[도깨비뉴스] 터보제트엔진, 공기 모아 강력한 힘 만든다

by Butterfly posted Nov 01, 2008
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터보제트엔진, 공기 모아 강력한 힘 만든다

 

 터보제트엔진의 압축기는 연소에 필요한 공기를 끌어들여서 압력과 밀도를 높인 다음 연소실로 보내는 역할을 한다. 이 과정을 통해 연료가 원활하게 연소하기에 충분한 산소를 좁은 연소실 내에 들어갈 수 있게 한다. 또한 압축과정 그 자체는 일종의 추력을 만드는 역할을 하게 된다. 엔진의 앞쪽 보다 뒤쪽의 압력을 높인다는 의미는 앞쪽을 향하는 힘을 만든다는 의미가 되기 때문이다.

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 왕복엔진은 피스톤으로 공기를 압축했었지만 이 방법은 한 번에 일정량만큼의 공기만 압축할 수 있으므로 연속적으로 계속 공기가 흐르는 제트엔진에 사용하기엔 부적합하다. 공기를 연속적으로 압축하는 방법에는 피스톤처럼 강제적으로 힘을 가하지 않고, 공기가 흐르는 통로의 면적을 변화시키는 방법도 있다.

 


 확산기(Diffuser)는 이름 그대로 공기통로가 점차 넓어지는 것인데, 이 통로를 지나면 공기는 속도는 떨어지는 대신 압력은 올라간다. 하지만 단순히 확산기를 통과하는 것만으로는 공기가 엔진이 사용하기에 충분히 압축되지 않으므로 강제적으로 공기를 더 많이 압축되도록 하는 압축기를 사용한다.

 

 터보제트엔진의 압축기에는 크게 축류형과 원심형 두 종류가 있다.

 

 원심형 압축기는 항공기용으로는 수퍼차져 같은 곳에 이미 사용하던 방식의 압축기다. (양수기 펌프 같은 것에도 사용한다.) 이것의 원리는 일전에 수퍼차져에서 설명한 것과 같이 원심력을 이용한 것이다. 공기가 흡입구를 통해 들어오면 원심력에 의해 바깥쪽으로 빠져나가게 된다. 임펠러 자체의 통로는 기본적으로 바깥으로 갈 수록 넓어지며, 이곳이 바로 확산기 역할을 한다. 또한 경우에 따라서는 임펠러 바깥쪽에 둘러져 있는 케이스에도 확산기 역할을 하는 길이 나있다. 임펠러 및 케이스를 거쳐서 압력이 올라간 공기들을 모아서 출구로 내보내는 것이 바로 원심형 압축기의 원리다.

 

 


 축류형 압축기는 좀 더 복잡하다. 마치 프로펠러처럼 생긴 돌아가는 회전자(로터)와 고정자 (스테이터 베인)이 여러 번에 걸쳐서 반복적으로 나열된다. 회전자가 돌아가면 공기는 뒤로 보내지는데, 이 때 회전자의 사이사이는 디퓨져 역할을 한다. 여기를 지난 공기는 압축이 되는 것이다. 그런데 회전자를 지난 공기는 마치 회오리를 치듯 공기가 회전하면서 뒤로 빠져나가려 한다. 이런 회전하는 공기가 그대로 다음 단계의 회전자로 들어가게 되면 회전자의 깃 입장에서는 매우 높은 받음각이 되므로 실속에 빠질 위험이 있다. 그래서 고정자가 공기 흐름을 균일하게 만드는 역할을 하는데, 한편으로는 고정자들 역시 확산기 역할을 해서 공기의 속도를 낮추고 압력을 높인다.

 

 그리고 단을 지날수록 공기가 지나가는 통로는 좁아지는데, 이 좁은 통로로 공기가 밀려들어가므로 공기는 더 압축된다.

 

 축류형 압축기는 회전자와 고정자 한 세트를 1단이라고 하는데, 보통 1단 만으로는 압력이 충분히 올라가지 않으므로 적게는 5단에서 많게는 15단이 넘게 여러 단으로 구성된 축류형 압축기를 사용한다. 축류형 압축기는 축방향으로 계속 공기가 흐른다 하여 축류형이라 부른다.

 

 

 

 


 초기에 개발된 제트엔진은 원심형 압축기를 종종 사용했다. 1단 씩 놓고 비교 했을 때 원심형 압축기는 한 번에 압축하는 양이 축류형 보다 많다. 게다가 공기가 일정치 않게 들어올 때 (이를 테면 받음각이 높아지거나 해서 공기흡입구를 통해 공기가 불균형 하게 들어올 때)도 축류형에 비하면 더 정상적으로 압축기가 잘 작동한다. 무엇 보다 원심형 압축기는 이미 왕복엔진 항공기의 수퍼차져등에 사용해 왔으므로, 관련 기술과 이론이 축류형에 비해 많이 확보된 상황이었기 때문에 개발이 쉬웠다.

 

 하지만 원심형 압축기는 정면에서 바라봤을 때 면적이 크다. 이 말은 엔진의 직경이 커진다는 의미며, 그래서 항공기에 장착시 더 많은 항력을 만들 소지가 있다. 더불어 1단으로 압력이 모자랄 때 축류형 압축기는 여러 단을 계속 붙일 수 있는 반면 원심형은 잘 해야 2단 정도가 한계다. 그렇다고 1단의 압축기 자체의 압축능력을 높이려면 면적이 더 넓어지므로 이것 역시 바람직하지 않다. 또한 한 번에 많은 양의 공기를 보내는 능력 면에서도 축류형이 유리하다. 그래서 초창기의 제트엔진 이후 6.25 쯤을 전후하면 축류형 압축기가 대세를 이루기 시작하며, 현재는 터보제트 항공기에 원심형 압축기를 사용하는 경우는 잘 없다. 다만 모형항공기 등에 사용하는 초소형 터보제트엔진에 간혹 사용하며, 이외에 이후 언급할 터보프롭 엔진이나 터보샤프트 엔진처럼 고속비행을 하지 않는 항공기에 사용하는 기관에도 원심형 압축기를 사용하곤 한다.

 


 하지만 초창기의 축류형 압축기는 관련 기술과 이론이 미비했기 때문에 설계나 제작이 어려웠다. 특히 전투기가 급기동을 하거나 하면 압축기가 제 성능을 못내는 수가 많았다. 이 문제를 방지하고자 원심형과 축류형을 둘 다 사용하는 특이한 엔진들도 등장했었다. 즉 제일 앞쪽에 원심형 압축기를 배치해서 급기동 시에도 덜 민감하도록 했고, 뒤쪽에는 축류형 압축기들을 여러 단 배열해서 원하는 만큼 공기를 압축하는 방식이었다. 그러나 현재는 축류형 압축기만으로도 충분히 원하는 성능을 낼 수 있으므로 이런 복합형 압축기는 보기 어렵다.

 

 축류형 압축기가 급기동에 민감했던 이유는 압축기의 깃 자체가 일종의 날개나 마찬가지이기 때문이다. 날개는 받음각이 높아지면 실속을 하듯, 압축기의 깃 역시 잘못하면 실속 할 수 있다. 이를 압축기 실속, 혹은 엔진 실속이라고 한다. 이렇게 되면 공기는 제대로 압축되지 않거나 최악의 경우엔 공기가 도리어 역류해 버리는 수도 있다. 물론 이것을 방지하기 위해 회전깃 이외도 고정깃을 두지만 그것만으론 역시 한계가 있었다.

 

 

 

출처: http://www2.airforce.mil.kr:7777/webzine/special/view_article.jsp?bid=2002&aid=2607&page=1

기사제공= 주간 공군웹진 공감/ 필자 이승진

 

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    녹색 2017.10.05 05:59
    앞이 막힌 공기앞축기 만들었습니다.
    연락주세요
    010-9911-9119 입니다.

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