터빈

3. 작동 원리

터빈은 작동 유체의 퍼텐셜 에너지(압력 수두)와 운동 에너지(속도 수두)를 이용하여 회전력을 얻는다. 작동 유체는 압축성이거나 비압축성일 수 있다.^[1]

풍차(windmill)와 물레방아(waterwheel)는 초기 터빈의 예시이다. "터빈"이라는 단어는 1822년 프랑스 광산 기술자 클로드 부르댕(Claude Burdin)이 "소용돌이"(vortex) 또는 "회전하는"(whirling)이라는 뜻의 그리스어 τύρβη^grc, ''tyrbē''에서 유래한 것이다.^[4] 베누아 푸르네용(Benoit Fourneyron)은 클로드 부르댕의 제자로, 최초의 실용적인 수력 터빈을 제작하였다.^[5]

19세기 중반에 개발된 고전적인 터빈 설계 방법은 전산유체역학과 같은 현대 기술을 통해 더욱 정밀하게 발전되었다. 이러한 발전은 지난 40년 동안 터빈 설계의 꾸준한 개선을 이끌었다. 비속도는 터빈의 주요 수치 분류이며, 주어진 조건에서 최적의 터빈 설계를 선택하는 데 사용된다.^[1]

터빈은 크게 충동 터빈과 반동 터빈으로 나눌 수 있다. 충동 터빈은 고속의 유체 흐름을, 반동 터빈은 유체의 압력 변화를 이용하여 회전력을 얻는다. 펠톤 터빈과 드 라발 터빈은 충동 터빈의 대표적인 예시이며, 프랜시스 터빈과 대부분의 증기터빈은 반동 터빈에 해당한다.

현대 터빈 설계는 반동 및 임펄스 개념을 모두 사용하기도 한다. 풍력터빈은 익형을 사용하여 움직이는 유체로부터 반동 양력을 생성하고 회전자에 전달하며, 바람을 각도로 편향시켜 바람의 충격으로부터 일부 에너지를 얻는다.

3. 1. 충동 터빈 (Impulse Turbine)

• 충동 터빈: 노즐(정익)에서 유체의 압력을 속도로 변환하여 팽창·감압시키고, 동익은 아무런 변환도 하지 않고 노즐에서 유출된 가스의 충격력으로 동익을 회전시키는 것이다.

3. 2. 반동 터빈 (Reaction Turbine)

3. 3. 속도 삼각형

4. 터빈의 종류

터빈은 작동 유체의 종류, 흐름 방향, 작동 원리 등에 따라 다양하게 분류된다.

• '''유체의 종류에 따른 분류'''는 하위 섹션을 참고.
• '''유체의 흐름 방향에 따른 분류'''는 하위 섹션을 참고.
• '''작동 원리에 따른 분류'''는 하위 섹션을 참고.

• 천음속 터빈: 가스 흐름이 노즐 가이드 베인을 빠져나갈 때 초음속이 되지만, 하류 속도는 일반적으로 아음속이 된다. 일반보다 높은 압력비로 작동하지만 효율이 낮고 드물다.
• 반회전 터빈: 축류 터빈에서 하류 터빈이 상류 장치와 반대 방향으로 회전하면 효율이 향상될 수 있다. 하지만 복잡성 때문에 역효과를 낼 수도 있다. 룬드스트롬 터빈은 스웨덴의 엔지니어 프레드릭 룬드스트롬이 발명했으며, 배압 발전소에서 성공을 거두었다.
• 고정자 없는 터빈: 다단 터빈에서 중간 고정자 베인 없이 상류 로터에서 나오는 가스 흐름이 하류 로터에 충돌한다.
• 세라믹 터빈: 실험용 세라믹 블레이드가 제조 및 테스트되었지만, 금속 블레이드보다 취성이 강해 제트 엔진과 가스터빈에서 고정자 블레이드로 사용이 제한되었다.
• 덕티드 팬(덮개형) 터빈: 많은 터빈 로터 블레이드는 상단에 덮개가 있어 블레이드 플러터를 줄인다. 대형 육상 발전용 증기 터빈에서는 레이싱 와이어로 보완되기도 한다.
• 프롭팬(덮개 없는 터빈): 현대에는 로터 덮개를 제거하여 블레이드의 원심력 부하와 냉각 요구 사항을 줄인다.
• 테슬라 터빈: 경계층 효과를 사용한다.
• 수차:
• * 펠톤 수차: 충격형 수차의 한 종류.
• * 프랜시스 수차: 널리 사용되는 수차의 한 종류.
• * 캡란 수차: 프랜시스 수차의 변형.
• * 터고 수차: 펠톤 수차의 수정된 형태.
• * 타이슨 수차: 원뿔형 수차.
• * 횡류 수차: 뱅키-미첼 수차 또는 오스버거 수차라고도 함.
• 풍력 터빈: 일반적으로 노즐과 단계 간 가이드 베인 없이 단일 단계로 작동한다. 예외는 고정자와 로터가 있는 에올리엔 볼레이다.
• 속도 복합 "커티스": 드 라발과 파슨스 터빈을 결합한 형태로, 넓은 속도 범위에서 만족스럽게 작동할 수 있어 선박 동력 장치에 이상적이다.
• 압력 복합 다단 충격 또는 "라토": 프랑스 발명가 오귀스트 라토의 이름을 땄으며, 노즐 다이어프램으로 분리된 단순한 충격 로터를 사용한다.
• 수은 증기 터빈: 화석 연료 발전소의 효율을 높이기 위해 수은을 작동 유체로 사용했지만, 수은의 독성 때문에 현재는 사용되지 않는다.
• 스크류 터빈: 아르키메데스 나선 원리를 사용하여 물의 퍼텐셜 에너지를 운동 에너지로 변환하는 수차이다.

4. 1. 유체의 종류에 따른 분류

• 수력 터빈
• * 수차
• * 발전용 수차 - 수력 발전 등에서 물의 흐름을 축에 전달한다. 펠톤 수차, 프랜시스 수차 등이 있다.
• 증기 터빈 - 고온 고압 증기를 이용한다.^[11] 선박의 동력을 얻거나 증기를 이용한 발전 (기력 발전, 화력 발전, 원자력 발전)에 사용된다.
• 가스터빈 - 고온 가스를 이용한다.^[11] 제트 엔진이나 일부 화력 발전에 사용된다.
• * 배기 터빈 과급기 - 터보차저라고도 불리며, 내연 기관에서 버려지는 배기가스의 에너지를 이용하는 과급기.
• 풍력 터빈 - 풍력을 이용하는 것.
• * 풍차
• * 풍력 양수 장치 - 유럽이나 미국의 농업 등에서 우물이나 농업 용수에서 물을 퍼 올리기 위해 자주 사용된다.
• * windmill 풍차(분쇄) 공장 - 풍력으로 분쇄(제분)하는 시설로 유럽에서는 수백 년 전부터 현재까지 사용되고 있다.
• * 풍력 발전 터빈 - 풍력 발전에 사용된다.
• 유속계 - 풍속계, 선박의 대수 속도계 등에 사용된다.
• 유량계 - 주유소나 상수도 등에서 액체의 양을 측정할 때 사용된다.

4. 2. 유체의 흐름 방향에 따른 분류

• 축류터빈 - 축 방향으로 유체가 흐르는 것이다.
• 사류터빈 - 축에서 비스듬히 퍼지도록 유체가 흐르는 것이다.
• 라디알 터빈(반경류터빈) - 축과 직교하는 방향으로 유체가 흐르는 것이다. 복류형이라고도 불린다.

4. 3. 작동 원리에 따른 분류

• 충동터빈: 노즐(정익)에서 유체의 압력을 속도로 변환하여 팽창·감압시키고, 동익은 아무런 변환도 하지 않고 노즐에서 유출된 가스의 충격력으로 동익을 회전시키는 것이다.
• 반동터빈: 노즐(정익)과 동익에서 유체의 압력을 속도로 변환하여 팽창·감압시키고, 노즐에서 유출된 가스의 충격력과 동익 내에서 팽창한 가스의 반동력으로 동익을 회전시키는 것이다.
• 충동반동터빈: 동익에 비틀림을 주어 뿌리 부분을 충동 터빈으로, 끝부분을 점차 반동 터빈으로 만든 것이다. 주로 제트 엔진의 터빈에 사용된다.^[12]

5. 구성 요소

노즐(정익), 회전익(터빈 날개), 임펠러, 축, 베어링은 회전축을 지지한다. 축봉장치는 베어링 부분으로부터 유체의 누출을 방지한다. 안전장치는 과속, 이상 진동을 감지하고 비상 정지를 수행한다.

6. 베르누이 방정식 및 터빈 효율

단일 관수로로 연결된 1, 2 지점 사이에 터빈이 있을 때, 터빈에 가해진 단위중량당 에너지를 E_T, 1, 2 지점 간 마찰손실을 h_L, 부차적 손실 합을 $\backslash Sigma\; h\_m$라고 하면, 베르누이 방정식은 다음과 같이 나타난다.

:$\backslash frac\{V\_1^2\}\{2g\}+\backslash frac\{p\_1\}\{\backslash gamma\}+z\_1\; =\backslash frac\{V\_2^2\}\{2g\}+\backslash frac\{p\_2\}\{\backslash gamma\}+z\_2+\; E\_T\; +\; \backslash Sigma\; h\_L\; +\; \backslash Sigma\; h\_m$

유량 Q에 대한 이론적인 터빈 동력 P_T는 다음과 같다.^[1]

:$P\_T=\backslash gamma\; Q\; E\_T$

터빈의 효율 η_T는 실제 터빈에 의한 동력($P\_\{T\_\{act\}\}$)을 이용하여 다음과 같이 정의한다.^[1]

:$\backslash eta\_T\; =\; \backslash frac\{P\_\{T\_\{act\}\}\}\{P\_T\}$

6. 1. 베르누이 방정식에서의 터빈 적용

6. 2. 터빈의 효율

• 충동 터빈: 고속 유체 또는 가스 제트의 흐름 방향을 바꾸어 터빈을 회전시킨다. 터빈 블레이드(움직이는 블레이드)에서 유체나 가스의 압력 변화는 없으며, 모든 압력 강하는 고정 블레이드(노즐)에서 발생한다. 뉴턴의 제2법칙이 에너지 전달을 설명한다. 펠톤 터빈과 드 라발 터빈이 대표적이다.
• 반동 터빈: 가스 또는 유체의 압력이나 질량에 반응하여 토크를 발생시킨다. 터빈 회전자 블레이드를 통과하면서 압력이 변한다. 뉴턴의 제3법칙이 에너지 전달을 설명한다. 프랜시스 터빈과 대부분의 증기터빈이 이에 해당한다.

7. 현대적 응용

세계 전력의 상당 부분이 터보발전기에 의해 생산된다.

터빈은 육상, 해상, 항공의 가스터빈 엔진에 사용된다.

터보차저는 피스톤 엔진에 사용된다.

가스터빈은 매우 높은 속도로 작동하기 때문에 매우 높은 출력 밀도(즉, 질량 대비 출력 또는 부피 대비 출력)를 갖는다. 우주왕복선 주 엔진은 추진제(액체 산소와 액체 수소)를 엔진의 연소실로 공급하기 위해 터보펌프(터빈 엔진으로 구동되는 펌프로 구성된 기계)를 사용했다. 액체 수소 터보펌프는 자동차 엔진보다 약간 크며(약 약 317.51kg 무게) 터빈은 거의 70000hp(52.2MW)을 생산한다.

터보팽창기는 산업 공정에서 냉동에 사용된다.

참조

_[1] 웹사이트 turbine http://www.etymonlin[...]
_[1] 사전 turbid http://www.etymonlin[...]
_[2] LSJ
_[3] 서적 Turbomachines J. Wiley & Sons
_[4] 서적 Annales de chimie et de physique https://books.google[...]
_[5] 서적 Rapport sur le mémoire de M. Burdin intitulé: Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse https://books.google[...]
_[6] 웹사이트 Common failures in gas turbine blades https://web.archive.[...]
_[7] 웹사이트 Turbinia http://files.asme.or[...] Tyne And Wear County Council Museums 1981-10-01
_[8] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[9] 간행물 The history of the marine turbine, part 1 Royal Institute of Technology, Stockholm, dep of History of technology
_[10] 서적 A Dictionary of Aviation Osprey
_[11] 백과사전 ブリタニカ百科事典
_[12] 사전 Oxford Dictionaries
_[13] 웹사이트 ターボ製品情報 https://www.hks-powe[...] HKS
_[13] 웹사이트 GReddy タービンキット アクチュエータータイプ https://www.trust-po[...] TRUST
_[14] 서적 A Dictionary of Aviation https://archive.org/[...] Osprey