스팀 터빈 - 로터(Rotor)와 스테이터(Stator)

이전 글에서 스팀 터빈의 개요에 대해서 살펴보았습니다. 이 글에서부터는 스팀 터빈 각 구성 설비에 대해서 조금 더 상세하게 작성하고자 합니다.  여기에서는 스팀 터빈의 핵심 부품이라고 할 수 있는  로터(Rotor)와 스테이터(Stator)의 역할, 구성 요소, 재질, 원리 등에서 살펴보겠습니다.   

스팀 터빈 로터 (Rotor)

1. 스팀 터빈 로터의 역할

 

로터(Rotor)는 터빈 내에서 스팀의 압력과 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 역할을 합니다. 스팀이 로터 블레이드에 충돌하면서 로터가 회전하고, 이 회전 운동은 발전기와 연결되어 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 로터는 고온, 고압 환경에서 안정적이고 효율적으로 작동해야 하며, 이를 위해 견고하고 내구성이 높은 재질로 제작됩니다. 

 

2. 로터의 구성 요소

 

1) 중심축 (Shaft)

• 중심축은 로터의 핵심 부분으로, 터빈의 회전 운동을 전달하는 역할을 합니다. 고강도 강철로 제작되며, 회전 운동의 중심을 이루어야 하므로 매우 정밀하게 제작됩니다.

2) 블레이드 (Blades)

• 블레이드는 로터의 외부에 부착된 날개로, 스팀의 에너지를 받아 회전 운동을 생성합니다. 블레이드는 터빈의 성능과 효율을 결정하는 중요한 요소입니다.
• 블레이드는 스팀의 흐름을 최적화하기 위해 특별한 형태와 각도로 설계됩니다. 이러한 설계는 터빈의 효율성을 극대화합니다.
• 블레이드는 고온 및 고압 환경에서 견딜 수 있도록 니켈 합금, 티타늄, 스테인리스 강 등 고강도 재질로 제작됩니다.

3) 디스크 (Discs)

• 디스크는 중심축에 부착되어 블레이드를 지지하는 역할을 합니다. 디스크는 블레이드의 무게와 스팀의 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 고강도 재질로 제작됩니다.

4) 연결 구조체 (Connecting Structures)

• 연결 구조체는 로터의 각 부분을 견고하게 연결하여 안정적인 구조를 유지하는 역할을 합니다. 이 구조체는 로터의 회전 운동을 효율적으로 전달하고, 블레이드와 중심축을 고정합니다. 

3. 로터의 재질

 

스팀 터빈 로터는 고온, 고압 환경에서 안정적으로 작동해야 하므로, 매우 견고하고 내구성이 높은 재질로 제작되어야 합니다.

• 중심축(Shaft) : 고강도 강철로 제작되며, 이는 높은 회전 속도와 압력을 견딜 수 있도록 합니다.
• 블레이드(Blade) : 니켈 합금, 티타늄, 스테인리스 강 등 고강도 금속으로 제작됩니다. 이러한 재질은 고온과 부식에 강하며, 터빈의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
• 디스크와 연결 구조체 : 고강도 합금 강철로 제작되어 로터의 안정성을 유지합니다.

4. 스팀 터빈 로터의 원리

 

스팀 터빈 로터는 스팀의 압력과 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 핵심 역할을 수행합니다. 

• 스팀 유입 : 보일러에서 생성된 고온, 고압의 스팀이 터빈의 입구로 유입됩니다. 이 스팀은 높은 에너지를 가지고 있으며, 로터 블레이드에 도달합니다.
• 회전 운동 생성 : 스팀이 로터 블레이드에 충돌하면서 블레이드가 회전하게 됩니다. 이 과정에서 스팀의 열 에너지와 압력이 로터의 회전 운동으로 변환됩니다. 블레이드의 설계와 배치는 스팀의 흐름을 최적화하여 최대한의 에너지를 회전 운동으로 변환할 수 있도록 합니다.
• 에너지 전달 : 로터의 회전 운동은 중심축을 통해 발전기로 전달됩니다. 발전기는 이 회전 운동을 전기 에너지로 변환하여 전력 그리드로 공급합니다.

스팀 터빈 스테이터 (Stator)

1. 스팀 터빈 스테이터(Stator)의 역할

 

스팀 터빈의 스테이터(Stator)는 고정된 날개나 베인을 포함하며,  스팀의 흐름을 조절하고 방향을 바꿔주는 역할을 합니다.  로터(Rotor)와 함께 터빈의 동작을 지지하고 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 스팀의 흐름을 안내하고 제어하며, 로터 블레이드가 최적의 효율로 회전할 수 있도록 합니다. 이를 통해 터빈의 성능과 효율성을 극대화합니다. 

 

2. 스테이터의 구성 요소

 

1) 고정 블레이드 (Fixed Blades or Nozzles)

• 고정 블레이드는 스테이터의 주요 구성 요소 중 하나로, 스팀의 흐름을 안내하는 역할을 합니다. 고정 블레이드는 스팀의 압력을 높이고 방향을 조절하여 로터 블레이드에 최적의 각도로 도달하도록 합니다.
• 형태와 각도 : 고정 블레이드의 설계는 스팀의 흐름을 최적화하고 터빈의 성능을 최대화하기 위해 매우 정밀하게 이루어져야 합니다. 

2) 케이싱 (Casing)

• 케이싱은 스테이터의 외부 구조로, 터빈 내부의 고온, 고압 스팀을 견디며 로터와 고정 블레이드를 보호하는 역할을 합니다. 또한, 케이싱은 터빈의 기계적 강도를 제공하고, 내부 압력을 견딜 수 있는 견고한 구조로 설계됩니다.

3) Sealing

• Sealing은 스테이터와 로터 사이의 간극을 최소화하여 스팀이 불필요하게 새어나가지 않도록 하는 장치입니다. 이를 통해 터빈의 효율을 높이고 에너지 손실을 방지합니다.

3. 스테이터의 재질

• 스테이터는 고온, 고압 환경에서 안정적으로 작동해야 하므로 고강도, 내열성이 뛰어난 재질로 제작됩니다.
• 고정 블레이드 : 주로 니켈 합금, 스테인리스 강, 티타늄 등 고강도 금속으로 제작됩니다. 이러한 재질은 고온과 부식에 강하며, 블레이드의 긴 수명을 보장합니다.
• 케이싱: 합금 강철이나 내열성이 높은 합금으로 제작됩니다. 이는 터빈 내부의 극한 조건을 견디고 터빈의 전체적인 구조적 안정성을 유지하는 데 필수적입니다.
• Sealing : 고온 및 고압에 견딜 수 있는 탄력적이고 내구성이 강한 재질로 제작됩니다. 일반적으로 금속 합금이나 고온 고압용 특수 소재가 사용됩니다.

4. 스테이터의 원리

• 스테이터는 스팀의 흐름을 제어하고 방향을 조절하여 로터 블레이드가 최적의 효율로 회전할 수 있도록 합니다.
• 스팀 흐름 제어 : 고정 블레이드는 스팀의 압력을 높이고 방향을 조절하여 로터 블레이드에 최적의 각도로 도달하도록 합니다. 이 과정에서 스팀의 에너지는 효율적으로 로터에 전달되어 회전 운동을 생성합니다.
• 에너지 변환 : 스테이터는 스팀의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정에서 중요한 역할을 합니다. 스팀이 고정 블레이드를 통과하면서 압력과 속도가 조절되고, 이는 로터 블레이드의 효율적인 회전을 유도합니다.
• 효율성 증대 : 스테이터는 터빈의 전체 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 고정 블레이드와 Sealing은 스팀의 에너지 손실을 최소화하고, 터빈의 성능을 최적화합니다. 이를 통해 발전소의 전기 생산 효율이 크게 향상됩니다.