공기에서 전력까지: 가스 터빈 엔진 이해하기

가스 터빈의 작동 원리

터빈에 의해 구동되는 압축기는 대기 중의 공기를 지속적으로 끌어들여 압축하고 그 압력을 증가시킵니다. 압축된 공기는 연소실로 들어가 주입된 연료와 혼합되어 연소합니다. 고온의 연소 가스가 되면 터빈으로 유입되어 팽창하며 일을 수행합니다. 일을 한 후 연소 가스의 압력은 대기압으로 떨어져 대기 중으로 배출됩니다.

따라서 가스 터빈의 세 가지 주요 구성 요소는 압축기, 연소실 및 터빈입니다.

축류 압축기는 프로펠러 날개와 유사한 모양의 많은 날개를 가지고 있지만, 이는 "회전 날개"와 "정지 날개"로 나뉩니다. 회전 날개는 프로펠러처럼 회전하여 공기 흐름을 앞으로 밀어내며, 이때 공기 흐름의 압력이 증가하고 온도도 상승합니다.

정지 날개의 기능은 이동 날개의 작동으로 인해 생성된 회전하는 공기 흐름을 다시 축 방향으로 유도하고, 다음 로터 세트에 올바른 각도로 진입하게 하는 것이다. 일반적으로 한 세트의 이동 날개와 정지 날개가 번갈아 가며 배치되며, 이를 한 단계(stage)라고 한다.

또한, 라디얼 압축기도 존재한다. 이는 임펠러의 회전으로 발생하는 원심력을 이용하여 공기를 외부로 밀어내어 압력 효과를 생성한다. 단일 단계의 라디얼 압축기는 여러 단계의 축 압축기와 동등한 압축 비율을 가지며, 작은 가스 터빈에 적합한 선택이다.

연소실은 연료의 화학 에너지를 열 에너지로 변환하여 압축기에서 압축된 고압 공기를 고온으로 가열한 후, 터빈에서 팽창시켜 일을 수행하게 합니다. 연료는 액체 연료(예: 가솔린) 또는 기체 연료(예: 천연가스)일 수 있습니다.

연소실 케이스 앞쪽에는 압축기로 연결되는 공기 입구가 있고, 뒤쪽에는 터빈으로 연결되는 고온 가스 배출구가 있습니다.

터빈의 역할은 고온 고압의 연소 가스 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것입니다.

현재 대부분 축류식 터빈이 사용되며, 이는 대출력, 큰 유량 및 높은 효율을 특징으로 합니다. 원심 터빈은 방사형 흐름 터빈으로, 주로 일부 소형 가스 터빈에 사용됩니다.

가스 터빈은 연료의 에너지를 유용한 작업으로 변환하기 위해 작업 유체로서 계속 흐르는 가스를 사용하는 내연 기계로, 임펠러를 고속으로 회전시키는 장치입니다. 이는 회전식 임펠러 열 엔진입니다.

가스 터빈에서 공기와 가스의 주요 과정은 일반적으로 단순 사이클이라고 불리는 압축기, 연소실 및 가스 터빈이라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진 가스 터빈 사이클입니다. 대부분의 가스 터빈은 이 단순 사이클 방식을 사용합니다.

압축기는 외부 대기 환경에서 공기를 흡입하여 축류 압축기를 통해 단계적으로 압축하면서 압력을 증가시키고, 공기 온도도 그에 따라 상승합니다. 압축된 공기는 연소실로 밀려 들어가 주입된 연료와 혼합되어 연소되며 고온 고압의 가스를 생성합니다. 그런 후 이 가스는 터빈으로 들어가 팽창하며做工을 하여 터빈을 구동하고, 이는 압축기와 외부 부하 로터를 고속으로 회전하게 만들어 기체 또는 액체 연료의 화학 에너지를 부분적으로 기계적 작업으로 전환하며 전기를 출력합니다. 터빈에서 배출된 폐기는 대기에 방출되어 자연적으로 열을 방산합니다. 이렇게 해서 가스 터빈은 연료의 화학 에너지를 열 에너지로 변환하고, 그 중 일부를 기계적 에너지로 전환합니다. 일반적으로 가스 터빈에서는 터빈의 팽창 작업이 압축기를 구동하며, 이는 터빈의 부하입니다. 단순 순환에서는 터빈이 생성하는 기계적 작업의 약 1/2에서 2/3은 압축기를 구동하는 데 사용되고, 나머지 1/3의 기계적 작업은 발전기를 구동하는 데 사용됩니다. 가스 터빈을 시작할 때는 외부 전원이 필요합니다. 일반적으로 스타터가 압축기를 구동하여 터빈이 생성하는 기계적 작업이 압축기가 소비하는 기계적 작업보다 커질 때까지 작동합니다. 이후 외부 스타터는 분리되고 가스 터빈은 독립적으로 작동할 수 있습니다.