증기 터빈의 블레이드를 살펴보면 위 사진과 같은 air foil 형태를 갖고 있는데, 이러한 구조는 pressure difference를 만들어 내고, 이에 따라서 터빈을 회전시키는 lift force가 발생한다.
즉, 유체의 flow 에너지가 mechanical 에너지로 바뀌게 되는 것이다.
한편, 유체는 speed, pressure, temperature에 해당하는 3가지 에너지를 갖고 있는데, 블레이드를 통과함에 따라서 세 가지 형태의 에너지는 모두 블레이드에 일부 흡수되고, 유체의 에너지는 감소한다.
speed가 감소한 유체는 이후 블레이드를 회전시킬 수 없기 때문에, 하나의 블레이드 다음에는 위 사진과 같은 Stator가 위치한다. Stator는 터빈 casing에 부착되어 회전하지 않고 고정되어 있다.
Stator의 입구는 넓고 출구는 좁은 구조에 의해서 블레이드를 통과하고 속도가 낮아진 유체의 속도를 다시 높이게 된다.
하지만 해당 과정에서 에너지를 얻는 부분이 없기 때문에 유체의 kinetic 에너지를 높이기 위해 유체의 온도와 압력은 낮아진다.
블레이드와 Stator의 구조가 반복되면서 유체의 에너지는 위 사진과 같이 변한다.
해당 과정에서 유체의 압력은 1/150 수준까지 낮아지게 되는데, ideal gas law에 의해서 유체의 부피는 증가하게 된다.
그렇게 부피가 커진 유체를 수용하기 위해서 터빈은 위 사진과 같이 점점 넓어지는 형태를 가지게 된다.
이때 outlet 쪽에 위치한 블레이드의 끝부분은 중심부와 비교해서 매우 높은 속도를 갖기 때문에 모든 블레이드가 최상의 angle of attack을 유지할 수 있도록 twist 되어 있다.
이렇게 큰 터빈은 양쪽으로 같은 구조를 갖는다.
High capacity power plant의 경우 위 사진과 같이 High pressure 터빈, Intermediate pressure 터빈, low pressure 터빈의 세 가지 다른 stage를 사용한다.
그리고 해당 터빈들은 하나의 rotating shaft로 연결되어 있고, 해당 shaft는 generator와 연결되어 있다.
이렇게 세개의 stage로 나누는 이유는 최대 효율을 달성하기 위해서이다. 열역학 2법칙에 따르면 유체의 온도가 높을 수록 효율은 증가한다. 하지만 터빈의 블레이드가 견딜 수 있는 최대 온도가 600도 가량이기 때문에 그보다 온도를 높일 수는 없다.
유체가 흘러감에 따라서 위 사진과 같이 온도는 감소하기 때문에 해당 발전의 효율을 높이려면 각 stage 이후에 열을 가해서 유체의 온도를 높여야한다.
따라서 첫번째 stage 이후에 증기는 보일러로 향하게 되고 추가적인 열을 받는다. 이후 온도가 높아진 증기는 IP 터빈으로 향하게 되고, 이러한 과정을 통해 더욱 높은 효율을 달성한다.
한편, 생산되는 전기의 frequency가 generatior의 속도에 비례하기 때문에 터빈이 일정한 속도로 회전하는 것이 중요하다.
이를 달성하기 위해 flow governing mechanism이 사용된다. 터빈의 회전 속도에 따라서 control valve가 steam flow rate를 조절한다.
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