바이패스 이해하기 2편

Facebook / 제일 뒤에 있는 하얀 비행기의 엔진과 두 번째 비행기 동체 직경을 비교해서 보라

앞선 글에서 추력(thrust)과 출력(power)에 대해 알아보았다면 이제 엔진의 효율을 생각해볼 수 있다.

효율은 투입된 일 대비 얼마만큼의 일을 했는가로 살펴볼 수 있다.

간단하게 말하자면 10 J의 에너지를 투입했는데 5 J 만큼의 일을 할 수 있는 엔진과 2 J 만큼의 엔진이 있다고 하자.

이때 5 J 만큼의 일을 할 수 있는 엔진은 효율이 50%라 할 수 있다. 동일한 개념을 여기에도 적용해보자.

 

첫 번째, 터보팬 엔진이 단위시간 당 얼마만큼의 에너지를 투입했는지는 공기의 속도로 생각해볼 수 있다.

아무런 에너지가 투입되지 않았다면 공기는 유입 속도와 유출 속도가 동일할 것이다.

반대로 유출 속도가 유입 속도보다 증가했다면 에너지가 투입되었다는 말이다.

이러한 생각을 수식으로 정리하면 식 (a)처럼 정리할 수 있다.

 

두 번째, 추력과 출력의 개념이 여기에 활용된다.

그렇게 해서 제트 엔진은 얼마만큼의 일을 해주었는가?

이를 위해서 추력에 유입 속도를 곱해준 출력을 계산하는 것이다.

이는 엔진이 얼마만큼 비행기를 밀어주었는가를 보는 것이다.

이러한 생각을 수식으로 정리하면 식 (b)처럼 정리할 수 있다.

그리고 이를 앞에 효율을 구하는 방식대로 서술하면 아래와 같아진다.

식을 보면 결과적으로 유입 속도와 유출 속도에 따라 엔진의 효율이 결정된다는 것을 알 수 있다.

그래서 효율이 100%인 엔진을 만들고 싶다면 유출 속도와 유입 속도가 동일해지면 된다.

그러나 이렇게 하면 추력과 출력 모두 0이 되고 만다.

유입 속도와 유출 속도에만 집중하면 효율은 높지만 정작 추력이나 출력은 엉망인 쓸모없는 엔진이 된다.그래서 질량 유량(mass flow)를 함께 고려해야 한다.

자, 유입 속도와 유출 속도 사이의 차이가 작으면 엔진의 효율은 좋아짐이 분명하다.

그러나 그렇게 하면 추력(thrust)가 줄어드는데 이를 해결하기 위해 질량 유량을 증가시키는 것이다.

그렇게 하면 효율은 좋으면서 추력도 우수한 엔진이 완성되고 그것이 바로 터보팬 엔진이다.

 

고-바이패스 터보팬 엔진은 대부분의 공기를 연소시키지 않고 내보내는 경우를 말한다.

그리고 이들은 질량 유량을 키우고자 블레이드의 직경을 키운 것이다.

추가로, 정지된 상태에서 엔진의 성능이나 작동에 문제가 없는지 평가하는 사진을 본 적이 있을 것이다.

그때 엔진은 고정된 상태이므로 유입 속도는 0이다.

그래도 괜찮다. 추력은 지금까지 공부한대로 본다면 0이 아니다.

단, 직관과 다르게 엔진은 고정되어 있고, 유입 속도가 0이므로 엔진의 출력은 0이 된다.

이는 10 N의 힘(thrust)을 준다고 해도 물체가 전혀 움직이지 않았다면 슬프게도 일(J)은 0인 것과 같은 맥락이다.