| 1.항공기 기관과 열역학 기초 |
1.항공기 기관의 분류
1.1.항공기 왕복기관
1.1.1.냉각방법에 의한 분류
1)액랭식기관 : 물재킷/온도조절기/펌프/연결파이프 등으로 구성 // 구조가 복잡하고 무거움
2)공랭식기관 : 프로펠러를 지나는 공기를 이용하여 냉각하는 기관
1.지상작동 및 지상활주에서는 성능이 낮으나 비행 시에는 성능이 좋다
2.제작비가 싸고 정비가 간단하나
3.냉각핀 : 실린더와 실린더헤드에 열발산 표면적을 넓혀 냉각효과 증대
4.배플 : 실린더 주위의 금속판으로 공기의 흐름을 안내하여 냉각효과 증대
5.카울플랩 : 기관을 통과하는 냉각공기의 양을 조절 // 저속 시 완전히 열어준다
1.1.2.실린더배열에 의한 분류
1)대향형 기관 : 실린더들이 두개의 열로 서로 반대방향으로 나열된 기관
1.수평대향형 : 지면에 대해 평행한 방향으로 좌우로 실린더들이 배열
2.수직대향형 : 지면에 대해 수직한 방향으로 상하로 실린더들이 배열
2)V형 기관 : 실린더들이 V자로 배열된 기관 // V자를 2개 붙인 이중 V자도 있음
3)X형 기관 : V자 형이 위아래로 대칭으로 붙은 형태
4)성형기관 : 실린더들이 원형으로 배열된 상태
1.단열 성형기관 : 실린더의 배열 원이 하나인 배치
2.다열 성형기관 : 실린더의 배열 원이 앞뒤로 2개 이상인 배치
1.1.3.대향형 기관과 성형 기관
1)대향형 기관 : 주로 소형기에 사용 // 400마력정도까지 출력 // 실린더 수가 짝수
2)성형 엔진 : 주로 대형기에 사용 // 높은 단위 중량당 마력 // 전면면적이 넓음
1.2.가스터빈기관 : 제트추진의 원리로 추력을 발생시키는 기관
1.2.1.터보제트 기관 : 소형/경량으로 큰 추력을 발생 // 후기연소기 장착 시 초음속 비행 가능
1)비행속도가 빠를수록 효율이 좋다
2)아음속에서 초음속 범위에 걸쳐 우수한 성능
3)저속에서 효율이 감소하고 연료소비율이 놓으며 소음이 크다
1.2.2.터보팬 기관 : 프로펠러기관의 우수성을 접목해 팬이 장착된 기관
1)바이패스 공기와 연소가스를 분사하여 추력을 얻는다
2)터보제트기관에 비해 많은 양의 공기를 비교적 느린 속도로 분사
3)아음속에서 효율이 좋고 연료소비율이 작다
4)소음이 적고 이륙거리가 짧다
5)민간 여객기 및 군용기로써 널리 사용된다
1.2.3.터보프롭 기관 : 터보제트기관에 프로펠러를 장착한 형태
1)추력의 75%정도를 프로펠러에서 생성한다
2)배기가스에서 25%정도의 추력을 생성한다
1.2.4.터보샤프트 기관 : 기관발생 동력을 축을 통해 다른 작동부로 전달한다
1)모든 출력은 축을 돌리는데 사용된다 (배기가스 추력 0)
2)주로 헬리콥터에 이용된다
1.2.5.펄스제트 기관 : 공기를 맥동식으로 흡입-분사하여 추력을 얻는 기관
1)흡입구/밸브망/연소실/분사노즐 등으로 구성
2)밸브의 수명이 짧고 폭발성이 강해 소음이 크다
3)공기를 연소적으로 흡입하지 못해 전면면적이 다른 기관보다 커야한다
4)지상에서 정지상태로 시동이 가능하다
1.2.6.램제트 기관 : 가장 간단한 구조의 제트기관
1)흡입구/연소실/분사노즐로 구성
2)기관흡입공기의 속도가 M0.2 이상이어야 작동이 가능하다
3)고속으로 흡입되는 공기의 램압축을 통해 공기를 압축한다
4)스크램제트 엔진 : 연소실내부를 포함한 기관전체에 초음속 흐름이 흐르는 램제트 엔진
1.2.6.로켓엔진 : 기관 내부에 연료와 산화제를 함께갖추고 있는 기관
2.열역학 기초
2.1.온도와 절대온도
2.1.1.온도 : 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 나타내는 물리량
2.1.2.섭씨온도와 화씨온도
1)섭씨온도 : 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 잡고 그 사이를 100등분 한 온도단위계
2)화씨온도 : 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 잡고 그 사이를 180등분한 온도단위계
3)℉ = ℃ x (9/5) + 32
4)℃ = (℉-32) x (5/9)
2.1.3.절대온도 : 이론적으로 기체의 부피가 0이되는 절대영도를 기준으로한 온도단위계
1)켈빈온도 : 절대영도 -273℃ = 0K(켈빈) // 눈금 간격은 ℃와 동일 // K = ℃ + 273
2)랭킨온도 : 절대영도 -460℉ = 0R(랭킨) // 눈금 간격은 ℉와 동일 // R = ℉ + 460
2.2.비열과 비열비
2.2.1.비열 : 어떤 물체 1kg을 1℃ 높이는데 필요한 열량
1)비열의 단위 : kcal / kg*℃
2)정압비열(Cp) : 압력이 일정한 상태에서 기체의 온도를 1℃올리는데 필요한 열량
3)정적비열(Cv) : 부피가 일정한 상태에서 기체의 온도를 1℃올리는데 필요한 열량
4)열량(Q) : 열에너지의 양 // Q = C*m*(T2 - T1)
2.2.2.비열비 : 정압비열과 정적비열의 비율
1)비열비 k = (Cp / Cv) >1
2)정압의 경우 외부에 일을 하므로 더 많은 열량이 필요하다
2.3.계와 작동물질
2.3.1.계 : 관심의 대상이 되는 물질이나 장치의 일부분
1)고립계 : 계의 경계를 통해 에너지와 물질의 출입이 불가능한 계
2)밀폐계 : 계의 경계를 통해 에너지는 출입이 가능하나 물질은 출입이 불가능한 계
3)개방계 : 계의 경계를 통해 에너지와 물질 모두 출입이 가능한 계
2.3.2.작동물질 : 에너지를 저장하거나 운반하기 위해 사용되는 물질
2.4.종량성질과 강성성질
1)종량성질 : 물체의양에 비례하는 성질 // (체적/질량/몰/엔탈피) 등
2)강성성질 : 물체의 양에 비례하지 않는 성질 // (온도/밀도/압력/비체적/비엔탈피) 등
3)구별법 : 물체를 반으로 쪼갰을 때 해당 성질의 변화여부
2.5.보일-샤를의 법칙
1)보일의 법칙 : 기체의 온도가 일정하면 기체의 부피는 압력에 반비례한다 // (P1Va = P2V2)
2)샤를의 법칙 : 기체의 부피가 일정하면 기체의 압력은 절대온도에 비례한다 // (P1/T1 = P2/T2)
3)보일-샤를의 법칙 : 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 조합한 법칙 // (P1V1/T1 = P2V2/T2)
2.6.이상기체 상태방정식
2.6.1.이상기체 상태방정식의 종류
1)Pv = RT // P = ρRT // PV = mRT : 기체상수 R을 사용한 이상기체 상태방정식
2)PV = nR'T : 표준기체상수 R'을 사용한 이상기체 상태방정식
3)PV = kNT : 볼츠만상수 k를 사용한 이상기체 상태방정식
2.6.2.상태방정식의 용어
1)이상기체 상태방정식 : 이상기체의 압력 / 온도 / 부피와의 관계를 나타낸 식
2비체적 v : 단위 질량당의 체적으로 밀도의 역수 // v = V/m
3)몰수 n : 물질의 양을 갯수로 나타내는 단위 // 1mol = 6.25 x 10^23(개) = 아보가드로 수 = Na
4)분자수 N : 특정 분자의 갯수 // 몰수 n = N/Na (분자의 수를 아보가드로 수로 나눈것이 몰수이다)
5)분자량 : 특정 분자 1개의 질량 // 분자량 = m/n
2.6.3.상수(R/R'/k)사이의 관계
1)R의 단위 : kJ / Kg * K // R에 kg/kmol, 즉 m/n을 곱하면 R'이 된다
2)R'의 단위 : kJ / kmol * K // 표준기체상수 R'은 8.314로 고정값이다
3)k의 단위 : kJ / N * K // k에 N/n, 즉 아보가드로수 Na를 곱하면 R'이 된다
2.6.4.열역학 제1법칙(에너지 보존법칙)
1)밀폐계의 열역학 제 1법칙
1.Q = ΔU + W // Q : 외부공급열량 U : 내부에너지 W : 계가 주위에 한 일
2.열기관의 열효율 ηth = W/Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = 1 - Q2/Q1
2)개방계의 열역학 제 1법칙
1.유동일 W = PV : 압력차로 계의 내외로 작동물질을 이동시키는데 필요한 일
2.엔탈피 H = U + PV : 내부에너지와 유동일의 합
3.Q + H1 = W + H2 // 계에 들어오는 에너지의 합 = 계를 나가는 에너지의 합
2.6.5.이상기체의 내부에너지
1)이상기체 분자 1개의 평균 운동에너지 E' = (3/2)kT
2)이상기체의 내부에너지 U = N x E' = (3/2)NkT = (3/2)nR'T
2.6.6.몰비열 : 어떤 물질 1mol을 1℃ 높이는데 필요한 열량
1)몰비열의 단위 : kcal / mol * ℃
2)이상기체의 정적몰비열 Cvmol
1.열역학 1법칙에 의해 Q = ΔU + W에서 W=0이므로 Q = ΔU
2.이상기체의 경우 Q = ΔU = (3/2)nR'ΔT
3.Cvmol = Q/mol*℃ = (3/2)R'
3)이상기체의 정압몰비열 Cpmol
1.열역학 1법칙에 의해 Q = ΔU + W, ΔU = Q - W
2.등압과정이므로 W = PΔV이므로 ΔU = Q - PΔV
3.PV = nR'T에서 PΔV = nR'ΔT
4.ΔU = Q - nR'ΔT = (3/2)nR'ΔT, Q = (5/2)nR'ΔT
5.Cpmol = Q/mol*℃ = (5/2)R'
4)이상기체 정적몰비열과 이상기체 정압몰비열의 차
1.이상기체 정적몰비열 Cvmol = (3/2)R'
2.이상기체 정압몰비열 Cpmol = (5/2)R'
3.Cpmol - Cvmol = R'
5)몰비열비 γ = Cpmol/Cvmol
2.6.7.열역학적 과정
1)등압과정 (P = const)
1.과정에서 계가 한 일 = P-V선도에서 그래프 아래의 넓이
2.W = 인테그랄(V=i부터 V=f까지) P*dV = P(Vf-Vi) = PΔV
3.열역학 1법칙 ΔU = Q - W = Q - PΔV
2)등적과정 (V = const)
1.과정에서 계가 한 일 = 0
2.열역학 1법칙 ΔU = Q - W = Q
3)등온과정 (T = const)
1.과정에서 계가 한 일 = P-V선도에서 그래프 아래의 넓이
2.W = 인테그랄(V=i부터 V=f까지) P*dV 에서 P = (nR'T)/V로 대입
3.W = nR'T * ln(Vf/Vi)
4.열역학 1법칙 ΔU = Q - W = Q - nR'T * ln(Vf/Vi)
4)단열과정 (Q = 0)
1.단열팽창 : 외부에 일을하고 내부에너지가 감소
2.단열압축 : 외부로부터 일을 받고 내부에너지가 증가
3.열역학 1법칙 ΔU = Q - W = -W
4.이상기체의 경우 PV^γ = const // γ = 이상기체 몰비열비
5)폴리트로픽 과정
1.단열과정에서의 몰비열비 γ 대신 폴리트로픽 지수 n을 사용
2.Pv^n = const // v = 비체적 n = 폴리트로픽 지수
3.실제 엔진에서 일어나는 상태변화에 근접
2.6.9.가역과정과 비가역과정
1)가역과정 : 계와 주변환경에 아무런 변화를 일으키지 않고 원상태로 되돌릴 수 있는 과정
1.계가 A에서 B로 변하는 과정에서 계 뿐만아니라 주변환경도 변하게 된다
2.계가 B로부터 A로 돌아오면서 계뿐만아니라 주변환경도 원상태로 돌아올 수 있을 때
이를 가역과정이라 함
2)비가역과정 : 계가 열역학적 과정을 통해 상태가 변해 원래와는 다른 상태가 되었을 때
그 계가 스스로 원상태로 돌아가지 않는 과정
2.6.8.열역학 제 2법칙
1)열과 일의 변환에 특정한 방향성이 있다는 것을 설명하는 법칙
2)열은 고온에서 저온의 물체로 이동하며 저온에서 고온으로 스스로 이동하지 않는다
3)고온으로부터 열을 흡수하여 일로 바뀔때 열기관이 필요하며 흡수열의 전체가 일로 전환될 수 없다
4)일은 쉽게 열로 전환되지만 열에서 일을 얻기위해서는 열기관이 필요하고 효율이 100%일 수 없다
5)저온에서 고온으로 열을 이동시키기 위해서는 냉동기가 필요하다
6)카르노 사이클 : 이론적으로 최고의 열효율이 나오는 사이클
1.두개의 등온과정과 두개의 단열과정으로 구성
2.등온압축 >> 단열압축 >> 등온팽창 >> 단열압축의 반복
3.열효율 = W/Q1 = 1 - Q2/Q1 = 1 - T2/T1
7)엔트로피(무질서도) : ΔS = ΔQ/T
1.물질의 수반에 의한 엔트로피 변화량 : Si - Se
2.열의 출입에 의한 엔트로피 변화량 : Q/T
3.생성되는 엔트로피 : Sgen
4.엔트로피 평형식 ΔS(system) = Si - Se + Q/T + Sgen
5.등엔트로피과정 : 단열 + 가역과정
2.6.9.항공기관의 사이클
1)오토사이클(정적사이클) : 항공기 왕복엔진의 열역학적 사이클이다
1.단열압축 >> 정적가열 >> 단열팽창 >> 정적방열의 반복
2.오토사이클의 열효율 η = 1 - (1/ε)^(k-1) // ε: 압축비 k : 비열비
2)브레이턴사이클(정압사이클) : 항공기 가스터빈엔진의 열역학적 사이클이다
1.단열압축 >> 정압가열 >> 단열팽창 >> 정압방력의 반복
2.브레이턴사이클의 열효율 η = 1 - (1/γ)^((k-1)/k) // γ : 압력비
3)디젤사이클 : 단열압축 >> 정압가열 >> 단열팽창 >> 정적방열의 반복
4)사바테사이클 : 단열압축 >> 정적가열 >> 정압가열 >> 단열팽창 >> 정적방열의 반복
5)오토 / 디젤 / 사바테사이클의 이론 열효율 비교
1.압축비가 같을때 : 오토 > 사바테 > 디젤
2.최고압력이 같을때 : 디젤 > 사바테 > 오토
| 2.왕복기관의 구조와 작동원리 |
1.왕복기관 일반
1.1.왕복기관의 4행정 : 흡입 >> 압축 >> 폭발 >> 배기
1.1.1.흡입행정
1)피스톤 : 상사점에서 하사점으로 이동
2)흡입밸브 : 흡입밸브가 열려 혼합가스가 실린더로 들어온다
3)배기밸브 : 배기밸브는 닫혀 혼합가스가 실린더에서 나가지 않도록 한다
1.1.2.압축행정
1)피스톤 : 하사점에서 상사점으로 이동하며 혼합가스를 압축한다
2)흡입 및 배기 밸브 : 두 밸브 모두 닫혀서 혼합가스를 밀폐시킨다
3)점화시키 : 압축행정 중 상사점에 도달하기 조금 전에 점화플러그에 의해 점화된다
1.1.3.폭발행정
1)피스톤 : 상사점에서 하사점으로 힘을 받아 이동한다
2)흡입 및 배기 밸브 : 두 밸브 모두 닫혀있는 상태이다
3)혼합가스의 연소에 의한 압력으로 피스톤을 밀어준다
4)최고압력지점 : 상사점 후 10°부근
5)실린더 안의 온도 : 약 2000℃
1.1.4.배기행정
1)피스톤 : 하사점에서 상사점으로 이동하면서 연소된 배기가스를 밀어낸다
2)흡입밸브 : 닫혀 있는 상태이다
3)배기밸브 : 배기밸브가 열려서 배기가스를 내보내는 통로를 열어준다
1.2.왕복엔진의 비정상연소
1)디토네이션 : 실린더에서 점화가 일어난 후 폭발 과정에서 미연소가스가 자연 발화하여 폭발하는 현상
2)조기점화 : 정상적인 불꽃 점화가 시작되기 전에 비정상적인 원인으로 혼합가스가 점화되는 현상
3)노킹 : 압축비가 너무 높을 경우 미연소 가스가 자연발화하여 갑자기 폭발하며 굉음을 내는 현상
4)역화 : 혼합비가 과희박할 경우 화염전파속도가 느려져 흡입매니폴드 쪽으로 화염이 유입되는 현상
5)후화 : 혼합비과 과농후할 경우 연소속도가 느려져 배기된 후에도 연소가 지속되는 연상
6)연소속도 : 희박혼합비 >> 농후혼합비 >> 이상혼합비 순으로 빠름
1.희박혼합비 : 연료 입자 간의 거리가 멀어 화염 전파가 느려짐
2.농후혼합비 : 연료량이 많아서 시간 내에 완전연소가 어려움
2.왕복기관의 구조
2.1.왕복기관 기본구조
2.1.1.왕복기관 실린더 (Cylinder)
1)피스톤이 왕복운동을 하는 부분
2)실린더 헤드와 배럴, 스커트로 구성
3)최대 60kgf/cm^2의 압력과 2000℃의 온도가 발생
4)헤드는 열전도성이 좋고 가벼운 알루미늄 합금으로 제작
5)연소실의 모양 : 원통형 / 반구형(많이 사용) / 원뿔형
6)배럴(동체)는 내열성/내마멸성이 큰 합금강으로 제작
7)배럴에 강철 라이너를 끼우고 안쪽면을 질화처리 또는 크롬처리한다
8)지름-행정비 : 실린더의 안지름과 행정거리와의 비
2.1.2.피스톤 (Piston)
1)실린더 내에서 가스압력을 전달받아 상하운동하여 커넥팅로드를 통해 크랭크 축을 회전시킨다
2)상하 왕복운동을 하며 혼합가스를 빨아들이고 내보내는 과정을 반복한다
3)피스톤 헤드 / 스커트 / 피스톤 핀 / 피스톤 링으로 구성
4)열팽창이 작고 / 열을 빠르게 실린더벽과 윤활유에 전달한다
5)재질이 강하고 내마멸성이 큰 알루미늄 합금으로 제작
6)헤드 모양 : 평면형(많이사용) / 오목형 / 컵형 / 돔형 / 반원뿔형
7)피스톤 간격 : 피스톤이 실린더와 밀착되는 것을 방지하기위한 간격
8)피스톤 링 : 피스톤과 실린더 사이를 밀폐하고 윤활유를 벽면에 공급한다
1.압축링 : 피스톤의 열을 실린더벽에 전달하고 밀폐작용을 한다 // 위쪽에 장착
2.오일링 : 피스톤 실린더 벽에 윤활유를 공급-제거한다 // 아래쪽에 장착
3.링 끝간격 : 열팽창을 고려하여 링의 끝부분에 있는 간격
4.링의 배치 : 끝간격의 배치를 360°를링의 갯수로 나눈 각도로 배치한다
5.링의 재질 : 주철(cast iron)으로 장착
6.링이 3개 : 압축링 2개 + 오일링 1개
7.링이 4개 : 압축링 3개 + 오일링 1개
9)피스톤 핀 : 피스톤과 커넥팅로드 사이를 이어주는 축(shaft)역할을 한다
1.알루미늄 합금으로 제작하며 표면경화처리한다
2.속을 비게 제작하여 무게를 감소한다
3.스냅링 : 피스톤 핀이 피스톤에서 빠지지 않도록 고정한다
4.연결방식 : 고정식(피스톤고정) / 반부동식(커넥팅로드고정) / 전부동식(많이사용)
2.1.3.밸브 및 밸브 개폐기구
1)밸브 : 실린더로 혼합가스와 배기가스를 출입시킨다 // 주로 포핏형 사용
2)흡입밸브 : 실린더로 들어오는 혼합가스를 조절한다 // 튤립형이 많이 사용
3)배기밸브 : 실린더를 나가는 배기가스를 조절한다 // 버섯형이 많이 사용
1.내열/내마멸성이 강한 재질로 제작한다
2.내부를 비운 후 금속나트륨으로 채운다
3.고온에서 금속나트륨이 녹아 냉각효과를 증가시킨다
4)밸브페이스 : 밸브가 실린더 내의 가스와 맞닿는 부분이다
5)밸브 스템 : 밸브의 기둥부분이다
6)밸브 팁 : 벨브의 끝쪽부분이다
7)밸브 가이드 : 밸브의 스템을 지지하고 안내한다 // 수축법으로 장착
8)밸브 시트 : 밸브 페이스와 맞닿는 부분으로 초경질합금 스텔라이트를 입힌다
1.재질 : 알루미늄 합금 / 청동 / 내열강
2.시트면의 각도 : 흡입밸브 : 30°// 배기밸브 : 45°
9)밸브스프링 : 밸브를 닫아주는 힘을 제공한다
1.큰스프링 내부에 하나의 작은 스프링이 장착된다
2.두 스프링의 꼬임을 반대로 장착하여 진동을 방지한다
3.하나의 스프링이 부러져도 다른 하나의 스프링이 있어 안전하다
10)캠 샤프트 : 캠들이 달려있는 축으로써 크랭크 축의 1/2의 속도로 돈다
11)캠 로브 : 캠 축에 달려있는 튀어 나와있는 부분들을 로브라도 한다
12)캠 : 캠로브에 의해 위아래로 운동하며 이 상하운동을 푸시로드에 전달한다
13)푸시로드 : 상하로 운동하며 밸브를 열고닫는 힘을 제공한다
14)로커암 : 푸시로드의 상하운동을 전달받아 밸브를 열고 닫는다
15)로커암 하우징 : 로커암작동기구를 덮는 케이스이다
16)캠판 : 성형기관의 밸브 작동 기구로써 흡입밸브용과 배기밸브용이 앞뒤 2열로 배치된다
17)캠판로브 : 캠판에 장착된 로브로써 밸브를 열고 닫는 역할을 한다
16)대향형기관과 성형기관의 캠로브와 회전비율(N = 실린더 수 // n = 로브수)
대향형기관 성형기관
캠 로브 수 n = 2N (N+-1)/2
캠축(판)의 크랭크축의 크랭크축의
회전속도 1/2속도 1/2n속도
18)밸브간격 : 로커암과 밸브의 팁이 이루는 거리
1.밸브 간격이 좁을 경우 : 밸브가 빨리열리고 늦게 닫힌다
2.밸브 간격이 넓을 경우 : 밸브가 늦게열리고 빨리 닫힌다
3.냉간간격 : 지상에서 엔진이 작동중이지 않을 때의 간격 // 0.01"이하일것
4.열간간격 : 엔진이 작동중일 때의 간격 // 0.07"이하일 것
2.1.4.커넥팅로드 (Connecting Rod)
1)피스톤의 왕복운동을 크랭크축에 전달하여 크랭크축을 회전하게 한다
2)고탄소강 / 크롬강으로 제작
3)단면의 모양 : H형과 I형
4)평형 커넥팅 로드 : 직렬형 및 대향형 엔진에 사용한다
5)포크와 블레이드형 : V형 기관 및 이중 V형 기관에 사용한다
6)마스터와 아티큘레이터형 : 성형기관에 사용한다
1.마스터 로드 : 대단부에 아티큘레이터 로드가 장착된다
2.아티큘레이터 로드 : 마스터 로드 대단부에 장착되어 고유의 타원궤도운동을 한다
3.성형기관의 열마다 한쌍 씩 장착된다
2.1.5.크랭크축 (Crank Shaft)
1)피스톤의 상하운동을 커넥팅로드를 통해 전달받아 회전운동을 하여 프로펠러에 회전동력을 준다
2)니켈-크롬-몰리브덴강으로 제작한다
3)주저널 : 주베어링에 받쳐 회전하며 회전의 중심이 되는 부분이다
4)크랭크핀 : 커넥팅 로드가 장착되는 부분이다
1.속이 비어있어 무게가 경감되고 윤활유 통로역할을 한다
2.내부를 탄소침전물/찌꺼기/이물질이 쌓이는 슬러지 챔버로 사용한다
5)평형추 : 크랭크 축에 정적평형을 주어 회전력을 일정하게 한다
6)다이내믹 댐퍼 : 크랭크축의 변형이나 비틀림 및 진동을 막고 동적안정을 준다
2.1.6.크랭크케이스 (Crank Case)
1)기관의 몸체를 이루는 부분이다
2)피스톤이 장착되는 구멍이 있다
3)크랭크축과 커넥팅로드 등의 부품들을 수용하고 보호한다
4)알루미늄 합금으로 제작한다
2.2.흡입계통과 배기계통 구성품
2.2.1.흡입계통 : 혼합가스를 각 실린더 안으로 흡입시켜 연소가 이루어지도록 하는 계통
1)공기덕트 (air duct) : 외부로부터 공기를 받아들이는 통로
1.공기스쿠프 : 램공기를 빨아들이는 긴 도관
2.공기여과기 : 공기속의 먼지와 불순물을 걸러준다
3.대체공기밸브 : 조종석에서 기화기 공기 히터 조종장치를 통해 히터위치/정상위치를 조절
4.히터위치 : 주공기덕트를 닫고 기관에 의해 뜨거워진 공기를 흡입한다
5.정상위치 : 히터덕트가 닫히고 주공기 덕트를 통해 공기를 흡입한다
2)히터 머프 : 배기관의 열을 이용해 공기를 데워서 공급하는 장치 // 기화기 빙결방지에 사용
3)기화기 : 흡입된 공기와 연료를 적정비율로 섞어 혼합가스를 만드는 장치이다
4)매니폴드 : 다지관 // 혼합가스를 여러갈래로 각 실린더에 일정하게 분배/운반하는 통로이다
5)과급기 : 혼합가스를 압축시켜 더 많은 양의 혼합가스를 실린더로 보내준다
1.이륙 시출력증가 // 고고도 비행에서 공기밀도를 보상
2.기계식 : 크랭크축에서 동력을 얻어 구동되는 과급기 // 크랭크 축의 기계적 마력손실
3.배기식 : 배기가스로 터빈을 돌려 구동되는 과급기 //구조복잡 및 체적효율 감소
cf.매니폴드 압력 : 매니폴드 안의 압력으로 절대단위로 inHg단위로 표시한다
2.2.2.배기계통
1)배기관(배기파이프) : 각실린더에서 배출되는 연소가스를 한군데로 모아 대기중으로 방출하는 통로
2)소음기(머플러) : 배기가스를 여러장의 차단판을 통과시키면서 압력과 온도를 감소시켜 소음을 감소
| 3.왕복기관의 계통과 성능 |
1.왕복기관 연료계통
1.1.왕복기관용 연료 : 항공용 가솔린(Aviation Gasoline)을 사용한다
1.1.1.항공용 가솔린의 구비조건
1)발열량이 커야한다
2)기화성이 좋아야한다
3)베이퍼로크 저항성이 우수해야한다
4)안티노크성이 커야한다
5)부식성이 작아야한다
6)내한성이 커야한다
7)안전성이 커야한다
1.1.2.기화성 및 증기폐쇄
1)기화성 : 증발하여 기체가되려는 성질
2)항공용 가솔린 기화성 시험장치 : ASTM 증류 시험장치
3)증기폐쇄 : 연료의 기화성이 높아 증발하여 기포가 형성되어 연료 흐름을 차단하는 것
1.연료자체의 열이나 주위의 뜨거운 열에 의해 일어난다
2.연료가 배기관 근처에 있거나 연료관 내 연료압이 너무 낮을 경우 일어난다
1.1.3.노킹과 안티노크성
1)노킹 : 압축비가 과도할 경우 점화 후 미연소 가스가 자연발화하여 폭발하며 굉음을 내는 현상
2)안티노크성 : 항공기용 가솔린이 노킹을 잘 안 일으키는 성질
3)안티노킹의 원리 : 가솔린의 이소옥탄의 함유량을 높이거나 4에틸 납을 첨가한다
4)옥탄값(O.N) : 가솔린의 구성요소인 노말헵탄과 이소옥탄 중 이소옥탄의 함유비율
1.이소옥탄의 비율을 체적비율(%)로 나타낸다
2.옥탄가 70 : 이소옥탄 70%와 노말헵탄 30%로 구성된 항공용 가솔린
5)퍼포먼스 수(P.N) : 옥탄가 100에서 더욱 더 안티노크성을 높인 가솔린의 안티노크성 척도
1.4에틸납을 첨가하여 안티노크성을 높인다 // 독성이 있음
2.희박혼합비와 농후혼합비의 퍼포먼스수를 같이 표시한다
6) O.N = 128 - (2800 / P.N)
1.2.연료계통의 종류와 구성
1.2.1.연료계통의 종류
1)연료의 공급방법에 따른 분류 : 중력식과 압력식
1.중력식 : 주로 고익기에 사용 // 이륙 시 실제 소모량의 150%이상 공급 가능할 것
2.압력식 : 연료펌프로 연료를 가압 공급 // 이륙 시 실제 소모량의 125%이상 공급 가능할 것
2)연료계통의 구간에 따른 분류 : 기체계통과 기관계통
1.기체계통 : 탱크 >> 부스터펌프 >> 선택차단밸브 >> 필터 >> 기관까지의 흐름
2.기관계통 : 기체계통 이후 기관 내에서 이루어지는 흐름
1.2.2.연료계통의 구성
1)연료탱크(Fuel Tank) : 주날개또는 동체 내부에 위치하여 연료를 저장 및 공급한다
1.시험 : 수리 시 3.5psi의 내압시험을 한다
2.인테그럴 연료탱크 : 항공기 날개의 내부를 그대로 연료탱크로 사용하는 방식
2)부스터 펌프(Booster Pump) : 연료탱크 아래에 장착된 펌프
1.주로 원심형 펌프를 사용한다
2.시동/이륙/상승 시 또는 주연료펌프 고장 시 연료를 공급한다
3.베이퍼로크(증기폐쇄)를 막아준다
3)연료 여과기(Fuel Filter) : 이물질을 걸러주는 장치
1.연료탱크와 기화기 사이와 계통에서 가장 낮은곳에 위치한다
2.연료 내의 수분과 먼지 등의 이물질을 걸러준다
3.배출밸브 : 여과기내의 불순물과 수분을 배출하는 밸브
4)주연료펌프(Main Fuel Pump) : 연료에 압력을 가해 공급하는 장치
1.베인식이 주로 사용된다
2.릴리프 밸브 : 연료 출구압력이 규정값 이상일 시 펌프 입구로 되돌려 보낸다
3.바이패스 밸브 : 기관 시동 시, 주 연료펌프 고장 시 연료를 직접 기관으로 공급한다
5)프라이머 계통(Primer System)
1.기관 시동 시 흡입밸브나 실린더 안에 연료를 직접 분사해준다
2.농후 혼합비를 만들어 시동을 쉽게 해준다
3.특히 겨울철에 시동을 걸 때에 많이 사용한다
4.수동형과 전기식 솔레노이드형(많이 사용)이 있다
6)기화기(Carburetor) : 혼합가스를 만들어 내는 장치
1.탱크로부터 받은 연료와 흡입계통으로부터 받은 공기를 적절히 혼합해 혼합가스를 만든다
2.이상적인 공기-연료 혼합비(공연비) : 15:1 // 무게비
(1)이륙 시 혼합비 : 농후한 혼합비
(2)상승 시 혼합비 : 농후한 혼합비
(3)하강 시 혼합비 : 희박한 혼합비
(4)저속작동시 혼합비 : 가장 농후한 혼합비(기관 냉각을 위해)
3.부자식 기화기(플로트식 기화기)
(1)부자실 속의 연료유면의 변화에 따른 부자의 운동으로 연료량을 조절한다
(2)니들밸브 : 플로트와 연결되어 부자실로 공급되는 연료량을 조절한다
(3)공기 블리드 : 연료와 공기를 미리 섞어 기화가 더 잘되도록 하는 장치
(4)완속장치 : 저속 작동 시 연료를 공급해주는 장치
(5)스로틀 밸브 : 스로틀 레버의 작동에 따라 기화기의 입구크기를 조절한다
(6)이코노마이저 장치 : 순항출력 이상의 모든 출력에서 농후혼합비를 만들어준다
종류 : 니들밸브식 / 피스톤 식 / 매니폴드 압력식
(7)가속장치 : 스로틀 밸브가 갑자기 열릴 때 추가 연료량을 공급해준다
(8)시동장치 : 시동 시 기화기의 입구를 막아 공기의 흡입을 줄이고 농후 혼합비를 생성
(9)혼합비 조정장치 : 기관요구 출력에 따라 적절한 혼합비를 만들도록 연료량을 조절
고도가 증가함에 따라 밀도감소로 인해 과농후 해지는것을 방지
종류 : 부압식 / 니들식 / 에어포트식
(10)자동혼합장치 : 고도의 변화에 따라 벨로즈의 수축/팽창으로 혼합비를 조절
4.압력 분사식 기화기
(1)압력분사식 기화기의 장점
>>결빙의 염려가 없다
>>항공기의 자세에 관계없이 일정하게 연료를 공급한다
>>작동이 유연하고 경제적이다
>>증기폐쇄가 없다
>>출력맞춤이 간단하고 균일하다
(2)A 챔버 : 공기스쿠프로 흡입되는 공기의 압력이 생성된다
(3)B 챔버 : 벤투리관을 통과하는 저압의 공기압력이 생성된다
(4)공기미터링 힘 : A챔버와 B챔버 사이에 작용하는 힘
(5)C챔버 : 조절된 연료의 압력이 생성된다
(6)D챔버 : 조절되지 않은 연료의 압력이 생성된다
(7)연료미터링 힘 : C챔버와 D챔버 사이에 작용하는 힘
(8)연료/공기 미터링 힘의 상호작용으로 기화기 공급 연료량이 결정된다
(9)power enrichment 밸브 : 고출력 시 연료압에 의해 농후 혼합비를 만들어주는 밸브
5.직접 분사식 기화기
(1)조정장치에서 조절된 연료를 흡입밸브 근처 또는 연소실에 직접 분사한다
(2)비행자세에 영향을 받지 않는다
(3)결빙의 염려가 없고 흡입공기의 온도를 낮출 수 있어 출력증가에 도움이 된다
(4)연료의 분배가 잘 이루어 져 실린더의 과열이 없다
(5)역화가 발생할 염려가 없다
(6)시동 및 가속 성능이 좋다
(7)분사펌프/주조정장치/분사노즐/연료매니폴드로 구성된다
2.왕복기관 윤활계통
2.1.윤활유계통 일반
2.1.1.윤활유의 작용
1)윤활작용 : 기관부품 간의 마찰을 줄여준다
2)기밀작용 : 금속과 금속이 직접 맞닿는 것을 막아준다
3)냉각작용 : 기관의 열을 흡수해 냉각을 도와준다
4)청결작용 : 기관의 금속부스러기 등의 이물질을 제거해준다
5)소음방지작용 : 기관에서 발생하는 소음을 줄여준다
6)방청작용 : 기관의 부식을 방지해준다
2.2.2.윤활방식의 종류
1)비산식 : 커넥팅 로드에 달린 윤활유 국자에 의해 섬프에 있는 윤활유를 흩뿌리는 방식
2)압송식 : 윤활펌프로 윤활유를 가압하여 윤활이 필요한 곳까지 통로를 통해 공급하는 방식
3)복합식 : 비산식과 압송식을 조합한 방식
4)혼합 급유식 : 연료와 윤활유를 섞어서 연료탱크에 보관하여 연료는 연소하고 윤활유는 윤활하는 방식
2.2.3.윤활유의 구비조건
1)유성이 좋을 것 : 유성 = 금속의 표면에 잘 발라지는 성질
2)적당한 점도를 가질 것 : 점도 = 끈적끈적한 정도
3)온도변화에 따른 점도변화가 작을 것 : 점도지수(온도변화에 따라 점도가 변하는 정도)가 클 것
4)저온 유동성이 좋을 것 : 저온에서도 잘 흐를 것
5)산화 및 탄화 경향이 작을 것
6)부식성이 없을 것
2.2.4.윤활계통의 종류
1)건식 윤활계통(Dry type) : 윤활유 보관 탱크가 기관밖에 따로 설치되어 있는 형식 // 주로 성형기관
2)습식 윤활계통(Wet type) : 기관 내의 섬프(sump)가 윤활유 탱크역할을 하는 형식 // 주로 대향형기관
2.3.윤활계통의 구성품
2.3.1.윤활유 탱크 : 건식 계통에서 윤활유를 저장 및 공급하는 보관용기
1)10% 또는 1/2갤런의 팽창공간이 있을 것
2)수리 후 5psi의 내압시험을 거칠 것 (연료탱크의 경우 3.5psi)
3)섬프드레인 플러그 : 탱크 밑에 설치되어 탱크 내의 물이나 불순물을 배출하는데 사용한다
4)호퍼탱크 : 기관의 난기 운전 시 오일을 빨리 데울 수 있도록 한 장치
1.탱크안에 윤활유가 들어오고 나가는 방향으로 설치된 또하나의 작은 탱크
2.특정 용량의 윤활유만 계통을 돌게 하여 금방 데워지게 하는 방법
5)벤트라인 : 비행자세 및 고도에 따른 탱크 내외의 압력차에 의한 파손을 방지한다
6)Y드레인 밸브 : 탱크와 엔진입구 최하부에 설치된 밸브
1.오일의 온도를 측정하고 오일을 희석시킨다
2.윤활유에 연료를 섞어 점성을 낮추어 추운 기후에서도 시동이 용이하게 한다
7)윤활유펌프 : 윤활유를 가압하여 계통을 흐르게 한다 // 기어형이 많이 사용된다
1.릴리프 밸브 : 기관으로 들어가는 윤활유의 압력이 과도하게 높으면 펌프 입구로 귀환시킨다
2.소기펌프 : 건식계통에서 윤활을 마친 윤활유를 탱크로 되돌려 보내는 펌프이다
주연료펌프보다 용량이 2배가량 크다(돌아올때 공기도 섞여서 돌아오기 때문)
8)윤활유 여과기 : 윤활유 속의 불순물이나 이물질을 제거해준다
1.종류 : 스크린형 및 스크린 디스크형
2.바이패스밸브 : 필터가 막힐 시 윤활유가 필터를 우회해서 공급되도록 해준다
3.체크밸브 : 기관이 작동중이지 않을 때 윤활유가 기관 내부로 유입되는 것을 막는다
10)윤활유 냉각기 : 윤활유의 온도가 과도하게 높을 시에 온도를 낮추어 준다
11)온도조절밸브 : 윤활유의 온도에 따라 냉각기 출입 통로를 열고 닫는다
1.윤활유 고온 : 윤활유가 냉각기를 통과하도록 한다
2.윤활유 저온 : 과도한 냉각을 막기위해 냉각기를 우회하도록 한다
3.왕복기관 시동 및 점화계통
3.1.왕복기관 시동계통
3.1.1.시동계통의 종류
1)수동식 시동방법 : 손으로 프로펠러를 돌려서 시동한다
2)전기식 시동방법 : 관성식 시동방법과 직접구동식 시동기가 있다
1.관성식 시동기 : 플라휠을 회전시켜 회전력을 축적하여 크랭크축을 회전시킨다
(1)수동식 : 수동식 크랭크로 플라휠을 회전시키는 방식
(2)전기식 : 전동기로 플라휠을 회전시키는 방식
(3)복합식 : 수동이나 전기식으로 플라휠을 회전시키는 방식
2.직접 구동식 시동기 : 전동기의 회전력을 직접 감속기어로 크랭크축과 연결한 방식
(1) 소형기 : 12V 또는 24V // 50~100A소비
(2) 대형기 : 24V // 300~500A소비
3.2.항공기 점화계통 : 혼합가스를 적절한 시기에 점화시키는 장치
3.2.1.점화계통의 분류
1)축전지 점화계통 : 축전지를 전원으로 저전압의 직류를 점화코일로 승압시켜 사용
2)마그네토 점화계통 : 특수형태의 교류발전기인 마그네토를 사용하는 점화계통
3)단일점화방식 : 각 실린더 별로 한개의 점화 플러그를 갖는 방식
4)이중점화방식 : 각 실린더 별로 두개의 점화 플러그를 갖는 방식
1.안전하고 확실하게 점화가 이루어진다
2.연소속도가 빨라서 디토네이션을 방지한다
3.한쪽 계통이 고장나도 안전하게 작동한다
4.대향형기관 : 우측마그네토는 우측실린더상부와 좌측 실린더의 하부와 연결
5.성형기관 : 우측마그네토는 실린더 전방 점화 플러그와 연결
5)고압점화계통 : 전기에너지가 하나의 변압기에서 승압되어 각각의 점화 플러그로 공급된다
6)저압점화계통 : 전기에너지가 실린더마다 있는 각각의 변압기에서 승압되어 공급된다
3.2.2.마그네토 : 특수형태의 교류발전기
1)구성 : 영구자석 // 극슈 // 철심 // 코일
2)최대자석위치와 중립자석위치
1.최대자석위치 : 회전자석과 극슈가 마주보는 면적이 가장 넓은 상태
2.중립자석위치 : 자력선이 철심을 통과하지 못하고 극슈에서 맴돌게 되는 상태
3)1차회로 : 철심주위에 코일을 감아 1차회로를 구성
1.브레이커포인트 / 콘덴서 / 1차코일로 구성
2.브레이커 포인트가 닫혀있을 때에만 1차회로가 형성
4)E갭위치 : 회전자석이 중립위치를 지나 정자속과 1차자속과의 차이가 최대가 되는 위치
1.정자속 : 회전자석에의해 코어 내부로 유기되는 자속
2. 1차자속 : 정자속의 변화를 방해하려는 1차전류에 의한 자속
3.합성자속 : 정자속과 1차자속의 합성으로 나타나는 결론적인 자속
cf.E갭 : 1차자속곡선과 정자속곡선 사이의 에너지 차이(Energy Gap)
5)E갭각 : 마그네토 회전 영구자석이 중립위치를 지나 E갭위치가 될때까지의 크랭크출 회전각도
6)2차회로 : 한쪽끝은 코어에 접지되고 다른쪽 끝은 배전기로 연결된다
1. 2차코일 / 배전기 / 스파크플러그로 구성된다
2.브레이커 포인트가 열려 1차회로가 붕괴되면 2차회로로 고전압이 유도된다
7)배전기 : 2차 코일에 유도된 고전압을 순서에 따라 각 실린더로 공급한다
1.배전기 블록 : 실린더 수와 같은 수의 전극이 있다
2.배전기 회전자 : 블록 위를 회전하며 고전압을 각각의 실린더로 전달한다
3.리타드 핑거 : 저속운전 시에 점화시기를 늦추어 킥백을 방지한다
8)마그네토 자석의 회전속도 : 마그네토회전속도/크랭크축회전속도 = 실린더수/2x자석극수
3.2.3.고압점화계통
1)하나의 변압기에서 생성된 고압의 전기에너지를 각각의 실린더에 공급하는 방식
2)1차코일 위에 수천회의 2차코일을 감아 1차회로가 붕괴될 때 2차코일로 고전압이 유도된다
3)점화계통에서 전기 누설 및 통신방해와 같은 현상이 발생한다
4)플래시오버 : 고공비행 시 배전기 내부에서 불꽃이 일어나는 현상(원인:대기의 절연율 감소)
3.2.4.저압점화계통
1)저전압상태로 각각의 실린더의 변압기로 전달시켜서 승압시켜 공급하는 방식
2)전기에너지가 1차코일에서 저전압의 상태로 배전기를 통해 각각의 변압기로 전달된다
3)실린더별로 장착된 각각의 변압기에서 저전압이 고전압으로 승압되어 점화플러그로 공급된다
4)고공에서 전기누설이 없어서 고공비행에 적합하지만 무게가 무겁다
3.2.5.점화스위치
1)마그네토의 작동여부를 결정하는 스위치로 점화계통를 크고 끄는데 사용한다
2)점화스위치 off : 스위치가 닫혀 접지회로가 생성되어 점화작용이 일어나지 않는다
3)점화스위치 on : 스위치가 개방되어 1차회로가 형성되어 점화작용이 일어난다
4)마그네토 스위치 : 좌우 마그네토 중 어느것을 사용할지를 선택하는 스위치
1. L위치 : 왼쪽의 마그네토만 작동하고 오른쪽은 작동하지 않는다
2. R위치 : 오른쪽의 마그네토만 작동하고 왼쪽은 작동하지 않는다
3. Both위치 : 좌/우 양쪽의 마그네토를 작동시킨다
4. OFF위치 : 좌/우 양쪽 마그네토의 작동을 멈춘다
3.2.6.점화시기 : 실린더 내의 압축된 혼합가스를 점화시키는 타이밍 // 점화진각
1)실린더 안 최고압력이 압축상사점 후 10°에 발생하도록 설정한다
2)보통 점화진각은 압축상사점 전 20~32°정도이다
3.2.7.점화시기조절 : 기관의 점화시기를 정확하게 조절하는 작업이다 // 1번 실린더를 기준으로 작업한다
1)외부점화시기조절 : 1번실린더의 피스톤의 위치를 압축행정에 점화진각으로 설정하는 작업
+마그네토의 배전기가 회전자가 1번 실린더를 가리키도록 설정하는 작업
2)내부점화시기조절 : 마그네토의 E-gap위치와 브레이커포인트가 열리는 지점을 맞추는 작업이다
3.2.8.점화순서
1)6기통 수평 대향형 기관 : 1-6-3-2-5-4 또는 1-4-5-2-3-6
2)9기통 성형기관 : 1-3-5-7-9-2-4-6-8
3)2열 14기통 성형기관(+9 -5) : 1-10-5-14-9-4-13-8-3-12-7-2-16
4)2열 18기통 성형기관(+11 -7) : 1-12-5-16-9-2-13-6-17-10-3-14-7-18-11-4-15-8
3.2.9.점화 플러그
1)마그네토에서 전달받은 고압의 전기에너지를 점화하는데 필요한 열에너지로 전환해준다
2)전극 / 금속 셸 / 세라믹 절연체로 구성된다
3)중심전극은 (+)극, 접지전극은 금속 셸로써 (-)극을 띠며 기관자체에 접촉된다
4)점화플러그는 내열성과 절연성이 뛰어나고 재질도 견고해야한다
5)점화플러그의 종류 : 열특성에 의한 분류
1.고온플러그 : 냉각이 잘되는 기관에는 열반산이 잘안되는 고온플러그를 사용
냉각이 안되는 기관에 고온플러그 사용 시 조기점화가 일어난다
2.저온플러그 : 냉각이 잘안되는 기관에는 열발산이 잘되는 저온플러그를 사용
냉각이 잘되는 기관에 저온 플러그 사용 시 점화작용이 약해진다
3.2.10.점화 보조장치
1)부스터 코일 : 마그네토가 일정 회전속도에 이를때까지 축전지를 통해 불꽃을 공급
2)인덕션 바이브레이터 : 시동 시 축전지로부터 1차코일에 전류를 공급한다
3)임펄스 커플링 : 마그네토 영구자석의 회전속도를 순간적으로 가속시켜 고전압을 발생시킨다
또한 점화시키를 늦추어 킥백현상을 방지한다
4.왕복기관의 성능
4.1.행정체적
1)피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하면서 빨아들인 체적
2)행정체적 = 실린더 단면적 x 행정거리
3)총 행정체적 = 실린더 단면젓 x 행정거리 x 실린더 수
4)행정체적을 증가시키는 법 : 실린더 체적을 증가시키거나 실린더 수를 증가시킨다
4.2.압축비(ε)
1)피스톤이 하사점에 있을 때의 실린더 안 체적과 상사점에 있을 때 실린더 안 체적의 비율
2)압축비 ε = 실린더전체 체적/연소실체적 = (연소실체적+행정체적/연소실체적) = 1+행정체적/연소실체적
4.3.왕복기관의 동력
1)동력 : 단위 시간당 한 일
2)동력의 단위 : 마력(PS,HP) 또는 와트(W or kW)
3)1PS = 75kgf*m/s = 735.5W // 1HP = 550 ft*lb/s = 375 mile*lb/h = 746W
4)지시마력(iHP) : 이론상의 마력으로 마찰에 의한 손실을 고려하지 않은 마력 // iHP = bHP + fHP // 도시마력
5)제동마력(bHP) : 기관에서 실제로 프로펠러로 전달되는 마력으로 지시마력의 85~90%정도값이다
1.bHP = PLANK / 9000 (P:제동평균유효압력 L:행정거리 A실린더 단면적 N분당회전수 K:실린더수)
2.제동평균유효압력 : 1사이클동안 이루어진 순일을 행정체적으로 나눈 값
3.제동평균압력에 영향을 주는 요소
(1)압축비 : 압축비 증가시 제동평균유효압력도 증가하지만 디토네이션 위험성이 있다
(2)회전속도 : 회전속도가 증가하면 제동평균유효압력도 증가하다가 일정량 이상에서는 감소
(3)혼합비) 이론혼합비보다 약간 농후할 때 제동평균유효압력이 높다
(4)실린더의 크기와 연소실 모양
(5)점화시기와 밸브 개폐시기, 체적효율
6)마찰마력(fHP) : 기관이 마찰력을 이기는데 소비되는 마력으로 지시마력과 제동마력의 차이다
7)기계효율 ηm = bHP/iHP = (iHP - fHP)/iHP = 1 - fHP/iHP
4.4.이륙마력 / 정격마력 / 순항마력
1)이륙마력 : 항공기가 이륙할 때에 기관이 낼 수 있는 최대의 마력 // 1~5분간의 사용시간 제한
2)정격마력 : METO마력 // 30분이상또는 연속적으로 작동을 해도 무리가 없는 최대마력로써 임계고도
를 결정하는 요소이다 // 임계고도 : 고도의 영향으로 정격마력을 낼 수 없는 고도
3)순항마력 : 경제마력 // 연료소비율이 가장 적은상태에서 얻어지는 마력
4.5.열효율 및 체적효율
1)열효율 : 오토사이클의 열효율 η = 1 - (1/ε)^k-1
2)체적효율 : 실제흡입된체적 / 행정체적
4.6.성능과 고도의 관계
1)고도가 증가하면 공기밀도가 희박해져 출력이 감소한다
2)고도에 따른 출력감소를 작게하는 법 : 과급기를 설치하여 고도증가에 따른 공기밀도감소를 보상한다
| 4.가스터빈 기관의 구조와 작동원리 |
1.가스터빈기관 일반
1.1.가스터빈기관의 분류
1.1.1.압축기 형식에 따른 분류
1)원심식 압축기기관 : 소형/지상용 가스터빈기관에 사용
2)축류식 압축기기관 : 대형 고성능 가스터빈기관에 사용
3)축류-원심식 압축기 기관 : 소형 터보프롭/터보샤프트 기관에 사용
1.1.2.출력의 형태에 따른 분류
1)추력생성기관 : 공기를 뒤로불어 체트추진력을 생성 (터보제트엔진 / 터보팬 엔진)
2)동력생성기관 : 축을 돌리는 회전동력을 생성 (터보프롭 / 터보샤프트 엔진)
1.1.3.모든 가스터빈기관의 공통점 : 코어엔진인 압축기-연소실-터빈의 구조를 필수로 갖는다
1.2.가스터빈기관의 특성
1)왕복기관에 비해 단위중량당 출력이 크다
2)기관의 대부분이 회전부품이라 진동이 적고 높은 출력을 낼 수 있다
3)추운기후 시동성이 양호하고 윤활유 소모량이 적다
4)사용연료가 왕복기관보다 저렴하다
5)왕복기관보다 고속비행이 가능하다
6)연료소모량이 많고 소음이 심하다
1.3.가스터빈기관의 열역학적 사이클 : 브레이턴 사이클
1)가스터빈기관의 이상적인 사이클로써 정압사이클이다
2)단열압축 >> 정압가열 >> 단열팽창 >> 정압방열의 반복
3)열효율 η = 1 - (1/γ)^((k-1)/k)
4)단열압축 : 공기가 압축기로부터 일을 받아 압축된다
5)정압가열 : 압축된 공기가 열에너지를 공급받아 정압상태로 연소된다
6)단열팽창 : 고온고압의 연소가스가 터빈에 일을하고 팽창한다
7)정압방열 : 일을 마친 연소가스가 정압상태로 열을 방출하여 원상태로 돌아온다
1.4.작동원리 및 종류
1.4.1.작동원리
1)공기를 흡입-압축하여 연소실로 보낸다
2)연소실에서 연료를 공급하여 압축공기를 연소시킨다
3)고온-고압의 공기를 팽창시키면서 터빈을 구동시킨다
4)터빈을 구동시킨 힘으로 다시 압축기를 돌려 흡입공기를 압축한다
5)추력은 터빈을 거친 배기가스를 고속으로 분사시켜 얻거나 터빈으로 팬을 돌려 얻는다
1.4.2.가스터빈기관의 종류
1)터보제트 엔진 : 모든연소가스를 배시노즐로 분사시켜 추력을 얻는다
1.연료소모율이 많고 소음이 심하다
2.고속비행에 적합하며 군용기에 사용된다
2)터보팬 엔진 : 흡입공기를 1차/2차공기로 분할하여 1차는 코어엔진을, 2차는 바이패스시킨다
1. 1차공기는 코어를 지나 팬을 구동시키는 동력을 생성한다
2. 2차공기는 팬에의해 가속되어 바이패스되어 대부분의 추력을 생성한다
3.바이패스비 BPR : Ws/Wp (1차공기와 2차공기의 중량유량비율)
4.고아음속에서 효율이 좋고 소음이 적으며 이륙거리가 짧다
5.바이패스비가 큰 경우 연료소모율이 적고 경제적이어서 민항기에 많이 사용된다
6.일부 군용기에는 저바이패스비 터보팬 엔진이 사용된다
3)터보프롭 엔진 : 코어엔진을 통해 생성된 동력으로 프로펠러를 돌려 추력을 얻는다
1.대부분의 출력은 프로펠러를 돌리는데 생성된다(프로펠러 추력 = 전체의 80%)
2.배기가스로는 전체의 20%정도의 추력을 생성한다
4)터보샤프트 엔진 : 코어엔진을 통해 동력터빈을 구동시켜서 회전동력을 생성한다
1.주로 헬리콥터에 많이 사용되며 배기가스에 의한 추력은 없다
2.프리터빈 : 코어엔진과 동력프리터빈을 분리시켜 놓은 구조
3.프리터빈은 코어엔진의 배기가스로 간접적으로 구동된다
2.가스터빈기관의 구조 : 흡입구 / 압축기 / 연소실 / 터빈 / 배기노즐
2.1.공기 흡입계통 : 외부에서부터 공기를 받아들여 압축기로 전달하는 계통
2.1.1.흡입계통 용어
1)압력 효율비 : 흡입관 입구의 전압과 압축기 입구의 전압의 비율 // 대략 98%
1.전압 = 유체의 정압과 동압을 합친값으로 유체가 가진 전체 에너지
2.전압의 감소이유 : 흡입도관 표면에서 생기는 마찰손실에 의해서 2%가량 에너지 손실이 발생
2)압력회복점 : 기관 시동 시 생기는 부압(정압감소)이 회복되는 항공기 속도
1.시동 시 정지해 있던 공기를 빨아들이면서 공기의 정압이 감소된다
2.공기흡입도관에서 생기는 마찰손실에 의해서도 공기의 압력이 감소된다
3.램효과 : 어느정도 속도이상부터 흡입되어 들어오는 공기가 압축되어 들어오는 효과
4.항공기 속도가 일정속도가 되면 램압축효과에 의한 정압 상승이 흡입도관에서 생기는
마찰손실로 인한 압력강하와 같아지는데 이를 압력회복점이라고 한다
5.다른 말로 압축기 입구의 정압이 대기압과 같아지는 항공기 속도
6.압력회복점이 낮을수록 효율이 좋은 흡입 도관이다
2.1.2.흡입관의 종류
1)확산형 흡입관 : 아음속 항공기에 사용 (아음속흐름에서 단면적 증가 >> 압력 증가)
2)초음속 흡입관 : 초음속 비행을 하는 항공기에 사용하는 흡입관
1.수축확산형 : 수축도관에서 M1.0으로 감속 // 확산도관에서 압력상승
2.가변면적형 : 아음속 및 초음속 비행상황에 맞게 가변적으로 변형
3.충격파의 활용 : 충격파를 지날 때 공기속도가 감소한다는 것을 이용한다
3)벨마우스 흡입관 : 수축형으로 매우 얇은 경계층 및 압력손실을 제공하는 흡입관
1.주로 헬리콥터나 터보프롭항공기에 사용
2.큰 항력계수를 생성하지만 공력효율이 좋아 저속도 항력이 상쇄된다
3.보정을 위해 지상에서 시험운전하는 엔진에도 사용한다
4.상황에 따라 이물질흡입을 방지해주는 스크린이 장착되어있다
2.2.압축기(Compressor)
2.2.1.원심식압축기
1)임펠러 / 디퓨저 / 매니폴드로 구성된다
1.임펠러 : 원심력으로 공기를 가속시켜 디퓨저로 보낸다
2.디퓨저 : 가속된 공기의 속도에너지를 압력에너지로 전환한다
3.매니폴드 : 고압의 공기의 방향을 바꾸어 연소실로 공급한다
2)단당 압혁비가 높고 제작이 쉽다
3)가격이 저렴하며 구조가 튼튼하다
4)여러 단으로 제작이 불가능하다 (2단이상에서는 마찰손실로 인해 효율이 급감)
5)많은 양의 공기를 처리할 수 없어 전면면적이 커야하고 이는 항력의 증가로 이어진다
2.2.2.축류식압축기
1)회전자(로터) / 고정자(스테이터) / 압축기 디스크와 축 등으로 구성된다
2)1단 : 1열의 로터와 1열의 스테이터를 합쳐서 1단이라고 한다
3)회전자 : 흡입공기에 일을하여 운동에너지를 공급, 속도를 가속시킨다
4)고정자 : 가속된 공기의 운동에너지를 압력에너지로 전환하여 압력을 상승시킨다
5)전면면적에 비해 대량의 공기를 처리할 수 있어 고효율기관에 사용된다
6)압축기를 여러단으로 제작이 가능해 높은 압력비를 얻을 수 있다
7)제작이 어렵고 가격이 비싸며 무게가 무겁다
8)원심식 압축기에 비해서 FOD위험성이 크다
2.2.3.축류-원심식 압축기
1)축류형과 원심형 압축기를 조합한 압축기
2)전방은 축류형, 후방엔 원심형압축기를 연결한 구조이다
3)소형터보프롭 기관 또는 터보샤프트기관의 압축기에 많이 사용된다
2.2.4.압력비/압축비/반동도
1)압력비 : 압축기를 거치면서 가압된 압력의 비율
1.압축기 압력비 γ = (γs)^n
2.γs : 단당압력비 // n : 단의 수
2)압축비 : 압축기를 거치면서 압축된 체적의 비율
3)반동도 : 단당 압력상승 중에서 회전자(로터)가 담당하는 비율
1.압축기 반동도 φc = (P2-P1)/(P3-P1) x 100(%)
2.P1 = 로터입구 압력 // P2 : 로터출구와 스테이터입구 압력 // P3 : 스테이터출구 압력
2.2.5.압축기의 단열효율
1)마찰이 없이 압축할 때와 실제 압축할 때에 필요한 일의 비율이다
2)압축기의 단열효율은 보통 85%정도이다
2.2.6.축류형 압축기의 실속
1)회전자 깃의 받음각이 증가해 유동박리로 인해 실속하는 현상
2)압력비 급감 / 기관출력 감소 등 엔진 작동에 치명적이다
3)압축기 실속의 원인
1.공기흡입속도가 회전속도에 비해 너무 작을 때
2.회전속도가 공기흡입속도에 비해 너무 클 때
3.압축기 출구압력이 너무 높을 때
4.압축기 입구 온도가 너무 높을 때
5.압축기 입구에서 공기의 누적이 발생할 때
6.흡입되는 공기의 속도와 압력이 균일하지 않을 때
4)압축기 실속의 방지책
1.다축식 구조 압축기를 사용한다(multi spool)
(1)다축식 구조 : 코어엔진을 2~3개의 스풀(spool)로 나눈 것
(2)N1 : 팬-저압압축기-저압터빈 및 연결 축으로 된 부분
(3)N2 : 고압압축기-고압터빈 및 연결축으로 된 부분
(4)압축기 실속 방지 및 기관효율 증가에 도움이 된다
(5)동축 : 축의 안쪽에 또다른 축이 존재하여 회전하는 구조
2.가변 고정자 깃을 사용한다(VSV)
(1)상황에 맞게 고정자의 받음각을 변화시킨다
(2)가변 회전자 깃은 구조적으로 불가능하다
(3)압축기 전방에 몇단만 설치한다
3.블리드 밸브를 설치한다(BV) : 공기를 블리드하여 흡입속도를 증가시킨다
(1)연료또는 공기압으로 작도한다
(2)시동 시 또는 저속작동시에 사용한다
(3)기관 속도에 따라 자동적으로 작동한다
4.가변 바이패스 밸브를 설치한다(VBV)
5.가변 안내 베인을 설치한다(VIGV)
2.3.연소실(Combustion Chamber) : 압축기에서 압축된 고압공기에 연료를 분사하여 연소시켜 열에너지를 발생시킨다
2.3.1.연소실의 구비조건
1)가능한 한 작은 크기를 가질 것
2)기관작동범위 내에서 최소한의 압력손실이 발생할 것
3)공연비/고도/비행속도등의 폭넓은 변화에 대해서 안정적이고 효율적으로 연료를 연소할 것
4)연소실의 신뢰성이 높을 것
5)연소실 출구온도분포가 균일할 것
6)고공에서 불이 꺼져도 재시동 특성이 양호할 것
2.3.2.연소실의 종류 : 캔형 / 애뉼러형 / 캔애뉼러형
1)캔형 연소실(Can type)
1.압축기 구동축 주위로 5~10개의 독립된 원통형의 연소실을 원형으로 배치한 형식
2.연소실이 여러개로 분할되어있어 장탈착 등의 정비가 용이하다
3.외부 케이스/내부 라이너/화염전파관/이그나이터/선회깃 등으로 구성
(1)외부케이스 : 이너라이너를 감싸고 연소실의 형상을 유지한다
(2)내부라이너 : 루버와 홀이라는 구멍을 통해 연소실을 열로부터 보호한다
(3)이그나이터 : 2개가 있으며 시동 시 혼합가스를 점화시켜준다
(4)화염전파관 : 점화된 연소실에서 다른 연소실로 화염을 전파시켜준다
(5)선회깃 : 연소실로 유입되는 공기에 선회를 주어 속도를 감소시키고 잘 섞어준다
4.고공에서 기압이 낮아지면 연소가 불안정해져 연소정지 현상이 발생할 수 있다
5.과열시동이 일어나기 쉽고 출구온도분포가 불균일하다
2)애뉼러형 연소실(Annular type)
1.압축기 구동축을 둘러싸고 있는 하나의 커다란 도넛모양의 연소실이다
2.효율이 좋고 연소실이 짧아 대부분의 여객기에 사용된다
3.외부케이스/내부케이스/라이너/이그나이터 등으로 구성된다
4.연소실 전면면적이 좁고 출구온도분포가 균일하다
5.안정적인 연소로 연소정지현상이 거의 없고 연소효율이 우수하다
6.연소실이 하나의 커다란 구조로 되어있어 정비가 불편하다
3)캔-애뉼러형 연소실(Can-Annular type)
1.하나의 커다란 라이너 안에 여러개의 캔형 연소실을 넣은 구조이다
2.중-대형 가스터빈기관의 연소실로 사용된다
3.고온부(특히 캔형 연소실)의 정비가 불편하다
4.내부케이스/외부케이스/연소실라이너/이그나이터 등으로 구성된다
2.3.3.가스의 흐름에 따른 연소실의 분류
1)직류형 : 압축기에서 가압된 공기가 그대로 앞에서 뒤로 연소실을 통과하는 구조
2)역류형 : 압축기에서 가압된 공기가 반대로 역류해서 연소실로 들어와 다시 뒤쪽으로 나가는 구조
2.3.4.연소실의 연소영역
1)1차연소영역 : 직접연소영역 // 기관전체 공기의 20~30%만 들어온다
(1)선회깃 : 빠르게 들어오는 공기에 강한 선회를 주어 연료와 공기를 잘 섞어준다
(2)공연비 14~18:1로, 온도 1600~2000℃로 연소한다
2)2차연소영영 : 혼합냉각영역 // 연소되지않은 가스와 2차공기를 이용해 온도를 낮추어준다
(1)2차공기 유량은 전체 유량의 70~80%정도이다
(2)공연비 60~130:1로, 출구온도 700~1200℃로 연소실을 나간다
2.3.5.연소실의 효율
1)연소효율 : 공기에 실제로 가해준 열에너지와 실제로 공기의 증가한 에너지와의 비율이다
1.공기의 압력이 낮을수록 연소효율은 낮다
2.공기의 온도가 낮을수록 연소효율은 낮다
3.공기의 속도가 빠를수록 연소효율은 낮다
4.고도가 높을수록 연소효율은 낮다
5.일반적으로 연소효율은 95%이상이어야 한다
2)압력손실 : 연소실의 입구와 출구의 전압력 차이를 압력손실이라하고 통상 5%정도이다
3)출구온도분포 : 연소실의 뒤에서 보았을때 원주방향의 온도분포이다
1.보통 출구온도분포는 균일하거나 바깥쪽이 안쪽보다 약간 높은것이 좋다
2.원인 : 터빈 회전자 깃의 뿌리부분이 끝부분보다 더 큰 응력을 받기 때문
2.4.터빈(Turbine) : 압축기와 기타장치들을 구동하는데 필요한 동력을 제공한다
2.4.1.터빈의 종류
1)방사형 터빈 : 원심형 압축기와 구조가 같으나 공기의 흐름이 반대방향이다
1.원주방향에서 공기가 들어와 중심부분으로 모여서 흘러나간다
2.제작이 간편하고 효율이 좋고 단당 팽창비가 4로 높다
3.다단으로 할수록 효율이 낮아 다단으로는 제작이 불가능하다
4.매니폴드 >> 노즐 >> 임펠러로 구성된다
2)축류형 터빈 : 축류형 압축기처럼 여러단으로 구성된 터빈이다
1.터빈고정자(터빈노즐) / 터빈회전자(터빈블레이드) 및 디스크와 샤프트 등으로 구성된다
2.터빈노즐다이어프램(고정자) : 연소가스의 속도를 증가시키고 적절한 각도로 배출한다
3.터빈블레이드(버켓) : 연소가스의 팽창으로부터 일을받아 회전하고, 축을회전시킨다
4.터빈 1단 : 1열의 터빈노즐과 1열의 터빈블레이드를 합쳐 터빈 1단이라고 한다
5.터빈의 반동도 : 터빈 1단의 팽창 중 블레이드에 의한 팽창의 비율을 터빈반동도라 한다
(1)터빈반동도 φp = (P2-P3)/(P1-P3) x 100(%)
(2)P1:노즐입구압력 P2:노즐출구와 블레이드 사이압력 P3:블레이드 출구압력
3)반동/충동/충동-반동터빈
1.반동터빈 : 고정자와 회전자 깃에서 동시에 팽창이 일어나는 터빈 // 반동도 50%
2.충동터빈 : 고정자와 회전자 중에서 회전자에서만 팽창이 일어나는 터빈 // 반동도 0%
3.충동-반동터빈 : 뿌리에서는 충동터빈, 깃끝에서는 반동터빈인 터빈이다
(1)깃에 기하학적 비틀림을 주어서 뿌리충동-끝반동구조를 한 터빈
(2)깃면 전체에 걸쳐서 토크를 일정하게 한다
2.4.2.터빈의 단열효율과 냉각법
1)단열효율 : 마찰이 없는 이상적인 경우의 팽창일과 실제의 팽창일과의 비율이다
2)터빈의 냉각법 : 터빈은 고온의 연소가스와 맞닿기 때문에 냉각이 필요하다
1.대류냉각 : 터빈 깃 내부의 중공에 찬 공기가 지나가게 하여 냉각하는 방법
2.충돌냉각 : 터빈 깃 앞전의 안쪽부분에 냉각공기를 충돌시키는 방법
3.필름냉각 : 터빈 깃의 표면에 작은 구멍을 뚫어 냉각 공기를 흐르게 하는 방법
4.침출냉각 : 터빈 깃을 다공성의 재료로 만들어 냉각공기를 흐르게 하는 방법
2.5.배기계통(Exhaust Syetem) : 터빈을 거친 배기가스를 분사하여 추력을 얻어내는 부분
2.5.1.배기관(배기도관 / 테일파이프)
1)터빈을 통과한 배기가스를 대기 중으로 방출하기 위한 통로 역할을 한다
2)배기가스를 정류하고 압력에너지를 속도에너지로 바꾼다
2.5.2.배기노즐
1)배기관에서 공기가 분사되는 끝부분이다
2)테일 콘 : 흐름의 압력을 높여 공기흐름을 정류하기 위한 원뿔모양의 구조물이다
2.5.3.초음속 항공기의 배기노즐
1)수축-확산형 배기노즐을 사용한다
2)수축관로에서 배기속도를 M1.0까지 상승시킨다
3)확산관로에서 초음속이상으로 가속시켜 내보낸다
| 5.가스터빈 기관의 계통과 성능 |
1.가스터빈기관 연료계통
1.1.가스터빈용 연료 : 등유
1.1.1.연료 구비조건
1)증기압이 낮고 어는점이 낮을 것
2)대량생산이 가능하고 가격이 저렴할 것
3)발열량이 클 것
4)부식성이 작고 점성이 적당히 작을 것
5)깨끗한 균질의 연료일 것
1.1.2.연료선택 시 주의사항
1)연료의 이용도
2)연소실효율/고도한계/rpm/탄소찌꺼기/공중재시동 특성 등의 기관성능
3)연료계통의 증기/액체손실/베이퍼로크/청결성 등
1.1.3.가스터빈용 연료의 종류
1)케로신계열 연료
1.Jet A : 미국의 대표적인 제트연료 // 어는점 -40℉
2.Jet A-1 : 세계적인 제트연료 // 여객기용, 고고도비행용 제트연료 // 어는점 -52.6℉
3.JP-5 : 항공모함에 저장하여 사용하는 함재기용 제트연료
2)와이드 컷계열 연료
1.Jet-B : JP-4와 비슷하나 어는점이 약간 높음
2.JP-4 : Jp-3의 증기압 특성을 개량한 것 // 등유 + 저증기압 가솔린
3)그 외 연료
1.JP-3 : 가솔린 / 등유 / 디젤유의 혼합물로 거의 사용하지 않는다
2.JP-6 : 초음속 항공기의 고온 외피온도에 적응하기 위해 개발된 고인화점 연료
1.2.연료계통의 구성
1.2.1.기체연료계통 : 기체에서 기관까지 연료를 공급하는 과정
1)탱크 >> 부스터펌프 >> 선택차단밸브 >> 기관
2)부스터펌프는 탱크의 하부에 장착 // 주로 원심형 펌프를 사용
1.2.2.기관연료계통 : 기체계통에서 공급받은 연료를 기관에 분사하기 까지의 과정
1)펌프 >> 필터 >> FCU >> FOC >> P&D V/V >> 연료매니폴드 >> 연료노즐
2)주로 펌프는 저압과 고압펌프로 나뉘어져 있는 경우가 많다
1.2.3.주연료펌프 (Main Fuel Pump)
1)원심형 / 기어형(많이 사용) / 피스톤 형 펌프가 기관에 의해 구동된다
2)릴리프 밸브 : 출구의 과도한 압력을 입구로 돌려보낸다
3)체크밸브 : 연료가 역류하는 것을 방지한다
4)바이패스밸브 : 펌프 고장 시 연료가 펌프를 우회하여 공급되도록 한다
1.2.4.연료조절장치 (Fuel Control Unit ; FCU)
1)가장 좋은 가속 및 감속성능이 얻어지도록 연료유량을 자동으로 조절한다
2)종류로는 유압기계식 / 유압기계-전자식 / FADEC이 있다
3)수감부와 유량조절부로 이루어진다
1.수감부 : 기관의 작동상태를 여러 신호들을 통해 수감한다
2.유량조절부 : 수감된 신호들을 이용해 연료유량을 조절한다
4)FCU의 수감신호 : CIT / CDP or Pb / RPM / PLA
1.2.5.오일-윤활유 냉각기 (Fuel - Oil Cooler)
1)뜨거운 윤활유와 차가운 연료의 열교환으로 윤활유는 식히고 연료는 가열하는 장치
2)윤활유의 과온을 방지하고 연료를 미리 가열하여 공기와 잘 혼합되도록 한다
3)온도조절밸브 : 윤활유가 차가울 땐 냉각 시키지 않고 뜨거울 때만 냉각되도록 해준다
1.2.6.여압 및 드레인 밸브 (Pressurizing and Drain Valve)
1)연료조절장치와 연료매니폴드 사이에 위치한다
2)연료를 1차와 2차흐름으로 분할한다
3)기관 정지 시 연료노즐에 남아있는 연료를 외부로 방출한다
4)시동 시 연료압이 일정량 이상 될때까지 연료의 흐름을 차단해준다
1.2.7.연료매니폴드 (Fuel Manifold)
1)하나의 통로에서 여러개의 통로로 분할되는 분배관이다
2)P&D 밸브를 거친 연료를 각 연료노즐로 분배/공급한다
1.2.8.연료노즐 (Fuel Nozzle)
1)연료를 연소실 내로 미세하게 분무하는 장치이다
2)분무식 연료노즐과 증발식 연료노즐이 있다
3)분무식 연료노즐 : 본사노즐로 고압으로 연소실에 연료를 분사시킨다
(1)단식노즐 : 거의 사용하지 않음
(2)복식노즐 : 1차연료는 노즐중심의 작은구멍을 통해 150°정도로 넓게 분사하고
2차연료는 노즐주위의 큰구멍을 통해 50°정도로 좁고 길게 분사한다
시동시에는 1차연료만, 시동 후 에는 1차2차연료가 모두 공급된다
4)증발식 연료노즐 : 연료가 공기와 함께 증발관을 통과하면서 연소열에 의해 증발한다
1.2.9.연료 여과기 (Fuel Filter)
1)연료속의 불순물과 이물질들을 걸러주며 보통 압렵펌프의 주위에 장착된다
2)저압펌프와 고압펌프사이에는 무조건 필터가 장착된다
3)스크린형 / 스크린 디스크형 / 카트리지형이 있다
1.카트리지형 : 연료펌프입구//걸러내는 최소입자 50~100μ//재사용 불가
2.스크린형 : 스테인리스 강철망으로 제작//걸러내는 최소입자 40μ//세척 후 재사용
3.스크린 디스크형 : 연료펌프출구//걸러내는 최소입자40~50μ//세척 후 재사용
2.가스터빈기관 윤활계통
2.1.가스터빈엔진 윤활유
2.1.1.가스터빈엔진 윤활유의 특징
1)에스테르기 윤활유에 기타 첨가물을 섞어 만든 합성유가 사용된다
2)합성유는 고온에 잘견디고 휘발성이 적다
3)합성유는 높은온도에서도 coking이 잘 일어나지 않는다
4)합성유는 자재를 연하게 하거나 고무등을 부풀게 하여 함께 사용하는 자재의 선택에 주의해야 한다
5)합성유의 사용 온도범위는 -60 ~ 400℉이다
2.1.2.가스터빈엔진 윤활유의 구비조건
1)점성과 유동성이 어느정도 낮을 것
2)점도지수가 높고 기화성이 낮을 것
3)윤활유와 공기의 분리성이 좋을 것
4)산화안정성 및 열적안정성이 있을 것
5)인화점과 발화점이 높을 것
2.2.가스터빈엔진 윤활계통의 구성
2.2.1.윤활계통 일반
1)압축기 축/터빈축 베어링 / 악세서리 구동용 기어들을 윤활한다
2)탱크 / 펌프 / 여과기 / 냉각기 / 블리드 및 여압계통 구성품들로 구성된다
3)베어링실에 가압된 엔진 블리드에어를 공급해 윤활유의 누설을 방지한다
4)계통에서 윤활유와 공기를 분리하기 위한 De-Oiler와 De-aerator가 있다
5)윤활계통 구성품들의 세척은 무연가솔린으로 한다
2.2.2.윤활유 탱크
1)윤활유를 보관하는 탱크로 가벼운 금속판을 용접하여 제작한다
2)윤활유냉각기(FOC)의 위치에 따라서 고온탱크와 저온탱크형으로 구분한다
1.고온탱크 : 냉각기가 주윤활펌프와 기관사이에 있어 탱크내부 윤활유는 고온상태
2.저온탱크 : 냉각기가 배유펌프와 탱크사이에 있어 탱크내부 윤활유는 저온상태
3)공기분리기(De-Aerator) : 배유펌프로부터 돌아오는 윤활유와 공기를 분리시키는 장치
4)탱크 드레인밸브 : 탱크의 하단부에 이물질 및 윤활유를 배출할 수 있는 밸브
5)딥스틱 : 긴 막대로 탱크속의 윤활유량을 확인할 때 사용한다
2.2.3.윤활유 펌프
1)기어형 / 베인형 / 제로터형이있으며 기어형을 주로사용한다
2)주윤활펌프 : 윤활 탱크의 윤활유를 기관으로 압송한다 // 릴리프 밸브 장착
3)배유펌프 : 소기펌프 // 스카벤지펌프 // 섬프에서 윤활유 탱크 까지 윤활유를 돌려보낸다
1.소기펌프의 용량은 주윤활펌프보다 용량이 큰것을 사용한다
2.배유되는 윤활유는 공기와 혼합되어 체적이 증가하기 때문
2.2.4.윤활유 여과기
1)카트리지형 / 스크린형 / 스크린 디스크형이 있다
2)바이패스밸브 : 필터가 막혔을 때 윤활유가 필터를 우회하여 공급될 수 있도록 해준다
3)체크밸브 : 기관정지 시 윤활유가 역류하는 것을 방지해준다
4)드레인플러그 : 여과기 아래에 설치되어 걸러진 불순물을 배출하는 곳이다
2.2.5.윤활유 냉각기 : 연료계통의 FOC와 동일
2.2.6.블리더 및 여압계통
1)고도변화에 따라 대기압이 변해도 윤활계통의 정상작동을 위해 설치
2)섬프 내부에는 압축공기를 공급하여 섬프내부압력과 대기압사이에 일정한 차압을 유지
2.3.가스터빈기관 시동-점화계통
2.3.1.가스터빈기관 시동-점화계통의 특징
1)시동 후에도 자립회전속도까지 큰 회전력으로 오랫동안 회전시켜주어야 한다
2)왕복기관과는 다르게 점화는 시동 시에만 하고 시동 후에는 점화가 필요없다
3)왕복기관에 비해 비교적 간단하고 높은 에너지의 전기불꽃이 요구된다
4)연료의 기화성이 낮고 혼합비가 희박하여 점화가 쉽지 않다
5)고공에서는 기온이 낮아 기관 정지 시 재시동이 어렵다
2.3.2.가스터빈기관 시동계통
1)전기적 시동계통
1.전동기식 : 28V 직권식 직류전동기를 사용 // 클러치 장착
2.시동-발전기식 : 시동 시에는 시동기로, 자립회전 이후에는 발전기로 작동한다 // IDG
2)공기식 시동계통
1.공기터빈식 : 외부로부터 공급된 압축공기로 터빈을 돌려 감속기어를 통해 기관을 회전
2.가스터빈식 : 독립된 소형의 가스터빈기관을 이용하여 기관을 회전
3.공기충돌식 : 기관의 터빈에 압축공기를 직접 분사하여 기관을 회전 // 구조가 간단
3)가스터빈기관의 비정상 시동
1.과열시동(hot start) : 시동 시 배기가스온도가 규정된 한계값 이상으로 증가하는 현상
2.결핍시동(hung start) : 시동 시 기관의 회전수가 완속외전수까지 증가하지 못하는 현상
3.시동불능(no start) : 기관이 규정된 시간 내에 시동되지 않는 현상
2.3.3.가스터빈기관 점화계통
1)단속임무와 연속임무
1.단속임무 : 고전압 // 기관 시동 및 비행 중 재점화하는 임무
2.연속임무 : 저전압 // flame-out이 예상될 시에 점화장치를 작동하는 임무
2)유도형 점화계통 : 유도 코일에 고전압을 유도시켜서 점화 // 진동자로 1차코일에 맥류를 공급
1.교류유도형 : 가장 간단한 점화장치 // 115V 400Hz의 교류전원 사용
2.직류유도형 : 28V의 직류전원 사용
3)용량형 점화계통 : 콘덴서에 전하를 저장해두었다가 짧은 시간에 방전시켜 점화 // 많이 사용
1.직류고전압 용량형 : 바이브레이터에 의해 직류를 교류로 바꾸어 사용
2.교류고전압 용량형 : 115V 400Hz 교류를 이용
4)점화플러그 : 왕복기관의 점화플러그보다 높은에너지를 사용하고 비교적 저압력에서 작동한다
1.애뉼러 간극형 : 중심전극이 연소실 안쪽으로 약간 돌출되어 있다
2.컨스트레인형 : 불꽃이 플러그 안에서 밖으로 원호를 그리며 튄다 // 애뉼러보다 저온작동
2.4.가스터빈기관 기타계통
2.4.1.가스터빈기관 소음감소장치
1)저주파를 고주파로 변환하여 소음을 줄인다
2)배기가스가 분출되는 면적을 넓게 하여 배기노즐 가까이에서 대기와 혼합되도록 한다
3)배기가스가 대기와 혼합되는 면적을 증가시킨다
4)다수튜브제트노즐형 / 주름살형 / 소음흡수라이너부착 등의 방법을 사용하여 소음을 줄인다
2.4.2.가스터빈기관 추력증가장치
1)후기연소기 : 배기가스에 연료를 분사시켜 재 연소시켜 추력을 증가시킨다
1.이륙시/상승시/초음속 비행시 사용하여 50%까지 추력을 증가시킬 수 있다
2.연료가 평소보다 3배가량 더 들어가며 고속비행 시 더 효율적이다
3.후기연소기라이너/연료분무대/불꽃홀더/가변면적배기노즐로 구성된다
2)물분사장치 : 공기온도를 감소시키고 밀도를 증가시켜 추력증가 효과를 얻는다
1.물이나 알코올의 혼합물을 압축기 입구와 출구의 디퓨저부분에 분사한다
2.알코올은 물이 쉽게 어는것을 방지하기 위해 첨가한다
3. 10~30%정도의 추력을 증가시킬 수 있다
3)역추력장치
1.배기가스를 비행기의 앞쪽방향으로 분사하여 항공기에 역추력을 형성한다
2.비행기의 제동력을 향상시켜 착륙거리를 감소시킬 수 있다
3.역추력은 최대 정상추력의 40~50%정도까지 얻을 수 있다
3.가스터빈기관의 성능
3.1.가스터빈기관의 추력
3.1.1.추력발생의 원리
1)대기중의 공기를 흡입하여 가속시켜 내보낸다
2)뉴턴의 제 3법칙인 작용과 반작용 법칙에 의해 반작용력으로 추력을 얻는다
3)즉 가스터빈기관의 추력은 공기를 고속으로 분사하는 힘의 반작용력이다
3.1.2.가스터빈기관의 진추력(Net Thrust) : 기관이 비행중에 발생시키는 추력
1)진추력 Fn = (Wa/g)x(Vj-Va)
2)Wa : 흡입공기의 중량유량 g : 중력가속도
3)Vj : 배기가스속도 Va : 항공기 속도
3.1.3.터보팬엔진기관의 진추력
1)Fn = (Wap/g)x(Vp-Va) + (Was/g)x(Vs-Va)
2)Wap : 1차공기의 흡입중량유량 Was : 2차공기의 흡입중량유량
3)Vp : 1차공기 배기속도 Vs : 2차공기 배기속도 Va : 항공기 속도
3.1.4.바이패스비 (Bypass Ratio ; BPR) : 1차공기와 2차공기의 중량유량비율
1)BPR : Was / Wap
2)Was : 1차공기 중량유량 Wap : 2차공기 중량유량
3.1.5.가스터빈기관의 총추력(Gross Thrust) : 기관이 지상에서 정지상태에서 발생시키는 추력
1)총추력 Fg = (Wa/g)x Vj
2)Vj-Va 에서 지상정지 시 Va=0 이므로 Vj만 남는다
3.1.6.가스터빈기관의 램항력 Fd : 진추력과 총추력의 차이 // 총추력에서 진추력을 뺀값
1)램항력 Fd : (Wa/g)x Va
2) Fg - Fn = (Wa/g)x Vj - ((Wa/g)x(Vj-Va)) = (Wa/g)x Va
3.1.7.가스터빈기관의 비추력(Specific Thrust) : 기관의 단위공기중량유량당 진추력
1)비추력 Fs = Fn/Wa = (Wa/g)x(Vj-Va) / Wa = (Vj-Va)/g
2)터보팬 기관의 비추력 : Fs = (Wap(Vp-Va) + Was(Vs-Va)) / g(Wap+Was)
3.1.7.가스터빈기관의 추력중량비(Thrust Weight Ration) : 기관의 건식중량과 진추력의 비율
1)추력중량비 Fw = Fn / Weng
2)일정 추력을 기준으로 추력중량비가 클수록 기관이 가벼운것을 의미한다
3)일정 기관무게를 기준으로 추력중량비가 클수록 기관의 단위중량당 추력이 크다
3.1.8.추력비연료소모율(Thrust Specific Fuel Consumption ; TSFC)
1)단위 추력을 내기위해 기관이 1시간동안 소비하는 연료의 중량
2)추력비연료소모율 TSFC = Wfx3600/Fn
3.1.9.추력마력(Thrust Horse Power ; THP) : 추력을 동력의 단위로 환산한 값
1)추력마력 THP = Fn x Va / 환산상수
2)환산상수 : 75(kgf*m/s) 550(ft*lb/s) 375(mile*lb/hr)
3.1.10.가스터빈기관의 추력에 영향을 끼치는 요소
1)공기밀도의 영향 : 공기밀도가 감소할수록 추력은 감소한다
2)비행속도의 영향 : 속도가 증가할수록 추력은 감소하다 증가한다
3)비행고도의 영향 : 비행고도가 증가할수록 추력은 감소한다
4)대기온도의 영향 : 대기온도가 증가할수록 추력은 감소한다
3.2.가스터빈기관의 효율
3.2.1.가스터빈기관의 효율 설정구간
1)열효율 : 항공기 연료에너지가 공기의 운동에너지로전환되는 과정
1.항공기의 연료가 가지고 있는 화학에너지
2.화학에너지를 연소실에서 열에너지로 전환
3.기관이 열에너지를 이용하여 기관을 통과하는 공기를 가속
4.결론적으로 연료의 화학에너지가 공기의 운동에너지로 전환
5.이사이과정에서의 에너지 전환 비율을 열효율이라고 함
2)추진효율 : 공기의 가속된 운동에너지가 실제로 항공기가 진행하는 운동에너지로 전환되는 과정
1.기관이 공기를 가속시켜 뒤로 분사한다
2.분사한 반작용력으로 항공기는 추력을 얻는다
3.하지만 항력에 의해 분사한 속도만큼 항공기가 속도를 얻지는 못한다
4.이사이에서 실제 항공기가 추진되도록 변환된 비율을 추진효율이라함
3)전효율 : 항공기 연료에너지가 항공기의 추진에너지로 전환되는 과정
1.열효율과 추진효율을 통합한 전체적인 관점에서 본 효율
2.열효율과 추진효율의 곱으로 나타낼 수 있다
3.2.2.가스터빈기관의 열효율
1)연료의 단위시간당 공급 에너지 Qf[kcal/s] = mf[kg/s] x H[kcal/kg]
2)기관으로 들어오는 속도Va인 공기의 단위시간당 운동에너지 : 0.5maVa^2 // (ma : 흡입공기 질량유량)
3)기관에서 가속된 속도Vj인 공기의 단위시간당 운동에너지 : 0.5maVa^2
4)기관을 통해 공기가 얻은 단위시간당 운동에너지 : 0.5ma(Vj^2-Va^2)
5)열효율 ηth = (0.5ma(Vj^2-Va^2) / mf*H)
3.2.3.가스터빈기관의 추진효율
1)기관에 의해 공기가 얻은 단위시간당 운동에너지 : 0.5ma(Vj^2-Va^2)
2)속도 Va로 비행중인 항공기의 단위시간당 운동에너지 Pt = Va x Fn
3)추진효율 ηp = Va x Fn / 0.5ma(Vj^2-Va^2) = (2Va / (Vj+Va))
3.2.4.가스터빈기관의 전효율
1)연료의 단위시간당 공급 에너지 Qf[kcal/s] = mf[kg/s] x H[kcal/kg]
2)속도 Va로 비행중인 항공기의 단위시간당 운동에너지 Pt = Fn x Va
3)전효율 η0 = Fn*Va / mf*H = ηth x ηp
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