가스터빈엔진의 기초 물리학

1. 힘(Force)

힘은 일을 할 수 있는 능력으로 정의된다. 또한, 힘은 작용방향으로 물체에 가속도를 발생시킨다. F=ma

F = P × A  

여기서 P는 Pressure 압력을 의미하고 A는 Area 면적을 의미한다.

예제) 배기노즐의 입구의 압력은 6psi 이고 면적은 300 in"이다. 작용하는 힘을 pound 단위로 계산하라.

F = 6 × 300 := 1,800 lbs

2. 일(Work)

기계적 일은 물체에 작용하는 힘이 어떤 거리를 움직이게 할 때 발생한다. 일은 힘의 세로성분과 가로방향 성분거리와의 곱으로 나타낸다. W=Fs

W = F × D

여기서 D는 distance 거리를 의미한다.

예제) 2500 lbs의 엔진을 9 feet 높이로 들어놀리는 기구는 foot - pounds 로 얼마의 일을 하는가 ?

W = 2500 × 9 = 22,500 ft.lbs

3. 동력(Power)

일의 정의에서는 시간이 언급되지 않았다. 동력은 시간당 일을 할 수 있는 능력이다. P=Fv or Fs/t

P = F × D / t

예제) 2,500 lbs의 엔진이 2분동안 9 feet의 높이로 끌어 올리는데 필요한 동력은 ?

P = 2500 × 9 / 2 = 11,250 ft.lbs/min.

4. 마력(Horse power)

마력은 보편적이고 전력의 측정에 유용하다. 오래전 강한 말이 유용한 일을 할 수 있는 능력에 1.5를 곱한 것이 1분에 33,000 pounds의 무게를 들어 올리는 것으로 영국 단위 체계의 표준으로 결정하였다. 만일 동력이 foot pound / minute 으로 표시된다면 그것을 33,000 으로 나누면 마력으로 환산이 된다.

hp = P/33,000

예제) 위에서 언급된 엔진을 끌어올리는 데 필요한 마력은 얼마인가 ?

hp = 11,250 / 33,000 = 0.3409 혹은 1/3 hp

5. 속도(Velocity)

속도는 속력과 같은 단위로 표현된다. 그러나 속도는 방향이 포함된다.

V = D / t

예제) 가스터빈엔진의 테일파이트(tailpipe)에서 가스가 0.003 초에 5 feet 의 거리를 흐른다. 속도는 feet / second로 얼마인가 ?

V = 5 / 0.003 = 1,667 fps

6. 가속도(Acceleration)

물리학에서 가속도는 시간에 대한 속도의 변화로 정의된다. 움직이는 거리는 무시하고 단지 시간에 대하여 속도의 증감만을 염두에 두자.

a = V.. - V. / t  가속도는 나중속도 - 처음속도 분에 시간

예제 1) 지구표면 근처의 진공상태에서 자유낙하하는 물체의 가속도를 계산하라.

끌어당기는 힘을 중력이라고 하며 1초 후의 속도는 32.2 feet/sec 가 된다는 것을 주지하라.

A = 32.2 - 0 / 1 = 32.2 ft / sec"

예제 2) 2, 3, 4 초 후에서의 가속도의 결과는 ?

2초후 나중속도는 64.4, 3초 후는 96.6, 4초 후는 128.8 이므로 결과적으로 32.2 ft / sec"