가스터빈은 항공 엔진과 발전 시스템에서 널리 사용되는 핵심 기계로, 그 열역학적 이상 사이클은 브레이튼 사이클로 정의됩니다. 브레이튼 사이클을 이해하는 것은 가스터빈 성능 향상과 설계 최적화를 위해 중요합니다. 이 사이클은 두 개의 정압 과정과 두 개의 단열 과정으로 구성되며, 실제로는 개방형 사이클(Open Cycle)입니다. 브레이튼 사이클의 각 과정과 효율에 영향을 미치는 요소를 자세히 살펴보겠습니다.
브레이튼 사이클의 4단계 과정
① → ②: 단열압축 (압축기에서 등엔트로피 압축 과정)
공기가 압축기에 의해 단열압축됩니다. 이 과정에서 공기의 온도와 압력이 상승하며, 에너지 손실은 무시됩니다.
② → ③: 정압가열 (연소기에서 연료 연소)
압축된 공기는 연소기에서 연료와 혼합되어 연소됩니다. 이 과정에서 가스의 온도가 높아지지만, 압력은 일정하게 유지됩니다.
③ → ④: 단열팽창 (터빈에서 등엔트로피 팽창 과정)
고온·고압의 연소가스는 터빈을 통해 팽창하며 터빈을 회전시킵니다. 이 과정에서 가스의 온도와 압력이 감소하고, 터빈은 이 에너지를 전기에너지로 변환합니다.
④ → ①: 정압냉각 (대기로 방열)
팽창된 연소가스는 대기로 배출되며, 공기 흡입(1번 과정)으로 사이클이 재개됩니다.
브레이튼 사이클의 가정과 실제 차이
브레이튼 사이클은 이상적인 상태를 기반으로 하지만, 실제 가스터빈은 여러 비가역성과 손실을 포함합니다. 가정된 조건은 다음과 같습니다:
- 마찰이 없고, 작동 유체의 흐름에 저항이 없음.
- 모든 압축 및 팽창 과정은 평형 상태에서 단열적으로 진행.
- 운동 및 위치에너지 변화는 무시.
그러나 실제로는 열 손실, 냉각 손실, 유체 저항 등이 존재하며, 이를 최소화하는 것이 설계의 핵심 과제입니다.
가스터빈 효율에 영향을 미치는 요인
1. 압력비(Pressure Ratio)
정의: 압축기 입구 압력과 출구 압력의 비율.
영향: 압력비가 높을수록 가스터빈 효율이 증가합니다. 다만, 일정 수준 이상에서는 비출력이 감소하므로 최적의 압력비 설정이 중요합니다.
2. 연소 온도(Firing Temperature)
정의: 가스터빈에서 발생할 수 있는 최고 온도, 터빈 입구 온도(TIT)로도 불림.
영향: 연소 온도가 높을수록 효율과 출력이 증가합니다. 하지만 높은 온도는 소재의 내열 성능을 요구하며, 냉각 시스템 설계가 중요한 역할을 합니다.
가스터빈 성능 최적화를 위한 설계 요소
1. 압축기 설계
공기 압축은 가스터빈 효율에 결정적인 영향을 미칩니다. 고효율 압축기는 압력비를 높이고 에너지 소비를 줄이는 데 기여합니다.
2. 터빈 블레이드 및 냉각 기술
터빈 블레이드는 고온 환경을 견뎌야 하며, 냉각 기술이 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 공기는 연소 후 냉각제로 사용되며, 냉각 손실을 줄이는 기술이 중요합니다.
3. 복합 사이클 적용
가스터빈과 증기터빈을 결합한 복합 사이클(Combined Cycle)은 단일 가스터빈보다 높은 효율을 제공합니다. 복합 사이클에서는 압력비가 증가해도 효율 저하가 적어 경제성이 우수합니다.
4. 소재 및 제조 기술 발전
고온 환경에서 견딜 수 있는 합금 및 세라믹 소재가 사용됩니다. 높은 클래스로 분류된 가스터빈일수록 고성능 소재가 적용되어 출력과 효율이 높아지지만, 제작 비용이 증가합니다.
가스터빈의 구조와 작동 원리
가스터빈은 크게 압축기, 연소기, 터빈으로 구성됩니다.
공기는 압축기를 통해 고압 상태로 압축됩니다.
연소기에서 연료와 혼합된 공기가 연소되어 고온·고압의 가스를 생성합니다.
터빈은 이 고온의 연소가스를 팽창시켜 회전 동력을 생성하며, 이를 통해 발전기에서 전기가 생산됩니다.
브레이튼 사이클은 가스터빈의 기본 작동 원리를 이해하는 데 필수적인 이론입니다. 가스터빈의 성능은 압력비, 연소 온도, 냉각 기술, 그리고 복합 사이클 구성 등에 의해 크게 좌우됩니다. 효율을 극대화하고 손실을 최소화하기 위해서는 최적의 설계와 재료 기술이 중요합니다. 특히 터빈 블레이드의 내구성과 냉각 시스템 설계는 고온 환경에서의 성능에 직접적으로 기여합니다.