제트 엔진
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1. 개요
제트 엔진은 기원전부터 존재했던 기술을 바탕으로 20세기에 항공기 동력 기관으로 개발되었다. 영국과 독일을 중심으로 연구가 진행되었으며, 프랭크 휘틀과 한스 폰 오하인이 각각 터보제트 엔진을 개발했다. 터보제트 엔진 외에도 터보팬, 터보프롭, 램제트 등 다양한 종류가 있으며, 압축기, 연소실, 터빈, 배기구 등의 구성 요소를 갖는다. 제트 엔진은 브레이턴 사이클을 따르며, 고속의 유체 제트를 후방으로 방출하여 추력을 얻는 원리로 작동한다.
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| 제트 엔진 | |
|---|---|
| 제트 엔진 | |
 | |
| 분류 | |
| 분류 | 내연 기관 |
| 산업 | |
| 산업 | 항공우주 산업 |
| 용도 | |
| 용도 | 항공 |
| 연료 | |
| 연료 | 제트 연료 |
| 구성 요소 | |
| 구성 요소 | 동적 압축기 팬 연소기 터빈 추진 노즐 |
| 발명 | |
| 발명 | 1791년, 1928년, 1935년 |
| 발명가 | |
| 발명가 | 존 바버 프랭크 휘틀 한스 폰 오하인 |
| 예시 | |
| 일반 정보 | |
| 영어 이름 | jet engine |
| 추력 범위 | 22 kN ~ 510 kN |
| 참고 자료 | 에어버스, 비행 운영 브리핑 노트 – 추가 기술 : 엔진 오작동 처리 |
| 참고 문헌 | 2005 |
2. 역사
제트 엔진의 원리는 새로운 것이 아니지만, 이를 실현하는 데 필요한 기술적 발전은 20세기가 되어서야 이루어졌다. 제트 추진의 기본적인 시연은 알렉산드리아의 헤론이 1세기 이집트에서 기술한 장치인 에올리필로 거슬러 올라간다.
라이트 형제가 1903년에 최초로 비행에 성공한 때부터 제2차 세계 대전 무렵까지, 비행기 추진 장치의 주류는 레시프로 엔진과 프로펠러의 조합이었다. 비행기의 군사적 가치가 높아짐에 따라 더욱 고속으로 상승 성능도 뛰어난 항공기가 요구되었지만, 레시프로 엔진의 구조적 제약으로 인한 출력의 한계와 프로펠러 추진의 공기역학적 한계로 인해 항공기 성능 향상에 어려움이 있었다. 그러한 흐름 속에서 새로운 항공기용 추진 기관이 검토되기 시작하여 1930년대에는 영국과 나치 독일을 중심으로 본격적인 연구 개발이 시작되었다.
20세기에 들어서면서 항공기의 동력 기관으로 피스톤 엔진과 프로펠러에 의한 추진이 한계를 보이면서 제트 엔진의 개발이 두드러지게 된다. 초기에는 외부 동력으로 공기를 압축하고 연료와 혼합하여 연소시키는 방식의 엔진이 개발되었으나, 이탈리아의 카프로니 캄피니 N.1과 일본의 Tsu-11은 실패했다.
제트 엔진이 실제적으로 사용할 수 있게 된 것은 압축기를 엔진 자체의 동력으로 구동하면서이다. 영국의 프랭크 휘틀과 독일의 한스 폰 오하인은 각각 터보제트 엔진을 개발했다. 1939년 8월 27일, 오하인의 HeS 3 엔진을 탑재한 He178이 세계 최초로 제트 엔진 비행에 성공했다. 얼마 뒤 연합군도 제트 전투기를 실전 배치하게 된다.
항공용 엔진에는 정기 점검이 의무화되어 있지만, 복잡한 형상의 부품이 서로 얽혀 있기 때문에 내부 검사에는 내시경이 필요하며, 보수에도 숙련공이 수작업으로 하는 등 많은 수고가 든다.[65]
2. 1. 초기 역사
제트 엔진의 역사는 기원전 1세기 아에올리스의 공이라 불리는 이알러파일(aeolipile)로 거슬러 올라간다. 증기력을 이용한 이 기관은 자료가 극히 미미하며 오늘날의 제트 추진과는 거리가 멀다.[2] 현대적인 제트 추진의 구체적인 시작은 로켓에서 찾을 수 있으며, 연료를 빠르게 연소시켜 추력을 얻는 방식으로 발전했다. 중국에서 불꽃놀이에 사용되었고, 이후 무기로 발전하였다. 오스만 제국의 라가리 하산 첼레비는 1633년 로켓을 이용한 비행에 성공했다고 알려져 있다.2. 2. 20세기 제트 엔진 개발
20세기에 들어서면서 항공기의 동력 기관으로 피스톤 엔진과 프로펠러 추진 방식은 한계를 보이기 시작했다. 이에 따라 제트 엔진 개발이 본격화되었다. 1791년 영국인 존 바버(John Barber)가 가스터빈의 기본적인 개념을 제시했으나 실용화되지는 못했다.1903년 노르웨이 공학자 Ægidius Elling이 자체 동력으로 작동하는 가스터빈을 실현했지만, 안정성과 지속적인 구동 문제로 성공하지 못했다.[4] 1921년 막심 쥘리옴이 가스터빈을 사용하는 항공기 추진에 대한 특허를 출원하였지만, 압축기의 기술적 문제로 실현되지 못했다.[5][6] 1926년 앨런 아놀드 그리피스가 "터빈 설계의 공기역학 이론"을 발표하여 RAE의 실험 작업으로 이어졌다.
2. 3. 터보제트 엔진의 등장
1930년 프랭크 휘틀이 터보제트 엔진 특허를 출원했다. 1937년에는 세계 최초의 제트 엔진인 파워 제트 WU (Power jets WU)를 완성했다.[66] 비슷한 시기에 독일의 한스 폰 오하인 또한 항공기용 가스 터빈 엔진 개발을 시작하여, 에른스트 하인켈사와 협력하여 1937년 HeS-1 엔진 개발에 성공하였다.[66] HeS-1은 수소를 연료로 사용하였지만, 이후 개발을 통해 휘발유를 연료로 하는 5kN 출력의 HeS-3을 개발, He178에 탑재하여 1939년 8월 27일 세계 최초로 제트 엔진에 의한 비행에 성공한다.[13]초기 터보제트 엔진은 압축기 문제로 효율이 좋지 못했다. 오스트리아의 융커스 엔진 부서(Junkers' engine division, 혹은 Jumo)가 축류 압축기를 개발하여 이 문제를 해결했다. 이 엔진은 Jumo004로 명명되었으며, 1944년 세계 최초의 제트 전투기인 Me 262에 탑재된다.[66]
1935년에는 스페인의 비르힐리오 레렛 루이스가 제트 엔진 설계 특허를 받았다.[10] 1936년 스페인 내전 발발로 레렛은 처형되고, 그의 설계는 영국 대사관에 비밀리에 전달되었다.[10][11]
2. 4. 2차 세계대전 이후 제트 엔진 발전
제2차 세계 대전 이후, 독일의 제트기와 제트 엔진은 승리한 연합군에 의해 면밀히 연구되었고, 이는 초기 소련과 미국의 제트 전투기 개발에 기여했다.[16] 사실상 모든 고정익 항공기의 제트 엔진이 축류 엔진 설계를 따르고 있다.1950년대에는 화물기, 연락기 등을 제외한 전투기에서 제트 엔진이 보편화되었다. 이 시점에서 일부 영국 설계는 이미 민간 용도로 승인되었으며, 드 하빌랜드 코멧과 에이브로 캐나다 제트라이너와 같은 초기 모델에 등장했다. 1960년대에는 모든 대형 민간 항공기가 제트 동력으로 운행되어 피스톤 엔진은 화물 수송과 같은 저비용 틈새시장에만 남게 되었다.
터보제트 엔진의 효율은 여전히 피스톤 엔진보다 훨씬 나빴지만, 1970년대에 고바이패스 터보팬 엔진의 등장으로 연료 효율이 최고 수준의 피스톤 및 프로펠러 엔진과 거의 같아졌다.[19]
2. 5. 일본의 제트 엔진 개발
제2차 세계 대전 중 일본은 Tsu-11 엔진을 개발하려 했으나 실용화에 실패했다. Tsu-11은 가미카제 비행기에 사용될 계획이었다. 전후, 독일의 BMW 003을 참고로 축류 압축식 터보제트인 네20을 완성, 시제 제트 공격기 귤화의 비행을 성공시켰지만 실전에는 참가하지 못했다.[67]3. 엔진의 종류
제트 엔진은 제트 항공기, 순항 미사일, 무인 항공기의 동력원으로 사용된다. 로켓 엔진 형태로는 모형 로켓, 우주 비행, 군사용 미사일의 추진력을 제공한다.
제트 엔진 설계는 산업용 가스터빈 또는 선박용 동력장치와 같이 비항공 분야에 적용하기 위해 자주 수정된다. 이들은 발전, 물, 천연가스 또는 석유 펌프의 동력원, 그리고 선박과 기관차의 추진력 제공에 사용된다.
제트 엔진은 헬리콥터와 일부 프로펠러 항공기를 구동하는 데 사용되는 터보샤프트 및 터보프롭 엔진으로 개발되거나, 엔진 코어와 같은 특정 부품을 공유하기도 한다.
| 종류 | 특징 | 장점 | 단점 | 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 원심식 터보제트 | 초기 항공기에 사용. 공기를 원심식 블레이드로 밀어내 압축. | 설계가 쉽다. | 효율, 성능 향상 기술 부족. 항력 증가로 고속 비행에 불리. | 초창기 전투기, 미사일, RC 항공기 등. |
| 축류식 터보제트 | 나치 독일 최초 개발. 축류식 블레이드로 공기 압축. | 설계가 쉽고 효율, 성능 향상 가능. 항력 적어 고속 비행에 유리. | 연비 낮고 매연 발생량 많음. | 나치 독일 후기 군용기, 냉전기 항공기, 일부 미사일, 소수 RC 항공기 등. |
| 터보팬 | 축류식 터보제트를 코어로, 전방에 큰 터빈 장착. 저압 터빈으로 추진력 일부 생성. | 소음 적고 아음속 효율적. 매연 적고 고속 효율성. 애프터버너 장착 용이, 역추진으로 단거리 이착륙 가능. | 설계 복잡, 엔진 크고 무거움. FOD 및 동결 손상 취약. | 여객기, 화물기, 전투기, 폭격기, 대잠초계기, 군용 수송기 등 현대 제트 항공기. |
| 터보프롭 | 터보팬 기반, 앞쪽 축에 기어박스, 프로펠러 연결. 가스터빈 엔진으로 프로펠러 구동. | 저속 효율 매우 높음(시속 500 - 700km). 엔진 자체 추진력. | 속도 한계, 소음, 복잡한 구동계. | STOL 성능 필요한 항공기, 중량 가벼운 화물 운송, 지형 구애받지 않는 이착륙, 경비행기. |
| 원심식 터보샤프트 | 터보제트 기반, 뒤쪽 측면 샤프트로 기어박스 연결. 축 회전속도 감속, 로터/동륜 구동. | 저속 효율 높음. 엔진 자체 추진력 없어 호버링 유리. | 터보프롭보다 속도 한계 낮고 효율 떨어짐. | 서방 헬리콥터, 고정익 수송기, 동서방 가스터빈 전차, 선박. |
| 축류식 터보샤프트 | 원심 블레이드 없어 항력 발생량 적음. 고속성, 효율 우위. | 공기 압축 능력 떨어져 고고도 활동 어려움. | 동구권 헬리콥터, 고정익 수송기(안토노프 An-140), 동서방 선박 추진 기관. | |
| 프롭팬 | 터보프롭이 하나 이상 프로펠러 구동. 덕트 없는 터보팬 유사. | 연료 효율 매우 높음. 1980년대 고유가 유행. | 터보팬보다 복잡, 소음 많아 개발 한계. | 일부 고정익 항공기. |
| 램제트 | 공기 압축기 없이 기압 이용. | 초음속 안정적 작동, 가벼움. | 일정 속도 도달해야 작동. 저속 시동/작동 불안정. | 유도 미사일 |
| 터보램제트 | 터보제트 뒤쪽 애프터버너에 램제트 기능. | 초음속, 저속 안정적. | 엔진 크고 무거움. 속도 따라 기능 전환 필요. 연비 낮고 기체 과열. | SR-71 등 고고도 초음속 정찰기 전용. |
| 스크램제트 엔진 | 램제트보다 더 고속 영역에서 작동. 흡입된 기류가 초음속 유동 유지. | 램제트보다 고속 작동. | 작동 시간 수십 초 한계. | NASA X-43. |
| 외부동력압축제트 엔진(모터제트) | 압축기 외부 동력(왕복 엔진) 구동, 터빈 없음. | 가스터빈 엔진 실현 어려웠던 시기 고안. | 연소 가스 추력 작음. | 코안다 1910, 카프로니 캄피니 N.1, 벚꽃 22형, MiG-13, Su-5. |
| 펄스제트 엔진 | 흡입구 셔터 고속 개폐. 연소, 배기/흡기 간헐적. | 구조 단순, 제조 비용 저렴. | 진동, 소음 크고 연비 나쁨. | V1 비행 폭탄. |
3. 1. 터보제트 엔진
터보제트 엔진은 흡입구와 압축기(축류식, 원심식 또는 둘 다)를 사용하여 공기를 압축하고, 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소실에서 연소한 다음, 고온 고압의 공기를 터빈과 추진 노즐을 통과시켜 작동하는 가스 터빈 엔진이다. 터빈은 통과하는 팽창 가스에서 에너지를 추출하여 압축기를 구동한다. 엔진은 연료의 내부 에너지를 엔진을 통과하는 가스의 운동량 증가로 변환하여 추력을 생성한다. 터보팬 엔진과 달리 압축기를 통과하는 모든 공기는 연소실과 터빈을 통과한다.[20]
터보제트 엔진은 가스 터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용할 때를 말하며, 제트 엔진의 가장 기본적인 형태이다. 프로펠러 추진 방식과 비교하면 상대적으로 적은 공기를 흡입하여 고속으로 분출하여 추력을 얻는다. 따라서 비행체가 고속으로 비행하거나 높은 고도(공기가 희박한 곳)에서 효율이 좋다.
터빈의 회전력으로 압축기를 구동하여 공기를 압축하고, 연소로 얻어지는 배기류만으로 추력을 얻는 순수한 제트 추진 방식 엔진이다. 프랭크 휘틀(Frank Whittle)과 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)이 제작한 초기 제트 엔진도 이 유형이며, 제2차 세계 대전 전후 연구·개발이 급격히 발전하여 빠르게 보급되었다. 그러나 배기류 속도가 엔진 탑재기의 속도보다 훨씬 커 효율이 나쁘고, 터보팬 엔진이 개발되면서 그 자리를 내주게 되었다.
1939년 He 178에 처음 탑재된 이후, 제2차 세계 대전 중 독일에서 실용화되었다. 초기에는 내구성이 낮고, 저추력·고연비에 안전성 문제도 있었지만, 한국 전쟁이 시작되는 1950년경에는 완성 단계에 도달했다. 1952년에는 영국에서 세계 최초의 제트 여객기 코멧 1이 운항을 시작했다. 이후 애프터버너를 사용하는 등 개량이 계속되어 전투기와 일부 여객기(콩코드[73], Tu-144)의 초음속 비행을 가능하게 했다. 그러나 소음[74]과 배연(초기 제트 여객기는 검은 연기를 배출했다), 연비[74] 문제로 터보프롭과 터보팬이 실용화되면서 점차 교체되었다. 베트남 전쟁에서 터보제트 전투기 F-4와 MiG-21가 활약했지만, 이후에는 전투기에도 저 바이패스비 터보팬이 일반화되어 현재는 순수 터보제트의 수요는 거의 없다.
3. 1. 1. 원심식 터보제트
초기 항공기에 사용되었던 엔진으로, 내부로 들어오는 공기를 원심식 블레이드를 통해 바깥으로 밀어내어 압축하는 형태를 가진다. 설계가 쉽다는 장점이 있지만, 효율과 성능을 향상시키는 데에는 한계가 있다. 엔진 내부에 항력 발생량을 증가시키는 원심식 압축 터빈이 존재하고, 엔진 출력을 높이려면 엔진 직경이 매우 커져야 하는데, 이는 항력 발생량을 지나치게 증가시켜 고속 비행에 불리하게 작용한다. 이러한 특성 때문에 초창기 전투기, 미사일, RC 항공기 등에 주로 사용되었다.[69]
3. 1. 2. 축류식 터보제트
축류식 터보제트는 나치 독일에 의해 최초로 개발된 엔진으로, 여러 단의 축류식 블레이드만으로 공기를 압축한다.[20] 설계가 쉽고, 효율과 성능을 향상시키기 위해 엔진 내부 터빈 수를 늘리고 직경은 조금씩만 키우는 방식으로 제작되었다. 엔진의 길이가 길고 직경이 작은, 세장비가 긴 형태로 만들어져 항력이 적고 고속 비행에 유리하여 터보팬이 보급될 때까지 한동안 주력 엔진으로 사용되었다.[20]
효율과 성능을 향상시킬 수는 있으나, 그 수준이 높지 않아 연비가 떨어지고 매연 발생량이 많아 환경 오염을 유발할 수 있다.[20] 나치 독일 후기의 군용기, 냉전 시대 동서 양측의 항공기, 일부 미사일, 소수의 RC 항공기 등에 사용되었다.[20]
3. 2. 터보팬 엔진
터보팬 엔진은 터보제트 엔진의 흡입구 근처, 압축기 전방에 팬을 추가한 형태이다. 팬의 외주부를 통과하는 공기는 압축기 이후로 가지 않고 코어 엔진 바깥쪽으로 바이패스된다. 이 팬은 프로펠러와 비슷한 역할을 하여, 대부분의 공기를 비행 속도와 비슷하게 배출하여 효율적인 추력을 얻는다. 팬 후류의 일부는 스테이터나 팬덕트에 의해 제트 추진력을 얻는다. 팬을 구동하는 축은 코어 엔진과는 별도의 동축 엔진으로, 보통 2축식 가스터빈 엔진의 후방 저압 터빈에 의해 팬과 저압 컴프레서를 구동한다. 영국의 롤스로이스사(Rolls-Royce) 제 고바이패스 터보팬 엔진은 3축째가 팬 구동 전용의 프리 터빈이다. 팬에는 프로펠러와 같은 피치를 변경하는 기구가 없고, 감속기를 거치지 않아 프로펠러보다 회전 속도가 크다. 터보제트에 비해 총 배기 유속을 낮게 억제할 수 있어, 아음속의 수송기에 이용된다. 바이패스 공기량이 적은 터보팬은 터보제트의 성격에 가까워, 초음속 제트 전투기의 엔진으로 주류가 되고 있다.
터보팬은 터보제트에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
- 전체 유량이 증가하여 추력이 커진다.
- 연소에 사용하지 않는 공기를 저속으로 배출하여 추진 효율이 좋아지고 연비가 향상된다.
- 바이패스 공기 흐름이 연소 가스를 덮어 소음이 억제된다.
- 배기에 포함되는 산소의 비율이 커져, 애프터버너 사용시의 출력 증대 효과가 높다(이는 애프터버너 사용시 연비 악화가 더욱 심한 것을 의미한다).
엔진 앞쪽의 팬만 통과하고, 엔진 본체의 압축기에는 들어가지 않는 공기량 ''Waf''을 엔진 본체의 압축기에 들어가는 공기량 ''Wap''으로 나눈 값 ''Waf''/''Wap''을 '''바이패스비''' (By-Pass Ratio, '''BPR''')라고 한다. 예를 들어 바이패스비가 5인 엔진은, 팬만 통과하는 공기량이 압축기에서 연소실로 흐르는 공기량의 5배이다. 이 값은 지상 정지 상태에서 정의되며, 실제로는 비행 마하수에 따라 변한다. 바이패스비가 높을수록 연비가 좋고, 아음속 비행에 적합하다.
일반적으로 바이패스비가 1 전후인 것을 '''저바이패스비''', 4 이상인 것을 '''고바이패스비'''[69]라고 한다. 초기에는 바이패스비가 작은 것밖에 만들 수 없었지만, 현재는 바이패스비 9에 가까운 엔진이 가동하고 있으며, 보잉 787과 같은 신형 여객기용으로 바이패스비 10을 넘는 것의 개발도 진행되고 있다. 전투기용은 바이패스비가 작고, 1을 밑도는 것도 있다.
; 코어 분리형 초고 바이패스비 터보팬
: 터보팬의 파생형으로, JAXA에서 구상하고 있는 '''코어 분리형 초고 바이패스비 터보팬 엔진'''이 있다. 팬과 가스터빈 부분(코어 엔진)을 분리하고, 가스터빈 측에서 압축한 공기를 팬에 바이패스하여 구동하는 방식이다. 10을 넘는 고바이패스비를 실현하고, 팬의 컨트롤과 레이아웃의 자유도를 높여 복수의 리프트 팬 및 추진 팬을 설치, 스위칭하여 대형 VTOL기를 제작할 수 있다고 한다[75].
; 채용 사례
: 현재 제트 여객기 대부분이 고바이패스비 터보팬을 채용하고 있지만, 저바이패스비 터보팬을 탑재한 여객기도 최근까지 제조되었다. 초음속 비행을 하는 전투기는 바이패스비가 낮은, 고속에 적합한 것이 채용된다. F-22가 장비하는 F119는 바이패스비가 약 0.2로 매우 작다. 이는 애프터버너 없이 초음속 순항을 가능하게 하기 위한 것이다.
3. 2. 1. 기어드 터보팬 엔진
1. 큰 팬 2. 유성 기어
저압 압축기의 회전을 유성 기어를 이용하여 감속시켜 대형 팬의 회전 속도를 최적화한 터보팬 엔진이다. 기존의 감속 기어를 갖추지 않은 터보팬 엔진에서는 작은 압축기의 터빈과 큰 팬을 같은 회전축으로 구동하기 때문에 회전 속도는 동기화된다. 따라서 바이패스비가 확대되고 팬의 직경이 커짐에 따라 터빈의 고회전 속도는 팬의 효율적인 출력을 생성하는 회전 속도보다 높아져 팬 효율 저하가 나타나게 된다. 감속 기어를 갖춘 기어드 터보팬 엔진 (Geared turbo-fan engine영어, '''GTF''')에서는 각 회전축을 최적의 비율로 회전시켜 팬의 회전 속도를 억제함으로써, 큰 팬을 사용하는 고바이패스 엔진에서도 효율을 최적화할 수 있다.
; 채용 사례
: 미쓰비시 스페이스제트, 에어버스 A320neo, 봄바디어 C 시리즈, 이르쿠트 MS-21, 엠브라에르 E-Jet E2에 채용되었다.
3. 3. 터보프롭 엔진
터보프롭 엔진은 터보팬 엔진을 기반으로, 앞쪽 축에 기어박스를 연결하고 그 기어박스에 팬 대신 프로펠러를 연결하여 구동하는 방식이다. 가스터빈을 갖추고 있지만, 그 출력의 약 90%를 프로펠러 구동에 사용한다. 터빈에서 얻어지는 출력의 일부는 압축기 구동에 사용되지만, 나머지는 감속기를 거쳐 프로펠러를 회전시킨다. 이 프로펠러에 의한 추력이 대부분을 차지하며, 제트 배기로 인한 추력도 약 10% 정도 있다.[1] 즉, 제트 추진이라기보다는 등속 가변 피치 프로펠러용 동력원이며, 특징도 그것에 준한다.
터보프롭 엔진은 다음과 같은 특징을 가진다.
- 아음속 영역에서는 터보팬 엔진보다 연료 효율이 뛰어나며, 마하 0.6 정도까지의 속도 영역에서의 비행에 적합하다.
- 터보팬보다 추력이 작다.
- 터보팬에 비해 고속 및 고고도 비행에는 적합하지 않다.
- 프로펠러는 팬에 비해 저속 회전이기 때문에 터보팬보다 고주파의 소음을 내지 않는다.
프로펠러는 직경이 클수록 효율이 좋지만, 프로펠러는 음속에 가까워지면 효율이 악화되고, 직경이 큰 프로펠러는 외주 부분부터 음속에 도달한다. 따라서 고속 영역에서는 터보팬 쪽이 더 효율이 좋다.
순항 속도에서는 터보팬기에 뒤지지만 단거리에서의 연비가 좋고 짧은 활주로에서도 이착륙이 가능하다는 점을 살려, 소규모 항공사의 지역 공항에서 허브 공항으로의 운항 등, 수익성은 나쁘지만 일정한 이용자가 존재하는 중·근거리 노선용 중·소형 여객기(미니 에어라이너)에 채용되고 있다.
군용기로는 터보프롭을 장착한 C-130 수송기와 P-3C가 세계 각국의 군에서 사용되고 있다.[1] C-130은 터보팬보다 배기 온도(EGT; Exhaust gas temperature영어)가 훨씬 낮다는 점을 이용하여 적외선 추적식 지대공 미사일의 탐지로부터 피하기 위한 목적도 있다. P-3C는 대잠초계를 위해 엔진 정지 포함 로이터 비행에 의한 저속 장시간 비행, 목표 해역 상공으로의 이동에 필요한 속도, 제트기와 연료를 공용할 수 있다는 점이 평가되고 있다.
독특한 터보프롭기로는 구 소련이 개발한 Tu-95 폭격기를 들 수 있다. 이중 반전 프로펠러를 채용하여 최고 속도는 900km/h대에 달하며, “세계 최고속 프로펠러기”로 알려져 있었다.[1]
현재는 터보팬에서도 터보프롭에 필적하는 연비를 달성할 수 있기 때문에, 미니 에어라이너는 리저널 제트로 대체되고 있으며, 군용기 시장도 P-8이나 P-1 등 터보팬기가 후계기로 선택되고 있다.[1]
3. 4. 터보샤프트 엔진
터보샤프트 엔진은 압축기 구동용 터빈과 별도로 출력 전용 터빈(프리터빈)을 갖춘 순수 가스터빈 엔진이다. 프리터빈으로부터 얻어진 출력은 샤프트와 감속기를 거쳐 구동력이 된다. 헬리콥터, 프로펠러기, 선박, 전차, 코제네레이션용 발전기 등에 이용된다.
회전익 항공기 엔진으로 사용될 때도 제트 추진을 사용하지 않으므로 제트 엔진으로 부르지 않는다. (벨 사가 206 시리즈 시대에 “제트 헬리”라는 상표를 사용해 “제트 엔진”이라는 오해가 퍼졌지만, 이는 벨 사 헬리콥터의 상표일 뿐, 엔진은 “제트 엔진”이 아니다.)
터보프롭과 구조는 거의 같지만, 프리터빈이기에 회전수와 출력 조정 폭이 넓고(터보프롭은 등속 프로펠러 전제), 엔진 시동 시 스타터 부하가 적다는 장점이 있다. 터보샤프트 엔진은 가장 범용적인 가스터빈 엔진이며, 항공기 외 동력원에서는 단순히 가스터빈 엔진으로 표기되는 경우가 많다.
헬리콥터 로터 동력으로 널리 사용되는 이유는 다발 엔진에서도 파워트레인을 공유하여 엔진 단발 정지 시 다른 엔진을 끌고 가지 않기 때문이다. 프리터빈 미사용 시 생존 엔진이 정지 엔진의 컴프레서까지 구동해 함께 엔진 스톨될 수 있다. 프리터빈 사용 시 생존 엔진은 부담 증가에 끈기 있게 견디며, 정지 엔진도 과도한 부담을 주지 않는다. 조종사는 시간 여유를 갖고 정지 엔진을 파워트레인에서 분리 가능하다.
최근 틸트로터(V-22 등)에도 채용되었고, 미국 육군 전차 M1 에이브람스, 일본 해상자위대 콩고급 호위함, 수중익선 1호형 미사일정, LCAC 등도 터보샤프트를 구동력으로 사용한다.
3. 4. 1. 원심식 터보샤프트
(제트 엔진의 하위 항목인 원심식 터보샤프트에 대한 내용은 주어진 원본 소스에 존재하지 않으므로, 관련 내용을 작성할 수 없습니다.)3. 4. 2. 축류식 터보샤프트
축류식 터보샤프트 엔진에서 출력축은 압축기 구동용 터빈 뒤쪽에 프리 터빈(Free Turbine)이라고 불리는 전용 터빈을 추가하여 직결하거나 감속기를 통해 연결하는 것이 일반적이다.[71]3. 5. 프롭팬 엔진
터보프롭 엔진이 하나 이상의 프로펠러를 구동하는, 마치 덕트를 뺀 터보팬과 유사한 형식이다. 연료 효율이 매우 높아 1980년대 고유가로 유행했었다. 그러나 터보팬보다 복잡하고 소음이 많아 개발에 한계가 있다. 일부 고정익 항공기에 사용된다.3. 6. 램제트 엔진
램제트 엔진은 회전익을 사용하지 않아 가스터빈 엔진은 아니지만, 제트 엔진의 한 종류이다. 기계적인 압축기를 사용하지 않고, 흡입구 전면에 발생하는 램(ram) 압력으로 압축된 공기에 연료를 분사하여 연소시켜 추력을 얻는다.[76] 흡입구에는 앞뒤로 움직이는 스파이크가 돌출되어 있으며, 이 스파이크 선단에서 발생시킨 충격파면을 엔진 나셀에 닿도록 제어한다. 충격파면 뒤에서는 아음속 기류가 발생하고, 높은 동압이 정압으로 변환되어, 거의 등엔트로피 압축이 이루어진다.
램제트 엔진은 마하 3~5 정도의 극초음속 비행에 적합하지만, 고속 기류 충돌을 전제로 하기 때문에 기체 속도가 설계 속도보다 낮으면 효율이 크게 떨어져 충분한 추력을 낼 수 없다. 정지 상태에서는 작동하지 않기 때문에, 설계 속도 영역까지 도달하기 위한 별도의 추진계(로켓, 터보제트 등)가 필요하다.
; 채용 사례
- 프랑스의 René Leduc|르네 르뒤크영어는 1930년대부터 독자적인 램제트 추진기를 구상하여, 1949년 세계 최초의 램제트기 르뒤크 010을 초비행시켰다. 이후 램제트 전투기로 개량되었으나, 1958년 개발이 종료되었다.
- 1950년 미국에서는 YH-32 호넷이라는 램제트 추진 헬리콥터가 시제작되었다. 로터 끝에 램제트를 설치하여 회전시키는 방식으로, 테일 로터가 불필요하다는 장점이 있었지만, 항속거리와 은밀성 문제로 실용성이 낮아 도입되지 않았다. 카야바 제작소에서도 비슷한 헬리콥터를 시제작했다.
- 유도 미사일에 채용된 사례가 많다. 대부분 고체 로켓 부스터로 가속된 후 램제트가 작동한다. 다단식 외에 부스터 구조물을 램제트용으로 이용하는 인테그랄 로켓 램제트 (IRR)도 있다. 미국의 보마크, 영국의 시다트, 프랑스의 ASMP, 구소련의 2K11 크루그, 2K12 쿠브, P-270 모스키토, P-800 오닉스, Kh-31 등이 있다.
3. 6. 1. 터보램제트 엔진
터보제트 뒤쪽 애프터버너에 램제트 기능을 넣은 엔진이다. 터보제트와 램제트의 기능을 결합하여, 초음속과 저속 모두에서 안정적으로 작동한다. 하지만, 엔진이 매우 크고 길며 무겁다는 단점이 있다. 또한, 속도 영역에 따라서는 둘 중 하나의 기능을 꺼야 하지만, 가속할 때에는 램제트 엔진이 애프터버너로 사용되어 켜지게 된다. 연비가 좋지 않고, 고속 비행으로 인한 대기 마찰열 등으로 기체가 매우 뜨거워져 유압 계통 유격이 커져 평상시에도 기름이 더 많이 새도록 설계해야 한다.[77]; 채용 사례
현재까지 이 콘셉트를 기반으로 제작된 실용 엔진은 존재하지 않는다.
SR-71과 그 원형기(A-12와 YF-12)에 탑재된 프랫&휘트니 J58 시리즈[77]를 터보램제트 엔진으로 분류하는 경우가 많다. 초음속 비행 시 J58은 흡입구(인렛)의 공기 흡입·압축으로 출력의 80%를 만들어낸다.[78] 그러나 초음속기에서 흡입구에서 추력이 발생하는 경우는 드물지 않다. 또한 J58에서도 흡입구에서 연소하는 것이 아니며, 연소실에 등엔트로피 압축된 공기가 공급되는 것도 아니다. 제조사인 프랫&휘트니는 J58을 터보제트로 분류하고 있다.
MiG-25가 터보램제트기로 언급되기도 하지만, 이는 오류이다. MiG-25는 3000km/h의 고속 비행 시 얻을 수 있는 램압을 고려하여 압축기의 압축비를 낮게 억제한 것일 뿐, 램제트로서 엔진이 작동하는 것은 아니다.
3. 6. 2. 스크램제트 엔진
슈퍼소닉 컴버스천 램제트(supersonic combustion ramjet영어)를 줄여 스크램제트라고 부른다.[79] 기본적으로 램제트와 같은 개념의 엔진이지만, 램제트보다 더 고속 영역에서 작동하는 것을 전제로 하며, 따라서 엔진에 흡입된 기류가 가압된 후에도 초음속 유동이 유지되는 점이 일반적인 램제트와 다르다. 기류가 고속이기 때문에 연소가 느리면 연소가 완료되기 전에 엔진 외부로 배출된다. 따라서 스크램제트 엔진의 경우 신속한 연소를 실현할 필요가 있다. 그러한 연료로는 현재 주로 수소가 사용되며, 현재로서는 작동 시간이 수십 초가 한계이다(하지만 그래도 큰 가속력을 얻을 수 있다). 극초음속 작동을 목표로 하며, 단일 단계 궤도 왕복 우주선(SSTO)을 실현하기 위한 핵심 기술 중 하나로 여겨진다.
; 채용 사례
: 최근 일본을 포함한 주요 선진국에서 스크램제트기를 구상하고 개발하고 있지만, 2007년 현재 확실한 성과를 거둔 것은 NASA가 개발한 X-43이다. X-43은 스크램제트가 작동할 때까지 페가수스 로켓에 의해 가속되는 방식이며, 2004년 11월 16일 마하 9.8(12144km/h)이라는 에어브리딩 엔진 탑재기로서 최고 속도 기록을 세웠다.
3. 7. 외부동력압축제트 엔진 (모터제트)
초기 제트 엔진 시대에 존재했던 형식으로, 압축기를 외부 동력(일반적으로 왕복 엔진)으로 구동하며 터빈이 없는 엔진이다. '''모터제트''' 또는 '''써모제트'''(세컨드 캄피니에 의한 명명)라고 불렸다. 가스터빈 엔진의 실현이 어려웠던 시기에 고안 및 시제작되었지만, 연소 가스로 얻을 수 있는 추력은 매우 작아 왕복 엔진 구동 프로펠러 추진에 미치지 못했기 때문에 계획이나 실험 단계에서 개발이 중단된 경우가 많았다.[72]
; 채용 사례
- 최초의 기체는 1910년에 앙리 코안다가 제작한 코안다 1910이지만, 이것은 제대로 비행하지 못하고 사고로 손실되었다.
코안다 효과가 발견되는 계기가 된 코안다 1910 - 그 후, 혁신 기술로서 제트 엔진이 요구되기 시작하면서 이탈리아에서 1940년에 첫 비행한 카프로니 캄피니 N.1이 등장했다. --
- 제2차 세계 대전 중에도 여러 나라에서 모터제트기가 여러 대 계획되었지만, 실제로 완성된 것은 일본의 벚꽃 22형(ツ11 탑재)과 구소련의 MiG-13 및 Su-5 정도였다.
3. 8. 펄스제트 엔진
흡입구에 설치된 셔터를 고속으로 개폐하여 연소 과정과 배기·흡기가 교차적으로 간헐적으로 이루어지는 방식의 엔진이다.[1] 공기 압축에는 연료 점화로 발생하는 충격파의 일종(폭굉파 또는 데토네이션 펄스)에 의해 발생하는 고압을 이용한다.[1] 연소가 간헐적이므로 연소 가스에 노출되는 부분의 내열성이 연속 연소 가스터빈보다 낮아도 되며, 구조가 매우 단순하여 제조 비용이 저렴하다.[1] 하지만 셔터 개폐와 연료 분사·점화의 타이밍 제어가 개발 초기에는 과제였다.[1] 간헐적인 흡배기에 기인하는 독특한 배기음이 특징이다.[1] 엔진 전체가 U자형을 한 셔터(밸브)가 없는 밸브리스 펄스 제트 엔진도 있다.[1] 어느 쪽이든 진동과 소음이 크고 연비도 나쁘기 때문에 압축기를 갖춘 가스터빈형 제트 엔진의 등장과 함께 개발은 중단되었다.[1]
; 채용 사례
- V1 비행 폭탄: 제2차 세계 대전 당시 나치 독일에서 V1 비행 폭탄(V1 flying bomb)의 추진기로 사용되었다.[1] 일회용 미사일이라는 특성과 구조가 간단하고 저렴하게 만들 수 있다는 이 엔진의 특성, 그리고 터빈-컴프레서형 엔진 개발의 어려움 때문에 중요하게 여겨졌다.[1] 그 이후에는 장점이 희미해지고 단점이 많아 널리 실용화된 예는 거의 없다.[1]
4. 터보 제트 엔진의 구성
제트 엔진은 엔진 종류에 따라 구성 요소가 다르지만, 일반적으로 다음과 같은 공통적인 구성 요소를 갖는다.[80]
- '''공기 유입구'''
- '''압축기'''
- '''연소실'''
- '''터빈'''
- '''샤프트'''
- '''후연기'''
- '''배기구'''
제트 엔진에 사용되는 오일(윤활유)은 주로 엔진 베어링 부분과 액세서리 드라이브 기어 박스 내부의 보조 구동 베어링 부분의 윤활과 냉각에 사용되며, 탑재된 펌프를 사용하여 공급하는 압력 윤활 방식이다. 윤활유 계통은 '''압력유 계통''', '''배유 계통''', '''브리더 계통'''의 3개 계통과 '''지시 계통'''이 있다.
4. 1. 공기 흡입구 (Air Intake)
제트 엔진으로 공기가 유입되는 통로이다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 현상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만, 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의하여야 한다. 또한 초음속으로 인한 충격파에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치한다.[80]4. 2. 압축기 (Compressor)
유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트 엔진은 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이며, 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.[80]4. 3. 연소실 (Combustor or Combustion Chamber)
압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳이다. 이때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻는다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있다.[80]4. 4. 터빈 (Turbine)
연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달한다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운(상대적으로 차가운) 공기로 터빈 날을 식힌다.[80]4. 5. 샤프트 (Shaft)
터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.[80]4. 6. 후연기 (Afterburner)
주로 전투기에서 추가로 추력을 얻기 위해 사용된다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창 가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있으나, 그래도 점화장치가 필요하다. 애프터버너로 가열된 공기가 들어오기 전에 바이패스 기류가 연소가스와 잠시 합쳐졌다가 떨어지는데, 이때 온도가 낮아지는 것도 있고, 스크램블 시엔 저출력 운전(택싱)이나 활주로상에서 공회전을 하다가 갑자기 애프터버너를 작동함과 동시에 최대 출력으로 올리게 되는데, 이로 인해 가스의 온도가 부족할 수도 있기 때문으로 보인다. 또한 불꽃안정기라는 추가 부품도 필수이다. 그리고 여기에 연료를 분사, 점화하면 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 연비가 지나치게 나빠져서 이륙할 때나 목표 지점으로 고속 이동해야 하는 사유가 있을 때(레이더 화면상에 아측 영공 내로 침입한 적기 또는 적 폭격 편대가 포착되어 예상 경로상에 실제 공습 경보가 발령되었을 시), 비무장 상태로 적기와 조우 또는 적 방공망의 미사일 발사 감지로 인해 고속 도주할 때, 또는 같은 이유로 고속 도주하는 적기를 추격해야 하는 중요한 이유가 있을 때( MiG-25, MiG-31같은 서방측 전투기가 속도 부족으로 따라가지 못함에도 영공 밖으로 이탈시켜 방어 목적을 달성하는 것이나 이들이 착륙 접근 중임을 감지하고 격추 및 비행장 보복 폭격을 위해 고속 추격하는 경우 등) 등 고기동을 요구할 때에만 사용된다.4. 7. 배기구 (Exhaust or Nozzle)
연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다.[80]추진 노즐은 고속의 배기 제트류를 생성하며, 내부 에너지와 압력 에너지를 고속의 운동 에너지로 변환한다.[30] 노즐을 통과하는 동안 전체 압력과 온도는 변하지 않지만, 기체의 속도가 빨라짐에 따라 정압 값은 감소한다.
노즐로 유입되는 공기의 속도는 약 마하 0.4로 낮으며, 이는 노즐로 이어지는 덕트의 압력 손실을 최소화하기 위한 전제 조건이다. 노즐로 유입되는 온도는 고고도 순항 시 찬 공기에서 팬 노즐의 경우 해수면 주변 온도만큼 낮을 수 있다. 초음속 후연기(애프터버너) 엔진의 경우 1000 켈빈 배기가스 온도만큼 높을 수 있으며, 후연기(애프터버너) 점화 시에는 2200 K에 달할 수 있다.[31] 노즐로 유입되는 압력은 단일 단계 팬의 경우 노즐 외부 압력의 1.5배에서 마하 3 이상의 속도를 내는 가장 빠른 유인 항공기의 경우 30배까지 다양하다.[32]
수렴-확산 노즐은 기체를 국부적인 음속(마하 1) 조건까지 가속할 수 있다. 고속 비행 속도에 도달하려면 훨씬 더 큰 배기 속도가 필요하므로 고속 항공기에는 수렴-확산 노즐이 필요하다.[33]
엔진 추력은 기체의 정압이 노즐을 빠져나갈 때 주변 압력에 도달하는 경우 가장 높다. 이는 노즐 압력비(npr)에 대해 노즐 출구 면적이 올바른 값일 경우에만 발생한다. npr은 엔진 추력 설정 및 비행 속도에 따라 변하므로 이는 거의 발생하지 않는다. 또한 초음속에서는 외부 항력과의 절충으로 주변 압력에 대한 완전한 내부 팽창을 제공하는 데 필요한 것보다 발산 영역이 작다. Whitford[34]는 F-16을 예로 들었다. 다른 과소팽창 예로는 XB-70과 SR-71이 있다.
노즐 크기는 터빈 노즐의 면적과 함께 압축기의 작동 압력을 결정한다.[35]
5. 작동 원리
모든 제트 엔진은 상대적으로 고속으로 후방으로 유체 제트를 방출하여 추력을 생성하는 반작용 엔진이다. 이 제트를 생성하는 데 필요한 엔진 내부의 힘은 엔진에 강한 추력을 가하여 항공기를 전방으로 밀어준다.
제트 엔진은 엔진에 부착된 탱크(로켓과 같음)에 저장된 추진제뿐만 아니라 덕트 엔진(항공기에서 일반적으로 사용되는 엔진)에서 외부 유체(일반적으로 공기)를 흡입하여 더 높은 속도로 배출하여 제트를 생성한다.[1]
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