항공엔진 개발에 있어 중요한 목표 성능 파라미터 중에 하나가 TIT 이다. TIT를 제대로 이해하기 위해서는 엔진 개념부터 항공엔진의 역사까지 두루 살펴봐야 한다.
엔진(engine)이란?
정교하게 세공을 하거나 어떠한 고안을 통해 사물을 움직이는 장치, 또한 에너지를 입력으로 받아서 그 에너지를 기계적인 움직임으로 변환하는 장치를 말한다. 우리나라에서 ‘엔진’은 ‘기관’이라고 부른다.
대표적인 엔진의 종류
외연기관
기관 외부에서 연료를 연소시키고, 그 연소로 생성된 열을 기관 내부로 전달하여 동력을 얻는다. 대표적인 외연기관의 종류로는 증기기관이 있다.
내연기관
연료와 공기를 혼합하여 기관 내부에서 연소시켜 생성된 가스의 압력과 열을 이용하여 동력을 얻는다. 대표적인 내연기관 종류는 다음과 같다.
- 휘발유 엔진 (가솔린 엔진): 휘발유를 연료로 사용하여 공기와 혼합하여 실린더 내부에서 폭발시켜 피스톤을 움직여 움직임을 생성하는 엔진이다. 주로 자동차와 오토바이에 사용된다.
- 디젤 엔진: 디젤 연료를 연료로 사용하며, 공기를 압축해서 높은 압력과 온도로 연료를 폭발시켜 피스톤을 움직여 움직임을 생성하는 엔진이다. 효율성이 높고 토크가 크기 때문에 트럭, 버스, 기계 등에 널리 사용된다.
- CNG 엔진 (압축 자연가스 엔진): 압축된 자연가스를 연료로 사용하여 연소시켜 움직임을 생성하는 엔진이다. 환경 친화적이며 일부 차량과 버스에서 사용된다.
- LPG 엔진 (액화 석유 가스 엔진): 액화 석유 가스를 연료로 사용하여 연소시켜 움직임을 생성하는 엔진이다. 주로 일부 차량에서 사용되며, 휘발유나 디젤에 비해 배출물이 적은 편이다.
- 가스터빈 엔진: 공기와 연료를 혼합하여 연소시킨 후, 그 연소로 생성된 고온 가스로 터빈을 회전시켜 움직임을 생성하는 엔진이다. 항공기용 터보 제트 엔진이 대다.
왕복엔진+프로펠러의 한계
항공기는 목표 지점까지 빠르게 도착하기 위하여 비행 속도를 증가시키고 싶어한다. 과거 항공기는 휘발유나 디젤 연료를 이용한 왕복 엔진에 프로펠러를 붙여 추진하였다. 하지만 프로펠러는 비행 속도가 빨라지면 효율이 급격히 나빠진다. 그 이유는 프로펠러가 공기를 가르는 속도, 특히 프로펠러의 끝부분 속도가 음속을 넘어서기 때문이다. 음속을 넘어서면 프로펠러에 충격파가 발생하는데 이때 공기저항이 급격히 커진다. 왕복엔진이 100% 출력을 낸다 하더라도, 왕복엔진에서 생성된 동력의 대부분이 프로펠러 회전시 받게되는 급증한 공기저항에 대응하는데 모두 소진되므로 추력이 급격히 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 왕복엔진의 경우, 비행고도가 높아지면 공기가 희박해 지므로 추력이 떨어진다. 물론 왕복엔진에 터보차저(turbo charger)를 장착하면 조금 개선이 될 것이지만, 한계가 존재한다.
터보프롭의 출현
왕복엔진의 경우 피스톤의 행정으로 만드는 실린더 체적은 일정하고, 그 체적에 흡입되는 공기량은 비행 고도에 따라서 크게 영향을 받는다는 것은 쉽게 예상할 수 있다. 비행고도가 증가하더라도 엔진의 추력 감소를 막기 위해서는 공기희박조건에서도 공연비가 저고도 때와 동일할 수 있도록 실린더에 공기를 강제로 주입해야 한다. 이때 실린더 체적에 공급되는 공기의 부피보다는 공기의 총질량이 중요하다고 생각할 수 있다. 하지만 왕복엔진은 터보차저를 장착하더라도 구조적으로 실린더에 공급하는 공기의 총질량을 증기시키는 것이 어렵다. 이 같은 이유 때문에 실린더에 공기를 주입하여 연소하는 방식이 아니라, 대량의 공기를 흡입하여 여러번 압축한 후 알맞은 비율의 연료를 섞어서 연속적으로 연소하는 방식인 가스 터빈 엔진을 발명하게 되었다. 가스 터빈 엔진은 대량의 공기를 연속으로 흡입한 후 압축한다. 그리고 압축공기의 총질량을 고려하여 이상적인 비율로 연료를 분사한 후 연속적으로 연소한다. 이때 발생하는 고온/고압의 가스로 터빈을 회전시켜 동력을 만든다. 이 동력으로 프로펠러를 돌리는 엔진이 터보프롭 turboprop)이라고 한다. 터보프롭은 동일 출력의 왕복엔진에 비하여 무게가 절반이나 가볍고, 비행고도 문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 엔진의 무게도 가볍다.
터보제트의 출현
터보 제트 엔진은 터보프롭과 마찬가지로 가스 터빈 엔진에 속한다. 하지만 추력 생성 매커니즘이 조금 다르다. 터보프롭은 열에너지를 프로펠러의 회전 운동으로 바꿔 추력을 얻는다면, 터보 제트는 열에너지를 회전 운동뿐만 아니라 속도 에너지로도 바꿔 추력을 발생시키는 엔진이다. 터보제트 엔진은 공기를 흡입하여 압축하고 그것을 연소시켜 고압/고온의 가스를 만들고, 그 에너지의 일부를 사용하여 터빈과 압축기를 회전시킨다. 나머지 에너지는 오로지 작용과 반작용 법칙에 따른 속도를 얻는데 사용하는 것이다. 즉, 고압/고온의 가스를 후방으로 고속 분사해서 생기는 반동으로 추력을 만드는 것이다. 만약 고압/고온의 가스를 터빈 회전을 통한 압축기 회전에만 사용하다면 분사 가스는 미약한 바람 수준에 그친다. 그래서 터보제트 엔진은 효율적인 압축을 위해 원심식 압축기가 아니라 저압용과 고압용으로 나눈 측류식 압축기를 사용한다.
터보팬의 출현
일반적으로 제트 엔진은 터보제트 또는 터보팬을 말한다. 터보팬은 터보제트에 팬을 장착한 엔진으로 경제속도가 중요한 제트 여객기를 위하여 연비 향상과 소음 경감을 목표로 개발되었다. 터보제트와 터보팬의 차이점은 다음과 같다.
터보제트 엔진 (Turbojet Engine):
- 작동 원리: 터보제트 엔진은 공기를 흡입하여 압축한 후, 연소기에서 연료와 혼합하여 연소. 연소로 생성된 고온 가스는 터빈을 회전시키고, 이로써 터빈 축을 통해 연료 공급과 압축기 동작을 유지. 최종적으로 터빈에서 생성된 가스는 빠른 속도로 배출되어 추진력을 발생.
- 용도: 초기 제트 엔진으로 고속 비행과 고공에서의 성능에 탁월한 특징이 있음. 초음속 비행 및 군용 항공기에서 주로 사용되었음.
- 효율성과 연료소비: 효율성과 연료소비 측면에서는 일반적으로 터보팬 엔진보다는 낮음.
- 소음: 초기의 터보제트 엔진은 소음이 크고 환경 친화적이지 않았음.
터보팬 엔진 (Turbofan Engine):
- 작동 원리: 터보팬 엔진은 기본적인 제트 엔진 원리에 팬 블레이드(대형 팬)가 추가된 형태. 공기를 흡입하여 팬 블레이드로 압축한 후, 일부 공기는 주변으로 배출되고, 나머지 공기는 연소기로 들어감. 연소로 생성된 고온 가스는 터빈을 회전시키고, 터빈 축을 통해 팬 블레이드와 연료 공급을 유지함. 마지막으로 터빈에서 나온 가스는 후방으로 배출되어 추진력을 발생시킴.
- 용도: 주로 상업 항공기에서 사용됨. 효율성과 연비를 높이면서 소음을 줄이는 데 중점을 둠.
- 효율성과 연료소비: 터보팬 엔진은 효율성과 연료소비 측면에서 터보제트 엔진보다 우수함.
- 소음: 터보팬 엔진은 소음이 낮고 환경 친화적인 특징을 가짐.
요약하면, 터보제트 엔진은 초음속 비행 및 고속 비행에 특화되어 있으며, 터보팬 엔진은 효율성과 환경 측면에서 더 발전된 형태로 상업 항공기에서 주로 사용된다.
TIT – 왜 중요한가?
터보제트엔진 추력은 연소가스의 온도가 높으면 높을수록 커진다. 왜냐하면 연소 온도가 증가할수록 기체의 부피는 증가하게 되고, 그만큼 분사 속도도 증가하기 때문이다. 그래서 터빈 입구 온도가 아주 중요한 항공엔진 설계인자로서, 터빈 입구 온도를 TIT (tubing inlet temperature)라고 부르고 있다. 즉, TIT는 가스 터빈과 같은 엔진에서 사용되는 용어로, 엔진 내에서 가스 흐름이 터빈 단계로 들어가는 지점에서의 온도 말한다. 이 온도는 엔진의 성능과 효율성에 큰 영향을 미치는 중요한 매개 변수 중 하나이다. 가스 터빈 엔진은 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 이로부터 나온 고온 가스를 터빈으로 유도하여 회전력을 생성한다. 이때 터빈에 들어가는 가스의 온도는 터빈의 성능과 효율성에 영향을 미치며, TIT가 높을수록 엔진의 효율성이 향상될 수 있다. 그러나 TIT가 지나치게 높으면 엔진의 내구성과 재료의 내열성에 문제를 일으킬 수 있다. 고온 가스가 터빈 블레이드를 만나면 블레이드 재료에 열이 전달되어 재료 손상이나 부식이 발생할 수 있다. 따라서 엔진 설계 시에는 TIT | 내구성 사이의 균형을 고려하여 엔진을 최적화하게 된다. TIT는 엔진의 설계, 연료 혼합 비율, 냉각 시스템 등 다양한 요소에 의해 결정된다. 더 높은 TIT는 더 높은 엔진 효율성을 제공할 수 있지만, 내구성 문제와 열 관리가 중요한 고려 사항이다. 일반적으로 연소 직후의 고압/고온의 가스로 바로 터빈을 돌리기 보다는 연소 가스에 공기를 섞어 냉각시킨 후, 그 혼합가스로 터빈을 회전시킨다. 초기 제트 엔진의 연소 온도는 약 2000도였고 TIT 최대값은 약 1000도였지만 요즘에는 터빈 블레이드의 내열성과 냉각 기술의 발전으로 1600도 전후까지 결딜 수 있다.
TIT 측정
TIT를 정확히 측정하기 위해서는 터빈의 바로 앞단에 온도 센서가 설치되어야 한다. 하지만 그곳에는 온도 센서를 장착할 수 없다. 왜냐하면 1500도 이상의 온도를 안정적으로 견딜 수 있는 온도센서가 없을 뿐더러 만약 온도 센서가 녹아서 떨어질 경우 뒤쪽 터빈을 망가트려 전체 엔진의 고장을 일으킬 수 있기 때문이다. 따라서 온도 센서는 터빈 뒤의 배기 섹션에 존재한다. 즉, 온도 센서는 터빈 입구 온도인 TIT를 측정하는 것이 목적이지만 배기 섹션에 설치되며, 배기가스 온도(EGT, exhaust gas temperature)를 통해 터빈 입구 온도를 추정한다.
