증기의 작용에 의한 증기 터빈의 종류

 증기 터빈은 보일러에서 보내온 고압고온의 증기를 팽창시켜 기계에너지로 변환하고 그 에너지로 발전기를 회전시켜 전기에너지로 만드는 원동기이다. 보일러에서 발생한 증기는 노즐 혹은 날개에서 저압까지 자유로이 팽창시켜 열에너지를 운동에너지로 만든다. 증기가 작용하는 동작원리에 따라 노즐에서만 증기를 팽창시키는 터빈을 충동 터빈, 회전날개와 고정날개에서 팽창시키는 터빈을 반동 터빈 및 양자를 혼합한 합성 터빈으로 분류된다. 이 게시글에서는 이러한 터빈을 좀 더 자세히 알아보도록 한다.

1. 충동 터빈(Impulse turbine)

증기 터빈은 왕복동력 기관과 같이 증기의 압력 차에 의하여 움직이는 것이 아니고 증기가 갖는 위치 에너지(Potential energy)를 이용한 것이다.

증기는 노즐(Nozzle)에서 팽창되어 운동에너지로 변환하며 여기서 생긴 고속의 증기가 회전날개(Moving blade)를 충동시켜 회전력을 발생시킴으로써 기계적인 일을 하게 된다. 그러나 단식 터빈인 회전날개 1단만으로는 회전수, 효율 및 구조상 운동에너지를 다 흡수할 수 없으므로 대용량의 증기 터빈은 여러 단으로 나눈 복식 터빈을 사용한다.

1) 단식 터빈(Single stage turbine)

고온고압의 증기를 1단만의 노즐에서 전부 운동에너지로 바꾸어 기계적 에너지를 얻는 터빈이다.

2) 속도 복식 터빈(Velocity compounded turbine)

단식으로 하면 회전수가 과대하게 높아지므로 열에너지를 1단만으로 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨다. 이 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 때에는 여러 단으로 나누는 형식이다.

3) 압력 복식 터빈(Pressure compounded turbine)

열에너지를 여러 단으로 나누어 운동에너지로 변환시키는 방식이다.

충동 터빈은 증기가 단지 노즐에서만 팽창하므로 회전날개를 통과할 때에는 팽창하지 않는다. 그러므로 회전날개 전후의 압력 차가 없으므로 증기의 유동효과를 내기 위하여 실제로는 회전날개에서 약 10%정도를 팽창시키고 있다.

2. 반동 터빈(Reaction turbine)

반동 터빈은 보일러에서 발생한 열에너지를 회전날개(Moving blade)와 고정날개(Fixed blade)에서 팽창시켜 운동에너지로 변환한다. 고속의 증기가 회전날개에 유입되면 반동에 의해 반대방향으로 회전력이 발생한다. 그러나 증기는 회전날개에 유입되기 전에 정지날개에서 속도에너지를 얻은 후이므로 회전날개에서는 충동과 반동이 동시에 행해진다. 반동 터빈은 회전날개 내에서 증기가 팽창하므로 회전날개 전후에 압력차가 생긴다. 따라서 이 압력차에 의해 생기는 추력에 대응하기 위한 밸런싱 피스톤(Balancing piston)이 필요하게 된다.

3. 합성 터빈(Compound turbine)

합성 터빈은 고압부를 충동식으로 하고 저압부를 반동식으로 하여 충동 터빈과 반동 터빈 두 방식의 장점을 활용한 형식의 터빈이다.