가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈의 세 가지 주요 부품으로 구성되며, 주로 압축기와 터빈에서 에너지 손실이 발생합니다. 이러한 손실은 터빈 출력 감소로 이어지는데, 이는 압축기의 성능에 큰 영향을 받습니다. 가스터빈은 그 축의 구성 방식에 따라 다양한 형태로 구분되며, 각 구성 방식은 사용 목적에 따라 다르게 적용됩니다. 이번에는 가스터빈의 축 구성에 따른 종류와 각 유형의 특징을 깊이 있게 알아보겠습니다.
가스터빈의 축 구성에 의한 분류
가스터빈의 축 구성 방식에 따라, 크게 일축형, 이축형, 그리고 다축형으로 나뉩니다. 이들 각각은 특정 용도에 맞춰 설계되어 있어 발전, 선박, 자동차, 항공 등 다양한 산업에 맞춤형으로 사용됩니다.
1-1. 일축형 가스터빈 (Single Shaft Gas Turbine)
일축형 가스터빈은 압축기와 터빈의 축이 하나로 연결된 구조로, 주로 발전용으로 널리 사용됩니다. 이 구성은 비교적 간단하며 고용량으로 제작하기 용이하다는 장점이 있습니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.
구조 간소화: 일체형 구조로 인해 가스터빈 시스템이 단순해지고, 대용량으로 쉽게 설계할 수 있어 대형 발전 설비에 적합합니다.
기동장치 필요성: 대용량 설비의 경우 기동장치가 큰 동력을 요구하므로 이에 적합한 기동 시스템이 필요합니다.
열효율: 다른 유형의 가스터빈에 비해 열효율이 다소 낮지만, 일정한 속도와 부하 조건에서 Base Load 운전에 최적화되어 연속적으로 안정적인 운전을 제공합니다.
최근에는 설계기술 발전으로 열효율이 크게 향상되었고, 압력비 35, 열효율 25-35%를 달성하는 일축형 가스터빈도 생산되고 있습니다. 일부 최신 모델은 열효율이 40%를 초과하고 터빈 입구 온도가 1,700°C에 도달하는 고효율 설비로 발전했습니다.
1-2. 이축형 가스터빈 (Twin Shaft Gas Turbine)
이축형 가스터빈은 압축기와 터빈이 두 개의 축으로 분리된 구성으로, 대형 선박 엔진이나 자동차 등에서 부하 변화와 속도 조절이 필요한 경우에 적합합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.
기동 용이성: 기동장치가 작아 기동에 필요한 동력이 적으며, 그 결과 기동이 빠르고 효율적입니다.
소용량 제작 적합성: 소규모로 제작할 수 있어 다양한 부하 변동 상황에 신속하게 대응할 수 있습니다.
구조 복잡성: 터빈이 두 축으로 분리되어 있어 구조가 다소 복잡하며, 장시간 연속 운전에는 적합하지 않습니다.
부분 부하 효율: 부분 부하 운전 시 열효율 저하가 비교적 적어 효율적인 운영이 가능합니다.
이러한 이축형 가스터빈은 빠른 응답성과 부하 변동을 요구하는 시스템에 적합하여, 특히 해양 엔진 및 산업용 설비에 널리 사용되고 있습니다.
1-3. 다축형 가스터빈 (Multi Shaft Gas Turbine)
다축형 가스터빈은 압축기와 터빈을 여러 축으로 나누어 구성한 형태로, 항공용 엔진에서 유래된 모델입니다. 이러한 다축 구조는 특히 압축기의 성능과 효율을 향상시키기 위해 사용됩니다.
압축 효율 향상: 다축 구성으로 압축기를 여러 개로 분리하여 각각 독립적으로 속도를 조절할 수 있습니다. 또한, 중간냉각기를 채택하여 압축 효율을 극대화할 수 있어, 고압력비를 필요로 하는 설비에 적합합니다.
Surge 현상 감소: 다축형 압축기는 압축비가 높아질 때 발생할 수 있는 압축기의 Surge 현상을 방지하는 데 유리합니다. 이를 통해 시스템 안정성을 더욱 높일 수 있습니다.
응용 분야: 다축형 가스터빈은 주로 항공용으로 개발되었으나, 현재는 GE와 롤스로이스(Rolls-Royce) 등의 기업에서 발전용으로도 개조하여 상업적으로 운영하고 있습니다.
가스터빈 성능에 영향을 미치는 요소
가스터빈은 작동 온도와 구성 요소의 성능에 따라 성능이 좌우됩니다. 최신 기술을 적용한 고성능 가스터빈은 터빈 입구 온도를 높이고 압축기 성능을 개선하여 고효율, 고압력비를 실현하고 있습니다. 특히 1,500°C 이상의 입구 온도와 35 이상의 압력비를 구현하여 열효율을 40% 이상으로 끌어올리는 것이 최신 가스터빈 기술의 주된 목표입니다.
가스터빈의 축 구성 방식에 따른 분류는 설비의 용도와 사용 환경에 맞춰 다르게 적용됩니다. 일축형 가스터빈은 주로 대형 발전설비에, 이축형 가스터빈은 부하 변동이 잦은 시스템에, 다축형 가스터빈은 고압력과 효율이 요구되는 항공 및 일부 고성능 산업에 적합합니다. 기술의 발전으로 각 구성 요소의 성능이 개선되고 있으며, 열효율과 내구성을 높이는 방향으로 연구가 계속되고 있습니다. 고도의 설계와 기술이 집약된 가스터빈은 산업 전반의 핵심 에너지 공급원으로 자리 잡고 있으며, 앞으로도 고효율화를 위한 기술 발전이 지속될 것입니다.