2장 운용 영역(Chapter 2 The Operational Envelope)

2.0 서론

가스 터빈 엔진의 성능(추력 또는 출력, 연료 소비, 온도, 샤프트 속도 등)은 입구 및 출구 조건에 따라 결정적으로 달라집니다. 가장 중요한 요소는 압력과 온도로, 대기 값과 비행 속도로 인한 변화 또는 기구, 장비 설치에 따른 압력 손실의 조합에 의해 결정됩니다.

주어진 가스 터빈 엔진 적용품이 직면할 수 있는 입구 조건의 전체 범위가 작동 범위에 포함됩니다. 이는 다음과 같이 구성됩니다.

. 대기압, 온도 및 습도를 정의하는 환경 포락선

. 설치 압력 손실

. 항공기 엔진을 위한 항공기 외피

본 장에서는 이러한 모든 관련 데이터와 유용한 배경 정보를 제공합니다. 본 장에서 테이블은 운영 영역과 관련하여 산업계에서 널리 사용되고 있는 영국식 및 SI 단위로만 표시되어 있습니다. 모든 수치에는 SI에서 다른 단위 체계로의 환산 계수가 포함되어 있습니다.

 

2.1 환경 포락선(The environmental envelope)

엔진의 환경 포락선은 엔진이 만족스럽게 작동해야 하는 대기압(또는 압력 고도), 대기 온도 및 습도 범위를 정의합니다. 엔진에만 국한된 이러한 대기 조건은 성능에 강력한 영향을 미칩니다.

 

2.1.1 국제 표준(International standards)

ISA(International Standard Atmosphere)는 기준일 대기 온도와 최대 고도 30500m(100066ft)의 압력을 정의합니다. ISA 조건이라는 용어는 상대 습도가 0임을 의미합니다.

US Military Standard 210(MIL 210)은 대기 온도 대비 고도의 극단적인 특성들을 정의하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 표준입니다. 이것은 주로 항공 우주 표준이며 더운 날과 추운 날의 온도 범위가 확장되어 있지만 육상 기반 응용 분야에도 널리 사용됩니다. 차트 2.1은 MIL 210 및 ISA의 대기압과 온도 관계를 보여주고 있습니다.

육상 기반 엔진의 경우 성능 데이터는 ISO(International Organization for Standardization)에서 규정한 단일 지점 ISO 조건에서 자주 인용됩니다. 이러한 조건들은:

 

. 101.325kPa(14.696psia), 해수면, 대기압

. 15℃ 대기 온도

. 60% 상대 습도

. 제로 설치 압력 손실

 

2.1.2 대기압 및 기압 고도(Ambient pressure and pressure altitude)

기압고도 또는 지오포텐셜(geo-potential) 고도는 대기 중의 한 지점에서 국제 표준 대기에 따라 대기 기압 수준으로 정의됩니다. 따라서 기압 고도는 해당 지점의 해수면 위의 고도로 설정되지 않습니다. 예를 들어, 우세한 기상 조건으로 인해 바다에 있는 선박은 말하자면 97.8kPa의 대기압과 같이, 낮은 대기압에 직면할 수 있으며, 이에 해당하는 기압 고도는 300m가 됩니다.

차트 2.1에는 기압 고도 대비 대기압의 ISA 정의가 포함되어 있으며 차트 2.2는 그에 대한 관계를 그래프로 보여주고 있습니다. 압력은 해수면 값 101.325kPa(14.696psia)에서 30500m(100066ft)에서 1.08kPa(0.16psia)로 기하급수적으로 떨어지는 것을 관찰할 수 있습니다.

엔진이 설계되는 대기압의 최곳값은 108kPa(15.7psia)입니다. 이것은 국부적인 조건 때문이며 600m(1968ft)의 기압 고도에 상응합니다.

 

2.1.3 대기 온도(Ambient temperature)

차트 2.1은 기압 고도에 대한 MIL 210의 춥고 더운 날의 온도와 함께 ISA 표준 주간 대기 온도를 나타내고 있습니다. 차트 2.3은 대기 온도와 기압 고도를 세 줄로 나타낸 것입니다.

표준 낮 기온은 기압 고도 11000m(36089ft)까지 1000m당 약 6℃ (1000ft의 경우 2℃)의 비율로 떨어지고, 그 이후에는 25000m(82000ft)까지 일정하게 유지됩니다. 이에 해당하는 고도, 11000m를 대류권계면이라고 합니다. 이 아래 영역은 대류권이고, 그 위의 영역은 성층권입니다. 25000m 기준 위의 영역에서는 낮 기온이 다시 상승합니다.

185.9K(87.3℃)의 최소 MIL 210 추운 날 온도는 15545m(51000ft)와 18595m(61000ft) 사이에서 발생합니다. 최대 MIL 210 더운 날 온도는 해수면에서 312.6K(39.5℃)입니다.

2.1.4 상대 밀도와 소리의 속도(Relative density and the speed of sound)

상대 밀도는 대기 밀도를 해수면에서의 ISA 표준 주간의 밀도로 나눈 값입니다. 차트 2.1에는 상대 밀도, 상대 밀도의 제곱근, 추운 날, 더운 날, 표준 주간에 대한 음속이 포함되어 있습니다. 차트 2.4–2.6은 이에 해당하는 데이터를 그래프로 나타내고 있습니다. 이러한 매개변수는 비행 속도의 다양한 정의 사이의 상호 관계를 이해하는 데 중요합니다.

밀도는 30500m(100066ft)에서 ISA 해수면 값의 1.3%에 불과할 정도로, 기압 고도에 따라 떨어집니다. 689.0kt(1276km/h, 792.8mph)의 최대 음속은 해수면에서 더운 날 발생합니다. 최소값은 531.6kt(984.3km/h, 611.6mph)이며 15545m(51000ft)와 18595m(61000ft) 사이에서 발생합니다.