제트 엔진

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배경

제트 엔진은 오늘날 제트 항공기의 발전소로서 항공기를 추진하는 추력뿐만 아니라 항공기의 다른 많은 시스템에 연료를 공급하는 동력도 생산합니다.

제트 엔진은 물체에 작용하는 모든 힘이 동등하고 반대되는 힘을 생성한다는 뉴턴의 제3 운동 법칙에 따라 작동합니다. 제트 엔진은 항공기가 움직이는 공기 중 일부를 끌어들여 압축하고 연료와 결합하여 가열한 다음 마지막으로 비행기가 앞으로 나아가도록 하는 힘으로 뒤따르는 가스를 분출하는 방식으로 작동합니다. 이러한 엔진에 의해 생성된 출력은 엔진이 이동할 수 있는 파운드 수를 나타내는 용어인 추력 파운드로 표시됩니다.

많은 기술 혁신과 마찬가지로 제트 엔진도 개념에서 설계, 실행에 이르기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 전통적인 피스톤 엔진을 초월하려는 첫 번째 시도는 실제로 무겁고 복잡한 엔진의 수정이었습니다. 터빈 설계는 1921년에 도입되었으며, 이 설계와 현대 제트 엔진의 다른 기본 구성 요소는 Frank Whittle이라는 영국 공군 중위가 1930년에 영국 특허를 받은 설계에 존재했습니다. Whittle의 엔진에 대한 테스트는 1937년에 시작되었지만 , 그것은 1941년까지 성공적으로 비행하지 못했습니다. 제2차 세계 대전을 위해 무장하기 위해 서두르는 독일의 영국 해협을 가로질러 Hans von Ohain에게 발행된 1935년 제트 엔진 특허와 유사하지만 완전히 별개의 작업이 시작되었습니다. 4년 후, Max Hahn 박사가 이끄는 독일 엔지니어 팀은 역사상 최초의 완전 제트 동력 비행을 성공적으로 수행했습니다. 1941년 Whittle 엔진으로 성공을 거두자 영국은 즉시 시제품을 미국의 동맹국에 배송했으며 General Electric은 즉시 사본을 생산하기 시작했습니다. GE가 생산한 최초의 미국 제트 엔진은 1942년 말 Bell Aircraft에서 제작한 비행기에서 비행했습니다. 제2차 세계 대전 중에는 제트기 사용이 다소 제한되었지만 전쟁이 끝날 무렵 세 국가 모두 정예 비행대를 사용하기 시작했습니다. 제트 추진 전투기의.

직경이 최대 11피트, 길이가 12피트인 오늘날의 상업용 엔진은 무게가 10,000파운드 이상이고 100,000파운드 이상의 추력을 생성할 수 있습니다.

디자인

제트 엔진은 카울링 안에 들어 있습니다. 약간 둥근 자동차 와 같이 바깥쪽으로 열리는 외부 케이스 후드, 내부 구성 요소의 검사 및 수리를 허용합니다. 각 엔진(일반적인 747은 4개 사용)에 철탑, 이 연결되어 있습니다. 비행기 날개에 엔진을 연결하는 금속 팔. 파일런의 펌프와 공급관을 통해 연료는 날개 탱크에서 엔진으로 전달되고 엔진에서 생성된 전기 및 수력은 파일런에 포함된 와이어와 파이프를 통해 항공기로 다시 라우팅됩니다.

엔진의 맨 앞쪽에 있는 팬은 엔진의 첫 번째 구획인 압축기로의 공기 흐름을 증가시키는 데 도움이 됩니다. 팬이 공기를 내부로 밀어 넣을 때 컴프레서(앞에서 뒤쪽으로 점차 넓어지는 금속 실린더)는 들어오는 공기를 증가하는 압력에 노출시킵니다. 엔진을 통한 공기의 진행을 가속화하기 위해 압축기에는 단순한 가정용 팬처럼 회전하는 블레이드가 장착되어 있습니다. 믿을 수 없을 정도로 짧은 시간에 공기가 필요합니다. 제트 엔진의 부품(최대 25,000개)은 다양한 방법으로 만들어집니다. 팬 블레이드는 용융 티타늄을 핫 프레스로 성형하여 만듭니다. 제거되면 각 블레이드 스킨이 메이트에 용접되고 중앙의 중공 캐비티는 티타늄 벌집으로 채워집니다. 터빈 디스크는 분말 야금으로 만들어지며 압축기 블레이드와 연소실은 모두 주조로 만들어집니다. 일반적인 압축기의 내부 끝에 도달하기 위해 흡기 구멍보다 20배 작은 공간에 압착되었습니다.

고압 압축기를 떠나면서 팽창하면서 공기는 연소기, 공기가 연료와 혼합되어 연소되는 내부 엔진 실린더. 연소실은 실제로 자동차의 공기 필터와 같은 모양의 링입니다. 압축기를 빠져나갈 때 이 링을 통과하는 공기는 점화되는 반면 더 큰 다른 공기 흐름은 충돌하지 않고 링의 중심을 통과할 뿐입니다. 압축기에서 방출되는 세 번째 공기 흐름은 연소실 외부로 전달되어 냉각됩니다.

압축기의 공기가 연료와 혼합되고 연소기에서 점화되어 믿을 수 없을 정도로 뜨거운 양의 가스를 생성할 때, 그 가스의 일부는 배기 시스템을 통해 엔진을 떠나고 다른 더 작은 부분은 엔진의 터빈으로 보내집니다. 터빈은 제트 엔진에서 더 앞으로 나아가 압축기 블레이드를 회전시키는 동일한 샤프트에서 확장되는 팬 세트입니다. 그 역할은 압축기 샤프트에 동력을 공급하기 위해 연소기를 떠나는 뜨거운 가스에서 충분한 에너지를 추출하는 것입니다. 일부 모델에서는 터빈을 사용하여 비행기의 다른 구성 요소에 전력을 생성할 수도 있습니다. 터빈은 강한 열을 받기 때문에 각 블레이드에는 미로 같은 기도가 있습니다. 압축기에서 나오는 차가운 공기는 이 통로를 통해 전달되어 터빈이 만들어지는 합금의 녹는점보다 온도가 높은 가스 흐름에서 터빈이 작동할 수 있도록 합니다.

그러나 연소기를 떠나는 가스의 대부분은 적절한 엔진 성능을 보장하기 위해 매우 조심스럽게 형성되어야 하는 배기 시스템을 통해 배출됩니다. 음속 이하로 비행하는 비행기에는 끝으로 갈수록 가늘어지는 배기 시스템이 장착되어 있습니다. 초음속 여행이 가능한 배기 시스템은 끝에서 플레어(flare)하지만 착륙에 바람직한 느린 속도를 허용하도록 좁힐 수도 있는 배기 시스템이 필요합니다. 배기 시스템은 연소기 외부를 통과한 냉각 공기를 전달하는 외부 덕트와 연소기를 통해 펌핑된 연소 가스를 운반하는 좁은 내부 덕트로 구성됩니다. 이 두 덕트 사이에는 추력 역전 장치 가 있습니다. 가열되지 않은 공기가 배기 시스템을 통해 엔진을 떠나는 것을 방지하기 위해 외부 덕트를 닫을 수 있는 메커니즘. 조종사는 항공기의 속도를 늦추고 싶을 때 역추력을 사용합니다.

원자재

견고하고 가벼우며 내부식성이며 열적으로 안정적인 구성 요소는 모든 항공기 설계의 실행 가능성에 필수적이며 특정 재료는 이러한 특성 및 기타 바람직한 특성을 제공하기 위해 개발되었습니다. 1950년대 상업적 용도를 위해 충분히 순수한 형태로 처음 만들어진 티타늄은 가장 중요한 엔진 부품에 사용됩니다. 성형하기가 매우 어렵지만 극도의 경도로 인해 강한 열에 노출될 때 강해집니다. 가단성을 향상시키기 위해 티타늄은 종종 니켈 및 알루미늄과 같은 다른 금속과 합금됩니다. 세 가지 금속 모두 상대적으로 높은 강도/중량 비율로 인해 항공 우주 산업에서 높이 평가됩니다.

엔진 전면의 흡기 팬은 매우 강력해야 큰 새와 기타 파편이 블레이드로 빨려 들어갈 때 파손되지 않습니다. 따라서 티타늄 합금으로 만들어집니다. 중간 압축기는 알루미늄으로 만들어지고 연소기의 강한 열에 가까운 고압 부분은 극한의 온도를 더 잘 견딜 수 있는 니켈과 티타늄 합금으로 만들어집니다. 연소실 역시 니켈과 티타늄 합금으로 구성되어 있으며, 엔진의 가장 강한 열을 견뎌야 하는 터빈 블레이드는 니켈-티타늄-알루미늄 합금으로 구성되어 있습니다. 종종 연소실과 터빈 모두 열에 더 잘 견디도록 하는 특수 세라믹 코팅을 받습니다. 배기 시스템의 내부 덕트는 티타늄으로 제작된 반면 외부 배기 덕트는 합성 섬유로 만들어진 합성 섬유로 만들어집니다. 유리 섬유는 수년 동안 사용되었지만 이제는 더 가볍고 더 강한 Kevlar로 대체되고 있습니다. 스러스트 리버서는 티타늄 합금으로 구성됩니다.

제조
프로세스

제트 엔진의 구성 요소를 만들고 조립하는 데는 각 모델에 대해 최대 5년이 걸릴 수 있는 설계 및 테스트 기간이 지나면 약 2년이 걸립니다. 엔진이 너무 복잡하기 때문에 연구 개발 단계가 너무 오래 걸립니다. 예를 들어 표준 보잉 747 엔진에는 거의 25,000개의 부품이 들어 있습니다.

구성 요소 구축 — 팬 블레이드

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1 제트 엔진 제조에서 다양한 부품은 하위 어셈블리의 일부로 개별적으로 만들어집니다. 그런 다음 하위 어셈블리가 모여 전체 엔진을 형성합니다. 그러한 부품 중 하나는 엔진 전면에 위치한 팬 블레이드입니다. 각 팬 블레이드는 핫 프레스에서 용융 티타늄을 성형하여 생성된 2개의 블레이드 스킨으로 구성됩니다. 제거되면 각 블레이드 스킨이 메이트에 용접되고 중앙에 빈 공동이 있습니다. 최종 제품의 강도를 높이기 위해 이 공동은 티타늄 벌집으로 채워집니다.

컴프레서 디스크

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2 컴프레서의 블레이드가 부착된 단단한 코어인 디스크는 톱니 모양의 큰 바퀴와 비슷합니다. 엔진 작동의 엄청난 스트레스를 받으면 쉽게 골절로 발전할 수 있기 때문에 매우 강하고 미세한 결함도 없어야 합니다. 오랫동안 디스크를 제조하는 가장 보편적인 방법은 금속 블랭크를 기계 절단하여 원하는 모양의 대략적인 모양으로 만든 다음 가열하고 정확한 사양으로 스탬핑하는 것이었습니다(금속을 가단하게 만드는 것 외에도 열도 도움이 됩니다 퓨즈 헤어라인 균열). 그러나 오늘날에는 점점 더 많은 제조업체에서 보다 정교한 디스크 생산 방법을 사용하고 있습니다. 분말 야금 그것은 금속을 수백만 개의 미세한 방울로 분해하는 빠르게 회전하는 턴테이블에 용융 금속을 붓는 것으로 구성되며, 이 턴테이블은 거의 즉시 다시 튀어나옵니다. 터빈 블레이드는 블레이드의 왁스 사본을 만든 다음 세라믹 슬러리 수조에 담가서 만듭니다. 각 사본을 가열하여 세라믹을 경화시키고 왁스를 녹인 후, 녹은 왁스가 남겨진 구멍에 용융 금속을 붓습니다.
제트 엔진은 공기를 한쪽 끝으로 빨아들여 압축하고 연료와 혼합하여 연소실에서 태운 다음 큰 힘으로 배기 시스템으로 내보내는 방식으로 작동합니다. 테이블이 회전하기 때문입니다. 테이블을 떠날 때 물방울의 온도가 갑자기 떨어지며(약 0.5초 동안 화씨 2,120도, 섭씨 1,000도) 응고되어 미세한 금속 분말을 형성합니다. 생성된 분말은 오염 물질을 흡수하기에는 너무 빨리 고형화되기 때문에 매우 순수합니다.

3 다음 단계에서는 분말을 성형 케이스에 포장하여 진공 상태로 만듭니다. 진동하는 분말은 케이스 바닥에 단단히 채워질 때까지 걸러냅니다. 진공은 공기 주머니가 발생하지 않도록 합니다. 그런 다음 케이스를 밀봉하고 고압(제곱인치당 약 25,000파운드)에서 가열합니다. 열과 압력의 이러한 조합은 금속 입자를 디스크로 융합시킵니다. 그런 다음 디스크는 대형 절단기로 성형되고 팬 블레이드에 볼트로 고정됩니다.

압축기 블레이드

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4 매우 오래된 방법인 주조가 압축기 블레이드를 형성하는 데 여전히 사용됩니다. 이 과정에서 블레이드가 형성될 합금을 세라믹 몰드에 붓고 용광로에서 가열하고 냉각합니다. 금형이 부서지면 블레이드가 최종 모양으로 가공됩니다.

연소실

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5 연소실은 좁은 공간에서 공기와 연료를 혼합해야 하며 극도의 열에서 장기간 작동해야 합니다. 이를 달성하기 위해 티타늄을 합금하여 연성(모양을 형성하는 능력)을 높입니다. 그런 다음 여러 개의 개별적이고 매우 복잡한 세그먼트 금형에 붓기 전에 가열됩니다. 섹션은 해당 항목에서 제거됩니다. 제트 엔진은 철탑으로 비행기 날개에 장착됩니다. 철탑(및 날개)은 엔진의 무게가 최대 10,000파운드까지 나갈 수 있으므로 매우 강력해야 합니다. 엔진에 장착하기 전에 금형을 냉각하고 함께 용접합니다.

터빈 디스크 및 블레이드

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6 터빈 디스크는 압축기 디스크를 만드는 데 사용된 것과 동일한 분말 야금 공정으로 형성됩니다. 그러나 터빈 블레이드는 바로 앞에 있는 연소기의 강한 열로 인해 훨씬 ​​더 큰 응력을 받기 때문에 압축기 블레이드를 형성하는 데 사용되는 방법과 다소 다른 방법으로 만들어집니다. 먼저, 금속 몰드에 왁스를 부어 블레이드의 사본을 만듭니다. 각 왁스 모양이 설정되면 금형에서 꺼내 세라믹 슬러리 수조에 담가 약 0.25인치(0.63센티미터) 두께의 세라믹 코팅을 형성합니다. 그런 다음 각 클러스터를 가열하여 세라믹을 경화시키고 왁스를 녹입니다. 이제 녹은 금속이 녹은 왁스가 남긴 빈 공간에 부어집니다. 각 블레이드 내의 내부 공기 냉각 통로도 이 생산 단계에서 형성됩니다.

7 블레이드의 금속 입자는 이제 방향 응고라는 프로세스에 의해 블레이드와 평행하게 정렬됩니다. 터빈 블레이드가 너무 많은 응력을 받기 때문에 입자 방향이 중요합니다. 입자가 올바르게 정렬되면 칼날이 파손될 가능성이 훨씬 적습니다. 응고 과정은 정확한 사양에 따라 블레이드가 조심스럽게 가열되는 컴퓨터 제어 오븐에서 이루어집니다. 금속 입자는 오븐에서 꺼낸 후 냉각될 때 올바른 구성을 가정합니다.

8 터빈 블레이드 준비의 다음 및 최종 단계는 기계 성형 및 레이저 드릴링 또는 스파크 침식입니다. 먼저, 기계가공을 통해 최종적으로 원하는 형상으로 날을 연마합니다. 다음으로 내부 냉각 통로를 보완하기 위해 각 블레이드에 작은 구멍의 평행선이 형성됩니다. 구멍은 작은 레이저 빔이나 스파크 침식에 의해 형성되며, 여기서 주의 깊게 제어된 스파크가 블레이드의 구멍을 삼킬 수 있습니다.

배기 시스템

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9 배기 시스템의 내부 덕트와 애프터버너는 티타늄으로 성형되고 외부 덕트와 나셀(엔진 케이싱)은 Kevlar로 성형됩니다. 이 세 가지 구성 요소가 하위 어셈블리로 용접되면 전체 엔진을 함께 조립할 수 있습니다.

최종 조립

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10개의 엔진은 다양한 하위 어셈블리와 액세서리를 수동으로 결합하여 구성됩니다. 엔진은 일반적으로 작업자가 조립 중에 엔진을 쉽게 조작할 수 있도록 하는 고정 장치에 후방 끝에서 앞으로 수직 위치에 조립됩니다. 조립은 고압 터빈(연소기에 가장 가까운 것)을 저압 터빈(컴버스터에서 가장 먼 것)에 볼트로 고정하는 것으로 시작됩니다. 다음으로 연소실은 터빈에 고정됩니다. 균형 잡힌 터빈 어셈블리를 구축하는 데 사용되는 한 프로세스는 터빈 블레이드를 허브에 선택, 분석 및 결합할 수 있는 CNC(Computer Numerically Controlled) 로봇을 활용합니다. 이 로봇은 블레이드의 무게를 결정하고 균형 잡힌 조립을 위해 적절하게 배치할 수 있습니다.

11 터빈과 연소실이 조립되면 고압 및 저압 압축기가 부착됩니다. 팬과 해당 프레임은 가장 앞쪽에 있는 하위 어셈블리를 구성하고 다음으로 연결됩니다. 저압터빈과 저압압축기, 팬을 연결하는 주구동축을 설치하여 엔진코어를 완성합니다.

12 최종 서브어셈블리인 배기 시스템이 부착된 후, 엔진은 배관, 배선, 액세서리 및 비행기의 공기역학적 쉘이 통합될 항공기 제조업체로 배송될 준비가 되었습니다.

품질 관리

새로 설계된 엔진에서 생산이 시작되면 가장 먼저 제작된 엔진이 테스트 엔진으로 지정되고 엔진 모델이 서비스 수명 동안 직면하게 될 다양한 상황에 대한 응답을 테스트하기 위해 수많은 실험이 실행됩니다. 여기에는 극단적인 기상 조건, 공기 중 잔해(예:새), 긴 비행 및 반복적인 출발이 포함됩니다. 제작된 첫 번째 엔진은 항상 품질 테스트에 전념합니다. 그것은 상업적으로 날지 않을 것입니다.

엔진 제작의 전체 프로세스에서 구성 요소와 어셈블리는 치수 정확도, 책임감 있는 솜씨 및 재료 무결성에 대해 검사됩니다. 치수 검사는 다양한 방법으로 수행됩니다. 한 가지 일반적인 방법은 CNC 검사입니다. 좌표 측정기(CMM)는 부품의 주요 특징을 검사하고 설계된 치수와 비교합니다. 또한 부품에 재료 결함이 있는지 검사합니다. 한 가지 방법은 부품의 전체 표면에 형광 액체를 바르는 것입니다. 액체가 균열이나 자국으로 이동한 후 초과분은 제거됩니다. 자외선 아래에서 조기 엔진 고장을 유발할 수 있는 모든 표면 결함이 밝혀집니다.

모든 회전 어셈블리는 안전한 확장 작동을 보장하기 위해 정밀하게 균형을 잡아야 합니다. 최종 조립 전에 모든 회전하는 부분조립품이 동적으로 균형을 이룹니다. 밸런싱 프로세스는 타이어 스핀 밸런싱과 유사합니다. 당신의 차에. 회전하는 서브어셈블리와 완성된 엔진 코어는 컴퓨터 "회전"되고 동심원으로 회전하도록 조정됩니다.

완성된 엔진의 기능 테스트는 정적 테스트, 고정 작동 테스트 및 비행 테스트의 세 단계로 진행됩니다. 정적 테스트는 엔진이 작동하지 않는 상태에서 시스템(예:전기 및 냉각)을 확인합니다. 정지 작동 테스트는 엔진을 스탠드에 장착하여 작동 중인 상태에서 수행됩니다. 비행 테스트에는 다양한 조건과 환경에서 이전에 테스트되었는지 여부에 관계없이 모든 시스템에 대한 포괄적인 테스트가 수반됩니다. 각 엔진은 서비스 수명 동안 계속 모니터링됩니다.