비행기 엔진의 원리와 구조

2012 포스팅 자료실 2012.07.28 19:13

터보제트엔진(가스터빈엔진)의 원리와 구조

 

흔히들 제트엔진이라 알고 있는 비행기 엔진은 사실 제트엔진에 속하는 '가스터빈엔진'입니다.

가스를 이용해 터빈(Turbine - turbo)을 구동하고 남은 가스를 배출시켜 추력을 얻는 장치입니다.

 

 

 

 

가스터빈엔진에는 크게 '터보팬엔진'과 '터보축엔진'이 있습니다.

 

터보팬엔진은 일반적인 비행기나 전투기 등에서 사용하는 엔진으로 엔진에서 만들어진 가스의 대부분을

'추력'을 얻는데 사용하는 엔진입니다.

 

이에 반해 터보축엔진은 헬리콥터나 프로펠러 비행기에서 주로 사용하는 엔진으로 가스에너지를 이용해

축(Shaft)을 회전시켜 헬리콥터의 로터나 비행기의 프로펠러를 구동시키는 엔진입니다.

(엄밀히 말해서 프로펠러용 제트엔진은 터보프롭엔진이라 합니다. 하지만 그 구조가 터보축엔진과 매우 비슷하죠)

 

 

 전투기를 소리의 속도보다 빠르게 날개하고,

400톤의 육중한 여객기를 시속 1000km/h의 속도로 날개끔 할 수 있는 이 터보제트엔진에 대해 자세하게 알아보도록 하겠습니다.

 

 

가스터빈엔진의 원리와 구조

 

엔진의 원리를 간략하게 이해하는데 도움이 되는 동영상입니다.

 

 

 

 

 

가스터빈엔진은 '흡입 - 압축 - 연소 - 배기'의 순으로 작동한다는 점에서

 자동차엔진인 피스톤(왕복)엔진과 그 원리가 같습니다.

 

 

 

 

 

흡입부분은 따로 다루도록하고 압축부분부터 알아보도록 하겠습니다.

 

 

헬리콥터등에서 사용하는 터보샤프트엔진은 그 크기가 작아 전기모터로 엔진의 로터를 회전시켜 점화를 합니다.

하지만 GE90 같은 초대형 터보팬엔진은 전기의 힘으로 돌아가지 않습니다.

그래서 대형 여객기들은 꼬리하단부에 APU라는 작은 엔진을 하나 가지고 있습니다.

이 엔진을 구동시켜 발생한 동력으로 주엔진의 로터를 회전시켜 점화를 하죠.

(자세한건 다음에..)

 

 

로터가 회전하면 공기가 빨려들어가기 시작합니다.

선풍기의 전원을 키면 공기가 선풍기의 날개를 지나오듯이 말이죠.

 

이것은 엔진내부에 있는 로터의 단면입니다.

 

 

맨 앞부분은 안내익(Inlet Guide Vane)이라 해서 움직이지 않으며, 공기가 엔진속으로 들어올때

바로 다음에 있는 로터(Rotor)에 알맞는 공기흐름을 제공하는 역할을 합니다.

 

안내익 다음엔 '로터(rotor)'와 '스테이터(stator)'가 있습니다.

이 두개를 합쳐 1단이라 부르는데, 엔진은 이 단이 적개는 8개 많개는 20개 정도 쭉 배열되어 있습니다.

엔진의 시동을 걸면 로터가 회전하면서 공기를 빨아들입니다. 선풍기 처럼요.

 

스테이터는 안내익과 비슷한 역할을 합니다.

앞의 로터에서 나온 공기흐름을 알맞게 한후 다음 로터에 제공하는 역할을 하죠.

 

이 과정을 거치면서 공기는 '압축'이 됩니다.

압축이 되는 과정은 비행기 날개에서 양력이 발생하는 원리와 같습니다.

베르누이 정리에 따르죠.

 

 

 

 

공기와 같은 유체는 2가지의 압력에너지를 가지고 있습니다.

4방으로 작용하는 정압(압력에너지)과 흐르는 방향으로 작용하는 압력 동압(속도에너지) 이 두가지를 합해 전체 압력, 전압이라 부릅니다.

 

베르누이는 실험을 통해 이 두 에너지의 합, 전압은 항상 일정하다는 것을 알아냈습니다.

다시 말해 정압이 커지면 동압은 작아지고,

동압이 커지면 정압은 작아지게 되는거죠.

 

위 그림의 왼쪽은 수축형관으로써 압력(정압)은 작아지고 속도(동압)는 빨라지게 되는 형상입니다.

반대로 오른쪽은 팽창형관으로써 압력(정압)은 커지고 속도(동압)는 작아지게 되는 형상입니다.

 

조금 복잡하죠.. ;;

 

압축기의 로터와 스테이터는 이 팽창과정을 수행합니다.

공기를 최대한 압축시키면서 속도는 감소시키죠. 이렇게 하면 연소 효율을 높이고 엔진 수명을 증가시킬 수 있습니다.

 

그림을 보면,

 

 

 

입구는 좁고 출구는 넓은 팽창형을 하고 있기 때문에 공기가 압축이 되는 것입니다.

 

 

 

그럼 이제 연소부에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

연소실에서 가장 중요한 점은 '완전연소'입니다.

완전연소란 공기와 탄소와의 비율이 이론에 맞아 99~100%의 효율을 내는것을 말합니다.

만약 불완전연소하게 되면 연료효율이 낮아질 뿐더러 시커먼 매연을 방출하게 되죠.

 

 

 

압축기의 마지막 단에서 연소부로 들어오는 공기유량은 보통 100 : 1의 비율입니다.

하지만 연료의 연소에 필요한 이론 혼합비는 15 : 1의 비율이기 때문에 이 공기유량을 나눠줄 필요가 있습니다.

또한 연소된 가스의 온도는 무려 2500도 정도인데 이 뜨거운 가스가 내부의 철에 닿지 않도록 공기막을 쳐주는 것도 잊지 말아야합니다.

 

연소기는 1차와 2차 공기통로로 나누어져 있습니다.

 

약 30%의 1차 공기는 연소를 위해 연료노즐을 지나도록 되어있습니다.

여기서 1차 공기흐름의 약 반정도인 즉 전체의 15%정도의 공기는 스월베인(swirl vane)을 통과합니다.

 

<스월 베인>

 

공기를 스월 베인에 통과시키는 이유는 직선으로 달리는 공기를

회전시켜 속도를 늦추고 공기의 표면적을 넓혀 연소를 돕기위함입니다.

 

 나머지 1차 공기는 연소라이너(combustion liner)의 처음 1/3 부분에 있는 작은 구멍을 통과해

역방향으로 흐르도록 되어있습니다.

그렇게 되면 스월베인을 통과해 연소된 공기의 불꽃을 강하게 눌러주어

직선으로 강하게 뻗는 형태의 불꽃을 만들어주죠.

 

 

 

 

 

 

 

 

나머지 70% 공기중 약 절반정도의 2차 공기흐름은 불꽃을 중앙으로 모으고 라이너의 안쪽과 바깥쪽에 차가운 공기층을 형성시켜

불꽃이 금속표면에 직접 닿지 못하도록 되어있습니다.

 

나머지 절반의 2차 공기흐름은 라이너의 뒷부분으로 들어가 뜨거운 혼합기와 섞여 터빈 부품의 수명을 연장시킬 수 있게

온도를 낮추는 역할을 합니다.

 

 

이제 연소는 끝이 났고 엔진은 어마어마한 에너지를 갖게 되었습니다.

 

이제 터빈부를 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

터빈은 고온 고압의 가스로 부터 에너지를 얻어 압축기의 로터를 회전시키는 역할을 합니다.

 

 

압축기에선 공기를 압축시키는게 목적이었다면

터빈부에선 압축된 공기를 고속의 공기흐름으로 바꿔주는게 주목적입니다.

(아, 터보축엔진은 이 터빈부에서 모든 가스에너지를 흡수해 버립니다)

 

터빈은 압축기와 달리 스테이터가 앞에 있고 로터가 뒤에 있는 형태입니다.

압축기와 반대로 스테이터와 로터는 수축형을 하고 있어 공기의 속도를 빠르게 만듭니다.

 

 

터빈 깃의 모습입니다.

이 터빈깃은 밑부분은 U자 형이고, 끝부분은 에어포일형상입니다.

이렇게 되어 있는 이유는 이 깃이 회전한다고 했을때 밑부분보다는 윗부분이 더 회전반경이 크죠?

그렇담 윗부분이 아랫부분 보다 더 속도가 빠르다는 것을 의미합니다.

 

그렇기 때문에 아랫부분과 윗부분의 받음각(에어포일 각도)이 같다면 윗쪽에서 더 많은 양력이 발생되어 불안정한 상태가 될것입니다.

그래서 저런 형상을 하고 있는 겁니다. (이건 헬리콥터의 날개에서도 적용되는 건데.. 크게 생각하실 필욘 없습니다..)

 

이 밑부분을 임펄스(Impulse), 윗부분을 리엑션(Reaction) 부분이라 합니다.

 

 

 

위의 그림을 보시면 이 터빈을 지난 가스흐름은 수축형베인을 지나 압력이 급격하게 낮아지고 속도가 빨라지게 되는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

이 터빈은 고온 고압을 견뎌야 하기 때문에 로터와 달리 특수하게 제작되어집니다.

 

 

 

니켈합금 같은 고온에 잘 버티는 소재를 사용해 제작하고, 내부에 차가운 공기를 주입시켜 외부로 방출해

공기막을 형성하도록 되어있습니다.

 

 

고압의 가스는 터빈을 구동시키고, 이 터빈은 압축기의 로터와 연결되어 로터를 회전시키며,

터빈을 지난 고속의 공기는 배기노즐을 지나 더욱 빠른 속도로 대기중으로 발출됩니다.

 

그럼 배기노즐에 대해 보겠습니다.

 

배기노즐은 간단합니다. 수축형을 하고 있어 남은 가스의 압력을 대기압과 비슷한 정도로 낮추고

속도는 더욱 빠르게 합니다.

 

 

 

이제 초음속 전투기의 경우 여기에 연료노즐을 추가해 에프터버너를 추가할 수 있습니다.

에프터버너란 전투기가 짧은 시간동안 매우 빠른 속도를 얻기 위한 장치인데요.

배기가스에는 연소에 들어가지 않은 남은 공기들이 많고 터보팬엔진의 경우 팬에서 발생한 바이패스기류가 배기노즐에서

배기가스와 섞이기 때문에 사실상 엔진에서 나오는 뜨거운 배기가스는 대부분이 공기라 할 수 있습니다.

 

그렇기 때문에 여기에 연료를 추가로 뿌려주면 바로 연소가 되어 추가적인 추력을 얻을 수 있습니다.

하지만 연료소모가 매우 크고 엔진에 큰 무리를 준다는 단점이 있습니다.

 

 

 

읽어주셔서 감사합니다.

잘못된점은 지적바랍니다.

 

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