F3 (엔진)
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1. 개요
F3 엔진은 이시카와지마-하리마(IHI)가 개발한 소형 터보팬 엔진으로, 가와사키 T-4 훈련기에 사용된다. 1970년대 후반 개발이 시작되어, 1985년 F3-30(또는 F3-IHI-30)이 생산되었으며, 이후 블레이드 진동 문제 해결, 고압 터빈 업그레이드, FADEC(전체 제어 디지털 엔진 제어) 업데이트 등을 거쳤다. F3 엔진은 XF3, F3-IHI-30, F3-IHI-30B, F3-IHI-30C, IHI-17, XF3-400 등의 파생형을 가지며, IHI의 군용기용 엔진 개발의 중요한 부분이다.
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| F3 (엔진) | |
|---|---|
| 엔진 정보 | |
| 형식 | 터보팬 |
| 제작사 | IHI |
| 원산지 | 일본 |
| 최초 가동 | 1981년 |
| 주요 사용처 | 가와사키 T-4 |
| 생산 대수 | 약 550대 |
| 개발 비용 | 불명 |
| 대당 가격 | 불명 |
| 기반 엔진 | 불명 |
| 파생형 | 자체 문서 없음 |
| 일반 정보 | |
| 명칭 | F3 |
 | |
2. 개발
이시카와지마-하리마는 1970년대 후반 가와사키 중공업이 개발 중이던 새로운 제트 훈련기 엔진의 경쟁 기종으로 소형 터보팬 엔진 개발을 시작했다. 개발된 엔진은 XF3로 명명되었으며, 1982년 SNECMA Turbomeca Larzac을 제치고 XT-4 훈련기의 엔진으로 선정되었다. 초기 개발 모델은 2600lbf의 추력을 냈지만, 이후 XT-4에 선정된 모델은 3600lbf의 추력을 냈다.[1]
1985년, F3-30(또는 F3-IHI-30)으로 명명된 생산 엔진이 XT-4 항공기에서 처음 비행했으며, 인증된 엔진의 생산도 같은 해에 시작되었다.[2]
엔진과 항공기 생산 후, 고압 터빈 터빈 블레이드 한두 개가 고장나 항공기가 비상 착륙하는 사고가 여러 번 발생했다.[3] 조사 결과 터빈 부분에서 진동 공명 문제가 발생하여 터빈 블레이드 고장으로 이어진 것으로 밝혀졌다. 블레이드는 진동을 억제하기 위해 강화 및 개조되었고, 엔진과 항공기는 1990년에 다시 운용되었다.[4]
1999년부터 IHI는 운용 중인 엔진의 수명을 연장하기 위해 새로운 고압 터빈으로 업그레이드를 시작했으며, 이 엔진의 변형은 ''F3-IHI-30B''로 알려졌다.[5] 2003년에는 보다 진보된 전체 제어 디지털 엔진 제어(FADEC)로 엔진을 업데이트하여 ''F3-IHI-30C''로 명명했다.[5]
IHI는 XF3 개발 직후, 이론적인 초음속 전투기를 위한 기술 시연기로서 더 강력한 엔진 변형인 XF3-400 개발을 시작했다. XF-3의 고성능 애프터버너 버전으로 설계된 이 엔진은 약 7600lbf의 추력을 낼 수 있었고, 추력 대 중량비가 7:1로 비슷한 크기의 어떤 엔진보다 높았다.[6]
1986년에 XF3-400에 대한 작업이 본격적으로 시작되었고, 1987년에 시연 엔진이 제작 및 테스트되었다. IHI는 이전 몇 년 동안 엔진을 내부적으로 개발 및 테스트한 후 1992년에 공식적으로 엔진 계약을 체결했다.[6]
XF3-400과 표준 F3-30의 주요 차이점은 애프터버너의 포함 여부이다. 애프터버너 추가는 -400의 최대 추력이 -30보다 훨씬 높은 주된 이유이다. 그 외 변화로는 3D 전산 유체 역학 기술을 사용하여 공기역학적으로 최적화된 압축기 및 터빈 블레이드, 그리고 고압 터빈의 개선된 온도 성능이 포함되었다.[6] 1998년 보고서에 따르면 추력 편향도 XF3-400에 통합되고 있었다.[7]
2. 1. 개발 배경
1968년에 J3 엔진에 대한 시험 및 개량이 종료된 후, 일본은 무인기용 소형 제트 엔진 등 소형 제트 엔진 연구 시제품 제작으로 기술 유지를 도모했다. 전투기나 제트 훈련기 등의 엔진도 터보제트 엔진에서 낮은 바이패스비 터보팬 엔진으로 변화해 가는 시대의 흐름에 따라, 1975년부터 "운동성이 요구되는 소형 아음속기용 엔진"의 기초적 기술 자료 확보를 목적으로 XF3-1 터보팬 엔진 연구 시제품 제작이 시작되었다.[9]2. 2. 개발 과정
1975년, 이시카와지마-하리마 중공업은 "재열 팬 엔진 연구 시작"으로 XF3-1 터보팬 엔진의 연구 시제품 제작을 시작했다.[9] 1976년에는 XF3-1 시험이 시작되었고, 1977년에는 "소형기용 터보팬 엔진 연구 시작"으로 XF3-20 시제품 제작이 시작되었다.[9] 1978년에는 XF3-1 시험이 종료되고 XF3-20 시험이 시작되었으며, 1980년에는 "소형 터보팬 엔진 연구 시작"으로 XF3-30 시제품 제작이 시작되고 XF3-20 시험이 종료되었다.[9]1981년에는 XF3-30 시험이 시작되었다.[9] 1982년 11월, 스넥마/튜르보메카 랄자크 B3C3 및 TFE1042-6을 제치고 XT-4 훈련기의 엔진으로 XF3-30이 선정되었다.[9] 같은 해, XF3-30은 비행 전 정격 시험(PFRT) 단계에 돌입하여 C-1FTB 및 아놀드 기술 개발 센터의 고고도 시험 시설에서 시험이 시작되었다.[9]
1984년 7월, XF3-30은 PFRT를 종료하고 인증 시험(QT) 단계에 돌입했다.[9] 1985년 7월 29일, XF3-30을 탑재한 XT-4가 첫 비행을 했다.[9] 1986년 3월 7일, XF3-30은 QT를 종료하고 개발이 완료되었다.[9] 같은 해 7월 12일, 방위청은 F3-30 생산 담당 회사로 이시카와지마 하리마 중공업을 지정했다.[9] 1987년 12월 17일, T-4용 엔진 2대가 방위청에 처음으로 납품되었다.[9]
1990년에는 XF3-400의 연구 시제품 제작이 시작되었고, 1994년에 XF3-400을 사용한 연구가 종료되었다.[9] 1999년 10월에는 F3-30B형이 적용되었고,[9] 2000년 11월 29일에는 생산 기수 500대를 달성했다.[9] 2002년 9월 30일, F3-30 최종 호기가 출하되면서 F3 엔진은 총 559대가 생산되었다.[10]
2. 3. 설계 및 특징
F3는 2축(또는 2 스풀) 저바이패스 터보팬 엔진이다. 저압축기인 2단 팬을 저압축기 샤프트에 장착하고, 고압축기 샤프트에 5단 고압축기를 장착한다. 환형 연소실을 사용하며, 1단 고압 터빈과 1단 저압 터빈에 연료를 공급한다. XF3-400 변형 모델은 저압 터빈 뒤에 애프터버너를 포함하지만, 양산형 F3에는 없다.[6]2단 팬은 와이드 코드 블레이드를 사용하며, 양산형 F3와 개선형 XF3-400 모두 동일한 팬을 사용한다.[2][6] 5단 압축기는 F3와 XF3-400 간에 차이가 있으며, 개선형 XF3-400은 3D 전산 유체 역학(CFD) 개선의 혜택을 받았다.[6]
고압 터빈 블레이드는 단결정 블레이드이며, 블레이드 내부에서 나오는 얇은 공기 막에 의해 냉각된다. 저압 터빈 블레이드는 고압 압축기와 마찬가지로 F3와 XF3-400 사이에서 3D CFD를 사용하여 개선되었다.[6]
F3와 XF3-400 모두 엔진 제어를 위해 전체 제어 디지털 엔진 제어(FADEC)를 사용한다.[6]
3. 파생형
F3 엔진은 여러 파생형을 거쳤다.
- XF3: F3-IHI-30 이전의 초기 개발 명칭이다.
- F3-IHI-30: 가와사키 T-4에 사용된 생산형 엔진이다.
- F3-IHI-30B: 고압 터빈을 업그레이드한 엔진이다.
- F3-IHI-30C: 향상된 FADEC를 장착한 엔진이다.
- IHI-17: 초음속 전투기용 엔진 기술 획득을 위해 F3-30을 기반으로 IHI에서 자체 개발한 엔진이다. 일본 최초의 순수 국산 애프터버너 장착 터보팬 엔진이다.
- XF3-400: 초음속 기술 시연기 엔진으로, 애프터버너를 장착하여 생산형 F3보다 추력이 훨씬 높다.
3. 1. XF3-1
XF3-1은 터보팬 엔진 기초 기술 자료 확보를 목적으로 1기가 제작되었다.[1]| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 팬 | 축류 1단 |
| 압축기 | 축류 5단 |
| 연소기 | 아눌러형 |
| 터빈 입구 온도 | 940°C |
| 바이패스비 | 1.9 |
| 터빈 | 축류 1단 고압 터빈, 축류 1단 저압 터빈 |
| 무게 | 400kg |
| 최대 추력 | 1200kg |
3. 2. XF3-20
XF3-1의 성과를 바탕으로, 더 소형 경량화 및 고출력화를 목표로 1기가 시제 제작되었다.주요 변경점은 다음과 같다.
- 바이패스비를 1.9에서 0.9로 변경
- 팬을 1단에서 2단으로 변경
- 고압 터빈을 공랭화, 이로 인해 터빈 입구 온도를 940°C에서 1050°C로 변경
- 저압 터빈을 1단에서 2단으로 변경
이로 인해 중량은 340kg, 최대 추력은 1,600kg이 되었다.
3. 3. F3-30 (F3-IHI-30)
XF3-20의 성과를 바탕으로, XT-4 탑재용 실용 엔진을 목표로 PFRT 단계에서 9기, QT 단계에서 5기, 총 14기의 XF3-30을 시제했다.[1] 이후 XT-4 엔진으로 정식 선정되어, '''F3-IHI-30'''으로 양산되었다. 1985년 XT-4 항공기에서 처음 비행했고 같은 해 인증된 엔진 생산도 시작되었다.[2] 1999년 10월부터 최신 재료 기술을 도입하여 신뢰성을 향상시킨 '''F3-IHI-30B'''가 되었다.[5]3. 4. F3-IHI-30B
1999년부터 IHI는 운용 중인 엔진의 수명을 연장하기 위해 새로운 고압 터빈으로 업그레이드를 시작했다. 이 엔진의 변형은 F3-IHI-30B로 알려졌다.[5]3. 5. F3-IHI-30C
2003년, IHI는 전체 제어 디지털 엔진 제어 (FADEC)를 향상시킨 F3-IHI-30C 엔진을 개발했다.[5]3. 6. IHI-17
IHI-17은 초음속 전투기용 엔진 기술을 획득하기 위해 F3-30을 기반으로 IHI에서 자체 개발하였다. 일본 최초의 순수 국산 애프터버너 장착 터보팬 엔진이다.[11]3. 7. XF3-400
1990년부터 1994년까지 IHI-17의 성과를 바탕으로 F3-30을 기반으로 연구·시제작된 애프터버너 장착 터보팬 엔진이다.주요 변경점은 다음과 같다.
- 연소기, 터빈 변경으로 터빈 입구 온도를 1,050℃에서 1,400℃로 높였다.
- 애프터버너를 추가했다.
- 저압 터빈을 2단에서 1단으로 변경했다.
이러한 변경으로 드라이 추력은 1670kg에서 2100kg으로, 애프터버너 작동 시 3400kg의 최대 추력을 달성하여 더 높은 추력 대 중량비를 실현했다. 또한, 이 엔진을 위해 시제작된 XVM-10이라고 불리는 2차원 추력 편향 노즐을 장착하여 운전 시험 등이 실시되었다.[13] XF3-400은 기술 축적을 통해 최대 추력에 도달하기까지의 시간과 수고가 XF3-1의 70% 정도였다고 한다.[12] 이 엔진의 기술적 기반은 X-2에 탑재하는 실증 엔진 XF5-1의 개발로 이어졌다.
4. 적용 기종
5. 제원 (F3-IHI-30/30B)
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 길이 | 2020mm |
| 외경 | 560mm |
| 중량 | 340kg |
| 팬 | 축류 2단 팬 |
| 압축기 | 축류 5단 압축기 |
| 연소기 | 아뉼러형 연소기 |
| 터빈 | 축류 1단 공랭 고압 터빈, 축류 2단 저압 터빈 |
| 터빈 입구 온도 | 1050°C |
| 바이패스비 | 0.9 |
| 전체 압력비 | 11 |
| 연료 | JP-4 |
| 추력 | 16.37kN (1670kg) |
| 추력 대 중량비 | 4.9:1 |
| 탑재 기체 | T-4 |
6. 일본 IHI 제조사의 군용기용 엔진
참조
[1]
뉴스
Japanese trainer engine selected
http://www.flightglo[...]
Flight International
2010-02-04
[2]
간행물
T-4 Inlet/Engine Compatibility Flight Test Results
American Institute of Aeronautics and Astronautics
1989
[3]
뉴스
Japan Tackles F3 engine problems
http://www.flightglo[...]
Flight International
2010-02-04
[4]
뉴스
Japan finds fix for T-4 trainer
http://www.flightglo[...]
Flight International
2010-02-04
[5]
웹사이트
IHI F3
http://search.janes.[...]
2010-02-09
[6]
간행물
Research on a High Thrust-to-Weight Ratio Small Turbofan Engine
American Institute of Aeronautics and Astronautics
1995
[7]
뉴스
Japan stalls future fighter demonstrator
http://www.flightglo[...]
Flight International
2010-02-04
[8]
간행물
IHI F3
http://www.aviationw[...]
Aviation Week & Space Technology
2010-02-02
[9]
논문
XF3-1ターボファンエンジンの概要
[10]
웹사이트
日本の航空宇宙工業 ５０年の歩み - 各論；三菱 Ｆ－２ ～ 統計データ
https://www.sjac.or.[...]
日本航空宇宙工業会
2020-08-17
[11]
웹사이트
２００８年国際航空宇宙展 （その１）
https://web.archive.[...]
[12]
블로그
「5.4.3.2.1…加速！」最大推力試験当日に奇跡は起きた - 国産戦闘機用エンジン「XF9-1」開発者インタビュー【後編】
https://blogos.com/a[...]
BLOGOS編集部
2019-04-12
[13]
웹사이트
ジェットエンジンの現在、 そして次世代への挑戦
https://www.mod.go.j[...]
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