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기어드 터보팬

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목차

1. 개요

기어드 터보팬은 팬과 저압 터빈 사이에 유성 감속 기어박스를 설치하여 팬의 회전 속도를 낮추고 저압 터빈의 회전 속도를 높인 터보팬 엔진이다. 이 기술은 바이패스비를 높여 연비를 향상시키고 소음을 줄이는 장점이 있지만, 기어 메커니즘에서의 에너지 손실, 무게 증가, 제조 비용, 신뢰성 문제 등의 단점도 존재한다. 1970년에 최초 개발되었으며, 프랫 앤 휘트니 PW1000G, 롤스로이스 울트라팬 등에 적용되었다.

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기어드 터보팬

2. 기술

기존 터보팬 엔진은 팬, 저압 압축기, 저압 터빈이 모두 같은 축(저압 축)에 연결되어 있어 회전 속도에 제약이 있었다. 특히, 높은 바이패스비를 얻기 위해 팬의 지름을 크게 하면 팬 끝단의 속도가 음속에 가까워져 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 낮은 회전수에도 적절한 압축 효율을 유지하고 팬 및 저압 압축기의 회전에 필요한 에너지를 충분히 얻기 위해서는 압축비를 올리거나 저압 터빈의 단수를 늘려야 하는데, 전자는 고온을 견딜 수 있는 재료가 비싸고 설계와 공정이 더 까다로워지며, 너무 고온이 되면 유해 배기가스가 늘어난다는 문제가 있다. 후자는 늘어난 터빈 단수만큼 엔진 무게가 늘어나 엔진 효율 상승분이 상쇄된다는 문제가 있다.[11]

이러한 문제를 해결하기 위해 기어드 터보팬 엔진은 감속 기어를 통해 팬의 회전 속도를 낮추면서도 저압 터빈과 압축기는 더 높은 속도로 회전할 수 있도록 한다.

2. 1. 작동 원리

일반적으로 터보팬 엔진은 팬의 지름을 크게 할수록, 즉 바이패스비를 크게 할수록 연비를 향상시킬 수 있다. 엔진의 추력은 팬이 밀어내는 공기의 양과 속도에 좌우된다. 이때 바이패스비를 크게 하면 같은 속도에서 더 많은 면적의 공기를 밀어낼 수 있어 추력을 높일 수 있게 되거나 혹은 같은 추력을 얻기 위해 더 적은 연료를 쓸 수 있게 된다.[11]

바이패스비를 올린다는 것은 저압터빈의 지름에 대한 팬의 지름의 상대적인 비율이 늘어나는 것을 의미하는데, 지름을 너무 크게 하거나 회전수를 너무 빠르게 하면 팬 블레이드 끝단의 속도가 음속에 도달하면서 조파항력에 의해 에너지 효율에 큰 손실이 생긴다.[11] 만약 팬의 회전수를 팬 블레이드에 있어 가장 적당한 속도로 회전시키려 하면, 종래의 터보팬 엔진의 경우 팬과 직결된 저압 압축기 및 저압 터빈의 회전수가 함께 떨어지게 된다. 그런데 터빈과 압축기의 회전수가 낮아지면 압축효율이 저하되면서 전체적인 에너지 효율이 함께 떨어지게 된다.

이러한 딜레마를 해결하기 위한 한 방법으로 팬과 저압터빈이 각각 최적화된 회전수를 유지하면서 조파항력에 의한 손실을 줄이기 위해 저압터빈과 팬 사이에 변속기어가 설치되었다. 기어드 터보팬에서는 팬과 LP 축 사이에 유성 감속 기어박스가 있어 후자의 회전 속도를 더 높일 수 있으므로 LP 터빈과 LP 압축기 모두에서 사용되는 단계 수를 줄이고 효율을 높이며 무게를 줄일 수 있다. 그러나 기어 메커니즘에서 열로 일부 에너지가 손실되고 터빈과 압축기 단계에서 절약된 무게는 기어박스의 무게에 의해 부분적으로 상쇄된다. 제조 비용 및 신뢰성 문제도 있다.

낮은 팬 속도는 더 높은 바이패스 비율을 허용하여 연료 소비량을 줄이고 소음을 크게 줄인다. BAe 146은 기어드 터보팬을 장착하고 있으며 여전히 가장 조용한 상용 항공기 중 하나이다.[1] 소음 감소의 상당 부분은 감소된 팬 팁 속도 때문이다. 기존 터보팬의 경우 팬 팁이 음속을 초과하여 특징적인 윙윙거리는 소리가 나므로 방음이 필요하다. 기어드 터보팬은 초음속 팁 속도를 피하기 위해 팬을 충분히 낮은 회전 속도로 작동한다.[2]

만약 팬 블레이드를 최적의 속도로 회전시키려면 저압 압축기와 저압 터빈의 회전수를 낮춰야 한다. 여기서, 유성 기어에 의한 감속 기구를 도입하여 저압 압축기 축과 팬 축 사이의 기어비를 변경하면 팬과 저압 터빈을 모두 최적의 회전수로 운전할 수 있게 된다는 것이 기어드 터보팬 엔진의 기본적인 컨셉트이다.[8] 팬과 저압 압축기를 각각 고효율의 회전수로 운전할 수 있기 때문에 저압 압축기와 저압 터빈의 단수, 나아가 부품 수와 중량을 줄일 수 있다.

또한, 대경 팬을 저속 회전시켜 고바이패스비로 함으로써 연비 향상과 대폭적인 소음 저감을 양립할 수 있다. 실제로 기어드 터보팬 엔진 하니웰 ALF 502을 탑재한 BAe 146은 당시는 물론 현재에도 제트기로서는 세계에서 가장 조용한 민간 항공기 중 하나이며,[9] 런던 도심에 가까운 런던 시티 공항에서 활약하고 있다. 소음 저감 효과의 대부분은 팬의 날개 끝 속도 억제에 의한 것이다. 종래의 터보팬에서는 그 특성상 팬의 날개 끝 속도는 음속을 넘지 않을 정도로만 억제할 수 있었던 데 반해, 기어드 터보팬에서는 저압 압축기의 압축 효율을 높게 유지한 채 팬의 날개 끝 속도를 음속보다 충분히 낮게 억제할 수 있기 때문에 팬 날개 끝의 풍절음이 격감하는 것이다.[10]

2. 2. 장점

기어드 터보팬 엔진은 다음과 같은 장점을 가진다.

  • '''연비 향상:''' 바이패스비를 크게 하여 연료 소비를 줄일 수 있다. 바이패스비가 커지면 같은 속도에서 더 많은 공기를 밀어낼 수 있어 추력이 높아지거나, 같은 추력을 얻기 위해 더 적은 연료를 사용할 수 있다.[11]
  • '''소음 감소:''' 팬의 회전 속도를 낮춰 소음을 크게 줄일 수 있다. 특히 팬 끝단에서 발생하는 조파항력에 의한 소음이 줄어든다.[1] BAe 146은 기어드 터보팬 엔진을 장착하여 매우 조용한 상용 항공기 중 하나로 손꼽힌다.[9] 소음 감소의 대부분은 팬 끝단의 속도가 느려졌기 때문이다. 기존 터보팬에서는 팬 끝단이 음속을 넘어 윙윙거리는 소리가 발생했지만, 기어드 터보팬은 팬의 회전 속도를 충분히 낮게 유지하여 초음속 팁 속도를 피할 수 있다.[2][10]
  • '''경량화:''' 저압 압축기와 저압 터빈의 단수를 줄여 엔진 전체 무게를 감소시킬 수 있다. 다만, 감속 기어의 무게는 추가된다.[8]
  • '''환경 친화적:''' 연비 향상과 소음 감소는 환경 규제 준수에 유리하다.


하지만, 저압 터빈에서 생산된 에너지 일부가 기어 장치에서 열로 손실되고,[13] 감속 기어의 무게, 제조 비용, 신뢰성 문제도 고려해야 한다.

2. 3. 단점

유성 감속 기어박스를 사용하는 기어드 터보팬은 저압터빈과 팬 사이에 변속 기어를 설치하여 각각 최적화된 회전수를 유지하도록 설계되었지만, 몇 가지 단점도 존재한다. 우선, 추가된 기어 장치에서 동력 전달 손실이 발생하여 열이 발생하고, 이로 인해 에너지 일부를 잃게 된다.[13] 또한, 터빈과 압축기 단계에서 절약된 무게가 기어박스의 무게에 의해 부분적으로 상쇄된다.[13]

정밀한 기어 제조 기술이 필요하므로 제조 비용이 높을 수 있으며, 새로운 기술이므로 신뢰성 검증이 더 필요하다.[13] 실제로 초기 모델에서는 생산 수율 저하와 부품 공급원 연계 등의 문제로 인해 출하가 늦어지는 문제가 발생하기도 했다.[13]

3. 역사

일반적으로 터보팬 엔진은 팬 지름을 크게 하거나 바이패스비(by-pass ratio)를 크게 할수록 연비를 향상시킬 수 있다. 그러나 팬 회전수를 변경하지 않고 지름을 지나치게 크게 하면 팬 블레이드 끝단의 속도가 음속에 도달하면서 조파항력에 의해 에너지 효율에 큰 손실이 발생한다.[11] 종래의 터보팬 엔진에서는 팬과 직결된 저압 압축기 및 저압 터빈의 회전수를 일정 수준 이하로 낮추면 압축 효율이 크게 감소하는 문제도 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 팬과 저압터빈 사이에 변속기어를 설치하여 각각 최적화된 회전수를 유지하면서 조파항력에 의한 손실을 줄이는 설계가 고안되었다. 이 설계를 통해 팬과 저압압축기가 각자 필요한 회전수로 회전할 수 있게 되어, 엔진의 저압압축기와 저압터빈의 단수와 부품 수 및 중량도 함께 줄일 수 있다. 또한 팬의 저속 회전으로 인해 기존 터보팬 엔진에 비해 소음을 대폭 줄일 수 있다. 기어드 터보팬 엔진을 탑재한 BAe 146은 당시에는 물론 현재까지도 제트기로서는 세계에서 가장 조용한 민간항공기 중 하나로[12], 런던 도심에 가까운 런던 시티 공항에서 활약하고 있다.

하지만 저압터빈에서 생산된 일부 에너지가 기어장치에서의 전달손실에 의한 발열로 손실되고, 추가된 감속기어의 중량이 터빈과 압축기에서 줄인 중량보다 가벼워야 하며, 기어장치의 제조 비용과 신뢰성에 대한 검증이 필요하다는 점도 지적되고 있다.

최초의 기어드 터보팬 엔진은 1970년에 개발되었다.[3] 하지만 소형 엔진에서 중형 및 대형 엔진으로의 경제적인 확장은 21세기까지 불가능했다.

제너럴 일렉트릭과 사프란은 CFM LEAP 엔진에 기어드 설계를 적용하지 않고 향후 적용을 위해 보류했으며, 이후 프랫 앤 휘트니가 기어드 PW1000G 엔진 개발을 시작했다.[4]

2016년 출시 이후, 프랫 앤드 위트니 PW1000G 계열 기어드 터보팬 엔진의 내구성은 지속적인 문제였지만, 신뢰성 문제는 기어드 설계와는 관련이 없다.[5]

롤스로이스의 최신 대형 터보팬 엔진(추력 25,000lb~110,000lb) 설계인 울트라팬[6]은 64MW(87,000hp)의 새로운 고출력 기어박스(Powergear)를 포함하며, 2021년 시험에서 이러한 최대 출력을 시연했다.[7]

4. 적용 엔진


  • PW1000G[4][5]
  • 롤스로이스 울트라팬[6][7]
  • ALF 502/LF 507

봄바디어 챌린저 600에 탑재된 ALF 502 기어드 터보팬

  • TFE731
  • Turbomeca Astafan|튀르보메카 아스타판영어
  • 아스핀
  • PD-18R (계획 중)
  • PD-30

5. 잠재적 적용


  • 롤스로이스/스넥마 M45SD는 도심 공항에서 운항하는 STOL 항공기에 필요한 초저소음 엔진 기술을 시연하기 위해 설계된 터보팬의 파생형이다.[1]
  • IAE 슈퍼팬은 1987년부터 1992년까지 에어버스 A340에 제안된 IAE V2500의 파생형이다.[2]

참조

[1] 웹사이트 More Efficient Jet Engine Gets in Gear https://www.technolo[...]
[2] 웹사이트 Buzz-Saw Noise & Nonlinear Acoustics - Engineering and the Environment https://www.southamp[...] University of Southampton 2017-10-27
[3] 서적 Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion https://books.google[...] Springer 2016-05-25
[4] 뉴스 GE exec says avoided geared design in jet engine battle with Pratt https://www.reuters.[...] 2014-09-15
[5] 뉴스 Podcast: Explaining Pratt & Whitney's Durability Problem https://aviationweek[...] 2023-05-11
[6] 뉴스 The sustainable solution for decades to come https://www.rolls-ro[...]
[7] 뉴스 Rolls-Royce Ultrafan engine's power gearbox breaks aerospace world record https://www.aerospac[...] 2021-09-01
[8] 뉴스 航空機用ジェットエンジンの新しい潮流「ギヤードターボファン」の30年に及ぶ開発と今後の展望 https://gigazine.net[...] GIGAZINE 2015-10-21
[9] 뉴스 More Efficient Jet Engine Gets in Gear http://www.technolog[...] MIT Technology Review 2010-12-13
[10] 뉴스 In a commercial aircraft bypass turbofan do the rotor blades exceed the speed of sound? http://www.reddit.co[...] reddit
[11] 웹사이트 In a commercial aircraft bypass turbofan do the rotor blades exceed the speed of sound? http://www.reddit.co[...]
[12] 웹사이트 More Efficient Jet Engine Gets in Gear http://www.technolog[...]
[13] 뉴스 Pratt Stumbles in $10 Billion Bid to Dethrone GE in Jet Engines https://www.bloomber[...] Bloomberg


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