공항에 가서 여객기를 볼 때면 항상 여객기에 동력을 공급하는 거대한 엔진에 눈이 쏠리게 된다. 대부분의 상업용 제트기는 터보 팬 엔진으로 동력을 공급받는데, 터보 팬은 가스 터빈 엔진의 일반적인 형태이다. 가스 터빈 엔진이라는 말을 전혀 들어보지 못한 사람도 있겠지만 전혀 생각지도 못했던 여러 곳에서 사용되고 있다. 예를 들면, 흔히 볼 수 있는 헬리콥터나 작은 발전소에서 그리고 미육군의 주력 전차인 M1 탱크에서도 가스 터빈을 사용한다.
가스 터빈 엔진의 종류
터빈에는 많은 종류가 있는데, 모두 운동하는 유체의 에너지를 이용하는 것이다. 증기 터빈은 대부분의 발전소는 석탄이나 천연가스, 석유 혹은 원자로를 이용해서 증기를 만든다. 증기는 크고 매우 정밀하게 설계된 다단계의 터빈을 통과하면서 발전소의 발전기를 구동시키는 출력축을 회전시킨다. 수력 터빈은 수력 발전소에서는 수력 터빈을 이용해서 동력을 만들어낸다. 물이 증기보다 밀도가 훨씬 높기 때문에(따라서 더 늦게 움직인다) 수력 발전소에서 사용되는 터빈은 증기 터빈과 상당히 다른 모습을 하고 있다. 그러나 두 가지 모두 같은 원리를 이용한다. 풍차라고도 하는 풍력 터빈은 동력원으로 바람을 이용한다. 바람은 아주 느리게 움직이고 또 가볍기 때문에 풍력 터빈은 증기 터빈이나 수력 터빈과는 전혀 다른 모습을 하고 있다. 그러나 이 원리는 같다. 가스 터빈에서는 일정 압력이 가해진 가스가 터빈을 돌린다. 현대의 모든 가스 터빈 엔진에서는 프로판이나 천연가스, 등유 혹은 제트 연료를 연소시켜 엔진이 자체의 기압 가스를 만든다. 연료를 연소시키면서 생기는 열이 고속으로 맹렬하게 움직이는 가스를 만들어 터빈을 회전시키는 것이다.
장점 그리고 단점
M1 탱크는 두 가지 장점 때문에 디젤 엔진 대신 1,500마력의 가스 터빈 엔진을 사용한다. 가스 터빈은 피스톤 엔진에 비해서 무게 대비 동력 비율이 훨씬 뛰어나다. 즉 엔진의 무게이 비해서 엔진에서 나오는 동력이 아주 크다. 가스 터빈 엔진은 피스톤을 사용하는 엔진보다 크기가 작다. 가스 터빈의 주된 단점은 같은 크기의 왕복 운동을 하는 엔진보다 비싸다는 것이다. 고속과 고온에서 운전되기 때문에 가스 터빈을 설계하고 제작하는 데에는 기술적인 면과 재질 면에서 상당히 어려운 문제가 있다. 또한 가스 터빈은 공회전 시에 피스톤 엔진보다 많은 연료를 사용하며 변동 하중보다 고정 하중에서 성능을 잘 발휘한다. 이 때문에 대륙간을 여행하는 제트 항공기나 발전소에 아주 적합하다. 자동차 본네트 안에 가스 터빈 엔진을 장착하지 못하는 이유도 이 때문이다.
각부와 동작과정
가스 터빈 엔진은 이론적으로는 극히 단순하다. 여기에는 세 가지 부분이 있다. 압축기는 흡입공기를 압축한다. 연소실에서는 연료를 연소시키고 고압, 고속의 가스를 만든다. 터빈은 연소실에서 나오는 고압 고속의 가스로부터 에너지를 추출한다. 압축기는 공기를 빨아들인다. 오늘날 일반적으로 압축기는 기본적으로 작은 팬 날개가 일렬로 붙어 있는 원추형으 실린더 모양을 하고 있다. 공기는 압축 단계를 거치면서 상당히 높은 압력을 받게 된다. 어떤 엔진에서는 공기 압력이 30배까지 오르기도 한다. 예를 들면 14.7 PSI(제곱인치당 파운드)의 압력이 450 PSI까지 올라가는 것이다. 그런 다음 고압 공기는 고리 모양으로 배열된 연료분사기들이 일정하게 연료를 분사하는 연소실로 들어간다. 연료는 보통 등유나 제트 연료, 프로판 혹은 천연가스를 사용한다. 촛불을 끄기가 얼마나 쉬운지를 생각해 보면 연소실의 설계 어려움을 이해할 수 있을 것이다. 고압 공기는 매우 빠른 속도로 움직이면서 이 지역으로 들어가는데, 이런 환경에서 불꽃이 꺼지지 않아야 하기 때문이다. 이런 문제를 해결하기 위한 장치를 불꽃덮개 혹은 캔이라고 하는데, 속이 비었고 강한 금속 표면에 구멍이 뚫린 구조이다. 압축 공기는 불꽃 덮개의 이 구멍을 통과하여 들어온다. 배출 가스는 끝 쪽의 열린 부분을 통해서 배출된다. 그런 다음 가스는 터빈을 지나간다. 터빈은 정교한 고속 풍차이다. 뜨거운 가스가 터빈을 통과하면서 터빈을 돌린다. 제트 항공기에서는 터빈의 에너지를 이용해서 다시 압축기를 구동시키고 또 커다란 팬이나 프로펠러를 구동시키기도 한다. M1 탱크나 헬리콥터에 있는 가스 터빈에서는 별개의 터빈이 출력축을 구동시킨다. 이 출력축은 왕복운동을 하는 엔진의 크랭크 축과 마찬가지 방법으로 동력을 공급한다. 이 마지막 단계와 출력축은 완전히 독립적인 장치로 자유롭게 회전한다. 이들은 엔진의 다른 어떤 부분과도 연결되어 있지 않다. 최종 출력 터빈의 날개를 통과하는 뜨거운 가스 속에 1,500마력의 동력을 만들고 63톤의 M1탱크를 움직일 수 있는 에너지가 들어 있다는 것이 가스터빈의 터빈의 놀라운 부분이다.