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1. 서론
1.1. 가스터빈 엔진의 개요
가스터빈 엔진은 제트 엔진의 일종으로, 액체 또는 고체 연료를 연소시킨 후 팽창시켜 추진력을 얻는 장치이다. 가스터빈 엔진의 작동 원리는 뉴턴의 제3법칙인 작용 반작용 법칙을 적용한 것으로, 공기흡입구로 공기를 흡입하여 압축된 공기를 연소실에서 연료와 혼합하여 연소시킨 후 고온고압의 공기를 빠른 속도로 전환하여 추력을 얻는다. 가스터빈 엔진은 액세서리, 시동, 윤활, 연료공급 등의 보조 계통으로 구성되며, 압축 방식에 따라 터보제트, 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 등으로 분류된다. 이들 엔진의 원리는 모두 같지만 추력 사용의 차이에 따라 구분된다. 따라서 각 엔진 형식의 특징을 잘 파악하여 적절한 용도에 사용하는 것이 중요하다. 예를 들어 고속 비행에 적합한 터보제트 엔진은 주로 전투기에 사용되며, 연료 효율성이 우수한 터보팬 엔진은 여객기에 주로 사용된다.
1.2. 가스터빈 엔진의 작동 원리
가스터빈 엔진의 작동 원리는 다음과 같다.
가스터빈 엔진은 공기를 흡입하여 압축하고, 연료와 혼합하여 연소시킨다. 이때 생성된 고온고압의 가스가 터빈을 회전시켜 추력을 발생시킨다. 이러한 과정을 통해 가스터빈 엔진은 추진력을 얻는다. 구체적으로 공기 흡입구로 공기를 흡입하면 압축기가 이 공기를 압축한다. 압축된 공기는 연소실로 보내지고, 연료가 분무되어 고온고압의 연소가스가 생성된다. 이 연소가스는 터빈 단으로 보내져 터빈을 회전시키며, 터빈의 회전 동력은 압축기와 기타 보조 장치들을 구동한다. 남은 연소가스는 배기구를 통해 대기로 배출되며, 이 과정에서 추력이 발생한다. 따라서 가스터빈 엔진은 공기 흡입, 압축, 연소, 터빈 회전, 배기의 일련의 과정을 통해 추력을 발생시킨다. 이는 뉴턴의 제3운동법칙인 작용 반작용 원리에 의해 추진력이 생성되는 것이다.
2. 가스터빈 엔진의 종류
2.1. 터보제트 엔진
터보제트 엔진은 배기 노즐을 가스발생기의 하류에 부착하여 순전히 제트 추력을 동력으로 사용하는 것이다. 가스발생기와 배기노즐 사이에 재 연소장치를 추가하여 가스를 재 가열 한 후에 배기노즐로 분사시켜 추력을 증강하는 것을 후부 연소 터보제트라 한다. 후부 연소 터보제트는 전투기와 같이 짧은 시간 동안 급속한 추력의 증가를 필요로 하는 경우에 응용된다. 터보제트 엔진은 비교적 소량의 공기를 빠른 속도로 분출하면서 추진력을 얻는다. 터보제트 엔진의 배기 노즐에서 나오는 고속 배기 가스에 의해 발생되는 추력이 주된 추진 동력이 된다. 터보제트 엔진은 추진효율이 낮고 연료소모가 많아 고속 항공기에 주로 사용되었으나, 최근에는 터보팬 엔진 등 다른 형태의 가스터빈 엔진들이 개발되면서 그 사용이 점차 줄어들고 있다. 터보제트 엔진의 문제점으로는 소음과 연료소비율이 있어 민간항공기에는 거의 사용되지 않고, 주로 군용 전투기에 사용되고 있다.
2.2. 터보팬 엔진
터보팬 엔진은 터보제트 엔진보다 30~40% 정도 연료를 절감할 수 있다. 터보팬 엔진은 앞부분에 대형 팬이 회전되도록 개발되었으며, 엔진 추력의 약 80%를 만들어 낸다. 터보팬 엔진은 큰 속도 범위에서 터보제트 엔진에 비해 조용하고 더 좋은 연료소비율을 갖는다. 팬 엔진의 일반적인 원리는 많은 연료 에너지를 압력으로 변환시키는 것이다. 더 많은 양의 에너지를 압력으로 변환시킴으로 보다 큰 압력을 얻을 수 있으며, 이를 통해 추가적인 추력을 더 낼 수 있다. 이로 인해 항속거리가 증가하여 경제성으로 이어진다.
터보팬 엔진은 팬 장착방식이 전방 팬과 후방 팬의 두 가지 형식이 있다. 현대에 거의 모든 항공기의 터보팬 엔진 형식은 전방 팬 형식이다. 이는 후방 팬 방식의 팬이 압축기의 압축비 향상에 전혀 기여하지 않기 때문이며, 후방 팬 방식은 이물질 흡입에 의한 심각한 손상 가능성이 크기 때문이다.
터보팬 엔진은 엔진에 하나 이상의 축을 갖고 있으며, 대부분은 2축 엔진이다. 2축 엔진에는 고압스풀과 저압스풀이 있는데, 저압스풀은 팬 단계와 팬을 구동하는 터빈 단계를 포함하고, 고압스풀은 고압 압축기, 축, 그리고 고압터빈으로 구성한다. 이러한 스풀이 엔진의 코어를 형성하며, 연소부분이 그 속에 위치하고 있다.
터보팬 엔진은 저바이패스, 고바이패스, 그리고 중간 바이패스로 세 가지로 나눌 수 있다. 바이패스...
