가스터빈엔진의 출력 비교

2012 포스팅 자료실 2012.11.24 09:18

가스터빈엔진의 출력

(Rating the Power Output of a Gasturbine Engine)

 

 

 

가스터빈엔진은 가스 분사의 반력에 의해 추진력을 얻는다. 이 추진력은 파운드(lb) 단위로 표시되고 항공기의 경우 추진력은 1lb의 추력(thrust)의 형태로 나타낸다.

엔진의 추력은 제작사에서 결정하며 엔진제작사에서는 엔진의 추력을 특수한 시운전실(test cell)에서 정확하게 측정한다.

 

 

 

제트엔진이 파운드 단위의 추력으로 표시되고 일반적인 왕복엔진은 제동마력(brake horse power)의 형식으로 표시되기 때문에 이 두 엔진간의 직접적인 비교는 어렵다. 그러나 왕복엔진의 제동마력을 프로펠러에 의한 추력으로 전환할 수 있으므로 제트엔진의 추력과 왕복엔진의 프로펠러 추력에 의한 비교가 가능하다.

 

 

 

comparison takeoff thrust to cruise thrust. Engine thrust vs. aircraft speed and drag

 

위의 그림은 공기속도 증가에 따른 4가지 형식의 엔진들의 추력변화를 나타낸것이다(이 그림은 어떤 특정 엔진의 성능 비교가 아니라 경향을 설명하기 위한 것이라는  것을 알아두어야 한다).

 

점선 A의 왼편 영역에서는 왕복엔진이 다른 세 형시에 비해 뛰어나고, 터보프롭엔진은 터보팬에 비해 점선 C 왼쪽 속도 영역에서 우수하다. 터보팬엔진은 터보젯엔진보다 F 왼쪽 속도 영역에서 더 우수하다고 볼 수 있다.

 

항공기 항력곡선과 추력곡선이 만나는 점은 항공기의 최대속도를 나타내는 점이다. 위의 그림을 보면 터보팬엔진과 터보젯엔진이 가장 높은 속도를 얻을 수 있음을 알 수 있으며, 그 중 터보젯엔진이 속도가 높을 경우 항력대비 최대속도가 가장 크다.

 

 

* 대형과 소형 가스터빈엔진의 비교

대형엔진과 소형 가스터빈엔진의 추력을 비교해 보았을 때 대형엔진은 그 크기비보다 더 큰 출력을 갖는다. 그 이유는 엔진 추력은 엔진 직경의 제곱에 비례하기 때문이다. 예를 들어 48,000 lb의 엔진과 3,000 lb의 엔진은 그 추력비가 16:1이지만 엔진 직경은 4:1 크기비를 같는다.

 

* 터빈과 피스톤

크기와 형식이 서로 다른 동력장치를 서로 비교할 경우 때때로 그 비교변수로 연료 소모량을 비교한다. 그 이유는 대형 가스터빈 엔진의 경우 일반적으로 많은 양의 연료를 소비하는 반면 왕복엔진은 그렇지 않은 것으로 알려져 있다. 그러나 이것은 잘못 알려진 것이다. 그 보다는 일정연료소모당 유상하중(payload)의 ton/miles 비나 Passenger/miles 으로 연료소모량을 결정하는 것이 주어진 조건에서 어떤 동력장치가 더 효율적인가를 판단 할 수 있다.

만약 B747 기에 터보팬엔진이 아닌 피스톤엔진을 장착하여 비행을 할경우 기존보다 더욱더 많은 연료가 들뿐만 아니라 무게대비추력이 가스터빈엔진의 1/30 도 안되기 때문에 그 무게를 생각한다면 B747기의 수송량은 물론 항속거리도 짧아지게 된다. 즉 가스터빈엔진을 단지 연료소모로만 판단해서는 안된다는 것이다.

 

* 왕복엔진을 사용하는 경비행기

최근에는 항공기용 왕복엔진이 저성능 경량항공기에만 사용하고 있는데 이는 설게상의 한계때문이다. 경량항공기의 경우 프로펠러를 이용해야 하며 그 구조상 강한 추력을 견딜 수 없기 때문으로 볼 수 있다.

왕복엔진은 압축-연소-팽창-배기 과정이 한 실린더안에서 일어난다. 하지만 가스터빈엔진의 경우 각 과정이 각기 분리되어 있어서 다양한 설계가 가능하여 여러 가지 성능과 적용이 가능하다.

 

지금까지 만들어진 가장 큰 피스톤엔진인 28개의 실린더를 갖는 4,000 shp의 R-4369 엔진과 Boeing 747의 엔진인 JT9D를 비교하면 흥미있는 결과를 얻을 수 있다.

일반적으로 1shp는 2.5 lb의 추력으로 변환되므로 R-4360의 프로펠러 정추력(Propeller static thrust)은 약 10,000 lb 정도이다. 반면 JT9D의 경우 B747의 4기의 추력을 모두 합하면 230,000 lb로써 같은 추력을 내기위해서는 이 28개의 실린더가 23배 더 필요하다.

 

 

참고 : 가스터빈엔진(성안당)

 

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[엔진] 가스터빈엔진의 장점

2012 포스팅 자료실 2011.12.31 08:16
**가스터빈엔진(터보제트엔진)과 왕복엔진(피스톤엔진)**


잘못된 생각 중 하나가, 가스터빈엔진이 왕복엔진보다 연료를 더 많이 소모한다고 생각하는 것인데요, 뭐 이말도 옛날 사람들이 하던 말이니 지금은 공감가진 않겠네요.. ;;

가스터빈엔진은 매우 많은 연료를 소모하지만, 더욱 많은 출력을 내기때문에 연비(연료효율)가 왕복엔진에 비해 월등히 높습니다. 하지만 저속에서는 얘기가 다르지만요,

다음은 왕복엔진에 비해 가스터빈엔진의 장점들입니다.



1. 엔진개발에 소요되는 시간이 현저히 줄어든다. 가스터빈엔진이 설계, 제작되어 실제운용에 소요되는 시간은 피스톤 엔진의 1/4에 불과하다.

2. 생산이 더 단순하고 빠르다. 가스터빈엔진의 구성 부품수는 피스톤엔진의 1/4에 불과하다.

3. 가스터빈엔진의 각 부품들은 각기 특정한 기능을 수행하므로 출력 요구조건에 맞게 그 성능이 입증된 기존 엔진의 크기를 바꾸는것이 가능하다.

4. 가스터빈 엔진의 경우 출력이 반복되지 않고 연속적으로 얻어질 수 있다. 이로 인해 작동압력이 낮아질 수 있으므로 전체 구조나 케이싱, 덕트 등이 가볍고 쉽게 조립이 가능하다.

5. 거의 대부분의 구성 부품이 회전 구성품이기 때문에 가스터빈엔진은 진동이 거의 없다. 따라서 항공기 기체의 무게를 절감할 수 있으며, 정확한 조종 및 조준이 가능하다.

6. 엔진 내에 왕복부가 없으므로 좀더 높은 운용 회전속도를 유지할 수 있다. 또한 이로 인해 전면 면적이 줄고 기체 중 엔진이 차지하는 공간이 줄어들어서 추력 - 무게비가 개선된다. 가스터빈제트엔진의 경우 그 무게가 피스톤 엔진에 비해 1/4 정도이고 부품이 밀집되어 있어 차지하는 공간이 작아져, 항공기 전체 구조의 무게를 크게 절감시킬 수 있다.

7. 가스터빈엔진은 해면고도에서 보다는 높은 고도에서 더욱 효과적이다. 따라서 고도에 따라 출력을 유지하기 위한 복잡한 과급기 계통이 필요하지 않다.

8. 피스톤엔진에 비해서 가스터빈 엔진은 더 빠른 속도에서 효과적으로 기능을 수행한다. 이는 배기속도와 공기 유량이 늘어날수록 램압력이 더 커지기 때문이다.
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