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1. 서론
1.1. 가스터빈 엔진의 정의와 중요성
가스터빈 엔진은 제트엔진의 일종으로, 액체나 고체의 연료를 연소시킨 후 팽창시켜 추진력을 얻는 장치이다. 가스터빈 엔진의 원리는 뉴턴의 제3법칙인 작용-반작용 법칙을 적용한 것으로, 공기흡입구로 공기를 흡입하여 압축된 공기를 연소실에서 연료와 혼합하여 연소시킨 후 고온고압의 공기를 빠른 속도로 전환하여 추력을 얻는다. 이러한 가스터빈 엔진은 액세서리, 시동, 윤동활, 연료공급 등 보조 계통으로 구성되며, 압축방법에 따라 터보제트, 터보팬, 터보프롭, 터보샤프트 등 다양한 종류로 분류된다. 가스터빈 엔진은 현대 항공 분야에서 매우 중요한 동력장치로, 우수한 출력 대비 중량비와 고속 비행 능력을 제공하여 대부분의 전투기, 사업용 항공기, 상업용 항공기에 사용되고 있다. 이처럼 가스터빈 엔진은 항공기 동력 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다.
1.2. 가스터빈 엔진의 발전 과정 및 특징
가스터빈 엔진의 역사는 오래전부터 시작되었다. 1930년대 초기부터 가스터빈 엔진 기술이 발전하기 시작하였는데, 당시의 항공기 왕복엔진은 최고속도의 한계성을 극복할 수 없었다. 이에 따라 가스터빈 엔진을 장착한 항공기가 실용화되면서 비약적인 발전을 이루어 왔다. 오늘날 경비행기를 제외한 거의 모든 전투기, 사업용 항공기, 상업용 항공기에 가스터빈 엔진이 사용되고 있다.
가스터빈 엔진은 공기를 흡입하고 다시 대기로 배출함으로써 추진력을 얻는다. 이는 뉴턴의 운동 제 3 법칙인 작용-반작용 원리를 적용한 것이다. 흡입된 공기가 뒤쪽으로 방출되면서 항공기가 전진하게 되는 것이다. 이와 같은 가스터빈 엔진의 기본 작동 원리는 계속해서 발전해 왔다.
가스터빈 엔진 기술의 발전에 따라 다양한 형태의 가스터빈 엔진이 개발되었다. 터보제트 엔진에서 시작하여 터보팬 엔진, 터보프롭 엔진, 터보샤프트 엔진 등이 등장하였다. 각각의 엔진 형식은 추진 방식과 동력 활용 방식에서 차이를 보인다. 예를 들어 터보제트 엔진은 배기 노즐을 통해 제트 추력을 얻는 반면, 터보프롭 엔진은 터빈에서 나오는 동력을 프로펠러를 회전시키는데 사용한다.
이러한 다양한 가스터빈 엔진 기술의 발전은 항공기 성능 향상에 크게 기여하였다. 터보팬 엔진의 등장으로 연료 소모율이 크게 개선되었고, 터보프롭 엔진은 저속 비행에서 효율성이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 터보샤프트 엔진은 헬리콥터와 같은 회전익 항공기에 적합한 동력원으로 활용되고 있다.
종합적으로 가스터빈 엔진 기술의 지속적인 발전은 항공기 성능 향상과 경제성 제고에 매우 중요한 역할을 해왔다고 볼 수 있다. 오늘날 가스터빈 엔진은 거의 모든 현대 항공기의 핵심 동력원으로 자리잡고 있다.
2. 가스터빈 엔진의 종류
2.1. 터보제트 엔진
터보제트 엔진은 배기 노즐을 가스발생기의 하류에 부착하여 순전히 제트 추력을 동력으로 사용하는 엔진이다. 가스발생기와 배기노즐 사이에 재 연소장치를 추가하여 가스를 재 가열한 후에 배기노즐로 분사시켜 추력을 증강하는 것을 후부 연소 터보제트라 한다. 후부 연소 터보제트는 전투기와 같이 짧은 시간 동안 급속한 추력의 증가를 필요로 하는 경우에 사용된다. 터보제트 엔진의 역사는 Frank Whittle 경에 의해 최초로 특허로 출원되었으며, 원심압축기와 에뉼러 연소실, 그리고 1단의 터빈을 가지고 있었다. 오늘날 터보제트엔진의 설계에는 다양한 방법이 소개되었지만, 기본 구성품은 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 터보제트 엔진은 여객기가 마하 0.8의 비행속도 범위에서 소음과 연료소비율이 문제점이 있어, 순수 터보제트 엔진의 사용은 매우 제한적이며 거의 군용기로만 사용되는 추세이다.
2.2. 터보팬 엔진
터보팬 엔진은 터보제트 엔진보다 30~40% 정도 연료를 절감하기 때문에 개발되었다. 터보팬 엔진은 앞부분에 대형 팬이 회전되도록 설계되었으며, 엔진 추력의 약 80%를 만들어 낸다. 터보팬 엔진은 큰 속도 범위에서 터보제트 엔진에 비해 조용하고 더 좋은 연료소비율을 갖는다. 터보팬 엔진의 일반적인 원리는 많은 연료 에너지를 압력으로 변환시키는 것이다. 더 많은 양의 에너지를 압력으로 변환시킴으로 보다 큰 압력을 얻을 수 있으며, 이를 통해 추가적인 추력을 더 낼 수 있다. 결과적으로 항속거리가 증가하여 경제성으로 이어진다.
터보팬 엔진은 팬 장착방식이 두 가지인데, 하나는 전방 팬이고 다른 하나는 후방 팬이다. 현대에 거의 모든 항공기의 터보팬 엔진 형식은 전방 팬 형식인데, 이유는 후방 팬 엔진의 팬이 압축기의 압축비 향상에 전혀 기여하지 않고 FOD(Foreign Object Damage) 흡입에 의한 손상 위험이 크기 때문이다.
대부분의 터보팬 엔진은 2축 엔진으로, 고압스풀과 저압스풀이 있다. 저압스풀은 일반적으로 팬 단계와 팬을 구동하는 터빈 단계를 포함하며, 고압스풀은 고압 압축기, 축, 그리고 고압터빈으로 구성한다. 이러한 스풀은 엔진의 코어를 형성하며, 연소부분이 그 속에 위치하고 있다.
터보팬 엔진은 저바이패스, 중간 바이패스, 고바이패스로 세 가지로 나눌 수 있다. 이는 엔진의 코어 주위를 지나간 공기의 양으로 결정되며, 일반적으로 팬을 구동시킨 공기는 엔진의 내부 코어를 통과하지 않는다. 고바이패스 엔진은 75~80% 정도의 공기를 ...
