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증기 터빈

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목차

1. 개요

증기 터빈은 보일러에서 생성된 고온 고압의 증기를 이용하여 회전력을 얻는 장치로, 19세기 후반 찰스 알제논 파슨스에 의해 현대적인 형태가 개발되었다. 작동 원리에 따라 충동식과 반동식으로, 증기 흐름 방향에 따라 축류식과 반경류식, 증기 이용 방법에 따라 복수식과 배압식, 구조에 따라 단단식과 다단식 등으로 분류된다. 발전, 산업, 선박 추진 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 발전소에서 전력 생산에 널리 사용된다. 증기 터빈은 연료 선택의 폭이 넓고 운전 소음이 적다는 장점이 있지만, 보일러와 복수기 등 부대 설비가 필요하고 시동에 시간이 걸린다는 단점도 있다. 한국에서는 1960년대 이후 화력 발전소 건설과 함께 증기 터빈 기술이 도입되었으며, 현재 두산에너빌리티가 대표적인 제조사이다.

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증기 터빈
증기 터빈
발전소에서 사용되는 현대 증기 터빈의 회전자
분류열기관
산업에너지 산업
응용 분야에너지 변환
발명가찰스 앨저넌 파슨스
발명 연도1884년

2. 역사

최초의 증기 터빈 장치는 에올리필레라는 장난감이었다. 이것은 1세기에 헤론이 로마 이집트에서 기술하였다.[3] 1551년 오스만 이집트에서 타키 알-딘이 회전하는 꼬챙이에 증기터빈을 실용적으로 적용했다. 조반니 브란카(1629)[3]와 영국의 존 윌킨스(1648)도 증기터빈을 기술하였다.[3] 타키 알-딘과 윌킨스가 기술한 장치는 오늘날 증기 잭으로 알려져 있다. 1672년, 페르디난드 베르비스트는 충격형 터빈으로 작동하는 작은 장난감 자동차를 설계했다. 1775년 소호에서 제임스 와트는 반응형 터빈을 설계하여 사용하였다.[4] 1807년, 폴리카프 자레소프는 충격형 터빈을 설계하고 제작하여 소방 펌프 작동에 사용하였다.[5] 1827년 프랑스인 레알과 피숑은 복합 충격형 터빈을 특허받고 제작하였다.

최초의 증기터빈 추진 선박인 ''터비니아'': 당시 세계에서 가장 빠른 선박


현대식 증기터빈은 1884년 찰스 파슨스에 의해 발명되었는데, 그의 최초 모델은 의 전기를 생산하는 다이나모에 연결되었다.[6] 파슨스의 증기터빈 발명은 저렴하고 풍부한 전기를 가능하게 하였고, 해상 운송과 해전에 혁명을 일으켰다.[7] 파슨스의 설계는 반응형이었다. 그의 특허는 라이선스가 허가되었고, 얼마 지나지 않아 미국인 조지 웨스팅하우스에 의해 터빈의 규모가 확대되었다. 파슨스 터빈은 또한 규모 확장이 용이하다는 것을 입증하였다. 파슨스는 자신의 발명이 세계 주요 발전소에 채택되는 것을 보는 만족감을 누렸고, 발전기의 크기는 그의 최초 설비에서 용량의 장치로 증가하였다. 파슨스의 생애 동안, 한 장치의 발전 용량은 약 10,000배 증가하였고,[6] 그의 회사인 C. A. 파슨스 앤드 컴퍼니와 그 라이선스 보유자들이 육상 용도로만 제작한 터보 발전기의 총 출력은 3천만 마력을 초과하였다.

증기와 효과적으로 작동하는 터빈의 다른 변형이 개발되었다. ''드 라발 터빈''(구스타프 드 라발이 발명)은 터빈 날개에 부딪히기 전에 증기를 최대 속도로 가속시켰다. 드 라발의 충격형 터빈은 더 간단하고 저렴하며 내압성이 필요 없다. 어떤 압력의 증기로도 작동할 수 있지만 효율이 훨씬 낮다. 오귀스트 라토는 1896년 초 드 라발 원리를 사용하여 압력 복합 충격형 터빈을 개발하였고, 1903년 미국 특허를 획득하였으며, 1904년 프랑스 어뢰정에 터빈을 적용하였다. 그는 1897년까지 10년 동안 École des mines de Saint-Étienne프랑스어에서 강의를 하였고, 나중에 성공적인 회사를 설립하여 사후에 알스톰에 합병되었다. 현대 증기 및 가스터빈 이론의 창시자 중 한 명은 슬로바키아의 물리학자이자 엔지니어이자 취리히 스위스 연방 공과대학교(현 ETH) 교수였던 아우렐 스토돌라이다. 그의 저서 Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinende (영어: The Steam Turbine and its prospective use as a Heat Engine)은 1903년 베를린에서 출판되었다. 또 다른 저서 Dampf und Gas-Turbinende (영어: Steam and Gas Turbines)은 1922년에 출판되었다.

충격형인 ''브라운-커티스 터빈''은 미국 회사인 인터내셔널 커티스 해양 터빈 회사가 원래 개발하고 특허를 획득한 것으로, 1900년대 존 브라운 앤드 컴퍼니와 함께 개발되었다. 이것은 존 브라운 엔진을 장착한 상선과 군함, 특히 여객선과 영국 해군 군함에 사용되었다.

3. 작동 원리

임펄스 터빈과 50% 반동 터빈의 차이점을 보여주는 개략도


증기 터빈은 보일러에서 만들어진 고온, 고압의 증기가 노즐을 통과하면서 속도가 빨라지고, 이 증기가 터빈 날개(블레이드)에 부딪혀 회전력을 발생시키는 원리로 작동한다. 터빈 블레이드는 크게 두 가지로 나뉘는데, 증기의 충격으로만 움직이는 임펄스 터빈과 증기의 충격과 반작용을 모두 이용하는 반동 터빈이 있다.

1905년경 AEG 해양 증기 터빈의 다이어그램


저출력 응용을 제외하면, 터빈 블레이드는 직렬로 여러 단으로 배열되는데(복합), 이를 통해 저속에서 효율을 크게 높인다. 반동 단은 고정 노즐 열과 움직이는 노즐 열로 구성된다. 여러 개의 반동 단은 증기 입구와 배기구 사이의 압력 강하를 여러 개의 작은 강하로 나누어 압력 복합 터빈을 만든다. 임펄스 단은 압력 복합, 속도 복합 또는 압력-속도 복합일 수 있다.

이상적인 증기 터빈은 등엔트로피 과정으로 간주할 수 있지만, 실제로는 마찰 등으로 인해 효율 손실이 발생한다. 터빈의 등엔트로피 효율은 일반적으로 20%에서 90% 사이이다.

과열된 랭킨 사이클의 T-s 선도


증기 터빈은 랭킨 사이클의 3-4 부분을 사용하여 열역학의 기본 원리에 따라 작동한다. 과열된 증기는 고온, 고압에서 보일러를 나와 터빈 입구의 노즐을 통과하며 운동 에너지를 얻는다. 증기가 노즐을 떠날 때 터빈 로터의 블레이드를 향해 고속으로 이동하고, 증기의 압력으로 인해 블레이드에 힘이 발생하여 블레이드가 움직인다. 증기는 터빈을 낮은 온도와 압력의 포화 증기로 남기고 응축기로 보내져 냉각된다.[12]

단위 질량당 발생하는 일률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

: \frac{\dot{W}}{\dot{m}} = h_3 - h_4

  • '''W'''는 단위 시간당 발생하는 일률
  • '''ṁ'''는 터빈을 통과하는 질량 유량


터빈의 성능을 측정하기 위해 등엔트로피 효율을 사용하며, 이는 실제 터빈의 성능과 이상적인 등엔트로피 터빈의 성능을 비교한 것이다.

:\eta_t = \frac{h_3 - h_4}{h_3 - h_{4s}}

  • h3는 상태 3에서의 비엔탈피
  • h4는 실제 터빈의 상태 4에서의 비엔탈피
  • h4s는 등엔트로피 터빈의 상태 4s에서의 비엔탈피


열역학 제2법칙에 따라, 열역학 사이클의 최고 온도와 최저 온도의 비가 클수록 이론적으로 도달 가능한 열효율은 높아진다. 화력 발전소에서는 증기 터빈 입구의 증기 온도를 높여 고효율화를 꾀하고 있다.

4. 유형

현대 증기 터빈은 작동 원리, 증기 흐름 방향, 증기 이용 방법, 구조 등에 따라 다양하게 분류된다.


  • 작동 원리별: 충격 터빈(Impulse turbines)과 반동 터빈(Reaction turbines)으로 나뉜다. 충격 터빈은 고정된 노즐에서 분사되는 고속 증기가 회전 날개에 부딪혀 회전력을 얻는다. 반동 터빈은 고정 날개와 회전 날개 모두에서 증기를 팽창시켜 발생하는 반동력을 이용한다.
  • 증기 흐름 방향별: 증기가 회전축을 따라 흐르는 축류식 터빈과, 회전축에서 멀어지는 방향으로 흐르는 반경류식 터빈으로 나뉜다. 현대에는 주로 축류식 터빈이 사용된다.[28]
  • 증기 이용 방법별: 배압식 터빈과 복수식 터빈으로 나뉜다. 배압식 터빈은 터빈에서 배출되는 증기를 다른 용도로 사용하거나 대기 중으로 방출한다. 복수식 터빈은 응축기를 통해 증기를 응축시켜 진공 상태를 만들고, 이를 통해 효율을 높인다.
  • 구조별: 한 단의 회전 날개로 구성된 단단식 터빈과 여러 단의 회전 날개로 구성된 다단식 터빈으로 나뉜다. 다단식 터빈은 효율을 높이기 위해 사용되며, 압력 복합 터빈, 속도 복합 임펄스 단, 압력-속도 복합 터빈 등으로 세분화된다.


발전용 증기 터빈은 화력발전용과 원자력발전용으로 나뉜다. 화력 발전용 터빈은 고온, 고압의 증기를 사용하는 반면, 원자력 발전용 터빈은 상대적으로 낮은 온도와 압력의 증기를 사용한다.[28] 쓰레기 소각장 발전에 사용되는 증기 터빈도 대형화되는 추세이다.[28]

해양 온도차 발전이나 지열 발전과 같이 특수한 경우에는 암모니아 등 물보다 끓는점이 낮은 매체를 사용하는 증기 터빈이 사용되기도 한다.

터빈 설계의 주요 과제 중 하나는 고온 및 고응력 작동 조건에서 발생하는 크리프를 줄이는 것이다. 이를 위해 초합금과 열 코팅, 입계 강화 등의 기술이 사용된다. 보호 코팅은 열 손상을 줄이고 산화를 억제하며, 니켈 기반 블레이드는 알루미늄, 티타늄, 레늄, 루테늄 등의 합금을 통해 강도와 크리프 저항을 향상시킨다.

4. 1. 작동 원리별

충격 터빈(Impulse turbines영어)은 고정된 노즐에서 증기를 분사하여 회전하는 날개에 충돌시켜 회전력을 얻는다. 반동 터빈(Reaction turbines영어)은 고정 날개와 회전 날개 모두에서 증기를 팽창시켜 반동력을 얻는 방식이다.

  • '''충격 터빈'''


고정 노즐을 통해 증기 흐름을 고속 제트 형태로 분사한다. 이 제트는 상당한 운동 에너지를 가지며, 버킷 모양의 회전자 날개에 의해 샤프트 회전으로 변환된다. 압력 강하는 정지 날개에서만 발생하며, 단계를 거치면서 증기 속도는 순수하게 증가한다. 증기가 노즐을 통과하면서 압력은 입구 압력에서 출구 압력(대기압 또는 응축기 진공)으로 떨어진다. 이러한 증기의 높은 팽창 비율 때문에 증기는 매우 높은 속도로 노즐을 빠져나간다. 이동 날개를 빠져나가는 증기는 노즐을 빠져나갈 때 증기의 최대 속도의 상당 부분을 가진다. 이러한 높은 출구 속도로 인한 에너지 손실은 일반적으로 이탈 손실(carryover velocity영어)이라고 한다.

각운동량 모멘트 법칙은 일시적으로 제어용적을 점유하고 있는 유체에 작용하는 외부 힘의 모멘트의 합이 제어용적을 통한 각운동량 플럭스의 순 시간 변화와 같다는 것을 나타낸다.

소용돌이치는 유체는 접선 속도 V_{w1}로 반지름 r_1에서 제어용적에 들어가고 접선 속도 V_{w2}로 반지름 r_2에서 빠져나간다.

터보기계의 날개 입구와 출구의 속도 삼각형


속도 삼각형은 다양한 속도 간의 관계를 더 잘 이해할 수 있도록 돕는다. 위 그림에서 우리는 다음을 갖는다.

:V_1과 V_2는 각각 입구와 출구의 절대 속도이다.

:V_{f1}과 V_{f2}는 각각 입구와 출구의 유동 속도이다.

:V_{w1} 과 V_{w2}는 각각 입구와 출구의 회전 속도이다 (이동 기준에서).

:V_{r1}과 V_{r2}는 각각 입구와 출구의 상대 속도이다.

:U는 날개의 속도이다.

:\alpha 는 안내 베인 각도이고 \beta 는 날개 각도이다.

각운동량 모멘트 법칙에 의해 유체에 대한 토크는 다음과 같이 주어진다.

: T = \dot{m} \left(r_2 V_{w2} - r_1 V_{w1}\right)

충격 증기 터빈의 경우: r_2 = r_1 = r이다. 따라서 날개에 대한 접선력은 F_u = \dot{m}\left(V_{w1} - V_{w2}\right)이다. 단위 시간당 수행되는 작업 또는 개발된 동력: W = T\omega이다.

ω가 터빈의 각속도일 때, 날개 속도는 U = \omega r이다. 그러면 개발된 동력은 W = \dot{m}U(\Delta V_w)이다.

  • '''반동 터빈'''


회전자 날개가 수렴 노즐을 형성하도록 배열되어 있다. 이러한 유형의 터빈은 정지익(stator영어)에 의해 형성된 노즐을 통해 증기가 가속될 때 생성되는 반작용력을 이용한다. 증기는 정지익의 고정 베인에 의해 회전자로 향하게 된다. 증기는 회전자의 전체 원주를 채우는 제트로서 정지익을 빠져나간 후, 방향을 바꾸고 날개 속도에 상대적인 속도를 증가시킨다. 정지익과 회전자 모두에서 압력 강하가 발생하며, 증기는 정지익을 통과하면서 가속되고 회전자를 통과하면서 감속된다. 단계 전체에서 증기 속도의 순 변화는 없지만 압력과 온도가 모두 감소하여 회전자 구동에 수행된 일을 반영한다.

4. 2. 증기 흐름 방향별

증기는 회전축을 따라 흐르는 축류식 터빈과, 증기가 회전축에서 멀어지는 방향으로 흐르는 반경류식 터빈으로 나눌 수 있다. 반경류식 터빈은 현재 거의 사용되지 않는다.[28]

4. 3. 증기 이용 방법별

배압식 터빈은 터빈에서 배출되는 증기를 다른 용도로 사용하거나 대기 중으로 방출한다. 복수기가 없는 터빈은 공정 증기(process steam) 용도로 가장 널리 사용되는데, 이 경우 터빈에서 배출된 증기는 다른 용도로 추가 사용된다. 배기 압력은 조절 밸브로 제어하여 공정 증기 압력의 요구 사항에 맞춘다. 이러한 터빈은 정유소, 지역난방 설비, 펄프 및 제지 공장, 그리고 대량의 저압 공정 증기가 필요한 담수화 시설에서 흔히 볼 수 있다.

복수식(진공식) 터빈은 발전소에서 가장 흔하게 볼 수 있다. 이 터빈들은 보일러에서 증기를 받아 응축기로 배출한다. 배출된 증기는 대기압보다 훨씬 낮은 압력이며, 부분적으로 응축된 상태로, 일반적으로 품질이 약 90%에 가깝다.

4. 4. 구조별



현대 증기 터빈은 여러 가지로 분류할 수 있다. 터빈 블레이드는 증기의 충격으로만 움직이는 블레이드와, 증기의 충격과 출구의 고속 증기에 의한 반작용으로 움직이는 노즐의 두 가지 기본 유형으로 나뉜다.

  • '''단단식 터빈:''' 한 단의 회전 날개로 구성된 터빈이다.
  • '''다단식 터빈:''' 여러 단의 회전 날개로 구성된 터빈이다. 저출력 응용 프로그램을 제외하고, 터빈 블레이드는 직렬로 여러 단으로 배열되는데, 이를 복합이라고 하며, 저속에서 효율을 크게 향상시킨다.
  • '''압력 복합 터빈:''' 여러 개의 반동 단은 증기 입구와 배기구 사이의 압력 강하를 여러 개의 작은 강하로 나눈 터빈이다.
  • '''속도 복합 임펄스 단:''' 고정 노즐 열과 고정 블레이드 열과 번갈아 가며 배열된 두 개 이상의 움직이는 블레이드 열로 구성된다. 이것은 단계의 속도 강하를 여러 개의 작은 강하로 나눈다.
  • '''압력-속도 복합 터빈:''' 일련의 속도 복합 임펄스 단을 말한다.
  • '''단류 배기식 터빈:''' 증기 입구와 출구가 각각 하나씩인 터빈이다.
  • '''복류 배기식 터빈:''' 증기 입구가 중앙에 있고, 출구가 양 끝에 있는 터빈이다.


1905년, 증기 터빈이 고속 선박과 육상 발전 설비에 사용되기 시작했을 때, 다단 터빈의 시작 부분에 하나 이상의 커티스 휠을 사용한 다음 반동 터빈을 사용하는 것이 효율적이라는 것이 밝혀졌다. 이는 터빈 로터와 케이싱 사이의 누출을 줄여 고압 증기에서 더 효율적이었다.[23]

5. 구성 요소



증기 터빈은 여러 개의 회전날개(로터)와 고정날개(스테이터)가 회전축을 중심으로 배열된 동력기이다.[18] 증기(유체)의 운동량 변화를 이용하여 회전력을 얻는 열기관의 일종이다.[18] 21세기 현재는 축 방향으로 증기가 흐르는 축류터빈만 제작된다.[25]

대부분의 증기 터빈은 회전날개와 고정날개 1쌍이 1단을 이루며, 이러한 단이 여러 개 모여 다단 구조를 이룬다. 온도와 압력이 낮아질수록 회전날개와 고정날개의 길이, 즉 회전면의 지름은 커진다.[19]


  • '''노즐:''' 증기를 가속시켜 1단 로터로 분사한다. 대부분 터빈에서 노즐은 전주에 부착되지 않고 부분 분출 방식을 사용한다.
  • '''회전 날개 (로터):''' 축(회전축, 샤프트), 임펠러(디스크), 동익(블레이드), 슈라우드 밴드 등으로 구성된다. 다단식에서는 여러 개의 로터가 정익을 사이에 두고 배열된다.
  • '''축·임펠러:''' 출력축은 강성축(리지드 로터)과 탄성축(플렉시블 로터)으로 나뉜다. 강성축은 굵고 튼튼하며 위험 회전수가 정격 회전수보다 높다. 탄성축은 가늘고 위험 회전수가 정격 회전수보다 낮아 시동 시 주의가 필요하다. 축은 일체형과 끼워 맞춤형으로 나뉘며, 일체형은 고속 회전에 유리하고 끼워 맞춤형은 6,000회전/분 정도가 상한선이다.
  • '''동익:''' 증기 에너지를 받아 회전하는 날개이다. 초단은 짧지만 종단으로 갈수록 길어져 발전용에서는 최대 1m가 넘는다.[26] 공진을 피하기 위해 서로 연결되며, 외주부에서 슈라우드 밴드나 댐핑 와이어로 연결된다. 큰 원심력에도 견딜 수 있어야 한다.[27][28] 큰 로터는 슈라우드 링과 회전축 중간에 밴딩 와이어가 부착된다. 테이퍼 익 형상이나 「비틀림 날개」를 채용하여 효율을 높인다. 저압단 날개에는 응축 수분을 배출하는 홈이 있다.
  • '''고정 날개 (스테이터):''' 증기의 흐름을 조절하여 회전 날개의 효율을 높인다.
  • '''충격식과 반동식'''
  • '''충격식''': 정익에서 증기의 압력 에너지를 운동 에너지로 변환하고, 분출되는 고속 증기의 충격력으로 동력을 발생시킨다.
  • '''반동식''': 동익에서도 증기의 압력 에너지를 운동 에너지로 변환하고, 분출되는 증기의 반동력도 이용하여 회전력을 발생시킨다.
  • '''차실 (케이싱):''' 터빈 내부를 감싸는 용기로, 고정익을 고정하고 회전축을 지지한다. 반동 터빈에서는 증기 누출을 막기 위해 실링 스트립을 사용한다. 증기 입구에는 여러 개의 노즐이 부착되어 1단 로터에 증기를 분사한다.
  • '''회전축''': 회전날개에서 얻은 회전력을 외부로 전달한다. 반동 터빈에서는 굵고 강성이 높은 축을, 충격 터빈에서는 가늘고 탄성이 있는 축을 사용한다. 회전축은 운전 중 늘어났다 줄어들기 때문에, 고압측 스러스트 베어링으로 고정하고 저압측 베어링에는 유격을 둔다. 회전축과 고정익 분리판 사이 틈새는 라비린스 패킹(라비린스 밀봉)으로 막는다.[19]


이 외에도 회전수와 증기 유량 조절 장치, 측정기 등이 부속된다. 조속 방식에는 조리개 조속 방식과 노즐 차단 조속 방식이 있다. 조리개 조속 방식은 조리개 밸브로, 노즐 차단 조속 방식은 노즐 개폐로 증기 유량을 조절한다.[19]

6. 제조

현대 증기 터빈 제조업체는 다음과 같다.

국가제조사
브라질WEG
중국하얼빈 전기, 상하이 전기, 동방전기
체코-한국두산 슈코다 파워
프랑스알스톰, EDF
독일지멘스 에너지, BTT-브레머 터빈테크닉 GmbH, K&K 터보서비스 GmbH
인도BHEL, 라르센 앤 투브로, 트리베니 엔지니어링 앤 인더스트리즈
이란맵나
이탈리아안살도
일본미쓰비시, 가와사키 중공업, 도시바, IHI
러시아실마쉬, 우랄 TW, Невский_завод|네프스키 터빈 공장(네프스키 NTW)ru, KTZ, 에네르고마쉬-아토메네르고, 파워 머신즈, 레닌그라드 금속 공장
우크라이나터보아톰
미국커티스-라이트, 엘리엇 컴퍼니, GE 베르노바, 스키너 파워 시스템즈, 베이커 휴즈, 레오나르도 DRS, 차트 인더스트리즈, 노스롭 그루먼 해양 시스템즈
영국트릴리엄 플로우 테크놀로지스
튀르키예EMS 파워 머신즈

[8]

터빈 설계에서 주요 과제는 블레이드에서 발생하는 크리프를 줄이는 것이었다. 고온 및 고응력 작동 조건으로 인해 증기 터빈 재료는 이러한 메커니즘을 통해 손상된다. 터빈 효율을 높이기 위해 온도가 증가함에 따라 크리프가 심각해진다. 크리프를 제한하기 위해 열 코팅과 고용체 강화 및 입계 강화를 갖춘 초합금이 블레이드 설계에 사용된다.

보호 코팅은 열 손상을 줄이고 산화를 제한하는 데 사용된다. 이러한 코팅은 종종 안정화된 이산화 지르코늄 기반 세라믹이다. 열 보호 코팅을 사용하면 니켈 초합금의 온도 노출이 제한된다. 이는 블레이드에서 발생하는 크리프 메커니즘을 감소시킨다. 산화 코팅은 블레이드 외부에 쌓이는 것으로 인한 효율 손실을 제한하며, 이는 고온 환경에서 특히 중요하다.

니켈 기반 블레이드는 강도와 크리프 저항을 향상시키기 위해 알루미늄과 티타늄으로 합금된다. 이러한 합금의 미세구조는 서로 다른 조성 영역으로 구성된다. 니켈, 알루미늄 및 티타늄의 조합인 감마 프라임 상의 균일한 분산은 미세구조로 인해 블레이드의 강도와 크리프 저항을 향상시킨다.

내화성 원소인 레늄과 루테늄을 합금에 첨가하여 크리프 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 원소를 첨가하면 감마 프라임 상의 확산이 감소하여 피로 저항, 강도 및 크리프 저항이 유지된다.

7. 응용 분야

발전소는 대형 증기터빈을 이용하여 발전기를 구동하여 세계 전력의 대부분(약 80%)을 생산한다. 대형 증기터빈의 등장으로 대형 발전소의 전력 생산이 실용화되었는데, 그 이유는 대형 왕복동 증기기관이 매우 크고 속도가 느리기 때문이다. 대부분의 중앙 발전소는 화력 발전소와 원자력 발전소이며, 일부 설비는 지열 증기를 사용하거나 집광형 태양열 발전(CSP)을 이용하여 증기를 생성한다. 증기터빈은 열전 발전소의 급수 펌프와 같이 대형 원심 펌프를 직접 구동하는 데에도 사용될 수 있다.

전력 생산에 사용되는 터빈은 대부분 발전기에 직결된다. 발전기는 전력 시스템의 주파수에 따라 일정한 동기 속도로 회전해야 하므로, 50Hz 시스템의 경우 3,000 RPM, 60Hz 시스템의 경우 3,600 RPM이다. 원자로는 화력 발전소보다 온도 제한이 낮고 증기 품질이 낮기 때문에, 터빈 발전기 세트는 이러한 속도의 절반으로 작동하도록 배열될 수 있지만, 터빈 블레이드의 부식을 줄이기 위해 4극 발전기를 사용한다.[1]

증기선에서 증기터빈은 왕복동기관에 비해 크기가 작고, 유지보수가 간편하며, 무게가 가볍고, 진동이 적다는 장점이 있다. 증기터빈은 분당 수천 회전(RPM)으로 작동할 때 효율적이지만, 가장 효과적인 프로펠러 설계는 분당 300회전 미만의 속도에 맞춰져 있다. 따라서 일반적으로 정밀한(그리고 비싼) 감속 기어가 필요하지만, ''터비니아''와 같이 1차 세계 대전까지 많은 초기 선박들은 증기터빈에서 프로펠러 축으로 직접 구동되었다. 또 다른 대안은 터보전기식 전달장치로, 고속 터빈으로 구동되는 발전기를 사용하여 프로펠러 축에 연결된 하나 이상의 저속 전동기를 구동하는 방식이다. 정밀 기어 절삭은 전시 중 생산 병목 현상을 일으킬 수 있다. 터보전기식 구동은 1차 세계 대전 중 설계된 대형 미군 군함과 일부 고속 여객선에 가장 많이 사용되었으며, 일부 수송선과 2차 세계 대전 중 대량 생산된 구축함 호위함에도 사용되었다.

터빈과 관련 기어 또는 발전기/모터 세트의 높은 비용은 낮은 유지보수 요구 사항과 동일한 출력의 왕복동 기관에 비해 터빈의 크기가 작다는 점으로 상쇄되지만, 증기터빈은 열효율이 디젤엔진보다 낮기 때문에 연료비가 더 높다. 연료비를 줄이기 위해 수년에 걸쳐 두 가지 유형의 엔진 모두 열효율이 향상되었다.

1894년부터 1935년까지의 증기터빈 선박 추진 시스템 개발은 터빈의 높은 효율 속도와 선박 프로펠러의 낮은 효율 속도(분당 300회전 미만)를 조정해야 하는 필요성과, 왕복식 기관과의 전반적인 비용 경쟁력 확보라는 과제가 지배적이었다. 1894년 당시에는 선박에 필요한 높은 출력에 적합한 효율적인 감속 기어가 없었기 때문에 직결 구동이 필요했다. 각 프로펠러 축에 직결 구동을 사용한 ''터비니아''(Turbinia)의 경우, 초기 시험 후 모든 세 개의 직결 구동 터빈(각 축당 하나)을 직렬로 연결하여 증기 흐름을 조절함으로써 터빈의 효율적인 속도를 낮추었다. 아마도 총 200개 정도의 터빈 단이 직렬로 작동했을 것이다. 또한, 고속 운전을 위해 각 축에 세 개의 프로펠러가 장착되었다.[2] 당시의 높은 축 속도는 1909년에 진수된 최초의 미국 터빈 추진 구축함 중 하나인 호에서 볼 수 있는데, 이 함정은 직결 구동 터빈을 사용했으며 세 개의 축이 에서 분당 724회전으로 회전했다.[3]

여러 개의 케이싱에 설치된 터빈이 서로 직렬로 배기하는 방식은 그 후 대부분의 선박 추진 시스템에 표준으로 채택되었으며, 크로스 복합의 한 형태이다. 첫 번째 터빈을 고압(HP) 터빈, 마지막 터빈을 저압(LP) 터빈이라고 하며, 그 사이의 터빈은 중간압(IP) 터빈이라고 한다. ''터비니아''보다 훨씬 후의 배치는 1934년에 진수된 롱비치에 있는 에서 볼 수 있는데, 각 축은 단일 감속 기어의 두 개의 입력 축 끝에 직렬로 연결된 네 개의 터빈(HP, 1차 IP, 2차 IP, LP 터빈)에 의해 구동된다.

순항 속도를 고려할 때 경제성 추구는 더욱 중요했다. 순항 속도는 군함 최대 속도의 약 50%이며 최대 출력의 20~25%이다. 연료 효율을 원하는 장거리 항해 시 사용되는 속도이다. 이는 프로펠러 속도를 효율적인 범위로 낮추었지만, 터빈 효율은 크게 감소했고 초기 터빈 함선은 순항 거리가 짧았다. 대부분의 증기 터빈 추진 시대에 유용한 것으로 판명된 해결책은 순항 터빈이었다. 이것은 더 많은 단을 추가하기 위한 추가 터빈으로, 처음에는 하나 이상의 축에 직접 부착되어 고압 터빈의 중간 단으로 배기되었으며, 고속에서는 사용되지 않았다. 1911년경 감속 기어가 사용 가능해짐에 따라, 특히 전함 와 같은 일부 함선은 주 터빈을 직접 구동하는 방식을 유지하면서 순항 터빈에 감속 기어를 사용했다. 감속 기어를 사용하면 터빈이 축보다 훨씬 높은 속도로 효율적인 범위에서 작동할 수 있었지만, 제조 비용이 많이 들었다.

순항 터빈은 처음에는 연료 효율을 위해 왕복 기관과 경쟁했다. 고속 함선에서 왕복 기관을 유지한 예로는 1911년의 유명한 이 있는데, 이 배는 자매선인 과 과 함께 두 개의 외측 축에 삼중 팽창 기관을 장착하고, 두 기관 모두 중앙 축의 저압 터빈으로 배기했다. 1909년에 진수된 급부터 터빈을 채택한 후, 미국 해군은 1912년 급에서 왕복 기관으로 되돌아갔다가 1914년 ''네바다''호에서 다시 터빈을 사용했다. 왕복 기관에 대한 지속적인 선호는 미국 해군이 제1차 세계 대전 이후까지 을 초과하는 주력 함선을 계획하지 않았기 때문에 최고 속도보다 경제적인 순항이 더 중요했기 때문이다. 미국은 1898년에 필리핀과 하와이를 영토로 획득했고, 영국 왕립 해군의 전 세계적인 탄광 네트워크가 부족했다. 따라서 1900년~1940년 미국 해군은 제1차 세계 대전 이후 일본과의 전쟁 가능성이 대두됨에 따라 어떤 국가보다도 연료 효율이 가장 필요했다. 1908년~1920년에 미국이 순양함을 진수하지 않았기 때문에 이러한 필요성은 더욱 심화되었고, 구축함이 순양함에 일반적으로 할당되는 장거리 임무를 수행해야 했다. 따라서 1908년~1916년에 진수된 미국 구축함에는 다양한 순항 솔루션이 장착되었다. 여기에는 하나 또는 두 개의 축에 소형 왕복 기관과 기어식 또는 무기어식 순항 터빈이 포함되었다. 그러나 완전 기어식 터빈이 초기 비용과 연료 면에서 경제적임이 증명되자 빠르게 채택되었으며, 대부분의 함선에도 순항 터빈이 포함되었다. 1915년부터 모든 새로운 왕립 해군 구축함에는 완전 기어식 터빈이 장착되었고, 미국은 1917년에 이어갔다.

왕립 해군에서는 1916년 중반의 주트랜드 해전에서 전함에서 방호력이 과도하게 희생되었음을 보여줄 때까지 속도가 우선순위였다. 영국은 1906년부터 순수하게 터빈으로 추진되는 군함을 사용했다. 전 세계적인 제국을 감안할 때 장거리 순항 범위가 바람직하다는 것을 인식했기 때문에, 특히 급과 같은 일부 군함에는 1912년 이후 초기 실험 설치 이후 순항 터빈이 장착되었다.

미국 해군에서는 1935년~1936년에 진수된 급에서 이중 감속 기어가 도입되었다. 이를 통해 터빈 속도가 축 속도보다 더 높아져 단일 감속 기어보다 작은 터빈을 사용할 수 있었다. 증기압과 온도도 제1차 세계 대전 시대의 급의 / [포화 증기]에서 제2차 세계 대전 급 및 이후 함선의 / [과열 증기]로 점진적으로 증가했다.[13] 축류 고압 터빈(때로는 순항 터빈이 부착됨)과 이중 축류 저압 터빈이 이중 감속 기어박스에 연결된 표준 구성이 등장했다. 이 배치는 미국 해군의 증기 시대 내내 계속되었으며 일부 왕립 해군 설계에도 사용되었다.[14] 이 구성의 기계는 여러 국가의 많은 보존된 제2차 세계 대전 시대 군함에서 볼 수 있다.[15]

1950년대 초 미국 해군 군함 건조가 재개되었을 때, 대부분의 수상 전투함과 항공모함은 / 증기를 사용했다.[4] 이는 1970년대 초 급으로 미국 해군 증기 추진 군함 시대가 끝날 때까지 계속되었다. 상륙함과 보조함은 제2차 세계 대전 이후 증기를 계속 사용했으며, 2001년에 진수된 호는 미국 해군을 위해 건조된 마지막 비핵 증기 추진 함선일 가능성이 있다.

터보전기 추진 방식은 1917년 진수된 전함 에 처음 도입되었다. 이후 8년 동안 미국 해군은 터보전기 추진 방식을 채택한 전함 5척과 항공모함 2척(처음에는 로 주문됨)을 추가로 진수했다. 워싱턴 해군 군축 조약에 따른 제한으로 인해 터보전기 추진 방식을 사용하는 주력함 10척의 건조 계획은 취소되었다.

''뉴멕시코''는 1931년부터 1933년까지 개장을 거치면서 기어식 터빈으로 개조되었지만, 나머지 터보전기 추진 함선들은 운용 기간 내내 이 시스템을 유지했다. 이 시스템은 2개의 대형 증기 터빈 발전기를 사용하여 4개의 축 각각에 있는 전동기를 구동했다. 이 시스템은 초기에는 감속 기어보다 비용이 저렴했으며, 항구에서의 기동성을 향상시켰다. 축을 빠르게 역전시킬 수 있었고 대부분의 기어식 시스템보다 더 큰 역방향 동력을 제공할 수 있었다.

일부 대형 여객선과 수송선, 그리고 제2차 세계 대전 당시 대량 생산된 호위 구축함에도 터보전기 추진 방식이 사용되었다. 그러나 미국이 1927년 진수된 를 시작으로 "조약 순양함"을 설계할 때는 무게를 줄이기 위해 기어식 터빈을 사용했으며, 그 이후 고속 증기 추진 함선에는 모두 기어식 터빈이 사용되었다.

1980년대 이후 고속선에서는 증기터빈이 가스터빈으로, 다른 선박에서는 디젤 엔진으로 대체되었다. 예외적으로 원자력 선박 및 잠수함과 액화천연가스 운반선이 있다.[16] 일부 보조선은 여전히 증기 추진을 사용한다.

미국 해군에서는 기존의 증기터빈 추진 방식이 와스프급 강습상륙함 중 한 척을 제외한 모든 함정에 여전히 사용되고 있다. 영국 해군은 2002년에 마지막 기존 증기 추진 표면 전투함급인 을 퇴역시켰고, 이탈리아 해군은 2006년에 마지막 기존 증기 추진 표면 전투함인 을 퇴역시켰다. 2013년 프랑스 해군은 마지막 을 퇴역시키면서 증기 시대를 끝맺었습니다. 다른 청해군들 중에서 러시아 해군은 현재 증기 추진 과 을 운용하고 있다. 인도 해군은 현재 개조된 인 INS 비크라마디탸를 운용하고 있으며, 2000년대 초에 취역한 세 척의 도 운용하고 있다. 중국 해군은 현재 증기 추진 , 과 함께 및 단독 051B형 구축함을 운용하고 있다. 다른 대부분의 해군은 증기 추진 전투함을 퇴역시키거나 엔진을 재장착했다. 2020년 기준으로 멕시코 해군은 미국 해군의 퇴역 4척을 증기 추진 방식으로 운용하고 있다. 이집트 해군과 중화민국 해군은 각각 미국 해군의 퇴역 2척과 6척을 운용하고 있다. 에콰도르 해군은 현재 증기 추진 2척 (개조된 )을 운용하고 있다.

오늘날 추진용 증기터빈의 효율은 50%를 넘지 못하지만, 디젤 엔진은 특히 해양 응용 분야에서 50%를 훨씬 넘는다.[5][6] 디젤 발전소는 운영 인원이 적어 운영 비용도 낮다. 따라서 기존 증기 추진 방식은 새로운 선박에 거의 사용되지 않는다. 예외적으로 액화천연가스 운반선은 증발 가스를 증기 터빈으로 사용하는 것이 재액화하는 것보다 경제적이라고 판단하는 경우가 많다.

원자력 선박 및 잠수함은 원자로를 사용하여 터빈을 위한 증기를 생성한다. 2024년 기준으로 미국 해군의 원자력 니미츠급과 포드급 항공모함의 주 추진 증기터빈(고압 및 저압)은 사우스캐롤라이나주 서머빌에 있는 커티스-라이트 코퍼레이션에서 제조한다.

원자력은 디젤 동력이 비실용적인 경우(예: 잠수함 응용 분야) 또는 연료 보급의 물류가 상당한 문제를 야기하는 경우(예: 쇄빙선)에 종종 선택된다. 영국 해군의 의 원자로 연료는 지구를 40바퀴 도는 데 충분한 것으로 추산되었으며, 잠재적으로 함선의 전체 수명 동안 사용할 수 있다. 원자력 추진은 유지 보수 비용과 원자력 시스템 및 연료 사이클에 필요한 규제 통제 때문에 매우 소수의 상업용 선박에만 적용되었다.

8. 유지 보수

최신 증기 터빈은 유지보수가 간단하고 비용이 적게 든다(일반적으로 kWh당 약 0.005USD).[10] 운영 수명은 종종 50년을 초과한다. 증기 터빈은 과열(건조) 증기 또는 건조도가 높은 포화 증기와 같은 고품질 증기를 사용해야 한다.

정상 작동 중 로터 불균형은 진동을 유발할 수 있으며, 높은 회전 속도로 인해 블레이드가 로터에서 분리되어 외함을 관통할 수 있다. 이러한 위험을 완화하기 위해 터빈의 균형을 맞춘다. 또한, 응축수가 블레이드에 부딪혀 침식되는 현상(습기 혼입)을 방지하기 위해 과열(건조) 증기 또는 건조도가 높은 포화 증기를 사용한다. 액체 상태의 물이 블레이드에 유입되면 터빈 샤프트의 스러스트 베어링이 손상될 수 있으므로, 터빈으로 이어지는 증기 배관에 응축수 배수 장치를 설치하고 보일러의 제어 장치 및 배플을 통해 고품질 증기를 확보한다.

9. 장점과 단점

증기 터빈은 연료 선택의 폭이 넓고, 운전 소음이 적으며, 배기가스 정화가 쉽다는 장점이 있다. 하지만 부대 설비로 인해 공간을 많이 차지하고, 고효율을 위해서는 대규모화가 필요하며, 시동 및 부하 변동 운전에 어려움이 있다는 단점도 있다.

; 장점


  • 다양한 연료 사용: 석탄, 석유, 원자력, 폐기물 고형 연료, 쓰레기 소각로의 열 등 고온 고압의 수증기를 얻을 수 있는 모든 방법을 사용할 수 있다.[1]
  • 비교적 깨끗한 배기가스: 연료 연소를 최적화하면 배기가스를 비교적 깨끗하게 정화할 수 있다.[1]
  • 조용한 운전: 운전 소음이 비교적 조용하다.[1]


; 단점

  • 큰 공간 및 무게: 보일러와 복수기 등 부대 설비가 필요하여 넓은 공간을 차지하고 무게가 많이 나간다.[3]
  • 대규모화 필요: 고효율을 위해서는 대규모 설비가 필요하다.[3]
  • 시동 및 부하 변동 운전의 어려움: 시동에 시간이 걸리고, 부하 변동 운전이나 부분 부하 운전에 적합하지 않다.[3]
  • 회전 방향 변경 불가: 전동기처럼 회전 방향을 변경할 수 없다.[3]
  • 지속적인 정수 공급 필요: 보일러용 정수를 지속적으로 공급해야 한다.[3]

9. 1. 일반적인 특징



터빈 블레이드는 크게 블레이드와 노즐 두 가지 기본 유형으로 나뉜다. 블레이드는 증기의 충격으로만 움직이며, 단면이 수렴되지 않아 증기가 통과할 때 속도는 감소하지만 압력은 거의 변하지 않는다. 고정 노즐과 블레이드가 번갈아 배열된 터빈을 임펄스 터빈, 라토 터빈, 브라운-커티스 터빈이라고 한다. 노즐은 블레이드와 비슷하지만 출구 근처에서 단면이 수렴되어 증기가 통과할 때 압력은 감소하고 속도는 증가한다. 노즐은 증기의 충격과 고속 증기에 의한 반작용으로 움직인다. 움직이는 노즐과 고정 노즐이 번갈아 배열된 터빈을 반동 터빈, 파슨스 터빈이라고 한다.

저출력 응용을 제외하면, 터빈 블레이드는 직렬로 여러 단(stage)으로 배열되는데(복합), 이는 저속에서 효율을 크게 높인다. 반동 단은 고정/움직이는 노즐 열로 구성된다. 여러 반동 단은 증기 입/배기구 사이 압력 강하를 여러 작은 강하로 나누어 '''압력 복합''' 터빈을 만든다. 임펄스 단은 압력 복합, 속도 복합, 압력-속도 복합일 수 있다. 압력 복합 임펄스 단은 고정 노즐 열과 움직이는 블레이드 열로 구성되며, 복합을 위해 여러 단이 사용된다(라토 터빈). '''속도 복합''' 임펄스 단(커티스 휠)은 고정 노즐 열, 고정 블레이드 열, 두 개 이상 움직이는 블레이드 열이 번갈아 배열된다. 이는 단계의 속도 강하를 여러 작은 강하로 나눈다. '''압력-속도 복합''' 터빈은 일련의 속도 복합 임펄스 단이다.

1905년, 증기 터빈이 고속 선박()과 육상 발전에 사용되기 시작했을 때, 다단 터빈 시작 부분(증기 압력 최대)에 커티스 휠을 하나 이상 사용 후 반동 단을 쓰는 것이 효율적이었다. 이는 터빈 로터-케이싱 누출을 줄여 고압 증기에서 효율을 높였다. 보일러 증기는 오른쪽에서 고압, 조절 장치로 들어와 운전자가 수동 조절한다. 저압 배출 전 5개 커티스 휠, 여러 반동 단(가운데 두 큰 로터 가장자리 작은 블레이드)을 지나 응축기로 배출된다. 응축기는 증기 에너지를 극대화, 증기를 급수로 응축, 보일러로 되돌린다.

원자력 발전소의 저압 증기 터빈. 이 터빈은 대기압보다 낮은 압력에서 증기를 배출합니다.


터빈 유형: 복합식, 비복합식, 재열식, 추출식, 유도식. 이상적 증기터빈은 등엔트로피 과정으로 간주되지만 실제는 그렇지 않으며, 효율은 용도에 따라 20~90%이다. 터빈 내부는 여러 세트 블레이드/버킷으로 구성. 고정 블레이드는 케이싱, 회전 블레이드는 샤프트에 연결. 이들은 최소 간극을 유지, 단계별 증기 팽창을 효율적으로 활용하기 위해 크기/구성이 다르다.

압력터빈 날개


충격 터빈은 고정 노즐로 고속 제트 증기 흐름을 만든다. 제트는 운동 에너지를 가지며, 방향이 바뀌면서 버킷 모양 회전자 날개에 의해 샤프트 회전으로 변환된다. 압력 강하는 정지 날개에서만 발생, 단계별 증기 속도는 순 증가한다.

증기는 노즐 통과 시 입/출구 압력차로 떨어진다. 높은 팽창 비율로 증기는 고속으로 노즐을 빠져나간다. 이동 날개 출구 증기는 노즐 출구 시 최대 속도의 상당 부분을 가진다. 이 높은 출구 속도에 의한 에너지 손실은 캐리오버/이탈 손실이다.

각운동량 모멘트 법칙은 유체 작용 외부 힘 모멘트 합이 각운동량 플럭스 순 시간 변화와 같다는 것이다.

속도 삼각형은 다양한 속도 관계를 이해하도록 돕는다.

반동 터빈에서 회전자 날개는 수렴 노즐을 형성한다. 정지익 노즐을 통해 증기가 가속될 때 생성되는 반작용력을 이용한다. 증기는 정지익 고정 베인에 의해 회전자로 가고, 회전자 전체 원주를 채우는 제트로 정지익을 나간다. 증기는 방향을 바꾸고 날개 속도에 상대적 속도를 높인다. 정지익/회전자 모두 압력 강하가 발생, 증기는 정지익 가속, 회전자 감속된다. 단계 전체 증기 속도 순 변화는 없지만 압력/온도 감소는 회전자 구동에 수행된 일을 반영한다.

  • 라토식(Rateau type)


라토식은 1열 고정익, 1열 회전익으로 1단 구성. 다단식은 이 단 반복. 다단식 터빈은 주로 라토식, 1단만 커티스식 선택 경우가 있다(열량 소모가 커 후단 구조 설계 간단). 단단 라토식 터빈은 소수, 공급 증기 저압/저온, 배기압 높고 고속 회전 요구 시 채택.

  • 커티스식(Curtis type)


커티스식은 1열 고정익, 2열 회전익으로 1단 구성(회전-고정-회전), 또는 2열 고정익, 3열 회전익 1단 구성(회전-고정-회전-고정-회전). 회전-고정-회전 배치는 첫 회전익 70%, 다음 고정익 방향 전환 후, 두 번째 회전익 30% 동력 발생. 세 번째 회전익은 수 % 동력만 발생. 소형 증기 터빈, 단단식 터빈 대부분 커티스식, 풍부한 공급 열량, 복수기 배기 압력 저하 시 2단 커티스식도 제작.

최적 설계 시 내부 효율 최대값 비교: 라토식 80~85%, 커티스식 75~80%(5~6% 차이). 커티스식은 효율 열세지만 열량 소모가 커, 1,000마력 이하, 4,500회전/분 이하 비상/예비기로 수요. 커티스식 터빈은 일본 제조업체만 제조.

9. 1. 1. 장점


  • 연료 선택의 폭이 넓다. 고온 고압의 수증기만 얻을 수 있다면 그 방법은 무엇이든 좋으며, 석탄, 석유, 원자력, 폐기물 고형 연료부터 쓰레기 소각로의 열도 이용할 수 있다.[1]
  • 열악한 연료라도 연소를 최적화하면 배기가스를 비교적 정화하기 쉽다.[1]
  • 운전 소음이 비교적 조용하다.[1]

9. 1. 2. 단점


  • 보일러와 복수기 등 부대 설비가 필요하여 넓은 공간을 차지하고 무게가 많이 나간다.[3]
  • 고효율을 내기 위해서는 대규모 설비가 필요하다.[3]
  • 시동에 시간이 걸리고, 부하 변동 운전이나 부분 부하 운전에는 적합하지 않다.[3]
  • 전동기처럼 회전 방향을 바꿀 수 없다.[3]
  • 보일러용 정수를 지속적으로 공급해야 한다.[3]

9. 2. 다른 기관과의 비교



터빈 블레이드는 블레이드와 노즐의 두 가지 기본 유형으로 나뉜다. 블레이드는 증기의 충격으로만 움직이며, 프로파일이 수렴되지 않는다. 증기가 블레이드를 통과할 때 증기 속도는 감소하지만 압력 강하는 거의 발생하지 않는다. 고정 노즐과 블레이드가 번갈아 배열된 터빈을 임펄스 터빈, 라토 터빈 또는 브라운-커티스 터빈이라고 한다. 노즐은 블레이드와 비슷하지만, 출구 근처에서 프로파일이 수렴된다. 증기가 노즐을 통과할 때 증기 압력은 감소하고 속도는 증가한다. 노즐은 증기의 충격과 출구의 고속 증기에 의한 반작용 모두로 인해 움직인다. 움직이는 노즐과 고정 노즐이 번갈아 배열된 터빈을 반동 터빈 또는 파슨스 터빈이라고 한다.[19]

저출력 응용 프로그램을 제외하고, 터빈 블레이드는 직렬로 여러 단으로 배열되는데, 이를 복합이라고 하며, 저속에서 효율을 크게 향상시킨다.[19] 반동 단은 고정 노즐 열과 움직이는 노즐 열로 구성된다. 여러 개의 반동 단은 증기 입구와 배기구 사이의 압력 강하를 여러 개의 작은 강하로 나누어 '''압력 복합''' 터빈을 만든다. 임펄스 단은 압력 복합, 속도 복합 또는 압력-속도 복합일 수 있다. 압력 복합 임펄스 단은 고정 노즐 열과 움직이는 블레이드 열로 구성되며, 복합을 위해 여러 단이 사용된다. 이것은 발명가의 이름을 따서 라토 터빈으로도 알려져 있다. '''속도 복합''' 임펄스 단(커티스가 발명하고 "커티스 휠"이라고도 함)은 고정 노즐 열과 고정 블레이드 열과 번갈아 가며 배열된 두 개 이상의 움직이는 블레이드 열로 구성된다. 이것은 단계의 속도 강하를 여러 개의 작은 강하로 나눈다.[19] 일련의 속도 복합 임펄스 단을 '''압력-속도 복합''' 터빈이라고 한다.

1905년, 증기 터빈이 고속 선박(예: )과 육상 발전 설비에 사용되기 시작했을 때, 다단 터빈의 시작 부분(증기 압력이 가장 높은 곳)에 하나 이상의 커티스 휠을 사용한 다음 반동 단을 사용하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 이것은 터빈 로터와 케이싱 사이의 누출을 줄여 고압 증기에서 더 효율적이었다.[19]

반동 터빈에서 회전자 날개는 수렴 노즐을 형성하도록 배열되어 있다. 이러한 유형의 터빈은 정지익(stator)에 의해 형성된 노즐을 통해 증기가 가속될 때 생성되는 반작용력을 이용한다. 증기는 정지익의 고정 베인에 의해 회전자로 향하게 된다. 증기는 회전자의 전체 원주를 채우는 제트로서 정지익을 빠져나간다. 그런 다음 증기는 방향을 바꾸고 날개 속도에 상대적인 속도를 증가시킨다. 정지익과 회전자 모두에서 압력 강하가 발생하며, 증기는 정지익을 통과하면서 가속되고 회전자를 통과하면서 감속된다. 단계 전체에서 증기 속도의 순 변화는 없지만 압력과 온도가 모두 감소하여 회전자 구동에 수행된 일을 반영한다.

구동되는 쪽에서 요구하는 회전 속도로 터빈 출력축이 회전하는 경우에는 축끼리 직접 연결되지만, 터빈 쪽이 빠른 경우에는 감속기라고 불리는 기어에 의해 회전 속도가 감소된다. 감속기는 에너지 손실을 발생시키고 윤활도 필요하므로, 이를 사용하지 않는 직결식이 유리하다.

2016년 시점에서 원자력·화력·지열 발전소에서 주발전기를 돌리고 있는 증기터빈은 모두 직결식이며, 연결되는 계통의 주파수와 같은 전력을 발생할 수 있도록 회전 속도가 제어되고 있다. 일본의 경우, 50Hz 지역에 송전하는 발전소의 터빈은 3,000 rpm이고, 60Hz 지역에 송전하는 것은 3,600 rpm이다.

9. 2. 1. 왕복동 증기 기관 대비 장점


  • 팽창비가 크기 때문에 열효율이 높다.
  • 회전 운동이기 때문에 진동이 적고, 또한 진동이 고주파이므로 감쇠시키기 쉽다.
  • 활주부가 없고 회전 방향이 일정하기 때문에 신뢰성이 높다.[19]

9. 2. 2. 왕복동 내연 기관 대비 장점


  • 진동이 적고, 고주파 진동이기 때문에 감쇠시키기 쉽다.
  • 흡기·배기 캠이나 점화 장치 등이 없어 신뢰성이 높다.

9. 2. 3. 가스 터빈 대비 장점

증기 터빈은 가스 터빈에 비해 운전 소음이 적고, 연료를 가리지 않는다는 장점이 있다.[19]

9. 2. 4. 가스 터빈 대비 단점


  • 운전 소음이 작고 연료를 가리지 않는다.
  • 보일러용 순수를 지속적으로 보급해야 한다.[19]

참조

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[2] 웹사이트 Electricity Net Generation From An Electric Turbine https://www.eia.gov/[...] 2024-03-01
[3] 웹사이트 Taqi al-Din and the First Steam Turbine, 1551 A.D. http://www.history-s[...]
[4] 웹사이트 James Watt https://steamindex.c[...]
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[7] 웹사이트 Charles Parsons 1854 – 1931 https://web.archive.[...] 2009-05-10
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[18] 서적 蒸気タービン要論 成山堂書店 2005-01-01
[19] 서적 船の科学 講談社
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[21] 서적 蒸気タービン要論 成山堂書店 2005-01-01
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[23] 일반
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[28] 서적 蒸気タービン 鳥影社 2001-12-05
[29] 서적 ターボ動力工学 海文堂 2001-03-30
[30] 서적 Steam and Gas Trubines McGraw-Hill 1927-01-01


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