제트 엔진 주요 구성 요소 및 기능 이해

제트 엔진은 공기와 연료를 사용하여 배기가스에서 추력을 제공하거나 프로펠러 또는 로터 블레이드에 연결된 샤프트를 구동하는 동력을 생성합니다. 제트 엔진은 차가운 부분과 뜨거운 부분으로 구성됩니다. 저온 부분에는 흡기, 바이패스 덕트, 압축기, 디퓨저 및 구동축이 포함됩니다. 고온부는 연소실, 터빈, 노즐, 애프터버너 및 배기 장치로 구성됩니다. 제트 엔진은 차가운 공기를 흡입하여 압축하고 연료와 혼합하여 연소시킨 다음 배기 장치 밖으로 배출하는 방식으로 작동합니다. 이 기사에서는 제트 엔진의 주요 구성 요소에 대해 더 자세히 설명합니다.

제트 엔진 핫 섹션의 부품은 무엇입니까?

제트 엔진의 뜨거운 부분은 가스 발생기라고도 알려진 연소실에서 시작됩니다. 이곳은 뜨거운 가스가 생성되어 뒤쪽으로 이동하여 터빈 블레이드, 초음속 노즐, 애프터버너를 거쳐 마지막으로 배기 장치를 통해 확장됩니다. 뜨거운 부분은 연소실에서 생성된 뜨거운 가스를 포함하기 때문에 그렇게 불립니다. 배기 가스 범위는 550~850°C 사이이거나 애프터버너 사용 시 최대 1,500°C입니다.

1. 연소기

연소실은 공기와 연료가 혼합되어 점화되는 곳입니다. 연소실은 공기 흐름을 약 80~500ft/s로 늦추고 화염이 점화되는 중앙에 데드존을 만들어야 합니다. 연료는 공기와의 적절한 혼합을 보장하기 위해 챔버 주위로 소용돌이칩니다. 연소실에서 방출되는 가스의 온도는 1,800~2,000°C 범위입니다. 챔버가 녹는 것을 방지하려면 두 가지가 필요합니다. 첫째, 연소 전 공기 흐름의 일부 공기가 고온 가스와 챔버 사이의 경계층으로 도입됩니다. 둘째, 연소실은 세라믹 코팅으로 코팅된 티타늄 합금으로 만들어졌습니다. 이러한 매우 얇은 세라믹 코팅은 재료 온도를 약 300°C까지 낮춥니다. 티타늄 연소실을 주조한 후 함께 용접한 후 세라믹 코팅을 적용합니다.

2. 터빈

뜨거운 가스는 연소실을 떠나 빠른 속도로 팽창합니다. 가스의 팽창은 터빈 블레이드에 부분적으로 흡수되어 터빈 블레이드를 회전시킵니다. 터빈 블레이드는 구동축을 통해 압축기 블레이드에 연결되어 새로운 공기를 흡입합니다. 터빈 블레이드는 단일 니켈 기반 합금 결정으로 제조되어 금속 경계층 사이의 크리프를 방지합니다. 터빈 블레이드도 세라믹 코팅으로 코팅되어 녹는 것을 방지합니다. 코팅 외에도 블레이드에는 내부 공기 채널이 있어 차가운 공기가 표면의 구멍 밖으로 배출되어 블레이드 위에 차가운 공기 경계층을 생성할 수 있습니다.

3. 초음속 노즐 

대부분의 제트 엔진에서 배기 노즐은 수렴 덕트입니다. 엔진 외부의 자유 흐름 속도를 도입하기 위해 가스 흐름을 초음속으로 가속합니다. 

4. 애프터버너

애프터버너는 연소 후 뜨거운 가스에 추가 연료를 추가하여 짧은 시간 동안 엔진에 추가 출력을 추가하는 단순한 연료 분사 시스템입니다. 애프터버너가 장착된 제트 엔진의 경우 일반적으로 사이에 에어 갭이 있는 이중벽이 있습니다. 기존의 뜨거운 가스는 엔진 내벽이라는 공간을 통해 엔진 전면에서 유입되는 차가운 공기와 혼합됩니다. 이는 또한 열이 항공기 구조로 전달되는 것을 방지합니다. 

5. 배기

배기가스에서 배출되는 배기가스의 범위는 550~850°C입니다. 이러한 조건을 견디기 위해 배기 장치는 니켈 합금 또는 티타늄 합금으로 만들어집니다. 일반적으로 사용되는 니켈 합금 중 하나는 Inconel®입니다. 

제트 엔진 콜드 섹션의 부품은 무엇입니까?

제트 엔진 냉각부 내부에는 공기 흡입구, 압축기, 바이패스 덕트, 압축기와 터빈 블레이드를 연결하는 샤프트, 디퓨저 섹션이 있습니다. 엔진의 차가운 부분은 공기의 마찰과 압축으로 인해 실제로 상당히 뜨거울 수 있습니다.  하지만 배기가스의 연소실인 엔진의 뜨거운 부분에 비해 차가운 부분은 차갑습니다.

1. 공기 흡입구

공기 흡입구는 단순해 보이지만 실제로는 상당히 복잡합니다. 공기 흡입구의 기하학적 구조는 수렴하거나 발산합니다. 수렴 흡입구는 속도가 마하 0.5 미만인 엔진의 경우 공기 속도를 마하 0.5 정도까지 높이는 데 사용됩니다. 마하 0.5 이상에서 작동하는 엔진의 경우 공기 속도를 마하 0.5까지 낮추기 위해 발산 덕트가 사용됩니다. 또한 공기 흡입구에는 가열 시스템이 통합되어 있어 얼음이 쌓이는 것을 방지하여 엔진에 난류를 일으키고 얼음이 큰 덩어리로 떨어지면 엔진이 멈출 수 있습니다. 

2. 샤프트

가스 터빈의 샤프트는 엔진 뒤쪽에 있는 터빈 디스크에서 앞쪽에 있는 압축기 블레이드로 동력을 전달하여 압축기가 공기를 흡입할 수 있도록 합니다. 샤프트 수는 엔진 스풀에 따라 다릅니다. 단일 스풀 엔진에는 압축기 디스크 1개, 터빈 디스크 1개, 샤프트 1개가 있습니다. 트윈 스풀에는 서로 독립적으로 움직이는 두 개의 압축기와 터빈 디스크 및 샤프트가 있습니다. 제트 엔진의 샤프트는 극한의 온도와 토크를 견뎌야 하기 때문에 열처리된 강철로 만들어집니다. 샤프트는 일반적으로 터닝 머신을 사용하여 큰 강철 조각으로 가공됩니다. 

3. 압축기

압축기는 공기의 운동 에너지를 증가시켜 들어오는 공기 흐름을 압축하는 데 사용됩니다. 그런 다음 디퓨저는 공기 속도를 늦추고 운동 에너지를 위치 에너지(압력)로 변환하여 엔진 효율을 높입니다. 압축기는 디퓨저 바깥쪽으로 흐름을 가속시키는 방사형 흐름 임펠러일 수 있습니다. 또는 압축기는 디퓨저 쪽으로 공기 흐름을 후방으로 가속시키는 축류 압축기일 수 있습니다. 두 블레이드는 전통적으로 티타늄, 알루미늄 또는 강철로 만들어졌습니다. 티타늄은 가벼운 무게와 부식 및 크리프 저항성 때문에 선호되는 경우가 많습니다. 탄소 섬유 블레이드도 사용되고 있으며, 특히 GEnx 엔진에 사용됩니다. 금속 압축기 블레이드는 용융 금속으로 주조되고 냉각된 후 최종 형태로 기계 가공됩니다. 

4. 우회 덕트

바이패스 덕트는 바이패스 팬에 의해 압축된 공기가 엔진 코어 외부를 따라 이동할 수 있도록 하며 추력으로 사용되거나 냉각 기능을 위해 엔진에 재도입되는 데 사용됩니다. 바이패스 덕트는 엔진의 큰 부분이므로 일반적으로 무게를 줄이기 위해 알루미늄이나 탄소 섬유로 만들어집니다. 알루미늄은 덕트를 만들기 위해 장착되는 패널을 만드는 데 사용됩니다. 탄소섬유 덕트는 탄소섬유를 틀에 쌓고 수지로 경화시켜 만듭니다. 경화되면 탄소 섬유 패널을 엔진에 설치하여 덕트를 만들 수 있습니다. 

5. 디퓨저 섹션

디퓨저 섹션은 압축기 블레이드에서 생성된 공기의 운동 에너지를 위치(압력) 에너지로 전환하여 연소 효율을 높이는 데 사용됩니다. 디퓨저는 일반적으로 엔진의 공기 흐름을 늦추는 데 사용되는 기본적으로 정적 압축기 블레이드인 고정자 베인입니다. 고정자 베인은 강철 또는 Inconel®과 같은 니켈 기반 합금으로 생산됩니다. 

제트 엔진이란 무엇인가요?

제트 엔진은 공기 흡입구, 압축기, 디퓨저, 연소실, 터빈 및 배기 장치로 구성된 엔진입니다. 제트 엔진은 배기 장치에서 추력을 제공하거나 프로펠러 또는 헬리콥터 메인 로터를 구동하는 터빈 디스크를 구동합니다. 제트 엔진은 항상 공기 흐름이 흡입되고 압축되고 연소되고 배출되는 연속적인 주기로 작동합니다. 

제트 엔진은 부품으로 조립되는 크고 복잡한 기계입니다. 엔진 설계가 승인되면 구성 요소를 제조해야 합니다. 그 중 일부는 자체적으로 제작되지만, 대부분은 다른 회사에서 가져와서 조립하게 됩니다. 예를 들어, Rolls-Royce Trent는 8개의 모듈로 제작됩니다. 연소실, 압축기 등의 주요 구성품은 별도로 제작된 후 최종 생산 시 함께 결합됩니다. 주요 부품을 조립한 후 케이블링, 유압장치 등의 액세서리가 추가됩니다. 제조의 마지막 단계는 테스트이며, 이 기간 동안 엔진이 테스트 베드에서 작동되어 작동 성능 사양을 충족하는지 확인합니다. 자세한 내용은 알루미늄 주조란 무엇입니까?

가이드를 참조하세요.

제트 엔진은 어떻게 작동하나요?

제트 엔진은 흡입구에서 공기를 흡입하고 압축하여 작동합니다. 압축은 공기의 속도를 빠르게 높이거나 낮추어 운동 에너지를 생성하고 이를 압력 에너지로 변환함으로써 이루어집니다. 압축된 공기는 연료와 혼합되어 점화됩니다. 점화된 혼합물은 급속히 팽창합니다. 팽창하는 가스는 두 가지 목적을 달성합니다. 첫째, 더 많은 공기를 흡입하도록 압축기를 구동하는 터빈을 구동합니다. 둘째, 배기 장치를 통해 빠르게 추력을 방출하거나 헬리콥터의 프로펠러 또는 메인 로터 헤드를 구동하는 다른 터빈 세트를 구동하여 항공기를 추진합니다. 

제트 엔진은 어떻게 제조되나요?

제트 엔진은 부품으로 조립되는 크고 복잡한 기계입니다. 엔진 설계가 승인되면 구성 요소를 제조해야 합니다. 그 중 일부는 자체적으로 제작되지만, 대부분은 다른 회사에서 가져와서 조립하게 됩니다. 예를 들어, Rolls-Royce Trent는 8개의 모듈로 제작됩니다. 연소실, 압축기 등의 주요 구성품은 별도로 제작된 후 최종 생산 시 함께 결합됩니다. 주요 부품을 조립한 후 케이블링, 유압장치 등의 액세서리가 추가됩니다. 제조의 마지막 단계는 테스트이며, 이 기간 동안 엔진이 테스트 베드에서 작동되어 작동 성능 사양을 충족하는지 확인합니다.

제트 엔진의 재료 구성은 무엇입니까?

제트 엔진은 극한의 하중과 환경에 노출되기 때문에 강력하고 가벼운 고급 소재로 만들어집니다. 비행하려면 엄청난 양의 힘이 필요하므로 출력을 최대화하면서 무게를 최소한으로 유지하는 것이 제트 엔진 제조업체의 핵심 목표입니다. 대부분의 재료는 다음을 포함하는 금속 합금입니다.

1. 니켈 기반 합금 
2. 코발트 기반 합금 
3. 티타늄 합금 

엔진은 다음과 같은 비금속 재료도 사용합니다.

1. 탄화규소 
2. 탄소섬유 

제트 엔진 제조는 극한의 작동 조건과 엔진이 준수해야 하는 안전 요구 사항으로 인해 매우 어렵습니다. 제트 엔진은 극도의 열적, 기계적, 공기역학적 부하를 받습니다. 또한 안전상의 이유로 고장률이 매우 낮아야 합니다. 이 두 가지 요소가 결합되어 제트 엔진 제조가 매우 어려워집니다. 

또한 제트 엔진의 일부 부품은 3D 프린팅됩니다. 필요한 기계적 특성으로 인해 엔진 부품을 프린팅하는 것은 어렵지만 이제 일부 부품 생산에는 이 방법이 포함됩니다. General Electric의 GE9X에는 다른 제조 기술을 사용하기에는 너무 부서지기 쉬운 TiAl 소재를 사용하는 3D 프린팅 터빈 블레이드가 있습니다. 자세한 내용은 항공우주 산업의 3D 프린팅 가이드를 참조하세요.

제트 엔진 부품 제조의 품질 관리는 어떻게 되나요?

많은 제조업체는 항공 분야 ISO 9001 품질 관리 시스템(QMS)에 해당하는 AS9100을 준수합니다. AS9100은 효과적인 품질 관리에 대한 요구 사항을 제시하는 국제적으로 인정받는 표준입니다. 요구 사항에는 모든 부품의 품질이 적절하고 추적 가능하도록 보장하기 위해 올바른 문서를 사용하고 작업하는 시스템 구현이 포함됩니다.