가스 터빈 엔진 구성(Gas Turbine Engine Configurations) (2)

1.4  분리형 제트 터보팬 엔진(Separate jets turbofan (Fig. 1b))

2개의 스풀 분리형 제트 터보팬의 개략도는 그림 1b의 중심선을 따라 위에 표시되어 있습니다. 여기에서 첫 번째 압축기는 팬이라고 하며 바이패스와 중심 유동에 흐름을 공급합니다. 중심 유동은 터보제트와 유사하며 고온의 추력을 제공합니다. 그러나 코어 터빈은 팬 바이패스 유동을 압축하기 위한 동력도 제공합니다. 바이패스 유동은 바이패스 덕트를 통해 핵심 구성 요소를 우회하면서 약간의 전압력 손실이 발생합니다. 이 유동은 그다음으로 차가운 노즐로 들어갑니다. 총 추력은 고온 노즐과 저온 노즐의 합입니다. 바이패스 흐름의 목적은 질량 유량은 높지만 제트 속도는 낮은 추력을 추가로 생성하여 순수한 터보제트에 비해 비연료 소모율(SFC)을 개선하는 것입니다. 그러나 이에 따라 전면 영역 및 중량 대비 엔진 추력 비가 낮아집니다. 일부 터보팬에는 중간 압력(IP) 스풀과 HP 및 LP 스풀이 있는 3개의 스풀이 있습니다.

 

1.5  후기연소기가 있는 혼합형 터보팬(Mixed turbofan with afterburner (Fig. 1b))

이 구성은 그림 1b의 중심선 아래에 표시됩니다. 여기서 두 유동은 초음속 비행을 위한 높은 제트 속도를 제공하기 위해 후기연소기(Afterburner) 및 수축-확산형 노즐이 있는 일반 제트 파이프의 혼합기 상류에서 결합합니다. 또한 후기연소기 없이 터보팬에 대해 두 스트림을 혼합하는 것이 보통은 더 유리합니다.

 

1.6  램제트(Ramjet (Fig. 1c))

램제트는 회전식 터보 기계를 사용하지 않는 가장 간단한 추력 엔진 구성입니다. 램 공기는 수축-확산형 흡입구에서 확산한 다음 연소기로 바로 전달됩니다. 해당 유동은 수축-확산형 노즐을 사용하여 초음속 제트 속도로 가속됩니다. 램제트는 높은 초음속 비행 체제에서만 실용적입니다.

 

 

1.7  단순 사이클 1단 스풀 축 동력 엔진

(Simple cycle single spool shaft power engine (Fig. 2a))

이 엔진 구성은 흡기와 배기를 제외하면 터보제트와 비슷해 보입니다. 주요한 차이점은 터빈 입구에서 사용할 수 있는 모든 압력이 주변으로 확장되어 배기가스의 총 압력 손실이 적다는 것입니다. 배기 덕트에서 확산 후 가스 배출 속도는 무시할 수 있습니다. 이에 따라 압축기를 구동하는 데 필요한 동력보다 훨씬 더 큰 터빈 동력이 발생하므로 초과한 동력은 프로펠러(터보프롭) '또는 발전기(터보 샤프트)'와 같은 부하를 구동합니다. 배기 출구면의 가스 온도는 일반적으로 주변 온도보다 250°C~350°C 더 높으며, 이는 산업 응용 분야에서 상당한 폐열을 나타냅니다. 흡기 및 배기 스타일은 적용되는 분야에 따라 크게 다르지만 기본적으로 배기는 유동 가속을 위해 터보제트에 사용되는 제트 파이프 및 노즐과 달리 일반적으로 발산, 확산 시스템입니다. 단순 사이클(Simple cycle)이라는 용어는 이 구성을 나중에 설명하는 열 교환기 또는 증기 보일러와 같은 추가 구성 요소를 활용하는 복잡한 사이클(Complex cycle)과 구별하는 데 사용됩니다.

 

 

1.8  단순 사이클 자유동력 터빈엔진

(Simple cycle free power turbine engine (Fig. 2b))

여기서 부하는 엔진 압축기를 구동하는 것과는 별개의 자유 동력 터빈에 의해 구동됩니다. 오프 디자인 성능에 상당한 영향을 미치므로 출력 속도에서 훨씬 더 큰 유연성을 허용합니다.

 

 

※ 설계 모델(Design model)은 사이클에 따른 작동 유체의 상태(압력, 온도, 질량 유량)와 시스템의 에너지 전달을 지정하여 설계 작동 지점을 특성화하는 모델입니다. 구성 요소 효율성을 가정하면 이러한 종류의 모델을 통해 다양한 구성 요소(예: 열교환기 표면적)의 형상을 도출하여 실제로 지정된 설계 조건을 실현할 수 있습니다.

오프 디자인(Off design)은 그 반대입니다. 다양한 구성 요소의 형상과 시스템의 경계 조건을 지정하는 모델이며 작동 유체의 결과 상태를 계산합니다. 작동 유체의 압력/온도는 더 이상 모델의 입력이 아니라 출력입니다. 이러한 종류의 모델을 사용하면 지정된 설계점(Design point)에 맞게 크기가 조정된 기존 기계가 이 설계점을 벗어날 경우 어떻게 작동하는지 알 수 있습니다.

 

1.9  가스 발생기(Gas generator)

가스 발생기라는 용어는 터보제트용 제트 파이프와 추진 노즐 또는 터보 샤프트용 자유 동력 터빈에 들어가는 고온 고압가스를 제공하는 압축기와 터빈 조합을 말합니다. 터보제트(또는 터보팬) 및 항공 엔진 파생형 자유 동력터빈 엔진 모두에 대해 주어진 가스 발생기 설계를 사용하는 것이 일반적입니다. 여기서 제트 파이프와 추진 노즐은 파워 터빈과 배기 시스템으로 대체됩니다. 터보팬의 경우 팬과 바이패스 덕트가 제거됩니다.

 

1.10  재생 엔진(Recuperated engine (Fig. 2c))

이 엔진 구성에서는 단순 사이클의 배기에서 손실되는 열의 일부가 엔진으로 반환됩니다. 사용된 열교환기는 구성에 따라 복열기 또는 재생기라고 합니다. 압축기로부터 전달된 공기는 열교환기의 공기 측으로 연결되어 가스 측을 통과하는 배기가스로부터 열을 받습니다. 그런 다음 가열된 공기는 다시 연소기로 흘러가는데, 해당 유동은 이미 가열되어 동일한 터빈 입구 온도를 형성하는데 더 적은 연료가 필요하게 됩니다. 이를 통해, 비연료소모율(SFC)을 개선하게 됩니다. 일련의 과정에서 열교환기 공기 및 가스 측과 전달 덕트에서 압력 손실이 발생합니다.