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가스 터빈

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목차

1. 개요

가스 터빈은 열역학적 브레이튼 사이클을 기반으로 작동하는 회전식 내연 기관으로, 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시켜 생성되는 고온 고압 가스의 팽창력을 이용해 동력을 얻는다. 가스 터빈은 항공기 엔진, 발전 설비, 기계 구동 등 다양한 분야에 사용되며, 왕복 엔진에 비해 높은 출력 중량비, 적은 진동, 낮은 유지 보수 비용 등의 장점을 갖는다. 가스 터빈은 터보제트, 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 등 다양한 형태로 발전하여 항공기용 엔진으로 널리 사용되며, 산업용으로는 발전용, 기계 구동용, 마이크로 터빈 등으로 활용된다. 최근에는 소형 가스 터빈 기술이 발전하고 있으며, 환경 문제와 연료 효율 개선을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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가스 터빈

2. 원리

열역학적으로 가스 터빈의 원리는 브레이튼 사이클로 설명된다. 공기는 단열 압축되고 단열 팽창하여 연소하며, 단열 팽창하면서 터빈을 돌리고 초기 온도로 돌아간다.

브레이튼 사이클


하지만 실제로는 마찰과 와류가 발생하므로

:a) '''비단열 압축'''을 한다 - 실제 압축된 공기는 브레이튼 사이클의 온도보다 높다.

:b) '''비단열 팽창'''을 한다 - 실제 온도는 팽창과정에서 떨어져 브레이튼 사이클 온도보다 낮다. 또한 실제 가용할 수 있는 압력은 커야 하므로 사이클만큼 팽창하지 못한다.

:c) 연소과정에서 '''압력손실이 발생'''한다 - 등압 팽창하지 않고 사이클 압력보다 낮다.

이상적인 가스터빈에서, 기체는 네 가지 열역학적 과정을 거친다. 등엔트로피 압축, 등압(일정 압력) 연소, 등엔트로피 팽창, 그리고 등압 냉각. 이 과정들을 통틀어 브레이턴 사이클이라고 하며, "정압 사이클"이라고도 한다.[39] 이는 모든 과정(압축, 점화 연소, 배기)이 동시에 연속적으로 일어난다는 점에서 오토 사이클과 구분된다.[39]

실제 가스터빈에서는 기체가 압축될 때 (원심식 또는 축류식 압축기에서) 내부 마찰과 난류로 인해 기계적 에너지가 비가역적으로 압력 및 열에너지로 변환된다. 연소실에서 열이 가해지면 기체의 비체적이 증가하고 압력이 약간 감소한다. 터빈의 고정익과 회전익을 통과하는 팽창 과정 동안에도 비가역적인 에너지 변환이 다시 일어난다. 열 방출 대신 신선한 공기가 유입된다.

원심식 또는 축류식 축류 원심 설계 또는 이 두 가지의 조합을 사용하는 가스발전기인 압축기를 통해 공기가 유입된다.[39] 그런 다음 이 공기는 환형, 캔, 또는 캔-환형 설계의 연소기 섹션으로 유도된다.[39] 연소기 섹션에서, 압축기에서 나온 공기의 약 70%는 냉각 목적으로 연소기 자체 주위로 유도된다.[39] 나머지 약 30%의 공기는 연료와 혼합되어 이미 연소 중인 공연비에 의해 점화되고, 그러면 터빈에서 동력을 생성하면서 팽창한다.[39] 이 혼합물의 팽창은 연소기 섹션을 나가고 터빈 섹션을 가로질러 속도가 증가하여 터빈 블레이드를 때리고, 이것이 부착된 디스크를 회전시켜 유용한 동력을 생성한다. 생성된 동력 중 60~70%는 가스발전기를 구동하는 데만 사용된다.[39] 나머지 동력은 엔진이 사용되는 용도, 일반적으로 항공 응용 분야 (즉, 터보제트의 추력, 터보팬의 팬 구동, 터보샤프트의 로터 또는 부속품, 그리고 터보프롭의 기어 감속 장치 및 프로펠러)에 사용된다.[40][39]

산업용 발전기 또는 헬리콥터 로터를 구동하기 위해 엔진에 동력 터빈이 추가된 경우, 배기 덕트의 압력 손실을 극복하고 배기를 배출하는 데 필요한 에너지만 남기고 출구 압력은 가능한 한 입구 압력에 가깝게 된다. 터보프롭 엔진의 경우 프로펠러 동력과 제트 추력 사이에 특정 균형이 있어 가장 경제적인 작동을 제공한다. 터보제트 엔진에서는 압축기와 기타 구성 요소를 구동하는 데 필요한 압력과 에너지만 흐름에서 추출한다. 나머지 고압 가스는 노즐을 통해 가속되어 항공기를 추진하는 제트를 제공한다.

엔진이 작을수록 필요한 블레이드 끝 속도를 얻기 위해 샤프트의 회전 속도가 더 높아야 한다. 블레이드 끝 속도는 터빈과 압축기가 얻을 수 있는 최대 압력비를 결정한다. 이는 다시 엔진이 얻을 수 있는 최대 출력과 효율을 제한한다. 끝 속도를 일정하게 유지하기 위해 로터의 직경이 절반으로 줄어들면 회전 속도는 두 배가 되어야 한다. 예를 들어, 대형 제트 엔진은 약 10,000~25,000 rpm으로 작동하는 반면, 마이크로 터빈은 최대 500,000 rpm으로 회전한다.[26]

기계적으로 가스터빈은 왕복 엔진보다 훨씬 단순할 수 있다. 단순한 터빈은 압축기/샤프트/터빈 로터 어셈블리라는 주요 이동 부품 하나와 연료 시스템의 다른 이동 부품을 가질 수 있다. 예를 들어, 자재비로 10000RM가 드는 Jumo 004는 35000RM가 드는 Junkers 213 피스톤 엔진보다 저렴했으며,[27] BMW 801의 1,400시간에 비해 375시간의 저숙련 노동력만 필요했다 (제조, 조립 및 배송 포함).[28] 하지만 이것은 낮은 효율과 신뢰성으로 이어졌다. 현대의 제트 엔진이나 복합 사이클 발전소에 사용되는 것과 같은 더욱 발전된 가스터빈은 2개 또는 3개의 샤프트 (스풀), 수백 개의 압축기 및 터빈 블레이드, 가동식 고정익 및 연료, 오일 및 공기 시스템을 위한 광범위한 외부 배관을 가질 수 있다. 이들은 내열 합금을 사용하며, 정밀 제조가 필요한 엄격한 사양으로 제작된다. 이 모든 것이 종종 단순한 가스터빈의 제작을 피스톤 엔진보다 더 복잡하게 만든다.

또한, 현대 가스터빈 발전소에서 최적의 성능에 도달하려면 가스를 정확한 연료 사양에 맞춰 준비해야 한다. 연료 가스 조절 시스템은 압력, 온도, 가스 조성 및 관련 Wobbe 지수 측면에서 터빈에 들어가기 전에 천연가스를 정확한 연료 사양에 맞게 처리한다.

가스터빈 엔진의 주요 장점은 무게 대비 출력 비율이다. 상대적으로 가벼운 엔진으로 상당한 유용한 작업을 생성할 수 있으므로 가스터빈은 항공기 추진에 완벽하게 적합하다.

추력 베어링과 저널 베어링은 설계의 중요한 부분이다. 이들은 유체 윤활 베어링 또는 오일 냉각식 롤링 요소 베어링이다. 박막 베어링은 마이크로 터빈과 같은 일부 소형 기계에 사용되며[29] 소형 가스터빈/보조 동력 장치에도 강력한 잠재력을 가지고 있다.[30]

'''가스터빈'''은 원심식 또는 축류식 회전식 압축기로 연소용 공기를 압축하여 연소기에 보내고, 연료를 연소기에 분사하여 연소시킨다. 그때 발생한 고온 고압의 연소가스가 원심식 또는 축류식 터빈을 회전시킨다. 터빈 축은 일반적으로 압축기와 직결되어 압축기에 압축 동력을 전달하고 지속 운전한다. 연소 가스의 에너지를 터빈으로 최대한 회수하여 축출력을 얻는 경우와, 축출력은 압축기의 동력으로만 사용하고 연소 가스의 후방 분출에 의해 얻는 추력을 출력의 주체로 하는 경우 (제트 엔진)가 있다.

3. 역사

존 바버의 가스터빈 개념도(특허에서 발췌)

  • 기원전 50년경: 알렉산드리아의 헤론이 증기기관(아이올로스의 구)에 대한 기록을 남겼다. 이는 현대 터빈 엔진의 중요한 물리적 원리를 보여주었지만, 실용적인 목적보다는 호기심의 대상이었다.[3]
  • 1000년경: 중국 북송 시대에 등불 축제에서 "달리는 말 등불"(走马灯|쩌우마덩중국어)을 사용했다. 가열된 공기 흐름이 상승하여 말을 탄 인형이 부착된 임펠러를 구동하는 방식이었다.[4]
  • 1500년: 레오나르도 다 빈치가 스모크 잭을 설계했다. 불에서 나오는 뜨거운 공기가 벽난로 배기관에 장착된 터빈 로터를 통해 회전하는 구이 꼬챙이를 돌리는 방식이었다.
  • 1791년: 영국인 존 바버가 최초의 진정한 가스터빈에 대한 특허를 받았다. 그의 발명품에는 현대 가스터빈의 대부분의 요소가 포함되어 있었고, 무마차를 구동하도록 설계되었다.[5][6]
  • 1894년: 찰스 앨저넌 파슨스 경이 증기터빈으로 선박을 추진하는 아이디어에 대한 특허를 받고, 시험 선박인 터비니아호를 건조했다.
  • 1899년: 찰스 고든 커티스가 미국에서 최초의 가스터빈 엔진에 대한 특허를 받았다.[7]
  • 1900년: 샌포드 알렉산더 모스가 가스터빈에 대한 논문을 제출했다. 1903년, 모스는 제너럴 일렉트릭의 증기터빈 부서의 엔지니어가 되어 터보차저 개발에 그의 개념을 적용했다.[8]
  • 1903년: 노르웨이인 에기디우스 엘링이 자체 구성 요소를 작동하는 데 필요한 것보다 더 많은 동력을 생성할 수 있는 최초의 가스터빈을 건설했다. 회전식 압축기와 터빈을 사용하여 11마력(약 8.2kW)을 생산했다.[9]
  • 1904년: 프란츠 슈톨체가 설계한 가스터빈 엔진이 베를린에서 제작 및 테스트되었으나, 너무 비효율적이어서 자체 작동을 유지할 수 없었다.[3]
  • 1906년: 프랑스에서 아르망고-르말 가스터빈이 테스트되었다. 이 가스터빈은 자체 공기 압축을 유지할 수 있었지만 유용한 일을 생성하기에는 너무 비효율적이었다.[3]
  • 1910년: 최초의 작동 가능한 홀츠바르트 가스터빈(펄스 연소)이 150kW(약 201마력)의 출력을 달성했다. 효율은 당시의 왕복 엔진보다 낮았다.[10]
  • 1920년대: 통로를 통한 기체 흐름의 실용적인 이론이 더 공식적인 공기역학적 익형 주변 기체 흐름 이론으로 개발되었다. 1926년에는 "터빈 설계의 공기역학 이론"이 출판되었다.
  • 1930년: 프랭크 휘틀이 제트 추진을 위한 원심 가스터빈 설계에 대한 특허를 받았다.[12] 그의 엔진의 최초 성공적인 시험 가동은 1937년 4월 영국에서 이루어졌다.[13]
  • 1932년: 스위스의 브라운 보베리가 터보차저 증기 발생 벨록스 보일러의 일부로 축류 압축기 및 터빈 터보세트를 판매하기 시작했다. 최초의 벨록스 플랜트는 프랑스 칼바도스주 몽드빌의 제철소에 설치되었다.[14]
  • 1936년: 브라운 보베리가 최초의 정상 흐름 산업용 가스터빈을 설계하고, 미국 펜실베이니아주 마커스 훅에 있는 선오일 정유소에서 운영을 시작했다.[15]
  • 1937년: 영국(프랭크 휘틀)과 독일(한스 폰 오하인의 Heinkel HeS 1)에서 작동하는 개념 증명 프로토타입 터보제트 엔진이 가동되었다.
  • 1939년: 브라운 보베리가 스위스 노이샤텔의 비상 발전소를 위해 최초의 4MW급 유틸리티 발전 가스터빈을 건설했다.[17] 세계 최초의 제트기인 헨켈 He 178이 첫 비행을 했다.
  • 1940년: 헝가리 엔지니어인 죄르지 옌드라식이 설계한 터보프롭 엔진인 옌드라식 Cs-1이 최초로 시험 가동되었다. Cs-1에 대한 작업은 1941년에 중단되었다.[18]
  • 1944년: 융커스 Jumo 004 엔진이 본격 생산에 들어가 메서슈미트 Me 262와 같은 최초의 독일 군용 제트기를 움직였다.
  • 1946년: 파워 제트와 RAE 터빈 부서가 합쳐져 국가 가스터빈 설립이 설립되었다.[19] 스위스 베즈나우 원자력 발전소에서 최초의 상업용 재열/회수 장치가 27MW를 생산하며 가동을 시작했다.[20]
  • 1947년: 메트로폴리탄 빅커스 G1(Gatric)이 영국 해군의 M.G.B 2009 선박에서 해상 시험을 완료하면서 최초의 해양 가스터빈이 되었다.[21][22]
  • 1995년: 지멘스가 대형 발전용 가스터빈 제조업체로서 최초로 단결정 터빈 블레이드 기술을 생산 모델에 통합하여 더 높은 작동 온도와 더 높은 효율을 달성했다.[23]
  • 2011년: 미쓰비시 중공업이 효율 60% 이상의 복합 사이클 가스터빈(M501J)을 효고현 다카사고 공장에서 최초로 테스트했다.[24][25]

4. 종류

가스 터빈은 작동유체의 열역학적 움직임과 흐름에 따라 종류를 나눌 수 있다.


  • '''내연식 가스 터빈''': 연료를 연소시켜 작동유체를 가열하는 일반적인 형태이다.
  • '''외연식 가스 터빈''': 작동유체를 화학적으로 연소시키지 않고 열교환기, 원자로, 전열 등으로 가열한다. 선박용, 발전용 내연식 가스 터빈에는 배기가스의 열을 연소 전 작동유체로 전달하는 열교환기가 장착되어 외연식 가스 터빈의 요소를 갖는 경우가 많다.


작동유체의 흐름에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • '''개방 사이클 가스 터빈''': 기관 외부에서 공기 등의 작동유체를 흡입하여 터빈을 회전시킨 후 기관 외부로 배출한다.
  • '''밀폐 사이클 가스 터빈''': 작동유체를 폐쇄된 유로에 흘려 보내고 급배기를 하지 않는다.
  • '''반(半)밀폐 사이클 가스 터빈''': 작동유체의 일부(성분)를 추가 공급하거나 일부(성분)를 배출한다.

4. 1. 제트 엔진

가스 터빈은 엔진의 단위 무게 당 생산할 수 있는 동력이 커서 항공기용 동력 기관으로 적합하다. 터보젯, 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 등 여러 형태로 발전하여 항공기용으로 사용되었다.

흔히 항공기용 가스 터빈과 제트 엔진을 동의어로 알고 있으나, 가스 터빈 중 터보젯과 터보팬만을 제트 엔진으로 분류할 수 있으며, 가스 터빈을 사용하지 않는 제트 엔진도 많으므로 구별해야 한다.

YS-11과 C-130을 비롯한 중·저속 중·단거리용 중소형 여객기·군용 수송기에는 주로 터보프롭 엔진이 사용된다. 아음속·천음속으로 비행하는 일반적인 여객기와 대형 수송기에서는 연료 효율이 좋고 소음이 적은 고바이패스비형 터보팬 엔진이 주로 사용된다.

항공기용 터빈 블레이드는 내부에 냉각용 공기를 흘려보내는 구멍이 뚫려 있어 매우 복잡한 구조를 하고 있다. 1200℃의 온도에 견디고 1만 시간 이상의 수명을 가진다. 가격은 1장에 약 70만엔 정도이며, 1세트에 약 200장 정도이므로 전부 교체하는 데 1억엔 이상이 든다. 현재 기술로는 연소 가스에 포함된 황 성분으로 인해 황화되기 쉽고, 황 성분이 냉각 구멍을 막아 열을 축적하여 파단되어 엔진 정지로 이어지는 사고를 자주 일으키고 있다. 일본에서도 2005년 가을에 전일본공수의 보잉 777이 잇달아 2건의 터빈 블레이드 파단 사고를 당했다.[110][111]

중형·대형 여객기 등의 후부에는 소형 가스터빈으로 구동하는 '''APU'''(보조 동력 장치)가 추진용 제트 엔진과는 별도로 탑재되어 있는 경우가 많다. APU는 공항 주기 중에 기내에서 필요한 전원이나 유압을 확보하거나, 제트 엔진 본체의 시동에 필요한 압축 공기를 발생시키는 데 사용된다. APU 본체의 시동에는 배터리 구동 모터를 사용하거나, 축압기에 의한 축압 에너지를 사용한다. 연료는 제트 연료가 사용된다. 항공기의 후미에 보이는 작은 배기구는 이 배기용이다.

항공기 조종사나 정비사의 자격에서는 압축에 터빈으로 구동하는 압축기의 회전을 사용하는 것(터보제트 엔진, 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보샤프트 엔진. 단, 피스톤 엔진의 터보차저는 제외)은 '''터빈'''으로 분류된다.

4. 1. 1. 터보제트 엔진

전시를 위해 분해된 일반적인 축류 가스터빈 터보제트인 J85 엔진. 유동 방향은 왼쪽에서 오른쪽이며, 왼쪽에 다단 압축기, 중앙에 연소실, 오른쪽에 2단 터빈이 있다.


공기를 흡입하는 제트 엔진은 배기 가스 또는 가스터빈에 연결된 덕티드 팬으로부터 추력을 생성하도록 최적화된 가스터빈이다.[38] 배기가스의 직접적인 충격으로 추력을 생성하는 제트 엔진은 종종 터보제트라고 불린다. 많은 군사 및 민간 운영자들이 여전히 사용하고 있지만, 터보제트는 연료 효율이 낮고 소음이 크기 때문에 대부분 터보팬 엔진으로 대체되었다.[39]

4. 1. 2. 터보팬 엔진

제트 엔진은 배기 가스 또는 가스터빈에 연결된 덕티드 팬으로부터 추력을 생성하도록 최적화된 가스터빈이다.[38] 배기 가스의 직접적인 충격으로 추력을 생성하는 제트 엔진은 터보제트라고 불리지만, 연료 효율이 낮고 소음이 크기 때문에 대부분 터보팬 엔진으로 대체되었다.[39] 터보팬은 덕티드 팬을 추가하여 추력을 생성하는 엔진으로, 추력의 약 80%를 덕티드 팬으로 생성한다. 터보팬 엔진은 저바이패스 터보팬과 고바이패스 터보팬 두 가지 유형이 있으며, 팬에 의해 이동되는 "바이패스 공기"의 양에 따라 구분된다. 이러한 엔진은 추가 연료 소비 없이 더 많은 추력을 제공한다는 장점이 있다.[39][40]

4. 1. 3. 터보프롭 엔진

터보프롭 엔진(turboprop engine)은 터빈 엔진의 고속 회전(종종 1만 회전/분 이상)을 감속 기어를 사용하여 프로펠러에 적합한 저속(수천 회전/분)으로 변환하여 항공기 프로펠러를 구동하는 엔진이다.[40] 터보프롭 엔진을 사용하는 이점은 터빈 엔진의 높은 출력 중량비(power-to-weight ratio)를 활용하여 프로펠러를 구동함으로써 더욱 강력하면서도 크기가 작은 엔진을 사용할 수 있다는 것이다.[40] 터보프롭 엔진은 필라투스 PC-12와 같은 다양한 사업용 항공기, 비치크래프트 1900과 같은 통근 항공기, 세스나 208 캐러밴이나 드 하빌랜드 캐나다 DHC-8과 같은 소형 화물 항공기, 그리고 에어버스 A400M 수송기, 록히드 AC-130, 60년 된 투폴레프 Tu-95 전략 폭격기와 같은 대형 항공기(일반적으로 군용)에 사용된다. 군용 터보프롭 엔진은 다양하지만 민간 시장에서는 주로 두 가지 엔진이 사용된다. 하나는 자유 터빈 터보샤프트 엔진인 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6이고, 다른 하나는 고정 터빈 엔진인 하니웰 TPE331(구 가렛 에어리서치 331)이다.

4. 1. 4. 터보샤프트 엔진

라이커밍 T53(Lycoming T53) 터보샤프트 엔진의 내부 단면 모형


최근 헬리콥터의 대부분은 터보샤프트 엔진을 사용하고 있으며, 배기 가스의 반작용보다는 엔진의 회전축 출력을 주로 사용한다.

4. 2. 산업용 가스 터빈

산업용 가스 터빈은 항공기용과는 다르게 프레임, 베어링, 블레이드 등이 더 튼튼하게 만들어진다. 보통 발전기와 남은 에너지(주로 열)를 회수하는 장비와 밀접하게 연결되어 사용된다.

산업용 가스 터빈은 휴대용 이동식 발전 설비부터 건물에 설치되는 100톤 이상의 대형 시스템까지 크기가 다양하다. 가스 터빈을 단독으로 축 동력에 사용하는 경우에는 열효율이 약 30% 정도이다.

4. 2. 1. 발전용 가스 터빈

일반적으로 발전용 가스 터빈은 수십만kW 출력의 가스 터빈을 말한다. 터빈은 교류 전압에 적당하고 감속기어가 필요없는 3000 - 3600rpm으로 회전한다.[48]

가스 터빈을 이용한 발전은 열효율이 40% 정도이며, 복합 발전을 하면 60%까지 전력을 생산할 수 있다. 전력과 열을 동시에 생산하는 열병합 발전을 하면 80% 이상 열효율을 얻을 수 있다.

GE H 시리즈 발전용 가스터빈: 복합 사이클 구성에서 최고 열역학 효율은 62.22%이다.


캘리포니아주에 위치한 복합 사이클 가스 발전소인 게이트웨이 발전소(Gateway Generating Station)는 두 대의 GE 7F.04 연소 터빈을 사용하여 천연가스를 연소한다.


가스 터빈은 터빈의 폐열을 열회수증기발생기(HRSG)를 통해 회수하여 복합 사이클 구성에서 기존의 증기터빈을 구동할 때 특히 효율적이다.[48] 605MW 제너럴 일렉트릭(General Electric) 9HA는 최대 약 1537.8°C의 온도에서 62.22%의 효율을 달성했다.[49] 2018년 기준으로 GE는 첨가제 제조 및 연소 기술의 발전으로 복합 사이클에서 826MW HA를 64% 이상의 효율로 제공하고 있으며, 이는 2017년 주문량의 63.7%에서 증가한 것이며 2020년대 초까지 65%를 달성할 계획이다.[50] 2018년 3월, GE 파워는 7HA 터빈에 대해 63.08%의 총 효율을 달성했다.[51]

항공기 유래 가스 터빈도 복합 사이클에 사용될 수 있으며, 이는 더 높은 효율을 가져올 수 있다. 열병합 발전 구성으로 운영될 수 있는데, 배기가스는 공간 또는 물 난방에 사용되거나, 흡수식 냉각기를 구동하여 유입 공기를 냉각하고 출력을 증가시키는 터빈 유입 공기 냉각 기술이 사용된다.

가스 터빈은 몇 분 안에 켜고 끌 수 있다는 장점이 있어, 최대 수요 또는 예상치 못한 수요에 전력을 공급하는 피크 발전소로 사용된다. 단일 사이클(가스 터빈 전용) 발전소는 복합 사이클 발전소보다 효율이 낮으므로, 하루 몇 시간에서 수십 시간까지 운전된다. 이는 지역의 전력 수요와 발전 용량에 따라 다르다. 기저부하 및 부하 추종 발전소 용량이 부족하거나 연료비가 낮은 지역에서는 가스 터빈 발전소가 하루 대부분 시간 동안 정기적으로 운영될 수 있다. 대형 단일 사이클 가스 터빈은 일반적으로 100~400 메가와트의 전력을 생산하며 35~40%의 열역학 효율을 갖는다.[52]

가스 터빈 엔진은 증기터빈을 사용하는 화력발전 등에 비해 기동 시간이 짧기 때문에 1950년대부터 피크시 내연력 발전으로 사용되어 왔다. 또한 디젤 엔진에 비해 소형·경량이며 냉각수가 필요 없기 때문에 비상용 발전기에 사용된다. 고압부가 없기 때문에 설치에 관한 규제가 완화되었고, 2000년대에 들어 전기설비로서의 규제도 완화됨에 따라 도시가스를 연료로 하는 초소형 가스 터빈 엔진을 이용한 점포용 소규모 자가발전 설비도 보급되고 있다. 진동이 적고 경량이기 때문에 기존의 디젤식 발전기에서는 불가능했던 고층 빌딩 옥상에 설치되는 사례도 있다.

가스 터빈 엔진은 고온에서 작동하기 때문에 배기가스 역시 충분히 고온이며, 흡수식 냉동기나 폐열 회수 보일러와 조합하여 전기 외에 증기, 온수를 공급하는 열병합발전 시스템이나, 증기터빈에 의한 발전을 조합하여 복합화력발전으로 하여 종합적인 열효율을 대폭 높이고 있다.[121]

2011년에 발생한 동일본대지진과 그에 따른 후쿠시마 제1원자력발전소 사고로 인해 동북전력·도쿄전력 관내의 공급 능력이 급감하여, 이 감소분을 보충하기 위해 LNG를 연료로 하는 가스 터빈 발전기가 기존의 화력발전소 내에 긴급히 설치되었다.[122][123]

4. 2. 2. 기계 구동용 가스 터빈

산업용 가스 터빈은 항공기용 설계와 달리 프레임, 베어링, 블레이드가 더욱 견고하게 제작된다. 또한, 발전기와 잔여 에너지(주로 열)를 회수하는 2차 에너지 장비와 더욱 밀접하게 통합되어 있다. 크기는 휴대용 이동식 발전 설비부터 특수 건물에 설치된 100톤 이상의 대형 복잡한 시스템까지 다양하다.

가스 터빈을 단독으로 샤프트 동력에 사용하는 경우 열효율은 약 30%이다. 그러나 열병합 발전(CHP) 구성으로 사용하면 효율을 높일 수 있다.

가스 터빈은 터빈의 폐열을 열회수증기발생기(HRSG)를 통해 회수하여 복합 사이클 구성에서 기존의 증기터빈을 구동할 때 특히 효율적이다.[48] 605MW 제너럴 일렉트릭(General Electric) 9HA는 최대 약 1537.8°C의 온도에서 62.22%의 효율을 달성했다.[49] 2018년 기준으로 GE는 첨가제 제조 및 연소 기술의 발전으로 복합 사이클에서 826MW HA를 64% 이상의 효율로 제공하고 있으며, 이는 2017년 주문량의 63.7%에서 증가한 것이며 2020년대 초까지 65%를 달성할 계획이다.[50] 2018년 3월, GE 파워는 7HA 터빈에 대해 63.08%의 총 효율을 달성했다.[51]

항공기 유래 가스 터빈도 복합 사이클에 사용될 수 있으며, 열병합 발전 구성으로도 운영될 수 있다. 배기가스는 공간 또는 물 난방에 사용되거나, 흡수식 냉각기를 구동하여 유입 공기를 냉각하고 출력을 증가시키는 터빈 유입 공기 냉각 기술에 활용된다.

가스 터빈은 몇 분 안에 켜고 끌 수 있다는 장점이 있어, 최대 수요 또는 예상치 못한 수요에 전력을 공급하는 피크 발전소로 사용된다. 단일 사이클(가스 터빈 전용) 발전소는 복합 사이클 발전소보다 효율이 낮아, 하루 몇 시간에서 수십 시간까지 운전된다. 대형 단일 사이클 가스 터빈은 일반적으로 100~400 메가와트의 전력을 생산하며 35~40%의 열역학 효율을 갖는다.[52]

가스 터빈 엔진은 크게 경량형과 중량형으로 나뉜다.

  • '''경량형(항공 엔진 전용형):''' 제트 엔진을 기반으로 하며, 경량화, 모듈러 구조, 빠른 시동(1~3분)이 특징이다. 주로 선박, 소형 지상 고정 용도로 사용되며, 최대 출력은 40MW 정도이다.
  • '''중량형:''' 산업형 또는 중량형으로 불리며, 화력 발전용으로 개발되었다. 무겁고 용적이 크며, 보수가 용이하다. 주로 대형 발전소에서 사용되며, 최대 출력은 350MW 정도이다.


선박용 가스 터빈 엔진은 주기관 또는 선내 발전용으로 사용된다. 터보일렉트릭 방식으로도 활용 가능하다. 염해 대책이 필요하며, 군함에서는 항공용 엔진을 전용한 가스 터빈 채용이 확산되고 있다.

제2차 세계 대전 이후 전차, 철도 차량, 자동차 등에도 가스 터빈 엔진이 적용되었으나, 연비, 소음 등의 문제로 널리 사용되지는 않았다. 하지만, 최근에는 하이브리드 기술과 결합하여 다시 주목받고 있다.

4. 3. 마이크로 터빈

마이크로터빈은 가스 터빈을 소형화한 것으로, 1kW 미만에서 수백kW의 출력을 낸다. 분산형 전원과 소규모 열병합 발전용으로 기술적인 장점 및 친환경적인 특성으로 인해 기술 개발과 보급이 늘어나는 추세다. 전력 스위칭 기술의 발전으로 발전기가 전력망의 주파수와 동조하지 않아도 되어, 발전기를 터빈과 샤프트로 바로 연결할 수 있게 되면서 마이크로터빈의 개발 보급이 가능하게 되었다.

마이크로터빈 발전은 피스톤 엔진을 사용한 발전기보다 크기에 비해 출력이 크고, 연소가 양호하며, 구동 부분이 적다는 장점이 있다. 또한 에어 포일 베어링(air foil bearing)과 공냉식(空冷式)으로 윤활유와 냉각수가 필요없으며, 여름철 잉여열 처리를 위한 냉각탑도 필요없다. 마이크로터빈은 전력 부하 변동에 대해 로터의 RPM만을 조절하여 빠른 응답 속도와 넓은 부하 추종 범위를 가질 수 있어 Load Following 용으로도 많이 사용된다. 반면 피스톤 엔진은 왕복 운동 및 회전 운동을 거치는 기계적인 한계로 인해 가스 터빈에 비해 부하 추종 속도가 불리하고, 통상 최고 출력 대비 50% 이상의 범위에서만 추종이 가능한 운전 특성으로 인해 정속도로 운영하는 것이 효율적이다.

마이크로 가스터빈의 예(1)


피스톤 엔진 터보차저나 항공기 APU 또는 소형 제트 엔진에서 발전한 마이크로터빈은 냉장고 크기의 25~500킬로와트 터빈이다. 마이크로터빈은 재열기 없이 약 15%, 재열기를 사용하면 20~30%의 열효율을 가지며, 열병합발전에서는 85%에 달하는 복합 열-전기 효율을 달성할 수 있다.[53]

분산형 발전기용으로 마이크로 가스터빈이 개발되어, 열병합발전 및 재생기를 사용하여 종합적인 열효율을 높이고 있다. 소형·저가격화를 통해 사무실이나 상점 등에서의 이용을 상정하고 있으며, 윤활유를 없애고 공기 베어링을 사용하는 등 유지보수의 수고를 덜도록 고려되고 있다.

특수한 것으로는, 지름 12mm, 두께 3mm의 원반형으로 무게 1g의 초소형 마이크로 가스터빈이 전력 출력 10-20W 정도의 발전 용도로 개발되고 있다.[109]

4. 4. 기타

가스 터빈 엔진은 크게 항공기에 탑재되는 경량형과 지상 설치용 중량형으로 나뉜다. 선박이나 차량 등에도 소형 경량형이 사용되기도 한다.

  • 경량형 (항공 엔진 전용형)


제트 엔진은 경량형에 속한다. 터보샤프트 엔진이나 터보프롭 엔진은 다른 용도로 활용이 가능하다. 경량형은 항공용 엔진의 특징을 가지며, 무게와 용적이 작고, 모듈러 구조로 되어 있다. 1축에서 3축까지 구성되며, 열 충격에 강하다. 윤활유로는 합성유를 사용하며, 항공유, 경유, 천연가스, LP가스 등을 연료로 사용한다. 시동 시간이 1~3분으로 빠르며, 최대 출력은 40MW 정도이다. 1960년대 후반부터는 선박용으로도 경량형이 주로 사용되고 있다.

  • 중량형


thumb사 제작 가스 터빈 엔진 내부]]

산업형 또는 중량형은 화력 발전용 증기 터빈에서 발전했기 때문에 무겁고 크다. 케이싱과 회전축 등이 두껍고, 보수가 용이하도록 분할 가능하지만 회전체는 일체형인 경우가 많다. 1축 구성이 많고, 열 충격에 약하다. 주요 베어링에는 슬라이딩 베어링을, 윤활유에는 광유를 사용한다. 연료로는 등유, 경유, A중유, 천연가스, LPG를 사용한다. 시동 시간은 5~15분으로 느린 편이며, 최대 출력은 350MW 정도이다. 재생 사이클, 중간 냉각 사이클, 흡입 가습 냉각 시스템, 복합 발전, 증기 분사 시스템 등을 통해 열효율을 높인다.[106]

4. 4. 1. 보조 동력 장치 (APU)

보조 동력 장치(APU, Auxiliary Power Units)는 대형 기계에 보조 동력을 공급하는 소형 가스 터빈이다. 보조 동력 장치는 비행기에서 통기를 위한 압축공기를 공급하거나, 더 큰 제트 엔진을 구동하기 위한 시동 기관으로 사용된다.

축소형 제트 엔진은 초기 대형 엔진의 축소판이다.


소형 가스터빈은 항공기와 같은 대형 이동식 기계에 보조 동력 장치(APU)로 사용되며, 터보샤프트 방식으로 설계된다.[39] 보조 동력 장치는 다음과 같은 기능을 제공한다.

  • 공기 사이클 방식 에어컨 및 환기용 압축 공기
  • 대형 제트 엔진의 압축 공기 시동 동력
  • 기어박스를 통한 기계적(샤프트) 동력으로 샤프트 구동 부속품 작동
  • APU에서 멀리 떨어진 소비 장치에 대한 전기, 유압 및 기타 동력 전달


중형·대형 여객기 등의 후부에는 소형 가스터빈으로 구동하는 APU가 추진용 제트 엔진과는 별도로 탑재되어 있는 경우가 많다. APU는 공항에 주기 중에 기내에서 필요한 전원이나 유압을 확보하거나, 제트 엔진 본체의 시동에 필요한 압축 공기를 발생시키는 데 사용된다. APU 본체의 시동에는 배터리 구동 모터를 사용하거나, 축압기에 의한 축압 에너지를 시동 회전에 사용한다. 연료는 제트 연료가 사용된다. 항공기의 후미에 보이는 작은 배기구는 APU의 배기용이다.

4. 4. 2. 압축 공기 에너지 저장

최근 압축 공기 에너지 저장 방식을 통해 압축기와 터빈을 분리하여 효율을 개선하려는 시도가 이루어지고 있다. 기존 터빈에서는 생성된 전력의 최대 절반이 압축기를 구동하는 데 사용된다. 압축 공기 에너지 저장 방식에서는 전력을 사용하여 압축기를 구동하고, 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈을 작동시킨다.[1]

5. 특징

가스 터빈은 원심식 또는 축류식 회전식 압축기로 연소용 공기를 압축하여 연소기에 보내고, 연료를 연소기에 분사하여 연소시킨 후 고온 고압의 연소가스가 원심식 또는 축류식 터빈을 회전시키는 방식으로 작동한다. 터빈 축은 압축기와 직결되어 압축기에 압축 동력을 전달하고 지속 운전하며, 연소 가스의 에너지를 터빈으로 최대한 회수하여 축출력을 얻거나, 축출력은 압축기의 동력으로만 사용하고 연소 가스의 후방 분출에 의해 얻는 추력을 출력의 주체로 활용한다(제트 엔진).[31]

마루노우치 셔틀에 도입된, 터보 일렉트릭 방식을 기반으로 한 디자인라인의 하이브리드 버스


같은 출력의 레시프로 엔진(가솔린 엔진, 디젤 엔진)과 비교했을 때 가스 터빈은 다음과 같은 특징을 가진다.

  • 가볍고 비교적 작은 부피로 고출력을 얻을 수 있어 출력중량비가 우수하다.
  • 저주파의 진동이 적고, 높은 주파수의 소음 대책만으로 충분하다.
  • 저속 회전 시와 고속 회전 시의 연료 소비율 차이가 적다.
  • 저속 회전 영역에서의 연비는 디젤 엔진 등의 레시프로 엔진보다 떨어진다.
  • 연소 효율은 높지만, 회전 수를 자주 변경하는 용도에서는 연비가 떨어진다.
  • 정상 회전 수가 높아 출력은 크지만 토크는 작으므로, 큰 토크가 필요한 경우 감속기가 필요하다.
  • 다양한 연료를 사용할 수 있다.
  • 메탄 등 저렴한 연료도 사용 가능하지만, 항공기의 경우 엄격하게 조합된 제트 연료가 지정되어 있다.
  • 냉각수가 필요 없지만, 내열성이 우수한 소재로 제작해야 하며, 소재 때문에 보수에 전문 지식과 특수 기술이 필요하다.
  • 기관 본체는 출력에 비해 소형이다.
  • 흡배기량이 커서 항공기 외에는 고온 배기 가스 처리나 흡기 먼지 제거 필터 장치가 대형화된다. 함선용이나 함재기 등에서는 염분 대책도 필요하다.
  • 높은 배기 온도를 이용, 배열 보일러로 고온 증기를 발생시켜 증기 터빈으로 열 회수를 하는 방법(복합 사이클)도 있다.
  • 정기 유지 보수 시 작업량이 레시프로 엔진보다 많고, 시간과 비용이 많이 든다.
  • 보수 편리성을 위해 유닛으로 분리 가능(ASSY 교환)하도록 하여 설치 위치에 제약이 있기도 하다.
  • 일정한 회전 수로 작동은 용이하지만, 회전 수 미세 조정은 어려워 회전 수가 자주 바뀌는 용도에는 부적합하다.
  • 응답 속도가 레시프로 엔진보다 떨어진다.
  • 연비는 레시프로 내연 기관보다 나쁘고, 간소한 증기 터빈보다는 좋다.
  • 시동성은 좋지만, 시동 시 소비 에너지가 커서 자주 엔진을 정지하는 용도에는 부적합하다.
  • 질소산화물이나 탄화수소 배출량이 적지만, 단체의 열효율은 다소 떨어진다.
  • 군함에서는 적외선 탐지 방지 대책이 필요하다.
  • 출력 특성, 연비 결점을 보완하기 위해 전기식 하이브리드 동력의 하나로 사용되는 경우가 많다(시리즈 하이브리드 발전용 등).

6. 연료

대부분의 가스 터빈은 내연기관이지만, 열공기 엔진의 터빈 버전인 외연 가스 터빈을 제조하는 것도 가능하다. 이러한 시스템은 일반적으로 EFGT(외연 가스 터빈, Externally Fired Gas Turbine) 또는 IFGT(간접 연소 가스 터빈, Indirectly Fired Gas Turbine)로 표시된다.

외연 방식은 분쇄탄이나 미세하게 분쇄된 바이오매스(예: 톱밥)를 연료로 사용하는 데 활용되어 왔다. 간접 시스템에서는 열교환기가 사용되며, 연소 생성물이 없는 깨끗한 공기만 동력 터빈을 통과한다. 간접형 외연 방식의 열효율은 더 낮지만, 터빈 블레이드는 연소 생성물에 노출되지 않고 훨씬 낮은 품질(따라서 저렴한) 연료를 사용할 수 있다. 외연 방식을 사용하는 경우, 터빈의 배기가스를 주 연소 공기로 사용할 수 있다. 이는 연소 배기가스와 관련된 열 손실은 불가피하지만, 전반적인 열 손실을 효과적으로 줄인다.

헬륨이나 초임계 이산화탄소를 기반으로 하는 폐쇄 사이클 가스터빈은 미래의 고온 태양열 및 원자력 발전에 사용될 가능성이 있다. 항공기용 고성능 엔진은 엄선된 항공유(고도로 정제된 등유)를 사용한다. 암스트롱 시드리 맘바처럼 경유를 사용할 수 있는 엔진도 존재한다.

육상 설치형이나 선박용에서는 경유를 사용한다. A重油를 제외하고, 저렴한 중유는 사용할 수 없다.[108] 발전용 가스터빈에서는 천연가스나 석탄을 가스화하여 연소하는 기종도 있다. 외연식 가스터빈이나 밀폐 사이클 가스터빈에서는 증기기관과 마찬가지로, 저렴한 중유나 석탄, 원자력, 전열 등 내연식 가스터빈에서 사용하기 어려운 연료도 사용할 수 있다.

7. 환경 문제

가스 터빈은 환경 문제를 일으킬 수 있다.

GM는 1950년대와 1960년대에 여러 시제 버스에 GT-30x 시리즈 가스터빈 엔진("휘얼파이어" 브랜드)을 장착했다. 여기에는 터보-크루저 I, 터보-크루저 II, 터보-크루저 III, RTX, RTS 3T 등이 포함된다.[82]

캡스톤 터빈(Capstone Turbine)의 등장으로 여러 하이브리드 버스 디자인이 등장했다. 1999년 테네시 주 채터누가의 AVS에서 개발한 HEV-1을 시작으로 캘리포니아의 Ebus와 ISE Research, 그리고 뉴질랜드(그리고 나중에는 미국)의 디자인라인 코퍼레이션(DesignLine Corporation)이 뒤를 이었다. AVS 터빈 하이브리드는 신뢰성과 품질 관리 문제로 어려움을 겪었고, 2003년 AVS는 청산되었다. 디자인라인의 가장 성공적인 설계는 현재 6개국 5개 도시에서 30대 이상의 버스가 운행되고 있으며, 볼티모어와 뉴욕시에 수백 대의 버스가 주문되었다.

이탈리아 브레시아에서는 도시의 역사적인 지역을 통과하는 노선에 마이크로터빈으로 구동되는 직렬 하이브리드 버스를 운행하고 있다.[83]

7. 1. 소음

주어진 원본 소스에는 가스 터빈의 소음에 대한 직접적인 정보가 없으므로, 이 섹션에 작성할 내용은 없습니다.

7. 2. 배기가스

GM는 1950년대와 1960년대에 여러 대의 시제 버스에 GT-30x 시리즈 가스터빈 엔진("휘얼파이어" 브랜드)을 장착했다. 여기에는 터보-크루저 I(1953년, GT-300), 터보-크루저 II(1964년, GT-309), 터보-크루저 III(1968년, GT-309), RTX(1968년, GT-309), RTS 3T(1972년) 등이 포함된다.[82]

캡스톤 터빈(Capstone Turbine)의 등장으로 여러 가지 하이브리드 버스 디자인이 등장했다. 1999년 테네시주 채터누가의 AVS에서 개발한 HEV-1을 시작으로 캘리포니아의 Ebus와 ISE Research, 그리고 뉴질랜드(그리고 나중에는 미국)의 디자인라인 코퍼레이션(DesignLine Corporation)이 뒤를 이었다. AVS 터빈 하이브리드는 신뢰성과 품질 관리 문제로 어려움을 겪었고, 2003년 AVS는 청산되었다. 디자인라인의 가장 성공적인 설계는 현재 6개국 5개 도시에서 30대 이상의 버스가 운행되고 있으며, 볼티모어와 뉴욕시에 수백 대의 버스가 주문되었다.

이탈리아 브레시아에서는 도시의 역사적인 지역을 통과하는 노선에 마이크로터빈으로 구동되는 직렬 하이브리드 버스를 운행하고 있다.[83]

8. 미래 전망

가스 터빈 기술은 개발 이후 지속적으로 발전하고 있으며, 최근에는 소형 가스 터빈의 발전이 두드러지고 있다. 전산유체역학(CFD)이나 유한 요소 해석법 같은 컴퓨터 설계로 보다 높은 압축비와 고온에서 작동하고 효율적인 연소와 냉각을 하는 엔진이 개발되고 있다.[99][100] 1990년대에는 박막 베어링이 채택되어 기름을 사용하지 않고 고온에서 작동할 수 있게 되었다.

전력 스위칭 기술과 마이크로일렉트로닉스(microelectronics)가 발전함에 따라 마이크로터빈이 분산형 전원 기술로 보급되고 있다.

2000년에 등장한 MTT 터빈 슈퍼바이크(MTT Turbine Superbike)는 롤스로이스 앨리슨 250 터보샤프트 엔진(Rolls-Royce Allison model 250 turboshaft engine)을 사용하는 최초의 양산형 터빈 엔진 오토바이이다. 이 엔진은 약 283kW의 출력을 낸다. 최고 속도는 365km/h로 테스트되었는데, 기네스 세계 기록에 가장 강력한 양산형 오토바이이자 가장 비싼 양산형 오토바이로 기록되어 있으며, 가격은 185000USD이다.

초기 가스 터빈의 단순 사이클 효율은 중간냉각, 재생(또는 회수) 및 재열을 통합함으로써 실질적으로 두 배가 되었다. 그러나 이러한 개선은 초기 및 운영 비용 증가를 초래하며, 연료비 절감이 다른 비용 증가를 상쇄하지 않는 한 정당화되기 어렵다. 비교적 낮은 연료 가격, 설치 비용을 최소화하려는 업계의 일반적인 욕구, 단순 사이클 효율의 40% 정도까지의 증가로 인해 이러한 수정을 선택하려는 욕구는 거의 없었다.[101]

배출 측면에서 과제는 일산화질소(NOx) 배출량을 줄이고 최신 배출 규정을 충족하기 위해 터빈 입구 온도를 높이는 동시에 최고 화염 온도를 낮추는 것이다. 2011년 5월, 미쓰비시 중공업은 320MW 가스 터빈에서 1600°C의 터빈 입구 온도를 달성했으며, 총 열효율이 60%를 초과하는 가스 터빈 복합 사이클 발전 응용 분야에서는 460MW를 달성했다.[102][103]

1990년대 가스터빈에 상용화된 박막 베어링은 10만 회 이상의 시동/정지 사이클을 견딜 수 있으며 오일 시스템의 필요성을 없앴다. 마이크로전자공학 및 전력 스위칭 기술의 적용으로 마이크로터빈을 이용한 상업적으로 실행 가능한 분산 및 차량 추진을 위한 발전이 가능해졌다.

2013년, 제너럴 일렉트릭은 압축비 61:1의 GE9X 개발을 시작했다.[104]

9. 주요 제조사

회사명비고
두산에너빌리티
알스톰
롤스로이스
GE
지멘스 웨스팅하우스
솔라 터빈
Turbomach SA
미쓰비시 중공업
Capstone Turbine Corporation[http://www.microturbine.com]
지멘스 에너지
안살도
GE 항공
실마시
연합엔진공사
프랫 앤 휘트니
프랫 앤 휘트니 캐나다
조리야-마슈프로예크트
MTU 에어로 엔진
MAN 터보
IHI
가와사키 중공업
힌두스탄 항공
바라트 중전기
맵나
한화테크윈
두산중공업
상하이 전기
하얼빈 전기
중국항공엔진공사


10. 참고 문서

참조

[1] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
[2] 서적 Introduction to engineering thermodynamics John Wiley
[3] 서적 Gas Turbine Powerhouse Oldenbourg Verlag Munchen 2014
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[6] 특허 UK patent no. 1833 – Obtaining and Applying Motive Power, & c. A Method of Rising Inflammable Air for the Purposes of Procuring Motion, and Facilitating Metallurgical Operations
[7] 웹사이트 History – Biographies, Landmarks, Patents http://www.asme.org/[...] ASME 2012-08-13
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[9] 간행물 Centenary of the First Gas Turbine to Give Net Power Output: A Tribute to Ægidius Elling ASME
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