가스터빈 설비의 구성 및 사이클 형식

가스터빈의 설비구성

일축형(Single Shaft System)

압축기, 터빈, 발전기가 하나의 축에 연결된 형식이며, 터빈축의 회전속도는 출력과는 무관하게 항상 동기속도로 회전하므로 저부하 운전 시 효율저하가 큰 단점이 있다. 다축식에 비해 구성이 단순하고 견고하나 크기가 크며, 산업용으로 설계된 가스터빈은 대부분 이 형식이다. 한편 가스터빈의 압축기 소모동력을 줄이기 위한 설계방법으로 압축기를 소형화, 고속화하는 방법이 이용되고 있으며, 일축형 가스터빈의 경우 터빈과 발전기 사이에 감속기어를 설치하기도 한다.

 

다축형(Multi Shaft System)

2축형(Twin Shaft System)

터빈을 두 개로 분할한 형식으로, 고압 및 저압터빈은 각각 압축기와 발전기를 구동하며, 각각 다른 축을 가지고 있다. 특히 점섬부분의 압축기, 연소기, 압축기, 터빈을 한 모듈로 묶어서 가스발생기(Gas Generator)라고 하며, 항공용 터보제트(Turbo Jet) 기관으로 많이 이용된다. 발전기를 구동하는 동력터빈(Power Turbine)은 동기속도로 운전되나, 압축기 터빈은 발전기 출력에 따라 변속하기 때문에 부분부하에서 효율저하가 적을 뿐만 아니라 압축기를 소형화, 고속화할 수 있어 압축기 소모동력을 줄이고 설비비를 절감할 수 있는 이점이 있다. 또한 기동장치는 가스발생기를 회전시키는데 필요한 크기면 되므로 일축형에 비해 기동기의 용량이 적어도 된다. 그러나 구조가 복잡하고, 설비가 취약하여 장시간 연속운전에는 부적합하다.

 

2중 스풀형(Twin Spool Gas Turbine)

항공용 가스터빈에 주로 이용되며, 3중 스풀엔진도 아주 제한적으로 이용된다. 2중 압축기 엔진으로 두 개의 압축기와 두 개의 터빈으로 구성되며, 고압 압축기 구동축 내부에 저압 압축기 축이 관통한다. 압축기를 고, 저압으로 분리하여 각각 다른 속도로 구동하도록 설계한 이유는 압축효율을 높이고 압축기 서징(Surging) 방지를 위함이다. 이런 유형의 항공용 엔진을 산업용으로 개조할 때는 발전기 구동용 동력터빈(Power Turbine)을 별도로 설치한 경우와 발전기를 저압 터빈축에 직접 연결하는 형식이 있으며, 발전기를 연결하는 위치로 보아 터빈 배기 측에 연결하는 온단구동(Hot End Drive) 형식과 압축기 앞부분에 연결하는 냉단구동(Cold End Drive) 형식이 있으나 냉단구동 형식이 복합사이클용으로 적합하다.

 

사이클 형식 및 특징

단순 개방형(Simple Open Cycle)

가스터빈의 기본형이며 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기에서 압축된 공기는 연소기로 공급되며, 연소기에서는 압축공기에 연료를 분사, 연소시켜 고온, 고압가스를 만들어 터빈으로 보내 팽창시킨다. 터빈에서 배출된 배기가스는 대기 중에 방출하거나, 배열회수 보일러에 도입하여 복합사이클로서 운전할 수 있다. 설비는 간단하나 단순사이클 효율은 비교적 낮다.

 

재생형(Regenerative Cycle)

단순 개발형에 배열회수 열교환기를 추가한 설비이다. 가스터빈 배기가스의 여열을 이용하여 압축기의 출구공기를 가열하는 방식으로 열소비율은 약간 감소한다.

 

재열형(Reheat Cycle)

가스터빈 소재의 내열성에는 한계가 있기 때문에 터빈 입구온도를 무한정 높일 수 없다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 개발된 것이 재열 가스터빈이다. 재열 가스터빈은 터빈을 고압, 저압으로 구분하고 두 터빈사이에 연소기를 설치하여 추가 연소함으로써 터빈의 팽창일을 증가시킬 수 있다.

 

중간 냉각 재열 재생형(Inter Cooling Reheat Regenerative Cycle)

재생형에 중간 냉각기, 재열기를 추가한 설비로서, 가스터빈 출려고가 효율이 재생형에 비해 높다. 중간냉각기는 저압압축기에서 1차 압축시킨 공기를 냉각시켜 비체적을 감소시킨 후 고압 압축기에서 재압축하도록 하여 압축과정에 소요되는 일량을 경감하는 역할을 한다. 한편 재열기는 고압터빈에서 1차 팽창시킨 배기가스에 추가연료를 분사, 연소시켜 열낙차를 높인 후 저압 터빈에서 재팽창시켜 축 출력을 상승시킨다.

 

폐쇄형(Closed Cycle)

작동 유체와 연소용 공기는 별개로서, 작동 유체가 폐회로를 재순환하는 형식이며 사용가능한 작동 유체로는 공기, 헬륨, 수소 등이 있다. 특징으로는 작동유체의 압력을 높임에 따라 압축기 및 터빈의 소형화가 가능하며 터빈 부품이 연소가스와 직접 접촉하지 않기 때문에 구성부품의 오염, 부식, 침식에 대해 안전하나 대형 공기가열기 및 냉각기가 필요하게 된다.