기체 동력 시스템 Gas Power Systems

왕복 내연기관은 피스톤이 실린더 안에서 왕복 운동하며 기체의 팽창 에너지를 크랭크축 회전으로 변환한다. 피스톤이 최상단에 위치한 상사점(TDC)과 최하단의 하사점(BDC) 사이에서 한 번 이동하는 것을 하나의 행정(stroke)이라 하며, 실린더 내경을 보어(bore)라 한다. 공기표준 해석(air-standard analysis)에서는 작동유체를 공기로 가정하고, 연소를 외부 열공급으로 대체하며, 배기 과정을 방열로 모델링한다. 이렇게 하면 복잡한 실제 기관을 상대적으로 단순한 열역학적 사이클로 분석할 수 있다. A reciprocating internal combustion engine converts gas expansion energy into crankshaft rotation through piston reciprocation inside a cylinder. A single piston movement between top dead center (TDC) and bottom dead center (BDC) is one stroke, and the cylinder inner diameter is the bore. In air-standard analysis, the working fluid is assumed to be air, combustion is replaced by external heat addition, and exhaust is modeled as heat rejection. This simplification lets us analyze the complex real engine with relatively straightforward thermodynamic cycles.

Otto 사이클은 스파크 점화(SI) 엔진의 이상 모델로, 네 과정으로 구성된다: 등엔트로피 압축(1→2), 정적 가열(2→3), 등엔트로피 팽창(3→4), 정적 방열(4→1). 열효율은 오직 압축비 $r$과 비열비 $k$에만 의존하며, 압축비가 높아질수록 효율이 증가한다. 그러나 실제 엔진에서는 압축비가 너무 높으면 혼합기가 자발적으로 착화하는 노킹(knocking) 현상이 발생하므로 가솔린 엔진의 압축비는 통상 8~12로 제한된다. The Otto cycle is the ideal model for spark-ignition (SI) engines, comprising four processes: isentropic compression (1-2), constant-volume heat addition (2-3), isentropic expansion (3-4), and constant-volume heat rejection (4-1). Thermal efficiency depends solely on the compression ratio $r$ and specific heat ratio $k$, increasing with higher compression ratios. However, in real engines, excessively high compression ratios cause knock — spontaneous ignition of the air-fuel mixture — so gasoline engines are typically limited to compression ratios of 8-12.

Diesel 사이클은 압축 점화(CI) 엔진의 이상 모델이다. Otto 사이클과 달리 가열 과정이 정압(constant pressure)에서 일어나며, 이를 특징짓는 매개변수가 차단비(cutoff ratio) $r_c = V_3/V_2$이다. Diesel 엔진은 공기만을 먼저 높은 압축비(15~25)로 압축하여 고온을 만든 뒤 연료를 분사하므로, 노킹 문제가 없어 Otto 엔진보다 높은 압축비를 사용할 수 있다. 같은 압축비에서는 Diesel 사이클의 효율이 Otto 사이클보다 낮지만, 실제로는 높은 압축비 덕분에 전체 효율이 더 높은 경우가 많다. The Diesel cycle is the ideal model for compression-ignition (CI) engines. Unlike the Otto cycle, heat addition occurs at constant pressure, characterized by the cutoff ratio $r_c = V_3/V_2$. Diesel engines compress only air to a high compression ratio (15-25), creating high temperatures before fuel injection, so knock is not a concern and higher compression ratios than Otto engines are possible. At the same compression ratio, Diesel cycle efficiency is lower than Otto, but in practice the higher permissible compression ratio often yields superior overall efficiency.

실제 내연기관의 연소 과정은 순수한 정적 또는 정압 과정이 아니다. Dual 사이클은 정적 가열과 정압 가열을 결합하여 실제 엔진의 p-V 선도를 더 잘 근사한다. 먼저 TDC 부근에서 급격한 정적 가열이 일어나고(Otto 부분), 이어서 피스톤이 이동하면서 정압 가열이 계속된다(Diesel 부분). 이 모델은 두 개의 추가 매개변수—압력비(정적 가열 정도)와 차단비(정압 가열 정도)—를 통해 Otto 사이클과 Diesel 사이클을 특수한 경우로 포함한다. The actual combustion process in an internal combustion engine is neither purely constant-volume nor constant-pressure. The Dual cycle combines both, better approximating the real engine p-V diagram. Rapid constant-volume heating occurs near TDC (the Otto portion), followed by constant-pressure heating as the piston moves (the Diesel portion). This model includes two extra parameters — a pressure ratio for the isochoric heating and a cutoff ratio for the isobaric heating — encompassing both Otto and Diesel cycles as special cases.

가스터빈 발전소는 압축기-연소기-터빈으로 구성되며, 개방형(연소 가스가 직접 터빈 통과)과 폐쇄형(열교환기를 통해 열공급) 두 가지 형태가 있다. 개방형이 대부분의 실제 발전소에 해당하지만, 공기표준 해석에서는 폐쇄형으로 모델링하여 사이클 분석을 수행한다. 증기 사이클과 달리 가스터빈은 압축기 소요 일이 터빈 출력의 상당 부분(40~80%)을 차지하므로, 역일비(back work ratio)가 매우 높다. A gas turbine power plant consists of a compressor, combustor, and turbine. It can be open-cycle (combustion gases pass directly through the turbine) or closed-cycle (heat supplied via heat exchanger). Most actual plants are open-cycle, but air-standard analysis uses a closed-cycle model. Unlike vapor cycles, the compressor in a gas turbine consumes a substantial fraction (40-80%) of turbine output, resulting in a very high back work ratio.

Brayton 사이클은 가스터빈의 이상 모델로, 등엔트로피 압축(1→2), 정압 가열(2→3), 등엔트로피 팽창(3→4), 정압 방열(4→1)의 네 과정으로 이루어진다. 열효율은 압력비 $p_2/p_1$의 함수이며, 형태적으로 Otto 사이클 효율식과 유사하다. 그러나 최적 압력비는 최대 열효율이 아닌 최대 순일을 주는 값으로 선택하는 경우가 많으며, 터빈 입구 온도 $T_3$가 높을수록 최대 순일이 커진다. 실제 가스터빈에서는 압축기와 터빈의 등엔트로피 효율이 1보다 작아 이상 사이클 대비 성능이 저하되며, 특히 역일비가 높으므로 이 효율 손실이 순일에 미치는 영향이 크다. The Brayton cycle is the ideal model for gas turbines, comprising isentropic compression (1-2), constant-pressure heat addition (2-3), isentropic expansion (3-4), and constant-pressure heat rejection (4-1). Thermal efficiency is a function of the pressure ratio $p_2/p_1$, formally similar to the Otto cycle formula. However, the optimal pressure ratio is often chosen for maximum net work rather than maximum efficiency, and higher turbine inlet temperature $T_3$ increases the maximum net work. In real gas turbines, compressor and turbine isentropic efficiencies below unity degrade performance relative to the ideal cycle, and because the back work ratio is high, these efficiency losses have a disproportionate impact on net work.

기본 Brayton 사이클의 성능을 향상시키기 위한 세 가지 주요 기법이 있다. 재생(regeneration)은 터빈 배기(state 4)의 잔여 열을 열교환기(재생기)를 통해 압축기 출구 공기(state 2)에 전달하여 연소기에 필요한 열공급량을 줄인다. 재생기 유효도(regenerator effectiveness) $\eta_{\text{reg}}$는 실제 공기 온도 상승과 이론적 최대 상승의 비이다. 재열(reheat)은 터빈을 다단으로 나누고 중간에 재가열하여 터빈 총 출력을 증가시키며, 중간냉각(intercooling)은 압축기를 다단으로 나누고 중간에 냉각하여 압축 소요 일을 줄인다. 세 기법을 함께 적용하면 최적의 효과를 얻는다. Three key techniques improve the basic Brayton cycle. Regeneration transfers residual heat from the turbine exhaust (state 4) to the compressor exit air (state 2) via a heat exchanger (regenerator), reducing the heat input needed in the combustor. The regenerator effectiveness $\eta_{\text{reg}}$ is the ratio of actual air temperature rise to the theoretical maximum. Reheat splits the turbine into stages with intermediate reheating to increase total turbine output. Intercooling splits the compressor with intermediate cooling to reduce compressor work. Combining all three yields the greatest benefit.

복합 사이클(combined cycle)은 가스터빈(토핑 사이클)과 증기터빈(보텀 사이클)을 결합한 시스템이다. 가스터빈 배기(450~600°C)를 배열회수 보일러(HRSG)에 통과시켜 증기를 발생시키고, 이 증기로 Rankine 사이클을 구동한다. 이렇게 하면 고온 열원과 저온 방열 사이의 온도 범위를 최대한 활용하여 60% 이상의 열효율을 달성할 수 있다. IGCC(석탄가스화 복합 발전)는 석탄을 합성가스(syngas)로 전환한 뒤 이를 가스터빈 연료로 사용하여, 기존 석탄 화력보다 높은 효율과 낮은 오염물질 배출을 동시에 실현한다. A combined cycle couples a gas turbine (topping cycle) with a steam turbine (bottoming cycle). Gas turbine exhaust (450-600°C) passes through a heat recovery steam generator (HRSG) to produce steam that drives a Rankine cycle. By exploiting the full temperature range between the high-temperature source and low-temperature sink, thermal efficiencies above 60% are achievable. IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) converts coal to syngas before using it as gas turbine fuel, achieving higher efficiency and lower pollutant emissions than conventional coal-fired plants.

터보제트 엔진은 디퓨저(속도→압력 전환)–압축기–연소기–터빈–노즐(압력→속도 전환)로 구성된다. 터빈은 압축기를 구동하는 데 필요한 만큼의 일만 추출하고, 나머지 고온·고압 가스는 노즐을 통해 고속으로 배출되어 추력을 생성한다. 추력은 엔진을 통과하는 공기의 운동량 변화로 표현된다. 터보팬, 터보프롭 등의 변형은 기본 터보제트에 바이패스 덕트나 프로펠러를 추가하여 추진 효율을 높인 것이다. A turbojet engine consists of a diffuser (velocity-to-pressure conversion), compressor, combustor, turbine, and nozzle (pressure-to-velocity conversion). The turbine extracts only enough work to drive the compressor, and the remaining high-temperature, high-pressure gas is expelled at high velocity through the nozzle to generate thrust. Thrust equals the momentum change of air passing through the engine. Turbofan and turboprop variants add bypass ducts or propellers to the basic turbojet to improve propulsive efficiency.

기체가 높은 속도로 유동할 때는 밀도 변화를 무시할 수 없으며, 이를 압축성 유동이라 한다. 음속은 이상기체에서 $c = \sqrt{kRT}$이고, 유동 속도와 음속의 비를 마하수 $M = V/c$로 정의한다. $M < 1$이면 아음속, $M > 1$이면 초음속이다. 정체 상태(stagnation state)는 유체를 단열·등엔트로피적으로 정지시켰을 때의 상태로, 정체 온도 $T_o$와 정체 압력 $p_o$는 등엔트로피 유동에서 보존된다. When gas flows at high velocity, density changes cannot be ignored — this is compressible flow. The speed of sound in an ideal gas is $c = \sqrt{kRT}$, and the Mach number is defined as $M = V/c$. $M < 1$ is subsonic; $M > 1$ is supersonic. The stagnation state is the state reached when the fluid is brought to rest adiabatically and isentropically; stagnation temperature $T_o$ and stagnation pressure $p_o$ are conserved in isentropic flow.

아음속 유동에서는 면적 감소 시 가속(수축 노즐), 면적 증가 시 감속(디퓨저)이 일어난다. 초음속 유동에서는 이 관계가 반전되어 면적 증가 시 가속된다. 아음속에서 초음속으로의 전환은 반드시 최소 면적(목, throat)에서 $M = 1$(초킹, choking)이 되어야 가능하다. 수직 충격파(normal shock)는 초음속 유동이 급격히 아음속으로 전환되는 매우 얇은 비가역적 영역으로, 충격파 전후에서 압력·온도·밀도가 불연속적으로 변한다. In subsonic flow, area decrease causes acceleration (converging nozzle) and area increase causes deceleration (diffuser). In supersonic flow, these relationships are reversed — area increase causes acceleration. Transition from subsonic to supersonic requires Mach 1 at the minimum area (throat), known as choking. A normal shock wave is a very thin, irreversible region where supersonic flow abruptly transitions to subsonic, with discontinuous changes in pressure, temperature, and density across the shock.