가스터빈 엔진 추력을 증가시키는 방법

바) 흡입 및 공기흐름 계통

1. 터빈엔진 흡기계통(Turbine Engine Inlet Systems)

 터빈엔진의 엔진 흡입구는 엔진에서 요구되는 양의 공기가 방해를 받지 않고 압축기까지 갈 수 있도록 디자인된다. 그림 3-1에서 보듯이 많은 엔진들 이 압축기 1단계 속으로 공기가 직접 바르게 들어가게 하기 위하여 인렛가이드벤(Inlet Guide Vane)을 사용한다. 압축기 실속(Stall : 공기 흐름이 멈추거나 거꾸로 흐르는 경향이 있음)을 방지하고 터빈(Turbine)에서 과도한 내부 엔진 온도를 방지하기 위하여 균일하고 일정한 공기 흐름이 필요하다. 일반적으로 공기흡입구 덕트(Air-inlet Duct : 공기를 흡입하는 엔진 입구)는 엔진 부품이 아니라 기체 부품으로 간주된다. 그러나 그 덕트(Duct)는 엔진 전체의 성능 및 적정한 추력을 만들기 위하여 엔진에서 아주 중요하다. 가스터빈엔진은 왕복엔진보다 월등히 많은 공기를 필요로 한다. 그래서 공기가 들어가는 입구가 엔진의 추력에 상응하여 크다. 특히 고속에서 엔진과 항공기의 성능을 결정하는데 공기의 양은 매우 중요하다. 비효율적인 흡입구 덕트(Inlet Duct)는 다른 엔진 부품들의 성능에 막대한 손실을 초래 할 수 있다. 그러한 흡입구는 터빈엔진의 종류에 따라 다양하다. 조그만 터보프롭(Turboprop) 및 터보샤프트(Turboshaft) 엔진들은 완전히 다른 모양의 흡입구가 필요로 하는 대형터보팬(Turbofan)엔 진보다 적은 공기 흐름의 흡입구를 가지고 있다. 많은 터보프롭(Turboprop), 보조엔진, 그리고 터보 샤프트(Turboshaft)엔진들은 외부 물질로 인한 손상(FOD)을 방지하기 위하여 흡입구를 덮는 스크린 (Screen)을 사용한다.

 항공기의 속도가 증가되면 추력은 조금 감소하는 경향이 있다. 항공기가 어떤 속도에 도달하면 렘에어(Ram Air)의 영향으로 속도를 증가시키기 위한 손실이 보상된다. 그 흡입구에서 가능한 한 자유로운 공기 흐름의 전체 압력만큼 회복될 수 있다. 공기 분자가 흡입구에서 갇혔다가 압축되기 시작하면 많은 압력 손실이 회복된다. 엔진의 입구에서 이 추가 되는 압력은 엔진에 압력과 공기 흐름을 증가시킨다. 이것이 바로 램 회복(Ram Recovery) 혹은 전압력 회복(Total pressure recovery)이라 한다. 그 흡입구 덕트(Inlet Duct)는 가능한 한 최소한의 와류 와 압력으로 압축기 입구에 공기를 일정하게 보내 주어야 하며, 또한 항공기에는 최소한의 항력이 되게 해야 한다. 엔진 입구에서 공기 압력의 감소는 덕트(Duct)의 양쪽 옆을 따라서 발생하는 공기의 마찰이나 덕트 의 곡선 부분이 원인이 될 수 있다. 원활한 공기 흐름은 덕트로 들어가는 공기의 와류를 최소한으로 할 때 가능하다. 낮은 공기 흐름의 엔진에서 공기 흐름을 변화시키면 적은 나셀로 적은 저항이 가능하게 한다. 터보팬엔진에서 높은 공기 흐름에서도 원활한 공기 흐름이 가능하게 하려면 덕트는 충분한 직선 부분을 가져야 한다. 덕트 입구의 선택은 항공기 운항을 위해 설계된 속도, 고도, 자세와 항공기 엔진의 위치에 의하여 결정된다.

 (그림 3-13) 팬블레이드는 속이 빈 티타늄 재질 (Hollow Titanium Material) 또는 복합소재 재질(compositMaterial)로 되어 있다. 팬블레이드의 바깥 부분에 의하여 가속된 공기가 2차 공기 흐름을 형성하여 엔진 내부를 통하지 않고 바깥으로 배출된다. 고바이패스 엔진에서 2차 공기 흐름은 추력의 80%를 생산한다. 팬 블레이드 안쪽을 통과하는 공기는 1차 공기 흐름을 형성, 엔진 내부를 통하여 배출된다.

 외부로 빠져나가는 팬을 통과한 2차 공기는 두 가지 통로로 흘러 나간다. (그림 3-13)

① 팬 배출 공기는 팬 후방의 짧은 덕트(팬 덕트) 를 통해 바로 빠져나간다.(그림 3-14) 

② 팬 배출 공기는 엔진의 후미 부분까지 이어진 내부 덕트를 이용, 혼합된 배기노즐을 통하여 바깥으로 빠져 나간다.

사) Exhaust 및 reverser 시스템

-배기구(Exhaust)는 터빈에서 나온 배기가스를 모아 내보내면서 점점 수축시켜 가스층을 균일하게 만들어 추력을 발생시켜주는 장치입니다.

1. 터보차저를 장착한 배기 계통(Exhaust System with Turbocharger)

(1) 터빈엔진 배기노즐(Turbine Engine Exhaust Nozzles)

터보팬엔진은 덕트를 가진 팬엔진이 유행한다. 덕트가 있는 팬엔진은 팬 공기 흐름을 발생시켜 그것을 직접 닫힌 덕트를 통하여 보낸 후 배기노즐로 흐르게 한다. 엔진 내부 배기 공기와 팬 공기가 합쳐지며 이 합쳐진 노즐을 통하여 흐른다. 덕트가 없는 팬은 두 개의 노즐이 있는데, 하나는 팬 공기 흐름, 그리고 다른 하나는 엔진 내부 공기 흐름을 담당한다. 그러한 두 가지는 각각의 노즐을 가지고 있으며, 각각으로부터 갈라져 대기로 흐른다.

 (그림 3-15) 덕트가 없는 엔진이나 별도의 노즐이 있는 엔진은 많은 양의 공기 흐름을 처리한다. 대부분의 추력(80~85%)을 생산하는 팬 공기는 가능한 한 작은 와류 상태에서 팬블레이드와 출구 베인을 통하여 직접 나가게 된다. 

 (그림 3-16) 터빈으로부터 오기 위하여 내부 공기는 곧바르게 흐를 필요가 있다. 수축 노즐의 사용을 통하여 배기가스는 배기노즐로 빠져나가기 전 속도를 증가시킨다. 배기 가스의 증가된 속도는 운동량을 증가시키고 생산된 추력(15∼20%)을 증가시킨다. 대부분의 배기가스 에너지는 저압터빈 단계들을 통하여 팬을 구동하기 위하여 사용된다. 터보프롭 배기노즐은 작은 양의 추력(10~15%)을 제공하지만, 주로 항공기 배기가스를 내보내는 데 사용된다. 대부분의 에너지는 프로펠러(propeller)에 전달된다. 어떤 터보프롭 항공기에서 배기덕트는 가끔 테일파이프(tailpipe)라고 하는데, 덕트 자체는 간단하면서도 스테인레스 스틸, 원추형 혹은 원통형 파이프이다. 그 조립 또한 엔진 테일콘(tail cone) 및 덕트 내부의 버팀대(strut)를 포함한다. 테일콘과 버팀대는 덕트의 강도를 높이고, 가스 흐름을 축 방향으로 분산시키고, 가스 흐름을 유연하게 한다. 전형적인 장착법으로 테일파이프는 나셀 (nacelle)에 장착되며, 방화벽에 앞쪽 끝이 붙는다. 테일파이프의 앞부분은 깔대기 모양으로 둥그나 터빈 배기 부분과 맞닿지는 않는다. 이 배열은 고리 모양의 틈을 형성하여 엔진 고열 부분 주위로 공기를 방출하는 역할을 한다. 고속의 배기가스는 테일파이 프 속으로 들어가지만 테일파이프 속으로 고리 모양의 틈을 통하여 엔진의 고열 부분 주위로 흐르기 때문에 저압 효과가 발생한다. 테일파이프의 후방 부분은 테일파이프 양옆으로 하나씩 두 개의 지지대 (support arm)에 의하여 기체에 고정된다.그 지지대는 팽창에 대비하여 앞과 뒤쪽으로 움직일 수 있도록 하여 날개의 상부에 장착된다. 테일파이프는 배기가스의 고열로부터 주변 부분을 보호하기 위하여 단열 덮개(insulating blanket)로 감싸져 있다. 그 덮개(blanket)의 바깥쪽은 스테인레스스틸 박층으로, 안쪽은 유리섬유로 만들어진다. 이것은 항공기 구조물 혹은 날개의 끝 가까운 부분에 엔진 배기가 위치할 때 사용된다. 터빈 배출구 후방과 배기 덕트가 장착된 플랜지(Flange)의 전방 바로 옆에 터빈 배출압력을 측정하는 프르브(probe)가 장착된다. 배기가스의 올바른 표본을 제공하기 위하여 배기 덕트 속으로 하나 혹은 몇 개의 압력프르브가 장착된다. 대형엔진에서는 터빈 흡입구에서 내부 온도를 측정 하는 것은 실용적이지 못하기 때문에 터빈 출구에서 배기가스의 온도를 측정한다.

2. 수축형 배기노즐(Convergent Exhaust Nozzle)

 배기가스가 엔진의 후미로 빠져나가면서 그것들은 배기노즐 속으로 흐른다. (그림 3-17) 배기노즐의 첫째 부분과 배기플러그(plug)는 공기 흐름에서 와류를 줄이기 위한 확산형 덕트를 형성하고, 배기가스는 작은 배출구에 의하여 흐름이 제한되는 수축형 배기노즐로 흐른다. 수축형 덕트를 형성하기 때문에 가스 속도는 증가되어 추력도 증가된다. 배기노즐의 배출구를 제한하여 두 요소를 제한한다. 만약 노즐구가 너무 크면 추력이 손실된다. 만약 너무 작으면 엔진의 다른 곳에서 막힘 현상이 발생한다. 다른 말로 하면, 배기노즐은 하나의 오리피스(orifice) 역할을 하여 엔진으로부터 나오는 가스의 밀도 및 속도를 결정한다. 이것은 추력 성능에 중요하다.

배기노즐의 크기를 조절하여 엔진의 성능 및 배기가스 온도를 변화시킨다. 노즐에서 배기가스의 속도가 마하 1이 되면(배기가스는 이 속도로 흐른다) 증가되거나 감소되지 않는다. 노즐에서 마하 1을 유지하고 여분을 갖는 충분한 흐름은(배출구에서 제한되는 흐름) 소위 막힘 노즐(choked nozzle)을 만든다. 여분의 흐름은 노즐에서 압력을 증대시켜 때로는 압력 추력 (pressure thrust)이라고도 한다. 압력의 차이는 노즐의 내부와 대기 사이에 존재한다. 노즐 배출구 압력에서 차이를 크게 증가시켜서 압력 추력은 계산된다. 대부분의 에너지가 프로펠러, 대형 팬, 혹은 헬리콥터 로터를 회전시키기 위하여 터빈을 구동하는 데 사용되기 때문에 많은 엔진들은 압력 추력을 발전시킬 수 없다.

3. 수축-확산형 배기노즐(Convergent-divergent Exhaust Nozzle)

 배기가스 속도가 엔진 배기노즐에서 마하 1을 넘을 수 있도록 충분히 높을 때면 수축-확산형 노즐을 사용하여 더 많은 추력을 얻을 수 있다. (그림 3-18) 수축-확산형 노즐의 장점은 엔진 배기노즐에 걸쳐 높은 압력비가 가능하므로 높은 마하수에서 대단하다. 가스의 일정한 무게나 체적이 음속에 도달 한 후 어떤 주어진 속도로 빠르게 흐르게 하기 위하여, 초음속 배기 덕트의 후방 부분은 초음속 비율로 흐르는 가스의 추가적인 무게 혹은 체적을 수용하기 위해 확장된다. 만약 이것이 이루지지지 않는다면 그 노즐은 효율적으로 작동하지 않는다. 이것이 배기 덕트의 확산 부분이다. 전통적인 배기 덕트와 확산 덕트가 혼합하여 사용될 때 수축-확산 배기덕트라 부른다.

 수축-확산 혹은 C-D 노즐에서 수축 부분은 아음속 동안을 위하고, 또한 음속 동안 노즐의 목까지 가스를 운반하기 위하여 설계되었다. 확산 부분은 속도를 더 증가시키고 초음속이 되고 목을 벗어난 후의 가스를 다룬다. 가스가 노즐의 목으로부터 흘러 초음속(마하 1 이상)이 되면 노즐의 확산 부분 속으로 지난다. 초음속 이후는 속도가 계속 증가한다. 이런 형태의 노즐은 일반적으로 고속 우주비행체에 사용한다.

4. 역추력장치(Thrust Reversers)

 항공기가 더 높은 착륙속도로 무게가 증가됨에 따라 착륙 후 정지하는 문제가 점차 증가한다. 많은 경우에 있어서, 착륙 후 일정거리 내에서 항공기의 속도를 줄이는 것을 항공기 브레이크에만 더 이상의 존할 수 없다. 대부분의 역추력장치는 기계적 차단과 공기역학적 차단으로 나눌 수 있다. 기계적 차단은 배기가스 흐름 속에서 움직일 수 있는 방해물을 노즐의 약간 뒤에 장치하는 것이다. 배기가스는 배기가스를 반대 방향으로 흐르게 하기 위하여 장착된 반원이나 조개 모양의 콘에 의해 다른 방해물에 의하여 기계적으로 차단되어 적당한 각도로 역류하게 된다. (그림 3-19) 

 이것은 배기가스의 흐름을 역류시키기 위한 위치에 놓이게 된다. 대체로 터보팬엔진에서 사용하는 이러한 형태는 팬과 코어 흐름이 엔진에서 방출되기 전에 노즐 에서 같이 섞이게 된다. 클램쉘 차단(clamshellblockage) 또는 기계적 차단(mechanicalblockage) 역추력장치는 엔진의 전진추력을 무력화 시키고 역류시켜 방출되는 배기가스의 길을 차단하도록 작동한다. 역추력장치는고온에 잘 견디고, 기계적으로 강하고, 무게가 비교적 가볍고, 신뢰성 있 으며, 그리고 안전장치(fail-safe)가 있어야 한다.

 역추력장치가 사용되지 않을 때는 캠쉘도어는 엔진 나셀의 후방을 형성하며, 엔진 배기덕트 주위에 차례로 잘 접혀지고 포개어 놓여진다. 역추력장치의 공기역학적 차단 형태에서는 배기 덕트의 길이에 따라, 또는 배기노즐 바로 뒤에 얇은 날개골 또는 방해물을 장치한다. 공기역학적 역추력 장치(Aerodynamic Reverser)의 응용으로서 회전 하는 베인 속에 원심 방향으로 가스를 분산하여 가스의 소용돌이를 만들어 내고 있다.

 덕트가 없는 터보팬엔진(unducted-turbofan engine)에 주로 사용되는 공기역학적 차단 형태의 역추력장치는 오로지 항공기를 속력을 늦추기 위해 팬 공기가 사용된다. 그림 3-20에서 보는 것과 같이, 최신의 공기역학적 역추력장치는 항공기 속도를 감속시키기 위해 팬 공기 흐름 방향을 바꾸는 트랜스레이팅 카울(Translating Cowl), 블록커도어(Blocker Door), 그리고 케스케이드베인(Cascade Vane)으로 구성된다. 만약 추력레버가 아이들(idle) 위치에 있고 항공기 바퀴에 무게가 가해지고 있을 때, 추력레버를 뒤쪽으로 움직이면 닫혀 있는 블록커도어가 열리기 위해 트랜스레이팅 카울을 작동시킨다. 이 작용은 뒤쪽으로 흐르는 팬 공기를 정지시키고 항공기 속도 를 줄이기 위해 앞쪽 방향으로 공기가 흐르도록 케스 케이드베인을 통해 방향을 바꾼다. 팬이 엔진 추력의 약 80%을 생산하기 때문에, 팬은 역추력을 내기 위한 가장 좋은 자원이다. 추력레버(출력레버)를 아이들 위치로 되돌림으로써, 블록커도어는 열리고 트랜 스레이팅 카울은 닫히게 된다. 역추력장치가 펼쳐지거나 접히는 것은 엔진 작동에 어떤 역효과도 주지 않아야 한다. 일반적으로 조 종실에는 역추력장치계통의 상태에 관련된 지시계가 있다. 역추력장치계통은 클램쉘도어(clamshell door)나 블로커도어(blocker door)를 움직이는 여러 부품과 트랜스레이팅 카울(translating cowl)로 구성된다. 구동력은 대체로 공기압이나 유압이고, 역추력장치계통을 전개하거나 접기 위해 기어박스, 플렉스드라이브(Flexdrive), 스크루잭(screwjack), 조종밸브(control valve), 그리고 공기압모터(air motor)나 유압모터를 사용한다. 시스템은 조종실에 의해 전개 명령이 있을 때까지 접혀 있는 위치에서 잠겨 있다. 작동되는 여러 부품들이 있기 때문에, 정비와 검사 필요조건은 매우 중요하다. 어떤 형태의 정비를 수행하는 동안이라도, 역추력장치계통은 작업자가 역추력장치계통 부위에 사람이 있는 동안에는 전개되지 않도록 기계적으로 잠겨 있어야 한다.

아) 세척과 방부처리 절차

윤활 탱크에서 윤활유를 배출시킨 후 방부제 (윤활유 75% + 콤파운드 오일 25%)를 보급한 후 엔진을 공회전시키면 방부제가 순환된다.

자) 보조동력장치계통(APU)의 기능과 작동

Auxillary Power Unit 보조동력장치란 동체의 Empennage에 장착되어 있으며 소형 가스 터빈 기관으로 APU는 지상에서 Eng'또는 지상 장비의 보조 없이 필요 동력을 확보하는 장비이며 비행 중 엔진 이상으로 충분한 동력을 얻지 못할 시 보조동력을 공급하는 역할도 하며 전력과 공압를 생산합니다.

직동 순서는 우선 베터리 스위치를 키고 APU master s/w를 킵니다. 그리고 APU control panel을 열어 램프를 테스트하고 APU fire protection Sys'도 테스트 해봅니다. 그 후 Fuel pump를 On함으로 APU에 연료를 보급하고 APU starter s/w를 켭니다. 이 때 스타트 모터가 APU를 구동하게되고 오일압력을 모니터링 합니다. RPM이 50%되면 스타트 모터를 분리하고 95%일 때 점화가 중단이 되며 전력 공급이 가능해 집니다. RPM이 100%가 되면 정상운전이 되게 됩니다.