[항공 지식] 항공기 가스터빈엔진에는 어떤 종류가 있을까?

1장. 항공기 가스터빈엔진의 종류

가스터빈엔진이란 ?

가스터빈엔진은 제트엔진의 일종입니다.

제트엔진이란 액체나 고체의 연료를 연소시킨후 팽창시켜 추진력을 얻는 장치입니다.
제트엔진에는 로켓, 램제트, 가스터빈 등등이 있죠.
여기서 가스터빈엔진은 다시 터보팬, 터보샤프트, 터보프롭엔진, 프롭팬으로 나뉩니다.
4가지 모두 같은 원리이지만, 엔진에서 나오는 추력을 어떻게 사용하느냐에 따라 다르죠.

이번에는 이 4가지 엔진이 어떻게 다른지에 대해 알아보려합니다 !

**가스터빈엔진의 종류별 특징**

① 터보축엔진. (Turbo-Shaft Engine)

터보축엔진은 주로 헬리콥터나 탱크등에서 사용하는 엔진입니다.
이 두 기계 모두 과거에는 피스톤 엔진을 사용했었습니다.
하지만 피스톤 엔진의 경우 추력 대비 중량비가 1:1 즉 엔진의 무게가 1톤이라면 그 추력도 1톤 밖에 안됬습니다. 그러나 터보축엔진은 무려 5:1 이기때문에 1톤의 무게로 5톤의 추력을 만들어 낼 수 있습니다. 무게와 출력에 민감한 헬기 등에 사용하는 이유라 할 수 있죠.

엔진에서 만들어진 에너지 중 2/3는 엔진의 압축기 등을 구동시키는 데 모두 사용되어져 버립니다. 나머지 1/3로 축(헬기 날개를 돌리는 구동축)을 회전시키죠. 축 까지 회전시키고 나면 배기가스의 추력은 전체의 5%도 안됩니다.

초기의 터보축엔진의 동력축은 가스를 발생시키는 축과 연결되어 있었습니다. 하지만 이 경우 구동축이 멈춰버리면 압축기도 함께 멈춰버릴 수 있고, 구동축에 필요한 RPM(회전수)와 압축기에 필요한 RPM이 다를 수 있기 때문에 효율에 문제가 생깁니다. 그래서 그 후 제작된 엔진들은 구동축 터빈과 압축기 터빈이 떨어져 있죠. 이를 자유동력터빈(free power turbine)이라 합니다.

남은 배기가스는 호버링에 영향을 주지 않고, 적외선 노출이 최소한이 되도록 배출됩니다.


② 터보프롭엔진. (Turboprop Engine)

터보프롭엔진은 터보축엔진과 그 구조가 매우 비슷합니다. 터보프롭엔진은 감속기어(Transmission)가 흡입구에 있어 전방에 달린 프로펠러를 회전시킵니다.

엔진에서 나온 배기가스는 구동축을 회전시켜 프로펠러를 돌리고 남은 가스를 배출시켜 제트추력을 만듭니다. 이 제트추력은 추력의 1/4~1/5 를 차지하죠.

터보프롭엔진도 자유동력터빈을 사용합니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

1. 지상활주시 엔진은 그대로 두고 프로펠러의 RPM을 낮추어 소음 감소와 블레이드(프로펠러 날개)의 침식을 방지할 수 있다.

2. 엔진 시동이 다른 엔진에 비해 쉬우며 날씨가 추운 경우에는 다른 가스터빈엔진에 비해 특히 유리하다.

3. 프로펠러와 기어박스에서 발생하는 진동이 가스발생기 부분으로 직접 전달되지 않아 안전하다.

4. 로터 제동장치(Rotor brake)를 사용하면 엔진을 정지하지 않고도 프로펠러를 정지 시킬 수 있다.

터보프롭엔진은 저속에서 추진효율이 좋고, 단거리 이착륙이 가능하다는 장점이 있습니다.


③ 터보팬엔진. (Turbo fan Engine)

가장 널리 사용되는 엔진으로 터보제트엔진과 터보프롭엔진의 절충 성능을 발휘하도록 만든것입니다. 즉, 터보제트의 순항속도와 터보프롭의 단거리 이륙이 가능합니다.

터보팬엔진의 핵심은 바로 '바이패스 공기'입니다. 바이패스 공기란 팬을 지나 엔진 바깥으로 흐르는 공기를 의미합니다.

크게 저 바이패스와 고 바이패스로 나뉘는 데,

저 바이패스엔진은 전투기에서 주로 쓰는 엔진입니다. 팬의 직경이 작습니다. 그래서 저항이 작으니 전투기에서 쓰는 거겠죠 ?
여객기 엔진 같은 경우 엔진을 하나의 통속에 넣는 게 불가능합니다. 워낙 팬이 크니까요. 하지만 저 바이패스 엔진은 팬의 직경이 작기 때문에 한 통속에 넣을 수 있습니다. 이 통을 덕트라 하는 데, 한 덕트 속에 들어 있으면 바이패스 공기가 공기와의 마찰에 의해 손실 되지 않고, 배기 출구에서 배기가스와 혼합되어 효율을 높이고, 희석되어 소음도 줄어든다는 장점이 있습니다.
더군다나, 전투기에서 초음속 비행을 위한 에프터버너의 효율을 높이는데도 큰 도움이 되죠.

고 바이패스엔진은 여객기 등에서 사용하는 엔진입니다.
팬의 직경이 매우 크기 때문에 바이패스 공기가 굉장히 많죠. 이를 바이패스 비로 나타내면 적게는 4:1에서 많게는 30:1 정도 됩니다. 이 바이패스 공기는 전체 추력의 무려 80%를 차지할 정도로 큰 비중을 담당합니다.

고 바이패스엔진은 팬의 직경이 매우 크기 때문에 덕트로 엔진을 덮게 되면 그에 따른 중량이 커지게 때문에 덕트속에 넣을 수가 없습니다. 그래도 팬은 덮어야 겠죠... 이 팬 덮게를 카울(Cowl)이라 합니다. 뭐, 요즘은 가벼운 소재로 다 덮는 다고는 하더군요 ..

이 엔진은 연료경제성이 매우 우수합니다. 그 이유는 팬에 의해 전체 공기유량이 많아졌고, 엔진 배기가스의 소용돌이가 바이패스 기류에 의해 줄어들어 손실이 감소되기 때문입니다. 또한 이런 손실의 감소는 팬을 구동시키는 동력을 더 커지게 하는 결과를 가져오므로서 추진효율과 열역학적 효율을 상당히 증가시킬 수 있습니다.

현대에 들어 터보팬엔진의 바이패스에 관한 연구가 활발히 진행되었고, 그 결과 바이패스비가 무려 9:1이나 되는 초고 바이패스 (Very High By-pass) 터보팬이 개발되었습니다. (제너럴 일렉트릭사의 GE90 엔진) 이러한 바이패스비의 개량. 발전은 연료난에 시달리는 항공사의 불안을 어느 정도 떨쳐줄 수 있을 것으로 예상되죠.


④ UHB 프롭팬. (Ultra High Bypass Profan)

울트라 바이패스 팬 혹은 프롭팬이라 불리는 이 엔진은 기존의 터보프롭 팬과는 매우 다르게 생겼으며 6~10개의 후퇴각을 갖는 곡면 블레이드(Curved blade) 형상의 큰 하중에 견딜 수 있는 프로펠러로 구성되어 있습니다.

이 엔진 또한 바이패스에 관한 연구의 결과물 중 하나입니다.
UHB 프롭팬의 바이패스비는 무려 30:1에서 100:1에 이르며 이 엔진은 마하 0.8에 150~200명 정도의 승객을 탑승시키는 제트여객기의 엔진과 같은 성능에 낮은 비연료소모율을 가져올 것이라 기대되고 있습니다.

(참고, 항공기에선 연료효율이라는 말보다는 비연료소모율(SFC)이라는 말을 사용합니다.
1파운드의 추력에 필요한 시간당 연료량으로, 낮은 비연료소모율이란 같은 추력에 비해 연료가 더 적게 들어간다는 것을 의미한다.)

이러한 UHB 들은 현재의 고바이패스엔진에 비해서도 15~20% 이상의 연료절약 효과가 있는 현용 가스터빈들 중에서 가장 우수한 연료절약형 엔진으로 손꼽히고 있습니다.

일반적인 UHB 프롭팬은 후방에 위치한 두 개의 프로펠러를 역회전시키는 이중반전 프로펠러입니다.

하나의 프로펠러는 그 후류가 회전하면서 나가기 때문에 축류방향 에너지에 손실을 줍니다. 그러나 이중 반전 프로펠러를 사용할 경우 첫 후류가 다음 프로펠러에 의해 상쇄되면서 전체 후류가 축류 방향과 비슷하게 나가게 되어 손실을 줄일 수 있죠.

프롭팬도 터보프롭과 마찬가지로 저속에서 상대적으로 추력이 높기 때문에 가변피치 프로펠러를 사용할 경우 이륙 순간부터 순항 고도까지 상승하는데 걸리는 시간을 짧게 조절할 수 있어 이또한 연료 절약에 도움이 됩니다.

그러나 이 기관의 경우 문제점은 소음, 구조적 진동(플러터), 복잡한 감속 기어 장치 등의 설치 등이 있으나 대부분 극복될 전망입니다.