가스터빈 엔진 : 항공기 추력을 만드는 원리

항공기는 양력에 의해 뜹니다. 하지만 양력은 추력이 있어야 발생합니다. 오늘은 항공기 추력에 대한 내용과 가스터빈 엔진이 추력을 만드는 원리에 대해 이야기해보겠습니다.

1. 추력의 개요

항공기에는 양력, 중력, 추력, 항력 총 네 가지 힘이 작용합니다. 그중 추력이 있어야 항공기가 항력을 이겨내고 앞으로 전진할 수 있습니다. 추력에 의해 충분한 속도에 도달한 후에 양력이 발생합니다. 즉 항공기가 양력을 얻기 위해서는 먼저 충분한 추력이 발생되어야 합니다. 일반적으로 추력은 공기를 흡입한 후 배기시키는 과정에서 발생합니다. 이때 '뉴턴 제3법칙 : 작용 반작용 법칙'이 적용됩니다. 가스터빈 엔진은 공기를 흡입하여 압축과 연소를 거쳐 빠른 속도로 뒤로 배기시킵니다. 엔진에서 뒤로 공기를 밀어내는 힘만큼, 공기도 항공기를 앞으로 밀어냅니다. 이것이 추력의 원리입니다.

 

가스터빈 엔진의 추력을 증가시키는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫째, 공기흐름양을 증가시키거나 둘째, 공기 배출속도를 증가시키는 것입니다. 둘 중 공기흐름량을 증가시키는 방법을 많이 사용합니다. 엔진에서는 흡기, 압축, 팽창, 배기 과정을 연속적으로 거쳐 추력을 발생시킵니다.

2. 가스터빈 엔진 구조

가스터빈 엔진 내부 구조

왕복엔진과 가스터빈 엔진은 구조가 크게 다릅니다. 왕복엔진은 흡입, 압축, 팽창, 배기 과정이 한 곳에서 순서대로 이루어집니다. 반면에 가스터빈 엔진은 압축기, 연소실, 터빈, 배기 부분으로분리되어 있고 동시에 일어납니다. 엔진의 구성은 연료소비량, 신뢰성, 성능 등을 고려하여 설계합니다. 맨 앞부분에 대형 팬을 장착해 민간 항공기의 운항속도에서 효율을 높였습니다. 압축기는 효과적으로 공기를 압축할 수 있는 형태이며 실속을 방지하기 위해 2축 구조를 가지고 있습니다. 연소실은 압축된 공기와 연료를 적절히 혼합하고 연소할 수 있도록 균일한 구조를 갖고 있으며 고온에 강한 재질로 설계됩니다. 터빈은 압축기와 2축으로 연결되어 연소가스를 통해 압축기를 구동시키기 위한 부분입니다. 따라서 연소가스의 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 쉬운 구조로 되어 있습니다. 배기 부분은 연소 가스를 빠르게 공기 중으로 방출시키는 역할을 하는 부분입니다. 가스가 역류하지 않고 원활하게 흐를 수 있는 형태를 띠고 있습니다.

3. 가스터빈 엔진의 계통들

위에서 언급한 구조들 외에도 연료, 점화, 시동, 윤활, 화재방지등 여러 계통들이 모여 가스터빈 엔진을 구성합니다. 각 계통들은 경제성, 안전성, 정비 효율성, 작동 안정성을 확보하기 위해 엔진에 포함되어 있습니다. 적절한 양의 연료가 컴퓨터에 의해 조절되어 분사되고 정확한 시간에 점화가 일어납니다. 엔진이 자력으로 회전할 수 있도록 시동 계통이 있으며 구성품들의 수명과 작동 효율성을 위해 윤활 계통이 있습니다. 또한 화재 발생을 대비해 고온을 감지하고 소화액을 분출하는 소화계통이 있습니다. 이토록 복잡하고 다양한 시스템들이 가스터빈 엔진을 안전하게 작동시키기 위해 동작하고 있습니다.

 

항공 산업뿐 아니라 여러 분야에서 에너지를 얻기 위해 가스터빈 엔진을 사용합니다. 대한민국도 2023년도에 독자적인 가스터빈 엔진을 만들어 냈으며, 지금도 여러 기업과 국가들이 더 발전된 가스터빈 엔진을 만들기 위해 첨단기술을 연구하고 있습니다. 1900년대 초중반에 개발되어 현재에 이르기까지 항공 산업과 에너지 분야의 성장을 견인한 가스터빈 엔진은 이제 전 세계에서 주목받는 산업입니다. 앞으로 더욱 안전하고 효율적이며 친환경적인 가스터빈 엔진을 만들기 위해 노력해야 할 것입니다.