TURBINE ENGINE
- 가스터빈엔진은 압축공기를 연소실에서 연소시켜 발생된 고온 고압의 공기를 이용하여 터빈을 작동시켜 압축기를 작동시키고 배기가스의 추진력을 이용하여 그 반작용으로 추력을 발생 시키는 시스템의 엔진이다.
- 가스터빈엔진의 작동 기전은 다음과 같다.
1. 공기가 compressor 에서 압축된다.
2. combustion chamber에서 연소시킨다.
3. 연소시켜 발생된 고온 고압의 공기가 turbine을 회전시킨다.
4. turbine 은 compressor 와 shaft로 연결되어 turbine이 회전하면서 compressor도 회전시킨다.
5. 배기가스의 추력에 대한 반작용으로 항공기가 전진한다.
- 가스터빈엔진의 장점은 다음과 같다.
1. 큰출력
2. 왕복엔진에 비해 진동이 적다.
3. 연료비용이 상대적으로 저렴하고 엔진오일의 소모가 적다.
4. 초음속비행이 가능하다.
5. 습도에 영향이 거의 없다
- 가스터빈엔진의 단점은 다음과 같다
1. 연료소모량이 크다
2. 소음이 심하다
3. density altitude 에 왕복엔진보다 민감하다 .
- 가스터빈엔진의 종류는 다음과 같다.
1. 터보젯 ( turbo jet )
터보젯엔진은 가장 먼저 개발된 가스터빈 엔진이다. 터보젯 엔진은 공기를 압축시킬 수록 연료효율이 좋기 때문에 고속에서의 연료효율이 좋으며 , 저속에서는 연료를 많이 소모한다. 소음이 크게 발생한다.
2. 터보팬( turbo fan )
터보팬엔진은 대량의 공기를 낮은속도로 분출하여 저속에서의 터보젯엔진의 단점을 보완한 형태이다.
그림에서와 같이 터보팬 엔진은 2개의 spool을 사용한 2축엔진이다. spool은 compressor , shaft , turbine 으로 구성되어 있있다. 즉 터보팬 엔진은 2개의 compressure , 2개의 shaft , 2개의 turbine이 있고 , 1개의 spool은 LOW PRESSURE , 나머지 하나는 HIGH PRESSURE spool 이다 .
* BPR( bypass ratio ) 은 터보팬 엔진에서 combustion chamber를 통과하지 않는 공기의 비율을 말한다. 압축기로 들어온 외부공기는 일부 combustion chamber로 가서 연소되고 , 나머지 공기는 터빈을 거치지 않고 그대로 노즐로 배출된다.
이 BPR의 장점은 효율이다. 즉 , cumbustion chamber를 통과해 노즐로 배출되는 공기와 , chamber를 통과 하지 않은 공기가 노즐에서 합쳐지면서 엔진이 배출하는 공기 유량을 크게 증가시켜 추력이 크게 증가된다. 현대에 와서는 이 BPR이 10:1 까지 늘어났다. 10:1 BPR은 chamber를 지나는 공기의 양에 비해 bypass하는 공기가 10배라는 말이다.
BPR이 클수록 연료 효율이 좋지만 , 엔진의 면적이 커지기 때문에 항력이 늘어난다. 이러한 이유 때문에 전투기는 낮은 BPR의 엔진을 채택하고 , 민간항공기는 높은 BPR의 엔진을 채택하여 효율을 높인다.
터보팬엔진의 각 구성품의 역할은 다음과 같다.
1. air inlet
공기흡입구는 compressor에 들어가는 공기에 난류가 없도록 설계한다. 또한 터보팬엔진의 air inlet의 첫 시작은 큰 fan에는 de-icing 장치가 있어야한다. 이 de-icing은 compressor bleed air를 사용한다.
2. compressor
압축기는 공기의 압력을 증가시키고 , bleed air를 공급한다. compressor bleed air 라고 한다. compressor bleed air의 사용목적은 다음과 같다.
객실 여압 , 냉난방 , 제빙 & 방빙 , 엔진의 시동
압축기는 2종류가 있다.
centrifugal compressor ( 원심압축기 )
원심압축기는 임펠러( impeller )의 중심으로 공기를 흡입하여 터빈에 의해 임펠러가 공기를 가속시키고 , 가속된 공기가 diffuser에서 압축되어 연소실로 공급한다.
FOD에 강하고 , 공기 유입량이 적어도 안정적이다.
axial flow compressor ( 축류압축기 )
축류압축기는 rotor 와 stator로 구성되어 있다. 로터 1행과 스테이터 1행이 1개의 STAGE라고 한다. 위의 사진은 4 STAGE이다 . 프로펠러와 같은 방식으로 rotor가 공기를 밀어보내면서 공기가 압축되는 방식.
원심압축기에 비해 효율은 좋지만 FOD에 취약하다.
* compressor stall 압축기 실속 또한 rotor blade가 임계받음각을 초과하여 발생하는 실속이다 . compressor stall은 압축기 rotor 일부분에서 일어나는 것이지만 빠르게 recover 되지 못하면 compressor surge로 전이되어 엔진에 큰 손상을 가져온다.
3. diffuser
압축기와 연소실 사이에 디퓨저가 있다. 이 디퓨저는 압축공기의 속도를 감속시키고 압력을 증가시킨다. 디퓨저의 목적은 combustion chamber에서 연소화염이 지속적으로 유지되도록 한다.
4. cumbustion chamber
연소실은 압축기에서 압축된 고압의 공기를 연소시켜 터빈을 구동시키고 추력을 만든다.
5. turbine
터빈은 compressor를 구동시키거나 터보프롭 터보샤프트의 축을 회전시킨다. 큰 항공기는 axial flow turbine 을 장착한다. 민간항공기는 axial flow compressor - axial flow turbine이 장착된다 . axial flow turbine도 axial flow compressor와 마찬가지로 rotor 와 stator 로 구성되어 있다.
6. exhaust duct
배기덕트는 배기가스가 소용돌이치게 하지 않고 빠르게 방출시키는 장치이다.
exhaust cone ( 배기콘 ) , exhaust nozzle ( 배기노즐 ) 로 구성되어 있다.
배기콘은 터빈으로부터 방출되는 배기가스를 모으로 난류를 층류로 변환시킨다. 배기노즐은 추력을 발생시키며 , 민간항공기는 고정형, 전투기는 가변형이다.
3. 터보 프롭( turbo prop )
터보 프롭엔진은 터보젯엔진 앞에 프로펠러가 장착된 형태이다. 터보팬 엔진의 추력은 70%가 by pass air , 30%가 배기가스에서 생성되고 , 터보프롭은 85%가 프로펠러 , 15%가 배기가스에서 추력이 발생한다.
프로펠러의 지름이 클 경우 프로펠러 끝은 음속을 넘어 항력이 크게 증가해 효율이 떨어진다. 이러한 이유로 감속기어( reduction gear ) 를 장착한다.
터보프롭의 장점은 다음과 같다.
* 왕복엔진에 비해 , 무게가 가볍다 . 출력이 좋다 . 진동이 적다 .
* 터보팬 엔진에 비해 , 저속에서 효율이 더 좋다 . 연료가 적게 들어 경제적이다 .
* takeoff performance가 터보젯 엔진보다 좋다.
* desity altitude의 증가에 터보젯 엔진보다 둔감하게 반응한다.
터보프롭의 단점은 다음과 같다.
* 왕복엔진에 비해 , 가격이 비싸다 . 연료비가 왕복엔진에 비해 많이 든다.
4. 터보샤프트
터보샤프트 엔진은 터보프롭과 구조가 유사하나 , 헬리콥터에 사용된다. shaft를 통해 동력을 헬기 프로펠러에 전달한다.
GAS TURBINE ENGINE INSTRUMENT
- 가스터빈엔진의 계기는 다음과 같다.
1. EPR
EPR은 engine pressure ratio의 약자로 , 엔진의 압력비를 나타내는 계기이다. turbine discharge pressure 를 compressor inlet pressure로 나눈 값이다. 즉 , 터빈 출구의 압력 / 엔진 인렛의 압력 의 비율을 나타낸다. 비율이 높을수록 출력이 강한것이다.
* TAKE OFF 시 EPR은 1. pressure altitude 2. temperature 3. aircondition on -off 의 조건에 따라 달라진다.
* TAKE OFF시 EPR 제한은 1. temperature limit 2 . pressure limit 에 따라 달라진다.
2. N1 , N2
N1, N2 는 compressor의 회전 속도를 % 로 표현한 것이다 . N1은 low pressure , N2는 high pressure 이다. 터보팬 엔진의 2개의 스풀중 1개는 LP , 1개는 HP 인것을 참고한다. 설계된 최대 회전속도와 현재 회전속도의 비를 %로 나타낸다.
3. TORQUE METER
torque meter는 터보프롭 엔진에서 볼수 있는 계기로 , 프로펠러를 구동시키는 축의 동력을 % , psi 등으로 표시하는 계기이다. E-120는 %로 표시된다.
4. EGT
EGT는 exhaust gas temperature의 약자로 , 배기가스의 온도를 나타낸다. turbine rotor 혹은 배기부분의 과열을 방지하기 위해 EGT를 나타낸다.
터빈엔진 온도의 종류는 다음과 같다
1. TIT
TIT는 turbine inlet temperature의 약자로, 터빈 입구 온도를 나타낸다. 보통 combustion chamber에서 나온 고온의 가스가 바로 만나는 TIT의 온도가 가장 높다 .
2. TOT
TOT는 turbine oulet temperature의 약자로 , 터빈 출구 온도를 나타낸다.
3. ITT
ITT는 interstage turbine temperature의 약자로 , 터빈 중간부분의 온도를 나타낸다.
4. TGT
TGT는 turbine gas temperature의 약자로 , 터빈 가스 온도를 나타낸다.
TURBINE ENGINE HOT START & HUNG START
- HUNG START는 다음과 같다.
hung start는 스타터의 동력이 부족하거나 , 연료가 제대로 공급되지 못해 발생한다. 이때의 증상은 RPM이 증가하지 않는 현상이 발생하며 RPM이 증가하지 않는다고 하여 , 쓰로틀을 더 개방시켜 연료를 더 공급하게 되면 온도가 급격하게 증가해 HOT START가 될수 있다.
- HOT START는 다음과 같다.
충분한 공기가 공급되지 못하거나 , 연료장치의 결함 , 조종사의 실수로 쓰로틀을 너무 많이 개방하였을 때 HOT START가 나타나며 , 이 때 한계온도를 초과 할 수 있다. 터빈에 심각한 열 손상을 가지고 올수 있기 때문에 시동시 EGT를 유심히 본다 .
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