가스 터빈 엔진 구성(Gas Turbine Engine Configurations)

1.1 가스 터빈 엔진 구성 (Gas Turbine Engine Configurations)

본 자료의 서두로서 이 섹션에서는 기본 구성 요소에 대한 개체 단위의 관점으로 가스 터빈 엔진 구성을 설명합니다. 국제 표준 ARP 755A에 따른 스테이션 번호를 포함하여 각 구성에 대한 다이어그램이 제시됩니다.

 

1.2 통상적인 터보제트 엔진 (Conventional turbojet (Fig. 1a))

그림 1-a는 중앙선을 따라 통상적인 Single Spool 터보제트와 그 아래에 후기연소기(Afterburner), 수축확산(con-di, convergent-divergent) 흡입구 및 con-di 노즐이 추가된 터보제트를 보여줍니다. 대기 중의 공기는 자유 유동에서 비행 흡입구 앞쪽 가장자리로 전달됩니다. 5장에서 설명한 것처럼 공기는 엔진이 정적인 경우 자유 흐름에서 가속되지만 높은 비행 마하수에서는 자유 유동으로부터 램 조건이라 불리는 조건에서 확산함에 따라 가속됩니다. 일반적으로 엔진 흡입구를 통해 압축기 면으로 전달되기 전에 항공기 흡입구에서 확산함에 따라 약간의 전압력 손실이 발생합니다. 그런 다음 압축기는 기체의 압력과 온도를 모두 높입니다. 압력비를 얻으려면 입력 일(Work input)이 필요합니다. 3장에서 논의된 데로, 관련 온도 상승은 효율 수준에 따라 증가합니다. 복잡성에 따라 터보제트 압축기 압력비는 4:1에서 최대 25:1까지입니다. 압축기 출구 디퓨저는 공기를 연소기로 전달합니다. 여기에서 연료가 분사되고 연소하여 엔진 기술 수준에 따라 출구 가스 온도를 1100K에서 2000K 사이로 높입니다. 디퓨저와 연소기 모두 약간의 전압력 손실을 발생시킵니다.

고온 고압의 기체는 터빈을 통해 팽창되며 여기서 샤프트 동력이 되는 에너지(일)가 생성됩니다. 그에 따라, 온도와 압력이 모두 감소합니다. 샤프트 동력은 압축기와 모든 엔진 및 '고객'의 보조 장치들을 구동하고 디스크 편류 및 베어링 마찰과 같은 엔진 기계적 손실을 극복하는데 필요한 동력입니다. 터빈 노즐 가이드 베인과 블레이드는 높은 가스 온도에서 허용할 수 있는 금속 온도를 보장하기 위해 종종 냉각됩니다. 이것은 베인과 블레이드 내의 매우 복잡한 내부 냉각 유로에 공급하는 공기 시스템 유동 경로를 통해 연소기를 우회하는 상대적으로 차가운 압축기 시스템의 공기를 활용합니다. 터빈을 떠날 때 가스는 일반적으로 주변 압력의 적어도 두 배의 압력을 유지합니다. 이는 온도-엔트로피(T–S) 다이어그램의 기본 형태와 터빈에 대한 더 높은 입구 온도에 대한 결과로 나타나게 됩니다. 터빈의 하류에서 가스는 후기연소기 덕트(Jet pipe)에서 확산합니다. 이것은 추진 노즐 입구에서 유로를 환형에서 완전한 원으로 변환하는 짧은 덕트입니다. 제트 파이프는 약간의 전체 압력 손실을 부과합니다. 추진 노즐은 추력을 생성하기 위해 고속 제트를 제공하기 위해 흐름을 가속하는 수축형 덕트입니다. 팽창할 수 있는 비율이 초킹 값보다 작으면 노즐 출구면의 정압은 대기압이 됩니다. 초킹 값보다 크면 노즐의 마하수가 1이 되고(즉, 음속 조건) 정압이 주변 대기압보다 커지면서 충격파가 하류에서 발생합니다. 후자의 경우, 흡입구에 비해 노즐 출구 면에서의 더 높은 정압은 초음속 기체의 모멘텀 추력에 추가 추력을 생성합니다. 2스풀 엔진에는 저압(LP) 및 고압(HP) 터빈에 의해 구동되는 LP, HP 압축기가 있습니다. 각 스풀은 서로 다른 회전 속도를 가지며 LP 샤프트는 외부에 있고 HP 스풀과 동심입니다. 스풀 가스 경로가 서로 다른 반경에 있는 경우, 이러한 배열구성은 압축기 및 터빈 간의 짧은 덕트가 필요하게 되며, 이에 따른 약간의 전체 압력 손실이 발생하게 됩니다.

 

1.3  후기연소기 및 수축-확산 노즐을 갖춘 터보제트 엔진

(Turbojet with afterburner and convergent–divergent nozzle (Fig. 1a))

높은 비행 마하수의 적용 품의 경우, 후기연소기(Afterburner)가 종종 사용되며 동일한 터보 기계에서 더 높은 추진력을 제공합니다. 후기연소는 재가열이라고도 하며 제트 파이프의 부가적인 연소기 하류에서 연료를 태우는 것과 관련이 있습니다. 매우 증가한 배기 온도는 훨씬 더 높은 제트 속도를 제공하고 엔진 추력 대 중량 및 추력 대 단위 정면 면적의 비율이 매우 증가합니다. 유출되는 제트 유속을 초음속이 되도록 하기 위해서, 그리고 후기연소기의 이점을 최대한 활용하기 위해서 수축 확산형 노즐을 사용할 수 있습니다. 후기연소기의 노즐 하류는 후기연소기가 켜져 있을 때 엔진의 배압 증가로 인한 압축기 서지(Surge)를 피하기 위해서 면적을 변형할 수 있어야만 합니다. 일반적으로 높은 비행 마하수 체계에서 사용되는 엔진의 경우, 수축-확산 흡입구도 사용됩니다.   이를 통해 압축기 또는 팬에 맞게 초음속 비행 마하수에서 아음속 흐름으로 램 공기를 효율적으로 확산할 수 있습니다. 이러한 원리는 일반적인 수직 충격파보다 낮은 총 압력 손실을 부과하는 일련의 경사 충격파를 통해서 얻어지게 됩니다.