https://www.youtube.com/watch?v=VNFzBKAv_9E&t=247s
백문이 불여일견. 작동영상을 보자.
이전까지 미국의 전투기/정찰기/폭격기들에게 들어가는 엔진은 이중 축(Twin-spool)을 구조를 채택했음.
이 이중축은 내부의 회전축이 하나가 아니라 하나의 축 안에 다른 축이 있는 구조로 만든 게 일반적이었던 같음
(최소한 내가 본 것들은 그래.)
하나는 저속회전축인데 엔진 앞부분의 저압 압축기와 뒷부분의 저압 터빈을 연결함.
나머지 하나는 고속회전축인데 중앙의 고압 압축기와 연소기 바로 뒤의 고압 터빈을 연결함.
대표적으로 이런방식의 엔진을 쓴 항공기는 B-52임. 물론 B-52는 나중에 가면 터보 팬으로 바꿈.
f-100 슈퍼세이버나 u-2 드래곤레이디에 들어간 j-57 같은 엔진도 이런구조임.
이걸 왜 채택했냐
me-262의 활동에 깊은 감명을 받고 이 기술등을 미국으로 들여왔는데 당시 축류식 제트엔진의 문제점이 대략 이러 했음.
추력이든 연비든 높이려고 공기를 누르는 힘인 압축비를 높이려다 보니 압축기 날개를 많이 추가하였는데
이로 인해 저속에서는 앞쪽 날개가 너무 많이 돌고 고속에서는 뒤쪽 날개가 공기 흐름을 못 따라가는 공기 역학적 불균형이 발생해 버림.
더 쉽게 말하면 저속과 고속에서 공기는 공기대로 엉키고(f-15 f-14 f-22등이 이런 일 막으려고 추가로 공기를 유입하거나 과압, 고온의 공기를 배출하는 역할을 하는 바이패스(bypass), 경계층분리기, 중간에 질낮은 공기를 내뱉는 덤프?(dump?)를 달고 f-15는 가변식 공기흡입구를 추가하지) 달라 날개가 헛도는 현상이 발생해.
그리고 발생해 버리면 엔진이 꺼지는(실속 stall) 사태가 벌어짐.
그리고 수명도 문제고 연비도 안좋았음. 처음부터 풀악셀을 밟든가 제대로 연소가 안되던가 말도 안되는 선택지만 있었던 것임.
이때 프랫 앤 휘트니가 1948년에 이 문제를 해결하는 방안을 내놨음. 바로 축 따로 두 개를 나눠서 쓰자는 거임.
이걸로 수명과 연비와 실속문제를 어떻게든 당시엔 잡음.
하지만 이러니까 크기도 커지고 정비도 복잡해지고 만들기도 까다로워짐.
이때 j-79가 나옴.
이 j-79는 가변 고정익(Variable Stator Vanes, VSV)을 들고나와서 단일축으로 이 문제를 해결함.
어떻게 단일 축으로 해결 했냐면 이거임.
저 압축기 팬과 팬 사이에 이해하기 간단하게 말한다면 에어컨 바람 방향 조절기 날개 같은 것이 있음. 저걸 기계적 장치를 통해 자동화해서 각도 조절을 통해 공기 유입통로를 변형함으로써 공기가 엉커서 멈추는 서지(surge)현상을 막는 것임.
처음에 엔진 회전수와 공기 흡입 온도에 따라 엔진 제어 장치(Main Fuel Control)이 유압신호를 보냄->그걸 받은 액추에이터(actuator)의 피스톤이 앞뒤로 팡팡이를 함.
그러면 각 단(stage)(압축팬이라고 보면 쉬울 것) 앞에 있는 싱크로나이징 링(synchronizing ring)이 살짝 회전함. 이 회전은 벨 크랭크(bell crank)가 수행함.
링이 돌아가면 링에 꽂힌 수많은 크랭크 암(crank arm) 또는 레버 암(lever arm)이 동시에 움직이면서 이 에어컨 바람 방향 조절용 날개처럼 생긴 고정익(stator) 또는 개별 날개(Vane)의 방향을 위 아래로 왔다갔다시킴.
문과라 용어나 설명이 약간 빗나가도 이해 해 줘.
자 이렇게 하니까 듀얼 스풀의 명가 pw j-57은 17200파운드 추력에 약 2350kg이란 중량급 체급을 보여주지만 뉴 챌린저 ge j-79는 17900파운드 추력에 약 1740kg까지 덩치를 줄임.
혁신이지.
물론 이것도 정비에 손이 많이감.
엔진 외부에 뭘 많이 달려져 있거든.
당시 정비사들은 '배관공의 악몽(plumber's nightmare)라고도 불렀대.
듀얼과 싱글 스풀 모두 당시 엔진들의 최대 고민인 '저속과 고속에서 공기 흐름이 달라 날개가 헛도는 현상'을 해결하기 위해 공학자들이 궁리한 결고야.
당시 엔진들의 최대 고민은 저속과 고속에서 공기 흐름이 달라 날개가 헛도는 현상임
pw의 j-57은 그 문제를 축을 두 개로 나눠서 각자 편한 속도로 돌게 하자는 군대식? 고르디우스의 매듭식? 같은 하드웨어적 분리로 해결했어. 덕분에 안정적이었지만 크고 무거워졌지.
반면 ge의 j-79는 '축은 하나만 쓰고, 대신 바람막이(고정익) 각도를 틀어서 공기 흐름을 강제로 맞추자'는 부(副) 하드웨어+주(主) 소프트웨어적(기계적 제어) 조절을 선택한거야.
덕분에 훨씬 가벼워졌고, 이게 f-104 스타파이터(위도우메이커는 이걸 가지고 30m 60m 90m 저공침투비행까지 시키던 독일 같은 나라들이 잘못한 것임)나 f-4 팬텀이 체급대비 강력한 추력을 가지게 된 비결임.
이 vsv 적용 단일축 엔진은 엔진 제어 장치 Main Fuel Control(MFC)가 엔진 회전수와 온도를 감지해 유압을 쏘아서 액추에이터 그 신호를 받고 싱크로나이징 링을 돌리고 이 링에 연결된 수많은 레버 암들이 꼬챙이에 꿴 것처럼 꿰여있는 고정익(Stator)들을 방향을 동시에 바꿈(동시에 비틀다는 게 공학적으로 맞는 말인 것 같긴 한데 문과가 보기엔 도는 걸로 보이니까 이렇게 하자)
그럼 기술적으로는 누가 이겼냐.
일단 승자는 j-57에 가까움.
왜냐면 다시 추력을 극한으로 쥐어짜내야 하는데 그러려면 이중 축이 맞거든.
j-79의 단일 축 방식은 가볍지만 압축비를 높이기엔 한계가 있었거든.
게다가 미국은 중고도를 중심으로 모든 고도에서 작전이 가능하고 모든 형태의 전투를 안정적으로 수행이 가능한 범용전투기를 추구하고 있었으므로 엔진 추력상승이 많이 필요했거든.
게다가 이후엔 터보팬이 되면서 다시 축을 나눌 필요가 생겼기도 하고.
오히려 3중축까지 더 늘어나기까지 해.
하지만 이 단일축과 가변고정익 기술역시 효율적인건 마찬가지라
결국 현재는 이중축에 가변고정익(VSV) 기술을 얹는 형태로 귀결되었어.
https://en.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_J57#Specifications_(J57-P-23)
https://en.wikipedia.org/wiki/General_Electric_J79#Specifications_(J79-GE-17)
https://airandspace.si.edu/collection-objects/general-electric-j79-turbojet-engine/nasm_A19690213004#:~:text=high%20thrust%2C%20low%20weight%2C%20mechanically%20simple%20jet,0.9%20cruise%20and%20Mach%202.0%20combat%20speeds.
https://irl.umsl.edu/cgi/viewcontent.cgi?params=/context/thesis/article/1311/&path_info=J79_Thesis_Rev._E.pdf#:~:text=Compressor%20stall%20can%20occur%20as%20air%20flows,pressure%20building%20just%20behind%20a%20given%20blade.
글 잘 읽었는데 혹시 글자크기 통일 가능함?
중간중간 글자가 작아져서 불편함
@스스키 군대식으로 16으로 일괄 변형
까짓것 압축기 없애고 램압축으로 하죠.
그건 기술적으로 너무 급진적인데 ㄷㄷ
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롤스로이스가 3스풀 선호함 근데 요는 팬이랑 압축기를 나눈거에 가까운 구조임 다른 회사들은 저압압축기 고압압축기 2단구존데 RR 엔진은 팬만 돌리는 축 1개, 중압압축기 고압압축기로