1.4 차량 분야에서의 응용

2023.03.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.3 산업용 기계 구동품

 

1.4.1       가스 터빈 대 왕복 엔진

최초의 가스 터빈 추진 자동차는 1950년 영국에서 생산된 Rover JET1이었으며 디자인 팀은 Maurice Wilks와 Frank Bell이 이끌었습니다. 엔진에는 프리 파워 터빈이 있었고 간단한 사이클에서 150kW를 생산했습니다. 차량 연료 소비량은 5.4km/리터(15.2mpg)였습니다. 그 후 수십 년 동안 자동차 프로그램에 상당한 노력을 기울였지만 디젤 및 가솔린 엔진은 계속해서 우위를 점했으며 가스 터빈은 전문 응용 분야에서만 존재했습니다. 이와 관련하여 기여한 문제들은 이번 섹션에서 살펴보겠지만 세 가지 주요 이유는 아래와 같습니다.

(1) 가변 영역 노즐 가이드 베인이 있는 재생 사이클을 사용함에도 불구하고 가스 터빈의 열악한 부분 부하 열효율(차트 1.1 참조). 열효율을 개선하기 위해 세라믹 터빈 기술이 수십 년 동안 연구되어 왔지만 생산 표준을 향한 진전은 답답할 정도로 더뎠음
(2) 가스 터빈 가스 발전기 스풀이 유휴 상태(Idle)에서 최대 부하까지 가속 시간이 비교적 김
(3) 가스 터빈 제조 시설에 막대한 자본 투자가 필요함

이러한 단점들이 다음과 같은 대부분의 가스 터빈 이점들을 능가했습니다.

. 차트 1.1에 설명된 다양한 기어비의 필요성을 줄여주는 더 나은 부분 속도 토크 기능
. 단위 전력당 중량 및 부피 감소
. 상당히 낮은 배출 가능성.

가스 터빈 엔진의 또 다른 용도는 세계 지상 속도 기록에 대한 시도를 위해 추력 추진 차량에 사용되었습니다. 1983년 Richard Nobel의 'Thrust 2'는 Rolls-Royce Avon 터보제트를 사용하여 1019km/h(633mph)를 달성했습니다. 1997년 Andrew Green이 조종한 그의 'Thrust SSC'는 음속을 넘어섰고 2개의 Rolls-Royce Spey 터보팬을 사용하여 1220km/h(763mph)의 새로운 세계 지상 속도 기록을 세웠습니다.

 

1.4.2 가솔린 엔진 대 디젤 엔진 

차트 1.1에는 휘발유 엔진의 열효율 및 토크 대비 부분 부하 전력에 대한 그래프가 나타나 있습니다. 전반적으로 가솔린 엔진은 조기 점화를 피하기 위해 압축비가 더 낮기 때문에(디젤의 경우 15:1 ~ 20:1 대조적으로 통상 8:1 ~ 10:1) 디젤 엔진보다 SFC가 더 낮습니다. 가솔린 엔진의 오토 사이클은 일정한 부피로 연소하여 압력이 증가하는 반면, 디젤 엔진에서는 일정한 압력에서 연소가 이뤄집니다. 두 엔진 모두 흡입구 밀도를 높임에 따라, 기류 흐름을 증가시키면서 엔진출력을 높이기 위해 터보차저를 사용할 수 있습니다. 터보차저 스풀이 가속함에 따라 터보 지연으로 인해 응답 시간 측면에서 약간의 비용이 들지만, 무게와 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 휘발유 엔진의 주요 장점은 전형적인 가족 세단에 필요한 50kW의 가스 터빈에 근접하게 무게와 부피가 더 낮다는 것입니다. 따라서 가솔린 엔진은 빠른 차량 가속이 필수적이면서 공간이 중요하고 SFC의 일부 악화가 허용되는 경우에 사용됩니다. 디젤 엔진은 활용도가 높기 때문에 연료 소비가 가장 중요하고 차량에 비해 엔진 중량과 부피에 대한 중요도가 상대적으로 적으며 높은 차량 가속이 우선순위가 아닌 트럭과 같은 응용 분야에서 지배적입니다. 또 다른점은 배출량입니다. 디젤 엔진은 연료를 적게 사용하므로 CO2 배출량이 적지만 배기가스에는 더 많은 미립자와 NOx가 포함되어 있습니다.

 

1.4.3 자동차의 주요 등급

그림 1.4는 실제 차량과 사용된 엔진의 예를 포함하여 주요 자동차 카테고리의 개요를 보여주고 있습니다. 차트 1.4는 차트 1.4에 정의된 각 범주에 대한 식별자를 사용하고 각 차량 유형의 주요 측면과 추진에 필요한 동력을 나타냅니다.

 

 

1.4.4 자동차 차량 전원 요구 사항 

그림 1.5는 자동차의 총출력 요구 사항에 기여하는 요소, 즉 다음과 같은 요소들을 보여줍니다:

. 공기 역학적 항력
. 회전 저항, 즉 타이어에 손실된 동력
. 언덕 오르기
. 가속

 

그림 1.6은 회전 저항을 평가하기 위한 일반적인 계수를 제공하고 있습니다.

차트 1.5는 트럭 및 가정용 세단 대비 도로 속도에 대한 기여 출력 요구 사항의 상대적 크기를 보여줍니다. 트럭에서는 회전 저항이 더 큰 기여를 한다는 점은 명백합니다. 두 경우 모두 평평한 도로에서 일정한 속도로 필요한 동력(공기 저항과 회전 저항)은 세제곱 법칙에 유사하게 나타납니다. 이와 같은 법칙은 100km/h 및 50km/h의 일반적인 주행 속도가 각각 20% 및 6%에 불과하고 초과분은 가속 및 거의 사용되지 않는 최고 속도에 사용할 수 있는 가정용 세단에 특히 중요합니다. 관련하여 100km/h 순항 속도가 65%의 출력인 트럭과 대조되는 모습을 확인할 수 있습니다.

 

 

1.4.5 기어 전동장치(Gearing)의 필요

거의 모든 응용 분야에서 동력 출력에 필요한 엔진 속도는 바퀴의 속도와 다르기 때문에 변속기에 어느 정도의 기어비가 필요합니다. 또한 휘발유 및 디젤 엔진의 경우 그림 1.7과 같이 두 동력 장치 모두 동력 대비 회전 속도에 대한 대략 세제곱 법칙을 따르지 않으므로 차량 속도에 따라 가변적이어야 합니다. 또한 가변 기어링은 가속을 위해 바퀴에서 과도한 출력과 토크를 발생하기 위한 피스톤 엔진의 기능을 향상합니다. 차트 1.1은 피스톤 엔진의 출력 토크가 감소한 엔진 회전 속도에서 떨어지는 것을 보여줍니다. 고정 기어비는 차량 속도가 느릴 때 엔진이 저속에서 낮은 토크만 생성할 수 있으므로 출력이 낮아질 수 있음을 의미합니다. 가변 기어링을 통해 엔진은 낮은 차량 속도에서 높은 속도와 출력으로 바퀴에서 높은 토크로 작동할 수 있습니다. 자유 동력 터빈이 있는 가스 터빈 엔진은 차량 요구 사항에 더 잘 일치면서 출력 대비 회전 속도의 세제곱 법칙을 쉽게 따라갈 수 있습니다. 이와 관련하여 차트 1.1에서 볼 수 있듯이 언덕 오르기와 차량 가속을 위해 낮은 엔진 출력 속도에서도 탁월한 토크와 출력을 제공합니다. 이는 파워 터빈이 저속인 동안 가스 발생기를 높은 속도와 출력으로 작동함으로써 얻어질 수 있습니다. 따라서 단지 적은 수의 기어만 필요하며, 이는 기어비가 더 높음에도 불구하고 자동차 응용 분야용 가스 터빈의 이점입니다. 

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