터빈

터빈(turbine)은 유체의 흐름으로부터 에너지를 뽑아내는 회전 기관이다. 1828년 공학 경쟁 기간 동안 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.

증기 터빈

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 충동 작용, 반동 작용 또는 양작용에 의해 날개에 동력을 전하고 회전날개를 회전 시켜 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 증기기관보다 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 정도로밖에 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 실험 선박인 터비니아를 만들었다. 그는 공동현상을 발견하고 대처 방법을 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 것을 천명하기에 이르렀다. 1906년, 최초의 증기터빈 추진방식을 채택한 전함인 드레드노트호의 탄생으로 이어졌다. 파슨스의 회사는 이후 여러 차례 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 부딪혀서 축을 돌리게 하여 그 기체의 열에너지를 운동에너지로 전환하는 것이다. 운동 자체가 단순하여, 왕복 엔진에서 왕복운동을 회전운동으로 전환하기 위한 장치, 밸브 개폐 기구 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 효율을 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.

• 충동터빈: 노즐에 가속된 증기가 버켓을 때려 운동 경로가 바뀌게 되는데 이때 운동 경로를 바꾸며 손실되는 에너지를 버켓이 받아 돌아간다. 충동터빈은 고압으로 증기를 때려내게 하지만 노즐에서만 압력이 떨어지므로 복수기의 압력인 음압까지 떨어뜨리기 어렵다. 고압 터빈에서 사용된다.
• 반동터빈: 노즐과 버켓이 비슷하며 버켓 통로를 통해 가속되는 증기의 제트 유동에 의한 반동으로 회전한다. 반동터빈 노즐에서 빠져나가는 충동터빈에 비해 절대속도가 느려 속도가 습분과 불순물에 의한 날개 손상 측면에서 강한 특성이 있다. 저압 터빈에서 사용된다.

적용 분야

• 발전: 화력발전소나 원자력발전소, 일부 태양력 발전 등에 이용된다. 대체로 50Hz 교류 발전에는 3000rpm, 60Hz 교류 발전에는 3600rpm의 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 잠식당한 상태이다. 특히 과거의 전함이나 순양함처럼 몇만 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, 작전 기간, 항속거리가 중요하기 때문에 증기 터빈을 사용한다.

가스 터빈

가스 터빈

가스 터빈은 연소 가스의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 회전동력 기관이다. 가스 터빈은 압축기와 터빈 그리고 연소실로 구성되어 있고 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소함으로써 고온 고압의 기체가 팽창하고 이 힘을 이용하여 터빈을 구동한다. 에너지는 샤프트를 통해 토크로 전달되거나 추력이나 압축 공기 형태로 얻는다. 이렇게 얻은 에너지로 항공기, 기차, 선박, 발전기, 전차 등을 구동할 때 쓰인다.

구조 및 작동원리

가스 터빈의 압축기에서 외부로부터 들어오는 공기를 압축하여 연소실을 보내면, 연소실에서는 압축된 공기에 계속해서 연료를 분사하여 고온, 고압의 연소 가스를 발생시킨다. 이때 발생한 연소 가스를 터빈 날개에 직접 분사하여 동력을 얻는다. 가스 터빈은 흔히 제트 타입 회전 엔진으로, 연료와 공기의 혼합기 흐름을 꾸준히 지속해서 연소 시켜 줌으로써 연료를 얻음과 동시에 터빈을 돌린다.

종류

외연기관 가스 터빈

외연기관 가스 터빈은 연료의 연소열로 가스를 가열하여 얻은 고온 고압의 가스를 터빈 블레이드로 분사하여 동력을 얻는 방식이다. 원리는 증기 터빈과 같으나, 열 전달 매체가 물이 아닌 가스라는 점과 압축 단계에 펌프를 통한 액체 압축이 아닌 압축기를 통한 기체 압축이란 점이 다르다. 외연기관 가스 터빈은 분탄이나 바이오매스같이 내연기관에서 연소할 수 없는 연료인 경우, 또는 원자력 등 연소생성물이 터빈에 닿아서 곤란할 경우 사용된다. 설비가 크고 복잡하므로 차량용으로는 적합하지 않으며, 주로 발전용으로 쓴다. 외연기관 가스 터빈은 다시 폐회로 가스 터빈과 개회로 가스터빈으로 나눈다.

• 폐회로 가스터빈: 터빈을 구동한 가스가 열교환기를 거쳐 열을 배출한 뒤, 저온 상태에서 다시 압축기로 공급된다.
• 개회로 가스터빈: 외부에서 흡입한 공기를 열에너지의 매체로 사용하며, 가열되어 터빈을 구동한 공기는 대기 중의 저열부로 배출된다.

내연기관 가스 터빈

내연기관 가스 터빈은 축류 또는 원심식 압축기를 통해 들어온 압축 공기를 연소실에서 연료와 연소시킨 후, 분사되는 고온 고압의 연소 가스가 터빈을 통과하며 압축기를 구동함과 동시에 실 동력을 얻는 기관이다. 이는 일반적인 왕복엔진의 흡입-압축-폭발-배기 사이클을 선형으로 배열한 것과 같다. 왕복엔진이 4개의 사이클을 반복하기 위해 왕복운동을 하며, 각 사이클의 상사점과 하사점에서 피스톤이 반드시 정지해야 하는 것과는 달리, 가스 터빈은 오직 가스의 선형적인 운동과 터빈 및 압축기의 회전 운동만으로 이루어져 있으므로 진동이 적음과 동시에 높은 RPM을 얻는 데 매우 유리하다.

• 터보제트: 압축기-연소실-배기터빈의 구조로 이루어진 가장 단순한 가스 터빈이다. 구조가 간단하고 제작효율 및 신뢰성이 높으나, 연비가 나쁘다. 제작 단가가 싸기 때문에 일회용품인 순항 미사일 등에 주로 쓰고 있다. 터보 제트엔진에서 터빈은 그저 압축기를 돌릴 뿐이며, 터보 제트엔진의 실제 동력은 분사 가스의 반동력뿐이다. 따라서 엄밀한 의미로는 가스 터빈이 아니지만, 구조 및 작동원리가 가스 터빈과 유사하므로 가스 터빈에 포함한다.
• 터보팬: 터보 제트엔진 코어에 추가로 터빈을 장착하여 여기에서 나온 동력으로 팬을 구동하는 엔진이다. 팬을 통과한 공기는 압축기와 연소실을 거치지 않고 터보제트 코어 주변을 그대로 우회 통과하여 후방으로 분사되어 추력을 낸다. 따라서 바이패스 제트라고도 하며, 최고 속도는 터보제트보다 불리하나 큰 추력을 얻을 수 있고 경제성이 뛰어나서 현대의 제트기용 엔진으로 가장 널리 쓰이고 있다.
• 터보프롭: 가스 터빈의 동력을 내부 축을 통해 전방으로 전달하여 프로펠러를 구동한다. 시속 400km~600km대의 중고속에서 효율이 뛰어난 엔진이다.
• 터보 샤프트: 원리상 터보프롭과 비슷하나, 배기 터빈이 엔진 코어를 통과하지 않고 후방의 감속기어로 연결되어 동력을 끌어낸다. 고속이 필요하지 않은 헬리콥터, 선박 등의 추진기관 및 화력 발전용으로 널리 쓰인다.

참고자료

• 〈증기 터빈〉, 《나무위키》
• 〈가스 터빈〉, 《위키백과》
• chosungyun, 〈(원자력이야기) 증기터빈〉, 《steemit》, 2017
• 오동균, 〈가스 터빈 제트엔진 기관의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-27
• 창조리, 〈증기터빈(Steam Turbine)의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2020-06-09

같이 보기

• 운동에너지
• 기계에너지
• 전기에너지
• 회전자
• 발전기
• 전기

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