터빈

터빈은 유체의 흐름으로부터 에너지를 뽑아내는 회전 기관이다. 1828년 공학 경쟁 기간동안 클라우드 버딘이 소용돌이라는 뜻의 라틴어 터보(turbo)를 따서 터빈이라는 이름을 지었다. 베노이트 포네이론이 최초의 실용적인 수력 터빈을 만들었다. 가장 단순한 터빈은 날개가 부착된 움직이는 부분을 가지고 있다. 날개 위에 유체를 움직임으로써 에너지를 축차에 전가시킨다. 초기의 터빈은 풍차, 물레바퀴를 들 수 있다. 가스 터빈, 증기 터빈, 수력 터빈은 날개 주변에 덮개를 가지고 있으며, 이것이 유동체를 제어한다. 현대 증기 터빈의 발명가는 영국의 엔지니어 찰레스 엘저논 파슨스로 알려져 있다. 터빈과 비슷하지만 운영 방식이 거꾸로인 장치는 펌프와 압축기가 있다. 일반적으로 수많은 가스 터빈 엔진 속에서 축류식 압축기를 들 수 있다.

종류

증기 터빈

증기 터빈은 증기의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치이다. 터빈 단은 노즐과 회전날개로 구성된다. 공기의 팽창에 따라 정적인 압력 에너지를 고속증기의 동적인 운동에너지로 바꾸고 회전날개에 부딪히게 함으로써 충동작용, 반동작용 또는 양작용에 의해 날개에 동력을 전하고 회전날개를 회전시켜 열에너지를 밖으로 빼내고자 하는 것이다. 증기 터빈은 증기 가압로에서 열에너지를 추출하고, 회전 출력축에 기계적인 작업을 수행하는데 사용하는 장치이다.

역사

증기의 힘으로 터빈 날개를 돌리는 기본 원리상으로는 피스톤식 증기기관에 바해 매우 단순하며, 역사는 고대 그리스 시절까지 거슬러 올라간다. 다만 제대로 된 동력기관으로 제작하기 위해서는 그 터빈 날개와 거기에 딱 들어맞는 밀폐형 기관의 제작이 어려운 편이었고, 소형화도 어려웠기 때문에 그 당시 기술력으로 비교적 제작이 용이하였던 피스톤식의 증기기관이 대세였고, 원시적인 증기터빈은 상류층의 장난감 정도로 밖에 쓰이지 않았다. 이후 증기기관이 작고 가볍고 열효율이 높은 내연기관에 밀려 쇠퇴하면서 아이러니하게도 다시 대세를 차지하게 되었지만 현대식 증기터빈은 발명자인 찰스 파슨스 경이 1894년에 만든 실험선인 터비니아에 가장 먼저 적용되었다. 판슨스는 1893년에 동업자들과 함께 파슨스 해운증기터빈회사라는 기업을 설립하고, 길이 32m, 배수량 44.5t의 작은 실험선박인 터비니아를 만들었다. 그는 공동현상을 발견하고 대처방법을 마련하는 등 개발과정에서 많은 시행착오를 극복하였고, 최고속도 34.5노트를 기록하였다. 이 선박의 정체는 1897년까지 비공개 상태였다. 1899년에는 영국 해군으로부터 신형 구축함 바이퍼 호와 코브라 호의 수주를 따내게 되었고, 1905년에는 영국 해군이 앞으로 도입할 군함은 터빈 추진식이 될 것임을 천명하기에 이르렀다. 1906년, 최초의 증기터빈 추진방식을 채택한 전함인 드레드노트호의 탄생으로 이어졌다. 파슨스의 회사는 이후 수차례 인수합병을 거쳐 롤스로이스로 흡수되었다가, 1997년 롤스로이스가 증기 터빈 사업부를 독일의 중공업 회사인 지멘스에 매각한 이후, 지멘스의 사업부로서 존속해 있다.

구조 및 작동원리

기본적인 원리는 가스 터빈과 같은데, 고온 고압의 기체를 축에 연결된 수많은 회전날개에 부딪쳐서 축을 돌리게 하여 그 기체의 열에너지를 운동에너지로 전환하는 것이다. 운동 자체가 단순하여, 왕복엔진에서 왕복운동을 회전운동으로 전환하기 위한 장치, 밸브 개폐기구 등이 필요하지 않아 구조 또한 간단하다. 내연기관인 가스 터빈의 흡기, 배기를 위해 바깥 공기와 접촉하고 있는 것과는 달리 밀폐되어 있으며, 구동에 쓰고 남아 식은 증기를 다시 보일러로 보내서 재가열하여 사용하는 식으로 효울을 높일 수 있다. 증기 터빈에는 스웨덴의 구스파트 드 라발이 발명한 충동식터빈과 찰스 파슨스 경이 발명한 반동식터빈이 있으며, 용도에 맞게 이 두 가지의 다른 터빈이 조합되어 효율을 높인다.

적용 분야

• 발전: 화력발전소나 원자력 발전소, 일부 태양력 발전 등에 이용된다. 대체로 50 Hz 교류발전에는 3000 rpm, 60 Hz 교류발전에는 3600 rpm의 회전속도를 낸다. 발전용 증기터빈의 경우는 고속회전이 중요하기 때문에 많은 경우 감속기어를 탑재하지 않고 발전기와 직결된 경우가 많다.
• 선박: 강한 힘을 낼 수 있어 선박 추진기에 사용되는 경우가 많았으나, 현재는 디젤엔진과 가스 터빈에 시장을 많이 잠식 당한 상태이다. 특히 과거의 전함이나 순양함처럼 몇 만 톤 단위의 거대 함선들이 구식화되면서, 만 톤 이하의 비교적 경량 함선들이 주류를 이루는 현대 군함들은 기동성을 위해 가스 터빈을 사용하는 경우가 많다. 하지만 항공모함은 여전히 크고, 기동성보다는 출력, 작전기간, 항속거리가 중요하기 때문에 증기 터빈을 사용한다.