2023.03.14 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.6 항공 분야 - 추진 요건
본 장에서는 축 동력 항공기의 요구 사항을 설명하고 1.8장은 추력 추진 항공기를 다룹니다. 터보프롭이라는 용어는 일반적으로 고정익 항공기 추진을 위해 프로펠러를 구동하는 축 동력을 제공하는 가스 터빈 엔진을 말합니다. 이처럼 회전익 항공기 또는 헬리콥터에 동력을 공급하는 것을 터보 샤프트라고 합니다.
1.7.1 축 동력과 추력 추진 항공기의 추진 요건 비교
터보프롭의 등가 추력 및 등가 SFC를 계산하여, 특정 응용 분야에서 추력 및 샤프트 동력 엔진의 첫 번째 비교가 가능해집니다. 이와 관련된 환산 공식들은 터보프롭 배기 장치에서 사용할 수 있는 소량의 추력을 등가 축 동력으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 통해 해당 동력은 총 등가 샤프트 동력을 얻기 위해 전달된 샤프트 동력에 추가될 수 있으며, 관련 SFC가 정의될 수 있습니다.
1.7.2 축 동력 항공기의 주요 등급
그림 1.14는 실제 항공기 및 적용된 엔진의 사례와 함께 축 동력 항공기의 주요 등급을 보여주고 있습니다. 차트 1.9는 그림 1.14의 식별 정보를 사용하여 관련 항공기 클래스의 핵심적이고 흥미로운 특성을 나타냅니다. 해당 차트와 그림에서 항공기 이륙 중량, 범위, 최대 속도 및 좌석 수가 필요한 동력에 대해 표시됩니다.
1.7.3 고정익 항공기(식별자 1, 2, 3)
경비행기는 종종 개인 소유이며, 단거리 운송이나 레크리에이션에 사용됩니다. 비즈니스/고급 터보프롭은 일반적으로 경영진 수송에 유연성을 제공하기 위해 보통 기업 소유입니다. 통근 또는 지역 수송 터보프롭은 상용 항공사가 일상 범위의 노선에서 운영되며, 추력 항공기가 제공하는 이동 시간 단축이라는 최소한의 이점이 있습니다. 피스톤 엔진은 이제 항공기 산업에서 얼마 되지 않는 분야에서 활용되고 있으며, 그중 하나는 최고 속도가 200노트(마하 0.30) 미만인 경비행기용입니다. 앞서 1.6.3절에 설명된 범위 계수에서 알 수 있듯이, 피스톤 엔진은 이처럼 낮은 비행 속도에서만 경쟁력을 갖고 있습니다.
부가적으로, 낮은 요구 동력 수준에서 가스 터빈은 작은 블레이드 높이, 상대적으로 두꺼운 트레일링 에지 및 필렛 반경과 같이 소형화 효과로 인해 크기가 줄어들수록 효율이 점점 저하됩니다. 비즈니스 및 통근 항공기가 요구하는 비행 속도와 범위의 경우, 범위 계수 다이어그램은 터보프롭이 더 경쟁력이 있음을 보여줍니다. 또한 250kW 이상의 엔진 출력에서 가스터빈은 소규모 효과에 대한 악영향은 없어집니다. 엔진은 거의 항상 단일 스풀 또는 경우에 따라 두 개의 스풀 가스 발생기가 있는 자유 동력 터빈 구성입니다. 압축기는 비용을 최소화하기 위해서, 원심형 또는 축 원심형입니다. 해당 압축기는 전면 영역은 중간 비행 속도에서 중요하게 고려되는 요소가 아니기 때문에, 엔진효율에 있어 낮은 유량 수준에서 축류형 압축기와 경쟁력을 갖게 됩니다. 압력비는 일반적으로 7:1에서 10:1 범위입니다. 축류 터빈 체계는 1250~1450K의 SOT 수준에서 사용됩니다. 1350K 이상에서는 로터 블레이드에 냉각 기술이 적용됩니다. 압력비의 선택은 압축 시스템의 비용과 무게는 줄이고, 압축기 효율이 유지되는 경우 SFC 및 특정 동력을 개선하는 수치 사이에서 절충된 값으로 결정됩니다.
1.7.4 회전익 항공기(식별자 4, 5, 6 및 7)
중요도 순으로 주요 기준은 다음과 같습니다.
(1) 엔진 중량
(2) 부분 동력 SFC, 최대 동력은 고온 기후 운용 또는 다중 엔진 헬리콥터의 경우 엔진 고장 사례에 맞게 크기가 조정됨
(3) 정격 SFC
(4) 낮은 비행 속도와 '매립' 설치로 인해 엔진 전면 영역은 특별히 중요하지 않음
무게를 최소화하기 위해 일부 작은 터보 샤프트는 단일 스풀이며, 이를 통해 일정한 속도에서 부하를 변경하기 위해 로터의 피치 변경이 가능해집니다. 중형 터보 샤프트 헬리콥터의 경우, 엔진 구성은 위에서 설명한 터보프롭 엔진과 같습니다. 압력비와 SOT 수준은 각각 최대 약 17:1 및 1500K이며, 후자는 터빈 블레이드의 냉각이 필요합니다. 해당 압력비는 비동력에 최적값입니다. 가장 큰 엔진 크기에서는 완전 축류 압축기가 사용됩니다. 때때로 연료 중량을 최소화하기 위해 장거리 헬리콥터에 대한 재생 사이클이 고려되었지만, 결실을 본 사례는 없습니다. 이는 주로 증가된 엔진 비용, 중량 및 부피, 신뢰성 문제로 기인합니다. 피스톤 엔진은 가장 낮은 출력 수준에서만 사용됩니다.
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