제트 엔진의 기본적 개념과 종류

제트 엔진의 기본적 개념과 종류     라이트 형제가 사용한 이례, 현재까지도 경항공기에서 주요 엔진으로 사용되는 왕복엔진의 최대 목적은 회전운동력을 얻는데에 있습니다. 이것은 자동차의 가솔린 엔진과 원리적으로 거의 동일하며 실제 작동기관도 매우 유사합니다.   즉 실린더 내부의 피스톤이 움직이면서 4행정(4 stroke, 혹은 4 cycle), 즉 흡입, 압축, 폭발, 배기 과정을 거칩니다. 이것은 기술 시간 같은 때에 대부분 배우셨을 겁니다. (요즘도 중고등 학과 과정에 "기술"이 있는지는 잘 모르겠습니다만.)   그런데 항공기가 고성능화 되어가자 왕복엔진의 최대 단점이 두 가지 지적됩니다.   1. 무게에 비해 출력이 약하다. 2. 고속 비행시 프로펠러에서 큰 항력이 발생한다.     특히 2번이 문제가 심각했는데, 고속으로 회전하는 프로펠러는 항공기 속도가 아직 아음속인 마하 0.7도 되기전에 프로펠러의 깃 끝은 초음속 영역에 도달, 효율이 급격히 떨어졌습니다.   그렇다면 프로펠러 없이 추진력을 얻을 수 있는 기관이 필요했는데, 1930년대말 당시 알려진 대표적인 기관이 로켓과 제트엔진이었죠.   로켓이 좀 더 먼저 개발되었는데, 로켓은 무게에 비해 추력이 매우 강력한 반면 연료소모율이 너무 안 좋은 관계로 장시간 비행이 불가능했습니다. 그래서 단거리 요격기 등으로 2차대전 때 Me163 같은 기종이 개발된 것을 제외하면 실용 기체로는 사용되지 않았죠. (연구용 기체는 각 국에서 몇 종류 만들었었습니다. 2차대전 이후에도 최초로 음속 돌파에 성공했던 미국의 X-1 실험기는 로켓엔진을 사용했죠.)   제트엔진은 고속으로 회전하는 압축기와 터빈이 필요 했으므로 제작이 어려웠으나 일단 성공하면 로켓에 비해 훨씬 경제적이고 안정적으로 비행할 수 있다는 것이 장점이었습니다.   최초의 제트엔진은 영국쪽에서 개발 한 것으로 원심식 압축기를 사용한 제트엔진을 개발했습니다. 원심식 압축기는 좀 더 개발이 쉬운 압축기 형태로 요즘은 주로 진공청소기나 양수기 펌프에 사용하는데, 고속비행에 부적합한 형태였습니다. 그리고 독일 쪽에서 축류형 압축기를 사용하는 제트 엔진을 개발, 잘 알려진 대로 최초로 제트엔진을 단 항공기의 비행에 성공했었고 그 뒤로 연구가 진행되어 최초의 제트엔진 전투기인 Me262나 제트엔진 폭격기 Ar234 등을 배치하게 되죠. (영국도 비슷한 시기에 미티어 제트 전투기를 내놓긴 했었는데 성능이 Me262에 크게 못 미쳐서 크게 활약하진 못했습니다.)     최초의 제트엔진은 다른 종류의 제트엔진과 구분하기 위해 "터보 제트엔진"이라고 부르며 원리는 아래의 그림과 같습니다.   <1>     http://wings.avkids.com/Book/Propulsion/intermediate/types-01.html   공기흡입구(Inlet)으로 빨아들인 공기는 축류형 압축기(Axial type Compressor, 여기선 그냥 Compressor라고만 쓰여 있음)를 거쳐 압축이 됩니다. 압축된 공기는 연소실(combustion chamber)로 들어간 뒤 연료분사기(Fuen injector)와 혼합되며, 점화기에 의해 점화, 연소가 이뤄집니다. 연소하여 부피가 크게 팽창한 공기는 뒤로 보내어 터빈(turbine)을 돌립니다. 사진상으로 압축기와 터빈은 유사하게 생겼는데, 압축기는 외부에서 동력을 받아 공기를 뒤로 밀어내는 기관이고 터빈은 연소실에서 폭발된 고온/고압의 가스에 의해 돌아가는 기관입니다. 즉 일종의 풍차가 되는 셈이죠. 그림을 보시면 가운데 부분에서, 터빈과 압축기가 연결되어 있습니다. 터빈은 압축기를 돌리는 동력을 제공하죠. 그것 외에도 제트엔진에 부착된 발전기, 유압펌프, 작동유펌프 등을 돌립니다. 터보 제트 엔진은 이 터빈을 돌리고도 매우 많은 고온/고압의 가스가 남게 되며 이 가스들은 뒤쪽의 노즐로 분사되어 추진력을 내게 됩니다.   제트엔진이 왕복엔진과 가장 다른 점은, 보시다시피 무언가가 왕복하면서 싸이클을 반복하는 기관이 아니라는 점입니다. 작동중이라면 공기흡입구로는 공기가 계속해서 들어오고, 노즐에선 연소된 고온/고압의 개스가 계속해서 뿜어져 나옵니다. 그리고 그 반작용으로 추력이 생기죠. (여기서 흔히 오해하는 것 한가지. 반작용은 개스가 뿜어져 나왔기 때문에 생기는 것이지 주변의 공기를 밀어내었기에 생기는 것은 아닙니다. 만약 주변의 공기를 밀어 내야만 반작용이 생긴다면 우주에서 로켓엔진은 추진력을 낼 수 없겠죠.)     연소실의 형태는 캔(Can) 타입, 캔-애눌러(Can-Annular) 타입, 그리고 애눌러(Annular) 타입 3가지가 있습니다.   캔 타입이 가장 오래된 형태로, 말 그대로 캔 형태의 연소실 여러개가 엔진에 삥 둘러쳐져 있습니다. 각각의 캔 타입 연소실 내부로 압축기에 의해 압축된 공기가 나뉘어져 들어가는데 공간활용이 나쁘고 전체길이가 길어진다는 단점이 있습니다.  <2>   Can type 연소실. Plumary Air Scoop이라는 곳으로 압축기를 거쳐 압축된 공기가 들어가며, 내부에서 공기가 디퓨저를 통해 다시 한 번 감속된 뒤 연료와 섞여서 점화기에 의해 점화, 연소 됩니다. 캔 내부는 2중 구조로 되어 있으며 캔의 제일 안쪽으로 흘러들어간 공기만 연소를 거치고, 일부 공기는 캔의 외벽 바로 안쪽을 흐르면서 실제 연소가 이뤄진 공간과 외벽 사이를 흘러 냉각을 돕습니다. http://www.geocities.com/nedu537/turbine/    <3>       캔 하나의 내부 도해도입니다. 왼쪽에서 공기가 들어와서 오른쪽으로 연소된 공기가 나갑니다. 보시면 생각 보단 좀 복잡한데, fuel nozzle connection 부분으로 연료가 들어와서 swirl vane(나선형으로 공기가 회전하도록 만들어진 고정된 날개. 요컨데 돌지 않는 선풍기로 바람이 지나가면 바람이 휘어져 들어가겠죠.) 이라는 것을 거쳐 공기는 연료와 확실히 섞입니다. 잘 보시면 swril vane쪽은 입구가 좁다가 다시 넓게 확산되는데, 이는 공기를 감속시키는 디퓨져 역할을 합니다. 공기 유속이 너무 빠르면 연소가 잘 되지 않기 때문입니다. 그리고 이 내부에서 연소가 이뤄지면 연소된 가스는 뒤쪽으로 분출됩니다. http://www.cavalrypilot.com/fm1-506/ch3.htm   캔-애눌러 타입은 뒤에 설명할 애눌러 타입과 중간 정도 되는 형태입니다. 캔 타입에 비해 공간활용도가 더 높지만 밑에 설명할 애눌러 타입 보단 설계가 쉽습니다. <4>       Can-Annular Type 연소실. 압축기를 거친 공기의 대부분은 캔 타입과 마찬가지로 각각의 캔 형태의 연소실로 들어가지만 일부 공기는 그 외부의 고리형태로 전체가 묶여져 있는 케이스 내부를 흐름으로써 냉각을 돕습니다. http://www.geocities.com/nedu537/turbine/   애눌러 타입은, 캔 처럼 연소실이 여러개의 구역으로 나뉜 것이 아니라 이름 그대로 (Annular : 고리, 고리모양) 고리 형태로 하나의 연소실을 이룹니다. 공간활용도가 제일 높죠. 세가지 형식 중에 가장 설계가 어렵지만, 현재 대부분의 항공기 엔진이 이 방식을 사용합니다. <5>     Can-Annular Type 연소실. 압축기를 거친 공기의 대부분은 캔 타입과 마찬가지로 각각의 캔 형태의 연소실로 들어가지만 일부 공기는 그 외부의 고리형태로 전체가 묶여져 있는 케이스 내부를 흐름으로써 냉각을 돕습니다.   http://www.geocities.com/nedu537/turbine/   애눌러 타입은, 캔 처럼 연소실이 여러개의 구역으로 나뉜 것이 아니라 이름 그대로 (Annular : 고리, 고리모양) 고리 형태로 하나의 연소실을 이룹니다. 공간활용도가 제일 높죠. 세가지 형식 중에 가장 설계가 어렵지만, 현재 대부분의 항공기 엔진이 이 방식을 사용합니다.     그림의 왼쪽에 압축기가 연결되며 오른쪽으로 연소된 공기가 나갑니다. 속이 빈 고리 형태로 되어 있으며 하나의 단일한 연소실만 있습니다. 대부분의 압축된 공기는 연소실 내부로 유입되어 연소과정을 거치지만 일부 공기는 외부로 흘러서 냉각을 돕습니다. 최근 엔진은 위에 캔 타입에서 설명한 swril vane을 부착하여 공기와 연료의 빠른 혼합을 돕기도 합니다. http://www.geocities.com/nedu537/turbine/       Annular type의 단면도. 내부에 annular 형태의 연소실이 두개 있는 double annular type인데 기본적으로는 거의 동일합니다. fuel manifold 부분에서 연료가 분사되며 Plimary air inlets라고 쓰여 있는 작은 구멍들을 통해 공기가 유입됩니다. 그러나 여기선 공기의 양이 너무 적기에 (혹은 연료가 너무 진하기에) secondary inlet 들을 통해 2차적으로 압축된 공기들이 들어오며 일부 공기는 여기로도 유입되지 못하고 Outter Burnner shroud라 되어 있는 연소실케이스 외벽을 거쳐 흐릅니다. 냉각을 위해서죠. 그리고 내부에서 (그림에는 표시되어 있지 않지만) 점화기에 의해 점화되어 폭발, 후방의 노즐로 이동하게 됩니다. http://www.cavalrypilot.com/fm1-506/ch3.htm