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1. 개요
| 제너럴 일렉트릭의 가스터빈 작동 원리 소개 영상 |
| Gas turbine |
압축터빈으로 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시켜 나온 에너지를 터빈을 통해 운동 에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 열기관을 말한다. 개념이 신축적인 편이다.
2. 역사
1906년, 노르웨이 엔지니어 옌스 애기디우스 엘링이 최초로 잉여출력을 생산할 수 있는 가스터빈을 개발했다.1944년, 독일은 5호 전차 판터에 항공기용 제트엔진으로 개발된 BMW 003을 기반으로 만든 GT 101 가스터빈 엔진을 장착하는 테스트를 했다.[1]
1948년, 프랑스의 엔진회사 터보메카가 터보샤프트 엔진을 헬리콥터에 탑재했다.
1954년, 미국의 크라이슬러가 승용차용으로 적용을 연구했다. 1963년, 미국의 크라이슬러가 크라이슬러 터빈 카를 55대 선보였다. 9대만 판매되었고, 시모델은 대여형식으로 총 주행거리 100만마일 테스트를 거쳤으나 시장성이 없었다. 주행영상 영문위키 회사가 휘청이는 중에도 가스터빈 기술에 계속 투자해 1977년, 크라이슬러 레 바론에 기반한 콘셉트카를 출품했다. # 1978년, 리 아이아코카가 크라이슬러의 CEO로 임명되자 구조조정의 일환으로 개발을 중단시켰다. 1979년, M1 에이브람스에 본 기술이 쓰였다.
2023년 7월 28일, 두산에너빌리티의 가스터빈이 240시간 연속운전시험을 마치고 상업화했다. 이로서 대한민국은 가스터빈을 국산화해냈고, 발전 가스터빈을 자체 개발한 5번째 국가가 되었다. #
2.1. 수소 터빈
2023년 6월 21일, 한화임팩트가 대산에서 80MW급 가스터빈으로 세계 최고 혼소율인 59.5%의 수소 혼소 발전에 성공했다. 이 기록은 4개월만에 지멘스에 의해 깨졌다. #2023년 10월 25일, 지멘스가 100% 수소만 사용하는 가스터빈을 성공적으로 가동했다. #
2024년 7월 31일, 남부발전·어프로티움·E1·두산에너빌리티가 암모니아 크래킹 청정수소전소발전 프로젝트를 시작한다. #
3. 종류
3.1. 외연 기관 가스 터빈
외연기관 가스터빈은 연료의 연소열로 가스를 가열하여 얻은 고온 고압의 가스를 터빈 블레이드로 분사하여 동력을 얻는 방식으로, 원리는 증기터빈과 같으나, 열 전달매체가 물이 아닌 가스란 점과, 압축 단계에 펌프를 통한 액체 압축이 아닌 압축기를 통한 기체 압축이란 점이 다르다. 이러한 유형의 가스터빈은 다시 폐회로 가스터빈과 개회로 가스터빈으로 나눈다.이러한 외연기관형 가스터빈은, 분탄(석탄 분진)이나 바이오매스같이 내연기관에서 연소가 불가능한 연료인 경우, 또는 원자력 등 연소생성물이 터빈에 직접 닿아선 곤란할 경우 사용된다. 설비가 크고 복잡하므로 차량용으로는 적합하지 않으며, 주로 발전용으로 쓴다.
- 개회로 가스터빈 - 외부에서 흡입한 공기를 열에너지의 매체로 사용하며, 가열되어 터빈을 구동한 공기는 대기중의 저열부로 배출된다.
- 폐회로 가스터빈 - 터빈을 구동한 가스가 열교환기를 거쳐 열을 배출한 뒤, 저온 상태에서 다시 압축기로 공급된다.
3.2. 내연 기관 가스 터빈
내연 기관 가스 터빈은 축류 또는 원심식 압축기를 통해 들어온 압축 공기를 연소실에서 연료와 연소시킨 후, 분사되는 고온 고압의 연소가스가 터빈을 통과하며 압축기를 구동함과 동시에 실 동력을 얻는 기관이다. 이는 일반적인 왕복동 엔진의 흡입-압축-폭발-배기 사이클을 선형으로 배열한 것과 같다. 왕복동 엔진이 4개의 사이클을 반복하기 위해 왕복운동을 하며, 각 사이클의 상사점과 하사점에서 피스톤이 반드시 정지해야 하는 것과는 달리, 가스터빈은 오직 가스의 선형적인 운동과 터빈 및 압축기의 회전운동만으로 이루어져 있으므로 진동이 적음과 동시에 높은 RPM을 얻는 데 매우 유리하다. 항공기에 쓰이는 제트 엔진이 이런 방식이다.- 터보제트 - 압축기-연소실-배기터빈의 구조로 이루어진 가장 단순한 가스터빈. 구조가 간단하고 제작효율 및 신뢰성이 높으나, 연비가 나빠서 상업용, 군용 항공기에서는 도태되었고, 제작 단가가 싸기 때문에 일회용품인 순항 미사일 등에 주로 쓰고 있다. 터보제트엔진에서 터빈은 그저 압축기를 돌릴 뿐이며, 터보제트 엔진의 실제 동력은 분사 가스의 반동력 뿐이다. 따라서 엄밀한 의미론 가스터빈이 아니지만, 구조 및 작동원리가 가스터빈과 유사하므로 광의의 가스터빈에 포함한다.
- 터보팬 - 터보제트 엔진 코어에 추가로 터빈을 장착하여 여기에서 나온 동력으로 팬을 구동하는 엔진. 팬을 통과한 공기는 압축기와 연소실을 거치지 않고 터보제트 코어 주변을 그대로 우회(bypass) 통과하여 후방으로 분사되어 추력을 낸다. 따라서 바이패스제트(bypass jet)라고도 하며, 최고속도는 터보제트에 비해 불리하나 큰 추력을 얻을 수 있고 경제성이 뛰어나서 현대의 제트기용 엔진으로 가장 널리 쓰이고 있다. 위의 터보제트의 개량형이면서 오히려 가스터빈의 뜻과 그 목적에 부합하게 되었다. 터빈이 돌리는 팬이 프로펠러처럼 다시 동력을 일으키고 있고, 그 동력이 전체 동력에서 차지하는 비중이 적지 않기 때문이다.
- 터보프롭 - 가스터빈의 동력을 내부 축을 통해 전방으로 전달하여 프로펠러를 구동한다. 시속 400~600km 대의 중고속에서 효율이 뛰어난 엔진이다.
- 터보샤프트 - 원리상 터보프롭과 비슷하나, 동력축이 프로펠러가 아닌 다른 장치에 물려 있는 경우에는 보통 터보샤프트라고 부른다.[2] 고속이 필요하지 않은 헬리콥터, 선박 등의 추진기관 및 화력발전용으로 널리 쓰인다. 좁은 의미로 가스터빈[3]이라고 하면 보통 이것을 의미한다.
4. 다른 방식의 추진장치와의 비교
4.1. VS 디젤 엔진
- 왕복 운동을 회전 운동으로 바꿀 필요가 없어서 진동이 적다.
- 일반적인 작동 조건[4]에서 열 효율은 28~33% 정도로, 디젤엔진이 40~50% 정도인 데에 비해서는 낮다. 따라서 연비는 디젤 엔진보다 떨어진다.
- 디젤 엔진에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 낮다.
- 고속 운전과 급가속에 유리하다.
- 최대 출력이 일반적으로 디젤엔진에 비해 훨씬 크고, 출력을 증강하는 것도 보다 용이하다.
- 기관 자체의 소형화가 가능하다. 미국의 M1 에이브람스 전차가 가스터빈을 채택한 이유 중 하나가 차체에서 파워팩이 차지하는 공간을 줄여서 남는 공간에 장갑을 할당하기 위함이었다.
- 디젤 엔진은 거릉거릉 거리는 저주파 소음을 내는데, 그 소음이 먼거리까지 퍼진다. 따라서 군용[5]으로 사용되었을 때 저주파의 특성상 소음을 차폐하거나 감쇄시키는 것이 기술적으로 어려워서 소음 피탐지 문제가 크다. 반대로 가스 터빈은 위이이잉~ 하는 고주파 소음이기 때문에 상대적으로 장거리에서 감쇄율이 크고 소음을 감쇄시키기도 보다 용이해서 소음 피탐지 문제에서 좀더 유리하다. 배기 분사구 근거리에서는 훨씬 시끄럽지만(...) 이 소리를 들을 정도로 적이 가까이 왔다는 것은 아군 입장에서 비상 사태이므로 군사적으로는 큰 단점으로 간주되지 않는다.
4.2. VS 증기 터빈
- 내연 기관이기 때문에 증기 터빈에 필요한 보일러, 원자로 등 추가열원이 필요없다.
- 작동압력에 도달하기 위해 물을 펌프로 압송하는 증기 터빈과 달리, 기체상태의 작동 유체를 압축기로 압축한다. 기체의 비체적이 액체보다 압도적으로 크기 때문에, 증기 터빈의 물펌프가 전체 출력에서 미미한 양의 동력만 사용하는 것과 달리, 가스터빈의 압축기는 소요 동력이 크고, 그만큼 출력 동력이 떨어져서 효율에 손해를 본다.
- 증기 터빈의 열효율인 35~40%에 비해 열효율이 낮다.
- 증기 터빈에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 높다.
- 연소실에서 공기를 단순히 가열하는 것이므로, 물의 상변화 과정이 필요한 증기 터빈보다 기동 소요 시간이 적게 걸린다.
5. 관련 문서
6. 외부 링크
[1] 혹은 야크트티거에 시험적으로 달아봤다는 이야기도 있다. 어느 쪽이든 양산되지는 않았다.[2] 동력축은 후방으로 향하는 경우도 있고, 터보프롭이나 터보팬에서와 같이 중공축을 통과하여 전방으로 동력을 보내는 경우도 있다. 예를 들어 UH-60 헬리콥터에 쓰이는 GE T700계열 엔진은 프론트 드라이브 모델과 리어 드라이브 모델이 둘 다 있으며, 다중 리어 드라이브 모델은 수리온 헬리콥터에만 쓰인다.[3] 터보샤프트엔진은 가스터빈엔진의 하위 개념으로 영미권에서는 헬기엔진을 지칭할 때는 굳이 세분해서 부르는 편이지만, 또 한편으로는 군함의 엔진을 지칭할 때는 그냥 가스터빈엔진(개스 터바인)이라고 뭉뚱그려서 부른다. 독일어에서는 심지어 그냥 둘 다 Gasturbine이라고 부른다. 사과를 과일이라고 부른다고 해서 틀린 것은 아니다. 헬리콥터에서는 동력 전달 방향을 엔진 회전 방향과 90°로 틀어 메인 로터를 구동하니까 샤프트가 중요하고, 선박에서는 디젤 왕복 엔진인지 가스터빈인지가 중요하다. 보통 저속 효율은 디젤 엔진이 좋고, 가스터빈은 고속 효율이 좋다.[4] 출력 변동을 최소화하고, 최고 출력에 가깝게 고속 운전시키는 조건에선 폐열 회수 증기 터빈을 제외하고 가스터빈의 효율만 40% 이상 나오기도 한다.[5] 특히 해군 함정용[6] 가스터빈을 동력원으로 쓰는 몇 안 되는 동구권 전차다.[7] 가스터빈을 사용했던 거의 유일한 승용차. 소량이 리스 형식으로 판매된 적도 있으나 양산으로 이루어지지는 못했다.[8] 2020년대 이후 화력 발전소, 특히 기존에 천연가스를 연료로 쓰던 가스 터빈 발전소들을 '좌초자산' 취급 말고, 수소를 혼입하면 탄소중립적이라는 논리가 등장했다. 가스 터빈은 연료를 가리지 않는 편이기도 하고, 오히려 질량 대비 발열량이 큰 저분자 연료를 쓸 때 효율이 더 좋기도 하다. 수소는 이런 연료의 끝판왕인 셈. 물론 그래서 수소를 어떻게 생산할 것이냐는 문제가 걸리기는 하나, 이 문제가 해결되었음을 전제하면 수소를 다시 전기와 열로 바꾸는 방식으로는 경쟁력이 있다. 기존 인프라를 활용할 수 있고, 연료 전지 대비 고출력을 낼 수 있으면서 출력 대비 저렴하고, 가스 터빈의 축 동력+폐열 회수 증기 터빈의 축 동력+지역 난방으로 폐열 활용까지 고려한 종합 열효율도 연료 전지에 밀리지 않기 때문이다.