가스터빈 사이클

왜 배우는가: 가스터빈은 발전용 대형 설비부터 마이크로터빈, 복합발전의 상단 사이클까지 쓰여 실무에서 설계·운전의 기준이 되는 기기다. 시험에서는 개방형·밀폐형 사이클, P-V·T-S 선도, 열효율 논의로 반복해 출제된다. 이 절은 그 기본 구조를 먼저 정리한다.

출제 이력: 제138회 3교시 1번, 제135회 1교시 6번, 제129회 3교시 4번, 제125회 2교시 1번, 제114회 2교시 1번, 제113회 1교시 6번, 제101회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가스터빈 사이클은 공기나 다른 기체를 압축기에서 단열 압축하고, 연소기에서 정압으로 가열한 뒤, 터빈에서 단열 팽창시켜 동력을 얻는 열기관 사이클이다.

가스터빈 사이클은 압축(단열)→가열(정압)→팽창(단열)→방열(정압)으로 이루어진 브레이튼 사이클이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 개방형과 밀폐형 구분을 덧붙인다.

핵심 키워드

• 브레이튼 사이클(Brayton cycle)
• 압축기(compressor)
• 연소기(combustion chamber)
• 터빈(turbine)
• 정압 가열(constant pressure heating)
• 개방형 사이클(open cycle)
• 밀폐형 사이클(closed cycle)
• 압력비(pressure ratio)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 가스터빈은 공기를 빨아들여 꽉 누른 다음 연료를 태워 뜨겁게 만들고, 그 기운으로 날개를 돌리는 장치다. 날개(터빈)가 돌면서 압축기도 함께 돌리고, 남는 힘으로 발전기를 돌린다.

정식 정의는 다음과 같다. 가스터빈 사이클은 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 실제 장치에 적용한 것이다. 이상 상태에서 압축과 팽창은 등엔트로피(단열) 과정이고, 가열과 방열은 등압 과정이다. 실제 장치에서는 마찰과 와류 때문에 압축과 팽창이 비단열이 된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 압축기: 외부 공기를 높은 압력으로 올리는 부분이다. 압축 과정에서 온도가 올라간다.
• 연소기: 압축공기에 연료를 분사해 연소시킨다. 이 과정은 정압에 가깝게 진행된다. 실제로는 연소실 압력손실이 생긴다.
• 터빈: 고온 고압 가스가 팽창하며 회전 동력을 낸다. 이 동력의 일부가 압축기 구동에 쓰이고, 나머지가 출력이 된다.
• 개방형과 밀폐형: 작동유체를 대기로 버리면 개방형이고, 작동유체를 회로 안에서 순환시키면 밀폐형이다. 밀폐형은 외부 열원에서 열을 공급받는다.

3. 등장 배경과 필요성

가스터빈의 역사는 1791년 존 바버(John Barber)가 가스터빈 특허를 낸 데서 시작한다. 이 특허는 왕복 압축기와 터빈 팽창기를 쓴 구조였다. 이후 브라이튼(George Brayton)이 피스톤 방식의 엔진을 개발했고, 이 사이클이 그의 이름을 얻었다.

발전용 가스터빈이 실용화된 것은 스위스 브라운보veri(Brown-Boveri)사가 발전용 가스터빈을 선보이면서다. 같은 무렵 제트 항공기 He 178이 처음 비행했다. 이 두 사례는 가스터빈이 항공과 발전 양쪽에서 쓰일 수 있음을 보여준다.

필요성은 다음 세 가지로 정리된다.

• 증기 사이클에 비해 설비가 작고 기동이 빠르다. 첨두부하 대응에 유리하다.
• 고온 연소가스로 동작하므로 복합발전의 상단 사이클로 쓰면 열효율을 크게 높일 수 있다.
• 물을 쓰지 않는 구조라 냉각수 제약이 적다. 분산형 전원과 마이크로터빈으로 확장되었다.