가스터빈 원리는 압축한 공기에 연료의 열을 더하고, 뜨거운 가스가 터빈을 지나며 팽창할 때 그 에너지 일부를 축의 회전으로 바꾸는 것입니다. 압축기는 압력을 높이고, 연소기는 온도를 크게 높이며, 터빈은 회전력을 얻습니다. 발전용 설비에서는 이 힘으로 압축기를 계속 돌리고 발전기도 구동합니다.
가스터빈 구조는 공기의 길과 동력의 길로 나누면 쉽습니다
공기가 지나가는 순서는 흡입구, 압축기, 연소기, 터빈, 배기구입니다. 외부에서 들어올 때는 공기이지만 연소기에서 연료가 섞여 타고 나면 고온의 연소가스가 됩니다. 이후 터빈을 통과해 밖으로 나가는 가스를 배기가스라고 부릅니다.
여기서 가스터빈이라는 말은 두 범위로 쓰입니다. 설비 전체를 말할 때는 압축기와 연소기까지 포함하지만, 그 안의 부품인 터빈은 연소가스에서 동력을 꺼내는 구간을 뜻합니다. 가스터빈 구조를 볼 때 전체 장치와 뒤쪽의 터빈 구간을 구분하면 혼동이 줄어듭니다.
공기·가스의 이동과 축의 동력 전달도 다릅니다. 가스는 장치 안을 통과해 배기구로 나가지만, 터빈에서 얻은 회전력은 축을 통해 압축기와 발전기에 전달됩니다. 그림의 되돌아가는 동력 화살표는 배기가스가 압축기로 돌아간다는 뜻이 아닙니다. 축의 개수와 연결 방식은 설비마다 다르며, 흐름도는 기능 관계를 단순화한 개념도입니다.
압축기는 왜 공기를 먼저 눌러 줄까요?
압축기는 터빈에서 가스가 팽창하며 일을 할 수 있도록 높은 압력의 공기를 준비합니다. 그냥 공기를 뜨겁게 만드는 것만으로는 발전에 필요한 압력 차와 가스 흐름을 충분히 마련할 수 없습니다. 앞에서 압력을 높여 놓고 열을 더한 다음, 뒤에서 팽창시키는 순서가 중요합니다.
대형 발전용 가스터빈에서 흔히 쓰는 축류 압축기는 공기가 회전축 방향으로 지나가는 구조입니다. 여러 줄의 회전 날개와 고정 날개를 거치면서 공기의 압력이 단계적으로 높아집니다. 압축기는 공기를 단순히 통과시키는 통로가 아니라, 축에서 동력을 받아 공기에 에너지를 전달하는 장치입니다.
따라서 압축에는 힘이 들고 공기의 온도도 올라갑니다. 연소기에 도착한 공기는 이미 압축되어 따뜻해진 상태입니다. 압축기 출구 압력을 입구 압력으로 나눈 값을 압력비라고 하며, 서로 비교할 때는 같은 압력 기준을 써야 합니다. 압력비의 실제 값은 모델과 운전 조건에 따라 달라집니다.
가스터빈 연소기는 압력보다 온도를 높입니다
가스터빈 연소기의 주된 역할은 압축 공기에 연료를 공급해 태우고, 가스의 온도와 에너지를 높이는 것입니다. 공기 자체가 연료처럼 타는 것은 아닙니다. 연료가 공기 속 산소와 반응하면서 열을 내고, 그 열이 흐르는 가스를 뜨겁게 만듭니다.
일반적인 가스터빈 연소기는 밀폐된 통 안에서 폭발을 반복시키는 방식과 다릅니다. 공기와 연료가 계속 공급되고 연소가스도 계속 빠져나가는 연속 연소를 사용합니다. 따라서 연소기의 작동을 설명할 때는 한 번의 폭발보다 지속적으로 열을 공급하는 흐름을 떠올리는 편이 정확합니다.
연소기에서 압력까지 크게 올라간다고 생각하기 쉽지만, 통상적인 가스터빈에서는 그렇지 않습니다. 이상적인 설명에서는 거의 일정한 압력에서 열을 더한다고 보고, 실제 장치에서는 흐름과 혼합 과정 때문에 압력이 조금 낮아집니다. 터빈 입구의 높은 압력은 주로 앞단 압축기가 만들어 놓은 것입니다.
가스터빈 연소기로 들어온 공기의 역할도 모두 같지는 않습니다. 공기는 연료의 연소와 혼합에 쓰이고, 일부 압축 공기는 고온 부품을 냉각하는 데 사용됩니다. 연료를 많이 넣어 무조건 뜨겁게 만들 수 없는 이유도 여기에 있습니다. 금속 부품이 견딜 수 있는 온도와 냉각 조건을 함께 지켜야 합니다.
NASA의 연소기 설명도 연소 과정에서 온도가 높아지고 압력이 소폭 낮아지는 점을 설명합니다.
뜨거운 가스가 지나가면 왜 날개가 회전할까요?
터빈은 높은 압력의 가스가 낮은 압력 쪽으로 팽창하는 과정에서 날개에 힘을 가하도록 만든 장치입니다. 열을 받은 가스는 터빈의 날개 사이를 지나며 속도와 방향이 바뀌고, 그 과정에서 회전 날개에 회전 방향의 힘을 전달합니다. 이 힘이 날개가 붙은 회전체와 축을 돌립니다.
고정 날개는 가스가 회전 날개에 알맞은 방향으로 들어가도록 안내하고, 회전 날개는 가스에서 에너지를 받아 축 동력으로 꺼냅니다. 여러 단을 사용하는 터빈은 이 과정을 차례로 반복합니다. 단순히 불꽃이 날개에 부딪혀 돌아가는 것이 아니라, 압력 차를 이용한 팽창과 날개를 지나는 흐름의 변화가 회전력을 만드는 것입니다.
터빈이 동력을 꺼내 쓴 만큼 가스의 에너지는 줄어듭니다. 터빈 전후를 전체적으로 비교하면 가스의 총압과 총온이 낮아집니다. 총압·총온은 흐르는 가스를 정지시켰다고 보아 비교하는 압력과 온도입니다. 날개 사이의 모든 지점에서 속도까지 똑같이 줄어든다는 뜻은 아닙니다.
이 때문에 압축기와 터빈은 에너지가 이동하는 방향이 반대입니다. 압축기는 축의 힘을 공기에 넣고, 터빈은 가스의 에너지를 축의 힘으로 꺼냅니다. 가스터빈 원리를 이해할 때 가장 중요한 차이입니다.
터빈이 만든 힘은 모두 전기가 될까요?
터빈에서 나온 축 동력의 상당 부분은 압축기를 돌리는 데 다시 사용됩니다. 압축기가 계속 공기를 공급해야 연소와 팽창도 이어질 수 있기 때문입니다. 그 밖의 손실과 필요한 구동 동력을 제외한 몫을 발전기에 전달해 전기를 생산합니다.
연료를 태우지 않고 압축한 공기만 다시 팽창시켜서는 지속적인 순출력을 얻을 수 없습니다. 이상적인 경우에도 압축에 넣은 에너지를 되찾는 수준이고, 실제 장치에는 손실이 있습니다. 연료의 화학에너지를 열로 더해 주기 때문에 압축기를 돌리고도 외부에 쓸 동력이 남을 수 있습니다.
발전기는 전달받은 기계적 회전을 전기에너지로 바꾸는 별도 장치입니다. 따라서 가스터빈의 터빈 구간이 전기를 직접 만드는 것은 아닙니다. 압축·연소·팽창이 축의 회전을 만들고, 발전기가 그 회전을 이용한다는 순서로 이해하면 됩니다.
터빈을 지난 배기가스에는 왜 열이 남을까요?
터빈을 통과했다고 해서 가스의 에너지가 모두 축 동력으로 바뀌는 것은 아닙니다. 팽창하면서 온도가 내려가도 배기가스에는 회수할 수 있는 열이 남습니다. 단순 사이클은 가스터빈 발전을 중심으로 구성하지만, 복합화력은 이 배기열을 추가 발전에 활용합니다.
복합화력에서는 고온 배기가스를 배열회수보일러로 보내 물을 데워 증기를 만듭니다. 이 증기로 별도의 증기터빈을 구동합니다. 배기가스 자체가 증기로 변하는 것이 아니라, 배기가스의 열이 물로 전달되는 것입니다. GS파워의 공정 안내에서도 가스터빈 배기가스가 배열회수보일러로 이어지는 경로를 볼 수 있습니다.
압축기는 압력을 준비하고, 연소기는 연료의 열을 공급하며, 터빈은 팽창하는 가스에서 회전력을 꺼냅니다. 이 세 역할과 발전기로 이어지는 축 동력을 구분하면, 가스터빈 구조를 보면서 공기의 이동과 전기가 만들어지는 과정을 함께 설명할 수 있습니다.