지난 장부터 우리는 항공용 추진기관들에 대해 알아보기 시작했습니다. 그리고 그 첫 번째로 가스터빈 엔진의 작동원리와 구조, 종류에 대해 알아보았습니다. 이번장에서는 가스터빈 엔진에 사용되는 기본적인 구성품의 종류와 그 작동원리에 대해 알아보겠습니다.
1. 압축기
압축기는 크게 원심식과 축류식으로 구분됩니다. 원심식은 공기 흡입구보다 출구부의 직경을 크게 하여 원심력의 효과를 이용하여 공기를 압축할 수 있는 장치로서, 1단의 압축비가 약 4 정도로 단당 압축비가 축류 압축기에 비해 매우 높고, 구조가 튼튼하여 특히 FOD에 강하다는 장점이 있습니다. 따라서 먼지가 많이 흡입되는 헬리콥터 등의 가스터빈 엔진, 보조 동력장치 등에 매우 유용하게 사용됩니다. 다만 축류식에 비해 엔진의 직경이 상대적으로 커지고 단위면적당 통과하는 공기질량 유량이 상대적으로 작은 단점이 있습니다. 원심식의 작동원리는 공기가 임펠러를 통해 흡입되고 회전하는 임펠러 베인을 통과하면서 에너지를 얻어 가속된 후, 디퓨저를 통과하면서 속도는 점차 감소하여 운동에너지가 압력 에너지로 변환되게 됩니다. 이때 임펠러 블레이드의 유로 단면적도 점차 커지도록 일반적으로 설계하므로 유체의 정압력은 임펠러 블레이드와 디퓨저 블레이드를 통과하면서 계속 상승하게 됩니다.
축류식은 원심식과 달리 로터와 스테이터로 구성되며, 로터는 여러층의 원판 둘레에 로터 블레이드가 장착되어 있고, 스테이터는 압축기의 외부 케이스 역할을 하며 안쪽에 스테이터 베인이 장착되어 있습니다. 가이드 베인은 압축기 입구에 설치되며 최전방의 로터 블레이드로 유입되는 공기 유입각을 유도하는 역할을 수행합니다. 가이드 베인을 통과한 공기는 압축기의 축 방향으로 흐르면서 로터 블레이드에 의해 운동에너지를 공급받아 속도가 가속된 후 스테이터 베인으로 유입된 후 유로 단면적이 점차 커지는 스테이터 베인을 통과하면서 정압력 상승이 일어나게 됩니다. 이때 로터 블레이드 내에서도 블레이드의 회전에 의해 운동에너지를 공급받음과 동시에 정압력 상승도 일어나게 됨을 유의해야 합니다. 축류 압축기는 저전면 면적에 비해 많은 양의 공기를 흡입, 압축할 수 있고 다단으로 제작하기 쉬우며, 입구와 출구의 전 압력 비와 압축기 효율이 높기 때문에 고추력 및 고성능 엔진에 많이 사용되고 있습니다.
2. 터빈
터빈은 압축기와 그 밖의 필요한 장비를 구동시키거나 터보프롭 및 터보축엔진의 동력축을 회전시키기 위한 동력을 발생하는 장치로 연소실에서 연소된 고압, 고온의 연소가스를 팽창시켜 회전 동력을 얻습니다. 터빈도 압축기와 마찬가지로 원심 터빈과 축류 터빈으로 구분됩니다. 원심 터빈은 원심압축기와 구조와 모양이 유사하나 흐름의 방향이 바깥쪽에서 중심 부분으로 흐르는 것이 차이입니다. 원심 터빈은 제작이 간편하고 효율이 비교적 좋으며, 단마다의 팽창 비가 높은 편입니다. 그러나 단수의 증가에 따른 구조의 복잡성과 중량에 비해 효율이 낮은 편이라 주로 소형 엔진에서 사용합니다.
축류터빈은 축류 압축기와 비슷하게 로터와 스테이터로 구성되어 있으며, 하나의 스테이터 열과 하나의 로터 열을 합하여 1단으로 부릅니다. 특히 스테이터를 터빈 노즐 또는 베인이라고 합니다. 스테이터 노즐은 단면이 에어포일 모양이며 수십 개의 스테이터 노즐이 터빈 케이스 안쪽에 장착되어 터빈 스테이터 1열을 구성합니다. 터빈 로터 블레이드도 에어포일 모양이며 터빈 디스크 주위에 수십 개의 블레이드가 장착되어 1열의 터빈 로터를 형성합니다.
연소실에서 연소된 고온, 고압의 연소가스는 터빈 노즐을 통과하면서 가속되고 터빈 로터 블레이드에 운동량을 전해줄 수 있는 적절한 각도로 유도되어 이후 가속되고 유도된 연소가스는 터빈 로터 블레이드를 거치면서 운동량을 전달하여 터빈 축에 회전력을 전달하게 됩니다. 이때 팽창 과정 즉 정압력의 감소는 일반적으로 터빈 노즐과 로터 블레이드에서 동시에 이루어지게 됩니다. 하나의 터빈 단을 지나면서 팽창되는 양 중 로터 블레이드가 담당하는 팽창량과 전체 터빈의 팽창량의 비를 백분율로 나타낸 것을 반동도라고 합니다.
반동도는 크게 충동 터빈과 반동 터빈 그리고 충동-반동 터빈으로 나뉩니다. 충동 터빈은 터빈 노즐에서만 유동가스 정압력 가스가 일어나 가속이 되며, 로터 블레이드 내에서는 속도가 일정하게 유지되는 형태로서 이때 반동도는 0이 됩니다. 따라서 로터 블레이드의 입구와 출구의 압력 및 상대속도는 일정해집니다. 충동 터빈은 수력터빈으로 주요 사용되며, 가스터빈의 공기 시동모터의 터빈 등으로도 일부 사용되고 있습니다.
반동 터빈은 터빈 노즐과 로터 블레이드에서 동시에 팽창되어 압력의 감소가 이루어지는 방식으로 터빈 노즐과 로터 블레이드의 유로 통로가 모두 수축 통로를 이루고 있어 노즐 통과 시에는 가스의 절대 속도가 증가하고, 로터 블레이드 통과 시에는 가스의 상대속도가 증가하는 만큼의 반작용 에너지의 합이 로터 블레이드에 작용 하여 터빈을 회전시키게 됩니다. 항공기용 가스터빈 엔진의 경우 보통 50% 안팎의 반동도를 갖는 터빈을 많이 사용하는데 충동-반동 터빈으로 불립니다.
3. 연소실
압축기에서 배출된 공기는 연소실에서 1차 연소영역과 2차 연소영역으로 나뉘게 됩니다. 먼저 압축기에서 배출된 공기는 속도가 매우 빨라 디퓨저에서 감속이 되며, 연료노즐에서 분사되는 연료와 혼합되어 1차 연소영역을 형성합니다. 1차 연소영역에서 대략 2000k 정도의 화염온도를 유지하며, 터빈에서 혀용 가능한 가스온도로 낮추기 위해 희석공기공을 통해 대량의 공기가 공급되어 2차 연소영역을 형성한 후 터빈 노즐로 향하게 됩니다.
연소실의 성능은 연소 효율, 연소기 내에서의 압력손실, 그리고 출구온도 분포에 따라 결정됩니다. 연소 효율은 연료의 화학적 에너지가 연소가스의 열에너지로 바뀐 양을 말하며 보통 정상작동 상태에서는 95% 이상의 효율을 가집니다. 압력손실은 연소실 내에서 공기의 마찰과 급격한 연소 팽창에 의해 발생되는 유용 에너지의 손실량으로, 엔진 성능 측면에서 가능한 낮은 값을 가져야 합니다. 연소기 출구의 온도 분포는 완전히 균일하지는 않으나, 터빈의 수명 연장을 위해 가증한 균일한 온도 분포를 가져야 합니다.
현재 가스터빈 엔진에서 사용하는 연소기의 종류에는 캔형, 애뉼러형, 캔-에뉼러형이 있습니다. 캔형 연소실은 압축기 구동축 주위에 서로 독립된 원통형 연소실이 같은 간격으로 여러 개가 배치된 형식입니다. 연소실이 독립되어 있어 설계가 정비가 간단하여 초기 가스터빈 엔진에 사용되었으나 무게와 부피가 상대적으로 애뉼러형에 비해 불리하여 오늘날에는 항공용에 잘 사용되지 않습니다. 애뉼러형 연소실은 압축기의 구동축을 둘러싸고 있는 한 개의 환형 모양으로 되어있으며 외측 케이스. 내축 케이스, 라이너, 여러 개의 연소 노즐 및 점화기로 구성되어 있습니다. 구조가 간단하고, 길이가 짧으며 원주 내의 모든 면적을 사용할 수 있어 캔형 연소실에 비해 반경 방향 길이를 짧게 할 수 있어 오늘날 대부분 항공용 엔진으로 사용되고 있습니다. 캔-에뉼러형은 캔형과 애뉼러형의 중간 형태로 여러 개의 캔을 하나의 케이스로 둘러싸고 있는 형태입니다.
4. 공기 흡입구와 배기 노즐
공기 흡입구는 엔진이 필요로 하는 공기를 압축기로 공급해주는 통로로서, 압축기 정상작동에 필요한 공기량과 공기 속도를 제어할 수 있게 만들어집니다. 항공기는 지상 정지 시부터 고고도, 초음속에 이르기까지 다양한 환경에서 비행하기 때문에 어떠한 고도, 비행속도에서도 항상 일정한 양의 공기를 균일하고 일정한 속도로 압축기에 공급해야 합니다. 항공기가 고속 비행 시에는 들어오는 공기의 속도를 감속시켜 압력을 상승시키고, 지상 정지 시에는 대기의 공기를 빨아들여 압축기가 필요로 하는 속도까지 가속하게 됩니다. 공기 흡입구는 아음속 항공기의 경우 확산형 흡입구를, 초음속 항공기에는 충격파를 이용한 초음속 흡입구를 사용합니다. 초음속 흡입구 중에서는 가변 면적 흡입 덕트를 사용하여 아음속과 초음속에서 좋은 성능이 유지되도록 하기도 합니다.
배기 노즐은 배기 파이프 또는 테일 파이프라고도 하며 터빈을 통과한 배기가스를 대기 중으로 방출하기 위한 통로의 역할을 합니다. 배기 덕트에서 공기가 분사되는 끝부분을 배기 노즐이라고 하며 배기가스의 압력 에너지를 속도 에너지로 바꿔 추력을 발생시킵니다. 배기 노즐의 면적은 배기가스이 속도를 결정하는 중요한 요소로서 실제 엔진에서는 터빈의 출구와 배기노즐 사이에 역추력 장치와 후기 연소기를 설치하는 경우도 있습니다. 배기 노즐은 아음속 항공기에는 아음속 노즐을, 초음속 항공기에는 초음속 노즐을 사용합니다. 초음속 노즐은 가변 면적 노즐을 사용하는 경우도 있으며, 노즐 출구에는 배기가스의 소음을 줄여주기 위해 배기소음 방지장치를 사용합니다.