1. 가스 터빈 기관 (Gas Turbine Engine)
ㅇ 유체 에너지 → 기계 에너지
- 일정 체적의 연소실에서
- 연료를 연속적으로 연소시켜 발생한, 고온고압의 연소 가스를,
- 터빈에 작용시켜, 회전 동력을 얻거나,
. (고온,고압 가스를 블레이드에 불어넣어 회전시키면서 동력을 얻음)
- 배기 가스의 반력으로 추력(분사 추진력)을 얻는 내연 열기관
ㅇ 작동 유체 : 공기(개방 사이클) 또는 불활성 가스(폐쇄 사이클)
ㅇ 열역학적 이론 사이클 : 브레이턴(Brayton) 사이클
ㅇ 연소 방식 : 등압 연소 (constant-pressure combustion)
※ 한편, 왕복 기관과의 차이
- 왕복 기관(피스톤 엔진)은, 흡입 → 압축 → 폭발 → 배기를 같은 실린더 내에서 순차 반복
- 가스 터빈은, 각 과정(압축,연소,팽창)이 별도 기기에서 동시에 연속 진행
. 따라서, 진동이 적고 출력 밀도(단위 중량 당 출력)가 높음
2. 가스 터빈 기관의 기본 구성 요소
ㅇ (가스 발생기) : 압축기, 연소실(연소기), 터빈
- 항공기에는, 공기 흡입구와 배기 계통이 추가됨
. 흡입된 공기가, 압축기에서 압축되며,
. 연소실에서 가열되고,
. 터빈 내 팽창되며,
. 배기 노즐에서 대기중으로 방출됨
ㅇ 역할 : (가스 터빈 사이클)
- 압축기 (Compressor) : 흡입, 압축
. (STEP 1) 단열 압축 (등 엔트로피)
- 연소실 (Combustor) : 연소, 가열
. (STEP 2) 등압 가열 (연료 연소)
- 터빈 (Turbine) : 팽창, 일
. (STEP 3) 단열 팽창 (등 엔트로피)
- 배기 노즐 (Nozzle) : 배기, 방열
. (STEP 4) : 등압 냉각 (대기 방출)
※ 에너지 분배
- 터빈에서 추출한 일 중 약 40~60%는 압축기를 구동하는 데 소비됨
- 나머지가 순 출력(발전기 구동 또는 추진력)으로 이용됨
- 따라서, 터빈 입구에서, 온도(TIT) 상승 = 효율 향상의 핵심 임
. 터빈 입구 온도 (TIT) : 연소 후 터빈에 들어가는 가스 온도 [K (또는 ℃)]
3. 가스 터빈 기관의 이론 사이클 : 브레이턴(Brayton) 사이클
ㅇ 가스 터빈 기관의 이상적 열역학 사이클
- 이상(理想) 사이클에서는, 압축,팽창이 등 엔트로피(단열 가역)으로,
. 열 출입이 등압으로 이루어진다고 가정함
ㅇ 사이클
- 1 → 2 과정 : 단열 압축 (압축기)
. 외부로부터 일 투입, 엔트로피 일정
- 2 → 3 과정 : 등압 가열 (연소실)
. 연료 연소, 온도,엔탈피 증가
- 3 → 4 과정 : 단열 팽창 (터빈)
. 일 출력, 엔트로피 일정
- 4 → 1 과정 : 등압 방열 (배기, 대기 방출)
. 열 방출, 개방 사이클에서 대기로 배기
4. 가스 터빈 기관의 분류 방식
ㅇ 압축기 : 원심 압축기, 축류 압축기
ㅇ 연소실 : 캔형 연소실, 애뉼러형 연소실, 결합형 연소실
ㅇ 터빈 : 방사류 터빈, 축류 터빈
ㅇ 추력 발생 방법에 따라 : 터보제트, 터보팬, 터보프롭, 터보축
- 터보제트
. 전량 배기 노즐을 통한 제트 추력 발생
. 고속,고 고도에 유리하나 연비 불리
. 배압비(BPR) ≈ 0.
. 적용 : 초음속 전투기 (F-100 등 구형)
- 터보팬
. 팬으로 추가 공기를 가속, 코어 + 팬 이중 추력
. BPR 높을수록 연비 향상 (민항기 BPR ≈ 8~15)
. 현대 민간 항공기 주류
. 적용 : Boeing 787 GEnx, A320neo LEAP
- 터보프롭
. 터빈 대부분의 동력을 프로펠러 구동에 사용
. 저속,저 고도 연비 우수
. 잔여 배기 가스로도 소량 추력 발생
. 적용 : ATR 72, C-130 허큘리스
- 터보축
. 출력 샤프트에 전 동력 전달
. 추력 없음, 순수 회전력 출력
. 헬리콥터 로터,선박,발전소에 사용
. 적용: 헬리콥터, 해군 함정, 발전기
5. [참고사항] 제트엔진 (Jet Engine)
ㅇ 제트 추진을 이용하는 엔진 전체의 총칭
- 가스 터빈 엔진 부류에 속함
- 대기 중 공기를 흡입해서, 이를 연료와 함께 연소시켜 나온, 고온,고압 가스를,
- 후방으로 고속 분사하여, 추력을 얻는 엔진을 말함
ㅇ 종류
- 터보제트 (Turbojet), 터보팬 (Turbofan), 램제트 (Ramjet), 스크램제트 (Scramjet),
펄스제트 (Pulsejet) 등