가스터빈엔진 작동원리, 주요 구성품 및 기능

가스터빈엔진 작동원리, 주요 구성품 및 기능

가스터빈엔진 개요

- 항공에 ENG'을 장착하기 위해서 ENG' Mount를 비롯한 여러 장비품들로 구성된 QEC(Quick ENG' Change) 또는 EBU(ENG' Build-up Unit)를 장착해 기체에 장착된다.

- QEC는 Air Intake Cowl / Equipped ENG' / Exhaust System 등으로 구성되어 있다.

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Turbine ENG'의 구분

- Air Inlet / Compressor Section / Combustion Section / Turbine Section / Exhaust Section / Accessory Section으로 구분된다.

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Turbine ENG' 용어

Gas Generator

- Comp' + C/C + Turbine

Core ENG'

- Gas Generator에서 Fan Section 제외

Hot Section

- C/C ~ Exhaust Section

Cold Section

- Air Inlet ~ Comp' + Accessory + G/B

Nacelle/Cowling

- Inlet / Fan / Thrust Reverser / Core Cowl 및 Exhaust Nozzle로 구성

ENG' Mount

- IMC, TEC에 장착되어 Pylon과 연결

Module Construction

- Fan / Comp' / C/C / Turbine / Accessory 등이 서로 조합되어 하나의 본체를 이룬다.

- 서로 분리와 장착이 용이하게 설계되어 있어 정비에 필요한 작업 시간과 시운전을 크게 줄임

ENG' Main Bearing

- Rotor 축은 적절한 Housing에 안치된 Bearing에 의해 지지

- IMC : No.1(Ball BRG), 1.5(Ball BRG), 2(Roller BRG)

- Diffuser : No.3(Roller BRG)

- TEC : No.4(Roller BRG)

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가스터빈엔진의 각각의 Section

Compressor Section

- 압축기의 1차적인 역할은 연소에 필요한 공기를 충분히 공급하는 것

- 압축기의 2차적인 역할은 ENG'과 항공기에 여러가지 목적을 위해 Bleed Air를 공급하는 것

- 압축은 공기와 연료의 연소에 의한 열 E가 Turbine에서 기계적인 E를 만들고 이것으로 압축기를 구동시켜서 압력 E로 바뀜

- 압력은 증가하고 속도는 일정

원심 압축기

- Impeller / Diffuser / Manifold로 구성

- 장점은 Stage 당 압력 상승비가 크고 / Idle에서 Full Power까지의 넓은 범위에서 좋은 효율 / 제작이 간단하고 저렴 / 무게가 가볍고 Starting Power가 작고 FOD에 저항력이 강함

- 단점은 높은 압축비를 얻을 수 없고 추력에 비해 전면 면적이 크고 2 Stage 이상은 Stage 간의 E 손실 때문에 비효율적이고 대량의 공기를 처리 X

- 보통 Turbo-prop/Shaft, APU, Turbo-supercharger에 사용

축류 압축기

- Dual Spool 구조(LPC, HPC)

- 장점은 대량의 공기를 처리할 수 있고 Stage 증가로 높은 압력을 얻을 수 있어 압축효율이 높고 전면 면적이 작아 항력이 작고 공기 흐름이 직선적이므로 Ram 효과(공기 압축 효과)가 큼

- 단점은 회전속도 범위가 작아 안정성이 떨어지고 구조가 복잡해 제작이 어렵고 비싸고 중량이 크고 Starting Power가 크고 Stage 당 압력 상승이 낮고 FOD에 의한 압축기 손상이 쉬움

압축기의 Stall은 ENG'으로 유입공기 흐름의 난류 급격한 ENG' 가감속에 의한 지나친 연료 흐름의 불균형 / 오염 및 손상된 압축기 / 유입공기의 온도가 높을 때 등의 경우에 발생

- Stall 방지 구조에는 Multi-spool ENG' / VSV / Bleed Valve가 있음

- 압축기 Operation Line이란, Stall 발생 전에 압축기 회전이 최대인 점들을 각 회전수에 대해 %로 환산하여 연결한 Line이며 특히 압축기 효율이 최고가 되는 구역을 설계점이라 부름

- FCU나 EEC는 공기흐름량과 RPM에 대한 Parameter를 받아서 압축기가 항상 안전한 작동상태를 유지

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Diffuser Section

- 확산 구조로서 속도를 줄이고 압력을 상승시키는 곳으로서, ENG' 전체에서 압력이 가장 높은 곳

x

- 연소실에 적절한 유입속도를 공급하는 동시에 속도 E를 정압으로 변환 즉, Diffuser 입구와 출구의 전압력은 같지만 정압은 상승하고 동압은 감소

- Diffuser Case는 연소실을 감싸고 있으며, Bleed Port와 BSI Port들이 있고 IGN Plug와 Fuel Nozzle등이 장착

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Combustion Section

- 연소가 이뤄지면 연료에 열이 더해져 가스의 체적이 증가해 팽창하지만 C/C의 체적은 고정되어 일정하므로 가스를 가속

- 화염이 지연되거나 공기의 흐름속도가 크면 화염이 Turbine까지 들어가므로 정해진 공연비에 대해 공기의 흐름속도가 클수록 연소실의 길이가 길어여야 한다는 것을 의미

연소실의 필요조건

- 연소효율이 높고 고공에서의 재점화가 용이하고 압력손실이 적을 것

- 출구 온도 분포가 균일하고 연소 부하율이 높고 내구성이 우수할 것

- 연소가 안정되고 Flame-out이 일어나지 않고 유해물질이 배출이 적을 것

- 현대 항공기는 구조가 간단하고 전체 길이가 짧아 소형으로 만들 수 있으며, 배기 연기도 적은 Annular Combustor Type을 사용(Turbine을 장탈해야 연소실 정비가 가능)

- 연료분사 노즐에서 연료를 연속적으로 분사하고 점화 플러그에 의한 점화로서 연속적으로 연소하는 장치이며, Inner Liner 쪽으로 1차 공기, Perforated Line 쪽으로 2차 공기가 흐름

- Flame-out(연소정지)는 연소실 입구의 압력과 온도가 낮고 유입공기의 속도가 높을 때 공연비 한계는 좁아져 발생

1차 연소 영역(25~35%)

- 연소를 담당하는 구역(1/3 구역)

- Swirl Guide Vane을 이용해 적당한 불꽃전달이 이루어지도록 공기와 연료의 혼합을 보다 좋게 하고 연소 효과를 높임

2차 연소 영역(65~75%)

- 연소된 공기를 혼합 및 냉각 작용을 담당하는 구역

- 터빈 입구 온도까지 균일하게 낮추고 동시에 연소실 Liner의 벽면을 냉각해서 벽면을 보호

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Turbine Section

- 고온 / 고압의 가스의 운동 E와 열 E를 기계적 일로 바꿔 압축기와 ENG' 구동에 필요한 부분품을 구동하며 연소 가스에서 유출되는 E의 약 60~80%

Turbine이 갖추여야 할 요소

- 효율 및 신뢰성이 높아야 하고 Stage 당 팽창비가 커야 한다.

- 수명이 길고 제작이 용이하고 가격이 싸고 정비성이 좋아야 한다.

- TNGV(Turbine Nozzle Guide Vane)은 연소실 바로 뒤에 위치해 세라믹 코팅이 되어 있으며, 연소실로부터 발생되는 열 E를 흐름 E로 변환시켜주는 역할을 하며, 코발트 합금 또는 Nickel 내열합급으로 정밀주조 되어 있음

- Blade는 'Fir-tree' 방법으로 장착되며 Blade Root에 뒤틀림 응력 집중을 막기 때문에 주로 사용

- 충동-반동 Turbine은 Rotor Blade에 Twist를 주어 Root를 충동 Turbine / Tip을 반동 Turbine으로 제작해 회전 E를 일정하게 함

(Root보다 Tip에서 큰 Torque를 발생하기 때문에 Tip은 운동 E를 최소로 받아들여야 함)

- Turbine Cooling의 목적은 TIT 상승 방지 / 내구성 향상 / TSC 감소 등이 있으며, 개선하기 위해서는 Nickel 합금 개발 / 내열피막 / 정밀주조 / 냉각기술 도입 등이 있다.

대류 냉각

- Blade 및 Vane 내부에 만들어진 다수의 공기 통로를 통해 냉각 공기를 지나가게 해서 대류에 의해 냉각되는 방법

충돌 냉각

- Blade L/E 내부에 Tube를 설치하고 L/E에 집중적으로 냉각시키는 방법

 공기막 냉각

- Blade 표면의 작은 구멍으로 공기를 유출시켜 Bleed Air를 이용해 공기막을 형샹해서 Gas의 접촉을 막으며, 가장 많이 사용하는 방법

증발 냉각

- 전체 표면에 공기를 내뿜어 Gas의 접촉을 막는 방법(실용화 X)

TCCS

- 터빈 Case와 Blade Tip Air Seal의 간격(Tip clearance)을 조절해 터빈 효율을 향상(Case가 열팽창이 잘 됨)

- Ram Air를 이용해 Cooling

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Turbine Exhaust Section

- TEC / Tail Pipe / Exhaust Nozzle 등을 포함

- Exhaust Nozzle 내부의 Exhaust Plug(Tail Cone)이 장착되어 부드럽고 빠르게 배출

- TEC의 Inner / Outer Wall은 Strut에 의해 Welding되어 전체를 지지

- Exhaust Section은 Stainless강과 내열합금

- TEC 내부에 EGT, EPR 센서들이 위치

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Accessory Section

- ENG' 작동을 위한 시동장치 / 점화계통 / 연료펌프 / FCU 등 ENG' Accessory System

- Generator Oil Sump는 Accessory Drive G/B에 연결되어 구동

- Oil Main Pump / Scavenge Pump / Pressure Regulating V/V / Main Filter / HYD' Pump / Starter 등을 포함

- 주조로 제작(Mg, Al 합금)

- Starter → MGB(Main Gearbox=Accessory Gearbox) → Lay-shaft → 

AGB(Angle Gearbox) → Tower-shaft → N2 Shaft 순으로 구동

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ENG' Main Bearing & Seal

- BRG은 Main Shaft를 지지하며, 회전마찰을 최소화

- 2축의 축류형 압축기 ENG'을 기준으로 BRG은 축당 2개 이상이어야 하므로 최소 4개 이상 필요

- 보통 N1 축이 길어서 3개 이상으로 설계

- Ball / Roller BRG이 광범위하게 사용되는 이유는 적은 회전 저항 / 일시적 높은 과부하에 강함 / 회전되는 구성체에 정밀 배열 용이 / 냉각, 윤활 , 유지가 간단 / 가격이 저렴 / Radial과 Axial 방향으로 적용이 잘됨 / 온도상승에 대한 저항이 큼

- 단점은 외부 물질에 대해 쉽게 손상되고 예고 없이 고장이 생김

Ball Bearing

- Radial Load 또는 Axial Load를 흡수하며 주로 ENG' 전방에 위치

Roller Bearing

- Radial Load를 감당하며 주로 ENG' 후방에 위치

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ENG' Main Bearing Seal

- BRG Compartment Sealing은 Air 및 Oil의 손실을 BRG Compartment에서 막기 위한 것

- PW에서는 Compartment / GE에서는 BRG Sump

Labyrinth Seal(Breather Air 누설 방지)

- Oil Mist가 BRG Sump 밖으로 누설되는 것을 Labyrinth Seal을 통해서 들어오는 공기가 막아주는 역할

Carbon Seal(Oil 누설 최소화)

- Main BRG에 공급된 Oil을 누설되지 않도록 Sump에서 Seal과 Spacer에 접촉시켜 Oil이 누설되는 것을 방지

- Axial 방향으로 접촉하는 Face Type과 Radial 방향으로 접촉하는 Split-ring Type으로 나뉨

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구조 재료

Cold Section Material

- Case는 AL, Mg Alloy를 사용

- Fan Blade, Comp' Blade 및 Disk와 같이 온도가 높고 고강도이면서 가벼운 특성이 요구되는 곳에 Titanium Alloy를 사용

- HPC는 스테인리스강, Nickel 합금이 주로 사용되고 복합재료인 에폭시 수지는 낮은 강도의 Fan 부분의 Case, Inlet Cone, Shroud등에 사용

Hot Section Material

- 주로 니켈 / 코발트 / 크롬 / 티탄 / 텅스텐 / 카본 등이 조합된 Super Alloy(내열합금)는 냉각할 경우 2,600˚F, 안 할 경우 2,000˚F를 견딜 수 있으며 주로 Hot Section에 사용

공정방법에는 

가루형태의 Super Alloy을 고온, 고압으로 압축시켜 고체 상태로 만들어 Creep에 매우 강하게 해주는 'Power Metallargy' 

단 하나의 조직을 갖는 형태로 주조 부식과 깨짐을 방지하는 '단결정 구조법' 

세라믹을 티탄 또는 Super Alloy부품에 내열피막에 표면장력을 높이고 부식을 방지하고 'Plasma Spray' 등을 사용

- Diffuser / Turbine Case는 인코넬로 제작하고, Vane과 Disk는 코발트 합금으로 제작