터빈

수력 터빈

개요

이 터빈은 보통 충동식(衝動式)과 반동식(反動式)으로 나누어지는데, 댐이나 폭포의 수력학적 조건을 고려해 효율적인 것을 사용한다. 물의 낙차가 크고 유속이 낮은 곳에는 충동식 수력 터빈을 사용하고, 약 450m 이하의 낙차나 중속 또는 고속의 유속에는 반동식 수력 터빈을 사용한다.

충동식 수력 터빈

이 터빈은 최초 물을 특수한 형태의 노즐을 통해 배출함으로써 물의 수두(水頭) 또는 위치 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 물이라는 유체로부터 에너지를 끌어낸다. 그 물은 공기 중으로 분사되어 회전자의 가장자리에 있는 만곡형 버킷과 충돌하게 되고, 물의 에너지는 유용한 일로 변환된다.

현대의 충동식 수력 터빈은 1889년 미국의 공학자 L. A. 펠턴이 특허낸 펠톤 터빈에 기본을 두고 있다. 노즐에서 분사된 물은 반구 형태의 버킷과 접선 방향으로 충돌한다. 보통 적은 유량을 가진 450m 이상의 높은 수두에 적합하다. 최대 효율에서 터빈 날개 끝의 속도는 물 분사속도의 1/2이다.

반동식 수력 터빈

이 터빈은 회전자에서 물이 가속될 때 발생하는 반동력을 이용해 회전력을 얻는다. 이 반작용 원리는 스프링클러가 물을 분사하면서 그 반대방향으로 회전하는 데서 찾아볼 수 있다. 물의 가속방법은 프랜시스식·카플란식·데리아식 등의 터빈 종류에 따라 조금씩 차이가 있다.

그러나 모든 반동식 수력 터빈에서 최초 수압은, 나선형 케이싱과 물을 회전자로 이끄는 수문장치로 이루어진 입구체계로 물이 유입되면서 속력으로 변환된다. 물로부터 얻은 에너지는 물의 총에너지를 흡수하는 1단 회전자(버킷이나 날개가 달린 수차를 1개 가진 회전자)에서 기계 에너지로 변환된다.

반동식 터빈의 3가지 주요 종류 중 프랜시스 터빈은 넓은 범위(3~600m)의 수두에 사용할 수 있어 가장 널리 사용되고 있다. 이것은 혼합류 회전자를 가지고 있어 입구에서는 물은 방사상으로 흐르고 출구에서는 축방향으로 흐른다. 이와 대조적으로 카플란 터빈은 축류식 터빈이고 낮은 수두에만 사용된다.

게다가 프랜시스 터빈의 고정날개와 달리 카플란 터빈의 날개는 가동성이므로 여러 유동률에 맞게 조절할 수 있어 효율을 높일 수 있다.

증기 터빈

이 터빈은 증기에 저장된 열에너지를 일로 바꾼다. 이것은 대용량 전력발전과 같은 용도에서 다른 모든 원동기 대신 사용되고 있다. 터빈은 구동시키는 데 필요한 증기는 주로 원자로나 석탄 또는 기름 보일러로 생산된다.

드 라발 증기 터빈

이 터빈은 보통 베어링으로 지지되고 원통형 케이싱으로 둘러싸인 축으로 이루어져 있다. 증기는 터빈 실린더 주위에 있는 노즐에서 분출된 후, 축에 부착된 날개나 버킷에 충돌해 축을 회전시킨다. 사실상 이것은 작동매체가 공기 대신 고압증기를 이용한다는 사실만 제외하면 동력을 얻는 방법에서 풍차와 비슷하다. 이것은 증기가 복수기 또는 응축기(凝縮器)로 배출되느냐의 여부에 따라 응축식(凝縮式) 터빈과 불응식(不凝式) 터빈으로 나눌 수 있다. 응축식 터빈에서는 다량의 냉각수를 복수기의 관을 통해 순환시킴으로써 증기를 응축시킨다.

냉각수는 응축시 발생하는 열을 흡수하여 방출시킨다. 이 연속적인 응축과정을 통해 복수기에서는 저압이 유지되어 증기의 팽창비(증기의 원래 부피에 대한 팽창된 부피의 비)를 증가시킨다. 그결과 터빈의 효율과 일의 출력이 높아진다. 가능한 최대 효율을 유지해야 하기 때문에 모든 주요 발전소에서 대형 발전기와 직접 연결된 응축식 터빈을 사용한다. 불응식 터빈에서 증기는 터빈을 통과하면서 팽창한 뒤 대기·난방장치 등을 비롯한 그밖의 여러 장치로 배출된다. 이 터빈은 저압 또는 고압 증기를 이용하거나 증기 발생기와 증기를 사용하는 장치 사이에 터빈을 설치하여 경제적으로 부산(副産) 전력를 발전할 수 있는 산업공장에서 널리 사용된다.

풍력 터빈

이 터빈은 바람 속에 저장된 엄청난 양의 에너지를 전력으로 변환하는 데 사용하는데, 일반적으로 수직축형과 수평축형의 2가지 기본형으로 나눌 수 있다.

수직축형에서 가장 널리 사용되는 것은 다리외 터빈이다. 이것은 축의 꼭대기와 바닥에 붙어 있고 중간은 구부러진 알루미늄판으로 된 2개의 날개(믹서기의 날개와 매우 흡사함)를 가지고 있다. 수평축형은 회전자에 비행기 프로펠러처럼 비틀린 날개가 달려있는데, 이 날개는 발전기 속도를 적당히 유지하는 자동조속기에 의해 지지축을 중심으로 회전한다.

캘리포니아 근처의 태하처피 산맥, 하와이, 뉴햄프셔 등과 같이 끊임없이 바람이 부는 고지대에는 수백 개의 풍력 터빈이 건설되어 있다. 이곳에서 수백만 kWh의 전기가 생산된다(→ 풍력발전지역).

가스 터빈

이 용어는 작동유체로 가스를 이용하는 터빈에만 사용되지만 보통 압축기·연소실·터빈으로 이루어진 완전한 내연기관을 묘사하는 데만 사용된다. 이 열기관은 발전기·펌프·프로펠러 등을 구동시키는데, 순수 제트기의 경우에서 노즐을 통해 터빈의 배기흐름을 가속시켜 추력을 발생시킬 수 있다. → 제트기관