애프터버너

Afterburner
기타 용도는 애프터버너(동음이의)를 참조하십시오.
"애프터 버너"는 여기서 리다이렉트됩니다.비디오 게임은 After Burner를 참조하십시오.
캐터펄트에서 최대 출력으로 발사되는 미 해군 F/A-18 호넷

애프터버너(또는 영국식 재열)는 일부 제트 엔진, 주로 군용 초음속 항공기에 사용되는 추가 연소 구성 요소입니다.그것의 목적은 추력을 증가시키는 것이며, 보통 초음속 비행, 이륙, 전투 등을 위한 것이다.애프터 연소 프로세스는 터빈 뒤쪽(즉, "후") 제트 파이프의 연소기에 추가 연료를 분사하여 배기 가스를 "재히트"합니다.애프터 연소(After burn)는 중량 패널티가 수반되는 대형 엔진을 사용하는 대안으로 추력을 크게 증가시키지만 연료 소비량 증가(연비 감소)를 감수하여 단기간으로 사용을 제한한다.이러한 항공기 재가열 적용은 전기 발전기를 [1]구동하고 연료 소비를 감소시키는 가스 터빈에 적용되는 재가열의 의미 및 구현과 대비된다.

제트 엔진은 애프터 연소 시 습식 작동, 그렇지 [2]않을 경우 건조 작동이라고 합니다.최대 스러스트 웨트를 생성하는 엔진은 최대 출력이고 최대 스러스트 드라이를 생성하는 엔진은 군사 [3]출력입니다.

원칙

애프터 버너의 기본 원리
단면 롤스로이스 터보메카 아두르의 뒷부분입니다.중앙에는 4개의 연소 링이 있는 애프터 버너가 선명하게 보입니다.
SR-71 블랙버드는 J58 엔진을 완전 애프터버너에 장착하고 비행 중이며 배기 가스에는 수많은 충격 다이아몬드가 보인다.

제트 엔진 추력은 뉴턴의 반응 원리를 적용한 것으로,[4] 엔진이 이를 통과하는 공기의 운동량을 증가시키기 때문에 추력을 발생시킵니다.추력은 배기 가스의 속도와 노즐에서 나오는 가스의 질량에 따라 달라집니다.제트 엔진은 더 높은 속도로 가스를 가속하거나 [5]엔진에서 더 많은 양의 가스를 배출함으로써 더 많은 추력을 낼 수 있습니다.두 번째 원리에 따라 기본적인 터보젯 엔진을 설계하면 터보팬 엔진이 생성되는데, 터보팬 엔진은 더 느린 가스를 생성하지만 더 많은 가스를 생성합니다.터보팬은 연료 효율이 높고 장시간 높은 추력을 제공할 수 있지만, 설계상의 균형은 출력에 비해 큽니다.애프터 버너를 사용하면 보다 콤팩트한 엔진으로 단기간 동안 출력을 높일 수 있습니다.애프터 버너는 주로 배기 가스를 더 높은 [6]속도로 가속하여 추력을 증가시킵니다.

다음 값과 매개변수는 [7]활주로에 정지해 있는 초기 제트 엔진인 Pratt & Whitney J57에 대한 것이며 터빈의 온도 한계 내에서 작동하는 엔진과 비교하여 애프터버너 연료 흐름, 가스 온도 및 추력의 높은 값을 보여준다.

엔진에서 가장 높은 온도(약 3,700°F(2,040°C))[8]는 연소실에서 발생하며, 엔진으로 유입되는 공기의 비교적 적은 비율에서 연료가 약 8,520lb/h(3,860kg/h)의 속도로 연소됩니다.연소 생성물을 컴프레서의 공기로 희석하여 가스 온도를 터빈 진입 온도(TET)로 알려진 특정 값(1,570°F(850°C))으로 낮춰 터빈의 [9]수명을 허용해야 합니다.연소 생성물의 온도를 대량으로 낮춰야 하는 것은 발생 가능한 추력의 양에 대한 주요 제한 중 하나입니다(10,200파운드f(45,000N).컴프레서 단계에서 공급되는 산소를 모두 태우면 엔진의 내부 구조가 크게 약해질 정도로 높은 온도(3,700°F(2,040°C)가 발생하지만, 연소 생성물과 컴프레서의 미연소 공기를 600°F(316°C)에서 혼합함으로써 산소(연료/공기비 014)가 no-g에 비해 상당히 높아집니다.en-twin 값 0.0687)은 애프터버너에서 대량의 연료(25,000lb/h(11,000kg/h)를 연소할 때 여전히 사용할 수 있다.가스 온도는 터빈을 통과할 때 1,013°F(545°C)로 감소합니다.애프터버너 연소기는 가스를 재가열하지만 TET(1,570°F(850°C))보다 훨씬 높은 온도(2,540°F(1,390°C))로 가열합니다.애프터버너 연소기의 온도 상승에 따라 가스는 우선 레일리 플로우라고 알려진 열 첨가에 의해 가속되고, 다음으로 노즐에 의해 애프터버너가 없는 경우보다 높은 출구 속도로 가속됩니다.애프터버너 연료를 추가하면 질량 흐름도 약간 증가합니다.애프터 연소 시 추력은 16,000파운드f(71,000N)입니다.

눈에 보이는 배기 가스에는 충격 다이아몬드가 나타날 수 있으며, 이는 외부 압력과 배기 압력 사이의 약간의 차이로 인해 형성된 충격파로 인해 발생합니다.이 상호작용은 짧은 거리에 걸쳐 배기 제트 직경의 진동을 일으키고 압력과 온도가 가장 높은 곳에서 가시적인 밴딩을 일으킵니다.

바이패스 공기 가열에 의한 스러스트 증가

Bristol Siddeley BS100을 태우는 플레넘 챔버.이 벡터 스러스트 엔진 재가열은 프론트 노즐 두 개에만 적용되었습니다.

대부분의 애프터 연소 터보팬에서와 같이 냉기와 온기가 혼합된 흐름 대신 터보팬의 냉간 바이패스 공기에서 연료를 연소함으로써 추력을 증가시킬 수 있습니다.

초기 증강 터보팬인 Pratt & Whitney TF30은 바이패스 [10]흐름의 7개의 동심 스프레이 링 중 3개를 사용하여 바이패스 흐름과 코어 흐름을 위해 별도의 연소 영역을 사용했습니다.이에 비해 애프터 연소 Rolls-Royce Spey는 연료 매니폴드 앞에 20 슛 믹서를 사용했습니다.

플레넘 챔버 연소(PCB)는 Hawker Siddeley P.1154용 벡터드 스러스트 Bristol Siddeley BS100 엔진을 위해 개발되었습니다.롤스로이스 페가수스와 동일한 방식으로 냉간 바이패스와 열간 코어 공기 흐름을 두 쌍의 노즐(전면 및 후면) 사이에 나누고, 추가적인 연료와 애프터소닝을 프론트 노즐에만 적용했습니다.그것은 호커 시들리 [11]해리어와 비슷하지만 더 큰 비행기에서 이륙과 초음속 성능을 위해 더 큰 추진력을 가했을 것이다.

1964년 프랫 앤 휘트니가 JTF17 터보팬을 미국 초음속 수송 프로그램에 제안하기 위해 덕트 히팅을 사용했으며 시승 엔진을 [12]가동했다.덕트 히터는 고리형 연소기를 사용했으며 항공기 [13]중량에 따라 증가량이 다른 마하 2.7의 속도로 이륙, 상승 및 정속 주행에 사용된다.

설계.

영국 유로파이터 태풍의 애프터버너.

제트 엔진 애프터 버너는 여분의 연료 인젝터가 들어 있는 확장된 배기 섹션입니다.제트 엔진 업스트림(즉, 터빈 이전)은 흡입하는 산소를 거의 사용하지 않으므로, 가스 흐름이 터빈을 떠난 후 추가 연료가 연소될 수 있습니다.애프터 버너가 켜지면 연료가 분사되고 점화기가 점화됩니다.그 결과 연소 프로세스는 애프터버너 출구(노즐 입구) 온도를 크게 증가시켜 엔진 순 추력을 급격하게 증가시킵니다.애프터버너 출구 정체 온도 증가 외에도 노즐 질량 흐름(애프터버너 입구 질량 흐름 + 유효 애프터버너 연료 흐름)이 증가하지만 애프터버너 출구 정체 압력 감소(가열 + 마찰 및 난류 [citation needed]손실로 인한 기본 손실)가 발생합니다.

결과적으로 애프터버너 출구량 흐름의 증가는 출구 노즐의 목 부분을 증가시킴으로써 수용됩니다.그렇지 않으면 압력이 방출되지 않으면 가스가 업스트림으로 흐르다 다시 점화되어 컴프레서 스톨(또는 터보 팬 애플리케이션의 팬 서지)이 발생할 수 있습니다.F7U 커틀래스, F-94 스타파이어 및 F-89 스콜피온에 사용된 솔라 애프터버너와 같은 첫 번째 디자인은 눈꺼풀 노즐이 [14]2개 위치였습니다.최신 설계에는 VG 노즐뿐만 아니라 별도의 스프레이 바를 통한 여러 단계의 증강이 포함된다.

1차적으로 총추력비(연소/건조 후)는 애프터버너 전체의 정체온도비(즉 출구/입구)의 근에 정비례한다.

제한 사항

애프터 버너는 연료 소비량이 높기 때문에 짧은 시간 동안만 사용됩니다.여기에는 무거운 무게 또는 짧은 활주로 이륙, 항공모함으로부터의 투석기 발사 지원, 공중 전투 중 등이 포함됩니다.주목할 만한 예외는 SR-71 블랙버드에 사용된 프랫 & 휘트니 J58 엔진이다. 블랙버드는 애프터버너를 장시간 사용했으며 모든 정찰 임무의 일부로 비행 중 연료를 공급받았다.

애프터 버너는 간헐적인 사용에 걸맞게 수명이 제한되어 있습니다.J58은 예외로 계속 등급이 매겨졌다.이는 라이너와 화염[15] 홀더의 열 차단 코팅과 터빈 배기 가스 대신 컴프레서 블리딩[16] 공기로 라이너와 노즐을 냉각함으로써 달성되었습니다.

효율성.

주요 기사: 추진 효율

제트 엔진과 같은 열 엔진에서는 연소가 가능한 가장 높은 압력과 온도에서 발생하고 주변 압력까지 확장될 때 효율이 가장 높습니다(카르노 사이클 참조).

배기 가스는 이미 이전의 연소로 인해 산소 함량이 저하되어 있고, 연료는 고압축 공기 컬럼에서 연소되지 않기 때문에 일반적으로 애프터 버너는 주 연소 프로세스에 비해 효율이 떨어진다.애프터버너 효율은 일반적으로 그렇듯이 [citation needed]고도가 높아짐에 따라 흡입구와 배기관 압력이 감소하는 경우에도 현저하게 감소합니다.

이 제한은 터보젯에만 적용됩니다.군용 터보팬 전투용 엔진에서는 바이패스 공기를 배기에 첨가함으로써 코어 및 애프터버너 효율을 높일 수 있다.터보젯에서는 이득이 50%로 제한되지만 터보팬에서는 바이패스 비율에 따라 차이가 나며 최대 70%[17]까지 상승할 수 있습니다.

그러나, 반례로, SR-71은 고속("마하 3.2")과 램 흡입으로 인한 그에 상응하는 높은 압력으로 인해 애프터버닝("습기") 모드에서 높은 고도에서 합리적인 효율을 보였다.

사이클 선택에 미치는 영향

애프터버닝은 엔진 사이클 선택에 큰 영향을 미칩니다.

팬 압력비를 낮추면 특정 추력(건식 및 습식 애프터 연소)이 감소하지만 애프터 연소기에 들어가는 온도가 낮아집니다.애프터버너 출구온도가 효과적으로 [why?]고정되기 때문에 유닛 전체의 온도상승이 증가하여 애프터버너 연료유량이 증가한다.총 연료 흐름은 순 추력보다 빠르게 증가하는 경향이 있으며, 그 결과 비 연료 소비량(SFC)이 높아집니다.그러나 해당 건조 동력 SFC는 개선된다(즉, 낮은 비추력).애프터 버너 전체에서 고온비가 높기 때문에 추력 부스트가 양호합니다.

항공기가 애프터버너 점화 상태에서 연료의 상당 부분을 연소하는 경우, 높은 비추력(즉, 높은 팬 압력 비율/낮은 우회 비율)을 가진 엔진 사이클을 선택하는 데 비용을 지불한다.결과적으로 발생하는 엔진은 애프터 연소(예: 전투/이륙) 시에는 상대적으로 연료 효율이 높지만 건조한 동력에서는 목마릅니다.그러나 애프터 버너를 거의 사용하지 않는 경우에는 낮은 비추력(낮은 팬 압력비/높은 바이패스비) 사이클이 바람직하다.이러한 엔진은 건식 SFC는 좋지만 전투/이륙 시 SFC의 애프터 연소율은 낮습니다.

엔진 설계자는 종종 이 두 극단 사이에서 타협에 직면합니다.

역사

MiG-23 애프터버너

이탈리아 엔지니어 세컨도 캄피니가 설계한 카프로니 캄피니 C.C.2 모터제트는 애프터버너를 장착한 최초의 항공기였다.카프로니 캄피니 C.C.2의 첫 비행은 1941년 [18][19]4월 11일에 이루어졌다.

영국의 초기 재가열 작업에는 1944년 말 글로스터 운석 I의 롤스로이스 W2/B23의 비행 시험과 1945년 중반 파워제트 W2/700 엔진의 지상 시험이 포함되었다.이 엔진은 마일즈 M.52 초음속 항공기 프로젝트를 [20]위해 만들어졌다.

이 개념에 대한 초기 미국 연구는 오하이오 주 클리블랜드에 있는 NACA에 의해 이루어졌으며,[21] 1947년 1월에 "테일 파이프 연소에 의한 터보젯 엔진의 추력 증강에 대한 이론적 조사"라는 논문을 발표하게 되었다.

1948년 미국의 애프터버너 작업은 해적, 스타파이어, [22]스콜피온과 같은 초기 직선 날개 제트기에 설치되는 결과를 가져왔다.

신형 프랫 & 휘트니 J48 터보제트는 애프터버너로 8,000파운드힘(36kN)의 추진력을 발휘하며, 곧 생산에 들어갈 그루먼 전투기의 F9F-6에 동력을 공급하게 된다.애프터버너를 장착한 다른 신형 해군의 전투기로는 웨스팅하우스 J46 엔진 2대를 탑재한 챈스 보우트 F7U-3 커틀라스가 있었다.

1950년대에 Orenda Iroquois, British de Havilland Gyron 및 Rolls-Royce Avon RB.146과 같은 여러 대형 재가열 엔진이 개발되었습니다.롤스로이스 에이본 RB.146은 영국 공군 최초의 초음속 항공기인 잉글리시 일렉트릭 라이트닝에 동력을 공급했다.브리스톨-시델리 롤스로이스 올림푸스에는 TSR-2를 위한 재가열 장치가 설치되었다.이 시스템은 샌디에이고의 [23]Bristol Siddeley와 Solar가 공동으로 설계하고 개발했습니다.콩코드호의 재가열 시스템은 Snecma에 의해 개발되었다.

애프터버너는 일반적으로 군용기에서만 사용되며 전투기의 표준 장비로 간주됩니다.그것들을 사용한 소수의 민간 비행기에는 NASA의 연구 항공기, 투폴레프 Tu-144, 콩코드, 화이트 나이트 오브 스케일드 컴포지트 등이 있다.콩코드는 초음속으로 장거리 비행을 했다.재열의 높은 연료 소비와 비행기는 이륙 시 애프터 버너를 사용하고 높은 드래그 트랜조닉 비행 상태에서 보내는 시간을 최소화하기 위해 지속적인 고속은 불가능할 것이다.애프터버너가 없는 초음속 비행을 슈퍼크루즈라고 한다.

애프터버너가 장착된 터보젯 엔진은 "애프터버닝 터보젯"이라고 불리며, 이와 유사하게 장착된 터보팬 엔진은 "증강 터보팬"[citation needed]이라고도 합니다.

덤프 앤 번(dump-and-burn)은 연료를 분사한 후 애프터 버너를 사용하여 의도적으로 점화되는 에어쇼 디스플레이 기능입니다.화려한 불꽃과 고속의 조합으로 에어쇼나 불꽃놀이의 피날레로 인기가 있습니다.연료 덤핑은 주로 무거운 고속 착륙을 피하기 위해 항공기의 무게를 줄이는 데 사용된다.안전 또는 긴급한 이유 외에는 연료 덤핑은 실용적이지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 가스터빈 설계, 컴포넌트 및 시스템 설계 통합, Meinhard T.쇼베이리 ISBN978 3 319 58376 1, 페이지 12/24
  2. ^ Ronald D. Flack (2005). Fundamentals of jet propulsion with applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0-521-81983-0.
  3. ^ Graham, Richard H. (July 15, 2008). Flying the SR-71 Blackbird: In the Cockpit on a Secret Operational Mission. MBI Publishing Company. p. 56. ISBN 9781610600705.
  4. ^ "General Thrust Equation". www.grc.nasa.gov. Retrieved March 19, 2018.
  5. ^ Lloyd Dingle; Michael H Tooley (September 23, 2013). Aircraft Engineering Principles. Routledge. pp. 189–. ISBN 978-1-136-07278-9.
  6. ^ Otis E. Lancaster (December 8, 2015). Jet Propulsion Engines. Princeton University Press. pp. 176–. ISBN 978-1-4008-7791-1.
  7. ^ 항공기 가스터빈 엔진과 그 작동, 파트 번호 P&W 182408, P&W 운영 지침 200, 1982년 12월 개정, United Technologies Pratt & Whitney, 그림 6-4
  8. ^ AGARD-LS-183, 안정 및 과도 성능 예측, 1982년 5월, ISBN 92 835 0674 X, 섹션 2-3
  9. ^ Zellman Warhaft (1997). An Introduction to Thermal-Fluid Engineering: The Engine and the Atmosphere. Cambridge University Press. pp. 97–. ISBN 978-0-521-58927-7.
  10. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19720019364.pdf, 그림 2 애프터 버너의 개략도
  11. ^ "1962 2469 Flight Archive". Flightglobal.com. Retrieved November 9, 2018.
  12. ^ Pratt & Whitney 엔진: 테크니컬 히스토리, Jack Connors 2009, ISBN 978 1, 60086 711 8 .
  13. ^ 기사 제목[베어 URL PDF]
  14. ^ SAE 871354 "미국 최초의 애프터버너 개발"
  15. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19840004244.pdf, 페이지 5
  16. ^ http://roadrunnersinternationale.com/pw_tales.htm, 페이지 3
  17. ^ '애프터버너 기초연구' 오야 요시유키, NASA TT F-13,657
  18. ^ Buttler, Tony (September 19, 2019). Jet Prototypes of World War II: Gloster, Heinkel, and Caproni Campini's wartime jet programmes. Bloomsbury Publishing. ISBN 978-1-4728-3597-0.
  19. ^ Alegi, Gregory (January 15, 2014). "Secondo's Slow Burner, Campini Caproni and the C.C.2". The Aviation Historian. No. 6. United Kingdom. p. 76. ISSN 2051-1930.
  20. ^ "Fast Jets-Derby에서의 재가열 발전의 역사" Cyril Elliott ISBN 1 872922 20 1 p14,16
  21. ^ Bohanon, H R. "Theoretical investigation of thrust augmentation of turbojet engines by tail-pipe burning" (PDF). ntrs.nasa.gov.
  22. ^ "애프터버닝: 현재의 미국 관행의 리뷰" 비행 잡지 1952년 11월 21일 p648
  23. ^ "브리스톨/태양열" 비행 잡지 1957년 9월 20일 페이지 472

외부 링크

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