제트엔진의 구조와 특징

제트엔진의 설계 및 최적화

항공기 제트 추진의 경우 일반적으로 터보 제트, 터보팬 (또는 바이패스 엔진), 터보프롭 및 터보 샤프트의 네가지 고유한 디자인이 있습니다. 현대 항공기에서 가장 많이 사용되는 두 가지 엔진인 터보 제트와 터보 팬의 레이아웃과 디자인에 대해 말해보면 첫 번째는 저압 및 고압 스풀이 분리된 다중 샤프트 엔진이고 두 번째는 팬에 의해 압축된 공기의 대부분이 엔진의 코어 연소기와 터빈을 우회하는 바이패스 엔진입니다. 일반적으로 각 엔진은 압축기, 연소기, 터빈 및 노즐의 네가지 필수 구성 요소로 구성됩니다. 압축기는 연소 전에 유입되는 공기의 압력을 높이고, 터빈은 고온 가압 연소에서 작업을 추출합니다. 파워 터빈의 역할은 추력을 제공하는 것이 아니라 압축기를 구동하는 것입니다. 고온 가압 연소 생성물은 노즐을 통해 팽창되어 추력을 생성합니다. 일부 군용 터보 제트 엔진에서 배기 속도와 추력은 배기 덕트의 "애프터 버닝"에 의해 증가 할 수 있습니다. 공기는 엔진으로 들어갈 때 팬 블레이드에 의해 압축되고 연소 섹션에서 연료와 혼합되어 연소됩니다. 뜨거운 배기가스는 전방 추력을 제공하고 압축기 팬 블레이드를 구동하는 터빈을 회전시킵니다. 1.1터보젯: 터보제트는 제2차 세계대전 동안 Frank Whittle경과 Hans von Ohain이 개발한 제트 엔진의 가장 초기 형태입니다. 더이상 민간항공기에 사용되지 않지만 주로 군용 항공기의 고속 추진에 사용됩니다. 축 터빈에 의해 구동되는 축 압축기가 있는 터보제트 엔진의 일반적인 레이아웃이며 모두 동일한 샤프트에 있습니다. 샤프트, 컴프레서 및 터빈의 이러한 어셈블리를 종종 "스풀"이라고합니다. 신형엔진에는 일반적으로 2개 또는 3개의 스풀이있어 압축기와 터빈의 압축 및 팽창 프로세스가 다른 부품에 분산됩니다. 이러한 방식으로 저압(LP)압축기와 LP터빈이 하나의 축에 장착되어 LP스풀을 형성합니다. LP샤프트는 HP컴프레서와 HP터빈이 장착 된 중공고압(HP)샤프트 내부를 통과합니다. 압축기와 터빈은 별도의 부품으로 분할되어 압축기와 터빈 블레이드의 원심 응력을 줄이고, 압축기와 터빈의 다른부분이 서로 다른 속도로 작동되도록 하여 작동효율을 최적화합니다. 1.2 Turbojet의 최적화: 제트 엔진 성능을 최적화 할 때 일반적으로 엔진의 특정 추력(ST)과 특정 연료소비(SFC), 추력 단위를 생성하는데 필요한 연료의 질량유량이라는 매개변수가 고려됩니다. 보통 터빈 설계자는 압축기 압력비율(R)과 터빈 입구온도(TET)의 두가지 요소를 최적화하기 위해 두가지 열역학적 변수를 가지고 있습니다. 이 두변수가 SFC와 ST에 미치는 영향을 차례로 고려할 것입니다. ST는 TET에 크게 의존하며 특정 추력에 대해 엔진을 가능한 한 작게 유지하려면 TET를 최대화해야합니다. 그러나 TET의 증가는 일정한 R에서 더 큰 SFC를 초래할 것입니다. 반면에 ST의 이득은 일반적으로 더 높은 SFC의 패널티보다 더 중요하며, 특히 무게와 무게를 최소화하기 위해 작은 엔진이 중요한 고속 비행 속도에서 더 중요합니다. R을 늘리면 항상 SFC가 감소하므로 효율적인 압축 단계를 보장하는 것이 엔진에 중요합니다. 고정 된 TET 값의 경우 R을 늘리면 처음에는 더많은 ST가 발생하지만 결국 ST가 다시 감소하게됩니다. 따라서 엔지니어가 확인하는 역할인 R의 최적값이 존재합니다. 또한 최대 ST에 대한 최적의 압력비는 TET가 증가함에 따라 증가합니다. 물론 이러한 R 및 TET최적화는 엔진의 기계 설계와 분리 될수 없습니다. TET를 높이려면 훨씬 더 비싼 합금과 냉각된 터빈 블레이드를 사용해야하는데, 이는 지속적인 비용 증가, 기계적 복잡성 또는 엔진수명 감소로 이어집니다. R을 높이려면 더 큰 압축기와 터빈이 필요합니다. 마지막으로 다른 비행 속도와 비행 고도의 경우 질량 유량과 운동량 항력이 공기의 밀도와 전진 속도에 따라 달라지기 때문에 터보젯의 성능이 달라집니다. 총 추력은 주변 밀도와 압력 감소로 인해 고도가 증가함에 따라 상당히 감소하지만 엔진 흡기온도가 낮아지면 특정추력이 증가할수 있습니다 2.터보 팬: 터보 제트 엔진의 높은 출구속도는 민간 항공기에 필요한 높은 추진효율을 허용하지 않습니다. 추진 효율을 높이기 위해 종종 터보 팬 엔진으로 알려진 바이패스 엔진이 사용됩니다. 터보 팬 엔진의 핵심은 압축기, 연소실 및 파워 터빈을 특징으로하는 터보 제트와 본질적으로 동일합니다. 그러나 엔진에는 엔진 전면에 큰 팬을 구동하는 두 번째 터빈이 있습니다. 이 팬은 연소실을 통과하지 않고 배기 노즐로 공기를 보내는 바이패스 덕트로 공기를 전달합니다. 이러한 이유로 설계자는 종종 바이 패스 덕트의 저온 흐름과 코어를 통한 고온 흐름을 참조합니다. 더 차가운 바이패스 공기와 코어에서 나오는 뜨거운 배기 가스를 혼합하면 추진 효율이 높아지고 소음 수준이 낮아집니다. 초기 바이패스 엔진은 일반적으로 바이패스 비율 (바이 패스 공기의 질량 유량을 코어를 통과하는 공기의 질량유량으로 나눈 값)이 약0.3 ~ 1.5였습니다. 현대 여객기의 배치는 바이 패스 비율이 5이상인 HBR(High-Bypass-Ratio)엔진입니다.