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https://www.gereports.kr/lets-talk-about-jets-baby-jet-engines-to-be-more-precise/

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https://naver.me/GnjECxqC

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가솔린 기관(Gasoline engine)은 가솔린(휘발유) 에서 구동되도록 설계된 스파크 점화 및 연료와 유사한 휘발성을 가진 내연 기관 이다.

가솔린 기관이란 명칭은 보통 북아메리카에서 쓰는 표현이며 영국등 다른 영어권에서는 페트롤 기관(Petrol engine)이라고 부른다.

1876년 독일의 니콜라우스 오토가 4행정 내연 기관을 발명한 것이 가솔린 기관의 시초이며, 4행정 가솔린 내연 기관을 ' 오토 기관'(Otto engine)이라고도 부른다.

가솔린 기관은 왕복식 기관과 회전식 기관이 있으며, 왕복식 기관은 2행정 기관과 4행정 기관로 나뉜다. 이 중 4행정 기관이 흔하게 사용하며, 2행정 기관은 오토바이, 스쿠터 같은 소형 차량이나, 예취기같은 소형 원동기에 주로 쓰인다. 회전식 기관은 로터리 엔진으로 알려진 방켈 엔진 이 있다.

다른 내연 기관 과 마찬가지로 기관 내부에서 연료를 직접 태워 발생하는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 방식을 가지고 있다. 가솔린 기관은 다른 기관과 달리 기화된 휘발유에 공기를 혼합한 가스를 태우는 힘으로 작동시킨다. 혼합 가스를 태울때는 피스톤을 밀어내어 압축을 시킨 후에 점화플러그에서 전기 스파크를 내어 연소시킨다. 가솔린 기관의 힘의 단위로 보통 마력(hp) 또는 와트(W)로 나타낸다.

초기의 가솔린 기관에 많이 쓰였던 형식으로 기화기(카뷰레터,carburetor)를 사용하여 공기과 연료를 미리 적절한 비율로 혼합시킨 후 실린더에 흡입하는 방식이다. 기화기에는 스로틀 밸브가 있으며 운전자가 가속 페달로 개폐량을 조절하면서 엔진 내부로 흡입되는 공기의 양이 제어되며, 이에 따라 엔진 출력이 제어된다.

80년대 이후부터 등장하였고 현재 거의 모든 가솔린 기관에 쓰이는 방식으로 흡기 포트에 연료분사기(fuel injector)를 장착하여 실린더에 도달하기 직전에 공기와 가솔린을 혼합해주는 방식이다.

Gasoline Direct Injection(GDI)라고도 불리는 방식으로, 연료를 흡기포트가 아닌 실린더 내에 직접 분사한 후 연소하는 방식이다.

전기 스파크를 내어 가스를 연소하는데 사용한다. 자동차의 경우 축전지의 전류를 사용하는데, 유도 코일이 전압을 높이면, 이 고압 전류는 배전기를 지나고, 배전기는 압축행정이 끝에 다다를 무렵에 맞추어 각 실린더에 전류를 전달한다. 이 전류가 절연재로 싸인 두개의 점화플러그 사이의 틈을 지나면서 전기 스파크를 발생시키고 이 전기 스파크로 가스를 연소시킨다.

폐쇄 실린더에서 공기와 연료의 압축 혼합물이 모두 발화의 위험을 너무 제기하거나 디젤 기관처럼 움직인다.

가솔린 기관과 크랭크 축이 봉 디젤보다 빨리 연소로 인해 가솔린(하부 압축 비율에 의해 가능한 효율적으로 설계)과 연결, 부분적으로 인해 가벼운 피스톤으로 디젤 기관보다 더 높은 속도로 작동한다.

가솔린 기관은 출력하는 힘의 양에 비해 크기가 작고 가벼운 특징이 있기 때문에 중소형 차량 엔진에 널리 사용되고 있다. 자동차, 오토바이, 에어크래프트, 모터 보트, 소형 트랙터 등의 동력으로 많이 쓰이며 예취기, 전기톱,휴대용 엔진 발전기 등의 소형 엔진에도 사용된다.

디젤 엔진이 등장하기 이전에는 대형 차량인 버스, 트럭, 기관차에도 사용되었다. 20세기 초반에 나왔던 Bedford OB (버스), Bedford M series (트럭), GE 57-ton gas-electric boxcab (기관차)들이 그것이다.

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가솔린 기관 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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가솔린 기관(Gasoline engine)은 가솔린(휘발유) 에서 구동되도록 설계된 스파크 점화 및 연료와 유사한 휘발성을 가진 내연 기관 이다. 가솔린 기관이란 명칭은 보통 북아메리카에서 쓰는 표현이며 영국등 다른 영어권에서는 페트롤 기관(Petrol engine)이라고 부른다. 1876년 독일의 니콜라우스 오토가 4행정 내연 기관을 발명한 것이 가솔린 기관의 시초이며, 4행정 가솔린 내연 기관을 ' 오토 기관'(Otto engine)이라고도 부른다.

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제트 엔진( 영어: jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트, 램제트 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈 과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 거의 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.

F-15E에 장착되는 프랫 앤 휘트니사의 F100 터보팬 엔진

제트 엔진의 역사는 기원전 1세기 아에올리스의 공이라 불리는 이알러파일(aeolipile)로 거슬러 올라간다. 증기력으로 구동되던 이 기관은 아쉽게도 자료가 극히 미미하다. 오늘날의 제트 추진에 의한 기관이 구체화된 것은 로켓에 의해서였다. 연료를 빠르게 연소시켜 추력을 얻는 방식으로 불꽃놀이에 사용되었고 후에는 무기로 발전한다.

20세기에 들어서면서 제트 엔진의 개발이 두드러지게 되는데 이는 항공기의 동력 기관으로 피스톤 엔진과 프로펠러에 의한 추진이 한계를 보였기 때문이다. 피스톤을 사용하는 엔진은 추력에 비하여 무거웠고 무엇보다도 프로펠러에 의한 추진은 프로펠러의 날개 끝이 초음속으로 회전할때에는 당시의 재료가 이를 견디기 힘들었다. 이렇게 하여 등장한 것이 가스 터빈 엔진, 즉 제트 엔진이다. 가스 터빈의 발상은 사실 영국인 존 바버(John Barber)에 의해서였다. 그는 1791년 기본적인 개념의 가스 터빈 설계로 특허를 획득하였지만 실용화하지 못했다. 이후 20세기 에 들어서면서 본격적인 개발이 진행되는데 초기의 제트 엔진 기관은 지금과는 다르게 압축공기를 피스톤 엔진으로 압축하여 연료와 함께 연소시켜 추력을 얻는 방식이었다. 이러한 방식으로 Secondo Campini가 Caproni Campini N.1 를, 일본은 Tsu-11를 개발하려 하였으나 실용화에는 실패하였다. 일본의 Tsu-11은 카미카제 비행기에 사용할 계획이었다.

제트 엔진이 실제적으로 사용할 수 있게 된 것은 압축기를 엔진 자체의 동력으로 구동하면서이다. 노르웨이 공학자 Ægidius Elling이 1903년에 이를 실현하였고 몇몇 기관이 선보였지만 안정성과 지속적인 구동이 어려워 크게 성공하지 못했다. 그러던 중 영국의 프랭크 휘틀이 터보제트에 대한 연구를 진행하였고 비슷한 시기에 독일의 한스 폰 오하인 또한 항공기용 가스 터빈 엔진의 개발을 시작하였다. 1937년에 휘틀은 세계 최초의 제트엔진인 파워 제트 WU(Power jets WU)를 완성시켰으며 곧이어 오하인 또한 에른스트 하인켈(Ernst Heinkel)사와 협력하여 1937년 HeS-1엔진 개발에 성공한다. HeS-1은 수소를 연료로 사용하였지만 이후 개발을 지속하여 가솔린을 연료로 하는 출력 5kN의 HeS-3을 개발하였고 하인켈사의 He178에 탑재되어 1939년 8월 27일 세계 최초로 제트 엔진에 의한 비행에 성공한다. 최초의 제트 비행임에도 여기에는 문제가 있었다. 압축기가 너무 커 엔진 단면이 커져버렸고 여기에 따르는 문제로 효율이 좋지 못했다. 이 문제를 해결한 것은 오스트리아의 Junkers' engine division(혹은 Jumo라고도 함)으로 원심력으로 공기를 압축하는 대신 마치 터빈을 거꾸로 설치하듯 팬을 다단으로 설치하여 공기를 압축하였다. 기관은 더욱 복잡해졌지만 결과적으로 엔진은 작아졌고 이 엔진은 Jumo004로 명명되었다. 이 엔진은 1944년 세계 최초의 제트 전투기인 메서슈미트(Messerschumitt) Me 262 에 탑재된다. 그리고 그 얼마 뒤 연합군도 그동안 독자적으로 개발해온 제트 전투기를 실전 배치하게 된다.

종류

특징

장점

단점

용도

터보팬

기존 축류식 터보제트를 코어로 삼고, 앞에 중공축을 장비한 뒤 해당 축에 코어보다 큰 터빈을 장착하여 마치 가솔린 항공기 엔진이 프로펠러를 돌리는 것처럼 전방 저압터빈으로 추진력의 일부를 내는 방식. 차이점이라면 가솔린 항공기는 모든 추진력이 프로펠러만으로 나오나 터보팬은 코어가 추진력을 어느정도 낸다는 점이다. 바이패스비가 낮은 저바이패스 엔진들은 코어의 터보제트가 주 추력을 내며 고바이패스 엔진들은 팬이 주 추력을 낸다.

소음이 덜하고 아음속에서 효율적이다.

매연발생량이 줄어들어 환경오염이 덜하며 축류식 터보제트만큼은 아니나 고속 영역에서도 어느정도 효율이 있다.

또한 애프터버너 장비 시 따로 흡기구가 필요했던 터보제트와는 다르게 앞의 큰 팬에서 나오는 바이패스 에어로 직접냉각이 가능하여 따로 설계를 바꾸거나 할 필요가 없이 그저 덕트를 뒤로 길게 늘여 애프터버너와 합치면 된다. 또한 역추진을 통한 급감속을 이용, 단거리 이착륙 능력(STOL)을 확보하는 것은 물론 자력후진이 가능해진다는 강점도 있다. 효율을 높이고 역추진 추력을 확보하고자 매우 거대한 팬을 달기도 한다.

설계와 구성이 복잡해진다(바이패스 덕트, 샤프트 수의 증가 등), 엔진이 커지고 무거워진다. FOD(외부 물질에 유입되어 입는 손상)와 동결에 따른 손상(ice damage)에 취약하다.

여객기, 화물기, 전투기, 폭격기, 대잠초계기, 수상기, STOL 능력을 갖춘 군용수송기들 중 대형 고중량 대출력을 요구받는 기종들 등 현대의 거의 모든 제트 항공기

터보프롭

터보팬 엔진을 기반으로 하여, 앞쪽 축에 기어박스를 연결하고 그 기어박스에 팬 대신 프로펠러를 연결, 구동하기 위해 가스터빈 엔진을 사용한다.

저속에서 효율이 매우 높다.(시속 500 - 700km) 엔진 자체가 어느정도 추진력을 내기도 한다.

속도에 한계가 있고 가스 터빈 사용으로 소음이 많고 구동계가 복잡하다.

STOL성능이 필요한 항공기들에 대규모로 사용되는 경향이 있다. 특히 중량이 많이 무겁지는 않으나 여러 화물을 싣고 지형에 크게 구애받지 않고 자유자재로 뜨고 내릴 것을 요구받을 경우 쓰인다. 또한 경비행기에도 자주 사용된다.

축류식 터보샤프트

원심 블레이드가 들어가지 않아 원심식 터보샤프트보다는 엔진 내부 항력발생량이 적기 때문에 고속성 및 효율 면에서는 우위에 있지만, 속도한계가 터보프롭보다 낮은 것은 동일하다. 또한 공기압축능력이 떨어져 고고도에서 활동하기 힘들어 해발고도가 높은 지역에서는 헬기임에도 불구하고 활주이착륙을 해야하는 경우가 더러 있다.

동구권 헬리콥터 거의 전부 및 고정익 수송기(안토노프 An-140이 사용), 동서방 선박 추진기관에 사용.

프롭팬

터보프롭 엔진이 하나 이상의 프로펠러를 구동하는 마치 덕트를 뺀 터보팬과 유사한 형식이다.

연료 효율이 매우 높다. 1980년대에 고유가로 유행했었다.

터보팬보다 복잡하고 소음이 많아 개발에 한계가 있다.

일부 고정익 항공기.

램제트

공기압축기를 사용하지 않고, 기압을 이용하는 엔진

초음속에선 아주 안정적으로 작동하고, 가볍다.

어느 일정한 속도에 도달해야 잘 작동하며, 낮은 속도에선 시동이 걸리지 않거나 걸리더라도 작동이 불안정하다.

유도 미사일

일반적으로 사용되는 좁은 의미의 제트 엔진이 터보제트이다. 간단히 말한다면 가스 터빈 기관을 그대로 동력기관으로 사용할 때 터보젯이 된다. 여기에 바이패스(by-pass ratio)를 높이기 위해 압축기의 1단 팬을 확대한 것이 터보팬으로 대부분의 항공기들이 이 터보팬 엔진이다. 또 다른 방식으로 터빈에서 얻은 동력을 압축기뿐 아니라 따로 축을 연결하여 프로펠러 등을 구동하는 것이 터보프롭, 터보샤프트이다.

터보젯 엔진에 의한 추진을 프로펠러에 의한 추진과 비교할 때 상대적으로 적은 공기를 흡입하여 분출한다. 반면에 프로펠러는 많은 공기를 취하지만 상대적으로 느리게 공기를 밀어낸다. 이러한 이유로 비행체가 고속으로 기동할 때나 높은 고도에서(공기가 희박) 제트 엔진의 효율이 더 좋아진다. 다시 말하면 저속에서는 프로펠러에 의한 추진이 유리하다. 이러한 이유로 가스터빈에 프로펠러를 연결한 터보프롭기가 단거리나 저속 비행에 이용되고 있다.

터보팬 엔진의 공기흐름을 나타낸 그림

현대의 항공기 엔진은 거의 대부분 터보팬이다. 제트 엔진, 즉 터보젯 엔진에 대형 팬을 더한 것으로 이 팬을 통해 압축기로 공기를 보낼 뿐 아니라 엔진 본체를 둘러싼 바이패스 덕트로도 보낸다. 덕트로 보내진 공기는 배기구를 빠져나가기 전 연소된 공기와 혼합되어 분출된다. 이렇게 함으로써 터보팬 엔진은 효율이 좋아지고 터보젯 엔진보다 소음이 덜하다.

제트 엔진이 항공기 엔진으로 사용되던 초창기엔 군사용과 일반 항공기용이 크게 다르지 않았다. 오늘날 대부분의 터보팬 엔진은 연료 효율을 높이고 소음을 줄이기 위해 낮은 추력비 를 갖는데 이것은 상대적으로 바이패스비가 높음(4-8:1)을 의미한다. 하지만 군사용으로 사용되는 터보팬 엔진은 소음이나 연료 효율보다는 높은 추력을 요구함으로 바이패스비가 낮다(보통 2.0이하).

엔진 종류에 따라 상이한 구성 요소들을 갖지만 제트 엔진은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소를 갖는다.

제트 엔진으로 공기가 유입되는 통로이다. 아음속 비행의 경우 공기 흡입구 현상이 크게 문제되지 않기 때문에 공기 저항을 줄일 수 있으면 되지만 초음속으로 비행할 경우 압축기로 유입되는 공기는 음속이하여야 하기 때문에 공기 흡입구 설계에 유의하여야 한다. 또한 초음속으로 인한 충격파 에 대응하기 위해 콘(cone)이나 램프(ramp)를 설치한다.

유입된 공기를 압축하여 연소실로 보낸다. 거의 모든 제트 엔진이 팬을 일렬로 배열하여 공기가 팬을 지나면서 점차 압축되는 방식이다. 구동력은 터빈에서 샤프트로 연결하여 얻는다.

연소실(Combustor or Combustion Chamber)

압축기에서 유입된 공기가 연료와 섞여 연소하는 곳이다. 이때의 팽창력으로 터빈을 돌리고 배기구를 통해 고속의 제트 기류를 분출하여 추력을 얻는다. 연소를 위한 플래임홀더(flame holder)를 갖고 있다.

연소하는 공기의 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 동력으로 압축기를 돌리고 경우에 따라서는 외부와 연결해 동력을 전달한다. 터빈 날이 녹는 것을 방지하기 위해 압축기에서 유입된 차가운(상대적으로 차가운) 공기로 터빈 날을 식힌다.

터빈에서 얻은 동력을 압축기에 전달하고 터보샤프트(터보프롭)의 경우 엔진 외부로 토크(Torque)를 전달한다.

주로 전투기에 추가로 추력을 얻기 위해 사용된다. 연소되고 터빈을 빠져나온 팽창 가스는 여전히 높은 온도를 갖고 있으나, 그래도 점화장치가 필요하다. 애프터버너로 가열된 공기가 들어오기 전에 바이패스 기류가 연소가스와 잠시 합쳐졌다가 떨어지는데, 이 때 온도가 낮아지는것도 있고, 스크램블시엔 저출력운전(택싱)이나 활주로상에서 공회전을 하다가 갑자기 애프터버너를 작동함과 동시에 최대 출력으로 올리게 되는데, 이로 인해 가스의 온도가 부족할수도 있기 때문으로 보인다. 또한 불꽃안정기라는 추가부품도 필수이다. 그리고 여기에 연료를 분사, 점화하면 추력을 추가로 얻을 수 있다. 하지만 이 방법은 연비가 지나치게 나빠져서 이륙할 때나 목표지점으로 고속 이동해야 하는 사유가 있을 때(레이더 화면상에 아측 영공내로 침입한 적기 또는 적 폭격 편대가 포착되어 예상경로상에 실제공습경보가 발령되었을 시)나 비무장상태로 적기조우 또는 적 방공망의 미사일 발사 감지로 인해 고속도주할때, 또는 같은 이유로 고속도주하는 적기를 추격해야하는 중요한 이유가 있을 때(미그25나 미그31같은 서방측 전투기가 속도부족으로 따라가지 못함에도 영공 밖으로 이탈시켜 방어목적을 달성하는 것이나 이들이 착륙접근중임을 감지하고 격추및 비행장 보복폭격을 위해 고속추격하는 경우 등) 등 고기동을 요구할 때에만 사용된다.

연소된 공기가 팽창하면서 배기구를 통하여 고속의 제트 기류를 내뿜고 추력을 얻는다. 대부분 일정한 단면을 갖고 분출 방향으로 오므린 모양이다.

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제트 엔진 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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제트 엔진( 영어: jet engine)은 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트, 램제트 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스 터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스 터빈 과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 거의 대부분이 가스 터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.

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비행기 추진력의 핵심 ‘제트엔진’의 과학 원리

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안녕하세요, 국립부산과학관입니다. 여러분, 비행기의 추진력이 과연 어디서 나오는지 혹시 궁금했던 적 있…

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네이버 블로그 | 국립부산과학관

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안녕하세요, 국립부산과학관입니다. 여러분, 비행기의 추진력이 과연 어디서 나오는지 혹시 궁금했던 적 있...

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제트 엔진의 열효율은 특정 설계와 운영 조건에 따라 다를 수 있습니다. 전형적으로, 고유한 열효율은 25%에서 35% 사이에 있을 수 있습니다. 그러나 엔진의 크기, 디자인, 사용되는 연료 등이 영향을 미치므로, 정확한 값을 알기 위해서는 특정 제트 엔진의 세부 사항을 고려해야 합니다.

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네이버 블로그 | 국립부산과학관

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비행기 추진력의 핵심 '제트엔진'의 과학 원리

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안녕하세요, 국립부산과학관입니다. 여러분, 비행기의 추진력이 과연 어디서 나오는지 혹시 궁금했던 적 있...

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* 매거진 발행 을 위해 기존에 작성한 글들을 검토해 새로 작성하게 되었습니다. 양해 부탁드립니다. 감사합니다. 그리고 휴대폰으로 읽기 불편하실 수 있으니 되도록 PC로 보시는 것을 추천드립니다.

1903년 12월 17일, 첫 비행에 성공한 라이트 형제의 플라이어 1호는 이카로스처럼 하늘을 날고팠던 인간의 욕망을 처음으로 충족 시켜주었다. 그리고 얼마 지나지 않아 항공기는 제1차 세계대전을 지나면서 빠르게 발전했고 사람들은 더 빠르고 높이 날 수 있는 항공기를 원하기 시작했다. 이에 나무와 캔버스로 만들어진 복엽기는 어느덧 금속제 단엽기로 발전했다. 그러나 1930년대에 일어난 스페인 내전과 1939년 전 세계를 혼돈 속으로 밀어 넣은 제2차 세계대전이 시작되자 왕복 엔진 항공기는 급격하게 발전하기 시작하면서 1940년대에 들어서자 점점 한계에 다다르고 있었다.

한편 1940년대의 공중전은 지금과 사뭇 달랐다. 오늘날 '공중전'하면 레이더로 적기를 겨냥하고 미사일을 발사하는 BVR(Beyond Visual Range)이 제일 먼저 떠오르지만 당시에는 그렇지 않았다. 미사일과 레이더 대신 조종사의 두 눈으로 적기의 꼬리를 물고 기총을 난사하는 도그파이팅(Dogfighting)만 존재할 뿐이었다. 그래서 속도가 빠른 비행기는 적의 꼬리를 물기도, 적으로부터 벗어나기도 쉬워 공중전에서 우위를 점할 수 있었다.

그래서 조종사들의 요구에 맞춰 엔지니어들은 항공기의 속도를 높이기 위해 부단히 노력했다. 하지만, 자동차 엔진과 동일한 원리로 작동하는 레시프로(reciprocating) 엔진의 성능은 이미 한계에 다다르고 있었다. 결국 엔진을 하나가 아닌 두 개를 장착해 속도를 높이려고 했지만 미국의 P-38과 영국의 Mosquito를 제외하면 대부분의 항공기는 무게가 증가함에 따라 중량이 늘어나면서 둔중해질 뿐이었다. 당연하지만 엔진이 두 개가 된다고 해서 속도가 두 배 빨라지는 것은 아니었다. 게다가 좌우에 위치한 거대한 엔진은 조종사의 시야를 가렸으며 대형화된 기체는 피탄 면적이 넓어지며 적에게 발각되기 쉬워지는 등 장점보단 단점이 더 많아지는게 다반사였다. 그래서 제2차 세계대전에서 명성을 날린 유명한 전투기들은 대부분이 쌍발이 아닌 spitfire나 P-51처럼 주로 단발 전투기들이었다.

결국, 왕복 엔진보다 더 빠른 속도를 내기 위해서는 왕복 엔진이 아닌 다른 무엇인가를 사용해야만 했다. 왜냐하면 이론적으로 왕복 엔진의 프로펠러는 800 km/h 이상의 속도를 낼 수 없기 때문이다. 프로펠러는 보통 항공기 바로 앞에 위치해 있으면서 가장 빠르게 움직이는 부분이다. 그리고 여기서 항공기의 속도를 높이고자 프로펠러의 회전 속도를 높이게 되면 프로펠러의 끝부분인 깃이 항공기보다 먼저 음속에 다다르게 된다. 문제는 이렇게 프로펠러의 깃은 소리의 벽(sound barrier)에 부딪히면 공기 저항이 급격하게 증가하면서 효율이 급격하게 떨어지고 만다. 게다가 항공기 제일 앞에 위치하며 회전면을 만드는 프로펠러는 공기역학적으로 고속 비행에 적합하지 않았다.

그리고 앞서 말했듯이 자동차 엔진과 동일한 왕복엔진(reciprocating engine)은 공기가 희박한 고고도에서는 효율이 급격하게 떨어졌다. 항공기가 더 멀리 그리고 더 빨리 날기 위해서는 공기의 저항을 최소화해야 했고 이를 위해선 공기가 희박한 고고도에서 비행하는 것이 유리한데, 왕복 엔진은 고고도에서 효율이 떨어졌고 심한 경우에는 엔진이 갑자기 멈추는 일도 있었다. 이러한 현상이 일어나는 원인은 왕복 엔진의 작동 원리에서 찾아볼 수 있다. 왕복 엔진은 외부로부터 공기를 흡입한 뒤 실린더 내부에서 연료를 주입하고 폭발시켜 피스톤을 움직이는 방식으로 프로펠러를 회전시킨다. 그런데 고고도에서는 실런더 내부로 들어오는 공기의 밀도가 낮아 엔진의 효율이 떨어질 수밖에 없었다.

그렇게 1930년대 말 제트 엔진이 엔지니어들의 주목을 받기 시작했는데, 실은 제트 엔진이라는 개념 자체는 그 전부터 존재했었다. 왕복 엔진이 한계에 직면하기 한참 전인 1921년, 프랑스의 막심 기욤(Maxime Guillaume)은 당시로선 받아들이기 어려운 축류식 터보 제트 엔진의 초석이 되는 이론을 제시했다. 그러나 당시에는 이를 실현시킬 기술력이 부족했기 때문에 그의 이론은 얼마 지나지 않아 사람들에게서 잊혀져갔다. 하지만 5년 뒤, 영국에서 그리피스(A.A. Griffith)가 'An Aerodynamics Theory of Turbine Design'이라는 논문을 발표하며 축류식 압축기를 제작할 수 있는 공학적 토대를 만들어 주었고 그 사이 야금학을 비롯한 여러 공학 기술들의 발달로 드디어 1930년대 말에 영국에서 프랭크 휘틀(Frank Whittle)이, 독일에서는 한스 본 오하인(Hans von Ohain)이 제트 엔진을 개발하는데 성공한다.

이들은 서로에 대해 전혀 모른 채 제트 엔진이라는 새로운 개넘의 항공기 동력원을 연구하고 있었다. 그러나 당시 제트 엔진은 우리가 생각하는 것처럼 완벽하지 않았으며 오히려 왕복 엔진에 비해 여러모로 문제가 많았다. 더군다나 기존의 왕복 엔진으로도 쓸만한 전투기를 충분히 만들 수 있었기에 초기 제트 엔진은 큰 관심을 끌지 못했다. 그나마 전쟁을 준비하고 있었던 독일만이 제트 엔진이라는 새로운 동력원에 약간의 관심을 주어 연구 개발을 이어나갔다.

참고자료 및 출처

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1. 네이버 두산백과, 라이트 형제

2. 쿵디담, 엔진의 발전이 전투기에 끼친 영향 (3) 왜 쌍발 엔진인가?

3. 이 밖에 부수적인 내용은 '1937년, 제트 엔진의 등장'을 바탕으로 작성하였습니다.

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1937년 제트 엔진의 등장

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한계에 다다른 왕복 엔진 | * 매거진 발행을 위해 기존에 작성한 글들을 검토해 새로 작성하게 되었습니다. 양해 부탁드립니다. 감사합니다. 그리고 휴대폰으로 읽기 불편하실 수 있으니 되도록 PC로 보시는 것을 추천드립니다. 1903년 12월 17일, 첫 비행에 성공한 라이트 형제의 플라이어 1호는 이카로스처럼 하늘을 날고팠던 인간의 욕망을 처음으로 충족 시켜주었다.

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터보팬 또는 팬젯( 영어: turbofan 또는 fanjet)은 가스터빈 엔진의 일종으로 항공기에 추력 을 공급하는 동력원으로 사용된다.

터보팬 엔진(높은 바이패스 비)

이전의 제트 엔진인 터보제트 기관에 비해 높은 바이패스비(by-pass ratio)를 가지고 있다. 따라서, 터보제트 기관에 비해 대량의 산소와 연료가 혼합되어 산화됨으로써 완전연소가 가능하여, 터보제트 기관에 비해 높은 연비를 달성하였다. 터보팬 기관의 발명은 제트 엔진의 역사에서 가장 큰 진보 중 하나라고도 일컫는다.[1]

경제성이 중시되는 민간 여객기의 경우 대체로 터보팬 기관을 장착하고 있으며, 군용기의 상당수도 최근 개발된 것들은 터보팬 기관을 장착하고 있고 예전에 개발된 터보제트 기관을 장착한 기존 군용기들의 경우 개수 과정에서 엔진을 터보팬 엔진 으로 교체하기도 한다.

최근 개발되는 것들은 여러 번의 오일 쇼크 사태를 겪으면서 연료비의 상승으로 인해, 바이패스비가 높아지는 경향을 보이고 있어 예컨대 보잉 777에 장착되는 터보팬 기관의 경우 10:1의 바이패스비를 가지고 있다고 한다. 이는 보잉 777에서 터보 팬 기관의 블레이드(회전날개)의 회전에 의해 발생한 추력이 연소가스에 의한 추력에 비해 10배라는 의미로서, 극단적으로 말하자면 프로펠러기 와 유사한 추진이 되었다고 할 수도 있을 것이다.

터보제트 엔진

터보팬 엔진(로우 바이패스 비)

터보팬 엔진(하이 바이패스 비)

터보팬은 터보제트로부터 발전한 것으로서 그 형태가 유사하므로, 서로 비교하여 설명하는 것이 각각의 특징을 이해하는 데 도움이 된다.

그림에서 알 수 있듯이, 터보제트에서는 엔진으로 유입되는 모든 공기가 압축기 → 연소기 → 터빈을 통하는 유로를 거쳐 노즐로 배출되는 반면, 터보팬에서는 압축기로 유입된 공기의 일부가 연소기나 터빈을 거치지 않고 노즐로 배출된다. 이처럼 연소기 및 터빈을 통과하는 유동을 코어 유동(core flow), 주 유동(primary flow) 등으로 부르고, 이를 통과하지 않는 유동을 바이패스 유동(bypass flow), 2차 유동(secondary flow) 등으로 부른다.

코어 유동은 노즐에서 배출될 때 고온, 고압, 고속의 상태이며, 바이패스 유동은 코어 유동에 비해 상대적으로 노즐에서 배출될 때의 온도, 압력, 속도가 낮다. 대신 바이패스 유동은 코어 유동에 비해 터빈 일(turbine work)을 훨씬 적게 소모하기 때문에, 바이패스 유동을 사용하면 엔진이 배출하는 공기 유량을 크게 증가시킬 수 있게 된다.

엔진의 추력은 배출되는 기체의 운동량(momentum, )에 비례하기 때문에 속도 증가와 유량 증가는 모두 추력 증가에 도움이 된다. 그러나 일반적인 경우 코어 유동으로 사용하여 속도를 증가시키는 것보다는 같은 에너지를 사용하여 바이패스 유동의 유량을 증가시키는 것이 추력 증가에 더 효율적이다. 바로 이러한 이유로 대부분의 항공기가 터보제트 대신 터보팬을 사용하게 되었다.

터보팬에서 바이패스 유동의 유량과 코어 유동의 유량의 비율을 바이패스 비(bypass ratio)라고 한다. 바이패스 비 2:1이라고 하면 이는 바이패스 유동의 유량이 코어 유동의 유량의 2배라는 의미이다. 터보젯은 터보팬 중 바이패스 비가 0:1인 특수한 경우라고 할 수도 있을 것이다.

터보팬 엔진을 채용한 현대의 항공기를 보면, 전투기는 바이패스 비가 상대적으로 낮은 엔진을 사용하고(T-50에 사용되는 F-404는 바이패스 비가 0.34:1), 여객기는 이에 비해 바이패스 비가 높은 엔진을 사용한다(Bombardier CRJ200에 사용되는 CF34는 바이패스 비가 6.2:1).

이는, 바이패스 비가 높은 엔진의 경우 동일한 추력을 내는 데 필요한 연료량이 적은 반면, 엔진의 단면적이 커 비행 시의 공기 저항이 크고, 따라서 빠른 속도를 필요로 하는 항공기의 경우에는 적합하지 않기 때문이다.

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터보팬 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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터보팬 또는 팬젯( 영어: turbofan 또는 fanjet)은 가스터빈 엔진의 일종으로 항공기에 추력 을 공급하는 동력원으로 사용된다. 이전의 제트 엔진인 터보제트 기관에 비해 높은 바이패스비(by-pass ratio)를 가지고 있다. 따라서, 터보제트 기관에 비해 대량의 산소와 연료가 혼합되어 산화됨으로써 완전연소가 가능하여, 터보제트 기관에 비해 높은 연비를 달성하였다.

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디젤엔진과 가솔린엔진의 차이

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네이버 블로그 | 이율스터디

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[물리] 열기관과 열효율 - 스털링 기관, 카르노 기관

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열기관 열기관이란, 고온의 물체로부터 받은 열을 흡수하여 외부에 일을 하는 장치입니다. 열기관은 구조는...

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해양 증기 기관은 선박 또는 보트에 전원을 공급하는데 사용되는 증기 기관이다. 왕복 증기 기관은 점진적으로 증기 터빈 및 해양 디젤 엔진 으로 20세기 해양 응용 프로그램에서 대체되었다.

상업적이고 성공적인 최초의 증기 기관은 1712년에 토머스 뉴커먼 이 개발했다.

3단 또는 다단 팽창 기관 편집

3단 팽창 기관은 증기를 3단으로 팽창시키는 복식 기관이다. 특히 3단계의 다른 압력으로 작동하는 실린더를 가진 증기 기관이다. 4단 팽창 기관은 4단계로 증기를 팽창시키는 기관이다.[1] 최초의 성공적인 상업적 이용은 스코틀랜드의 고반에서 알렉산더 커크가 1881년 영국 화물선 애버딘에 내장한 기관이었다.[2]

다단 팽창 기관의 제조는 20세기에도 계속되었다. 제2차 세계 대전 당시 미국에 의해 제작된 2,700개의 리버티 선은 모두 미국의 해양 증기 터빈을 생산할 수 있는 능력이 전함 제작에 전적으로 집중되어 있었기 때문에 3단 팽창 기관에 의해 강화되었다. 전쟁 동안 3단 팽창 기관의 가장 큰 제조사는 조슈아 핸디 철공소(Joshua Hendy Iron Works)였다. 전쟁이 끝날 무렵에는 터빈식 빅토리 선이 점점 더 많이 생산되었다.[3]

1907년 대양 터그선 허큘리스에 탑재된 3단 팽창 기관

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해양증기기관 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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해양 증기 기관은 선박 또는 보트에 전원을 공급하는데 사용되는 증기 기관이다. 왕복 증기 기관은 점진적으로 증기 터빈 및 해양 디젤 엔진 으로 20세기 해양 응용 프로그램에서 대체되었다. 상업적이고 성공적인 최초의 증기 기관은 1712년에 토머스 뉴커먼 이 개발했다. 3단 팽창 기관은 증기를 3단으로 팽창시키는 복식 기관이다. 특히 3단계의 다른 압력으로 작동하는 실린더를 가진 증기 기관이다.

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네이버 블로그 | 연이형의 자동차이야기

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전기 엔진과 가솔린 엔진은 자동차를 움직이게

하는 두 가지 주요한 방식으로, 각각의

독특한 구조와 작동 원리를 가지고 있습니다.

이번 글에서는 자동차 전기 엔진과 가솔린

엔진의 구조를 비교해보고 각각의

장단점을 살펴보겠습니다.

가솔린 엔진은 내연기관의 일종으로, 연료와

공기의 혼합물을 실린더 내에서 연소시켜

그 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는

방식으로 작동합니다. 가솔린 엔진의

주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

실린더가 일렬로 배열되어 있습니다.

연료와 공기의 혼합물을 압축하고, 연소된

가스의 팽창력으로 인해 움직입니다.

회전운동으로 변환합니다.

내로 분사하는 역할을 합니다.

혼합물을 점화시켜 연소를 시작합니다.

전기 엔진, 혹은 전기 모터는 전기 에너지를

기계적 에너지로 변환시키는 장치입니다.

전기차에 사용되는 전기 모터의

주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

전기적으로 유도된 자기장에 의해 회전합니다.

회전자를 둘러싸고 있으며, 전기가 흐르면

회전자에 회전력을 발생시키는 자기장을 생성합니다.

전기를 받아 모터에 공급합니다.

가솔린 엔진과 전기 엔진은 작동 원리와

구성 요소에서 큰 차이를 보입니다. 가솔린

엔진은 연료의 연소에 의한 기계적 움직임을

기반으로 하며, 많은 이동 부품을 포함하고

있습니다. 반면, 전기 엔진은 전기 에너지를

직접 기계적 에너지로 변환하기 때문에

구조가 단순하고, 이동 부품이 적습니다.

주행에 유리하지만, 연료 소비와 배출 가스 문제가 있습니다.

환경 친화적입니다. 하지만, 배터리의

에너지 밀도와 충전 시간을 가집니다.

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자동차 전기 엔진과 가솔린 엔진의 구조 비교에 대해서 알아보기

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자동차 전기 엔진과 가솔린 엔진의 구조 비교에 대해서 알아보기 자동차 전기 엔진과 가솔린 엔진의 구조 ...