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1. 개요
터빈(turbine, 터바인[1])은 직선 운동을 하는 유체로부터 운동 에너지를 받아 회전력으로 전환하는 동력기관이다.어원은 라틴어로 소용돌이를 뜻하는 turbinem이며, 19세기에 수차에 터빈이라는 이름이 붙게 되었다. 이 단어에서 영어 터보(turbo)가 파생되었다(turbo 자체가 라틴어 turbinem의 주격이다).
2. 종류
여러 종류가 있으나, 보통 축에 핀이나 날개, 깃 등을 달아놓고 선형적인 유동을 날개에 충돌시켜 회전력으로 바꾼다. 기본적인 개념은 모터의 역과정이다. 수력발전소의 수차, 보일러나 원자로에서 받은 고속증기(물 등)를 사용하는 증기 터빈, 연료를 태워 그 팽창력으로 터빈을 돌리는 가스터빈, 바람의 힘으로 돌리는 풍력 발전기나 풍차도 전부 터빈이다.터빈의 과정을 거꾸로 하면 선풍기 날개나 비행기의 프로펠러나 선박의 스크류, 펌프의 임펠러 등이 된다. 즉 회전력을 선형적인 유동으로 바꾸어 추진력을 얻는 장치가 된다.
터빈기관의 일종인 가스 터빈의 경우 왕복운동을 하는 피스톤과 이를 회전운동으로 전환하는 크랭크축으로 구성된 디젤 엔진이나 가솔린 엔진과는 다르게, 회전운동만을 하므로 진동이 적고 회전수를 높여서 출력을 향상시키기 용이하므로 기관의 크기도 출력에 비해 상대적으로 소형이다. 또한 어느 정도의 유동만 있으면 기관 안에서든 밖에서든 상관없으므로 외연기관에도 적합하고 신뢰성도 높다.
현대에 생산되는 대부분의 전기는 결국 터빈에서 나온다.(발전소 문서 참고.) 터빈을 쓰지 않는 일부의 발전 방식[2]을 제외하면 각 발전 별로 어떻게 터빈을 돌리느냐가 발전 방법의 차이라고 봐도 될 정도다. 풍력은 바람으로 터빈을 돌리고, 수력은 물로 터빈을 돌린다. 열 형태로 에너지를 얻는 발전 방식은 다 물을 끓여서 그 수증기로 증기 터빈을 돌린다. 석탄, 석유, 게다가 원자력까지 모두 예외가 없다.
원심 터빈(임펠러)과 축류 터빈이 있는데 원심 터빈은 짧고 가볍고 한 단이 받을 수 있는 압력이 크고 제작이 쉬워 단가가 낮은 대신 다단으로 만들기 힘들고 직경이 굉장히 큰 편이다. 축류 터빈은 단가가 비싸고 무거운 대신 다단으로 만들기 쉬우며 직경도 작다. 다단으로 만들 수 있다는 것은 유동이 가지고 있는 에너지를 더 많이 받을 수 있다는 것, 일장일단이 있어 사용처에 따라 선택해 장착한다. 대표적인 원심터빈은 터보과급기의 터빈이나 일부 수력발전소, 축류터빈은 대부분의 제트엔진의 터빈과 수력발전소를 제외한 대부분의 발전소의 터빈이 있다.
가스터빈에 장착된 터빈 같은 경우에는 초고온의 환경에서 지속적으로 고속회전을 해야 하기 때문에 날개에 특수한 구멍 등을 뚫어 압축공기로 표면을 냉각 공기층으로 덮어서 뜨거운 공기가 직접 닿지 않게 한다. 연소실 내 연소온도가 최대 2200k에 이르는 데다 터빈에 직접 닿는 기체 온도가[3] 1300k 정도이니 아무리 고열에 강한 소재라도 터빈 속의 고열, 고회전, 고압력 삼종 세트에는 버틸 수가 없기 때문이다. 따라서 가스터빈은 압축기에서 압축한 압축공기를 전부다 연소로 쓰지않고 상당부분 연소실이나 터빈, 터빈 케이싱 등의 냉각으로도 사용한다. 또한, 고온이라 특수한 재료로 제조를 하는데 이게 상상을 초월하는 가격이다. 물론 베어링이나 터빈 케이싱도 비싼 건 마찬가지.
특이한 종류로 좁은 공간에 흐르는 유체의 마찰력을 이용하는 테슬라 터빈(Tesla Turbine)이 있다. 효율 94%로 당시의 터빈에 비해 높은 효율을 가지고 있으며 현대의 에어로포일 터빈에 비해 구조가 매우 단순하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 작동 하려면 최소 10,000RPM, 94%의 효율이 나올려면 35,000RPM에 도달해야한다는 미친 조건을 가지고 있어 당시에는 실패했고, 현대에도 대형 터빈에 사용하기 곤란하다.[4] 다만 테슬라 터빈은 구조를 그대로 놓고 펌프로도 바꿀 수 있기 때문에 고점도 유체 펌프로 사용되기도 한다.
3. 기타
터빈을 장착한 기관, 차량 등을 접두사로 터보-, 접미사로 -터빈 이라고 부르는데 이 기구가 없으면 붙이지 않는다. 가령 제트엔진이라도 터빈을 쓰지 않는 기관이 몇 있는데, 공기의 램 압력을 받아 바로 연료를 연소 시키는 램제트 엔진이나, 요상한 나팔 파이프 에 불을 태우면 시끄러운 방귀 소리와 함께 추진하는 펄스 제트엔진 등이 있다.[5] 디젤이나 가솔린 엔진에 사용하는 과급기의 일종인 터보차저 (터보과급기)와 일부 슈퍼차저도 원심식 터빈을 이용하는데 이 둘의 차이는 흡기 압축을 위한 터빈을 돌리는 동력이 배기가스의 에너지를 이용하는가 엔진의 동력을 사용하는가에 따라 구분된다. 인터쿨러는 압축시킨 공기를 냉각시키는 장치니 관계없다. 그러니까 터빈이 없는 걸 터보 뭐시기 라고 부르지 않는다. [6]터빈과 모양은 비슷하지만 역할이 반대인 것으로 축류, 원심 압축기가 있다. 단 모든 터빈에 압축기가 딸려있는 것은 아니다. 축류, 원심압축기가 선택할 수 있는 동력 출력기관은 터빈 정도밖에 없지만, 터빈은 딱히 축류, 압축기가 아니더라도 상관없다. 위에 쓴 것처럼 바람을 받아도 터빈은 움직이므로 그 점은 자유롭다. 노예가 터빈블레이드를 잡아서 수동으로 돌려도 어찌 되었든간에 돌아가긴 하니까!
상술했듯이 대부분의 발전 방식이 터빈으로 끝나는데, 오죽하면 마왕이 부정적인 감정을 흑수정에 모은 뒤 물을 끓여 터빈을 돌릴 것이라는 짤이 있을 정도다.#
4. 관련 문서
[1] 영국식으로는 터바인, 미국식으로는 터빈으로 발음하지만 근년에는 미국 영어에서도 터바인으로 발음하는 이들이 늘어나고 있다.[2] 대표적으로 태양광 발전. 태양광 발전기는 발전판만 있고, 기계 장치는 누전 차단용 스위치와 입사각 조절용 모터를 제외하면 사용하지 않는다. 태양광 발전의 기본 원리는 광자와 전자와 부딪히면 전자가 튀어나오는 광전 효과를 이용한다.[3] TIT 터빈입구온도 경우에 따라 다르지만 보통 이 온도가 높을수록 출력이 높다.[4] 안그래도 고회전인 테슬라 터빈인데, 터빈의 직경이 커질수록 가장자리의 속도는 미쳐돌아가야 한다.[5] 로켓 엔진은 터빈이 있는 것도 있고 없는 것도 있기에 애매하다. 주로 고출력 로켓엔진은 가스 발생기에서 산화제랑 추진제를 섞어서 연소시킨 가스로 펌프를 돌리기 위한 가스터빈이 있다. 이를 통들어서 터보펌프라 부른다.[6] 물론 일상적인 표현이나 마케팅 차원에서는 실제 터빈의 유무와 관계없이 "빠르고 강력하다"는 의미로 "터보"라는 수식어를 사용하곤 한다. 무슨무슨 컴퓨터 프로그램의 터보 버전이라든지, 터보 에너지 음료라든지.컴퓨터를 켰더니 비행기 이륙하는 소리가 나요[7] 액체로켓 엔진에도 터보 펌프라고 가스로 터빈을 돌려 연료를 공급하는 부품이 있다. 일명 터보 펌프인데 가압식(헬륨으로 연료를 밀어 연소실에 공급하는 방식)보다 더 높은 추력을 낼 수 있다. 다른 말로 대형 엔진엔 필수적으로 붙어야 하는 것. 보통 1차 불완전 연소된 연료로 터빈을 돌린다.