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터보제트

last modified: 2015-01-22 10:23:57 Contributors

파워드 기어에 등장하는 레그 파츠는 터보 제트 항목을 참조할 것

영어: Turbojet
독일어: Strahltriebwerk
가스터빈 엔진 중 가장 먼저 발명되었고 구조도 가장 단순한 제트엔진.

Contents

1. 터보제트의 여명기
2. 작동원리
3. 적용분야
4. 문제점
5. 주요 터보제트엔진 일람
6. 터보제트엔진을 탑재한 주요 항공기
6.1. 실험기
6.2. 군용기
6.3. 민항기
7. 터보 펜 엔진과의 차이점

1. 터보제트의 여명기

가스터빈을 항공기의 동력원으로 쓰려는 시도는 1921년 프랑스의 발명가 막심 기욤(Maxime Guillaume)이 낸 축류식 터보제트의 개념도까지 거슬러 올라가지만 당시 기술력으로는 만들 수 없어서 그냥 묻혀 버렸다.

이후 1926년 그리피스(A. A. Griffith)가 발표한 논문인 터빈 설계의 공역학적 이론(An Aerodynamic Theory of Turbine Design)에서 축류식 압축기를 실제 제작할 수 있는 이론적인 근거가 확립되었으며, 이후 영국의 프랭크 휘틀(Frank Whittle)과 독일의 한스 폰 오하인(Hans von Ohain)이 독자적으로 그 원리를 이용하여 1930년대 후반에 실용적인 시제품을 만들게 되었다.

그리고 결국 1939년 8월 27일에 하인켈(Heinkel)에서 세계 최초로 터보제트 엔진을 장착한 항공기인 He 178이 초도비행을 달성하였다. 그리고 제2차 세계대전에서는 독일군메서슈미트 Me262영국군글로스터 미티어(Gloster Meteor) 전투기들이 1944년 말엽에 작전에 투입되었다.

2. 작동원리

터보제트는 가장 먼저 개발된 항공기용 가스터빈 엔진인만큼 그 구조가 간단하다. 공기 흡입구로 공기가 유입되면 그것이 압축기를 통과하면서 고온 고압의 압축공기로 바뀌고, 그 공기가 연소실에서 분사되는 연료와 만나 발화하면서 생기는 고온 고압의 배기가스가 압축기와 연동된 터빈을 회전시킨 후 배출된다.

복잡하게 보인다면 아래의 그림을 보자.


공기가 일직선으로 움직이고, 피스톤 엔진처럼 왕복운동을 회전운동으로 바꿔줄 필요도 없기 때문에 부품의 개수, 가지수가 모두 적어 신뢰성이 높다. 또한 폭발 순간에만 외부에 일을 하게 되는 왕복 기관과 달리 지속적인 공기의 압축, 화염에 의한 팽창, 고온/고속 개스의 분출을 하기 때문에 더 큰 출력을 얻을 수 있게 된다는 장점이 있다.

하지만 화염의 유지가 어렵다는 단점이 있다. 일반적으로 대부분의 연료들은 초속 5m/s의 바람에도 쉽게 꺼진다. 따라서 연료 분사 장치 및 점화 장치들은 압축기를 통해 압축되어 유입되는 고속의 공기를 이겨내고 화염을 유지시켜야 한다. 이는 작동 조건이 까다롭게 된다는 것을 의미한다. 결과적으로 터보제트 엔진 설계의 가장 핵심이 되는 부분이 바로 이 화염 유지 이기도 하다.

터보제트는 압축기의 형식에 따라 두 종류로 나뉜다.
원심압축기를 채택한 터보제트 엔진으로, 엔진의 길이가 짧은 대신에 굵고, 압축비가 떨어진다. 그리고 공기의 흐름이 압축기의 블레이드 끝 방향으로 날아갔다가 압축기를 지나면서 다시 축에 평행해지기 때문에 효율이 떨어진다. 초창기의 원심식 터보제트 엔진의 압축비는 5:1 가량으로, 21세기의 자동차용 자연흡기식 피스톤 엔진의 압축비인 10:1에 비하면 현저히 낮다. 하지만 축류식에 비해 상대적으로 가혹한 작동 조건(대체로 흡입되는 공기의 유량이 낮은 경우)에서도 안정적으로 동작한다는 점이 장점이며 축류식에 비해 이물질 흡입에도 잘 견디는 편이다. 또한 최대로 만들 수 있는 압축비는 축류식보다 떨어지지만, 압축기 1단 만을 놓고 비교하면 축류식보다 높은 압력을 만들 수 있기 때문에 길이에 제약을 받는 미사일용 제트엔진으로는 많이 쓰는 방식이다. 또 R/C용 엔진도 상당수는 원심식 터보제트 엔진이다.

일반적으로 알려진 터보제트 엔진의 형식. 기류가 축에 평행하며 따라서 효율이 좋은데다가 구경이 작아서 항공기에 탑재하기 편리하여 원심식을 대신하여 터보제트 엔진의 주류로 정착하였다. 압축비가 높으며 고고도 고속순항에 적합하다. 일례로 콩코드에 탑재된 롤스로이스/스네크마 올림푸스 593 엔진의 압축비는 15.5:1이다. 단 이렇게 높은 압축비를 얻으려면 실제로는 축류식 압축기가 앞뒤로 10개 에상 쭉 늘어선 형태가 되어야 한다. 원심식에 비하면 1단, 1단의 압축비 자체는 낮은 편이지만 원심식과 달리 여러단으로 압축기를 만들어도 효율저하가 상대적으로 심하지 않다는 것이 장점. 대신 원심식에 비하면 상대적으로 이물질 흡입에 약하고, 앞뒤 길이가 길어진다는 단점이 있다.

3. 적용분야

터보제트 엔진은 고속비행이 가능하고 신뢰성도 우수하여 제2차 세계대전 이후에는 군용기, 민항기를 불문하고 급속도로 보급되었다. 경제성이 뛰어난 터보팬 엔진의 발명 이후로는 항공기용으로의 수요는 급격하게 줄었지만 중거리 크루즈 미사일에는 고속성능과 소형화를 동시에 달성할 수 있어 널리 사용되고 있다.[1]

4. 문제점

터보제트는 피스톤 엔진에 비해 고고도 고속순항이 가능하고 신뢰성도 비약적으로 높지만, 경제성과 소음에서 고질적인 문제점을 지니고 있었다.

터보제트의 특성상 의도한 성능을 제대로 내려면 더 많은 공기를 압축하여 연료의 연소효율을 높여야 하고, 따라서 고속으로 비행할때 효율이 더 좋아진다. 반대로 말하면 저속으로 비행중일 경우에는 압축되는 공기의 양이 적어 연소효율이 떨어질 수밖에 없고, 따라서 연료를 많이 사용해서 부족한 출력을 보충해 줘야 한다. 그러니 저속에서는 비경제적이다.

또한 압축비가 큰 배기가스가 고속으로 분출되다 보니 기압차에 의한 폭음도 피할 수가 없다.

이러한 문제점들로 인해 터보제트 엔진은 음속이하로 비행하는데에 더 적합한 터보팬터보프롭의 실용화 되면서 급격히 도태되어 현재는 주로 제트엔진을 쓰긴 써야 하는데 터보팬보다 저가나 소형화가 필요한 곳에서만 제한적으로 쓰이는 수준.

5. 주요 터보제트엔진 일람

  • 롤스로이스 넨
  • 롤스로이스/스네크마 올림푸스 593
  • 제너럴 일렉트릭 J79
  • 프랫&휘트니 J57

6. 터보제트엔진을 탑재한 주요 항공기



6.1. 실험기

  • 하인켈 He 178: 독일에서 개발한 최초의 터보제트 항공기


6.2. 군용기


  • F-4
  • F-5
  • F-86
  • F-104
  • F-105
  • A-4
  • A-6
  • KC-135: A형, Q형[2] 한정. 후기형인 E형은 JT3D 터보팬 엔진을 장비했고 현대화 사업 이후 R형에서는 경제성 및 소음방지성능이 우수한 CFM56 터보팬 엔진이 장착되었다.
  • Me262: 최초의 터보제트 전투기
  • U-2 : 초기형 한정.

6.3. 민항기

  • 코메트: 최초의 제트추진 여객기
  • 콩코드: 영국과 프랑스가 공동제작한, 초음속 순항을 전제로 설계된 최초의 여객기
  • 707 : 초기형 한정. 후기형은 JT3D 터보팬 엔진을 장비한다.
  • CV-880/990 : CV-880 한정.
  • DC-8: 이것 역시 초기형 한정. 여객기로는 처음으로 음속을 돌파한 기록을 세웠다.
  • Tu-104

7. 터보 펜 엔진과의 차이점

터보 펜 엔진은 맨 앞쪽의 펜이 더 커져 있어서 모든 공기가 엔진 내부를 통과하지 않는다는 것이다.


터보제트 엔진은 로켓 엔진에 비해서 연료 효율이 훨씬 좋지만 여전히 아주 구리다. 그래서 고속 회전으로 그냥 버려지는 에너지를 주변 공기를 뒤로 추진하는데에 쓰는 것이다. 이 공기들은 엔진 내부를 통과하지 않기 때문에 바이페스 에어(Bypass air)라고 한다. 현대 여객기 대부분은 이 엔진을 쓰며 현대의 전투기들도 채용하는 엔진이다. 하지만 당연히 급격한 추력 변경이 어렵고 최고속도 역시 약간 낮은 편이다.

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  • [1] 대표적인 사례가 BGM-109 토마호크. 원래는 터보팬 엔진을 사용했으나, 2003년부터 배치되는 택티컬 토마호크부터는 가격을 낮추느라 터보제트 엔진을 사용한다. 떨어지는 연비는 연료량을 늘린다는 뭔가 미국다운 방법으로 해결.
  • [2] SR-71 전용 급유기. A형과 동일하지만 블랙버드 전용 연료인 JP-7을 싣고 다닌다.