터보제트
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롤스로이스-스네크마 올림푸스 터보제트 엔진. 초고속 여객기 콩코드에도 장착된 엔진이다.사진 내부분해사진
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올림푸스 터보제트 엔진의 정면 모습. 참고
1. 개요
영어: Turbojet
독일어: Strahltriebwerk
가스터빈 엔진 중 가장 먼저 발명되었고 구조도 가장 단순한 제트 엔진.
2. 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 독일군의 메서슈미트 Me262와 영국군의 글로스터 미티어(Gloster Meteor) 전투기들이 1944년 말엽에 작전에 투입되었다.
3. 구조
3.1. 작동원리
터보제트는 가장 먼저 개발된 항공기용 가스터빈 엔진인 만큼 그 구조가 간단하다. 공기 흡입구로 공기가 유입되면 그것이 '''압축기(Compressor)라고 하는 여러 겹의 팬'''을 통과하면서 공기를 압축하여 온도와 압력이 상승하고, 그 공기가 연소실에서 분사되는 연료와 만나 발화하면서 생기는 고온 고압의 배기가스가 압축기와 연동된 터빈을 회전시킨 후 배출된다.
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압축기의 구조. 지금 움짤에서 보이는 건 축류식 압축기로, 날개깃이 촘촘한 여러 겹의 팬[1]이 나란히 돌아가는 걸 볼 수 있다. 간혹 압축기라고 하면 주사기 피스톤처럼 짜부시키는 그런 걸 생각할 수도 있는지라 몇몇 출판물이나 매체 등에서는 '''압축 팬''' 또는 '''압축 터빈'''[2] 등으로 순화시키기도 한다.
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이 움짤은 엔진 안에서의 공기의 흐름을 보여주고 있다. 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 가스를 분출하기 때문에 더 큰 출력을 얻을 수 있게 된다는 장점이 있다.
하지만 화염의 유지가 어렵다는 단점 또한 가진다. 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 유지이기도 하다.
3.2. 압축기는 프로펠러인가?
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실제로 과거에는 터보제트 엔진의 전면 압축기팬 부분이나 터보팬 엔진의 전면 팬을 "제트엔진의 프로펠러"라고 부르기도 하였다.[3] 터보제트와 터보팬을 비롯한 압축기 팬과 터빈이 있는 제트엔진들의 경우 앞부분의 팬을 "프로펠러"라고 칭하는 사람들도 있다. 그러나 정확히 말하자면 '''제트엔진의 팬은 프로펠러까지는 아니다.''' 둘 다 회전체이기에 혼동한 것.
프로펠러와 팬은 같은 바람개비 형태이며 날개깃이 있는 회전체로써의 공통점이 있음은 사실이다. 하지만 구분해야 하는 것은, 애초 프로펠러는 어떤 대상을 가속하는데 쓰는 '추진기' 로써의 역할을 하지만 압축기 팬은 대상을 가속하는게 아닌지라 '추진기'가 아니다. 바람개비이자 회전체인 점은 프로펠러와 공통요소이지만 팬(터빈) = 프로펠러는 아니다. 엄밀히 말하자면 프로펠러와 터빈은 용도면에서 다르므로 완전히 같은 용어는 아니지만 사촌 또는 친척 관계의 회전체라고도 볼 수 있다.
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▲ GE가 생산한 탄소섬유 터보팬 블레이드(왼쪽)와 터보프롭 블레이드(오른쪽). 참조 [4]
보잉 777의 제트엔진인 GE90엔진을 제작하여 유명해진 제너럴 일렉트릭에선 이런 재미있는 설명을 하였다.
제너럴 일렉트릭 엔진부에서는 프로펠러 엔진과 제트엔진을 설명할 때도 프로펠러와 팬의 공통점을 서술하였는데, 위에 전술했듯 프로펠러 비행기나 제트비행기 모두, 커다란 팬이 공기를 뒤쪽으로 밀어낸다는 점에서는 공통점이 있다고 설명하고 있다. 물론 이 설명이 프로펠러와 팬이 동일하다는 것은 아니며 비슷한 역할과 형태라는 점을 말하는 것이다.
간혹 제트기들을 겉만 보고 프로펠러가 없는 비행기들이라고 하는 경우가 많은데, 반쯤은 맞는 말이지만 엄밀히는 제트엔진에서 프로펠러는 사라지지 않았다. 그 대신에 엔진 안으로 들어가서 압축기와 팬 블레이드가 된 것이다.
아무튼 압축기 부분의 팬 블레이드를 일반적인 프로펠러로 생각하는건 오산이다. 팬 블레이드는 프로펠러같이 바람개비 형태이긴 하지만, 엔진 흡입구 안쪽에 존재하므로 블레이드가 접하는 기류의 속도를 음속 아래로 낮추는 등의 설계를 통해 초음속 상황에서도 효율적으로 사용할 수 있다. 민항기는 아음속 순항이 목표이므로 대체로 팬 블레이드가 그대로 드러나지만, 전투기의 경우는 엔진흡입구에서 들어오는 기류의 속도를 공기흡입구의 형상에서 발생하는 충격파 등을 사용해서 팬 블레이드와 압축기가 효율적으로 동작하는 아음속 대로 감속시킨다. 덤으로 이렇게 팬을 통해 바이패스되어 연소에 활용되지 않은 공기는 애프터버너 사용시 산소공급원으로 유용하게 사용된다.
4. 방식
터보제트는 압축기 원리 및 형태에 따라 두 종류로 나뉜다.
- 원심식 터보제트엔진(Centrifugal flow turbojet engine)
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구부러진 1겹의 원심회전차(centrifugal impeller)[5]로 구성된 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 1단만을 놓고 비교하면 축류식보다 높은 압력을 만들 수 있기 때문에 길이에 제약을 받는 미사일용 제트엔진이나 탑승칸 때문에 역시 발전/급전장치에 공간제약을 받는 APU로는 많이 쓰는 방식이다. 또 R/C용 엔진도 상당수는 원심식 터보제트 엔진이다.- 축류식 터보제트엔진(Axial flow turbojet engine)
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일반적으로 알려진 터보제트 엔진의 형식. 원심식 터보제트엔진은 압축기 부분이 임펠러로 이루어져 있으나, 축류식 터보제트엔진은 압축기 부분이 여러 겹의 다단축류압축 팬으로 구성되어 "축류식 압축기" 라고 한다. 기류가 축에 평행하며(=축류) 따라서 효율이 좋은 데다가 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 압축기 부분에 블레이드가 앞뒤로 10개 이상 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.[image]
여담으로 몇몇 소개 매체에서는 터보제트엔진이나 터보팬, 터보샤프트 엔진의 축류식 압축기 부분을 압축기 단수에 따라 "XX단 풍차"라고 소개하기도 한다. 일례로 위에서 보이는 그림처럼 축류식 터보제트 엔진의 확장판인 터보샤프트엔진을 장착한 유람선 비틀호 소개 페이지에는 아예 이 압축기 부분의 범위를 "콤프레사(...)"로 묶고 그 부분에 "14단풍차" 라고 쓰여져있다. 비틀호 소개에서의 일례 원본
5. 적용분야
터보제트 엔진은 고속비행이 가능하고 신뢰성도 우수하여 제2차 세계대전 이후에는 군용기, 민항기를 불문하고 급속도로 보급되었다. 하지만 연비가 뛰어난 터보팬 엔진의 발명 이후로는 항공기용으로의 수요는 거의 없어졌다. 그러나 어차피 일회용인 군용 미사일은 연비는 별로 신경 쓸 필요가 없고, 터보팬 엔진은 가격도 비싸기 때문에 여전히 터보제트 엔진을 많이 사용하고 있다.
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.
6. 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 비행 중일 경우에는 압축되는 공기의 양이 적어 연소효율이 떨어질 수밖에 없고, 따라서 연료를 많이 사용해서 부족한 출력을 보충해줘야 한다. 그러니 저속에서는 비경제적이다.
또한 압축비가 큰 배기가스가 고속으로 분출되다 보니 기압차에 의한 폭음도 피할 수가 없다.
이러한 문제점들로 인해 터보제트 엔진은 음속이하로 비행하는 데에 더 적합한 터보팬 및 터보프롭의 실용화 되면서 급격히 도태되어 현재는 고속비행을 주로 하는 전투기나, 주로 제트엔진을 쓰긴 써야 하는데 터보팬보다 저가나 소형화가 필요한 곳에서만 제한적으로 쓰이는 수준.
전투기 역시 작전시간 연장을 위한 연비개선이 필요하여 일부 기종은 터보팬을 채용하기도 한다. 아니, 80년대부터는 거의 모든 전투기가 크고 아름다운 저바이패스 터보팬만 때려박는다. "경"전투기나 공격기마저도...이유는 물론 연비. 현대의 전투기들도 '''애프터버너는 이착륙시를 빼면 2차대전 전투기들의 "전시 비상출력 기능"과 똑같은 이유로만 사용하기 때문에''' 고속으로 올라갈일이 잘 없고, 웬만해선 아음속으로만 다니기에 기름을 더럽게 많이 처묵하는 터보제트보단 같은 연료량대비 조금더 빠른 순항속도(아음속순항 기준)를 달성하면서도 장시간 체공, 더 긴 항속거리와 작전반경을 보장받고, 비긴급시 작전구역 도달속도도 올라가기에 선호도가 높다. 당장 미국의 F-14부터 모조리 터보팬 일색이다. 터보제트가 미공군 전투기부대 내에선 아예 씨가 말라버렸다. 세계 세번째 터보제트 개발국이자 터보팬의 설계를 처음 해낸[6] 장본인인 소련의 후예 러시아는 두말할 것도 없다. 터보팬 시리즈인 률카 시리즈[7]가 대표적.
한편 최근 GE에서 기본적으로 터보제트인데, 전방 압축기에 가변식의 바이패스 유로를 둬서 저속비행시에는 그나마 적은수치라도 바이패스비를 갖는 터보팬으로 작동하다가 이륙시 혹은 공중전 돌입시 바이패스 유로를 닫아 터보제트로 작동하는 '어댑티브 사이클 엔진'을 개발하였다.
7. 주요 터보제트엔진 일람
8. 터보제트엔진을 탑재한 주요 항공기
8.1. 실험기
- 하인켈 He 178: 독일에서 개발한 최초의 터보제트 항공기
8.2. 군용기
- F-4
- F-5
- F-86
- F-104
- F-105
- A-4
- A-6
- KC-135: A형, Q형[8] 한정. 후기형인 E형은 JT3D 터보팬 엔진을 장비했고 현대화 사업 이후 R형에서는 경제성 및 소음방지성능이 우수한 CFM56 터보팬 엔진이 장착되었다.
- Me262: 최초로 실전배치된 터보제트 전투기
- 글로스터 미티어: 양산형으로는 최초의 원심식 제트 전투기이자 두번째 실전배치된 제트 전투기.
- U-2 : 초기형 한정.
8.3. 민항기
- 코멧: 최초의 제트추진 여객기
- 아에로스파시알-BAC 콩코드: 영국과 프랑스가 공동 제작한, 초음속 순항을 전제로 설계된 최초의 여객기
- 보잉 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
9. 터보팬 엔진과의 차이점
터보 팬 엔진은 맨 앞쪽 압축기 외에 별도의 '''추진용 팬'''을 더 달아서 별도의 추력을 발생시키는 형태로 압축기가 아니라 추진기이기 때문에 모든 공기가 엔진 내부를 통과하지 않는다.
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터보 팬 엔진은 엔진 직경보다 큰 팬을[9] 연소실의 터빈들과 샤프트로 연결하여 함께 회전하게 하는데, 이 때, 엔진 주변의 공기를 추가로 뒤로 밀어내 추진력을 만들어 내게 된다. 이 공기들은 엔진의 연소실을 통과하지 않기 때문에 바이페스 에어(Bypass air)라고 한다. 터보제트 엔진에 비해서 연료 효율이 훨씬 좋고(아음속에서는 프로펠러의 추진 효율이 더 좋은데, 바이패스를 지나는 공기의 경우 프로펠러의 추진과 동일하게 볼 수 있다.) 큰 추력을 만들어 낼 수 있어 현대 여객기와 전투기들에게 사랑받는 엔진이다. 다만 고속에서 효율이 터보제트엔진에 비해 떨어지기 때문에, 전투기의 경우 엔진 앞에 관(덕트)을 만들어 엔진에 도달하는 공기의 속도를 늦춰준다. 여객기와 다르게 전투기 엔진의 블레이드가 밖으로 노출되지 않은 이유이며, 고속으로 비행하는 콩코드 같은 경우 전투기와 비슷하게 엔진 앞에 관이 달려있다.
10. 기타
자동차용 터보차저를 이용해서 제트 엔진을 만들 수 있다. 특이점으로는 용접을 하지 않고도 만들 수 있다는 것이다.[10]
11. 참고 링크
[1] 정확한 명칭은 Blade 블레이드라고 한다. 물론 터빈으로 분류한다.[2] 터보제트는 연소기 뒷부분에 또 터빈이 있기에 이에 따른 헷갈림을 막기 위해 앞에 "압축" 자를 붙여 압축터빈이라고 한다[3] 이 참고 그림은 티타늄 문서에서 볼 수 있다.[4] 설명하는 분은 뮌헨 GE글로벌리서치의 카를로스 하르텔 박사.[5] impeller는 회전차 또는 날개차를 말한다[6] 1941년 4월경에 개발을 끝냈다. 독소전 크리로 못만들다가 뒤늦게 제작했지만.[7] 세계 터보팬의 아버지 소련과학자 아르힙 률카의 이름이 붙었다.[8] SR-71 전용 급유기. A형과 동일하지만 블랙버드 전용 연료인 JP-7을 싣고 다닌다.[9] 압축기와 달리 이는 추진기에 속한다.[10] 물론 용접하는 편이 '''훨씬 안전하다''' 영상에서의 제작자는 구동테스트도중 노출된 가스로 인한 화재로 인하여 팔에 화상을 입었다(!!!)