기계공학의 꽃인 터빈에 관해 알아보자

기계공학의 꽃인 터빈에 관해 알아보자
터빈(turbine)은 유체의 흐름으로부터 에너지를 뽑아내는 회전 기관으로써, 1828년 공학 경쟁 기간 동안 클라우드 버딘이 소용돌이라는 뜻의 라틴어 turbo를 따서 터빈이라는 이름에서 유래됐다.

가장 단순한 터빈은 날개가 부착된 움직이는 부분을 가지고 있으며, 날개 위에 유체를 움직임으로써 에너지를 축 차에 전가한다. 예를 들면 물레바퀴, 풍차를 들 수 있다.

증기 터빈, 가스 터빈, 수력 터빈은 날개 주변에 덮개를 가지고 있으며, 이것이 유동체를 제어한다. 현대 증기 터빈의 발명가는 영국의 엔지니어 찰레스 엘저논 파슨스로 알려져 있다.

터빈과 비슷하지만 방식이 거꾸로인 장치는 펌프와 압축기가 있다. 일반적으로 수많은 가스 터빈 엔진 속에서 축류식 압축기를 들 수 있다.

터빈의 종류
증기터빈

증기 터빈은 고온, 고압의 증기를 직접 터빈날개에 분사하여 그 힘으로 회전력을 얻는 원동기 장치다. 공기의 팽창에 따라 정적인 압력에너지를 고속증기의 동적인 운동에너지로 바꾸어 회전날개에 부딪게 함으로써 반동, 충동작용에 의해 날개에 동력을 전하고 회전날개를 회전시켜 열에너지를 밖으로 빼내고자 하는 것이다. 증기터빈은 증기 가압로에서 열에너지를 추출하고, 회전 출력축에 기계적인 작업을 수행하는 데 사용하는 장치이다. 

증기터빈의 원리는 단순하며, 역사도 오래되었다. 기원전 130년경에 헤론은 반동 증기터빈의 원형이라고도 할 수 있는 것을 만들었고, 또한 1629년경 브랑카는 일종의 충동터빈을 생각해 냈다. 이것들은 장난감과 같은 것으로서, 실용화는 기술적으로 어려웠으며 더구나 그 뒤는 증기기관 만능으로 되어 전혀 돌아보지 않게 되었다.

그러나 19세기가 되자 공작 기술, 재료, 이론의 발달과 함께 재차 인식되었고 더욱이 큰 출력을 해야 하는 원동기로서 유망하다고 생각하게 되어 짧은 기간에 진보를 이룩했다.

증기터빈의 종류는 많다. 그러나 증기의 열에너지가 날개에 대해서 하는 동적 전달에 중점을 두고 분류하면, 역시 충동터빈과 반동터빈의 2종류로 크게 나눌 수 있다. 이 2종류를 기본으로 하여 단수를 늘린다든지 팽창 방법을 변경시킨다든지 해서 각종 터빈을 만들고 있다.

반동 터빈
반동터빈은 증기의 팽창을 회전날개에서도 행하게 하여 이때의 반동을 이용하는 것이다. 따라서 압력 저하는 회전날개 중에서도 일어난다. 구조는 안내날개와 회전날개의 2열의 날개로 1단을 형성하고, 필요에 따라서 단수를 늘린다. 최대효율 때의 회전날개의 주 속도는 증기 속도의 약 0.9배이다. 대체로 반동터빈에서는 증기를 서서히 작용시키니까, 날개 가운데의 증기 유속이 낮고, 마찰이나 와류도 작고 열효율이 높다. 그러나 반동식은 충동식보다 단수가 많고 길이도 길어진다.

고압부에선 충동식, 저압부에선 반동식을 사용한 터빈이다. 충동식에서는 마력을 낼 때라도, 전체 둘레의 일부를 차지할 뿐인 노즐에서부터 증기가 분출되므로, 팽창 초의 고압부에서 충동식을 채용한다.



복류 반동 터빈
복류 반동터빈은 스웨덴의 융스트룀 형제에 의하여 1908년에 발명된 터빈이다. 2개의 회전축에 각각 날개수레가 고정되어 있어서 증기는 중심으로 들어가고, 여기에서 축과 직각 방향으로 방사상의 흐름이 되어 날개에 작용하고, 바깥둘레에서 복수기로 배출된다. 두 개의 날개 수레는 서로 반대 방향으로 동일한 속도로 회전하므로 상대속도는 절대속도의 2배로 된다. 따라서 날개 열을 적게 할 수가 있어 소형으로 제작이 가능하다. 또한 새어나가는 증기의 양, 복사, 전도에 의한 열 손실이 적으며, 열효율이 높다.