증기 터빈의 구조 이해하기

 증기 터빈은 크게 케이싱, 회전축, 노즐, 날개, 누기 방지장치로 나눌 수 있다. 이 게시글에서는 각 부분별 특징들을 알아보도록 하겠다.

1. 케이싱

케이싱은 예전엔 주조하였으나 최근에는 용접기술이 발달하여 저압터빈 케이싱은 용접하여 만들고 있으며, 고압고온의 터빈 케이싱은 두 개로 분할하여 프랜지로 접합한다. 또한 기동시간을 줄이기 위해 이중으로 되어 있으며 내측 케이싱에 노즐을 설치한다.

저압 케이싱에서는 별 문제가 안되지만 고온고압의 케이싱은 케이싱 내부와 외부의 온도차가 크면 내부 응력이 생겨 파손될 위험이 있으므로 그 온도차를 제한하고 있어 서서히 터빈 온도를 올리고 있다. 터빈이 기동하여 팽창할 때에는 저압 케이싱의 중심부가 고정점이 되어 고압측으로만 자유스럽게 팽창할 수 있도록 하고 있다. 이 외에도 케이싱 하반부에는 추기를 위한 배관이 연결되어 있으며 저압 케이싱은 복수기와 연결하고 있다.

2. 회전축(Rotor)

회전축은 고온상태에서 고속으로 회전해야 하며 자중 및 날개하중으로 생기는 비틀림에 견디고 큰 토크를 전달해야 하므로 터빈 부속품 중 가장 중요하다. 또한 진동없이 회전해야 하기 때문에 정확히 평형을 이루어야 하며 저압 회전축에서는 과속 시 대형 날개가 원심력에 의해 떨어져 나가는 사고가 없도록 공장 제작 시 엄밀한 시험이 필요하다.

회전축이 가지는 고유임계속도가 터빈 회전 속도와 같으면 공명이 일어나 터빈은 파손되고 만다.

평형설계시 일반적으로 임계속도를 터빈 회전 속도보다 30~40% 빠르거나 늦게 하고 있다. 임계속도가 터빈 회전 속도 위에 있으면 별 문제가 되지 않지만 터빈 회전 속도보다 아래 있을 때에는 기동 시 임계속도 부근에서 터빈의 회전 속도를 빠르게 상승시켜 임계속도를 벗어나야 한다.

회전축에는 회전날개를 고정시키며 기밀을 위한 패킹(Labyrinth packing)설비를 갖추고 있으며 발전기와는 커플링으로 직결된다.

3. 노즐

노즐은 증기의 열에너지를 속도에너지로 변환시키는 작용을 하며 다이아프램은 충동 터빈의 회전날개 전후에 설치하여 증기가 노즐 이외로 누기되지 않도록 하게 하며 노즐을 고정시킨다. 노즐은 단면적이 좁아졌다가 다시 넓어지는 구조를 하고 있다. 그 이유는 증기를 팽창시키면 처음에는 속도증가가 체적증가보다 빠르나 어느 한계가 지나면 속도보다 체적이 더 빨리 증가하기 때문이다.

4. 날개(Blade)

터빈의 구조 중에서 가장 중요한 설비 중 하나인 날개는 노즐과 더불어 직접 증기 터빈의 효율을 좌우하며 운전의 안전성과 내구력에 큰 영향을 미친다.

충동형 터빈의 날개 단면은 대칭적이지만, 반동형 터빈에서는 고정날개와 회전날개에서 증기를 팽창시키기 때문에 입구각도를 출구각도보다 훨씬 크게 하는 것이 보통이다.

또한 회전날개에는 주변 속도가 450m/s에 도달하는 것도 있으므로 원심력으로 인한 내력과 분사증기의 충격을 받는다. 일반적으로 긴 날개일수록 원심력과 충격의 영향과 공진현상이 심하기 때문에 날개의 두께와 폭이 밑 부분으로 갈수록 점증하는 구배날개를 사용한다.

다음 날개 밑 부분과 끝 부분의 주변 속도의 차로 인하여 발생하는 증기의 유입각 변화에 대응하기 위해 끝으로 갈수록 비틀림 각도가 큰 비틀림 날개를 사용한다.

또한 날개에 걸리는 응력이 높아지면 진동에 기인된 피로로 인하여 파손의 우려가 높아진다. 그러므로 고온고압의 터빈 날개는 크롬 스테인레스강을 사용한다.

5. 누기 방지장치

회전축과 케이싱 사이와 터빈 각 단 사이에서는 압력차로 증기가 누기한다. 이것을 방지하기 위하여 패킹이 필요하다. 터빈내 압력이 대기압보다 높을 때에는 증기가 밖으로 누기하지만 이와 반대로 대기압보다 낮을 때(저압 터빈)에는 외부로부터 공기가 유입되어 진공도를 저하시키고 급수에 산소가 들어간다.

이를 방지하기 위해 라비린스 패킹(Labyrinth packing), 탄소환 패킹 및 수밀 패킹(Water sealed packing) 방식이 사용되는데, 대용량 터빈에는 이 중 라비린스 패킹을 많이 사용하고 있다.