제트 엔진이란?- 정의, 유형 및 작동

제트엔진이란?

제트 엔진은 제트 추진에 의해 추력을 생성하는 빠르게 움직이는 제트를 방출하는 일종의 반응 엔진입니다. 이 광범위한 정의에는 로켓, 워터 제트 및 하이브리드 추진이 포함될 수 있지만 제트 엔진이라는 용어는 일반적으로 터보제트, 터보팬, 램제트 또는 펄스 제트와 같은 내연성 공기 호흡 제트 엔진을 나타냅니다. 일반적으로 제트 엔진은 내연 기관입니다.

공기 호흡 제트 엔진은 일반적으로 터빈으로 구동되는 회전식 공기 압축기를 특징으로 하며, 남은 동력은 추진 노즐을 통해 추력을 제공하는 이 과정을 브레이턴 열역학 사이클이라고 합니다.

제트 항공기는 장거리 여행을 위해 이러한 엔진을 사용합니다. 초기 제트기는 아음속 비행에 상대적으로 비효율적인 터보제트 엔진을 사용했습니다. 대부분의 현대식 아음속 제트 항공기는 더 복잡한 하이 바이패스 터보팬 엔진을 사용합니다.

피스톤 및 프로펠러 항공기보다 장거리에서 더 빠른 속도와 더 큰 연료 효율성을 제공합니다. 고속 애플리케이션(램제트 및 스크램제트)용으로 제작된 몇 가지 공기 호흡 엔진은 기계식 압축기 대신 차량 속도의 램 효과를 사용합니다.

 

제트엔진 작동원리

제트 엔진은 엄청난 추력에 의해 생성되는 큰 힘으로 비행기를 앞으로 움직이게 하고 비행기를 매우 빠르게 날게 합니다.

가스 터빈이라고도 하는 모든 제트 엔진은 동일한 원리로 작동합니다. 엔진은 팬으로 전면의 공기를 흡입합니다. 압축기는 공기의 압력을 높입니다. 압축기는 샤프트에 부착된 많은 블레이드로 만들어집니다.

블레이드는 고속으로 회전하고 공기를 압축하거나 압착합니다. 그런 다음 압축 공기에 연료가 분사되고 전기 불꽃이 혼합물에 불을 붙입니다. 연소 가스는 팽창하여 엔진 뒤쪽의 노즐을 통해 분출됩니다.

가스 제트가 뒤로 쏠 때 엔진과 항공기가 앞으로 밀려납니다. 뜨거운 공기는 노즐로 이동하면서 터빈이라고 하는 또 다른 블레이드 그룹을 통과합니다. 터빈은 압축기와 동일한 샤프트에 부착됩니다. 터빈을 돌리면 압축기가 회전합니다.

아래 이미지는 공기가 엔진을 통해 흐르는 방식을 보여줍니다. 공기는 엔진의 코어와 코어 주변을 통과합니다. 이로 인해 일부 공기는 매우 뜨겁고 일부는 더 차갑습니다. 그런 다음 더 차가운 공기는 엔진 출구 영역에서 뜨거운 공기와 혼합됩니다.

 

추진력이란?

추력은 엔진을 밀고 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘입니다. 아이작 뉴턴 경은 "모든 행동에는 동등하고 반대되는 반응이 있다"는 것을 발견했습니다. 엔진은 이 원리를 사용합니다.

엔진은 많은 양의 공기를 흡입합니다. 공기는 가열되고 압축되며 속도가 느려집니다. 공기는 많은 회전 블레이드를 통해 강제로 전달됩니다. 이 공기를 제트 연료와 혼합하면 공기 온도가 3000도까지 올라갈 수 있습니다.

공기의 힘은 터빈을 돌리는 데 사용됩니다. 마지막으로 공기가 떠날 때 엔진에서 뒤로 밀려납니다. 이로 인해 비행기가 앞으로 이동합니다.

 

제트 엔진의 부품

1. 팬
팬은 터보팬의 첫 번째 구성 요소입니다. 대형 회전 팬은 많은 양의 공기를 흡입합니다. 대부분의 팬 블레이드는 티타늄으로 만들어집니다. 그런 다음 이 공기의 속도를 높이고 두 부분으로 나눕니다. 한 부분은 다른 엔진 구성 요소에 의해 작동되는 엔진의 "코어" 또는 중심을 통해 계속됩니다.
두 번째 부분은 엔진의 핵심을 "우회"합니다. 코어를 둘러싸고 있는 덕트를 통해 엔진 뒤쪽으로 이동하여 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘의 대부분을 생성합니다. 이 더 차가운 공기는 엔진을 조용하게 하고 엔진에 추력을 추가하는 데 도움이 됩니다.

2. 압축기
압축기는 엔진 코어의 첫 번째 구성 요소입니다. 압축기는 많은 블레이드가 있는 팬으로 구성되며 샤프트에 부착됩니다. 압축기는 유입되는 공기를 점점 더 작은 영역으로 압축하여 결과적으로 공기 압력을 증가시킵니다.
결과적으로 공기의 에너지 잠재력이 증가합니다. 압축된 공기는 연소실로 강제 유입됩니다.

3. 연소기
 연소기에서 공기는 연료와 혼합되어 점화됩니다. 기류에 연료를 분사하기 위해 20개나 되는 노즐이 있습니다. 공기와 연료의 혼합물에 불이 붙습니다. 이것은 고온, 고에너지 기류를 제공합니다.
연료는 압축 공기의 산소와 함께 연소되어 뜨거운 팽창 가스를 생성합니다. 연소기의 내부는 내열실을 제공하기 위해 종종 세라믹 재료로 만들어집니다. 열은 2700°에 도달할 수 있습니다.

4. 터빈
연소기에서 나오는 고에너지 기류는 터빈으로 들어가 터빈 블레이드를 회전시킵니다. 터빈은 샤프트로 연결되어 압축기의 블레이드를 돌리고 전면의 흡기 팬을 회전시킵니다.
이 회전은 팬과 압축기를 구동하는 데 사용되는 고에너지 흐름에서 약간의 에너지를 가져옵니다. 연소실에서 생성된 가스는 터빈을 통해 이동하고 블레이드를 회전시킵니다. 제트기의 터빈은 수천 번 회전합니다. 그것들은 그들 사이에 여러 세트의 볼 베어링이 있는 샤프트에 고정됩니다.

5. 노즐
노즐은 엔진의 배기 덕트입니다. 이것은 실제로 비행기의 추력을 생성하는 엔진 부품입니다. 엔진 코어를 우회한 더 차가운 공기와 함께 터빈을 통과한 에너지가 고갈된 공기 흐름은 노즐을 나갈 때 엔진을 추진하고 따라서 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘을 생성합니다.
뜨거운 공기와 차가운 공기의 조합은 배출되고 배기 가스를 생성하여 전방 추력을 유발합니다. 노즐 앞에는 엔진 코어에서 나오는 고온의 공기와 팬에서 우회된 저온의 공기를 결합하는 믹서가 있을 수 있습니다. 믹서는 엔진을 더 조용하게 만드는 데 도움이 됩니다.

 

 

제트 엔진의 종류

1. 터보젯 제트 엔진
터보제트 엔진의 기본 아이디어는 간단합니다. 엔진 전면의 개구부에서 흡입된 공기는 압축기에서 원래 압력의 3~12배까지 압축됩니다. 연료가 공기에 추가되고 연소실에서 연소되어 유체 혼합물의 온도를 약 1,100°F에서 1,300°F로 높입니다. 생성된 뜨거운 공기는 압축기를 구동하는 터빈을 통과합니다.
터빈과 압축기가 효율적이라면 터빈 배출 압력은 대기압의 거의 2배가 되고 이 초과 압력은 노즐로 보내져 추력을 생성하는 고속 가스 흐름을 생성합니다. 애프터 버너를 사용하면 추력을 크게 높일 수 있습니다.
터빈 뒤와 노즐 앞에 위치한 두 번째 연소실입니다. 애프터버너는 노즐 앞의 가스 온도를 높입니다. 이러한 온도 상승의 결과 이륙 시 추력이 약 40% 증가하고 비행기가 공중에 뜨면 고속에서 훨씬 더 큰 비율이 증가합니다.
터보제트 엔진은 반응 엔진입니다. 반응 엔진에서 팽창하는 가스는 엔진 전면을 세게 밀어냅니다. 터보젯은 공기를 빨아들여 압축하거나 짜냅니다. 가스는 터빈을 통해 흐르고 회전합니다. 이 가스는 튕겨져 나와 배기구 뒤쪽으로 쏘아져 비행기를 앞으로 밀어냅니다.

2. 터보프롭 제트 엔진
터보프롭 엔진은 프로펠러에 연결된 제트 엔진입니다. 뒤쪽에 있는 터빈은 뜨거운 가스에 의해 회전하고 이것이 프로펠러를 구동하는 샤프트로 바뀝니다. 일부 소형 여객기와 수송기는 터보프롭으로 구동됩니다.
터보제트와 마찬가지로 터보프롭 엔진은 압축기, 연소실 및 터빈으로 구성되며 공기 및 가스 압력을 사용하여 터빈을 작동시킨 다음 압축기를 구동하는 동력을 생성합니다.
터보제트 엔진과 비교할 때 터보프롭은 시속 약 500마일 미만의 비행 속도에서 추진 효율이 더 좋습니다. 최신 터보프롭 엔진에는 훨씬 더 빠른 비행 속도에서 효율적인 작동을 위해 직경은 더 작지만 블레이드 수는 더 많은 프로펠러가 장착되어 있습니다.
더 높은 비행 속도를 수용하기 위해 블레이드는 시미터 모양으로 되어 있으며 블레이드 팁에 앞쪽 가장자리가 뒤로 젖혀져 있습니다. 이러한 프로펠러가 있는 엔진을 프로팬이라고 합니다.

3. 터보팬 제트 엔진
터보팬 엔진은 전면에 공기를 빨아들이는 큰 팬이 있습니다. 대부분의 공기 흐름은 엔진 외부를 둘러싸고 있어 엔진을 더 조용하게 만들고 저속에서 더 많은 추력을 제공합니다. 오늘날 대부분의 여객기는 터보팬으로 구동됩니다.
터보제트에서는 흡입구로 들어가는 모든 공기가 압축기, 연소실 및 터빈으로 구성된 가스 발생기를 통과합니다. 터보팬 엔진에서는 유입되는 공기의 일부만 연소실로 들어갑니다.
나머지는 팬 또는 저압 압축기를 통과하고 "찬" 제트로 직접 배출되거나 가스 발생기 배기 가스와 혼합되어 "고온" 제트를 생성합니다. 이러한 종류의 바이패스 시스템의 목적은 연료 소비를 증가시키지 않으면서 추력을 증가시키는 것입니다.
이는 총 기단 흐름을 증가시키고 동일한 총 에너지 공급 내에서 속도를 감소시켜 이를 달성합니다.

4. 터보샤프트 제트 엔진
이것은 터보프롭 시스템처럼 작동하는 가스터빈 엔진의 또 다른 형태입니다. 프로펠러를 구동하지 않습니다. 대신 헬리콥터 로터에 동력을 제공합니다. 터보샤프트 엔진은 헬리콥터 로터의 속도가 가스 발생기의 회전 속도와 무관하도록 설계되었습니다.
이것은 생성된 전력량을 조절하기 위해 발전기의 속도가 변하는 경우에도 회전자 속도가 일정하게 유지되도록 합니다.

5. 램제트 엔진
가장 단순한 제트 엔진에는 움직이는 부품이 없습니다. 제트기의 속도는 엔진에 공기를 "램"하거나 강제합니다. 본질적으로 회전 기계가 생략된 터보제트입니다. 압축률이 전적으로 포워딩 속도에 의존한다는 사실 때문에 적용이 제한됩니다.
램제트는 정적 추력을 발생시키지 않으며 일반적으로 음속 이하의 추력은 거의 발생하지 않습니다. 결과적으로 램제트 차량은 다른 항공기와 같은 일종의 보조 이륙이 필요합니다. 주로 유도 미사일 시스템에 사용되었습니다. 우주선은 이러한 유형의 제트기를 사용합니다.