가스터빈 정의

소개글

가스터빈 정의 에 대한 보고서 자료입니다.

목차

정의
터빈과 압축기의 비교
터빈의 종류
가스터빈엔진의 개요
가스터빈엔진의개발역사
가스터빈엔진의 열역학적 고찰

본문내용

한다. 기계적에너지와 제트 추진에너지의 2형태를 동시에 사용하는 것이 특징이며 총추력에서 제트의 추력이 1/4 - 1/5이다. 터보프롭의 추진효율은 저속(500mph/hr)에서 터보제트엔진보다 우수하므로 저속의 항공기에 사용된다. 이 엔진은 엔진의 소음과 진동은 적으나 프로펠러에서 발생하는 소리가 비교적 크다.
아래 그림은 비행속도에 따른 각 엔진별 추진 효율을 나타내고 있다.
아래 그림은 PT-6 터보프롭엔진의 그림이다.
(4) 터보축엔진 (turbo-shaft engine)
터보축엔진은 순전히 회전식 기계에너지만을 공급하는 것으로서 가스발생기 하류에 동력터빈만을 연결시키고, 감속장치를 통해서 동력을 전달한다. 이 엔진은 주로 지상, 차량, 선박 등의 동력용으로 사용되며, 고속 비행장치가 아니다. 작동가스는 터빈에서 대기압으로 팽창하기 때문에 제트추력은 생기지 않는다. 헬리콥터용 동력으로는 제트추력이 별도로 필요하지 않기 때문에 트보프롭엔진보다는 터보축엔진을 사용하며 회전익을 돌린다. 아래 그림은 터보축엔진의 한 예이다.
2-3. 발전용 가스터빈엔진
가스터빈은 항공기용 엔진이외에 발전용, 송기관 및 송유관의 운전, 선박과 공기부양선의 추진기관, 철도기관차에도 응용되고 있는데, 여기서는 가스터빈-증기복합 플랜트에 대해서만 고려해 보겠다. 아래 그림은 발전용 열병합 사이클의 배치도이다.
이것은 병합 사이클로서 기본사이클인 가스터빈에서 나오는 고온의 배기가스는 보일러에서 수증기를 발생시키는데 사용된다. 발생된 수증기는 증기터빈을 작동시키고 복수기를 거쳐서 다시 보일러로 들어가 수증기가 되는 과정을 반복한다. 가스터빈과 증기터빈은 각각 별도의 발전기에 직결되어 발전한다. 이렇게 배기가스의 열량을 회수함으로서 주입된 연료 열량의 45% 정도를 출력으로 사용할 수 있어서 시스템의 열효율이 기존의 발전사이클에 비해 약 15% 정도가 증가한다.
3. 결 론
3-1. 가스터빈 블레이드의 냉각
터빈 입구온도가 높아질수록 단위 공기 유량당 출력인 비출력은 증가하며, 비연소 소모율 역시 터빈온도와 압력비가 동시에 증가할 경우에는 향상된다. 이러한 이유 때문에 터빈 입구온도를 높히기 위한 연구가 끊임없이 계속되어 오고 있다. 이 연구의 대부분은 내열성이고 고온강도를 유지할 수 있는 금속재료의 개발에 집중되었고, 이로 인하여 니켈합금이나 코발트합금과 같은 우수한 재료가 터빈에 응용되게 되었다. 이러한 합금의 이용은 터빈 입구온도를 1942년도의 1300F에서 1950년대 초의 1600F로 1960년대에 들어서는 1800F 수준까지 올릴수 있게 되었다. 1960년대 초에는 공기냉각 블레이드의 응용이 시작되었고, 계속되는 연구로 말미암아 현재 대형 민항기엔진인 CF-6, JT-9D, RB-211과 같은 엔진에서는 2400 - 2500F나 되는 온도가 가능하게 되었고 앞으로 더 상승할 것이 예상된다.
이렇게 고온의 상황에서 작동되는 터빈은 블레이드에 열응력을 야기시키고, 이는 터빈의 수명단축의 결과를 낳으므로 블레이드의 냉각이 필수적이다. 터빈 블레이드를 냉각시키는 방법으로는 대게 다음과 같은 네가지 방법 또는 이들 방법을 혼합한 방법등이 있다.
① Convection cooling
② Impingement cooling
③ Film cooling
④ transpiration cooling
이들 냉각 방법이 아래 그림에 나타나 있다.
Convection cooling에서는 고온의 연료가스에서 블레이드로 전달된 열을 블레이드 내부의 통로를 흐르는 냉각공기가 흡수하여 블레이드 외부로 내보낸다. 이 방법을 사용할 때에는 열전달 면적을 크게 하기 위해서 블레이드 냉각통로에 핀을 설치하기도 한다. Impingement cooling은 냉각공기의 흐름을 블레이드 내부 벽에 충돌시켜서 블레이드로부터 열을 흡수하는 것으로서 일반적인 Convection cooling보다 더 효율적인 냉각 방법이지만, 블레이드의 앞전 내부와 같이 공간이 제한된 부분에 주로 사용된다.
Film cooling에 있어서는 냉각공기가 브레이드 벽에 뚫린 구멍이나 틈을 통해서 흘러나와 고온의 가스에 접해 있는 블레이드의 외부벽에 비교적 저온의 얇은 막을 형성하여 블레이드를 고온가스로부터 보호하고, 동실에 블레이드에서 열을 흡수하여 냉각시킨다. 이 방법은 아주 효과적이기는 하나 저온의 공기막은 고온고속의 가스 때문에 곧 블레이드 벽으로부터 확산분리되어 그 기능을 상실하기 때문에 국부적인 냉각밖에 하지 못한다. 따라서 많은 면적을 이 방법으로 냉각시키려면 블레이드 표면에 여러개의 구멍이나 틈을 마련해서 저온의 공기막을 계속해서 형성해 주어야 한다. Transpiration cooling방식은 가는 그물과 같이 적은 구멍이 많이 뚫린 재질로 블레이드의 벽을 만들고, 이를 통해서 냉각공기를 내보내서 블레이드 외벽에 계속적인 저온의 공기막을 형성하는 것으로서 냉각이라는 면에서는 위의 네 가지 방법 중에서 가장 효율적이기는 하나, 널리 응용되고 있지는 않다.
그러나 이렇게 압축기에서 뽑아낸 공기로 터빈의 블레이드를 냉각시키는데 있어서 생기는 손실이 있을 수 있다. 이러한 손실은 터빈효율을 저하시키는데, 터빈에 따라 다르지만 대게 총효율의 1 - 3 % 정도인 것으로 알려져 있다. 현재의 기술수준까지 와 있는 터빈에서 효율을 1 - 3 % 올리기 위해서는 막대한 투자와 연구를 필요로 한다는 것을 고려할 때에 이러한 효율저하는 대단히 큰 손실이기는 하지만, 사이클 전체로 볼 때는 터빈의 냉각에서 생기는 손실보다 성능의 향상이 더 크기 때문에 근래에 고성능 엔진은 거의다가 터빈냉각 방식을 사용하고 있다.
3-2. 앞으로의 동향
이처럼 가스터빈엔진은 항공기용의 거의 전부와 그외 산업용으로 널리 사용되고 있다. 가스터빈에서 발생할 수 있는 터빈의 여러 문제들 - 고온고압의 연소가스로 인한 블레이드의 열응력 발생 및 터빈 블레이드의 냉각문제, 블레이드의 재료선정 및 새로운 재료의 개발, 소음 및 진동문제, 엔진의 경량화 문제 -을 조금씩 해결해 나가면서 계속적인 발전을 해오고 있으며 앞으로도 많은 발전이 있을 것이다

키워드

가스터빈 정의 ,   가스터빈 정의