가스터빈이란?

Combustion turbine이라고도 하는 가스 터빈(Gas turbine)은 연속 유동 내연 기관의 한 형태입니다.
모든 가스 터빈 엔진에 공통적인 주요 부품은 전력 생산 부품(가스 발생기 또는 코어로 알려짐)을 형성하며, 유동의 흐름 방향을 따라서 구성은 다음과 같습니다.

 1) 회전하는 가스 압축기(Compressor)
 2) 연소기(Combustor)
 3) 압축기 구동 터빈(Turbine)

용도에 맞게 가스 발생기에 추가 구성품을 추가해야 합니다. 모든 가스터빈엔진에서 공통적인 것은 공기 흡입구이지만 해상 사용, 육상 사용 또는 정지 상태에서 초음속까지 다양한 속도에 따른 요구 사항에 맞게 구성이 다릅니다. 항공기의 경우, 추력을 생성하기 위한 추진 노즐이 추가되기도 합니다. 가외의 터빈이 추가되어 프로펠러(터보프롭) 또는 덕티드 팬(터보팬)을 구동하여 추력 효율(Thrust efficiency)을 증가시킴에 따라 아음속 비행 속도에서 연료 소비를 줄입니다. 또한, 헬리콥터 로터 또는 육상 차량 트랜스미션(터보 샤프트), 해양 프로펠러 또는 발전기(파워 터빈)를 구동하려면 추가적인 터빈이 필요합니다. 후기연소기(Afterburner)를 추가하면 비행 시 추력 대 중량비가 더 커집니다.

※ 추력 대 중량비란 전투기의 무게를(Weight) 엔진의 추력(Thrust)으로 나눴을 때 계산되는 값을 뜻합니다. 이 추력 대 중량비가 클수록 적은 연료로 더 많은 추력을 낼 수 있다는 의미입니다. 정확히 같지는 않지만, 자동차의 연비를 생각하면 이해하기가 쉽습니다. 또 다른 예로는 엔진 마력(추력)이 같고 무게가 다른 항공기의 경우, 무게가 가벼운 항공기가 추력 대 중량비가 더 좋다고 할 수 있습니다. 해당 비율은 간단하게 전투기의 가속 성능을 나타내는 수치로도 사용됩니다.

가스 터빈의 기본 작동원리는 공기를 작동 유체로 사용하는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 따르게 됩니다.
: 대기 중의 공기는 압축기를 통해 흐르면서 더 높은 압력을 가져오게 됩니다. 그런 다음 더 많은 에너지를 추가하기 위해서 연료를 공기 중에 분사하고 점화를 통해 해당 공기를 연소시켜서 고온 흐름을 생성합니다. 이 고온 고압가스는 터빈으로 유입되는 과정에서 샤프트 출력을 발생시킵니다. 해당 출력은 압축기를 구동하는 데 사용되게 됩니다.
이러한 과정에서 사용되지 않은 에너지는 배기가스 형태를 통해서 터보제트 엔진과 같이 직접 추력을 생성하거나 팬, 프로펠러 또는 발전기에 연결할 수 있는 두 번째 독립된 터빈(파워 터빈이라고 함)을 회전시키기 위한 외부 출력을 발생하는 형태로 활용될 수 있습니다. 그래서 가스 터빈의 목적은 추력과 샤프트 출력 중, 가장 요구되는 에너지의 구분을 달성함에 따라 설계를 결정하게 됩니다. 가스 터빈은 동일한 공기를 재사용하지 않는 개방형 시스템이므로 Brayton 사이클의 네 번째 단계(작동 유체 냉각)는 생략됩니다.

가스 터빈은 항공기, 기차, 선박, 발전기, 펌프, 가스 압축기 및 탱크에 동력을 공급하는 데 사용됩니다.


※ Brayton cycle은 작동 유체로 공기 또는 기타 가스를 사용하는 특정 열 엔진의 작동을 설명하는 열역학 cycle입니다. 엔진 cycle은 1791년에 영국인 John Barber가 제안하고 특허받았지만 원래 피스톤 엔진용으로 개발한 미국인 엔지니어인 George Brayton(1830–1892)의 이름을 따서 명명되었습니다. 때로는 Joule cycle이라고도 합니다. Reversed Joule cycle은 외부 열원을 사용하고 Regenerator 사용을 결합합니다. Brayton cycle의 한 유형은 대기에 개방되어 있으며 내부 연소실을 사용합니다. 다른 유형은 폐쇄형이며 열 교환기를 사용합니다.
현대식 가스 터빈 엔진과 공기 흡입 제트 엔진도 Brayton cycle을 따릅니다. Cycle은 일반적으로 열린계(Open system)로 운용되지만(실제로 내부 연소가 사용되는 경우에는 그렇게 실행되어야 함) 일반적으로 닫힌계로 분석이 가능하도록 배기가스는 흡기 과정에서 재사용 된다고 열역학적 분석을 위해 가정합니다.

가스터빈 작동원리 → (압축기): 가역단열 압축 (reversible adiabatic compression, isentropic compression)
                                ↓  (연소실): 정압 가열 (const.‐pr. heat addition)
                                ↓  (터빈) : 가역단열 팽창 (reversible adiabatic expansion, isentropic expansion)
                                    (배기): 정압 방열 (const.‐pr. heat rejection)