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증기 터빈

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1. 개요2. 역사3. 구조 및 작동원리4. 다른 기관과의 비교
4.1. 디젤 엔진과의 비교4.2. 가스터빈과의 비교
5. 적용분야
5.1. 발전5.2. 선박
5.2.1. 증기터빈을 채용한 선박
5.3. 그 외의 분야
6. 관련 문서

1. 개요

파일:attachment/원자력_터빈.jpg
미쓰비시 중공업이 제작한 원자력 발전소용 증기 터빈
영어: Steam Turbine
일본어: 蒸気タービン
독일어: Dampfturbine

고온 고압의 증기의 열에너지를 회전운동으로 변환하는 외연기관으로, 기존의 피스톤식 증기기관을 밀어내고 21세기 현재에도 발전 및 선박추진기 등으로 널리 쓰이고 있다.

2. 역사

증기의 힘으로 터빈날개를 돌리는 기본 원리상으로는 피스톤식 증기기관에 비해 매우 단순하며, 역사는 고대 그리스 시절까지 거슬러 올라간다. 다만 제대로 된 동력기관으로 제작하기 위해서는 그 터빈 날개와 거기에 딱 들어맞는 밀폐형 기관의 제작이 어려운 편이었고, 소형화도 어려웠기 때문에 그 당시 기술력으로 비교적 제작이 용이하였던 피스톤식의 증기기관이 대세였고, 원시적인 증기 터빈은 상류층의 장난감 정도로밖에 쓰이지 않았다. 이후 20세기에 들어 기계 기술이 발전하면서 증기 왕복 기관의 자리를 대체하였으나, 21세기에 들어선 증기기관(외연 기관) 자체가 작고 가볍고 열효율이 높은 내연기관에 밀려 운송용으로는 쇠퇴하고 발전용으로 주로 사용되었다. 그러다가 다시 가스터빈만 쓰는 것보다는 열효율이 높고 고출력이라는 점, 선박용 디젤보다는 중저음 스펙트럼의 소음이 덜하다는 점, 물을 끓일 수만 있다면 뭐든 열원으로 사용할 수 있다는 특성[1] 덕분에 아이러니하게도 다시 입지를 차지하게 되었다.

현대식 증기터빈은, 발명자인 찰스 파슨스 경(Sir Charles Parsons, 1854-1931)이 1894년에 만든 실험선인 터비니아(Turbinia)에 가장 먼저 적용되었다.
파일:external/www.grantmaclaren.com/turbinia2.jpg
터비니아호
파슨스는 1893년에 동업자들과 함께 파슨스 해운증기터빈회사(Parsons Marine Steam Turbine Company)라는 기업을 설립하고, 길이 32m, 배수량 44.5톤의 작은 실험선박인 터비니아를 건조하였다. 그는 공동현상(cavitation)을 발견하고 대처방법을 마련하는 등 개발과정에서 많은 시행착오를 극복하였고, 최고속도 34.5 노트를 기록하였다. 이 선박의 정체는 일단 1897년까지는 비공개 상태였다.

1897년 6월 26일, 파슨스는 대형 사건을 하나 일으키고 말았다. 그날 영국 남부의 스핏헤드 앞바다에서는 빅토리아 여왕의 즉위 60주년을 기념하는 다이아몬드 주빌리 관함식이 열려 왕족, 귀족, 해군제독, 각국 외교사절 등의 고관대작들이 몰려 있었는데, 파슨스는 그 배를 몰고 관함식장을 헤집어 놓았다. 터비니아는 2열로 늘어선 대형 전함들과 순양함 사이를 질주하는가 하면 급가감속을 반복하는 등의 성능 과시를 하였고, 영국 해군의 경비정이 서둘러 터비니아를 제지하려 했지만 터비니아가 압도적으로 빨랐기 때문에 결국 놓치고 말았다.
파일:external/upload.wikimedia.org/1280px-Turbinia_At_Speed.jpg
1897년 당시의 터비니아 사진(관함식 사건 이후 촬영됨)
영국 왕실과 해군 측은 뜻하지 않은 사태에 경악하면서도, 이전의 선박에서 전혀 볼 수 없었던 고속성능에 크게 감명을 받았고, 그 괴선박의 정체를 조사하여 파슨스의 소행임을 알아냈다. 결국 파슨스는 1899년에는 영국 해군으로부터 신형 구축함 바이퍼함(HMS Viper)와 코브라함(HMS Cobra)의 수주를 따내게 되었고, 1905년에는 영국 해군이 앞으로 도입할 군함은 터빈 추진식이 될 것임을 천명하기에 이르렀다. 이러한 경향은 1906년, 최초의 증기터빈 추진방식을 채택한 전함인 드레드노트함(HMS Dreadnought)의 탄생으로 이어졌다.

상선에서는 20세기의 첫해인 1901년에 진수한 562톤급의 킹 에드워드호(TS King Edward)에 처음으로 적용되었고, 여기에도 파슨스의 증기터빈이 탑재되었다. 킹 에드워드는 대성공을 거두며 상선의 추진기관으로서도 증기터빈이 적합함을 증명하여 반 세기 넘게 운용되다가 1952년에 퇴역했다.

파슨스의 회사는 이후 수차례의 인수합병을 거쳐 롤스로이스로 흡수되었다가, 1997년 롤스로이스가 증기터빈 사업부를 독일의 중공업 회사인 지멘스에 매각한 이후, 지멘스의 사업부로서 존속해 있다.

3. 구조 및 작동원리

1942년 영국 해군의 교육영상 A76, '증기 일으키기'
구축함의 추진 기관 구조 및 작동 방식, 시동 방법 등을 설명한다.
기본적인 원리는 가스터빈과 같다. 즉 고온고압의 기체를 축에 연결된 수많은 회전날개에 부딪쳐서 축을 돌리게 하여 그 기체의 열에너지를 운동에너지로 전환하는 것이다. 운동 자체가 단순하여, 왕복엔진에서처럼 왕복운동을 회전운동으로 전환하기 위한 장치, 밸브 개폐기구 등이 필요하지 않아 구조 또한 간단하다.

게다가 내연기관인 가스터빈이 흡기, 배기를 위해 바깥 공기와 접촉하고 있는 것과는 달리 달리 밀폐되어 있으며, 구동에 쓰고 남아 식은 증기를 다시 보일러로 보내서 재가열하여 사용하는 식으로 효율을 높일 수 있다.

증기터빈에는 스웨덴의 구스타프 드 라발(Gustaf de Laval, 1845-1913)이 발명한 충동식터빈(impulse turbine)과 찰스 파슨스 경이 발명한 반동식터빈(reaction turbine)이 있으며, 용도에 맞게 이 두 가지의 다른 터빈이 조합되어 효율을 높인다.

4. 다른 기관과의 비교

4.1. 디젤 엔진과의 비교

  • 구조가 간단하다.
  • 기관에 걸리는 압력 및 온도가 낮다.
  • 열효율은 증기터빈이 35~40%, 디젤엔진이 40~50% 정도로 디젤엔진이 근소하게 높다.
  • 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 과정이 없으므로 디젤엔진 특유의 소음 및 진동이 상당부분 해소된다.
  • 기관의 대형화에 유리하다. 축당 30,000 마력을 넘는 경우에는 증기터빈이 경제성, 신뢰성 측면에 모두 유리하다. 반대로 축당 20,000 마력 미만의 경우 디젤엔진의 경제성이 뛰어나기 때문에 보통은 요구되는 출력에 따라 기관을 선택하게 된다.

4.2. 가스터빈과의 비교

  • 물을 끓여서 증기를 만들기 위한 보일러가 필요하기 때문에 부피가 크다. 단 가스터빈은 기관 자체는 작지만 흡기 및 냉각계통의 크기는 더 커진다.
  • 가스터빈과는 달리 흡기계통의 저항이 적다.
  • 가스터빈의 열효율인 22~38%에 비해서 열효율이 높아 경제성이 좋다.
  • 가스터빈보다 기관에 걸리는 압력 및 온도가 낮다. 사실 선박의 세 추진방식 중에서는 가장 저온, 저압이다. 물론 그래도 수백 도는 가뿐히 넘어가지만.
  • 가스터빈에 비해 구조적으로 단순한 편이라 신뢰성이 더 높다.
  • 보일러를 가동하여 증기의 온도와 압력을 적정수준으로 만드는 데에 상당히 긴 시간이 필요하므로 가스터빈에 비해 신속대응이 어렵다.

5. 적용분야

5.1. 발전

화력 발전소[2]나 원자력 발전소, 일부 태양열 발전 등에 이용된다. 풍력/수력/조력 발전 및 가스 터빈 등 증기 외의 유체로 터빈을 돌리거나 광전 효과를 이용하는 태양광 발전, 열전 효과를 사용하는 열전 발전, 연료의 폭발력으로 피스톤을 왕복시키는 디젤/가솔린 발전 방식을 제외하면 대다수의 '발전'은 기본적으로 열을 얻는 방식만 다를 뿐, 근본적으로 얻은 열로 가압된 물을 끓여서 고온 고압의 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌려 연동된 발전기를 돌린다는 구조에는 차이가 없다. 이 때문에 우스갯소리로 핵융합 발전[3] 같이 온갖 첨단 과학기술의 정수가 몰린 미래 발전 장치도 결국엔 물을 끓여 터빈을 돌린다는 최종 단계는 똑같다는 말이 있다.[4] 물의 끓는점은 100℃로 높은 편이므로 물보다 끓는점이 낮은 다른 물질의 증기를 사용하여 효율을 올리려는 시도도 있다.

대체로 50Hz 교류발전에는 3000rpm, 60Hz 교류발전에는 3600rpm의 회전속도를 낸다.[5] 발전용 증기터빈의 경우는 고속회전이 중요하기 때문에 많은 경우 감속기어를 탑재하지 않고 발전기와 직결된 경우가 많다. 발전기를 가동시킬 경우 전력망의 위상과 주파수에 정확히 맞도록 동기화시켜주는 작업을 진행한다.

때문에 증기 터빈은 기력 발전이라고도 한다. 이 터빈 제조 기술은 미국의 GE, 독일의 지멘스, 일본의 미쓰비시 등 선진국들만 독점하고 있으며, 국내에서 발전용 터빈을 만들 수 있는 곳은 두산중공업뿐인데, 이마저도 체코의 스코다 파워[6]를 인수하면서 얻어낸 기술이다.

5.2. 선박

강한 힘을 낼 수 있기 때문에 선박 추진기에 사용되는 경우가 많았으나, 현재는 디젤 엔진 및 가스터빈에 시장을 많이 잠식당한 상태이다. 특히 과거의 전함이나 순양함처럼 몇 만 톤 단위의 거대 함선들이 구식화되면서, 만 톤 이하의 비교적 경량 함선들이 주류를 이루는 현대 군함들은 기동성을 위해 가스터빈을 사용하는 경우가 많다. 다만 항공모함은 여전히 크고, 기동성보단 출력, 작전기간, 항속거리가 중요하기 때문에 증기터빈을 사용한다. 일부 사람들은 니미츠급 항공모함에 증기터빈이 있다고 하면 믿지를 못하고 "원자력 항공모함에 무슨 증기터빈이죠? 니미츠급은 핵추진이니깐 당연히 핵으로 가는 거 아닌가요?[7] 무슨 중국 항모도 아니고..." 라고 반응하지만, 실제로는 그 핵추진 체계라는 것 자체가 결국에는 보일러가 석탄, 중유보일러에서 원자로라는 이름의 "핵물질 보일러"로 바뀌었을 뿐, 열원으로부터 나온 열에너지를 이용해 물을 가져다 대어 끓여서 증기로 만들고 그걸 매개체로 터빈을 돌려 함체 추진기관을 구동하는 전통적이고 전형적인 증기터빈 기관일 뿐이라는 것에는 변함이 없다. 인류가 보유한 기술 중, 열에너지를 회전에너지로 전환하는 데 가장 효율적인 방식은 터빈 기술이므로 향후 수백 년간 이러한 방식은 크게 변하지 않을 예정이다.

LNG운반선의 경우엔 근 10년 내에 건조된 경우[8]를 제외하면 외연기관을 사용한다. LNG 운송 시 기화하는 걸 완전히 막을 순 없으므로 기화하는 가스를 태워 보일러를 작동시키는 방식이다. 또한, 화물(LNG) 선적 하루 전에는 주기관이 외연기관이든 디젤엔진이든 화물창 내에 약간 남겨둔 LNG를 소모해 운항한다. 선적 전 화물창을 냉각시키는데 이만큼 효율적인 게 없기 때문이다. 단열팽창의 효과를 이용한 것이다.

고압터빈에서는 5000~7000 rpm, 저압터빈에서는 3000~5000 rpm 정도의 회전속도를 내며, 2단기어 감속기나, 유성기어를 채택한 3단기어 감속기 등을 탑재하여 적정 회전수를 낸다. 상선에서의 스크루 프로펠러의 적정 회전수는 80~150 rpm이다.

5.2.1. 증기터빈을 채용한 선박

국가별, 초도함의 취역연도별로 기재한다. 국가별 순서는 미국-러시아제국/소련/러시아-기타 국가 가나다순으로 정리한다.

5.3. 그 외의 분야

기관차 등에서도 실험적으로 적용된 적이 있으나 상업적으로 활용되지는 못했다. 또한 자동차나 항공기에서는 외연기관이 무겁고 부피가 커서 이용상 난점이 있기 때문에 쓰이지 않는다. 비행선에서 쓰이기도 했다.

6. 관련 문서


[1] 가스터빈도 왕복 기관에 비하면 연료를 가리지 않는 편이긴 하나, 그래도 이 쪽은 내연 기관인 이상 연료가 유체이긴 해야 한다. 하지만 증기 기관은 내연 기관 입장에선 말도 안 되는 온갖 기상천외한 재료들을 열원으로 쓸 수 있다. 화목, 석탄 정도는 양반이고 쓰레기, 원자력, 심지어 가스터빈 배기구에서 나오는 고온의 폐열까지.[2] 석탄 화력이나 쓰레기 소각을 겸하는 열병합 발전소에는 빼박 증기 터빈 이외에 답이 없다. 가스/석유 발전소의 경우 현대에 와서는 보통 가스 터빈을 사용하나, 가스 터빈의 배기구에 폐열 회수 증기 터빈을 달아 열효율을 끌어 올리곤 한다.[3] 결국 핵융합 발전도 중수소와 헬륨을 이용해서 터빈을 돌리려고 만드는 것이다. D+He3, p+B11 등 비중성자(Aneutronic) 핵융합 발전은 예외. 융합 과정에서 발생되는 입자의 전하를 사용하여 직접 발전이 가능하다.[4] 우스갯소리로 악마가 증오, 분노, 슬픔 등의 마이너스 감정으로 에너지를 모아 뭘 할거냐 하니 그 에너지로 물을 끓여 터빈을 돌린다. 라는 짤방이 돌아다니기도 한다.#[5] 전자기 유도에 따라, 교류 발전기의 전압의 위상은 회전하고 있는 터빈에 연결된 도선의 각도와 일치한다. 50 Hz는 초당 50 번 진동함을 뜻하니 분당 회전수는 50(회/sec) × 60(sec/min) = 3000rpm임을 알 수 있으며, 60 Hz 또한 같은 계산 방식에 따라 3600rpm이 된다.[6] 이름이 익숙한 사람들도 있을 것이다. 왜냐하면 이 회사는 다름아닌 LT vz. 35, LT vz. 38 등 체코제 기갑차량들과 각종 화포, 자동차 등으로 꽤 이름날리던 그 스코다의 계열사다.[7] 이런 순수 원자력 에너지로만 추진하는 기술은 현실에선 아직 불가능하며 스타트렉이나 헤일로 시리즈 같은 SF에서나 볼 수 있다. 같은 이유로 현실 원자력 발전소에도 증기터빈이 장비되어 있다.[8] 근 10년 전부터는 중유와 LNG를 모두 사용할 수 있는 해운용 디젤엔진이 일반화되었다. 이 경우에는 증기터빈을 탑재할 필요가 없어진다.[9] 1930년대 중후반 함포순양함. 7.1인치 3연장 주포일체구동형 포탑 3기로 무장한 것으로 주포 간격이 심각히 좁아 명중률은 극악이나 아이오와급의 16인치 주포보다 단 몇백미터 짧은 수준의 체급대비 압도적 사거리를 보유했던 물건이다. 후술할 차파예프도 그렇지만, 소련의 순양함들은 전통적으로 폭뢰를 가졌으며 키로프급도 마찬가지로 대잠무장으로 폭뢰를 보유했다.[10] 상기된 최초의 증기터빈선.[11] 역시 상기된 최초의 증기터빈 장착 군함[12] 참고로 건함사의 한 획을 그은 배로 전함 중에서는 최초로 증기터빈을 채용했고, 중간포를 폐지했으며, 이후에는 전차들에게까지 확대되어 적용되는 대응방어를 확보했으며, 쓰시마 해전 당시 일본군의 일제사격을 본 영국 해군 제1 해군경 존 피셔의 연구 결과가 반영되어 해군에서의 사격통제의 개념을 확립했고 또한 해군에 협차 개념을 도입했다. 그렇게 건조된 HMS 드레드노트의 영향은 무시무시한 수준이었는데, 드레드노트 취역 이후 냉전기 가스터빈 도입 이전까지 전세계의 모든 신조 함선들은 모조리 드레드노트의 영향을 강하게 받아 증기터빈을 장착해 고속성을 확보하고, 사격통제장치를 개발 배치했으며, 중간포를 폐지한 것에서 얻은 경험을 바탕으로, 주포-부포-대공화기 개념으로만 무장하게 되었다. 이후 이러한 무기체계는 2차대전 중 활약한 미국의 5인치 38구경장 양용포와 유도어뢰 등 유도무기류의 개발과 양용포의 활약에 밑바탕이 된 VT신관 및 사통장치의 성능 향상의 원인이기도 했던 레이더의 출현 등으로 인하여 다시 한번 변화를 거친다.[13] 3개의 주기관중 중앙 기관만 해당. 좌우현은 왕복엔진.

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