가스터빈이란 무엇인가?

[카닥터]

가스 터빈이란 무엇인가?

 

가스 터빈은 연소 가스를 직접 터빈의 날개에 작용시켜 날개차를 회전시킴으로써 회전일을 얻는 직접 회전식 내연 기관이다. 가스 터빈은 소형, 경량으로 각종 연료의 적응성, 저공해성 등 많은 우수한 특징을 갖고 있으나 열효율이 20~30%로 낮기 때문에 선진국에서는 우수한 내열 재료의 채용에 의한 고효율화에 주력하고 있다.

1. 기본 구성 요소

1) 압축기

압축기는 내연 기관의 효율을 높이기 위하여 외부에서 인입되는 공기를 가압하여 연소기로 보내는 장치로서, 가급적 소형이고 효율이 좋아야 한다. 현재 원심식 또는 축류식을 가장 많이 사용하고 있다.

2) 연소기

연소기는 압축기를 거쳐 가압된 흡입 공기에 연료를 분사시켜 고온 고압으로 가열된 기체를 생성하는 장치로서 내통과 외통의 2중 구조로 되어 있다. 연소에 소요되는 공기량의 4~7배의 공기를 압축기로부터 도입하여 이중 약 20% 내외의 공기만 내통으로 유입시키고 나머지는 터빈 입구의 온도가 1000℃ 부근으로 제한되어 있기 때문에 1,500℃ 이상의 연소 가스를 냉각시키기 위하여 내통과 외통의 사이로 보내진다. 연료의 분사 압력은 기관 형식에 따라 다르지만 대략 20~80㎏/㎠ 의 압력으로 분사하며, 점화 수단으로는 대부분 전기 스파크 점화 방식을 사용한다. 사용 연료의 다양화에 대비하여 별도의 예열 장치도 갖추고 있다.

3) 터빈

연소기에서 고온 고압으로 가열된 기체를 블레이드에서 팽창시켜 회전력으로 변환시키는 기계적 구조로서 일반적으로 축류형을 사용하나 소형에서는 반경류형을 사용하기도 한다. 터빈은 고정 날개와 움직 날개가 교대로 배치되어 있고, 그 사이를 흐르는 작동 가스의 각 운동량 변화에 의한 출력을 발생한다.

그림 1 : 가스 터빈의 구성

2. 가스 터빈의 특징

가스 터빈의 장점은

① 많은 양의 공기를 쓸 수 있고, 구조가 간단하여 소형화가 가능하다.

② 회전 운동을 하기 때문에 고속 운전이 가능하여 출력을 증대시킬 수 있고, 진동도 매우 적다.

③ 연소실의 구조를 간단히 변형시키면 등유, 천연 가스, 증유, 경유등 다양한 연료의 사용이 가능하다.

④ 마찰 부분이 적어서 윤활유의 소비가 적고, 유지비가 적게 든다.

⑤ 냉각수가 필요없고, 냉시동이 용이하며, 운전 조작이 쉽다.

이에 반하여 단점으로는

① 연소 가스의 온도가 높아 연소기, 터빈, 노즐 등은 항상 고온의 가스에 접촉하기 때문에 내열성 재료가 필요하다.

② 열효율이 낮고 연료 소비율이 크다. 특히 부분 부하, 저속 운전시에는 성능이 나쁘다.

③ 고속 회전에 의한 운전시 소음이 높고, 시동시에는 비교적 큰 동력이 필요하다.

3. 원리

가스 터빈은 다른 내연 기관과 같이 내부에서 연소하여 동력을 얻는 것이지만 동력을 얻는 방법이나 구조는 전혀 다르다.

즉 가솔린 엔진 및 로터리 엔진 등은 폭발 행정만이 엔진에 동력을 가하지만 가스터빈은 열에너지에 의하여 가스 자체에 고속의 유동을 주어 이 유동의 반동 에너지에 의하여 터빈의 날개차를 회전시켜 동력을 얻는다. 따라서 동력이 연속적이고 엔진의 작동이 원활하고 효율이 높으며 변속기도 필요 없다.

그림 2 : 가스 터빈의 작동 원리

그림과 같이 작동 원리는 흡입된 공기는 압축되어 배기 가스로써 예열된 후 연소실에 도입된다. 이 고온 고압 공기는 연소실에 분사된 연료와 합쳐져 연소되어 고온 고압의 가스로 되어 2개의 터빈 즉 공기 압축용과 구동용 축을 회전시키고 배기가 된다.

4. 오염 물질 배출량

가스 터빈은 등압 연소이고 그 연소에 필요한 공기의 연료와의 혼합성이 좋으며 작동 공기량이 많으므로 완전 연소가 쉽다.

따라서 일산화탄소나 탄화수소의 배출량은 매우 적다. 질소 산화물에 대해서는 통상의 엔진보다도 일반적으로 적으나 고부하시에 연소영역이 고온이 되므로 다소 높은 배출량이 된다.
 

차종	오염 물질 배출량 (g/mile)
	HC	CO	NOx
가스·터빈차	0.91	7.03	1.86
1968년형 가솔린차(정화정류)	3.43	35.10	6.76