터보샤프트

3. 특징

터보샤프트 엔진은 크게 '가스터빈 발생기'와 '동력부' 두 부분으로 구성된다. 가스터빈 발생기는 압축기, 점화 장치와 연료 노즐이 있는 연소실, 그리고 1단 이상의 터빈으로 구성된다. 동력부는 추가적인 터빈 단계, 감속 기어 시스템, 그리고 샤프트 출력으로 구성된다. 가스터빈 발생기는 동력부를 구동하기 위한 고온의 팽창 가스를 생성한다. 설계에 따라 엔진 부속품은 가스터빈 발생기 또는 동력부에 의해 구동될 수 있다.^[1]

대부분 설계에서 가스터빈 발생기와 동력부는 기계적으로 분리되어 각각 조건에 적합한 다른 속도로 회전할 수 있다. 이를 '자유 터빈 터보샤프트'라고 한다. 자유 터빈은 복잡한 다단 변속기와 클러치의 무게와 비용을 절감할 수 있기 때문에 차량에 매우 유용한 설계 기능이 될 수 있다.^[2]

록히드 마틴 F-35B 라이트닝 II의 프랫&휘트니 F135-PW-600 터보팬 엔진은 터보샤프트 원리의 특이한 예시이다. 일반적인 모드에서는 터보팬으로 작동하지만, 롤스로이스 리프트시스템을 구동할 때는 터보샤프트 모드로 전환하여 29,000마력을 샤프트를 통해 전달하고^[3] 일부는 터보팬 모드로 전환하여 주 엔진의 팬과 후방 노즐로 추력을 계속 전달한다.

대형 헬리콥터는 2개 또는 3개의 터보샤프트 엔진을 사용한다. 밀 Mi-26은 각각 11,400마력의 로타레프 D-136 엔진 두 개를 사용하며,^[7] 시코르스키 CH-53E 슈퍼 스탤리온은 각각 4,380마력의 제너럴 일렉트릭 T64 엔진 세 개를 사용한다.^[8]

터보샤프트 엔진의 구조는 연소부와 출력부로 나뉜다. 연소부는 터보제트 엔진과 유사한 구조이며, 압축기, 연소실, 터빈 및 흡배기구 등으로 구성된다. 출력부는 터빈부에 부가되어 있으며, 배기는 프리터빈에 의해 회전축 출력으로 추출된다. 압축기·터빈 축과 연결되지 않은 프리터빈을 사용함으로써 안정된 축출력을 얻을 수 있으며, 클러치나 변속기를 통해 로터 등을 회전시킨다. 또한, 압축기에는 소형의 경우 원심식을, 대형의 경우 축류식을 사용한다.

터보샤프트 엔진은 다음과 같은 특징이 있다.

• 출력 당 중량이 작다.
• 출력 당 체적이 작다.
• 엔진 자체의 진동이 적다.
• 엔진 자체의 오버홀 주기가 길다.
• 엔진 자체의 냉각 장치가 필요 없다(엔진 주변의 환기나 엔진 윤활유 온도를 조절하기 위한 윤활유 냉각기는 필요하다).
• 엔진 자체가 고가이다.
• 엔진의 공기 유량이 많다.
• 흡입구의 결빙 및 엔진에서 배출되는 배기가스에 의한 흡입 공기의 오염이 발생할 수 있다.
• 지상의 먼지·해상의 공기에 포함된 소금 성분이나 이물질의 흡입에 의한 압축기 블레이드의 부식·열화 및 손상이 발생할 수 있다.

4. 역사

최초로 장갑 전투 차량에 사용될 것을 고려된 가스터빈 엔진은 BMW 003 터보제트를 기반으로 한 GT 101로, 1944년 중반 판터 전차에서 시험되었다.^[4]

회전익 항공기용 최초의 터보샤프트 엔진은 조셉 시드로브스키가 이끄는 프랑스의 엔진 회사 투르보메카가 제작했다. 1948년, 투르보메카는 최초의 프랑스산 터빈 엔진인 100shp 782를 제작했다. 782는 원래 보조 동력 장치로 고안되었지만, 곧 항공기 추진에 적용되었고, 1950년대 터보샤프트 구동 헬리콥터의 동력 장치로서 자리를 잡았다. 1950년, 투르보메카는 782를 통해 얻은 경험을 바탕으로 더 큰 280shp 아르투스트를 개발했으며, 이는 에어로스파시알 알루엣 II 및 기타 헬리콥터에 널리 사용되었다.^[5] 1951년 12월 11일에는 카만 K-225 싱크로프터에 보잉 T50 터보샤프트를 실험적으로 장착했는데, 이는 모든 유형의 터보샤프트 동력 헬리콥터 중 최초로 비행한 것이었다.^[6]

1976년 소비에트 육군에 배치된 T-80 전차는 주 엔진으로 가스터빈을 사용한 최초의 전차였다. 1980년 이후 미 육군은 가스터빈 엔진을 장착한 M1 에이브람스 전차를 운용해왔다. 대부분의 전차는 왕복 피스톤 디젤 엔진을 사용한다. 스웨덴의 스트리드스바그넨 103은 주 엔진 성능을 보완하기 위해 고출력 "스프린트" 엔진으로 가스터빈을 사용한 최초의 전차였다. 이러한 모든 전차에 사용되는 터보샤프트 엔진은 교체 또는 보완하는 피스톤 엔진보다 부품 수가 훨씬 적고, 기계적으로 매우 안정적이며, 외부 소음이 감소하고, 휘발유, 경유 및 항공 연료와 같은 거의 모든 연료를 사용할 수 있다. 그러나 터보샤프트 엔진은 대부분의 현대 주력 전차에 사용되는 디젤 엔진보다 연료 소비량이 훨씬 많다.

최초의 실용적인 터보샤프트 엔진은 1947년에 개발된 프랑스의 튀르보메카 아르투스테이다. 터보샤프트 엔진은 그 이전에 헬리콥터에 사용되던 레시프로 엔진에 비해 연비가 나쁘다는 단점이 있었지만, 최근 기술 발전으로 터빈 입구 온도와 압축기 압축비 증가를 통해 열효율이 개선되어 연비는 큰 문제가 되지 않고 있다. 또한 소형·경량으로 안정적인 고출력을 가지며 진동이 적다는 장점이 있다. 튀르보메카 아르투스테를 탑재한 슈드 에스트 SE.3130 알루엣 II는 1955년 초에 비행하였고, 헬기 고도 기록을 수립하는 등 우수한 성능을 발휘하여 터보샤프트 엔진의 유효성을 보여주었다.

참조

_[1] 웹사이트 F-35B - The STOVL Challenges http://www.aviationw[...] 2011-12-09
_[2] 웹사이트 Mi-26 HALO https://fas.org/man/[...] 1999-09-21
_[3] 웹사이트 About the GE T64 http://www.bga-aerow[...] 2012-05-17
_[4] 서적 German Jet Engine and Gas Turbine Development 1930-1945 Airlife Publishing 2002
_[5] 웹사이트 1955: SE3130, alouette helicopter, turbomeca - Eurocopter, an EADS company http://www.eurocopte[...] 2015-12-22
_[6] 웹사이트 Smithsonian National Air and Space Museum - Kaman K-225 http://airandspace.s[...] NASM
_[7] 문서 ガス・ジェネレーター・タービンと呼ばれている
_[8] 웹사이트 何トンもの重さがある機体を空に飛ばす「ヘリコプターのエンジン」はどういう仕組みなのか？ https://gigazine.net[...] GIGAZINE 2018-02-25