가스터빈

가스터빈(gas turbine)은 고온·고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다.

개요

가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어, 여기서 연료를 분산해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온·고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25~30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기·프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.

역사

1791년에 영국의 발명가 존 바버(1734~1801)가 '운동에너지를 발생시키기 위해 인화성 공기를 사용하는 기관'으로 특허를 받았다. 그가 발명한 것은 바로 가스터빈으로, 시대를 150년이나 앞서는 기술이면서 동시에 1,700년 전부터 존재해온 오래된 개념에 근거를 둔 것이었다. 터빈이란 움직이는 기체나 액체의 에너지를 회전 에너지로 바꾸는 기계이다. 1세기에 그리스의 발명가 알렉산드리아의 헤론이 최초의 증기터빈을 개발했다. 그의 기구는 끓는 물의 증기를 곡선형의 노즐에 통과시켜 실린더를 회전시켰다. 존 바버의 기관은 유사한 원리에 기반한 것이었지만 고대의 선례에는 존재하지 않은 부분들을 포함했다. 바버의 기관과 같은 가스터빈 기관은 세 개의 주요 구성요소를 지닌다. 기압을 높이기 위한 응축기, 공기가 연료와 함께 혼합되어 폭발이 일어나는 연소실, 그리고 연소산물의 확장에 의해 회전하는 터빈 바퀴가 그것이다. 바버의 설계는 흠잡을 데가 없었지만 가스터빈에 필요한 높은 온도를 지탱하기 위한 야금술은 그의 능력을 벗어나는 것이었다. 19세기에 많은 사람들이 가스터빈을 가지고 실험을 했지만 최초의 성공적인 가스터빈은 1903년에 엘링이 만든 11마력 기관이었다. 가스터빈의 사용법 중 두 가지가 가장 두드러진다. 에너지의 대부분이 터빈을 회전시키는 데 들어가는 발전과 에너지의 대부분이 고속의 배기가스로 들어가는 분사반동추진이 그것이다. 이 두 가지 응용법은 1939년에 최초로 구현되었다. 스위스에서 가스터빈을 사용하는 상업적인 동력장치가 실용화되었고 독일에서는 최초의 제트기가 날아올랐다.

특징

증기 원동소(蒸氣原動所)에 비하면 열효율은 낮지만, 설비비가 들지 않기 때문에 연간 운전 시간이 짧은 것에는 적합하다. 열효율이 낮은 것은 압축기의 효율이 85% 정도이기 때문에, 그 작업 손실이 큰 것이 주원인으로, 증기 원동소보다 고온을 이용하므로 이론 열효율은 높다. 외열식 터빈은 가열실에서 가열관의 재료, 특히 가열의 연소 제어가 불완전해서 재료의 응력에 큰 문제가 있다. 또한 냉각기를 필요로 하는 결점도 있는데, 부분 부하에 대한 성능은 좋다. 내열식은 연료 중의 미연소물이 터빈 날개에 붙는 점이 가장 큰 문제이고, 또한 부분 부하시 열효율이 급격히 감소하는 것이 결점이다. 연료는 경유, 경질 중유가 주로 이용되고, 이외에 가스체 연료도 이용된다. 석탄을 이용하는 것도 많이 시도되고 있으나, 아직 그다지 실용화되어 있지 않다. 앞으로의 발전은 내열 재료의 진보와 축류(軸流) 압축기의 진보에 걸려 있다고 할 수 있다.

같이 보기

• 터빈

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