본문내용
1. 항공기 엔진의 이해
1.1. 가스터빈엔진의 원리와 구조
가스터빈엔진의 원리와 구조는 다음과 같다.
가스터빈엔진은 압축터빈으로 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시켜 나온 에너지를, 터빈을 통해 운동에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 열기관이다. 가스터빈엔진의 원리는 뉴턴의 제 3법칙인 작용과 반작용의 법칙에 기초하고 있으며, 이 법칙에 의하면 무엇이든 작용이 있으면 같은 힘으로 반대 반향의 반작용이 있다는 것이다. 따라서 엔진이 대량의 공기를 가속시킨다면 그것은 항공기에 대해 힘을 가하는 것이다.
가스터빈엔진은 터보 제트, 터보 팬, 터보 프롭, 터보 샤프트 형식으로 나뉘며, 터빈으로 구동되는 압축기의 회전에 의해 압축을 하며 연속 연소한다. 터보 제트엔진은 고온의 배기가스흐름으로 인한 반력을 추진력으로 사용하며, 터보팬엔진은 엄밀히 말해서 가스터빈 엔진에 의해 구동되는 여러 개의 깃을 갖는 덕트로 싸인 프로펠러 엔진으로 볼 수 있다. 터보프롭엔진은 감속기어장치를 통해 프로펠러를 회전시키는 가스터빈엔진이며, 터보 샤프트기관은 생성된 힘을 축을 통해 전달된 동력이 프로펠러가 아닌 이외의 다른 구성품을 작동시키기 위한 엔진이다.
가스터빈엔진에서 일어나는 현상은 왕복엔진에서 일어나는 현상과 매우 유사하지만, 차이는 왕복엔진에서는 실린더 내부의 기체가 흡입, 압축, 동력(팽창) 및 배기 과정을 순차적으로 거치며 작동하는 것과 달리, 가스터빈엔진에서는 엔진 내부를 연속적으로 흐르는 기체에 대해, 엔진의 각 부분에서 모든 행정이 동시에 발생한다는 것이다. 또한 왕복엔진은 연소에서 발생한 에너지를 기계적 운동에너지로 바꾸고 프로펠러를 회전시켜 추진력을 얻지만, 가스터빈엔진은 연소에서 발생한 에너지를 직접 제트의 운동에너지로 바꾸어 사용한다.
1.2. 가스터빈엔진의 종류
1.2.1. 터보제트 엔진
터보제트 엔진은 가스터빈 엔진 중 처음 사용되었던 가장 단순한 형태의 엔진이다. 터보제트 엔진은 주위의 많은 양의 공기를 계속적으로 유입시키며, 공기가 흡입구를 통해 엔진 내부로 들어오면 압축기에서 압력이 높아진다. 그 후 연소실에서 연료와 공기가 혼합되어 연소되면서 생성된 열에 의해 터빈이 회전하게 된다. 터빈은 압축기와 맞물려 압축기를 구동시키며, 터빈을 통과한 배기가스는 테일파이프에서 가속되어 대기로 배출되어 추력을 발생시킨다.
터보제트 엔진은 배기가스의 고속 분출을 통해 추진력을 발생시키는데, 이는 빠른 비행속도에서 우수한 추진효율을 보인다. 하지만 저속에서는 효율이 낮아지고 연료소비율이 증가하며 배기소음이 크다는 단점이 있다. 따라서 터보제트 엔진은 주로 고속 군용기에 적용되고, 최근에는 Afterburner를 장착한 기종들이 등장하기도 하였다.""
1.2.2. 터보팬 엔진
터보팬 엔진은 엄밀히 말해서 가스터빈 엔진에 의해 구동되는 여러 개의 깃을 갖는 덕트로 싸인 프로펠러 엔진으로 볼 수 있다. 비행기에 장착되는 터보팬 엔진은 저 바이패스, 중간바이패스, 고바이패스로 보통 3가지로 나뉘며, 거의 모든 여객용 항공기는 터보팬 엔진을 사용한다. 팬 엔진의 일반적인 원리는 많은 연료 에너지를 압력으로 변환시키는 것이다. 더 많은 양의 에너지를 압력으로 변환시킴으로써 보다 큰 압력을 얻을 수 있다. 즉, 연료량을 증가하지 않고도 추가적인 추력을 더 낼 수 있다는 것이다. 연료의 추가가 없는 추력의 증가는 결과적으로 항속거리를 증가하여 경제성으로 이어진다. 이 엔진은 앞부분에 대형 팬이 회전되도록 개발되었으며, 전체 추력의 약 80%를 만들어 낸다. 이 엔진은 이러한 속도 범위에서 매우 조용하고 더 좋은 연료소비율을 갖는다. 이 엔진은 일반적으로 20~40개의 고정피치깃을 가지고 있으며 터보제트와 터보프롭의 절충적인 성능을 갖도록 개발되었다. 즉, 덕트로 싸인 설계로 인해 터보팬엔진은 터보제트와 비슷한 순항속도를 가질 수 있으면서도 단거리 이착륙능력에 있어 터보프롭과 같은 성능을 유지할 수 있다.
1.2.3. 터보프롭 엔진
터보프롭 엔진은 감속기어박스를 통해 프로펠러를 회전시키는 가스터빈엔진이다. 설계는 터보샤프트엔진과 거의 유사하지만 터보프롭 엔진에서 감속기어장치가 터보프롭 흡입구에 위치한다는 점이 다르다. 다른 가스터빈엔진들과 차이점은 터보프롭엔진의 터빈은 프로펠러를 구동시키기 위하여 에너지를 추출하는 별도의 단계를 갖고 있다는 것이다. 압축기와 액세서리의 구동에 추가하여 터보프롭 터빈은 앞쪽으로 증가된 동력을 축으로 전달하여 기어들을 구동하고 프로펠러를 회전시켜야 한다. 가스터빈엔진에 의해 발생되는 에너지의 약 80~85%는 프로펠러를 가동시키기 위해 사용되며, 이용 가능한 나머지 에너지들은 배기로 방출되어 추력을 만든다. 프로펠러는 가스발생기축에 직접 연결(고정터빈)되기도 하고 자유터빈축에 연결되기도 한다. 터보프롭엔진은 저속에서 추진효율이 크나 프로펠러 회전속도의 제한으로 음속에 이르지 못하는 한계가 있으므로 업무용 항공기, 소형 수송기 및 훈련기 등 비교적 저속의 항공기에 적용된다. 최근에는 거의 사용되지 않는 추세이지만, 저속 비행에서 효율이 좋고 소음이 적은 장점이 있어 일부 군용기 및 소형 항공기에서 여전히 활용되고 있다.
1.2.4. 터보샤프트 엔진
터보샤프트 엔진은 생성된 힘을 축을 통해 전달된 동력이 프로펠러가 아닌 이외의 다른 구성품을 작동시키기 위한 엔진을 말한다. 출력축은 엔진의 터빈과 직접적으로 맞물려 있거나, 또는 축이 배기 흐름에위치한 자유터빈에 의해서 구동된다. 자유터빈은 독립적으로 회전하는데,이러한 원리는 현재 생산되고 있는 터보샤프트엔진에 광범위하게 이용되고 있다. 터보샤프트엔진의 출력은 회전축의 동력 출력이기 때문에 추력 대신에 마력으로 측정되고 있다. 즉, 이 엔진은 배기가스를 통한 추력이 발생되지 않고 프로펠러에 의해 100%의 추진력이 발생한다.
1.3. 가스터빈엔진의 흡기 및 배기 계통
가스터빈엔진의 흡기 및 배기 계통은 엔진의 핵심적인 부분이다. 흡기 계통은 엔진에 필요한 공기를 공급하며, 배기 계통은 연소 후 배출되는 가스를 효율적으로 처리한다.
먼저 터빈엔진의 흡기 계통을 살펴보면, 엔진 흡입구는 엔진에서 요구되는 양의 공기가 뒤틀리지 않고 압축기까지 제공되도록 설계된다. 일반적으로 공기흡입구 덕트는 엔진부품이 아닌 기체부품으로 간주된다. 소형 터보프롭 및 터보샤프트 엔진은 대형 터보팬 엔진에 비해 적은 공기흐름을 가지는 다른 형태의 흡입구를 사용한다. 많은 터보프롭, 보조동력장치, 터보샤프트 엔진은 외부물질로 인한 손상을 방지하기 위해...
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