제트엔진
제트엔진(Jet Engine)은 연소된 고온의 배기가스를 제트(噴流)로 제트노즐에서 분출하여 그 반동력을 추진력으로 사용하는 열기관을 가리킨다.
개요[편집]
제트엔진은 반동(역추진)엔진 중의 한 종류이며 제트 추진(jet propulsion)으로 고속 제트를 생성하는 방식으로 추력(推力)을 얻는다. 광범위한 정의로 로켓, 워터 제트 및 하이브리드 추진(hybrid propulsion) 등을 포함할 수 있지만 대표적으로는 터보제트(turbojet), 터보팬(turbofan), 램제트(ramjet) 또는 펄스 제트(pulse jet)를 포함한 공기흡입 방식의 내연 제트엔진(internal combustion airbreathing jet engine)을 가리킨다. 일반적으로 제트엔진은 내연기관이다.
공기흡입 방식의 제트엔진의 대표적인 특징은 추진노즐을 통해 잔여 동력으로 추력을 제공하는 터빈으로 구동되는 회전식 공기 압축기(rotating air compressor)를 가지고 있다는데 있으며 이 프로세스를 브레이턴 열역학 싸이클(Brayton thermodynamic cycle)이라 한다. 제트항공기는 이런 종류의 엔진을 사용하여 장거리를 이동한다. 초기의 제트항공기는 상대적으로 비효율적인 터보제트 엔진을 사용하여 아음속 비행을 추진하였으나 현대의 절대다수 아음속 제트항공기는 더 복잡한 하이바이패스 터보팬 엔진(high-bypass turbofan engines)을 사용한다. 하이바이패스 터보팬 엔진은 장거리 비행에서 피스톤 또는 프로펠러 항공엔진(propeller aeroengines) 대비 더 빠른 속도와 더 높은 연소효율을 제공한다. 고속에 적용하고자 제조되는 몇 종류의 공기흡입식 엔진(램제트와 스크램제트(scramjets))은 기계식 압축기 대신 차량 속도의 램효과(ram effect)를 이용하였다.
제트 여객기 엔진의 추진력은 1950년대의 20,000N(드 하빌랜드 고스트 터보제트, de Havilland Ghost turbojet)에서 1990년대의 510,000N(제너럴일렉트릭 GE90 터보팬, General Electric GE90 Turbofan)으로 늘어났으며 신뢰성은 1950년대의 10만 비행시간당 40회 운행중단에서 1990년대 말의 10만 비행시간당 1회 미만으로 향상되었다. 이러한 성능의 향상은 대폭적으로 연료소비를 줄였으며 세기가 교체될 때 쌍발 여객기의 정기적인 대서양 횡단비행이 가능하게 하였다. 전에 유사한 비행은 수차의 연료 보급이 필요하였다.[1]
역사[편집]
제트엔진에 관한 역사를 추적하면 기원전으로 거슬러 올라갈 수 있지만 오늘 날 공인 받는 제트엔진의 발명자는 한스 폰 오하인 박사(Dr. Hans von Ohain)과 프랭크 휘틀경(Sir Frank Whittle)이다. 비록 두 사람은 서로 다른 곳에서 연구를 추진하고 서로간에 연구에 관련된 내역을 모르고 있었지만.
□ 프랭크 휘틀경의 터보제트 컨셉(Sir Frank Whittle's Turbojet Concept)
프랭크 휘틀경은 영국의 항공 엔지니어였다. 수습생으로 영국 공군에 입대하여 조종사로 되었으며 1931년에 비행 시험 조종사(test pilot)로 되었다. 22세 때 처음으로 가스터빈 엔진으로 항공기를 구동할 생각을 가졌으나 그 아이디어를 연구하고 개발하는데는 공식적인 지지를 받지 못했으며 스스로 주도하여 연구를 지속하였다. 1930년 1월에 터보 추진에 관한 첫 번째 특허를 출원하였으며 이를 가지고 자금을 유치하여 프로토타입의 개발을 시도하였다. 1935년에 일단 원심 압축기를 일단 터빈에 연결한 첫 번째 엔진의 구축에 진입하였으며 1937년 4월에 대상 시험(bench-test)에 성공하여 터보제트 컨셉의 가능성을 효과적으로 입증하였다.
1939년 7월 7일에 휘틀과 연대되는 파워제트사(Power Jets Ltd.)는 W1이라 명명한 휘틀엔진의 공급계약을 체결하였으며 1940년 2월에 글로스터 항공기 회사(Gloster Aircraft Company)는 W1 엔진을 항공기엔진으로 지정한 소형엔진항공기 파이오니어(Pioneer)의 개발사로 선정되었다. 파이오니어는 1941년 5월 15일에 첫 번째 비행을 추진하였다.
오늘날에 수많은 영국과 미국의 항공기에 적용되는 현대 터보엔진은 휘틀이 발명한 프로토타입에 기반한다.
□ 한스 폰 오하인 박사의 연속 싸이클 연소 컨셉(Dr. Hans von Ohain's Continuous Cycle Combustion Concept)
한스 폰 오하인 박사는 독일의 항공기 디지이너이다. 독일 괴팅겐 대학교(University of Göttingen)에서 물리학 박사 학위를 취득하고 그 후 같은 학교 물리학원 총괄 우고 폰 풀(Hugo Von Pohl)의 초급 조수로 역할하였다. 그 때 폰 오하인은 프로펠러를 제거한 신형 항공기 엔진을 연구하고 있었으며 그 의 22세 나이인 1933년에 연속 싸이클 연소에 관한 컨셉을 가졌다. 1934년에 폰 오하인은 제트 추진 엔진 디자인 특허를 출원하였으며 휘틀경의 컨셉과 유사하나 내부의 배치가 서로 틀릴 정도였다.
1936년에 우고 폰 풀의 권장에 따라 폰 오하인은 신규 항공기 추진 디다인(new airplane propulsion designs) 조수를 모집하는 독일의 항공기 구축자 에른스트 하인켈(Ernst Heinkel)의 고용을 접수하였으며 지속적으로 제트 추진 컨셉을 개발하여 1937년 9월에 성공적으로 엔진의 대상시험을 추진하였다.
하인켈은 Heinkel He178이라 알져지는 소형 항공기를 디자인하고 제조하여 신규 추진 시스템의 시험대(testbed)로 사용하였으며 1939년 8월 27일에 첫 번째 비행을 추진하였다.
폰 오하인은 He S.8A라 알려지는 제트 엔진 성능 개선품의 개발에 착수하였으며 1941년 4월 2일에 첫 번째 비행을 추진하였다.[2]
종류[편집]
□ 터빈 구동식(Turbine powered)
가스터빈은 회전 엔진으로서 연소된 가스의 흐름에서 에너지를 취출한다. 업스트림 콤프레샤와 다운스트림 터빈이 결합되는 사이에 연소실을 두고 있다. 항공기 엔진에서 업스트림 콤프레샤(upstream compressor), 연소기(combustor), 다운스트림 터빈(downstream turbine)은 기체발생장치로 불리운다. 많은 종류의 가스터빈이 있지만 전부 기체발생장치를 사용한다.
□ 터보제트(Turbojet)
터보제트 엔진은 가스 터빈 엔진이며 흡입구와 압축기(축 또는 원심 또는 둘 다)로 공기를 압축한 뒤에 연료와 혼합시키고 연소실에서 혼합물을 연소하여 터빈과 노즐을 통해 고온 고압 기체를 배출하는 방식으로 작동한다. 압축기(콤프레샤)는 터빈으로 구동되며 터빈은 이를 통과하는 팽창 가스에서 에너지를 추출한다. 엔진은 연료 에너지를 배출하는 운동 에너지로 전환시켜 추진력을 생성한다. 모든 공기는 흡입구에서 흡입되어 콤프레샤, 연소실 및 터빈을 통과하며 이는 터포팬 방식과는 틀리다.
□ 터보팬(Turbofan)
터보팬 엔진은 터보제트와 달리 엔진의 앞부분에 추가 팬이 설치되어 핵심 가스 터빈을 우회하는 덕트의 공기를 가속시킨다. 터보팬은 중, 장거리 항공기에 적용되는 엔진중에서 지배적인 위치에 있다.
아음속 비행에서 터보팬은 통상적으로 터보제트 대비 더 좋은 효율성을 갖고 있으나 고속 상태에서 이의 넓은 전단 면적은 더 많은 항력(drag)을 생성한다. 따라서 초음속 비행과 다른 고려 사항이 연비보도 더 중요한 군용 또는 기타 항공기는 팬을 작게 하거나 아예 제거한다.
이러한 차이로 인해 터보팬 엔진의 디자인은 경상적으로 low-bypass 또는 high-bypass로 분류하며 엔진 코어를 우회하는 공기 양에 따른다. low-bypass 터보팬은 2:1 또는 그 보다 작은 우회비율(bypass ratio)을 가진다.
□ 램 컴프레이션(Ram compression)
램 컴프레이션 제트 엔진은 공기 흡입식 엔진이며 가스터빈 엔진과 유사하고 모두 브레이턴 싸이클을 따른다. 가스터빈과 램으로 구동하는 엔진의 차이는 진입하는 공기의 흐름을 어떤 방식으로 압축하는가에 있다. 가스터빈 엔진은 축 또는 원심 콤프레샤를 적용하여 진입하는 공기를 압축하며 램 엔진은 흡입구 또는 디퓨저(diffuser)를 통과하면서 발생하는 공기의 압축에 의존한다. 따라서 램 엔진이 역할을 하려면 상당한 초기 전진 대기속도가 필요하다. 램 구동 엔진은 이동부품을 포함하지 않기에 공기 흡입식 제트 엔진중에서 가장 간단한 종류로 간주된다.
램 제트는 램 구동 제트엔진이며 기계적으로 간단하고 아주 높은 속도의 조건에서 비행하는 경우를 제외하고는 터보제트보다 효율성이 낮다. 스크램제트는 공기가 아음속보다 느리지 않다는 점에서 주요한 차이가 있으며 둘 다 초음속 연소실을 사용하고 휠씬 빠른 속도에서 효율성이 좋다. 램 제트 엔진이나 스크램제트 엔진이 구축되고 비행을 추진한 경우는 드물다.
□ 불연속 연소(Non-continuous combustion) 종류
- 모터제트(Motorjet) - 터보제트의 작동방식과 유사하며 터빈이 아닌 피스톤엔진으로 콤프레샤를 구동한다. 프로펠러 대비 높은 배출속도를 가지며 고속도에서의 추진력이 양호하다. 단, 무거운 원인으로 효율성이 떨이지고 구동력이 차하다. 이탈리아에서 개발했던 항공기 Caproni Campini N.1.을 사례로 들 수 있다.
- 펄스제트(Pulsejet) - 압축된 공기의 연소를 간헐적으로 추진하며 일부 디지인에서는 밸브를 사용한다. 디자인이 간단한 장점이 있으며 순항 미사일의 시조로 언급되는 V-1 비행 폭탄(V-1 flying bomb)에 적용되었으며 최근에는 모형 비행기에 적용되고 있다. 소음이 크고 효율성이 차하며(낮은 압축비) 큰 범위에서 작동이 제대로 안 되고 설계된 밸브의 마모가 빠르다.
- 펄스 데토네이션 엔진(Pulse detonation engine) - 펄스제트와 유사하며 연소가 폭연이 아닌 데토네이션으로 추진된다. 밸브는 있을 수도 없을 수도 있다. 최대 이론적 엔진 효율을 가지고 있다. 소음이 극히 강하며 부품들이 극단적인 기계적인 피로 환경에 처하고 테토네이션의 개시가 어렵다. 현재 적용이 난이하다.[1]
적용 범위[편집]
제트엔진은 제트 항공기, 크루즈 미사일과 무인항공기를 구동하며 로켓 형식일 때에는 불꽃놀이, 모델 로켓공학(model rocketry), 우주비행 및 군용 미사일에 적용된다.
제트엔진은 로켓자동차가 보유한 모든 시간의 기록과 함께 고속 자동차 특히는 드래그 레이서를 추진하였다. 터보팬 구동 자동차 ThrustSSC는 현재 육상 속도 기록을 보유하고 있다.
제트엔진은 경상적으로 항공기를 제외한 응용에 개조되어 적용되며 산업용 가스터빈과 선박 동력(marine powerplants)으로 사용된다. 전력 발전소에 적용되어 물펌프, 천연가스펌프 및 유압펌프에 동력을 제공하고 선박이나 기관차에 적용되어 추진을 제공한다.[1]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 1.2 "Jet engine", Wikipedia
- ↑ Mary Bellis, "The History and Invention of the Jet Engine", Thought Co, 2019-07-23
참고자료[편집]
- 〈제트 기관〉, 《네이버 지식백과》
- "Jet engine", Wikipedia
같이 보기[편집]
