임펄스 터빈(Impulse Turbine) 완벽 가이드: 원리, 종류(펠턴/터고/크로스플로), 장단점

임펄스 터빈은 가장 단순한 터빈 중 하나로, 반응 터빈과 함께 수력 터빈으로 분류됩니다. 이 터빈들은 유체와 터빈 사이의 에너지 교환 방식에 따라 그룹화됩니다. 물 유동의 위치 에너지와 운동 에너지를 기계적 일로 변환하기 위해 설치됩니다. 수력 발전소에서 임펄스 터빈을 광범위하게 사용하며, 양수(펌핑)에도 활용할 수 있습니다.

이 글에서는 임펄스 터빈의 정의, 용도, 기능, 구성 요소, 다이어그램, 종류, 작동 원리, 장단점을 종합적으로 다루겠습니다.

임펄스 터빈(Impulse Turbine)이란 무엇인가?

임펄스 터빈은 유체의 운동 에너지를 노즐을 통해 날개에 작용시키는 장치입니다. 이 터빈에서 회전 기계 세트가 대기압에서 작동합니다. 높은 수두와 낮은 유량 조건에 적합합니다. 임펄스 터빈은 속도 벡터의 변화에 기반하여 작동합니다. 즉, 물의 위치 에너지(폭포 높이에 따라 달라짐)가 하나 이상의 노즐에 의해 운동 에너지로 변환됩니다.

고속으로 물이 터빈 날개를 때리면 터빈이 회전하고, 발전기에 연결된 축을 통해 전기가 생성됩니다. 이는 높은 수두와 낮은 유량 조건에서 에너지 추출에 적합합니다.

임펄스 터빈은 펠턴(Pelton), 터고(Turgo), 크로스플로(Cross-flow) 세 가지 유형이 있습니다. 펠턴과 터고 터빈의 구조는 매우 유사합니다. 그러나 크로스플로 터빈은 임펄스 터빈의 개량형으로, 임펄스 터빈으로 분류됩니다. 이는 러너가 대기압에서 회전하고 잠수형 터빈이 아니기 때문입니다.

임펄스 터빈의 용도

임펄스 터빈의 용도는 전기 생산에 널리 사용됩니다. 사실 세계 전력의 상당 부분이 터보 발전기에 의해 생성됩니다.

우주 왕복선 주 엔진은 터보펌프(터빈 엔진으로 구동되는 펌프로 구성된 기계)를 사용하여 추진제(액체 산소와 액체 수소)를 엔진 연소실로 공급했습니다.

수력 터빈은 수력 발전소에서 사용됩니다. 물을 작동 유체로 사용합니다. 마지막으로,

증기 터빈은 원자력 및 화력 발전소에서 사용됩니다. 물을 가열해 증기를 만들고 터빈을 통해 흐르게 하여 전기를 생산합니다.

참고: 임펄스 터빈의 주 기능은 발전과 양수입니다.

임펄스 터빈의 구성 요소

임펄스 터빈의 주요 구성 요소와 기능은 다음과 같습니다:

러너(Runner):

임펄스 터빈의 이 부품은 여러 개의 곡면 날개가 부착된 원형 디스크와 같습니다. 중심에 실린더 축이 있으며 러너와 함께 스테인리스강으로 제작됩니다. 수두가 낮을 때는 주철로 제작될 수도 있습니다.

버킷(Buckets):

버킷은 러너 주변에 장착된 숟가락 모양의 컵 세트로, 유체와 터빈 사이의 에너지 교환을 담당합니다. 노즐을 떠난 고속 유체가 이 버킷을 때리면 터빈 날개가 회전하고 버킷 외곽으로 빠져나갑니다. 터빈 설계에 따라 유체의 출구 방향 변화가 충격 각도 대비 결정됩니다. 최대 운동량은 180도 각도에서 얻습니다.

노즐(Nozzle):

임펄스 터빈에서 노즐의 기능은 유체 유동을 조절, 변형, 분사하여 버킷을 때리게 하는 것입니다. 이 터빈의 중요한 부품으로 압력 변화를 일으키고 유동 수두를 운동 에너지로 변환합니다. 이 장치의 스피어(spear)라는 부품이 버킷에 도달하는 물 분사량을 조절합니다. 이 노즐들은 매우 단단하고 침식 입자를 견딜 수 있는 텅스텐 카바이드로 설계됩니다.

케이싱(Casing):

임펄스 터빈의 케이싱은 물이 튀는 것을 방지하는 실드 역할을 합니다. 또한 여수로(spillway)로 유도하여 댐의 구조적 무결성을 보호하기 위한 여분의 물을 처리합니다. 일반적으로 주철로 제작됩니다.

펜스톡(Penstock):

이 부품은 수력 발전소에서 댐과 저수지에서 터빈으로 물을 이송하는 파이프와 채널로 널리 사용됩니다. 물이 매우 높은 압력으로 흐릅니다. 펜스톡은 보통 강철로 만듭니다.

임펄스 터빈 다이어그램:

임펄스 터빈의 종류

수력 발전소에서 사용되는 다양한 임펄스 터빈 종류와 작동 원리는 다음과 같습니다:

펠턴(Pelton):

펠턴 터빈의 주요 구성 요소는 러너, 노즐, 디플렉터(deflector)입니다. 높은 낙차 수두에 사용됩니다. 하나 이상의 노즐(최대 6개)이 물 수두를 고속 유동으로 변환하는 데 도움을 줍니다. 물이 흐르면서 결과적으로 터빈 동력은 유량 조절로 제어됩니다.

시스템은 터빈의 원통형 러너 주위에 대칭적으로 배치된 일련의 버킷을 특징으로 합니다. 이 버킷의 설계와 형상은 물 분사가 버킷 중심에 맞고 양쪽에서 빠져나가게 합니다. 이 출구는 물이 다음 버킷을 때리지 않게 하여 제동을 방지합니다. 터빈 휠 축은 수직 또는 수평으로 장착 가능합니다. 고출력, 고효율, 다수 노즐의 경우 휠 축은 항상 수직이며 발전기는 터빈 위에 설치됩니다.

디플렉터는 러너와 노즐 사이에 위치합니다. 부하가 갑자기 제거되어 회전 속도가 증가할 때 노즐에서 버킷으로 물이 분사되는 것을 방지합니다. 마지막으로 스피어를 사용하여 물 흐름을 멈춥니다.

펠턴 임펄스 터빈 다이어그램:

터고(Turgo):

터고형 임펄스 터빈은 펠턴과 유사하게 작동합니다. 주요 차이점은 물 분사가 버킷을 비스듬히(약 20도) 때린다는 것입니다. 버킷 형상이 복잡하고 제조가 더 어렵기 때문입니다. 터고 터빈은 펠턴보다 높은 비속도(specific speed)를 가집니다. 이 임펄스 터빈 유형의 장점으로는 동일 출력에서 펠턴보다 더 큰 분사와 더 작은 기계 크기를 들 수 있습니다. 소수력 발전소에서 이 터빈을 사용합니다.

터고 임펄스 터빈 다이어그램:

크로스플로(Cross-flow):

이 터빈 유형은 주로 소수력 발전소에서 사용되는 임펄스 터빈의 개량형입니다. 임펄스 터빈과 마찬가지로 로터가 공기 중에서 회전하며 반응 터빈처럼 완전히 잠기지 않습니다. 이 터빈의 이점으로는 넓은 유량 범위, 수두, 그에 따른 출력에서 작동 가능합니다. 또한 유량 변화에 잘 적응하면서 효율을 유지합니다. 물 유량에 따라 터빈의 활성 부분을 조절하는 특수 제어 시스템이 있습니다.