N1, N2 터빈에 대하여(Allison Model 250)

엔진을 공부하면서, N1, N2 터빈에 대해서 한번 다뤄봐야겠다고 생각했다. 각각의 터빈에 대해 용어도 혼재되어 있고, 이러한 여러 용어들은 터빈의 구조와 기능에 대해 이해하는 데 더 혼란을 가중시키기 때문이다. 따라서 이번 글에서는 N1, N2 터빈의 명칭에 대해 개괄하고, 구조와 기능에 대해 설명해보겠다. 이 글에서 다루는 N1, N2터빈은 500md의 Allison 250 엔진에 관한 글이다.

 

Allision Medel 250 Engine,  연소부 앞에 있는 4개의 터빈이 2개씩 각각 N2, N1터빈이다.

 

우선 N1, N2 터빈이 기능하는 엔진에 대해서 알아보기 위해서는, 엔진을 정적인 것이 아닌 동적인 것으로 바라봐야 한다. 가만히 있으면 쇳덩어리의 모음이지만, 여기에 전기적 신호와 공기, 연료가 혼합되면 이 쇳덩어리는 뜨거운 생명을 지니게 된다. 그 때 엔진 안에서는 여러 일들이 일어나는데, 이때 엔진을 들여다봐야만 각 기능이 명확하게 그려진다. 즉, 엔진을 보기 위해서는 엔진을 작동시켜봐야 하고, 그렇다면 시동을 걸어보아야 한다.

 

시동걸기, start button 누르기

 

그럼, 시동을 걸어보자. 첫 번째 과정은 정조종사석에 있는 콜렉티브로부터 시작한다. 콜렉티브에 위치한 스타트 버튼을 누르게 되면, 무슨 일이 벌어질까? 배터리 또는 외부 전원으로부터 공급받은 전기가 시동발전기를 회전시키게 된다. 그리고 시동발전기는 자신이 속해 있는 N1 보기류를 작동시키게 되고, N1 보기류와 연결되어 있는 N1 터빈을 회전시키게 된다.

 

N1 터빈은 압축기 로터와 연결되어 있다. 그러므로 N1터빈이 회전하게 되면 컴프레셔가 회전하며 공기를 연소부로 보내게 된다. 시동의 준비가 완료된 것이다.

 

그렇다면, 스타트 버튼을 누르면 단순히 N1 터빈만 회전시키게 되는 것일까? 아니다. 스타트 버튼을 누르게 되면 ignition exiter로 전기적신호가 전달되어, igniter가 작동, 스파크를 일으키게 된다. 그러므로 스타트 버튼을 누르면 다음의 상황이 벌어진다.

 

1. 연소부에 공기 유입(보기류 회전으로 인한 컴프레셔 작동) 

2. 스파크 발생

 

연소의 삼요소 중 두 가지가 충족되었다. 바로 산소와 점화원. 그렇다면 나머지 하나, 연료는? 

 

스로틀을 증가시키면 연료가 유입된다. 비로소 시동이 걸리는 것이다.

 

시동 후,  구동 방향 전환

 

그렇게 시동이 걸리게 되면 시동발전기는 시동기에서 발전기로 넘어간다. 지금까지는 시동기로만 기능하던 것이, 발전기로 기능을 전환한 것이다. 그렇게 되면 구동축의 에너지 전달 방향은 이전과는 사뭇 다른 상태가 된다.

 

이전까지는 시동발전기가 N1 터빈을 회전시켜 1. 컴프레셔 작동, 2. N2 터빈 작동을 시켰다면 이제 시동이 시작되었기 때문에 N1터빈의 회전으로 인해 시동발전기 및 N1 계열의 보기류가 작동되게 된다. 물론, 컴프레셔와 N2터빈도 본격적으로 구동된다. 

 

N1 터빈, N2 터빈의 출력값 및 동력 전달방향

 

시동 실시 후 이 두 터빈은 빠르게 회전하게 된다. 분당 회전수를 뜻하는 RPM(Rotations Per Minute)으로 이들의 성능을 알아볼 수 있는데, 이 숫자들은 크기 때문에 직관적으로 알기 어렵다. 따라서 두 터빈의 출력값은 백분율로 나타내고 있다. N1터빈이 100%일 때는 50,970RPM, N2 터빈이 100%일 때는 33,290RPM이다.

 

N1 터빈이 N2 터빈보다 분당회전수가 많은 것은 당연하다. N1터빈이 회전하는 힘으로 N2터빈을 회전시키기 때문이다. 나중에 한번 다루겠지만, N1터빈의 힘을 받은 N2터빈의 동력은 O.R.C를 통해 Main X-MSN으로 전달되고, 여기서 로터 블레이드 방향으로는 Main Drive Shaft를 통해, Matin Rotor Blade로/ 테일로터 블레이드 방향으로는 Tail Rotor Drive Shaft를 통해 다시 한번 Tail rotor X-MSN으로 전달된다. 여기서 동력 방향이 변화하고, 치차의 기어비가 변화한 이후에 Tail Rotor Blade로 전달된다.

 

N1 터빈, N2 터빈의 용어

 

이 둘의 용어에 대해서는 여러 가지가 혼재되어 있다. 간단하게 생각하면 된다. 최초에 작동하는 터빈이므로 숫자 1이 붙어 N1터빈이고, 그 다음에 작동하기 때문에  N2터빈이다.

 

N1터빈(가스 터빈, 가스 발생 터빈, Gas Turbine, Gas Produce Turbine, 더 나아가 터바인이라고도 발음한다.)

N1터빈의 역할을 보자. 

컴프레셔를 회전시켜 연소부에 공기를 채워넣는다. 그런데 압축될 때나 공기지, 연소부에 유입된 이상, 실제 시동을 걸 때는 연료와 혼합되어 혼합가스가 된다. 그러니, N1터빈의 역할은 시동시 필요한 '혼합가스'를 만드는 터빈이다. 그러므로 가스를 발생시키는 터빈이라 가스 터빈, 가스 발생터빈이라고 부르는 것이다.

 

N2터빈(동력 터빈, Power Turbine)

N2터빈의 역할을 보자.

N1에게서 전달받은 힘을 결국 항공기의 로터블레이드를 회전하는 데 쓰고 있다. 즉, 엔진에서 발생한 동력을 이곳저곳(이라고 해봤자 방향은 Main과 Tair 두 군데지만)으로 전달하는 역할을 하고 있다. 그러므로 동력을 담당하고, 힘을 전달하는 터빈이기 때문에 N2터빈을 동력터빈 또는 파워터빈이라고 하는 것이다.

 

끝으로 다음은 간단히 그려본 구동축 설명이다. 동력축이 어떻게 연결되어있는지만 봐도 충분할 듯 하다.

 

N1은 컴프레셔와 N2 동시에 물려 있다. 이는 2차원 그림으로, 직관적으로만 보면 되겠다.