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1. 가스 터빈 엔진의 개요
1.1. 가스 터빈 엔진의 정의와 작동 원리
가스 터빈 엔진은 열역학적 사이클에 의해서 작동하는 기계장치로서 가스 상태의 작동유체를 압축 및 팽창하는 과정에서 동력을 연속적으로 얻어내는 엔진이다. 연속적인 작동 조건이라는 특징은 가스 터빈 엔진이 왕복 기계나 등용적 연소 사이클을 사용하지 않는다는 것을 의미하며, 회전식 부품이 주요 구성요소가 된다는 것을 내포한다.
가스 터빈 엔진의 주요 구성부품에는 왕복 운동이 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어서 윤활유의 소비가 극히 적으며, 왕복 운동 기계의 특징인 진동이 대폭 감소되고 고속 운동이 가능하다. 또한 회전 운동과 압축성 가스에 의해서 움직이기 때문에 원주형으로 제작이 가능하고, 원주 운동에 필요한 거리가 필요 없어서 크기가 줄어든다. 터빈은 압축된 가스의 팽창에 의해서 작동하기 때문에 부하의 변화에 대한 반응이 빠르다.
이러한 장점 때문에 가스 터빈 엔진은 항공기의 동력기관으로 아주 적합하며, 선박용 엔진과 산업용에도 그 응용이 증가하고 있다. 가스 터빈 엔진은 보일러에서 공급받은 고온의 증기를 작동유체로 사용하는 증기 터빈과 달리, 연소기에서 가열된 고온고압의 가스를 팽창시켜서 회전기계 에너지를 축출하여 그 힘으로 압축기와 발전기 축을 돌리게 하거나 가용 동력을 사용하게 하는 기구이다. 즉, 터빈은 작동 원리나 형태에 있어서 압축기의 역할이라고 할 수 있다.
1.2. 가스 터빈 엔진의 장점과 단점
가스 터빈 엔진의 장점과 단점은 다음과 같다.
가스 터빈 엔진의 장점은 첫째, 연소가 연속적으로 진행되기 때문에 기관의 추력이 증가한다"" 둘째, 왕복 부분이 없으므로 진동이 적고 높은 회전수를 얻을 수 있다"" 셋째, 추운 기후에서도 시동이 용이하고 윤활유 소모가 적다"" 넷째, 저급 연료 사용이 가능하다"" 다섯째, 고속 비행이 가능하다""
가스 터빈 엔진의 단점은 첫째, 연료 소모량이 많다"" 둘째, 소음이 심하다""
1.3. 가스 터빈 엔진의 분류
1.3.1. 압축기의 종류에 따른 분류
가스 터빈 엔진의 압축기는 크게 원심식 압축기, 축류식 압축기, 그리고 원심-축류식 압축기로 분류된다.
원심식 압축기는 중심의 흡입 매니폴드에서 공기를 흡입하여 임펠러 회전에 의해 원주 방향으로 공기를 가속시키고, 디퓨저의 확산 통로를 통해 속도 에너지가 압력 에너지로 변환되어 매니폴드를 통해 연소실로 공기가 공급되는 구조이다. 원심식 압축기는 단당 압력비가 높고 제작이 쉬우며 가볍다는 장점이 있지만, 압축기 입구와 출구의 압력비가 낮고 효율이 낮으며 많은 공기를 처리할 수 없다는 단점이 있다. 주로 소형 기관에 사용된다.
축류식 압축기는 로터(회전자)와 스테이터(고정자)로 구성되며, 로터 블레이드에 의해 공기 통로의 입구가 좁고 출구를 넓게 하여 확산 통로를 형성함으로써 공기를 감속, 가압한다. 축류식 압축기는 대량의 공기를 처리할 수 있고 압력비 증가를 위해 다단으로 제작이 가능하여 고성능 기관에 사용되지만, 외래물질에 의한 손상(FOD)이 잘 발생하고 제작비용이 높다는 단점이 있다.
원심-축류식 압축기는 압축기 전방 부분을 축류식으로, 후방 부분을 원심식으로 구성한 것으로, 원심식 압축기의 단당 압력비가 낮은 단점을 축류식 압축기로 보완하고, 축류식 압축기의 깃이 소형, 정밀해야 한다는 단점을 원심식 압축기로 보완한 구조이다. 주로 소형 터보프롭 기관이나 터보샤프트 기관의 압축기로 사용된다.
1.3.2. 출력 발생 방법에 따른 분류
가스 터빈 엔진의 출력 발생 방법에 따른 분류는 크게 터보제트 기관, 터보팬 기관, 터보샤프트 기관, 터보프롭 기관으로 나뉜다.
터보제트 기관은 가장 초기의 형태로, 압축기와 터빈에서 얻어진 동력의 대부분이 배기노즐을 통해 분출되어 추력을 발생시키는 방식이다. 연소된 고온고압의 가스가 터빈을 거쳐 배기노즐로 배출되면서 급격한 팽창이 일어나 추력이 발생한다. 따라서 터보제트 엔진은 주로 고속 항공기에 사용되며, 추력 발생 효율이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 연료 소모량이 많고 소음이 크다는 단점이 있다.
터보팬 기관은 터보제트 기관에 팬을 추가한 형태로, 엔진 앞부분의 팬에 의해 추출된 기류(바이패스 기류)가 전체 추진력의 대부분을 담당하게 된다. 팬에 의해 우회되는 기류가 많을수록 연료효율이 높아지므로, 대부분의 여객기에 고바이패스비의 터보팬 엔진이 사용된다. 바이패스비가 높을수록 연료 효율은 좋아지지만 크기와 중량이 증가하는 단점이 있다.
터보샤프트 기관은 주로 헬기나 탱크와 같이 회전이 필요한 동력기관에 사용되는데, 출력축을 통해 동력을 전달하는 방식이다. 가스발생기부에서 발생한 동력의 대부분이 회전축을 통해 전달되고, 나머지 일부만이 추력 발생에 사용된다. 따라서 터보샤프트 엔진은 무게 대비 출력이 크고 효율이 높다는 장점이 있다.
마지막으로 터보프롭 기관은 터빈에서 얻어진 동력을 프로펠러를 구동하는 데 사용하는 방식이다. 프로펠러에 동력을 전달하기 위해 감속기어가 사용되며, 연소가스의 일부만이 추력 발생에 쓰인다. 터보프롭 엔진은 저속 항공기에 적합하며, 연료 효율이 높고 소음이 적은 장점이 있다. 다만 고속 비행 시 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
이와 같이 가스 터빈 엔진은 출력 발생 방식에 따라 다양한 형태로 발전해왔으며, 각 용도와 특성에 맞는 엔진 유형이 사용되고 있다.
1.4. 터보제트 엔진
터보제트 엔진은 가스 터빈 엔진의 가장 초기 형태이며, 가장 단순한 구조를 가진다. 이 엔진은 압축기, 연소실, 터빈, 노즐 등의 부위로 구성되어 있다."
공기 흡입구에서 흡입한 공기를 압축기에서 압축하고, 연소실로 압축된 공기를 보낸다. 연소실에서는 연료를 분사하여 혼합공기를 만들고, 이를 점화하여 연소시킨다. 연소에 의해 발생한 고압의 연소가스는 터빈을 통과하면서 터빈을 구동시키고, 노즐을 통해 급팽창하면서 고속의 제트를 형성하여 추력을 발생시킨다."
터보제트 엔진의 작동 원리는 뉴턴의 제3법칙을 따른다. 엔진이 공기를 흡입하여 연소실에서 가속시키고, 노즐에서 압력에너지를 속도에너지로 변환시켜 추력을 얻는다. 이때 터빈은 압축기를 구동하는 동력원이 된다."
터보제트 엔진은 연소가스의 팽창에 의해 터빈을 구동하고, 노즐을 통해 고속의 제트 분류를 분출시켜 추력을 발생시킨다. 이러한 작동 원리로 인해 추력이 증가하지만, 연료 소모량이 많고 소음이 크다는 단점이 있다."
1.5. 터보팬 엔진
터보팬 엔진은 가장 널리 사용되는 가스 터빈 엔진의 한 종류이다. 터보팬 엔진은 터보제트 엔진과 터보프롭 엔진의 장점을 절충한 것으로, 터보제트 엔진의 순항 속도와 터보프롭 엔진의 단거리 이륙이 가능하다는...
