가스터빈엔진의 구조와 종류

 1903년 라이트 형제가 추진기관을 장착한 최초의 동력비행에 성공한 후, 초기에는 19세기에 개발된 왕복 기관을, 제2차 세계대전 전까지는 성형 왕복 기관이 많이 사용되었습니다. 2차 세계대전 이후의 항공기 추진기관은 가스터빈 엔진으로 거의 대체되어 오늘날에는 대향형 왕복 기관을 사용하는 소형항공기를 제외한 대부분의 항공기가 가스터빈 엔진을 주로 사용하고 있습니다. 또한 초음속의 고속 비행을 위한 램제트엔진도 개발되었습니다. 21세기에 들어서는 고효율의 가스터빈 엔진과 극초음속의 고속 비행을 위한 스크램제트엔진이 연구되고 있으며, 지구 환경을 저해하는 공해를 저감 하기 위한 친환경 추진기관으로 전기추진기관이 개발되고 있습니다.

 이번 장부터는 가스터빈엔진과 왕복엔진, 초음속 엔진, 전기추진엔진에 대한 구조와 종류, 그 구성품의 작동원리 등에 대해 설명하도록 하겠습니다. 이번장에서는 그중 첫 번째로 가스터빈 엔진의 구조와 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

1. 가스터빈엔진

 가스터빈 엔진의 작동원리를 이해하기 위해서는 외부로부터의 열전달이나 열손실이 없는 단열 조건에서 등 엔트로피 거동을 하는 이상적인 터보제트엔진을 가정하고 시작합니다. 터보제트엔진의 유로의 위치는 국제표준에 따라 대기조건을 0번으로 하여 공기 흡입구 1번, 압축기 입/출구 각각 2/3번, 연소기 출구 4번, 터빈 출구 5번, 노즐 끝단 9번으로 정합니다. 

 가스터빈엔진의 각 유로 위치에서의 물리적 상태는 엔탈피-엔트로피 선도로 표시하는 것이 이해하기 쉽습니다. 엔탈피는 온도와 속도를 총괄하는 에너지 개념으로, 엔트로피는 에너지 변환 시 마찰 등의 비가역성의 정도를 표시하는 지표로 이해하면 더욱 쉽게 가스터빈의 작동원리를 이해할 수 있습니다. 압력의 경우 엔탈피-엔트로피 선도에 점선으로 등압선이 표시되어 있습니다. 유로의 각 위치에서의 엔탈피 등 물성치는 정체 조건 또는 전 조건을 기준으로 작성하며 번호에 첨자 't'를 부가하여 t2, t3, t4, t5와 같이 표시합니다. 다만 대기 조건인 0번과 노즐 출구 조건인 9번은 정적 상태 조건으로 나타내는 것이 속도 항에 대한 운동에너지를 표현할 수 있어서 편리합니다. 전 엔탈피 ht는 정 엔탈피 h와 속도 V의 함수로서 다음과 같은 식으로 정의됩니다. 

 이상적인 터보제트엔진의 엔탈피-엔트로피 다이어그램에서 흡입, 압축, 연소, 배기 과정을 한 사이클로 표현한 것을 브레이턴 사이클이라고 합니다. 1872년 브레이턴에 의해 고안된 이 사이클은 연소 과정이 정압 상태에서 이루어지므로 정압 사이클 이라고도 합니다. 

 브레이턴 사이클은 단열 압축, 정압 가열, 단열 팽창, 정압 방열의 과정으로 한 사이클을 이룹니다. 

 

2. 가스터빈 엔진의 구조와 종류

 가스터빈 엔진은 추진력을 얻는 방법에 따라 터보 제트엔진, 터보 팬 엔진, 터보 프롭 엔진, 터보 샤프트 엔진으로 구분됩니다.

 터보제트엔진은 압축기, 연소기, 터빈을 통과한 고온, 고압의 가스를 배기 노즐로 배출하면서 얻는 고속의 속도를 이용한 추진 장치입니다. 고속의 배기 속도를 얻기 위해 배기노즐의 면적이 점차 줄어드는 수축형노즐을 이용합니다. 그러나 초음속 배기속도를 얻기 위해서는 수축-확산형 노즐을 이용합니다. 음속기의 경우 여기에 후기 연소기를 터빈과 수축-확산형 노즐 사이에 배치하여 배기가스의 온도를 최대한 상승시킨 후 초음속으로 배출하여 추력 증가의 효과를 얻을 수 있습니다. 항공기용 가스터빈 엔진은 1940년대 개발이 시작된 터보제트엔진으로부터 다양한 형상으로 파생되어 왔습니다. 이는 터보제트엔진은 흡입된 공기를 고속으로 후방으로 배출하면서 얻는 제트 에너지를 항공기 추진에 이용하고 있어 프로펠러 추진 항공기에 비해 항공기의 고속비행이 가능하기 때문입니다. 

 터보팬 엔진은 현대 항공기의 속도가 빨라짐에 따라 프로펠러 추진장치의 높은 효율성과 제트엔진의 고속 비행성능의 특성을 결합한 엔진입니다. 제트엔진이 배기가스의 속도를 크게 하여 추력을 얻는 반면 터보팬 엔진은 배기가스의 속도를 감소시키고 질량유량을 증가시켜 추진력을 유지하면서도 비연료 소모율을 최대한 감소시키기 위해 엔진 내부에 제트엔진을 장착하고 외부에 프로펠러와 비슷한 기능을 담당하는 팬을 부착시키는 방식으로 개발이 진행되어 왔습니다. 터보팬엔진은 코어 엔진 또는 가스제네레이터 라고 부르는 고압압축기, 연소기, 고압터빈을 터보팬 엔진 내부에 장착하고 있습니다. 이때 코어 엔진의 압축기를 고압 압축기, 터빈을 고압터빈이라고 명칭하는데 이는 또 하나의 압축기 역할을 수행하는 팬과 저압 터빈이 터보팬 엔진 내에 위치하고 있기 때문에 이를 구분하기 위한 것입니다. 코어엔진에서 배출되는 고속의 배기가스는 두 번째 터빈인 저압터빈을 가동시키고 이때 생성된 회전 에너지는 엔진 전방부의 팬을 구동시킵니다. 저압터빈과 팬을 팬 모듈이라고 하며, 팬 모듈은 코어엔진 회전축 내부에 위치하는 또 하나의 독립된 축으로 연결되어 있습니다. 팬은 대량의 공기를 흡입할 수 있는 회전날개로, 팬으로 흡입된 대량 공기의 일부는 코어엔진으로 공급되고 나머지 공기는 코어엔진 외부의 독립적인 통로를 통해 외부로 배출됩니다. 이러한 유동을 바이패스유동이라고 합니다. 바이패스 유동은 코어엔진의 연소기를 통과하지 않기 때문에 팬 노즐을 거쳐 대기에 배출되며, 코어 유동에 비해 상대적으로 저온입니다. 바이패스 유동은 코어에서 배출되는 배기 속도보다 속도는 낮지만 대용량의 유량이므로 코어 엔진보다 큰 추력을 얻을 수 있어 연료 경제성에 핵심적인 기여를 하게 됩니다. 때문에 민항기의 경우 비연료 소모율을 최소화하기 위해 장착된 엔진의 직경을 매우 크게 만들어 결과적으로 바이패스 공기의 유량이 코어 엔진을 통과하는 유량보다 커지게 되는 것입니다. 바이패스 유량과 코어 유량의 비를 바이패스 비라고 하며, 현재 민항기에 장착되는 터보팬 엔진의 경우 연료 경제성을 위해 바이패스 비가 5 이상 되는 엔진을 장착하는 경우가 많습니다. 

 터보프롭 엔진은 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된 가스 제네레이터를 통과한 고온, 고압의 가스는 추가적 터빈인 동력 터빈에서 축 마력을 추출하게 되며, 추출된 축 마력을 기어박스를 통해 감속한 후 프로펠러를 구동하는 방식을 터보프롭 엔진이라고 합니다. 동력 터빈은 가스 제네레이터의 회전축과 독립적으로 운영되며, 수만 rpm 이상으로 회전하므로 수천 rpm의 저속으로 회전하는 프로펠러를 구동하기 위해 감속기 어가 필수적입니다. 터보프롭의 대부분의 추력은 프로펠러 회전으로부터 발생하는 추진력으로부터 얻게 되며, 약 10% 정도의 추력은 배기 노즐에서 분사되는 제트 추진력으로부터 얻게 됩니다. 

 터보 샤프트 엔진은 가스 제네레이터로 통과한 가스를 동력 터빈을 통해 대부분의 속도 에너지를 축마력으로 전환하여 전환된 축마력을 이용하여 항공기를 추진하는 엔진기관입니다. 배기가스는 배기덕트를 통해 저속으로 배출되므로 가스 배출 속도에 의한 추진력은 전혀 얻을 수 없습니다. 동력 터빈에서 추출한 축마력은 기어박스를 통해 감속된 후 헬리콥터의 경우 메인 로터로 전달되어 회전력을 제공하게 됩니다. 터보샤프트 엔진이 축마력은 최근 지상용 및 선박용 발전기를 구동하는 용도로도 사용되고 있습니다.