[항공 지식] 가스터빈엔진의 구조와 원리는 ?

Posted by 비회원
2012. 2. 26. 20:47 ::항공 지식::


2장. 가스터빈엔진의 구조와 원리

가스터빈엔진의 구조 ?

가스터빈엔진은 보일러의 증기를 이용한 증기터빈이나 고체연료를 연소하여 추진하는 로켓과는 달리 압축기를 이용하여 공기를 압축한 후 연소기에서 연소하여 가열된 고온 고압의 가스를 팽창시켜서 에너지를 얻는 기구죠.


가스터빈엔진은 왕복 피스톤 기관보다 다음과 같은 장점들이 있습니다.
ⓐ 연료의 연소가 연속적으로 진행되기 때문에 기관의 중량당 추력이 크다.

ⓑ 회전운동 부분만 있으므로, 진동이 적을 뿐만 아니라 추운 기후에도 시동이 쉽고 윤활유의 소비량이 적다.

ⓒ 옥탄가가 낮은 가격이 싼 연료를 사용한다.

ⓓ 프로펠러와 달리 비행속도가 커질수록 효율이 좋아진다.



이번에는 이 가스터빈엔진을 흡입 - 압축 - 연소 - 배기 중 흡입부에 대해 알아보려 합니다 !

**가스터빈엔진의 구조와 원리**

1. 흡입구(Inlet)

여러분은 엔진의 맨 앞부분인 엔진 흡입구가 동그랗고 매끄럽게 생긴이유가 공기역학 적이기 때문이라고 생각하실 겁니다. 예, 맞습니다. 만일 입구가 90도로 각이 져있다면 이상하겠죠 ?

 


이런 형태의 흡입구를 벨마우스(Bell mouse) 흡입구라고 합니다. 뭐, 그림만으로 설명이 되는 것 같으니 패스하겠습니다.


항공기에서 흡입구는 공기의 속도와 압력을 조절해주는 역할을 합니다. 기본적으로 항공기의 속도가 빨라지면 엔진으로 밀려들어오는 공기(흔히 램RAM 공기라고 하죠) 등으로 인해 빠른 속도로 공기가 압축기로 들어가게 됩니다. 이 떄, 공기의 속도가 음속을 넘게 되면 압축기의 로터깃(날개 블레이드)에 실속(stall)이 걸리게 되며, 심하면 부러져 엔진이 파손될 수 있습니다.

흡입구는 이 공기의 흐름을 압축에 적합한 속도(마하 0.5가 적합)로 줄여주는 역할을 합니다. 참고로 마하 1이 넘으면 유체는 점성을 가진 압축성 유체가 되는 데 이또한 속도를 줄여주는 역할을 합니다. 이는 잠시후...


여기서 잠시 베르누이 정리에 대해 짚고 넘어가겠습니다.
베르누이 정리란, 일정한 양의 아음속 공기가 덕트를 통해 일정한 유량으로 공급된다면 그 공기의 속도에너지(운동에너지, 동압력에너지)압력에너지(위치에너지, 정압력에너지)의 합은 일정하다는 것입니다. 이걸 쩡~말 어렵게 표현하면 밑의 식과 같습니다.

 

여기서 p 는 압력(정압력)을 의미하고 1/2ρV" 은 위치에너지, 즉 속도(동압력)를 의미합니다. 그럼 당연히 Pt 는 정압력에너지와 동압력에너지의 합인 전체 압력 에너지, 즉 전압력이 됩니다. 이 전압력은 에너지 보존법칙이라 해서 변하지 않죠.

결국엔 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고, 속도가 느려지면 압력이 높아진다는 소립니다...


그림을 보면 수축형 덕트의 경우 갈길이 먼 공기분자들이 갈수록 문이 좁아 지니까 자연스럽게 속도가 빨라지게 되구여, 그러면 위의 방정식 대로 압력은 낮아지겠죠. 반면 팽창형 덕트는 그 반대로 속도가 느려지고 압력이 높아지게 될것입니다.

바로 이겁니다 !

무지막지하게 빨리 들어오는 공기의 속도를 잠재우기 위해 팽창형으로 흡입구를 만드는 것이죠. 그러면 공기는 속도가 느려지게 되고 압력이 높아지게 되어 압축기의 효율을 높여주게 됩니다.

 


다음은 초음속 전투기의 흡입구에 대해서 알아보겠습니다 .

공기가 초음속, 즉 음속을 넘어서게 되면 점성(viscosity)을 가지게 됩니다. 말그대로 끈적 끈적한 성질이 생기게 됩니다. 그래서 그 공기가 어떠한 물체와 부딪히게 되면 마치 젤리를 벽에 던진듯한 효과가 나타납니다.

물체에 접촉하면 공기가 젤리처럼 물체에 달라붙게 됩니다. 그리고 처음 접촉한 공기가 떠나기 전에 뒤이어 오는 공기에 의해 압축이 되는 것이죠. 계속해서 압축이 되다 공기는 느린 속도로 빠져나가게 됩니다. 이를 '충격파'라고 하죠.

 


이 충격파의 유용한 면은, 공기흐름이 고 압력의 충격파 영역을 지나면서 속도가 낮아진다는 것입니다.

그래서 초음속기의 흡입구는 공기속도를 줄이는 충격파를 형성하도록 만듭니다.

공기속도는 마지막 충격파의 뒤어서 거의 마하 0.8로 떨어지고, 다시 확산에 의해 마하 0.5가 된후 압축기로 넘어갑니다 .


음... F-15K 프라모델을 만들어보신 분들은 아시겠지만, 공기흡입구 속에 무언가 움직이도록 되어있는 장치가 있습니다. 이것은 Movable wedge 라는 장치로, 입구를 수축, 확산 시켜서 충격파를 만들어주죠.

 

F-14의 공기흡입구 입니다. 초음속일때는 충격파을 만들기 위해 movable wedge가 내려오는 걸 볼 수 있죠 ?


드뎌.. 흡입구의 마지막 입니다.. 글이 너무 길어진것 같아 걱정이네요 .. ㅠ

현대의 대형 여객기들의 엔진은 팬의 직경이 매우 크다보니 지상과의 거리가 얼마 떨어져 있지 않습니다. 이떄, 팬으로 빨려들어가는 공기는 토네이도 처럼 회오리를 일으키면서 들어가는 데, 이를 와류라고 하며, 이 와류는 활주로의 돌조각들을 들어올릴 만큼 강하답니다. 그래서 와류로 부터 올라오는 돌조각들을 막기 위해 엔진 하단에 "와류 분산기(blow-away jet)"를 설치합니다.

이 와류 분산기는 작은 압축기의 잉여 공기를 분출시켜 와류를 끊어버리는 원리입니다.



지금 까지 엔진의 흡입구에 대해 알아보았습니다. 읽어주셔서 감사합니다 ^^ **

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