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증기터빈
증기터빈(steam turbine)은 증기가 가진 열에너지를 기계적 일로 변환시키는 원동기이다.
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목차
개요
증기터빈은 보일러에서 발생시킨 고온·고압의 증기를 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출 및 팽창시켜 나온 고속의 증기류를 회전하는 터빈 날개에 부딪쳐서 그 충동 작용 또는 반동 작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다.[1] 따라서 증기터빈은 증기가 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸기 위한 노즐과 속도 에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 날개로 하여 구성되어 있다. 노즐과 터빈 날개의 한 조를 터빈의 단이라고 한다. 증기터빈은 이러한 단을 여러 개 나란히 배열하여 구성되어 있다. 보일러로부터 보내 오는 고압 증기는 조절 밸브를 지나 증기실로 들어가고 여기서부터 팽창하면서 각 단을 통과하여 배기실로 나간다. 회전부는 터빈축·임펠러 및 터빈 날개로 되어 있다. 임펠러는 터빈 축에 장치되어 차실에 수용되고 축은 차실 밖의 베어링에 지지된다.[1] 터빈 축이 차실을 관통하는 곳에는 증기의 누설을 방지하기 위하여 래버린스 패킹과 같은 밀봉 패킹이 있다. 차실을 나온 증기는 복수기로 들어가 여기서 냉각되어 물이 된다. 이 물은 다시 급수 펌프로 보일러에 되돌려진다. 노즐은 각 단마다 설치되는 칸막이판 속에 고정되어 있다. 터빈의 단에는 터빈 날개를 충동력만으로 구동하는 것과 충동력과 반동력의 양쪽에 의하여 구동하는 것이 있다.[1] 전자를 충동단, 후자를 반동단이라고 한다. 그리고 충동단만으로 이루어진 터빈을 충동터빈, 반동단만으로 이루어진 터빈을 반동터빈이라고 한다.[2] 증기터빈은 회전운동만으로 회전속도를 빠르게 하여 출력당 중량을 작게 할 수 있고 장시간의 연속운전이 가능하다. 따라서 왕복형의 증기기관 또는 내연기관 등에 대신하여 화력발전소, 선박, 공장 등의 대출력 원동기로 널리 사용되고 있다.[3]
역사
증기를 노즐로부터 분출시켜서 회전운동을 얻으려는 시도는 기원전 55년 그리스의 헤론(Ήρων)에 의하여 최초로 행해졌다. 보일러의 증기를 구 속으로 이끌고 이 구에 장치된 두 개의 노즐로부터 증기를 분출시켜 구를 회전시키는 구조로 되어 있다. 즉, 반동형이다. 그 후 오랫동안 증기터빈의 고안은 없었다. 그러다가 17세기에 이탈리아의 G.브랑카가 증기를 임펠러에 내뿜어서 회전시켜 이것을 약제를 분쇄하는 데 사용하였다.[4] 이것이 증기기관의 시작이다. 증기기관은 17세기 중반부터 존재했다. 굉음을 내는 증기기관은 증기 압력을 사용하여 피스톤을 누르고 엔진을 회전시켰지만, 가동시키는 데 엄청나게 비효율적이고 많은 비용이 소모되었다. 공학자와 발명가들은 자신들이 만들어낸 기계가 증기를 비효율적으로 사용한다는 사실을 알고 있었기 때문에 더 나은 시스템을 찾으려고 노력하였다. 1884년 선박 제조사의 전기 관련 부서 책임자였던 영국인 엔지니어 찰스 파슨스(Charles Parsons)는 자신이 제조한 전기 발전기의 동력원으로 증기터빈을 최초로 사용하여 특허를 취득하였다. 빠르게 분출되는 증기를 사용하는 것은 발명가들에게 항상 어려운 문제였다. 낮은 압력의 증기 분출은 시간당 약 1,610 킬로미터 이상의 속도를 내었으며 높은 압력에서는 이 속도의 두 배에 이르렀다. 이러한 속도로 터빈 날을 회전시키면 산산이 부서질 수 있었지만 파슨스는 높은 압력에서 낮은 압력으로의 증기 이동 속도를 조금씩 감소시켜 이 문제를 해결하였다. 터빈의 속도를 너무 빠르지 않게 단계별로 설정하여 경미한 압력의 차이를 만들어냈으며 이러한 압력의 차이는 증기가 빠르게 이동할 수 있도록 했었다. 이로 인해 이전 설계의 최고 속도보다 다섯 배 빠른 속도로 엔진의 시동을 걸 수 있었다. 1891년 파슨스의 증기터빈은 전기 발전소에서 사용할 목적으로 개조되었다. 해상 추진수단으로 증기터빈을 사용하여 증기선과 군함은 이전보다 빠른 속도로 운항할 수 있었다. 또한 1893년 스웨덴의 드 라발(De Labal)은 원심 크림 분리기를 고속 회전시키기 위하여 노즐로부터 증기를 분출시켜 임펠러를 회전시키는 충동 터빈을 만듦으로써 터빈은 실용화 시대로 접어들었다. 다음해에는 영국의 파슨스가 반동형 터빈을 만들면서 실용화가 본격적으로 이루어지게 되었다. 1897년 선박 터비니아는 34.5노트의 속도를 낼 수 있었으며 그 당시 세계에서 가장 빠른 선박이었다.[5]
종류
구동방식 분류
충동 중기터빈
충동터빈은 충동단만으로 구성되어 있는 터빈으로 노즐 내에서 증기를 팽창시켜 운동량의 변화에 의해서 생기는 충동작용을 이용한 것인데 임펠러 내에서는 증기의 압력이 일정하다. 단단식은 드 라발터빈이다. 증기는 노즐을 통과하는 사이에 팽창하고 압력이 강하하여 속도가 커진다. 증기가 노즐을 나와서 날개 사이를 지나는 동안에 속도에너지를 잃고 속도는 감소된다.[6] 그러나 이 사이의 압력은 일정하다. 드 라발터빈은 회전속도가 1만∼3만 알피엠(rpm)이고 효율은 그다지 좋지 않다. 이 결점을 제거한 것이 1895년 커티스(Curtis)가 개량한 커티스터빈과 1903년 Y.H.쵤리가 개량한 쵤리터빈이다. 커티스터빈은 증기의 팽창에 의해 얻은 속도에너지를 충분히 유효하게 사용하기 위하여 가동 날개를 많게 만든 것이다.[6] 1개의 임펠러에 2열 이상의 가동날개를 심고 그 사이에 고정된 안날개를 둔 구조이다. 쵤리터빈은 1단 충동터빈의 임펠러를 직렬로 배열하고 그 각 열에 차례로 증기를 통과시켜 증기의 전압력을 차례로 조금씩 단계적으로 떨어뜨려 임펠러를 회전시키게 되어 있다. 증기를 아주 저압까지 사용할 수 있는 효율이 좋은 터빈이다.[7]
반동 중기터빈
충동터빈에서는 증기의 압력 강하는 노즐 속에서만이고 회전 날개 안에서는 변하지 않으나, 반동 터빈에서는 회전 날개 속에서도 압력이 내려간다.[8] 증기가 날개를 나올 때의 반동을 이용한 터빈이다. 증기가 축 방향으로 흐르는 것이 많아 이것을 축류 터빈이라고 한다. 이 형식의 대표적인 것이 파슨스터빈이다. 많은 고정 날개와 회전 날개를 축 방향으로 번갈아 배치한 구조를 하고 있으며 고정 노즐은 없다. 증기는 고정 날개와 회전 날개 사이를 흐르고 있는 동안에 압력이 차례로 강하함과 동시에 온도도 강하하여 열에너지를 운동 에너지로 바꾼다. 충동터빈보다 날개 속의 속도가 작고 회전수를 저하시킬 수 있으며 대용량이고 효율이 좋다.[6] 증기가 반지름 방향으로 흐르는 것도 있는데 이것을 반경류 터빈이라고 한다. 융스트룀 터빈(Ljungström turbine)이라고 불리는 북류반동터빈이 그 예이다.[6] 이것은 2개의 임펠러에 날개를 고리 모양으로 달고 임펠러를 마주 서게 하였을 때 이들의 날개가 번갈아 위치하게 되어 있다. 증기는 중심부에 도입되어 거기서 임펠러의 날개를 지나 바깥쪽 반지름 방향으로 흐른다. 따라서 좌우 축의 회전 방향이 서로 반대가 된다. 이 때문에 날개의 상대 속도는 2배가 되고 단수가 적어도 효율이 좋다. 그러나 구조가 다소 복잡해진다.[9]
에너지 발생 방식 분류
증기터빈은 공정에 필요한 증기를 얻는 방식에 따라 복수식, 배압식, 추기식 등으로 구분한다. 전력생산 위주의 일반적인 발전기는 복수터빈 방식을 사용하며 터빈을 매우 낮은 압력 기압 이하 까지 팽창시켜 가능한 많은 전력을 생산한 후 터빈을 나오는 저압의 증기는 복수기에서 냉각한다. 그리고 저압의 증기를 필요로 하는 염색단지 등의 열병합발전은 배압터빈 방식을 사용하며 터빈에서는 공정에 필요한 압력 대기압 이상까지만 팽창시켜 전력을 생산하고 배기 증기는 공정증기로 활용한다. 한편 고압의 증기를 필요로 하는 석유화학단지 등의 열병합발전은 추기터빈 방식을 사용하는데 터빈 내에서 팽창중인 고압의 증기를 우선적으로 추기하여 공정증기로 활용하고 남은 증기로 전력을 생산한다. 추기식은 저압 중기 활용 여부에 따라 추기복수식과 추기배합식으로 또 한 번 나뉜다. 고압의 증기만 필요로 하는 경우는 추기 이후 남은 터빈 내 증기를 매우 낮은 압력까지 팽창시켜 전력을 얻고 보수기에서 냉각한다. 이 방식을 추기복수식이라고 한다. 반면 고압과 저압의 상이안 압력 및 온도의 증기가 공정에 필요한 경우는 고압증기는 추기방식으로, 저압증기는 배압방식으로 얻는데 이 방식을 추기배압식이라고 한다. 이들 중 종합효율이 가장 높은 방식은 배압방식이다. 배압방식은 열전비와 종합효율이 높다. 그 다음은 추기방식으로, 열전비의 조절이 가능하나 배압방식에 비해 효율은 낮아진다. 이들 중 종합효율이 가장 높지 않은 방식은 복수방식이다. 전력위주의 생산을 하기 때문에 종합효율이 낮다.[10]
활용분야
증기터빈은 기관차 등에서도 실험적으로 적용된 적이 있으나 상업적으로 활용되지는 못했다. 또한 자동차나 항공기에서는 외연기관이 무겁고 부피가 커서 이용상 난점이 있기 때문에 쓰이지 않는다. 비행선에서 쓰이기도 했다. 한편 증기터빈이 적극 활용되는 분야는 발전과 선박이다.
발전
증기터빈은 화력발전소나 원자력발전소, 일부 태양열 발전 등에 이용된다. 열로 가압된 물을 끓여서 고온 고압의 증기를 만든 후, 이 증기로 터빈을 돌려 연동된 발전기를 돌리는 구조에는 차이가 없다. 대체로 50 헤르츠(Hz) 교류발전에는 3000 알피엠, 60 헤르츠 교류발전에는 3600 알피엠의 회전속도를 낸다. 발전용 증기터빈의 경우는 고속회전이 중요하기 때문에 많은 경우 감속기어를 탑재하지 않고 발전기와 직결된 경우가 많다. 증기터빈은 기력발전이라고 한다. 이 터빈 제조 기술은 미국의 제너럴일렉트릭(GE), 독일의 지멘스(Siemens AG), 일본의 미쓰비시(Mitsubishi) 등 선진국들만 독점하고 있으며,[11] 대한민국에서 발전용으로 만들 수 있는 곳은 두산중공업㈜뿐이고 이마저도 체코의 스코다파워(Skoda Power)를 인수하면서 얻어낸 기술이다.[12]
선박
증기터빈은 강한 힘을 낼 수 있기 때문에 선박 추진기에 사용되는 경우가 많았으나, 오늘날에는 디젤엔진 및 가스터빈에 시장을 많이 잠식당한 상태이다. 특히 과거의 전함이나 순양함처럼 몇 만 톤 단위의 거대 함선들이 구식화되면서, 만 톤 이하의 비교적 경량 함선들이 주류를 이루는 현대 군함들은 기동성을 위해 가스터빈을 사용하는 경우가 많다. 다만 항공모함은 여전히 크고, 기동성보단 출력, 작전기간, 항속거리가 중요하기 때문에 증기터빈을 사용한다. 일부 사람들은 미국 해군의 핵추진 항공모함인 니미츠급에 증기터빈이 있다고 하면 믿지 못하지만, 실제로는 그 핵추진 체계라는것 자체가 결국에는 보일러가 석탄, 중유보일러에서 원자로라는 이름의 핵물질 보일러로 바뀌었을 뿐, 열원으로부터 나온 열에너지를 이용해 물을 가져다 대어 끓여서 증기로 만들고 그걸 매개체로 터빈을 돌려 함체 추진기관을 구동하는 전통적이고 전형적인 증기터빈 기관일 뿐이라는 것에는 변함이 없다. LNG운반선의 경우 최근에 건조된 경우를 제외하면 외연기관을 사용한다. LNG 운송 시 기화하는 걸 완전히 막을 순 없으므로 기화하는 가스를 태워 보일러를 작동시키는 방식이다. 또한, LNG 선적 하루 전에는 주기관이 외연기관이든 디젤엔진이든 화물창 내에 약간 남겨둔 LNG를 소모해 운항한다. 선적 전 화물창을 냉각시키는데 이보다 효율적인 게 없기 때문이다. 고압터빈에서는 5000~7000 알피엠, 저압터빈에서는 3000~5000 알피엠정도의 회전속도를 내며, 2단기어 감속기나, 유성기어를 채택한 3단기어 감속기 등을 탑재하여 적정 회전수를 낸다. 상선에서의 스크루 프로펠러의 적정 회전수는 80~150 rpm이다.[12]
비교
디젤엔진
증기터빈은 디젤엔진에 비해 구조가 간단하고, 기관에 걸리는 압력 및 온도가 낮다. 열효율은 증기터빈이 35~40%, 디젤엔진이 40~50%정도로 디젤엔진이 근소하게 높다. 증기터빈은 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 과정이 없으므로 디젤엔진 특유의 소음과 진동이 상당부분 해소된다는 장점이 있다. 기관의 대형화에도 디젤엔진보다 유리한데, 축당 30,000 마력을 넘는 경우에는 증기터빈이 경제성, 신뢰성 측면에 모두 유리하다. 반대로 축당 20,000 마력 미만인 경우 디젤엔진의 경제성이 뛰어나기 때문에 보통은 요구되는 출력에 따라 기관을 선택한다.[12]
가스터빈
증기터빈은 보일러가 필요하기 때문에 가스터빈보다 부피가 크다. 단, 가스터빈의 경우 기관 자체는 작지만 흡기 및 냉각 계통의 크기는 더 커진다. 가스터빈과 달리 흡기계통의 저항이 적다는 것이 특징으로, 가스터빈의 열효율인 22~38%에 비해서 열효율이 높아 경제성이 좋다는 것도 장점이다. 증기터빈은 가스터빈보다 기관에 걸리는 압력과 온도가 낮다. 선박의 세 추진방식 중에서는 가장 저온, 저압이지만 수백도는 가뿐히 넘긴다. 증기터빈은 가스터빈에 비해 구조적으로 단순하기 때문이 신뢰성이 높다. 다만 보일러를 가동하여 증기의 온도와 압력을 적정수준으로 만드는 데 상당히 긴 시간이 필요하므로 가스터빈에 비해 신속한 대응이 어렵다.[12]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 〈증기터빈(steam turbine)〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09
- ↑ 〈증기 터빈 (steam turbine, 蒸氣─)〉, 《두산백과》
- ↑ 〈증기터빈의 특징과 용도〉, 《두산백과》
- ↑ 〈증기터빈의 역사〉, 《두산백과》
- ↑ 잭 칠리너, 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 - 증기 터빈〉, 《마로니에북스》, 2010-01-20
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 황기호, 황희찬, 〈수평형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 및 그 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 자동 제어방법〉, 《KIPRIS》, 2012-08-29
- ↑ 〈충동 증기 터빈〉, 《두산백과》
- ↑ 황기호, 황희찬, 〈수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진〉, 《KIPRIS》, 2012-08-29
- ↑ 〈반동 증기 터빈〉, 《두산백과》
- ↑ 〈(제67호)주간에너지이슈브리핑 - 에너지용어 : 증기터빈 발전기의 터빈형식〉, 《한국에너지공단》, 2015-01-16
- ↑ 채덕종 기자, 〈발전용 100MW급 가스터빈 국산화 나선다〉, 《이투뉴스》, 2013-04-16
- ↑ 12.0 12.1 12.2 12.3 〈증기 터빈〉, 《나무위키》
참고자료
- 〈증기 터빈〉, 《나무위키》
- 〈증기 터빈 (steam turbine, 蒸氣─)〉, 《두산백과》
- 〈증기터빈(steam turbine)〉, 《사이버기술교실》, 2001-02-09
- 잭 칠리너, 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 - 증기 터빈〉, 《마로니에북스》, 2010-01-20
- 황기호, 황희찬, 〈수직형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진〉, 《KIPRIS》, 2012-08-29
- 황기호, 황희찬, 〈수평형 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 및 그 초 동력 고효율 복합 터빈 엔진 자동 제어방법〉, 《KIPRIS》, 2012-08-29
- 채덕종 기자, 〈발전용 100MW급 가스터빈 국산화 나선다〉, 《이투뉴스》, 2013-04-16
- 〈(제67호)주간에너지이슈브리핑 - 에너지용어 : 증기터빈 발전기의 터빈형식〉, 《한국에너지공단》, 2015-01-16
같이 보기
