항공기의 심장 제트엔진이란?

안녕하세요 Eric입니다 항공기 상식 중 비행기의 심장에 해당하는 제트엔진의 원리에 대해 간단히 알아보려고 합니다.

항공기 엔진

1. 제트엔진의 원리 (쓰읍!-쭈욱!-콰앙!-푸후!)

공기는 연소되면 팽창하는 성질 있습니다. 이 성질을 이용해 엔진 하나를 만들어 보겠습니다. 팽창하는 힘을 크게 만들기 위해서는 많은 공기와 많은 연료를 연소시켜야합니다. 우선 엔진 앞에 팬을 달아서 공기를 많이 유입시켜 모을 수 있습니다. 공기를 많이 모으긴 했는데 연소실 공간이 너무 넓으면 연료를 고르게 뿌리고 연소 시키기엔 다소 어려운 점이 있습니다. 연소실을 작게 만들면 해결되지만 많은 공기가 들어가지는 못합니다. 여기에 압축기를 만들어서 공기를 압축해 연소실로 넣어줍니다. 팬과 압축기를 따로따로 구동하게 되면 추가적인 동력이 필요하게 됩니다. 하지만 연소 후 팽창되는 힘 일부를 이용해 터빈을 돌리고 이 돌아가는 힘을 회전축으로 전달시켜 팬과 압축기를 돌려주면 좀 더 효율적입니다. 이제 노즐을 통해 공기분사 방향을 일정하게 만들어 추진력으로 만들어 볼 수 있습니다. 이것이 바로 제트엔진입니다. 원리로만 보면 간단합니다. 이렇게 제트엔진은 흡입(쓰읍), 압축(쭈욱), 연소(콰앙), 배기(푸후)의 단계를 거쳐 순간적으로 강한 공기를 뿜어내는데 뿜어내는 공기가 작용 반작용 원리로 인해 추력을 얻습니다. 이 엔진은 터빈을 구동하기 때문에 영어의 turb [강하게 돌다]라는 의미에서 유리한 turbo가 앞에 붙어 터보제트엔진(Turbojet egin)이라고 합니다.

Turbo Jet Engin

2. 제트엔진의 변형 터보팬 엔진!!

이 엔진에서 팬의 크기를 크게 키워 보겠습니다. 팬을 통과한 공기가 갈라져 엔진 코어(제트엔진)로 들어가거나 엔진 바깥으로 흘러갑니다. 이 바깥쪽 공기를 바이패스 에어라고 부릅니다. 엔진 코어로 들어가는 공기의 양과 바이패스의 공기량의 비율을 바이패스 비라고 합니다. 예를 들어 바이패스 비가 2이면 엔진에 1만큼의 공기가 들어간다 하면 바이패스의 공기량은 2가 된다는 뜻입니다. 바이패스 에어는 제트 보다 느리기 때문에 언뜻 보면 쓸모 없어 보입니다. 하지만 바이패스 비를 크게 만들어 많은 양의 바이패스 에어를 분사 한다면 상당한 충격을 얻을 수 있습니다. 그 이유는 에너지 공식에 있습니다.

Turbofan engin

운동에너지 공식은 E(에너지)는 2분의 1, 질량, 속도의 제곱($E=\frac{1}{2}\times m\times v^2$)입니다. 연소 후 배출되는 공기를 빠르게 분사하여 에너지를 얻을 수 있지만 많은 양의 공기를 다소 느리게 분사해도 질량이 많아져 에너지를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 즉 바이패스 에어로도 추력을 만들 수 있다는 것입니다. 그래서 이 엔진의 경우 제트 추력과 동시에 팬으로 추가 추력을 생성하기 때문에 터보팬이라고 합니다. 최신 민간여객기의 경우 바이패스 비가 8 혹은 10에 육박합니다. 이런 엔진들을 고 바이패스 비 터보팬 엔진이라고 하는데 엔진코어는 제트인 것을 뿐이고 바이패스로 얻은 추력이 전체출력에 약 80% 이상이 됩니다.

3. 항공기의 두 개의 심장 터보팬 제트엔진의 장점

우리가 일반적으로 제트엔진이라고 부르지만 사실 주요 추력은 제트보다 팬으로 얻은 출력이 더 큰 상황이라고 보시면 됩니다. 터보팬 엔진과 터보제트 엔진이 같은 추력을 낸다고 가정했을때 터보팬 엔진의 추력은 바이패스 에어와 엔진 코어에서 나오는 에어이기 때문에 엔진 코어 자체는 터보제트엔진보다 당연히 작을 수 밖에 없습니다. 더 작은 엔진으로 똑같은 출력이 나온다 그 말은 연료를 적게 먹고 효율이 좋다는 이야기가 됩니다. 또한 바이패스 에어가 엔진 코어에서 나오는 제트를 감싸면서 제트 소음이 상당히 줄어듭니다. 연료효율성과 정숙성, 두 장점 때문에 터보팬엔진은 항공업계에서 가장 널리 쓰이는 엔진이 되었습니다.

Airflow of turbofan engin