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가스터빈

last modified: 2013-12-29 01:00:36 Contributors

영어: Gas turbine

압축터빈으로 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시킨 에너지를 터빈을 통해 운동에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 기관. 개념이 신축적이다.


Contents

1. 광의의 가스터빈
2. 협의의 가스터빈
3. 가스터빈의 특징
4. 다른 방식의 추진장치와의 비교
4.1. 디젤엔진과의 비교
4.2. 증기터빈과의 비교
5. 관련 항목


1. 광의의 가스터빈


가스터빈은 크게 외연기관내연기관으로 나누어진다.

외연기관 가스터빈은 연료의 연소열로 가스를 가열하여 발생된 고온 고압의 가스를 터빈 블레이드로 분사하여 동력을 얻는 방식으로, 원리적으로는 증기터빈과 같으나 열 전달매체가 물이 아닌 가스이며, 보일러를 사용하지 않고 압축한 공기를 연소실에서 연료와 연소한다는 점이 다르다. 이러한 유형의 가스터빈은 다시 폐회로 가스터빈과 개회로 가스터빈으로 나누어진다.

외연기관 개회로 가스터빈은 외부에서 흡입한 공기를 열에너지의 매체로 사용하며, 가열되어 터빈을 구동한 공기는 대기중의 저열부로 배출된다. 반면 폐회로 가스터빈은 터빈을 구동한 가스가 열교환기를 거쳐 열을 배출한 뒤 저온 상태에서 다시 압축기로 공급된다.

이러한 외연기관형 가스터빈은 내연기관에서 연소가 불가능한 분탄(석탄 분진)이나 바이오매스, 또는 원자력 등 연소생성물이 터빈에 직접 닿는 것이 곤란할 경우 사용된다. 설비가 크고 복잡하므로 차량용으로는 적합하지 않으며, 주로 발전용으로 사용된다.

내연기관 가스터빈은 축류 또는 원심식 압축기를 통해 들어온 압축공기를 연소실에서 연료와 연소시킨 후, 분사되는 고온 고압의 연소가스에 터빈을 설치하여 압축기를 구동하고 실 동력을 얻는 기관이다. 이는 일반적인 왕복동 엔진의 흡입-압축-폭발-배기 사이클을 선형적으로 배열한 것과 같다. 왕복동 엔진이 4개의 사이클을 반복하기 위해 왕복운동을 하며, 이때 각 사이클의 상사점과 하사점에서 피스톤이 반드시 정지해야 하는 것과는 달리, 가스터빈은 오직 가스의 선형적인 운동과 터빈 및 압축기의 회전운동만으로 이루어져 있어 진동이 적고 높은 RPM을 얻는 데 매우 유리하다.

이와 같은 형태의 내연기관은 다음과 같다.

  • 터보제트 - 압축기-연소실-배기터빈의 구조로 이루어진 가장 단순한 가스터빈. 구조가 간단하고 제작효율 및 신뢰성이 높으나 연비가 나빠서 상업용, 군용 항공기에서는 도태되었고, 제작 단가가 싸기 때문에 일회용품인 순항 미사일 등에 주로 쓰이고 있다. 터보제트엔진에서 터빈은 오직 압축기를 구동하는 동력을 얻기 위해서만 존재하며, 터보제트 엔진의 실제 동력은 터빈을 통해 추출되는 것이 아닌 분사 가스의 반동력으로만 이루어진다. 따라서 엄밀한 의미의 가스터빈은 아니지만 구조 및 작동원리가 가스터빈과 유사하므로 광의의 가스터빈에 포함한다.

  • 터보팬 - 터보제트 엔진 코어에 추가적인 터빈을 장착하여 여기에서 나온 동력으로 팬을 구동하는 엔진. 팬을 통과한 공기는 압축기와 연소실을 거치지 않고 터보제트 코어 주변을 그대로 우회(bypass) 통과하여 후방으로 분사되어 추력을 낸다. 따라서 바이패스제트(bypass jet)라고도 하며, 최고속도는 터보제트에 비해 불리하나 큰 추력을 얻을 수 있고 경제성이 뛰어나서 현대의 제트기용 엔진으로 가장 널리 쓰이고 있다.

  • 터보프롭 - 가스터빈의 동력을 내부 축을 통해 전방으로 전달하여 프로펠러를 구동한다. 시속 400~600km 대의 중고속에서 효율이 뛰어난 엔진이다.

  • 터보샤프트 - 원리상 터보프롭과 비슷하나 배기터빈이 엔진 코어를 통과하하지 않고 후방의 감속기어로 연결되어 동력을 끌어낸다. 고속이 필요하지 않은 헬리콥터, 선박 등의 추진기관 및 화력발전용으로 널리 쓰인다.

2. 협의의 가스터빈

터보샤프트 엔진을 지칭한다. 영어에서는 터보샤프트와 가스터빈의 용어가 따로 존재하나, 독일어에서는 둘 다 Gasturbine이라고 부른다.

3. 가스터빈의 특징

터보제트터보샤프트 항목을 참조할 것.

4. 다른 방식의 추진장치와의 비교

4.1. 디젤엔진과의 비교

  • 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 과정이 불필요하여 진동이 적다.
  • 열효율은 28~33% 정도로, 디젤엔진이 40~50% 정도인 데에 비해서는 낮다. 따라서 연비에서 디젤 엔진에 비해 손해를 보게 된다.
  • 디젤엔진에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 낮다.
  • 고속운전과 급가속에 유리하다.
  • 최대 출력이 일반적으로 디젤엔진에 비해 훨씬 크고, 출력을 증강하는 것도 보다 용이하다.
  • 기관 자체의 소형화가 가능하다. 단 공기흡입구 및 냉각기가 커져서 전체적인 기관의 크기는 큰 차이가 없다.
  • 디젤엔진은 쿵쿵 거리는 저주파 소음이기 때문에 소음이 먼거리까지 퍼지게된다. 따라서 군용으로 사용되었을 때 소음으로 인한 피탐지 문제에 있어 저주파의 특성상 소음을 차폐하거나 감쇄시키는 것이 기술적으로 어려워서 문제가 되지만, 가스터빈은 위이잉 하는 고주파 소음이기 때문에 상대적으로 장거리에서 감쇄율이 크고 소음을 감쇄시키는 것도 보다 용이해서 소음으로 인한 피탐지 문제에서 좀더 유리하다. 다만 근거리에서는 더 시끄럽다(...).

4.2. 증기터빈과의 비교

  • 내연기관이기 때문에 증기터빈에서 필요한 보일러, 원자로 등이 불필요하다.
  • 증기터빈의 열효율인 35~40%에 비해서는 낮다.
  • 증기터빈에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 높다.
  • 원자력추진에 비해 저렴하다.
  • 증기터빈보다 기동 소요시간이 적게 걸린다.