F7 (엔진)
1. 개요
F7 엔진은 일본 IHI가 개발한 고 바이패스비 터보팬 엔진으로, 주로 가와사키 P-1 해상초계기에 사용된다. 1998년 개발을 시작하여, XF5-1 엔진을 기반으로 연비 절감 및 저소음을 목표로 설계되었다. XF7-10 PFRT는 2002년부터 2007년까지 진행되었으며, 2004년 P-1 초계기 엔진으로 공식 채택되었다. 2010년 양산형 설계가 완료되었으며, 2013년 연료 분사 밸브 문제로 엔진 정지 문제가 발생했으나, 제어 프로그램 개수를 통해 해결했다. F7 엔진은 이륙 시 약 60kN의 추력을 가지며, 연비 절감과 환경 보호를 위해 설계되었다. 2016년에는 JAXA에 판매하기 위한 민간 전환 계약이 체결되어, 엔진 기술 실증에 활용될 예정이다.
2. 개발
IHI는 1998년, 저 바이패스비 엔진인 XF5-1을 기반으로 고 바이패스비 터보팬 엔진 개발을 시작했다. 첫 번째 프로토타입 XF7-1은 2000년부터 2002년까지 시험을 거쳤고, 비행 시험용 XF7-10의 시험은 2002년에 시작되었다.
XF7-10의 PFRT(예비 비행 평가 시험)는 2002년 2분기에 시작되어 2007년 8월에 완료되었다. PFRT는 군사 규격 MIL-E-5007D와 FADEC 시스템에 대한 표준을 기반으로 진행되었다. 2004년 10월 28일, XF7-10은 P-1 초계기의 엔진으로 공식 채택되었고, 같은 해 11월부터 12월까지 C-1FTB를 이용하여 XF7-10 엔진의 비행 시험이 실시되었다.
2007년 2월, 다이키 정 다목적 항공 공원에서 환경 빙결 시험이 실시되었고, 같은 해 8월 PFRT가 완료되었다. 소방 연구 센터에서 국내 최초의 내화 시험이 실시되어 양호한 결과를 얻었다. 같은 해 9월부터 10월에 걸쳐 미국 공군 아놀드 기술 개발 센터에서 고공 시험이 실시되었으며, 기존 엔진보다 약 10%의 연료 소비 절감을 확인했다. 2010년, 양산형 설계가 완료되어 제조가 시작되었다.
F7 엔진은 P-1 초계기의 엔진으로 개발이 시작되었다. 프랫 & 휘트니의 JT8D-9, GE의 CF34-8E, 롤스로이스의 BR700 정도만이 동급의 엔진으로 존재하여 선택지가 적었기 때문에 국내 개발이 결정되었다.
F7-10의 이륙 추력은 60kN, 바이패스비는 8.2, 연료 소모율은 0.34 kg/h/daN이다. 배기 가스 배출량은 ICAO의 표준을 충족하며, NOx는 54%, CO는 33%, UHC는 0.5%, 매연은 표준이 100%일 때 74%이다. 염분 환경에서 높은 내식성을 위해 강한 합금 재료를 선택했으며, 흡음 패널을 장착했다. 소음 수준은 P-3의 T56보다 5~10dB 낮으며, 측정 결과는 공회전 시 76 dB, 이륙 시 70.6 dB이다. P-1의 F7-10에는 추력 반전 장치가 GE의 카울 개방 시스템과 함께 설치되었다.
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2.1. 문제점 및 해결
2007년 6월 7일, 지상 내구 시험 중 엔진 내부 베어링이 손상되는 문제가 발생했다. 이 문제는 베어링 유지기 형상을 변경하여 해결되었다.
2013년 5월 13일, 고도 약 10,000m에서 약 8,000m로 급강하 후 엔진 출력을 급격히 낮추면서 비행 자세를 회복했을 때, 연소가 불안정해지면서 모든 엔진이 정지하는 문제가 발생했다.
2013년 9월 27일, 이 문제는 양산을 위해 연료 분사 밸브를 두껍게 하는 설계 변경이 원인이었다. 제어 프로그램을 수정하여 연료 유량을 늘리는 방식으로 문제를 해결하고, 10월 23일 비행을 재개했다.
3. 특징
F7-10 엔진은 XF5-1 저바이패스비 엔진을 기반으로 개발된 고바이패스비 터보팬 엔진이다. 1998년부터 개발이 시작되어 2002년에 비행 시험을 시작했다. 이륙 추력은 60kN이며, 바이패스비는 8.2로, 연료 소모율은 0.34 kg/h/daN이다. 높은 바이패스비는 연비 효율을 높이고 소음을 줄이는 데 기여한다.
ICAO의 표준을 충족하는 배기 가스 배출량을 달성했으며, NOx는 표준 대비 54%, CO는 33%, UHC는 0.5%, 매연은 74% 수준이다. 이는 터빈 입구 온도를 1,600℃에서 1,550℃로 낮춘 결과이다.
염해 환경에서의 내식성을 위해 강한 합금 재료(티타늄 합금, 니켈 합금, 알루미늄 합금)를 사용하고, 흡음 패널을 장착하여 소음을 줄였다. 소음 수준은 P-3의 T56보다 5~10dB 낮다.
P-1에 탑재된 F7-10 엔진은 4개의 엔진 중 안쪽 2개에 GE의 카울 개방 시스템을 이용한 추력 반전 장치를 갖추고 있어 이착륙 성능을 향상시켰다.
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3.1. 제원 (F7-10)
| 형식 | 높은 바이패스비 2축 터보팬 엔진 |
|---|---|
| 길이 | 2.7m |
| 직경 | 1.4m (엔진 입 구경) |
| 건조 중량 | 1240kg |
| 압축기 | 팬 1개, 10단 (저압 2단, 고압 8단) 축류 압축기 |
| 연소기 | 아뉴라 형 |
| 터빈 | 2단 저압, 4단 고압 터빈 |
| 엔진 추력 | 60kN |
| 바이패스 비 | 8.2:1 |
| 터빈 입구 온도 | 1550°C |
| 정격 연료 유량 | 0.34kg / hr / daN |
| 추력 중량비 | 4.9:1 |
5. 민간 전환
2016년 12월 14일, 방위 장비청과 IHI는 JAXA에 F7 엔진을 판매하기 위한 민간 전환 계약을 체결하고, 엔진 도입 준비를 시작한다고 발표했다。 JAXA는 이 엔진을 활용하여 요소 기술 연구 성과를 실증할 계획이며, 실제 엔진 내부 모듈을 빈번하게 교체하며 시험할 예정이다. 기술 노하우가 공개되지 않은 해외 엔진은 이러한 시험에 적합하지 않아 F7 엔진이 도입되었다。 이 실증 성과는 방위성에 피드백되어 F7 엔진의 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다。 JAXA는 2019년에 F7 엔진을 도입하고, 저 NOx 린번 연소기 기술을 엔진 시스템으로 실증하여 2023년 이후 엔진 개발에 활용할 예정이다。
6. 운용 기종
가와사키 P-1 해상초계기에 F7-10 엔진이 탑재된다.