터보젯

이 글은 검증을 위해 추가 인용문이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주십시오. 조달되지 않은 자재는 제거될 수 있습니다.출처 : "Turbojet" – 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2008년 4월) (이 템플릿 메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

시리즈의 일부
항공기 추진
샤프트 엔진: 구동 프로펠러, 로터, 덕트 팬 또는 프로판
내장 서멀 엔진: 피스톤 엔진 디젤 엔진 방켈 엔진 터빈: 터보프롭 터보샤프트 외부 서멀 엔진: 증기 동력 전기 모터: 전기 항공기 클럭워크 드라이브: 인간에 의한
반응 엔진
터빈: 터보젯 터보팬 프롭팬 로켓 추진식 모터젯 펄스젯 무밸브 펄스젯 램젯 스크램젯
v t

터보젯은 공기 호흡 제트 엔진으로, 일반적으로 항공기에 사용됩니다.추진 노즐이 있는 가스터빈으로 구성됩니다.가스 터빈에는 흡기 가이드 베인, 컴프레서, 연소실 및 터빈(압축기를 구동하는)을 포함하는 공기 흡입구가 있습니다.컴프레서의 압축 공기는 연소실에서 연료를 연소시켜 가열된 다음 터빈을 통해 팽창됩니다.그런 다음 터빈 배기가스는 추진 노즐에서 팽창하여 고속으로 가속되어 ^[1]추력을 제공합니다.영국의 Frank Whittle과 독일의 Hans von Ohain이라는 두 명의 엔지니어가 1930년대 후반에 독립적으로 이 개념을 실용적인 엔진으로 개발했습니다.

터보젯은 항공용 가스터빈 발전소의 첫 번째 형태였지만, 원래의 개념의 다른 개발로 대체되었다.작동 시 터보젯은 일반적으로 비교적 적은 양의 공기를 매우 빠른 초음속으로 가속화함으로써 추력을 발생시키는 반면 터보팬은 더 많은 양의 공기를 가속하여 천음속 속도를 낮춥니다.터보젯은 연료 소비량이 더 좋기 때문에 느린 항공기에서 터보프롭으로 대체되었다.프로펠러가 더 이상 효율적이지 않은 중~고속에서는 터보프롭이 터보팬으로 대체되었습니다.이러한 트랜조닉 속도에서 터보팬은 터보제트보다 소음이 적고 특정 범위별 연료 소비량이 우수합니다.터보젯은 초음속 항공기에 매우 효율적일 수 있다.

터보젯은 낮은 차량 속도에서 효율성이 떨어지기 때문에 항공기 이외의 차량에서는 유용성이 제한됩니다.터보젯 엔진은 항공기 이외의 차량에 동력을 공급하기 위해 분리된 경우에 사용되어 왔으며, 일반적으로 육상 속도 기록에 대한 시도를 위해 사용된다.차량이 "터빈 구동"되는 경우, 이는 회전 출력축을 구동하기 위해 추가 터빈이 사용되는 가스터빈 엔진인 터보샤프트 엔진을 사용하는 것이 일반적입니다.이것들은 헬리콥터와 호버크래프트에서 흔히 볼 수 있다.터보젯은 콩코드 기종과 장거리 TU-144에 사용되었는데, 이는 초음속으로 장시간 이동하는데 필요한 것이었다.터보젯은 높은 배기 속도, 좁은 전방 면적, 그리고 상대적으로 단순하기 때문에 중거리 순항 미사일에서 여전히 흔하다.그것들은 또한 MiG-25와 같은 일부 초음속 전투기에 여전히 사용되고 있지만, 대부분은 초음속을 여행하는 데 시간을 거의 들이지 않기 때문에, 초음속 단거리 주행을 위해 터보팬과 애프터버너를 사용한다.

역사

가스터빈을 사용하여 항공기에 동력을 공급하는 최초의 특허는 1921년 프랑스인 Maxime Guillaume에 ^[2]의해 출원되었다.그의 엔진은 축류 터보제트가 될 예정이었지만,^[3] 압축기의 최첨단 기술을 상당히 발전시켜야 했기 때문에 결코 제작되지 않았습니다.

1928년, 영국 RAF 칼리지 크랜웰의^[4] 생도 프랭크 휘틀은 공식적으로 터보젯에 대한 아이디어를 그의 상관들에게 제출했다.1929년 10월에 그는 자신의 생각을 ^[5]더욱 발전시켰다.1930년 1월 16일 영국에서 휘틀은 첫 번째 특허를 제출했다.^[6]특허는 2단 축 압축기가 단측 원심 압축기에 공급되는 것을 보여주었습니다.A.A.의 아이디어로 실용적인 축 압축기가 가능해졌다. 그리피스는 1926년 "터빈 설계의 공기역학 이론"이라는 논문을 발표했다.나중에 다양한 실용적인 이유로 더 단순한 원심 압축기에만 초점을 맞출 수 있습니다.휘틀은 1937년 4월 12일 최초의 터보제트인 파워제트 WU를 운행했다.그것은 액체 연료로 채워졌고, 자가 연료 펌프가 포함되어 있었다.휘틀 교수팀은 엔진이 멈추지 않을 때 연료가 꺼진 후에도 가속이 빨라지는 패닉에 가까운 경험을 했다.연료가 엔진으로 새어나와 웅덩이에 쌓였기 때문에 누출된 연료가 모두 연소될 때까지 엔진이 멈추지 않는 것으로 나타났습니다.휘틀은 그의 발명품에 정부의 관심을 끌지 못했고, 개발은 더딘 속도로 계속되었다.

독일에서 한스 폰 오하인은 ^[7]1935년 비슷한 엔진에 특허를 냈다.

1939년 8월 27일, 하인켈 He 178은 시험 조종사인 에리히 바시츠와 ^[8]함께 터보젯 동력으로 비행한 세계 최초의 항공기가 되었고, 따라서 최초의 실용적인 제트기가 되었다."글로스터 휘틀", "글로스터 개척자" 또는 "글로스터 G.40"이라고도 불리는 글로스터 E.28/39는 1941년에 영국 최초의 제트 엔진 비행을 했다.그것은 글로스터 ^[9]운석의 개발로 이어지면서 위틀 제트 엔진을 비행 중에 시험하기 위해 고안되었다.

최초의 두 대의 터보젯 항공기인 Messerschmitt Me 262와 글로스터 운석은 제2차 ^[10][11]세계대전이 끝날 무렵인 1944년에 취역했다.

공기는 흡입구를 통해 회전하는 컴프레서로 흡입되고 연소실로 들어가기 전에 더 높은 압력으로 압축됩니다.연료는 압축 공기와 혼합되어 연소기에서 연소됩니다.연소 생성물은 연소기를 떠나 터빈을 통해 팽창하며, 여기에서 압축기를 구동하기 위한 동력이 추출됩니다.터빈 출구 가스에는 추진 노즐에서 고속 제트로 변환되는 상당한 에너지가 여전히 포함되어 있습니다.

최초의 제트 엔진은 터보젯으로, 원심 압축기(Heinkel Hes 3과 같음) 또는 축 압축기(Junkers Jumo 004와 같음)가 장착되어 더 길기는 하지만 직경이 더 작았습니다.피스톤 엔진에 사용되는 프로펠러를 배기 가스 배출의 고속 제트로 대체함으로써 더 높은 항공기 속도를 달성할 수 있었다.

터보젯 엔진의 마지막 응용 프로그램 중 하나는 올림푸스 593 엔진을 사용한 콩코드였다.설계 과정에서 터보젯은 저속의 터보팬의 장점에도 불구하고 음속의 두 배 속도로 정속 주행하는 데 최적이라는 것이 밝혀졌습니다.콩코드의 경우, 마하 2.0에서 주어진 거리에서 추력을 생성하는 데 필요한 연료가 마하 0.86 최적 속도의 ^[12]제너럴 일렉트릭 CF6와 같은 현대식 하이 바이패스 터보팬보다 적었다.

터보젯 엔진은 상업 항공에 큰 영향을 미쳤다.더 빠른 비행 속도를 제공하는 것 외에도 터보젯은 피스톤 엔진보다 더 높은 신뢰성을 가졌으며, 일부 모델은 디스패치 신뢰성 등급이 99.9%를 초과했습니다.프리제트 상업용 항공기는 부분적으로 비행 중 고장에 대한 우려 때문에 4개의 엔진으로 설계되었다.해외 비행 경로는 착륙장에서 1시간 이내에 비행할 수 있도록 설계되어 비행 시간이 길어졌다.터보젯에 따른 신뢰성의 향상은 3단 및 2단 엔진 설계와 보다 직접적인 장거리 ^[13]비행을 가능하게 했다.

고온 합금은 제트 엔진의 발전을 지연시키는 핵심 기술인 역돌출이었습니다.1930년대와 1940년대에 제작된 비영국 제트엔진은 크립 고장과 다른 형태의 날개 손상으로 인해 10시간에서 20시간마다 정비해야 했다.그러나 영국 엔진은 니모닉 합금을 사용하여 오버홀 없이 연장 사용이 가능했으며, 롤스로이스 웰랜드와 롤스로이스 ^[14]더웬트와 같은 엔진과 1949년 드 하빌랜드 고블린은 ^[15]정비 없이 500시간 동안 형식 테스트를 받았다.1950년대에 이르러서야 초합금 기술은 다른 나라들이 경제적으로 실용적인 ^[16]엔진을 생산하도록 허락했다.

초기 설계

초기 독일 터보젯은 터빈에 적합한 고온 재료가 부족했기 때문에 주행할 수 있는 양에 심각한 제한이 있었습니다.롤스로이스 웰랜드와 같은 영국 엔진은 내구성이 향상되는 더 나은 소재를 사용했습니다.Welland는 처음에는 80시간 동안 형식 인증을 받았으며,^[17] 이후 500시간 동안 연장된 주행으로 인해 오버홀 사이에 150시간까지 연장되었습니다.그들의 높은 정비에도 불구하고, 몇몇 초기 제트 전투기들은 여전히 원래의 엔진으로 운용되고 있다.

미국의 제너럴 일렉트릭은 ^[18]제2차 세계대전 중 터보 과급기에 사용된 고온 재료에 대한 경험으로 제트 엔진 사업에 진출하기에 유리한 위치에 있었다.

물 주입은 허용 터빈 진입 온도에 의해 추력이 제한된 초기 터보젯에서 일반적으로 이륙 중에 추력을 증가시키는 데 사용되는 일반적인 방법이었다.물은 온도 한계에서 추력을 증가시켰지만, 종종 매우 눈에 띄는 연기 흔적을 남기면서 완전한 연소를 방해했다.

허용 터빈 진입 온도는 우수한 합금과 코팅의 도입과 블레이드 냉각 설계의 도입 및 점진적 효과로 인해 시간이 지남에 따라 꾸준히 증가했습니다.초기 엔진에서 터빈 온도 제한은 일반적으로 시동 중 및 최대 추력 설정 시 조종사에 의해 모니터링되고 방지되어야 했습니다.조종사 작업 부하를 줄이고 과열로 인한 터빈 손상 가능성을 줄이기 위해 자동 온도 제한이 도입되었습니다.

설계.

공기 흡입구

컴프레서 앞에는 흡입구 또는 튜브가 있어 유입 공기를 회전하는 컴프레서 블레이드로 원활하게 유도할 수 있습니다.구형 엔진은 움직이는 날개 앞에 정지된 베인이 있었다.이 베인들은 또한 날개 위로 공기를 유도하는 데 도움을 주었다.터보젯 엔진으로 유입되는 공기는 항공기 자체의 속도에 관계없이 항상 아음속입니다.

흡기구는 압력 변동이 허용될 정도로 작고(변형이라고 함) 도중에 에너지가 최대한 적게 손실된 상태(압력 회수라고 함)로 엔진에 공기를 공급해야 합니다.흡입구의 램 압력 상승은 흡입구가 추진 시스템의 전체 압력 비율과 열 효율에 기여하는 것입니다.

흡기구는 컴프레서 단계보다 더 많은 압력을 발생시킬 때 고속에서 두드러집니다.잘 알려진 예로는 Concorde 및 Lockheed SR-71 Blackbird 추진 시스템이 있으며, 총 압축에 대한 흡기 및 엔진 기여도는 마하 2에서 63%/8%,^[19] 마하 3 이상에서 54%/17%^[20]였습니다.흡입구는 록히드 C-141 스타리프터에 장착된 프랫 & 휘트니 TF33 터보팬의 길이 ^[21]0부터 북미 XB-70 발키리에 장착된 길이 20m의 쌍둥이까지 다양하며, 각각 흡입 공기량이 초당 약 800파운드(360kg/s)인 엔진 3개를 공급한다.

압축기

컴프레서는 터빈에 의해 구동됩니다.고속으로 회전하여 공기 흐름에 에너지를 가함과 동시에 좁은 공간에 압축합니다.공기를 압축하면 압력과 온도가 높아집니다.컴프레서가 작을수록 회전 속도가 빨라집니다.레인지의 넓은 끝에서는 GE90-115B 팬이 약 2,500 RPM으로 회전하는 반면 소형 헬리콥터 엔진 압축기는 약 50,000 RPM으로 회전합니다.

터보젯은 다양한 하위 시스템의 작동을 위해 컴프레서에서 항공기로 블리딩 공기를 공급합니다.예를 들어 환경 제어 시스템, 결빙 방지, 연료 탱크 가압 등이 있습니다.엔진 자체는 계속 작동하기 위해 다양한 압력과 유량의 공기가 필요합니다.이 공기는 컴프레서에서 공급되며, 이 공기가 없으면 터빈이 과열되고, 베어링 캐비티에서 윤활유가 누출되며, 로터 드러스트 베어링이 미끄러지거나 과부하가 걸리며, 노즈 콘에 얼음이 형성됩니다.2차 공기라고 불리는 컴프레서의 공기는 터빈 냉각, 베어링 캐비티 씰링, 결빙 방지 및 스러스트 베어링의 로터 축 하중이 너무 빨리 마모되지 않도록 하는 데 사용됩니다.항공기에 블리딩 공기를 공급하면 엔진이 압축되어 있기 때문에 엔진의 효율이 저하되지만 추력을 발생시키는 데는 기여하지 않습니다.

터보젯에 사용되는 압축기 유형은 일반적으로 축방향 또는 원심형입니다.초기 터보젯 압축기는 약 5:1의 낮은 압력 비율을 보였습니다.컴프레서를 두 개의 개별 회전 부품으로 분할하고, 엔트리 가이드 베인과 스타터를 위한 다양한 블레이드 각도를 통합하며, 압축기에서 공기를 블리딩하는 등의 공기역학적 개선을 통해 이후 터보젯은 전체 압력비가 15:1 이상이 될 수 있었습니다.비교를 위해, 현대의 민간 터보팬 엔진은 전체 압력 비율이 44:1 이상입니다.컴프레서에서 나온 공기는 연소실로 들어갑니다.

연소실

연소기의 연소 프로세스는 피스톤 엔진의 연소 프로세스와 크게 다릅니다.피스톤 엔진에서 연소 가스는 소량으로 제한되며 연료가 연소함에 따라 압력이 높아진다.터보제트에서 공기와 연료 혼합물은 연소기에서 연소되어 압력이 증가하지 않고 연속 흐름 프로세스로 터빈을 통과합니다.대신 연소기에서 작은 압력 손실이 발생합니다.

연료-공기 혼합물은 느리게 움직이는 공기에서만 연소할 수 있으므로, 1차 구역에서 약 화학량 연소를 위해 연료 노즐에 의해 역류 영역이 유지됩니다.또한 연소 프로세스를 완료하고 연소 생성물의 온도를 터빈이 수용할 수 있는 수준으로 낮추는 압축 공기를 도입한다.터빈 온도 한계치를 유지하려면 전반적인 희박 혼합물이 필요하기 때문에 일반적으로 연소에 사용되는 공기는 25% 미만입니다.

터빈

연소기에서 나오는 뜨거운 가스는 터빈을 통해 팽창합니다.터빈의 대표적인 재료에는 인콘델과 ^[22]니모닉이 있습니다.엔진의 가장 뜨거운 터빈 베인과 블레이드에는 내부 냉각 통로가 있습니다.압축기에서 나오는 공기는 금속 온도를 제한 범위 이내로 유지하기 위해 이러한 경로를 통과합니다.나머지 단계는 냉각이 필요하지 않습니다.

첫 번째 단계에서 터빈은 대부분 임펄스 터빈(펠튼 휠과 유사)이며 뜨거운 가스 흐름의 충격으로 인해 회전합니다.이후 단계는 가스를 가속시키는 수렴 덕트입니다.에너지는 컴프레서의 에너지 전달과 반대 방향으로 운동량 교환을 통해 샤프트로 전달됩니다.터빈이 개발한 동력은 컴프레서와 액세서리(예: 액세서리 기어박스에 의해 구동되는 연료, 오일 및 유압 펌프)를 구동합니다.

노즐

터빈 후 가스는 배기 노즐을 통해 팽창하여 고속 제트를 생성합니다.수렴 노즐에서는 덕트가 점차 좁아져 목구멍까지 좁아진다.터보제트의 노즐 압력비는 높은 스러스트 설정에서 노즐이 질식할 정도로 높습니다.

그러나 수렴-분산 드 라발 노즐이 장착된 경우 발산(유량 면적 증가) 구간은 가스가 발산 구간 내에서 초음속에 도달할 수 있도록 한다.더 높은 배기 속도에 의해 추가 추력이 발생합니다.

추력 증강

물/메탄올 주입 또는 애프터 연소 시 터보젯에서 추력이 가장 일반적으로 증가했습니다.일부 엔진은 두 가지를 동시에 사용했습니다.

액체 주입은 1941년 파워제트 W.1에서 처음에는 암모니아를 사용한 후 물로 바꾼 다음 물-메탄올을 사용하여 테스트되었습니다.Gloster E.28/39의 기술을 시험하는 시스템이 고안되었지만 장착되지는 않았습니다.^[23]

애프터버너

애프터버너 또는 "리히트 제트파이프"는 터빈 배기 가스를 재가열하기 위해 추가된 연소실입니다.연료 소비량이 매우 높아 일반적으로 주 엔진의 4배입니다.애프터버너는 거의 초음속 항공기에서만 사용되며, 대부분은 군용 항공기이다.두 대의 초음속 여객기 콩코드와 Tu-144도 실험용 스페이스십원 준궤도 우주선의 항공모함인 Scaled Composites White Knight와 마찬가지로 애프터버너를 사용했다.

Reheat는 1944년 글로스터 운석 ^[24]I에 탑재된 W.2/700 엔진으로 시험 비행되었다.

그물 추력

터보제트의 $순추력{\displaystyle {}_{}}$ $displaystyle F_{N}\;})$은 ^[25][26]다음과 같습니다.

${\displaystyle F_{N}=dot {m}_{air}+{\dot {m}_{f}}V_{j}-{\dot {m}}_{air}V}$

여기서:

$(\displaystyle\dot {m}}_{air})$	엔진을 통과하는 공기 흐름 속도입니다.
$(\displaystyle\dot {m}}_{f})$	엔진으로 유입되는 연료의 흐름 속도입니다.
${\displaystyle V_{j}\;}$	제트 속도(배기 플룸)이며 음속보다 낮은 것으로 가정됩니다.
${\displaystyle V\;}$	항공기의 진정한 비행 속도입니다.
$\displaystyle({\dot {m}}_{air}+{\dot {m}}_{f})V_{j}}$	노즐 총 추력을 나타냅니다.
${\displaystyle {m}}_{air}V}$	흡입구의 램 드래그를 나타냅니다.

제트 속도가 음속과 같으면 노즐을 "초크"라고 합니다.노즐이 막힌 경우 노즐 출구면의 압력이 대기압보다 크므로 압력 ^[27]추력을 고려하기 위해 위의 방정식에 추가 항을 추가해야 합니다.

엔진에 유입되는 연료의 유량은 ^[25]공기 유량에 비해 매우 작습니다.노즐 총 추력에 대한 연료의 기여가 무시될 경우 순 추력은 다음과 같습니다.

$({displaystyle F_{N}={m}_{air}(V_{j}-V))$

$기체$에 ${\displaystyle {순방향}_{}}$ $추진력$을 가하려면 제트기 V j${\displaystyle (\backslash {}_{}}$displaystyle $V_{j}\;)$의 속도가 $항공기{\displaystyle }$ V$(\$ V$\;)$의 실제 공기 속도를 초과해야 합니다.$속도$ ${\displaystyle V_{}}$ j${\displaystyle (\backslash {}_{}}$displaystyle $V_{j}\;})$는 단열 ^[28]팽창에 기초하여 열역학적으로 계산할 수 있습니다.

사이클 개선

터보제트의 작동은 대략 브레이튼 사이클에 의해 모델링됩니다.

가스터빈의 효율은 전체적인 압력비를 높이고 고온의 압축기 재료를 요구하며 터빈 진입 온도를 높임으로써 증가하며, 터빈 재료의 개선 및/또는 베인/블레이드 냉각을 개선해야 합니다.또한 흡입구에서 추진 노즐로 흐름이 진행됨에 따라 손실을 줄임으로써 증가됩니다.이러한 손실은 압축기 및 터빈 효율과 덕트 압력 손실에 의해 정량화됩니다.가스터빈의 출력이 추진 노즐에 사용되는 터보젯 애플리케이션에서 사용되는 경우 터빈 온도를 높이면 제트 속도가 증가합니다.정상적인 아음속 속도에서는 추진 효율이 저하되어 높은 연료 소비량(SFC)^[29]에 따라 전체적인 손실이 발생합니다.그러나 초음속 항공기의 경우 이는 유익할 수 있으며 콩코드가 터보젯을 채택한 이유 중 하나이다.터보젯 시스템은 복잡한 시스템이기 때문에 이러한 시스템의 최적 기능을 확보하기 위해 개발 중인 신형 모델이 자동화 영역에서 최신 지식을 구현하기 위해 제어 시스템을 발전시켜야 한다는 요구가 있어 안전성과 ^[30]효과를 높일 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 에어 스타트 시스템
• 외골격 엔진
• 제트카
• 터빈 엔진 고장
• RAE에서의 터보젯 개발
• 가변 사이클 엔진

레퍼런스

추가 정보

• Springer, Edwin H. (2001). Constructing A Turbocharger Turbojet Engine. Turbojet Technologies.

외부 링크

• 세계 최초의 제트 조종사 Erich Warsitz: 희귀 비디오(Heinkel He 178)와 오디오 해설 포함
• NASA 왕복 엔진 설명: 소프트웨어 모델 포함
• 제트 추진 가능성: 1941년 1920년대와 1930년대의 실험 설계를 논의한 조사.
• Whittle Power Jet Papers – 케임브리지 디지털 라이브러리에 있는 Whittle의 왕복 엔진 개발에 관한 케임브리지 대학의 Peterhouse 아카이브에서 온 서신
• [1]