항공 우주학 개론

(1)

항공 우주학 개론

제5장 항공 추진역학

헬리콥터UAM 조종학과

유태정 교수

극동대학교

(2)

강의 목차

추진역학-프로펠러

01

추진역학-제트엔진

02

가스터빈 엔진

03 04 왕복엔진

초음속 엔진

05

전기추진 엔진

06

(3)

추진역학-개요

(4)

추진 역학

중력

추력 항력

양력

(5)

추진 역학

추진 기관

(Propulsion System)

항공용 엔진 공기흡입식 추진 (Air Breathing Propulsion)

화학 연료 추진 (Chemical Propulsion)

비 화학 연료 추진 (Non-Chemical Propulsion)

• 고체 로켓 (Solid Rocket)

• 액체 로켓

(Liquid Rocket)

• 하이브리드 로켓 (Hybrid Rocket)

로켓 추진기관 (Rocket Propulsion)

• 전기 추진

(Electrical Propulsion)

• 핵 추진

(Nuclear Propulsion)

• 태양광 추진

(Solar Propulsion)

• 가스터빈 엔진

(Gas turbine Engine)

• 왕복엔진

(Reciprocating Engine)

• 램제트 엔진 (Ramjet Engine)

• 스크램제트 엔진 (Scramjet Engine)

• 전기 추진

(Electrical Propulsion)

• 핵 추진

(Nuclear Propulsion)

• 태양광 추진

(Solar Propulsion) 화학 연료 추진

(Chemical Propulsion)

비 화학 연료 추진 (Non-Chemical Propulsion)

(6)

추진 역학

(7)

추진 역학

개 요 개 요

• 가스가 분출될 때 발생하는 분출 힘의 반력에 의해 풍선은 가스가 분출되는 반대방향으로 날아감

• 풍선 속에 있는 가스의 압력이 높을 수록 분출가스의 유량이 증가되고 분출가스의 속도가 빨라지므로, 더 큰 추진력을 얻음

• 추력은 연소실의 압력, 유량 및 분출되는 가스의 유속과 관련이 깊음

• 추진기관은 성능증대를 위해 연소실 압력을 가능한 한 높게 하기 위한 노력을 기울임

• 가스가 분출될 때 발생하는 분출 힘의 반력에 의해 풍선은 가스가 분출되는 반대방향으로 날아감

• 풍선 속에 있는 가스의 압력이 높을 수록 분출가스의 유량이 증가되고 분출가스의 속도가 빨라지므로, 더 큰 추진력을 얻음

• 추력은 연소실의 압력, 유량 및 분출되는 가스의 유속과 관련이 깊음

• 추진기관은 성능증대를 위해 연소실 압력을 가능한 한 높게 하기 위한 노력을 기울임

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추진역학-프로펠러

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프로펠러 추진역학

프로펠러 추진원리 프로펠러 추진원리

• 프로펠러의 성능해석

- 프로펠러에서 발생하는 추력을 계산하는 것

- 프로펠러의 성능해석 방법 : 깃 요소이론, 운동량 이론

• 깃 요소 이론

- 프로펠러 단면의 형상은 날개의 깃과 유사한 형상

- 회전할 경우 공기는 깃의 윗면에서 속도가 빨라지고 아랫면 에서는 속도가 느려짐

- 이때 속도 차이는 압력의 차이를 만들어 추력이 발생됨 - 프로펠러 깃의 선속도와 비행속도의 합성속도가 프로펠러의

회전면과 이루는 각을 유입각이라고 하며, 유효 받음각을 만들어주는 각임

- 이때 속도 차이는 압력의 차이를 만들어 추력이 발생됨 - 프로펠러 깃의 선속도와 비행속도의 합성속도가 프로펠러의

회전면과 이루는 각을 유입각이라고 하며, 유효 받음각을 만들어주는 각임

유입각

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프로펠러 추진역학

프로펠러 추진원리 프로펠러 추진원리

- 이때 속도 차이는 압력의 차이를 만들어 추력이 발생됨 - 깃각(blade angle)은 프로펠러의 회전면(disk)과 시위선이

이루는 각, 상대풍과 시위선이 이루각을 받음각이라고 함

- 이때 속도 차이는 압력의 차이를 만들어 추력이 발생됨 - 깃각(blade angle)은 프로펠러의 회전면(disk)과 시위선이

이루는 각, 상대풍과 시위선이 이루각을 받음각이라고 함 유입각

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프로펠러 추진역학

프로펠러 추진원리 프로펠러 추진원리

• 운동량 이론

- 공기의 운동량 변화로 추력을 계산하는 것으로 프로펠러의 전반적인 특성을 이해

- 깃의 기하학적 형태는 고려하지 않으므로 프로펠러의 구체적인 성능해석방법으로는 부적합함

• 운동량 이론

- 공기의 운동량 변화로 추력을 계산하는 것으로 프로펠러의 전반적인 특성을 이해

- 깃의 기하학적 형태는 고려하지 않으므로 프로펠러의 구체적인 성능해석방법으로는 부적합함

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프로펠러 추진역학

프로펠러 구조 프로펠러 구조

• 항공기의 프로펠러는 허브(hub)와 둘 이상의 깃(blade)으로 구성

• 깃은 허브에 부착되며 허브는 프로펠러 축에 부착됨

• 허브 : 깃을 지지, 프로펠러를 프로펠러 축에 연결시키는 장착대의 역할

• 깃 쭉지(blade shank) : 깃뿌리근처 위치, 단면이 원으로 된 부분, 강도를 유지하기 위하여 단면적이 큼

• 깃 뿌리 : 프로펠러 끝단에 위치, 허브에 체결이 되는 부위

• 항공기의 프로펠러는 허브(hub)와 둘 이상의 깃(blade)으로 구성

• 깃은 허브에 부착되며 허브는 프로펠러 축에 부착됨

• 허브 : 깃을 지지, 프로펠러를 프로펠러 축에 연결시키는 장착대의 역할

• 깃 쭉지(blade shank) : 깃뿌리근처 위치, 단면이 원으로 된 부분, 강도를 유지하기 위하여 단면적이 큼

• 깃 뿌리 : 프로펠러 끝단에 위치, 허브에 체결이 되는 부위

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프로펠러 추진역학

프로펠러 구조 프로펠러 구조

• 프로펠러의 깃의 단면은 에어포일 모양의 단면을 갖음

• 프로펠러의 깃각(blade angle)은 항공기 날개의 붙임각과 같은 것으로써 프로펠러의 회전면(disk)과 시위선이 이루는 각임

• 깃각은 위치에 따라 일정하지 않아 깃 뿌리에서는 크고 깃 끝으로 갈수록 작아짐

• 프로펠러를 대표하는 깃각은 일반적으로 프로펠러의 중심으로부터 75%반경인 점에서의 깃각으로 함

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프로펠러 추진역학

프로펠러 구조 프로펠러 구조

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프로펠러 추진역학

프로펠러 추력 계산식과 설명 프로펠러 추력 계산식과 설명

• 프로펠러 효율 : 프로펠러에 공급한 동력과 추력 동력의 비

• 일반적으로 프로펠러효율은 1.0보다 적으며 깃 각과 전진속도에 따라 달라짐 - 가로축에 표시된 그를 프로펠러의 진행비(J, advance ratio)

- 진행비의 물리적 의미는 깃끝이 그리는 선속도에 대한 비행속도와의 비를 나타냄

- 진행비를 나타내는 식에서 n은 초당 회전수를 나타내며, D는 프로펠러 직경, V는 비행속도

• 프로펠러 효율 : 프로펠러에 공급한 동력과 추력 동력의 비

• 일반적으로 프로펠러효율은 1.0보다 적으며 깃 각과 전진속도에 따라 달라짐 - 가로축에 표시된 그를 프로펠러의 진행비(J, advance ratio)

- 진행비의 물리적 의미는 깃끝이 그리는 선속도에 대한 비행속도와의 비를 나타냄

- 진행비를 나타내는 식에서 n은 초당 회전수를 나타내며, D는 프로펠러 직경, V는 비행속도

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추진역학-제트엔진

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제트엔진 추진역학

제트엔진 추진원리 제트엔진 추진원리

• 제트엔진

- 흡입구를 통해 흡입된 공기를 연소기에서 연료와 혼합, 연소

- 노즐을 통해 연소가스를 가속시켜(항공기의 비행속도보다 빠르게 대기로 분출)추력을 발생

• 제트추진 원리의 핵심

- 비행 속도로 흡입되는 흡입공기의 속도보다 연소 가스의 배출 속도를 빠르게 하여 - 비행속도와 배출속도의 속도 차이에 의해 반작용이 발생하여 추력을 생성

• 제트엔진

- 흡입구를 통해 흡입된 공기를 연소기에서 연료와 혼합, 연소

- 노즐을 통해 연소가스를 가속시켜(항공기의 비행속도보다 빠르게 대기로 분출)추력을 발생

• 제트추진 원리의 핵심

- 비행 속도로 흡입되는 흡입공기의 속도보다 연소 가스의 배출 속도를 빠르게 하여 - 비행속도와 배출속도의 속도 차이에 의해 반작용이 발생하여 추력을 생성

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제트엔진 추진역학

제트엔진 추진원리 제트엔진 추진원리

• 제트엔진의 주요장치 : 공기흡입구, 압축기, 연소기, 터빈, 배기 노즐

• 공기흡입구

- 공기유량을 유입 마찰을 최소화하면서 부드럽게 흡입할 수 있도록 하는 통로의 역할 - 압축기가 정상적으로 작동될 수 있도록 유입 공기의 속도를 제어하는 역할

• 제트엔진의 주요장치 : 공기흡입구, 압축기, 연소기, 터빈, 배기 노즐

• 공기흡입구

- 공기유량을 유입 마찰을 최소화하면서 부드럽게 흡입할 수 있도록 하는 통로의 역할 - 압축기가 정상적으로 작동될 수 있도록 유입 공기의 속도를 제어하는 역할

공기 흡입구 압축기 연소기

터빈

배기 노즐

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제트엔진 추진역학

제트엔진 추진원리 제트엔진 추진원리

• 압축기 : 공기의 압력이 상승하게 되며, 이때 공기의 열역학적 특성에 의하여 공기 온도도 동시에 상승

• 연소기 : 연소기 입구에서 분사되는 연료와 혼합되어 연소, 고온 고압의 연소 가스 생성

• 터빈 : 연소가스에 의해 터빈을 회전시키고, 터빈 회전은 압축기를 회전시켜서 지속적으로 흡입공기를 압축

• 배기 노즐 : 터빈을 통과한 연소가스는 배기 노즐을 통해 고속으로 대기로 분출되어 추력 발생

• 압축기 : 공기의 압력이 상승하게 되며, 이때 공기의 열역학적 특성에 의하여 공기 온도도 동시에 상승

• 연소기 : 연소기 입구에서 분사되는 연료와 혼합되어 연소, 고온 고압의 연소 가스 생성

• 터빈 : 연소가스에 의해 터빈을 회전시키고, 터빈 회전은 압축기를 회전시켜서 지속적으로 흡입공기를 압축

• 배기 노즐 : 터빈을 통과한 연소가스는 배기 노즐을 통해 고속으로 대기로 분출되어 추력 발생

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초음속엔진 추진역학

초음속 엔진 추진원리 초음속 엔진 추진원리

• 초음속 엔진 구성 : 압축기와 터빈이 없으며, 공기흡입구, 연료분사기, 연소기, 노즐 등으로 구성

• 공기흡입구는 대기중의 공기를 엔진으로 유입하여 압축기가 없이 유속을 줄이고 공기의 압력을 높여 (램압축) 연소실로 공급

• 연료는 유입되는 공기 속으로 분사되어 흡입공기와 혼합된 후 에 연소기로 공급

• 연소기 내에서 연소된 연소가스는 노즐을 통과하면서 운동에너지로 전환되면서 분사되는 제트의 반력으로 추진력을 발생

• 초음속 엔진 구성 : 압축기와 터빈이 없으며, 공기흡입구, 연료분사기, 연소기, 노즐 등으로 구성

• 공기흡입구는 대기중의 공기를 엔진으로 유입하여 압축기가 없이 유속을 줄이고 공기의 압력을 높여 (램압축) 연소실로 공급

• 연료는 유입되는 공기 속으로 분사되어 흡입공기와 혼합된 후 에 연소기로 공급

• 연소기 내에서 연소된 연소가스는 노즐을 통과하면서 운동에너지로 전환되면서 분사되는 제트의 반력으로 추진력을 발생

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가스터빈 엔진

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가스터빈엔진

가스터빈 엔진의 구조와 종류 가스터빈 엔진의 구조와 종류

• 추진력을 얻는 방법에 따라

- 터보제트엔진(turbojet engine) - 터보팬엔진 (turbofan engine) - 터보프롭엔진(turboprop engine) - 터보샤프트엔진(turboshaft engine)

• 추진력을 얻는 방법에 따라

- 터보제트엔진(turbojet engine) - 터보팬엔진 (turbofan engine) - 터보프롭엔진(turboprop engine)

- 터보샤프트엔진(turboshaft engine)

터보 제트 엔진 터보 제트 엔진

터보 팬 엔진

터보 팬 엔진 터보 프롭 엔진 터보 프롭 엔진 터보 샤프트 엔진 터보 샤프트 엔진

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가스터빈엔진

터보제트엔진 터보제트엔진

• 터보제트엔진은 압축기, 연소기, 터빈을 통과한 고온·고압의 가스를 배기 노즐로 배출하면서 얻는 고속의 속도를 이용한 추진장치임

• 고속의 배기 속도를 얻기 위해서는 배기 노즐의 면적이 점차 줄어드는 축소형 노즐(convergent nozzle)을 이용함

• 후기연소기(after burner)를 터빈과 축소확대 노즐 사이에 배치하여 배기가스의 온도를 최대한 상승시킨 후 초음속으로 배출하여 추력 증가의 효과를 얻음

• 터보제트엔진은 흡입된 공기를 고속으로 후방으로 배출하면서 얻는 제트에너지를 항공기 추진에 이용하고 있어 프로펠러추진 항공기에 비해 항공기의 고속비행이 가능하기 때문임

• 터보제트엔진은 압축기, 연소기, 터빈을 통과한 고온·고압의 가스를 배기 노즐로 배출하면서 얻는 고속의 속도를 이용한 추진장치임

• 고속의 배기 속도를 얻기 위해서는 배기 노즐의 면적이 점차 줄어드는 축소형 노즐(convergent nozzle)을 이용함

• 후기연소기(after burner)를 터빈과 축소확대 노즐 사이에 배치하여 배기가스의 온도를 최대한 상승시킨 후 초음속으로 배출하여 추력 증가의 효과를 얻음

• 터보제트엔진은 흡입된 공기를 고속으로 후방으로 배출하면서 얻는 제트에너지를 항공기 추진에 이용하고 있어 프로펠러추진 항공기에 비해 항공기의 고속비행이 가능하기 때문임

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가스터빈엔진

터보팬 엔진 터보팬 엔진

• 현대 항공기의 속도가 빨라짐에 따라 프로펠러 추진장치의 높은 효율성과 제트엔진의 고속 비행성능의 특성을 결합하는 방식이 필요하게 됨에 따라 개발된 엔진

• 터보팬 엔진은 배기가스의 속도를 감소시키고 질량유량을 증가시켜 추진력을 유지하면서도 비연료 소모율을 최대한 감소시키는 방향으로 개발이 진행되어 옴

• 엔진 내부에 제트엔진을 장착하고 외부에 프로펠러와 비슷한 기능을 담당하는 팬을 부착시키는 방식으로 그 개념을 구체화하게 되어 이를 터보 팬엔진으로 명명함

• 현대 항공기의 속도가 빨라짐에 따라 프로펠러 추진장치의 높은 효율성과 제트엔진의 고속 비행성능의 특성을 결합하는 방식이 필요하게 됨에 따라 개발된 엔진

• 터보팬 엔진은 배기가스의 속도를 감소시키고 질량유량을 증가시켜 추진력을 유지하면서도 비연료 소모율을 최대한 감소시키는 방향으로 개발이 진행되어 옴

• 엔진 내부에 제트엔진을 장착하고 외부에 프로펠러와 비슷한 기능을 담당하는 팬을 부착시키는 방식으로 그 개념을 구체화하게 되어 이를 터보 팬엔진으로 명명함

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가스터빈엔진

터보팬엔진 터보팬엔진

• 터보팬 엔진은 고압 압축기, 연소기, 고압터빈을 터보팬 엔진 내부에 장착하고 있으며, 이를 코어엔진(core engine) 또는 가스 제너레이터(gas generator)라고 명칭함

• 코어 엔진의 압축기를 고압 압축기, 터빈을 고압터빈이라 명칭 하는데 이는 또 하나의 압축기 역할을 수행하는 팬과 저압터빈이 터보 팬 엔진 내에 위치하고 있기 때문에 구분을 위한 것임

• 터보팬 엔진은 고압 압축기, 연소기, 고압터빈을 터보팬 엔진 내부에 장착하고 있으며, 이를 코어엔진(core engine) 또는 가스 제너레이터(gas generator)라고 명칭함

• 코어 엔진의 압축기를 고압 압축기, 터빈을 고압터빈이라 명칭 하는데 이는 또 하나의 압축기 역할을 수행하는 팬과 저압터빈이 터보 팬 엔진 내에 위치하고 있기 때문에 구분을 위한 것임

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가스터빈엔진

터보프롭 엔진 터보프롭 엔진

• 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된 가스 제너레이터를 통과한 고온·고압의 가스는 동력 터빈에서 축마력을 추출 하게 됨

• 추출된 축마력을 기어박스를 통하여 감속한 후 프로펠러를 구동함

• 동력 터빈은 가스 제너레이터의 회전축과 독립적으로 운영되며,

• 수만 rpm 이상으로 회전하므로 수천 rpm의 저속으로 회전하는 프로펠러를 구동하기 위해서는 감속기어가 필수적임

• 터보 프롭의 대부분의 주력은 프로펠러 회전으로부터 발생하는 추진력으로부터 얻게 되며, 약 10%정도의 추력은 배기 노즐에서 분사되는 제트 추진력으로 부터 얻게 됨

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가스터빈엔진

터보프롭 엔진 터보프롭 엔진

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가스터빈엔진

터보샤프트엔진 터보샤프트엔진

• 터보샤프트 엔진은 가스 제너레이터로 통과한 가스를 동력터빈을 통해 대부분의 속도에너지를 축마력으로 전환하여 전환된 축마력을

이용하여 항공기를 추진하는 엔진임

• 배기가스는 배기 덕트를 통해 저속으로 배출되므로 가스배출속도에 의한 추진력은 전혀 얻지못함

• 동력터빈에서 추출한 축마력은 기어박스를 통해 감속된 후 헬리콥터의 경우 메인 로터로 전달되어 회전력을 제공하게 됨

• 터보샤프트 엔진의 축마력은 최근 지상용 및 선박용 발전기를 구동하는 용도로도 사용되고 있음

• 터보샤프트 엔진은 가스 제너레이터로 통과한 가스를 동력터빈을 통해 대부분의 속도에너지를 축마력으로 전환하여 전환된 축마력을

이용하여 항공기를 추진하는 엔진임

• 배기가스는 배기 덕트를 통해 저속으로 배출되므로 가스배출속도에 의한 추진력은 전혀 얻지못함

• 동력터빈에서 추출한 축마력은 기어박스를 통해 감속된 후 헬리콥터의 경우 메인 로터로 전달되어 회전력을 제공하게 됨

• 터보샤프트 엔진의 축마력은 최근 지상용 및 선박용 발전기를 구동하는 용도로도 사용되고 있음

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

압축기 압축기

• 압축기는 크게 원심압축기(radial flow compressor)와 축류 압축기(axial flow compressor)로 구분됨

• 원심압축기

- 공기흡입부보다 출구부의 직경을 크게 하여 원심력의 효과를 이용하여 공기를 압축할 수 있는 장치

- 1단의 압축비가 약 4정도로 단당 압축비가 축류 압축기에 비해 매우 높고, 구조가 튼튼한 장점

- 먼지가 많이 흡입되는 헬리콥터 등의 가스 터빈 엔진, 보조 동력장치 등에 매우 유용하게 사용됨

- 축류 압축기에 비해 엔진의 직경이 상대적으로 커지고 단위면적당 통과하는 공기질량 유량이 상대적으로 작은 단점

• 압축기는 크게 원심압축기(radial flow compressor)와 축류 압축기(axial flow compressor)로 구분됨

• 원심압축기

- 공기흡입부보다 출구부의 직경을 크게 하여 원심력의 효과를 이용하여 공기를 압축할 수 있는 장치

- 1단의 압축비가 약 4정도로 단당 압축비가 축류 압축기에 비해 매우 높고, 구조가 튼튼한 장점

- 먼지가 많이 흡입되는 헬리콥터 등의 가스 터빈 엔진, 보조 동력장치 등에 매우 유용하게 사용됨

- 축류 압축기에 비해 엔진의 직경이 상대적으로 커지고 단위면적당 통과하는 공기질량 유량이 상대적으로 작은 단점

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

압축기 압축기

• 축류압축기 : 로터(rotor)와 스테이터(stator)로 구성

- 로터는 여러 층의 원반 둘레에 로터 블레이드(rotor blade)가 장착되어 있음

- 스테이터는 압축기의 외부 케이스 역할을 하며 안쪽에 스테이터 베인(stator vane)이 장착되어 있음

- 가이드베인(guide vane)은 압축기 입구에 설치되며 최전방의 로터 블레이드로 유입되는 공기 유입각을 유도하는 역할을 수행함 - 가이드 베인을 통과한 공기는 압축기의 축방향으로 흐르면서 로터

블레이드에 의해 속도가 가속된 후 스테이터 베인을 통과하면서 정압력 상승이 일어나게 됨

• 축류압축기 : 로터(rotor)와 스테이터(stator)로 구성

- 로터는 여러 층의 원반 둘레에 로터 블레이드(rotor blade)가 장착되어 있음

- 스테이터는 압축기의 외부 케이스 역할을 하며 안쪽에 스테이터 베인(stator vane)이 장착되어 있음

- 가이드베인(guide vane)은 압축기 입구에 설치되며 최전방의 로터 블레이드로 유입되는 공기 유입각을 유도하는 역할을 수행함 - 가이드 베인을 통과한 공기는 압축기의 축방향으로 흐르면서 로터

블레이드에 의해 속도가 가속된 후 스테이터 베인을 통과하면서 정압력 상승이 일어나게 됨

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

터 빈 터 빈

• 압축기와 필요한 장비를 구동 또는 터보 프롭 및 터보 축 엔진의 동력 축을 회전시키기 위한 동력을 발생하는 장치

• 연소된 고압, 고온의 연소가스를 팽창시켜 회전 동력을 얻음

• 터빈은 원심 터빈과 축류 터빈으로 분류

• 원심 터빈

- 원심압축기의 구조와 모양이 유사하나 흐름의 방향이 바깥쪽에서 중심 부분으로 흐르는 것이 다른 점

- 원심 터빈은 제작이 간편하고 비교적 효율이 좋으나, 단수를 증가시키면 효율이 낮아지고 구조가 복잡해지므로 보통 소형 엔진에서 주로 사용됨

• 압축기와 필요한 장비를 구동 또는 터보 프롭 및 터보 축 엔진의 동력 축을 회전시키기 위한 동력을 발생하는 장치

• 연소된 고압, 고온의 연소가스를 팽창시켜 회전 동력을 얻음

• 터빈은 원심 터빈과 축류 터빈으로 분류

• 원심 터빈

- 원심압축기의 구조와 모양이 유사하나 흐름의 방향이 바깥쪽에서 중심 부분으로 흐르는 것이 다른 점

- 원심 터빈은 제작이 간편하고 비교적 효율이 좋으나, 단수를 증가시키면 효율이 낮아지고 구조가 복잡해지므로 보통 소형 엔진에서 주로 사용됨

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

터빈 터빈

• 축류 터빈 - 스테이터와 로터로 구성

- 스테이터를 터빈 노즐 또는 베인이라고 함

- 스테이터 노즐의 단면은 에어포일 모양이며 수십개의 스테이터 노즐이 터빈 케이스 안쪽에 장착되어 터빈 스테이터 1열을 구성함 - 터빈 로터 블레이드도 에어포일 모양이며 터빈 디스크 주위에 수십

개의 블레이드가 장착 되어 1열의 터빈 로터를 형성함

- 연소된 고온, 고압의 연소가스는 터빈 노즐을 통과하면서 가속되고 터빈 로터 블레이드에 운동랑을 전달하여 터빈 축에 회전력을 전달 하게 됨

• 축류 터빈 - 스테이터와 로터로 구성

- 스테이터를 터빈 노즐 또는 베인이라고 함

- 스테이터 노즐의 단면은 에어포일 모양이며 수십개의 스테이터 노즐이 터빈 케이스 안쪽에 장착되어 터빈 스테이터 1열을 구성함 - 터빈 로터 블레이드도 에어포일 모양이며 터빈 디스크 주위에 수십

개의 블레이드가 장착 되어 1열의 터빈 로터를 형성함

- 연소된 고온, 고압의 연소가스는 터빈 노즐을 통과하면서 가속되고 터빈 로터 블레이드에 운동랑을 전달하여 터빈 축에 회전력을 전달 하게 됨

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

연소기 연소기

• 연소 개념

- 압축기에서 배출된 공기는 속도가 매우 빠르므로 연소기에서 필요로 하는 속도로 디퓨저에서 감속

- 연료 노즐에서 분사되는 연료와 혼합되어 1차 연소 영역을 형성함 - 1차 연소영역에서 대략 2000k 정도의 화염 온도를 유지

- 터빈에서 허용 가능한 가스 온도로 낮추기 위하여 희석공기공을 통해 대량의 공기가 공급되어 2차 연소영역을 형성한 후 터빈 노즐 배출

• 연소 개념

- 압축기에서 배출된 공기는 속도가 매우 빠르므로 연소기에서 필요로 하는 속도로 디퓨저에서 감속

- 연료 노즐에서 분사되는 연료와 혼합되어 1차 연소 영역을 형성함 - 1차 연소영역에서 대략 2000k 정도의 화염 온도를 유지

- 터빈에서 허용 가능한 가스 온도로 낮추기 위하여 희석공기공을 통해 대량의 공기가 공급되어 2차 연소영역을 형성한 후 터빈 노즐 배출

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

연소기 연소기

• 종류 : 캔(can)형, 캔-애뉼러형, 애뉼러(annular)형

• 캔형(can type)연소실

- 압축기 구동축 주위에 독립된 원통형 연소실을 같은 간격으로 배치한 형식 - 연소기 독립형태로 설계나 정비가 간단, 초기 가스터빈 엔진에 사용

- 환형 연소기에 비해 무게와 부피가 상대적으로 불리하여 항공용으로는 잘 사용되고 있지 않음

- 연소실의 외측 케이스, 원통형 라이너(liner), 연소실 마다의 연소 노즐, 두개의 점화기 및 시동 시화염을 전파하는 연결관 등으로 구성

• 종류 : 캔(can)형, 캔-애뉼러형, 애뉼러(annular)형

• 캔형(can type)연소실

- 압축기 구동축 주위에 독립된 원통형 연소실을 같은 간격으로 배치한 형식 - 연소기 독립형태로 설계나 정비가 간단, 초기 가스터빈 엔진에 사용

- 환형 연소기에 비해 무게와 부피가 상대적으로 불리하여 항공용으로는 잘 사용되고 있지 않음

- 연소실의 외측 케이스, 원통형 라이너(liner), 연소실 마다의 연소 노즐, 두개의 점화기 및 시동 시화염을 전파하는 연결관 등으로 구성

(35)

가스터빈엔진-구성품 작동원리

연소기 연소기

• 캔-애뉼러형(can-annular type)연소기

- 캔형 연소기에서 환형 연소기로 발전해 나가는 단계에서 개발 - 캔형의 경우 각각의 캔에 내측 및 외측케이스를 가지고 있으나, - 캔-에눌러 형의 경우 여러 개의 캔을 하나의 케이스로 둘러싸고 있어

캔형에 비해 공간활용도가 높은 편임

• 캔-애뉼러형(can-annular type)연소기

- 캔형 연소기에서 환형 연소기로 발전해 나가는 단계에서 개발 - 캔형의 경우 각각의 캔에 내측 및 외측케이스를 가지고 있으나, - 캔-에눌러 형의 경우 여러 개의 캔을 하나의 케이스로 둘러싸고 있어

캔형에 비해 공간활용도가 높은 편임

(36)

가스터빈엔진-구성품 작동원리

연소기 연소기

• 환형(annular type)연소기

- 압축기의 구동축을 둘러싸고 있는 한 개의 환형모양으로 된 연소기

- 외측케이스, 내측케이스, 환형 라이너, 여러 개의 연소 노즐 및 점화기로 구성 - 구조가 간단하고, 길이가 짧으며 원주 내의 모든 면적을 사용할 수 있어 캔형

연소기에 비해 반경 방향길이를 작게 할 수 있음

- 최근 항공용 엔진의 경우 전체의 직경을 감소할 수 있는 환형 연소기를 대부분 채택하고 있음

- 환형은 압축기의 형식에 따라 두가지 형식이 사용되고 있음

- 축류형 압축기인 경우 환형 직류 연소기를 사용하며, 원심형 압축기인 경우 대부분 환형 역류 연소기를 사용함

- 압축기의 구동축을 둘러싸고 있는 한 개의 환형모양으로 된 연소기

- 외측케이스, 내측케이스, 환형 라이너, 여러 개의 연소 노즐 및 점화기로 구성 - 구조가 간단하고, 길이가 짧으며 원주 내의 모든 면적을 사용할 수 있어 캔형

(37)

가스터빈엔진-구성품 작동원리

연소기 연소기

- 압축기의 구동축을 둘러싸고 있는 한개의 환형모양으로 된 연소기

- 외측케이스, 내측케이스, 환형라이너, 여러 개의 연소 노즐 및 점화기로 구성 - 구조가 간단하고, 길이가 짧으며 원주 내의 모든 면적을 사용할 수 있어 캔형

- 압축기의 구동축을 둘러싸고 있는 한개의 환형모양으로 된 연소기

- 외측케이스, 내측케이스, 환형라이너, 여러 개의 연소 노즐 및 점화기로 구성 - 구조가 간단하고, 길이가 짧으며 원주 내의 모든 면적을 사용할 수 있어 캔형

(38)

가스터빈엔진-구성품 작동원리

공기흡입구와 배기노즐 공기흡입구와 배기노즐

• 공기흡입구

- 가스터빈엔진이 필요로 하는 공기를 압축기로 공급해주는 통로

- 압축기의 정상 작동에 필요한 공기량과 공기 속도를 제어할 수 있도록 설계 - 항공기 고속비행 시에는 들어오는 공기의 속도를 감속 시키면서 압력을

상승시키고, 지상 정지 시에는 정지되어 있는 대기의 공기를 빨아들여 압축기가 필요로 하는 속도까지 가속하게 됨

- 아음속 항공기에는 확산형 흡입구를 사용

- 초음속 항공기에는 충격파를 이용하여 속도를 감소시키고 압력을 증가시키는 초음속 흡입구를 사용

• 공기흡입구

- 가스터빈엔진이 필요로 하는 공기를 압축기로 공급해주는 통로

- 압축기의 정상 작동에 필요한 공기량과 공기 속도를 제어할 수 있도록 설계 - 항공기 고속비행 시에는 들어오는 공기의 속도를 감속 시키면서 압력을

상승시키고, 지상 정지 시에는 정지되어 있는 대기의 공기를 빨아들여 압축기가 필요로 하는 속도까지 가속하게 됨

- 아음속 항공기에는 확산형 흡입구를 사용

- 초음속 항공기에는 충격파를 이용하여 속도를 감소시키고 압력을 증가시키는 초음속 흡입구를 사용

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가스터빈엔진-구성품 작동원리

공기흡입구와 배기노즐 공기흡입구와 배기노즐

• 배기노즐(exhaust nozzle)

- 배기 파이프 또는 테일파이프(tailpipe)라고도 하며 터빈을 통과한 배기가스를 대기 중으로 방출하기 위한 통로의 역할을 함

- 배기 덕트에서 공기가 분사되는 끝부분을 배기 노즐이라고 함 - 배기가스의 압력에너지를 속도에너지로 바꾸어 추력을 발생시킴 - 배기 노즐의 면적은 배기가스의 속도를 좌우하는 중요한 요소임 - 실제엔진에서는 터빈의 출구와 배기 노즐 사이에 역추력 장치와 후기

연소기(after burner)를 설치

• 배기노즐(exhaust nozzle)

- 배기 파이프 또는 테일파이프(tailpipe)라고도 하며 터빈을 통과한 배기가스를 대기 중으로 방출하기 위한 통로의 역할을 함

- 배기 덕트에서 공기가 분사되는 끝부분을 배기 노즐이라고 함 - 배기가스의 압력에너지를 속도에너지로 바꾸어 추력을 발생시킴 - 배기 노즐의 면적은 배기가스의 속도를 좌우하는 중요한 요소임 - 실제엔진에서는 터빈의 출구와 배기 노즐 사이에 역추력 장치와 후기

연소기(after burner)를 설치

(40)

왕복엔진

(41)

왕복 엔진

• 연료의 연소에 의하여 얻는 열에너지를 회전일로 변화시키는 내연기관 중 가장 보편적으로 사용되는 것

• 왕복엔진은 연소가스를 팽창시켜 피스톤을 왕복 운동시킨 다음 크랭크 기구에 의하여 회전일로 바꿈

• 1876년 독일의 오토(Otto)는 흡입, 압축, 팽창 및 배기의 네개 행정으로 작동하는 엔진을 개발하는데 성공함

• 연료의 연소에 의하여 얻는 열에너지를 회전일로 변화시키는 내연기관 중 가장 보편적으로 사용되는 것

• 왕복엔진은 연소가스를 팽창시켜 피스톤을 왕복 운동시킨 다음 크랭크 기구에 의하여 회전일로 바꿈

• 1876년 독일의 오토(Otto)는 흡입, 압축, 팽창 및 배기의 네개 행정으로 작동하는 엔진을 개발하는데 성공함

• 4행정 엔진은 동력축이 2회전할 때마다 1회의 폭발이 이루어짐 (흡입, 압축, 폭발, 배기)

• 항공기용 왕복엔진은 가솔린(gasoline) 4행정 엔진임

• 4행정 엔진은 동력축이 2회전할 때마다 1회의 폭발이 이루어짐 (흡입, 압축, 폭발, 배기)

• 항공기용 왕복엔진은 가솔린(gasoline) 4행정 엔진임

Connecting Rod

Crankshaft

Spark Plug

(42)

왕복 엔진

• 피스톤이 실린더 내에서 제일 깊이 들어간 위치, 즉 크랭크 축과 피스톤의 거리가 제일 멀 때의 피스톤 위치를 상사점(Top Dead Center, TDC) 이라함

• 반대로 크랭크축과 피스톤의 거리가 제일 가까운때의 피스톤 위치를 하사점(Bottom Dead Center, BDC)이라함

• 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 내의 용적과 하사점에서의 실린더내 용적의 비를 압축비라 함

• 피스톤이 실린더 내에서 제일 깊이 들어간 위치, 즉 크랭크 축과 피스톤의 거리가 제일 멀 때의 피스톤 위치를 상사점(Top Dead Center, TDC) 이라함

• 반대로 크랭크축과 피스톤의 거리가 제일 가까운때의 피스톤 위치를 하사점(Bottom Dead Center, BDC)이라함

• 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 내의 용적과 하사점에서의 실린더내 용적의 비를 압축비라 함

(43)

왕복 엔진 발전사

Flyer Engine(1903)

Flyer Engine(1903) Austro-Daimler 6(1910) Austro-Daimler 6(1910)

154마력 수랭식 직렬형 154마력 수랭식 직렬형 12마력 수랭식 직렬형

12마력 수랭식 직렬형

Bristol Jupiter(1920) Bristol Jupiter(1920)

580마력 공랭식 단열 형성형 580마력 공랭식 단열 형성형

RR Merlin(1930) RR Merlin(1930)

1,440마력 수랭식 V형 1,440마력 수랭식 V형

Bristol Centaurus(1943)

Bristol Centaurus(1943) SMA SR305-230(1998) SMA SR305-230(1998)

260마력 공랭식 수평 대향형 260마력 공랭식 수평 대향형 2,520마력 공랭식 형성형

2,520마력 공랭식 형성형

(44)

왕복 엔진의 종류

개요 개요

• 사이클에 따라 4행정 엔진과 2행정 엔진으로 분류

• 냉각 방법에 따라 공냉식과 수냉식 엔진으로 분류, 현재 항공기용 엔진은 공냉식 엔진이 사용

• 실린더의 배열방법에 따라 직렬형(in-line type), 수평 대향형(flat or opposed type), V형, W형, 성형(radial type) 및 X형, 이열성형 (double row radial type) 등으로 분류

* 현재는 거의 대부분 수평 대향형과 성형 엔진 만이 사용됨

• 실린더의 배열방법에 따라 직렬형(in-line type), 수평 대향형(flat or opposed type), V형, W형, 성형(radial type) 및 X형, 이열성형 (double row radial type) 등으로 분류

직렬형(In-Line)

직렬형(In-Line) V형 V형 수평 대향형(Flat) 수평 대향형(Flat) W 형 W 형

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왕복 엔진의 종류

개요 개요

• 실린더의 배열방법에 따라 직렬형(in-line type), 수평 대향형(flat or opposed type), v형, x형, 이중 v형(double v-type), 성형(radial type) 및 이열성형 (double row radial type) 등으로 분류

X 형

X 형 U 형 U 형 Delta 형 Delta 형 K 형 K 형 성(radial)형 성(radial)형

(46)

왕복 엔진의 구조

• 4행정 엔진의 기본구조

- 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 축 및 두 개의 밸브로 구성

- 왕복엔진의 연소실은 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축, 흡배기 밸브, 점화를 위한 스파크 플러그 등의 부품들로 구성됨

• 4행정 엔진의 기본구조

- 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 축 및 두 개의 밸브로 구성

- 왕복엔진의 연소실은 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축, 흡배기 밸브, 점화를 위한 스파크 플러그 등의 부품들로 구성됨

• 연소실

- 실린더 기통(cylinder barrel)과 실린더 헤드(cylinder head)로 구분 - 실린더기통은 보통 합금강으로, 실린더헤드는 알루미늄 합금으로 되어있음 - 최근의 실린더의 냉각은 공냉식 냉각 방법을 사용하므로 실린더헤드는 냉각핀

(cooling fin)을 주조 혹은 단조에 의하여 제작

- 실린더헤드에는 흡기, 배기 밸브와 점화하기위한 스파크 플러그를 보통 두 개씩 장착함

• 연소실

- 실린더 기통(cylinder barrel)과 실린더 헤드(cylinder head)로 구분 - 실린더기통은 보통 합금강으로, 실린더헤드는 알루미늄 합금으로 되어있음 - 최근의 실린더의 냉각은 공냉식 냉각 방법을 사용하므로 실린더헤드는 냉각핀

(cooling fin)을 주조 혹은 단조에 의하여 제작

- 실린더헤드에는 흡기, 배기 밸브와 점화하기위한 스파크 플러그를 보통 두 개씩 장착함

(47)

왕복 엔진의 구조

• 피스톤

- 기능은 실린더 내의 폭발 압력을 힘으로 변환하여 커낵팅 로드를 거쳐 크랭크 축으로 전달하는 역할을 함

- 피스톤 상부의 온도는 상당히 높고, 큰 압력과 함께 계속 왕복 운동을 하므로 열전도가 잘되고 강도가 높으며 무게가 가벼워서 관성력이 적어야 함

- 피스톤의 구조는 알루미늄 합금으로 단조 혹은 주조하여 만듬

- 피스톤은 고압에 견디고 열발산을 잘할 수 있도록 내부에 냉각핀을 달아 방열면을 가능한 한 넓게 함

• 피스톤

- 기능은 실린더 내의 폭발 압력을 힘으로 변환하여 커낵팅 로드를 거쳐 크랭크 축으로 전달하는 역할을 함

- 피스톤 상부의 온도는 상당히 높고, 큰 압력과 함께 계속 왕복 운동을 하므로 열전도가 잘되고 강도가 높으며 무게가 가벼워서 관성력이 적어야 함

- 피스톤의 구조는 알루미늄 합금으로 단조 혹은 주조하여 만듬

- 피스톤은 고압에 견디고 열발산을 잘할 수 있도록 내부에 냉각핀을 달아 방열면을 가능한 한 넓게 함

(48)

왕복 엔진의 구조

• 밸브 기구의 구성

- 밸브의 크랭크 축이 2회전마다 1회 씩 열려야 하므로 크랭크 축 속도의 반으로 회전하는 캠에 의해 작동 됨

- 수평 대향형 및 직렬형 엔진은 밸브를 작동시키기 위해 캠축이 사용되나 성형 엔진에서는 이열의 캠로브(cam lob)를 가진 캠플레이트(camplate) 혹은 캠링(camring)을 사용함

• 밸브 기구의 구성

- 밸브의 크랭크 축이 2회전마다 1회 씩 열려야 하므로 크랭크 축 속도의 반으로 회전하는 캠에 의해 작동 됨

- 수평 대향형 및 직렬형 엔진은 밸브를 작동시키기 위해 캠축이 사용되나 성형 엔진에서는 이열의 캠로브(cam lob)를 가진 캠플레이트(camplate) 혹은 캠링(camring)을 사용함

(49)

초음속 엔진

(50)

초음속 엔진

• 공기 흡입식 엔진은 엔진 작동의 속도범위에 따라 구분

• 터보제트, 램제트, 스크램제트순으로 엔진 구성품이 간단해지고 내부 저항이 줄어듬

• 가스터빈엔진 아음속 비행, 램제트(ramjet engine)은 초음속비행, 스크램제트엔진(scramjet engine)은 극초음속 비행에 적합

• 공기 흡입식 엔진은 엔진 작동의 속도범위에 따라 구분

• 터보제트, 램제트, 스크램제트순으로 엔진 구성품이 간단해지고 내부 저항이 줄어듬

• 가스터빈엔진 아음속 비행, 램제트(ramjet engine)은 초음속비행, 스크램제트엔진(scramjet engine)은 극초음속 비행에 적합

(51)

초음속 엔진

• 초음속으로 흡입되는 공기가 쐐기모양의 톱 입구 물체를 지나갈 때 충격파가 발생하고 이 충격에 의해서 초음속의 흡입 공기를 아음속까지 감속시켜 압력을 높이는 원리를 이용

• 공기가 압축되는 현상을 램(ram) 또는 램 효과(ram effect)라고 함

• 흡입구에서 압축된 공기는 디퓨저(diffuser)를 통해 연소실로 공급되며, 연소실에서 발생된 연소가스가 노즐을 통하여 분출되는 제트의 힘으로 추진력을 얻음

• 초음속으로 흡입되는 공기가 쐐기모양의 톱 입구 물체를 지나갈 때 충격파가 발생하고 이 충격에 의해서 초음속의 흡입 공기를 아음속까지 감속시켜 압력을 높이는 원리를 이용

• 공기가 압축되는 현상을 램(ram) 또는 램 효과(ram effect)라고 함

• 흡입구에서 압축된 공기는 디퓨저(diffuser)를 통해 연소실로 공급되며, 연소실에서 발생된 연소가스가 노즐을 통하여 분출되는 제트의 힘으로 추진력을 얻음

램제트엔진

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초음속 엔진

• 초음속 연소 램제트(supersonic combustion ramjet)의 약자로 연소기에서의 유속이 초음속에서 연소됨을 호칭한 것

• 램효과를 이용하여 극초음속 공기를 흡입구와 디퓨저에서 낮은 초음속(마하수2〜3)으로 감속·압축시키고, 연소실로 유입된 공기는 연료와 혼합되어 초음속에서 연소됨

• 스크램 제트 엔진은 램제트 엔진과 같이 흡입공기를 압축시키고자 하는 목적은 같지만, 연소기에서의 유동 속도는 램제트와 달리 초음속에서 연소된다는 점이 다름

• 초음속 연소 램제트(supersonic combustion ramjet)의 약자로 연소기에서의 유속이 초음속에서 연소됨을 호칭한 것

• 램효과를 이용하여 극초음속 공기를 흡입구와 디퓨저에서 낮은 초음속(마하수2〜3)으로 감속·압축시키고, 연소실로 유입된 공기는 연료와 혼합되어 초음속에서 연소됨

• 스크램 제트 엔진은 램제트 엔진과 같이 흡입공기를 압축시키고자 하는 목적은 같지만, 연소기에서의 유동 속도는 램제트와 달리 초음속에서 연소된다는 점이 다름

스크림제트엔진

(53)

초음속 엔진

공기 흡입식 엔진의 특징 공기 흡입식 엔진의 특징

엔진 추력원 압축방식 설명

터보제트 (turbojet)

jet

Compressor

• 압축기와 터빈을 이용한 공기압축

→ 연소실에서 압력 상승

→ 연소효율이 높고 아음속 순항에 적합

램제트 (ramjet)

Ram effect

• 공기의 특성(압축성)을 이용한 공기압축(ram)

• 연소실에서 아음속으로 연소

→ 초음속 순항에 적합(마하수 2~4) 스크림제트

(screamjet)

• 초음속 연소(supersonic combustion)

→ 극초음속 순항에 적합(마하수 5 이상)

(54)

전기추진엔진

(55)

전기추진엔진

항공기전기 추진시스템 항공기전기 추진시스템

• 친환경 엔진으로 화석 연료 대신에 전기를 동력원으로 사용하는 전기 추진 엔진이 개발

• 이차전지, 태양전지 등의 동력원에서 전력을 공급받아 모터를 구동하는 방식과 연료전지 또는 내연기관을 결합한 하이브리드 방식을 적용

• 항공기에 필요한 전기동력은 기본적으로 이차전지, 연료전지, 태양전지로부터 공급, 필요에 따라 단일 동력원 또는 두 세가지를 조합한 복수 동력원을 사용함

• 현재 소형 무인기 분야에서는 리툼-이차전지를 적용한 단일 동력원 방식이 널리 사용됨

• 친환경 엔진으로 화석 연료 대신에 전기를 동력원으로 사용하는 전기 추진 엔진이 개발

• 이차전지, 태양전지 등의 동력원에서 전력을 공급받아 모터를 구동하는 방식과 연료전지 또는 내연기관을 결합한 하이브리드 방식을 적용

• 항공기에 필요한 전기동력은 기본적으로 이차전지, 연료전지, 태양전지로부터 공급, 필요에 따라 단일 동력원 또는 두 세가지를 조합한 복수 동력원을 사용함

• 현재 소형 무인기 분야에서는 리툼-이차전지를 적용한 단일 동력원 방식이 널리 사용됨

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전기추진엔진

항공기전기 추진시스템 항공기전기 추진시스템

• 직렬-하이브리드(series-hybrid)방식

- 엔진에 발전기를 직결해서 나오는 출력과 이차전지 출력을 조합해서 로터와 프로펠러 전기모터를 구동

- 내연기관과 발전기 세트, 이차 전지가 더해지고 엔진과 전기의 출력을 제어하는 컨버터 및 제어기가 포함, 인버터를 통해 모터를 구동하는 시스템으로 구성

- 직렬 하이브리드방식은 시스템 구성이 단순하고 전기동력만으로 비행체의 추진동력을 제어할 수 있음

• 직렬-하이브리드(series-hybrid)방식

- 엔진에 발전기를 직결해서 나오는 출력과 이차전지 출력을 조합해서 로터와 프로펠러 전기모터를 구동

- 내연기관과 발전기 세트, 이차 전지가 더해지고 엔진과 전기의 출력을 제어하는 컨버터 및 제어기가 포함, 인버터를 통해 모터를 구동하는 시스템으로 구성

- 직렬 하이브리드방식은 시스템 구성이 단순하고 전기동력만으로 비행체의 추진동력을 제어할 수 있음

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