터빈이란?

터빈은 샤프트에 부착된 여러 터빈 블레이드를 통해 작동 유체의 속도 형태의 운동 에너지와 압력 형태의 위치 에너지를 회전 운동 에너지로 변환함으로써, 가스 또는 액체로부터 에너지를 동력으로 변환합니다. 블레이드는 기본적으로 유체의 운동량과 압력에 의해 밀려지는 지렛대이며, 이 지렛대에 가해지는 힘은 샤프트 주위에 토크를 생성하여 기계적 에너지를 생산합니다. 이 에너지는 그 후에 샤프트에 연결된 모든 시스템에 의해 사용될 수 있습니다.

'터빈'이라는 단어는 '회전하다'라는 의미의 라틴어 turbo에서 유래했습니다. 유체로부터 에너지를 추출하는 이러한 관통 흐름 방식은 내연기관 엔진(ICE)()나 증기기관과 같은 피스톤 기반의 에너지 추출 기계들과 대조됩니다. 동력 추출을 위해 터빈을 사용하는 장치는 일반적으로 터보 기계로 분류됩니다.

인류는 수천 년 동안 단순한 물레방아와 맷돌에 연결된 풍차로부터 시작하여, 터빈을 사용하여 산업 혁신을 이끌어 왔습니다. 오늘날에는 터빈을 사용하여 풍력, 수력, 압축 공기, 증기 및 가열된 가스로부터 에너지를 얻어 전력을 생산하고, 자동차 엔진의 효율을 높이며, 항공기를 추진하는 등 다양한 분야에서 활용하고 있습니다. 터보 기계 산업은 터빈과 터보 기계의 열역학, 유체 역학 및 견고성을 이해하고 개선하는 데 중점을 둡니다.

모든 터빈은 유체가 밀거나 주위를 흐르는 얇은 구조물인 블레이드를 가지고 있으며, 이 블레이드는 샤프트에 연결된 실린더에 부착되어 있습니다. 하지만, 터빈은 유체의 운동량으로부터 에너지를 추출하는 방식(충동 터빈)인지, 아니면 유체의 압력을 사용하는 방식(반동 터빈)인지에 따라 다르게 분류됩니다. 

충동 터빈

충동 터빈에서 유체 흐름은 패들이나 양동이 모양의 일련의 블레이드에 부딪힙니다. 유체 흐름의 운동 에너지는 블레이드를 움직이면서 기계적 에너지로 변환됩니다. 이는 샤프트에 토크를 생성하고 로터를 회전시키는 힘을 발생시킵니다.

가장 초기의 충동 터빈 형태는 물레방아였습니다. 이는 강이나 운하의 물 흐름으로 바퀴의 패들을 움직이는 방식이었습니다. 현대의 충동 터빈에서는 노즐이 고속의 물, 증기 또는 압축 공기 흐름을 생성합니다. 반동 터빈과 달리 충동 터빈은 유체를 안내하는 밀폐 공간이 필요 없습니다. 충동 터빈 시스템에서 유체의 압력은 노즐을 나간 후에도 변하지 않으며, 유체의 흐름 방향은 터빈 블레이드에 부딪힌 후 크게 달라지는 경우가 많습니다.

반동 터빈

반동 터빈은 유체를 블레이드 세트를 통해 유도하여 유체를 팽창시키고 압력을 블레이드에 가해지는 힘으로 변환하는 방식으로 작동합니다. 각 블레이드는 동일한 하중을 받습니다. 반동 터빈은 유체 흐름의 해당 부분에서의 압력에 최적화된 단이라고 하는 여러 로터 세트를 가질 수 있습니다.

가장 잘 알려진 유형의 반동 터빈은 풍력 터빈과 제트 엔진에 사용되는 가스 터빈입니다. 대부분의 증기 터빈과 천연가스 발전 터빈은 반동 터빈입니다. 반동 터빈은 슈라우드 또는 케이스를 사용하여 터빈 블레이드를 통한 유체 흐름의 위치를 잡습니다. 반동 터빈에서의 흐름은 유체가 터빈을 통과할 때 상당한 압력 강하를 겪습니다.

터빈의 주요 구성 요소

터빈이 어떻게 작동하는지 이해하는 좋은 방법은 각 핵심 구성 요소가 무엇을 하는지 살펴보는 것입니다.

터빈 블레이드

터빈의 가장 중요한 구성 요소는 블레이드입니다. 이러한 블레이드는 일반적으로 디스크 형태의 플랫폼을 통해 샤프트에 부착됩니다. 터빈 블레이드는 로터 블레이드라고도 합니다. 터빈 블레이드의 목적은 운동량 또는 압력 강하를 회전축에 수직으로 작용하는 힘으로 변환하여 샤프트 주위에 토크를 생성하는 것입니다.

터빈 블레이드는 흐르는 수로에 수직으로 기울어진 평평한 패들처럼 단순할 수 있습니다. 또한, 로터 원주에서 안쪽으로 흐르는 흐름을 샤프트에 맞춰 축류로 변환하기 위해 나선형 패턴으로 배열된 터보차저의 방사형 터빈처럼 복잡할 수도 있습니다. 일부 블레이드는 증기 터빈이나 풍력 터빈처럼 매우 얇고 깁니다. 가스 터빈 엔진의 고압 블레이드처럼 더 길고 상대적으로 두꺼운 블레이드도 있습니다.

터빈 로터

터빈 블레이드가 부착되는 바퀴, 디스크 또는 드럼을 터빈 로터라고 합니다.

샤프트

터빈 블레이드에 의해 생성되고 터빈 로터에 의해 전달된 기계적 동력은 샤프트를 통해 터빈 외부로 전달됩니다. 샤프트는 고속 베어링을 통해 정지된 구조물에 연결됩니다. 여러 개의 터빈 로터를 동일한 샤프트에 부착할 수 있습니다. 샤프트는 터빈이 동력을 공급하는 모든 시스템에 연결되며, 종종 기어박스를 통해 연결됩니다.

기어박스

샤프트의 회전 속도나 토크가 터빈의 용도에 맞지 않을 수 있습니다. 터빈의 회전 속도를 높이거나 낮추고, 그에 반비례하여 토크를 낮추거나 높이기 위해 종종 기어박스가 터빈에 추가됩니다.

터빈 로터 어셈블리

터빈 로터 어셈블리는 터빈 로터, 샤프트 및 터빈 블레이드로 구성된 터빈의 회전 부분입니다. 이 세 가지 구성 요소는 다양한 메커니즘을 통해 분리 및 조립될 수 있으며, 구성 요소가 하나의 재료로 제작될 수도 있습니다.

회전 그룹

회전 그룹은 같은 속도로 회전하는 터빈 로터 어셈블리의 모음입니다. 대부분의 가스 터빈은 압축기에 동력을 공급하는 다단 고압 회전 그룹과 추진 팬 또는 동력 샤프트에 동력을 공급하는 저압 회전 그룹을 가지고 있습니다. 증기 터빈에서는 증기 내 에너지가 감소함에 따라 압력을 추출하기 위해 여러 단이 사용됩니다.

스테이터 블레이드 또는 베인

터빈 로터 어셈블리 안팎으로 흐르는 유체의 속도, 크기, 방향 및 압력은 터빈 성능에 매우 중요합니다. 터빈은 압력, 축방향 속도, 그리고 접선 속도 또는 스월을 제어하기 위해 로터 어셈블리의 업스트림 및 다운스트림에 고정 블레이드를 사용합니다. 이러한 비회전 블레이드를 스테이터 블레이드 또는 베인이라고 합니다.

터빈 단

터빈 단은 단일 로터 어셈블리와 이와 짝을 이루는 스테이터를 포함한 지지 고정 부품을 의미합니다. 많은 터빈은 터빈 섹션 내에 여러 단이 있으며, 종종 두 개 이상의 터빈 섹션을 갖는데, 각 섹션은 특정 압력 강하에 최적화되어 있습니다.

노즐

노즐은 압력을 속도로 변환하고 최적의 각도로 원통형 흐름으로 유체를 유도합니다. 반동 터빈에서는 압력을 속도로 변환하는 베인을 종종 노즐이라고 부릅니다.

베어링

모든 터빈의 중요한 구성 요소 중 하나는 로터 어셈블리가 시스템의 고정 부분에 대해 회전할 수 있도록 하는 베어링입니다. 어떤 유형과 크기의 베어링이 필요한지는 터빈의 속도, 온도, 작동 환경 및 하중에 따라 결정됩니다.

슈라우드 또는 터빈 케이스

대부분의 반동 터빈은 유체가 블레이드를 통해 강제로 흐르게 하기 위해 터빈 로터 어셈블리의 외경에 단단한 표면이 필요합니다. 이 외부 덮개를 슈라우드 또는 터빈 케이스라고 합니다. 터빈 케이스는 보통 터빈의 고정 구조물의 일부입니다. 슈라우드형 터빈 로터의 경우, 로터 어셈블리의 외경에 재료 밴드가 추가됩니다.

흡입구(Inlet)

흡입구는 유체가 터빈으로 유입되는 영역입니다. 흡입구는 터빈에 최적의 압력과 속도를 얻도록 형성됩니다. 터빈으로의 유체 흐름을 제어하기 위해 흡입구에 가동형 베인이나 밸브를 배치하는 경우가 많습니다.

배출구

작동 유체는 배출구를 통해 터빈을 빠져나갑니다. 엔지니어는 성능 향상을 위해 배출구의 형태를 최적화합니다.

정지 구조물

터빈의 회전하지 않는 부분을 말합니다. 정지 구조물은 흡입구, 배출구, 마운트, 냉각 하드웨어, 베어링을 고정하는 구조물, 그리고 터빈 내부의 유체 흐름을 유지하고 외부 이물질이 유입되지 않도록 하는 하우징 또는 케이스를 포함합니다.

계측 및 제어 시스템

모든 터빈에서 터빈의 물리적 특성을 측정하는 기계적, 전자적 제어 및 센서는 중요한 부분입니다. 일반적으로 전체 터보 기계의 제어 시스템의 일부인 이 장치들은 최적의 터빈 효율, 성능 및 안전을 위해 터빈으로 유입되는 요인들을 제어하는 데 사용됩니다. 

터빈을 분류하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이러한 분류는 움직이는 유체의 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 회전 기계를 지칭하며, 전체 터보 기계 시스템이나 터빈이 동력을 공급하는 외부 장치를 의미하는 것은 아닙니다.

터보 기계에 사용되는 터빈 유형의 몇 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

• 작동 유체: 터빈은 물, 바람, 증기, 가열된 가스 또는 압축 공기의 에너지를 변환할 수 있습니다.
• 유동 방향: 축 방향 흐름은 샤프트와 일치하며, 접선 흐름은 샤프트에 수직이고, 방사형 흐름은 외부 직경에서 샤프트 쪽으로, 안쪽으로 향합니다. 일부 터빈은 흡입구에서 방사형 흐름과 배출구에서 축 방향 흐름이 모두 있는 혼합 흐름을 포함합니다.
• 속도 또는 압력 에너지 추출: 앞서 언급했듯이, 충동 터빈은 블레이드에 대항하는 속도를 사용하여 힘을 생성하며, 반동 터빈은 압력을 사용합니다.

터보 기계의 일반적인 유형 및 응용 분야

터빈이 동력을 공급하는 기계의 종류를 정의하지 않고 터빈에 대해 이야기하는 것은 어렵습니다. 다음은 가장 일반적인 터보 기계 유형, 여기에 사용되는 작동 유체의 에너지원, 그리고 각 유형의 잘 알려진 응용 분야입니다.

수차 또는 수력 터빈

가장 오래된 터보 기계 유형은 수차 또는 수력 터빈입니다. 작동 유체는 물이며, 물의 에너지원은 중력입니다. 댐에서 에너지 발전을 위해 사용될 때, 수력 발전 터빈은 보통 혼합 흐름 설계이며, 댐 기저부의 발전기에 직접 연결됩니다. 전력 생산은 수력 터빈의 가장 일반적인 응용 분야입니다.

증기 터빈

전 세계 대부분의 발전소는 증기 터빈을 사용하여 전기를 생산합니다. 물에 열을 가해 상변화를 일으켜 상당한 에너지를 포착합니다. 그 열에너지의 원천은 보통 화석 연료의 연소이지만, 원자로에서 나올 수도 있습니다. 성장하고 있는 재생 에너지의 한 형태는 대규모 발전소에서 증기 터빈을 위해 물을 끓이는 데 집광형 태양열 발전을 사용하는 것입니다.

풍력 터빈

인간은 인간과 동물의 노동력을 풍력으로 대체하기 위해 풍차를, 그리고 나중에는 풍력 터빈을 개발했습니다. 대기 중 태양열 가열이 바람의 에너지원입니다. 현대의 풍력 에너지 시스템은 육상 또는 해상 풍력 발전 단지에 모여 있는 크고 효율적인 세 개의 블레이드를 가진 풍력 터빈을 사용합니다. 위 사진에 보이는 것과 같은 대형 풍력 터빈 대다수는 수평축 풍력 터빈입니다. 이보다 작은 수직축 풍력 터빈은 때때로 더 도심 환경에서 사용됩니다. 세계 일부 지역에서는 여전히 풍력을 사용하여 방앗간을 돌리고 물을 끌어 올리지만, 오늘날 풍력 터빈의 주요 용도는 전력 생산입니다.

공기 터빈

고성능 수공구는 종종 압축 공기로 직접 구동됩니다. 피스톤에 의해 공기에 에너지가 추가되고 압력 용기에 저장됩니다. 밸브는 고압 공기를 방출하여 충동 터빈, 일반적으로 펠톤 휠(Pelton Wheel)에 충돌시켜 매우 높은 회전 속도를 생성합니다. 공기 터빈의 가장 흔한 형태는 치과용 드릴입니다.

가스 터빈 또는 터빈 엔진

가스 터빈 또는 연소 터빈은 연소실을 사용하여 가스에 에너지를 추가한 다음, 터빈을 통해 팽창시키는 대규모 터보 기계군입니다. 추진력을 제공하는 터빈을 터빈 엔진이라고 합니다. 가스 터빈은 일반적으로 연소 효율을 향상시키는 터빈 섹션의 회전 그룹에 의해 구동되는 압축기도 포함합니다. 가스 터빈 분류는 사용하는 연소 방식이나 출력 사용 방식을 포함합니다.

• 동력 터빈: 이들은 추진력보다는 전기 생산을 위해 발전기에 동력을 공급하는 가스 터빈으로, 보통 천연가스로 구동됩니다.
• 터보차저 터빈은 내연 기관의 연소에서 사용되지 않을 에너지를 추출하여 실린더 업스트림의 압축기를 구동함으로써 연소를 더 강력하게 만듭니다.
• 터보제트: 터보제트 엔진은 연소만을 통해 항공기 추진력을 생산하며, 터보차저와 같이 압축기를 구동하여 연소 효율을 높이는 단일 회전 그룹을 가집니다.
• 터보팬: 터보팬 엔진은 효율적인 슈라우드형 프로펠러인 대형 팬을 구동하며 주된 추진력의 원천이 되는 두 번째 회전 그룹을 가집니다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진보다 효율적이며 오늘날 상업용 항공기 추진의 주요 형태입니다.
• 터보샤프트: 터보샤프트 엔진은 추진력을 생산하는 대신 항공기용 프로펠러, 선박용 스크루 또는 육상 차량용 바퀴를 구동하기 위한 토크를 생성합니다.
• 터보펌프: 터보펌프는 고온 가스를 사용하여 펌프를 구동합니다. 가장 일반적인 터보펌프 유형은 액체 연료 로켓 엔진용 연료 펌프 또는 석유 및 가스 추출용 고유량 펌프입니다. 

터빈 설계 작업을 하는 엔지니어들은 터빈을 정의하고 최적화하는 다양한 측면을 살펴봅니다. 초기 터빈의 경우 시행착오를 거쳐 단순한 방정식으로 블레이드 형상, 흡입구 구성 및 로터 설계를 개발했습니다. 그러나 더 효율적이고 비용이 적게 드는 터빈에 대한 수요가 증가하면서 엔지니어들은 고급 시뮬레이션으로 전환하여 설계하기 시작했습니다.

다른 설계와 마찬가지로 터빈 설계는 비용, 효율성, 성능 및 견고성 사이의 균형을 맞추는 일입니다. 항공기 추진에 사용되는 터빈의 경우, 엔지니어는 무게 또한 고려해야 합니다.

유동 경로 설계

터빈의 기본 구성은 유동 경로 설계 단계에서 수립됩니다. 성능 엔지니어는 터빈이 동력을 공급하는 전체 터보 기계 시스템의 맥락에서 터빈의 열역학적 거동을 살펴봅니다. 다양한 유형의 유동, 단 구성, 스테이터 옵션, 그리고 흡입구 및 배출구 형상을 시도하기 위해 Ansys Vista TF 터보 기계 설계 소프트웨어와 같은 2D Throughflow 툴을 사용할 수 있습니다.

블레이드 및 스테이터 설계

유동 경로를 정의한 후 다음 단계는 각 단에 속하는 터빈 블레이드와 스테이터를 설계하는 것입니다. 엔지니어는 벡터 다이어그램이라고 불리는 기본 계산으로 첫 번째 추정치를 얻을 수 있습니다. 다음은 3D 형상을 생성하고 Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 범용 전산 유체 역학(CFD) 도구 또는 Ansys CFX 소프트웨어와 같은 터보 기계 전문 CFD 플랫폼을 사용해야 합니다. 엔지니어는 이러한 툴을 사용하여 다양한 작동 조건에서 유체 흐름으로부터의 에너지 추출을 최적화하기 위해 3D 형상을 정제하는 데 도움을 받습니다. 블레이드 설계는 시간이 지남에 따라 정제하는 반복적인 과정입니다.

다단계 및 과도 구성 요소 설계

블레이드 설계가 완료되면, 다음 단계는 정적 단계와 회전 단계가 함께 작동하는 방법을 최적화하는 것입니다. 각 단계의 블레이드와 스테이터 각도를 수정하므로 엔지니어는 정지 및 회전 영역을 모두 모델링하는 CFX 소프트웨어 또는 Fluent 소프트웨어와 같은 터보 기계 전용 툴의 고급 기능을 사용하여 시간에 따른 정적 및 과도 흐름을 검토할 수 있습니다.

구조 및 열 설계

터빈의 회전 부분과 정지 부분을 모두 설계하는 것은 극심한 하중 조건과 그러한 높은 하중의 주기적인 특성 때문에 어렵고 복잡합니다. 가스 및 증기 터빈의 고온도는 자체적인 어려움을 일으키며, 터빈에 가해지는 주기적인 압력 및 회전 하중에 따른 진동도 마찬가지입니다. 터빈 설계에 관련된 대부분의 열 및 기계 엔지니어는 터빈 내 각 구성 요소 및 어셈블리의 정적, 동적 및 진동 거동을 포착하기 위해 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어와 같은 범용 다중물리 시뮬레이션 툴을 사용합니다. 여기에는 베어링, 보조 냉각, 로터 역학, 디스크 응력, 블레이드 응력, 내구성 및 열 응력 시뮬레이션이 포함됩니다. 엔지니어는 CFX 소프트웨어와 같은 CFD 툴을 Mechanical 소프트웨어와 같은 구조 프로그램에 결합하여 유체 영역과 구조 영역 간의 진동 상호작용을 이해할 수도 있습니다.

시스템 설계

엔지니어는 또한 속한 전체 시스템의 맥락에서 터빈을 설계해야 합니다. 시스템이 구상되면, 엔지니어는 각 구성 요소가 시스템 전반에 걸쳐 최적화되는지 확인하기 위해 Ansys ModelCenter 소프트웨어와 같은 MBSE(Model-Based System Engineering) 툴을 사용합니다.

자세한 내용은 Ansys Fluids 제품 컬렉션을 살펴보십시오.

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