖는다. 따라서 완벽한 풍력 터빈은 풍력 에너지의 최대 59%를 흡수할 수 있다.

실제 계수는 무엇보다도 로터 블레이드의 수와 회전 속도에 따라 달라진다.
오늘날 일반적으로 사용되는 3날 로터의 효율은 약 50%이다. 회전 속도가 풍속의 6~7배일 때 이를 달성된다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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