개념 한 쪽
유체기계는 유체와 에너지를 교환하는 장치로 나뉜다. 유체의 압력이나 유량을 증가시키기 위해 외부 동력을 투입하는 기계와, 유체가 지닌 에너지를 이용하여 회전력 등 기계적 출력을 만들어내는 기계로 구분된다. 이상적인 흐름을 다루는 기본 법칙과 사이클 이해가 유체기계의 기초를 이룬다.
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출제기준 단원 「유체기계의 정의 및 분류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 사이클 구성 오답 찾기 | 1 | 브레이튼형 가스터빈 사이클의 과정과 단열·정압 여부를 판별하기 |
| 가스터빈 효율 영향 판정 | 1 | 입구온도·압축비 등 효율 영향 요인을 구분하기 |
| 유체역학 기본 법칙 적용 | 1 | 베르누이 정리의 총수두 개념을 설명·판단하기 |
유체기계는 작동 원리에 따라 에너지를 '생산'하는 터빈 계열과 에너지를 '소비'하는 펌프·압축기·송풍기 계열로 분류된다고 정리한다. 예를 들어 펠톤 수차와 같은 수차·터빈은 유체의 운동에너지를 받아 회전력을 만드는 에너지 생산 기계에 해당한다고 설명한다.
유체 흐름의 기본 원리로 베르누이 정리를 다루며, 비압축성·비점성 유체에서 위치수두, 압력수두, 속도수두의 합이 일정하다고 기술한다. 이 원리는 흐름 해석과 기계 성능 판단의 기초가 되므로 총수두 일정 개념을 명확히 이해해야 한다고 전한다.
브레이튼형 가스터빈 열 사이클은 가스터빈의 이상 사이클로, 단열 압축, 정압 열공급, 단열 팽창, 정압 열방출의 네 과정으로 구성된다고 설명한다. 팽창이나 압축 과정의 단열성 여부와 열교환의 정압성을 구별하는 것이 사이클 문제의 핵심이라고 정리한다.
가스터빈의 열효율은 압축비와 터빈 유입 온도 등 열역학적 인자에 따라 달라진다고 설명한다. 일반적으로 터빈 입구 온도가 높을수록 열효율이 증가하고, 압축기 입구 온도가 높아지면 효율이 저하될 수 있으므로 입구 온도 변화의 방향에 따른 영향을 구분해야 한다고 제시한다.
유체기기 분류와 흐름 법칙, 그리고 이상 사이클의 구성 원리는 문제 풀이 시 핵심 판단 기준이라고 결론짓는다.
브레이튼형 가스터빈 사이클 관련 문제에서는 팽창 과정을 등온 팽창으로 잘못 이해하면 오답으로 이어진다. 해당 사이클은 단열 팽창을 포함하며 등온 팽창을 포함하지 않는다고 판단해야 한다.
기본 흐름 문제에서는 베르누이 정리의 '총수두 일정'을 적용하여 압력·속도·위치의 상호관계를 검토한다. 예컨대 관의 단면적이 커지면 속도가 감소하고, 그에 따른 속도수두 변화가 압력수두에 영향을 미치는지를 확인해야 한다.
가스터빈 관련 진술 선택 문제에서는 '공기 입구 온도 상승이 효율을 높인다'는 표현이 문맥에 따라 틀릴 수 있음을 유의한다. 터빈 입구 온도 상승은 효율 증가요인이지만, 압축기 입구 온도 상승은 필요한 압축일을 증가시켜 효율을 낮출 수 있으므로 어떤 온도를 지칭하는지 정확히 파악해야 한다.
다음은 브레이튼(Brayton)사이클에 관한 사항이다. 틀린것은?
정답 ④ · 브레이튼 사이클의 구성 과정 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 브레이튼 사이클은 단열 압축, 정압 열공급, 단열 팽창, 정압 열방출의 네 과정으로 이루어진다.
브레이튼 사이클은 정압 열공급, 단열 압축, 정압 열방출, 단열 팽창으로 구성되며 등온 팽창은 포함되지 않는다.
다음 중 가스터빈의 사이클에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 가스터빈 사이클에 대한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 가스터빈의 사이클은 2개의 단열과정과 2개의 정압과정으로 구성되며 브레이턴 사이클 또는 줄 사이클이라고 한다.
브레이턴 사이클 열효율은 압축비와 터빈 입구 온도에 비례하므로, 열교환기 공기온도가 높으면 오히려 효율이 낮아지는 것이 정답이다.
유압기기와 관련되는 유체의 동역학에 대한 다음의 설명중 올바른 설명은?
정답 ② · 유체의 동역학에 관한 설명 중 옳은 것을 고르는 문제이다. 비점성 비압축성 유체가 수평관을 흐를 때 위치수두, 압력수두, 속도수두의 합이 일정하다는 것은 베르누이 정리의 핵심 내용이다.
베르누이 정리에 따르면 비압축성 유체의 총수두는 위치, 압력, 속도수두의 합으로 항상 일정하다.
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