가스터빈 사이클 (Brayton Cycle)

 

 

가스터빈은 연료를 연소해 발생한 고온·고압의 가스가 터빈 블레이드를 회전시키는 방식으로 동력을 얻는 열기관입니다. 이 과정은 주로 브레이튼(Brayton) 사이클이라는 열역학적 사이클에 따라 진행됩니다.

핵심 구성요소 

1. 공기흡입설비(Air Intake System)

 

역할: 대기 중의 공기를 가스터빈 내부로 유입시키는 첫 관문입니다.

구조 :

• 흡입구(Air Inlet/Intake): 공기를 받아들이는 입구로, 엔진의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 필터(Filter): 대기 중의 먼지, 모래, 이물질 등 기계적 손상을 유발할 수 있는 입자를 걸러냅니다.
• 덕트(Duct): 공기의 흐름을 압축기로 원활하게 안내합니다.

특징:

• 흡입구의 형태는 사용 환경(예: 항공기 아음속/초음속)에 따라 확산형, 수축-확산형 등으로 설계됩니다1.
• 필터는 고효율로 미세 입자를 제거해 압축기와 터빈의 손상 및 마모를 방지합니다

2. 압축기(Compressor)

• 역할: 대기 중의 공기를 빨아들여 고압으로 압축합니다. 압축된 공기는 연소기로 보내져 연료와 혼합·연소됩니다.
• 구조: 일반적으로 여러 단계(스테이지)로 이루어져 있으며, 각 단계마다 회전하는 로터(날개)와 고정된 스테이터(날개)로 구성됩니다. 로터는 공기를 가속시키고, 스테이터는 속도를 줄이면서 압력을 높입니다.
• 특징: 압축 과정에서 공기의 압력과 온도가 동시에 상승하며, 효율적인 압축을 위해 다단(多段) 구조가 사용됩니다. 항공용 등 대형 가스터빈은 주로 축류(축방향) 압축기를 사용합니다.

3. 연소기 (Combustor)

• 역할: 압축기에서 공급된 고압 공기와 연료(주로 천연가스, 등유 등)를 혼합해 연소시킵니다. 이 과정에서 고온·고압의 연소가스가 생성됩니다.
• 특징: 연소는 일정한 압력(정압)에서 이루어지며, 연소실 내부는 매우 높은 온도(최대 1500~1700℃)와 압력 조건을 견디도록 설계되어야 합니다.
• 설계 고려사항: 연소 안정성, 연소가스의 온도 분포 제어, 저배출(특히 NOx) 설계, 고온 부품의 냉각 및 내구성 등이 중요합니다

4. 터빈 (Turbine)

• 역할: 연소기에서 나온 고온·고압의 연소가스가 터빈 블레이드를 통과하며 팽창, 회전 운동을 발생시킵니다. 이 회전력으로 압축기와 발전기(또는 추진축 등)를 구동합니다.
• 특징 : 터빈은 여러 단계로 구성될 수 있으며, 각 단계마다 블레이드(회전날개)가 있습니다. 터빈 전체 출력의 약 60%는 압축기 구동에 사용되고, 나머지가 외부 부하(발전기 등)에 사용됩니다.
• 설계 고려사항: 고온·고압 환경에서의 재료 내구성, 냉각 기술, 효율적인 에너지 변환 등이 중요합니다

5. 배시설비 및 보조장치 등

역할: 터빈을 통과한 고온·고압의 연소가스를 외부로 안전하게 방출합니다.

구조 : 

• 배기덕트(Exhaust Duct): 연소가스가 대기 또는 후단 설비(예: 배열회수보일러, HRSG)로 이동하는 통로입니다.
• 소음기(Silencer): 배기가스 배출 시 발생하는 소음을 줄입니다.
• 배기가스 분석장치: 환경 규제 및 연소 최적화를 위해 배기가스의 성분과 온도를 측정·분석합니다.

특징:

• 효율적 방열과 소음 저감, 환경 규제 준수를 위해 설계가 정교하게 이루어집니다.
• 일부 발전소에서는 배기열을 회수해 추가로 에너지를 생산하는 복합발전 시스템에 활용합니다.

기타 보조장치

• IGV(Inlet Guide Vane): 흡입 공기의 유량과 방향을 조절해 압축기 효율을 높입니다.
• 냉각 및 윤활 시스템: 고온·고압 환경에서 각 부품의 온도와 마찰을 제어합니다.
• 센서 및 제어장치: 공기 유입량, 배기가스 온도, 압력 등 각종 운전 데이터를 실시간으로 모니터링하고, 자동 제어합니다.

 

가스터빕의 구성요소

작동 과정

1. 단열압출 (공기 흡입 및 압축)

• 대기 중의 공기가 공기흡입설비를 통해 가스터빈 내부로 유입됩니다. 이때 미세먼지 등 불순물은 필터로 제거됩니다.
• 압축기에서 이 공기를 고압으로 압축합니다. 이 과정에서 공기의 압력과 온도가 상승합니다(단열압축)

2. 등압 가열 (연소)

• 압축된 공기는 연소기로 이동하여 연료(주로 천연가스 등)와 혼합됩니다.
• 혼합된 공기와 연료는 연소실에서 연소되어 고온·고압의 연소가스를 만듭니다. 이 과정은 등압연소로, 연소가스의 온도가 급격히 상승합니다

3. 단열 팽창 및 동력 생성

• 연소실에서 발생한 고온·고압의 연소가스는 터빈 블레이드를 통과하면서 팽창합니다. 
• 이 팽창하는 가스의 힘이 터빈을 회전시키며, 열에너지가 기계적 에너지로 변환됩니다 
• 터빈의 회전력 일부는 발전기를 돌려 전기를 생산하고, 일부는 다시 압축기를 구동하는 데 사용됩니다. 일반적으로 터빈에서 발생한 동력의 약 60%가 압축기 구동에 쓰입니다.

4. 배기 

• 터빈을 통과한 연소가스는 배기구를 통해 대기 중으로 방출됩니다.

 

브레이튼 사이클(Brayton Cycle)

가스터빈의 열역학적 작동 원리는 브레이튼 사이클로 설명됩니다. 이 사이클은 다음 네 단계로 구성됩니다.

• 단열 압축 : 공기 흡입 및 압축(압축기) 
• 등압 가열(연소): 압축된 공기와 연료의 연소(연소기)
• 단열 팽창: 연소가스의 팽창 및 터빈 구동(터빈)
• 등압 방열: 배기 가스의 방출

가스터빈 사이클

가스터빈의 특징

• 가스터빈은 구조가 비교적 간단하고, 고속 회전이 가능하며, 진동이 적습니다.
• 항공기, 발전소, 선박, 산업용 동력원 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
• 고온·고압 환경을 견디기 위해 특수 합금과 정밀 주조 기술이 요구됩니다.

 

가스터빈은 압축기에서 공기를 압축하고, 연소기에서 연료와 혼합해 연소시켜 고온·고압의 연소가스를 만들고, 이 가스의 팽창력으로 터빈을 돌려 동력을 얻는 열기관입니다. 이 모든 과정은 브레이튼 사이클에 따라 이루어지며, 발전, 항공, 선박 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.