내연기관(제트엔진)

목차

1. 제트엔진이란

2. 제트엔진의 기원과 종류

3. 제트엔진의 구성

4. 제트엔진의 성능과 연료

본문내용

터보 팬 엔진의 단면도 >
전방의 덕티드 팬을 거친 공기 중 일부는 외부로, 일부는 내부로 흐르고 있습니다.
< 전형적인 민항기용 고 바이 패스 비 터보팬 엔진 >
덕트 부분은 매우 큰데 반해 실질적인 엔진 부분은 직경이 훨씬 작습니다. 팬의 앞쪽에 나선형 무늬는 새들이 멀리서 보고 저 무늬에 놀라서 도망치도록 하는 역할과 멀리서 봐도 엔진이 회전 중 이므로 접근하면 위험하다는 것을 알려주는 두 가지 역할을 합니다.
이러한 터보팬 엔진은, 크게 고 바이패스 비(High by pass ratio)엔진과 저 바이패스 비(Low by pass ratio) 엔진 두 가지로 나뉩니다. 고 바이 패스 비 엔진은 주로 민항기에 사용되며, 사실상 현용 민항기의 대부분은 이 종류의 엔진을 사용합니다. 또한 군용 수송기 등도 대부분 이 엔진을 사용합니다.
반면 전투기는 저 바이패스 비(Low by pass ratio) 엔진을 사용합니다. 팬이 크면 전투기 내부에 탑재하기도 어려울 뿐더러, 직경이 큰 팬은 음속에 가까워지면 프로펠러와 마찬가지로 큰 항력을 발생시키므로 초음속 비행에 부적합하기 때문입니다. 심지어 외부로 흐르는 공기가 거의 없다고 공기가 샌다(leak)라는 표현을 쓰기도 합니다.
저 바이패스 비 터보 팬 엔진의 또 한 가지 장점은 엔진내부를 거치지 않고 바이패스 된 공기를 애프터버너에 공급할 수 있다는 점입니다. 신선한 산소가 아직 그대로 있는 공기이다 보니 애프터버너의 연소효율을 높혀 줍니다.
④램제트(ram jet)
램제트(ram jet)는 비행속도가 빨라지면 기관에 흘러들어가는 공기는 공기 자체의 관성으로 압축됩니다. 이것을 '램효과'라 하며, 이 효과를 이용한 압축공기를 연소실로 유도하여 연료를 분사합니다. 여기에서 발생한 연소가스를 제트노즐에서 분출시켜, 그 반동력을 추력으로 사용합니다. 이 엔진은 구조가 간단하고 고속일수록 성능이 좋아지기 때문에 음속의 2∼4배인 초음속여객기(SST) 원동기로서 알맞습니다.
⑤펄스제트(pulse jet)
펄스제트(pulse jet)는 공기흡입구 앞 끝에 자동개폐 밸브가 있어 비행속도로 유입되는 공기는 이 밸브를 밀어서 열게 하며, 확산실로 들어가면 속도는 낮아져 압력이 상승하게 됩니다. 이것에 연료를 분사하여 연소시키는데 연소에 의해 다시 압력이 상승하게 되면 자동개폐 밸브가 닫혀 지므로, 연소가스는 제트노즐에서 분출하여 추력이 생깁니다. 연소가스가 분출하게 되면 연소실의 압력이 낮아져 다시 공기가 자동개폐 밸브를 통해서 연소실에 흘러들어갑니다. 이 엔진은 현재 표적기(標的機)와 같은 특수한 목적에만 사용됩니다.
3.제트엔진의 구성
엔진 종류에 따라 상이한 구성 요소들을 갖지만 제트 엔진은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소를 갖습니다.
1) 공기 유입구(Air Intake)
제트 엔진으로 공기가 유입되는 통로입니다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 형상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의하여야 합니다. 또한 초음속으로 인한 충격파에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치합니다.
2) 압축기(Compressor)
유입된 공기를 압축하여 연소실로 보냅니다. 거의 모든 제트 엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식입니다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻습니다.
3) 연소실(Combustor or Combustion Chamber)
압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳입니다. 이 때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻습니다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있습니다.
4) 터빈(Turbine)
연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻습니다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달합니다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운(상대적으로 차가운) 공기로 터빈 날을 식힙니다.
5) 샤프트(Shaft)
터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달합니다.
6) 후연기(Afterburner)
주로 전투기에 추가로 추력을 얻기 위해 사용됩니다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있어 여기에 연료를 분사하면 추가 설비없이 연소시켜 추력을 추가로 얻을 수 있습니다. 하지만 이 방법은 효율이 나빠 이륙할 때나 고기동을 요구할 때에만 사용됩니다.
7) 배기구(Exhaust or Norzle)
연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻습니다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양입다.
4. 제트엔진의 성능과 연료
1)제트엔진의 성능
제트엔진에서 가장 요구되는 것은 신뢰성으로, 그 성능을 평가할 때 중요한 것으로는 다음과 같은 세 가지가 있습니다.
① 엔진의 추력이 중량에 비하여 클 것
② 전면(前面) 면적당 추력이 클 것
③ 연료소비율이 적어야 한다.
이들 세 가지가 동시에 충족되는 것은 어려운 일이지만 사용목적에 따라 비중이 달라집니다.
예를 들면, 전투기에서는 엔진의 추력이 중량에 비하여 클 것과 전면(前面) 면적당 추력이 클 것에, 훈련기에서는 연료소비율이 적어야 한다는 것에, 장거리 여객기나 수송기에서는 연료소비율이 적어야 한다는 것이나 비용이 문제가 됩니다.
또, 제트엔진은 비행조건에 따라 그 성능이 크게 좌우되므로, 그 항공기가 목적하는 고도와 속도에 적응시켜 여러 가지 엔진이 선정됩니다.
2)제트엔진의 연료
항공기용 터보제트나 터보프롭 등에 사용하는 연료는 그 사용 상태에서 옥탄값이나, 디젤 연료만큼의 세탄값도 필요로 하지 않습니다. 등유(kerosene)를 주로 한 로켓식 분사반동추진(jet propulsion:JP) 계통이 사용되며, 표준연료로서는 JP-4가 각국에서 널리 쓰이고 있습니다. 이것은 등유와 가솔린의 혼합물로서 증발에 의한 손실이 적습니다.

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