터보팬

터보팬 엔진의 작동 원리는 크게 두 가지 공기 흐름, 즉 코어 엔진을 통과하는 고온의 연소 가스와 이를 둘러싸는 팬을 통해 흐르는 저온의 바이패스 공기에 기반한다. 엔진 전면의 거대한 팬이 회전하며 대량의 공기를 빨아들인다. 이 공기의 일부는 축류압축기와 연소실을 거쳐 고압 고온의 가스로 변환된 후 터빈을 회전시키고, 나머지 대부분의 공기는 팬 뒤쪽의 덕트(바이패스 덕트)를 통해 직접 후방으로 배출된다.

터빈의 주된 역할은 팬과 압축기를 구동하는 것이다. 즉, 연소실에서 생성된 고에너지 가스가 터빈을 돌리면, 이 터빈은 동일한 샤프트에 연결된 전면의 팬과 압축기를 회전시킨다. 이렇게 팬으로 가속된 바이패스 공기는 프로펠러와 유사한 방식으로 주요 추력을 발생시키며, 동시에 코어에서 배출되는 고속 배기가스를 감싸 완충하는 역할을 한다. 이는 작용-반작용의 원리에 따라 공기를 후방으로 가속시켜 추력을 얻는 방식이다.

터보팬의 효율성은 바이패스비(Bypass Ratio)에 크게 좌우된다. 바이패스비는 팬을 통해 흐르는 공기량과 코어 엔진을 통과하는 공기량의 비율을 의미한다. 일반적으로 바이패스비가 높을수록 엔진은 더 많은 공기질량을 상대적으로 낮은 속도로 배출하게 되어, 동일한 추력 대비 더 높은 연료 효율과 낮은 소음을 달성한다. 따라서 고바이패스 터보팬은 여객기나 수송기에, 저바이패스 터보팬은 고속 비행이 필요한 전투기에 주로 사용된다.

이러한 작동 방식은 터보제트 엔진이 고속 배기가스에 의존하는 것과 대비된다. 터보팬은 배기가스의 속도를 일부 희생하는 대신, 훨씬 더 큰 질량의 공기를 이동시켜 전체적인 추진 효율을 극대화한다. 또한, 바이패스 공기는 고온의 코어를 냉각하고 배기가스 온도를 낮추는 부수적 효과도 제공한다.

터보팬과 터보프롭은 모두 가스터빈 엔진의 일종으로, 터보제트 엔진의 코어(압축기, 연소실, 터빈)를 이용하여 팬이나 프로펠러를 구동해 추력을 얻는다는 기본 원리는 동일하다. 그러나 공기 흐름의 처리 방식과 구조적 특징에서 차이가 있다. 가장 큰 차이는 터보팬 엔진은 팬으로 가속된 대부분의 공기(바이패스 공기)가 엔진을 감싸는 덕트(카울) 내부를 통과하여 후방으로 배출되는 반면, 터보프롭 엔진은 프로펠러가 덕트 없이 외부 공기를 직접 뒤로 밀어낸다는 점이다.

이러한 구조적 차이는 성능 특성에 직접적인 영향을 미친다. 터보팬, 특히 고바이패스비를 가진 엔진은 상대적으로 낮은 속도로 대량의 공기를 배출하여 저속 및 아음속 영역에서 높은 연료 효율과 추력을 제공한다. 이는 민간 여객기나 수송기에 적합한 특성이다. 반면, 터보프롭 엔진은 프로펠러의 직경을 매우 크게 만들어 극단적으로 높은 바이패스비를 구현함으로써, 저속에서 터보팬보다도 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 그러나 프로펠러 팁 속도의 한계로 인해 고속 비행에는 적합하지 않으며, 주로 중소형 지역 교통기나 훈련기 등에 사용된다.

구분 기준은 점차 모호해지고 있는데, 팬을 덕트로 감싸지 않는 오픈 로터 엔진과 같은 신기술은 터보팬의 효율과 터보프롭의 개방형 구조를 결합한 형태로 발전하고 있다. 또한, 기어드 터보팬처럼 팬과 저압 터빈 사이에 감속 기어박스를 도입해 팬의 직경을 키우고 회전수를 줄이는 방식은 바이패스비를 극대화하여 터보프롭에 가까운 효율을 추구한다. 결국 두 엔진은 연속적인 발전 과정에 있으며, 애플리케이션에 따라 최적화된 형태가 선택된다.

터보팬 엔진의 가장 큰 장점은 우수한 연료 경제성이다. 동일한 연료 소비량으로 더 많은 공기 질량을 상대적으로 낮은 속도로 배출하여 높은 추력을 얻을 수 있다. 이는 특히 연비가 수익성에 직접적인 영향을 미치는 민간 항공 운송 산업에서 결정적인 이점으로 작용한다. 따라서 현대의 대부분의 제트 여객기와 화물기는 터보팬 엔진을 채택하고 있으며, 오래된 터보제트 엔진을 장착한 항공기도 경제성 향상을 위해 터보팬 엔진으로 교체하는 경우가 많다.

또한 터보팬 엔진은 소음 저감 효과가 뛰어나다. 터보제트 엔진의 고속 배기가스가 외부 공기와 만나 발생하는 강한 소음을, 저속의 바이패스 공기가 고온 배기가스를 둘러싸 완충함으로써 크게 줄여준다. 이는 공항 인근의 소음 문제를 완화하는 데 기여하며, 일부 최신형 고바이패스 엔진은 과도한 정숙성으로 인해 기체에서 발생하는 다른 소음이 두드러지는 현상까지 보고되기도 했다.

터보팬 엔진은 효율적인 냉각 효과도 제공한다. 연소되지 않은 비교적 저온의 바이패스 공기가 터빈과 노즐 주변의 고온 부품을 냉각하고, 최종 배기가스의 온도를 낮추는 역할을 한다. 이는 엔진 내구성 향상과 함께, 적외선 추적 미사일과 같은 열추적 무기에 대한 군용기의 생존성을 높이는 부가적 이점이 되기도 한다.

마지막으로, 터보팬 엔진은 설계에 따라 광범위한 운용 영역을 커버할 수 있다. 고바이패스비 엔진은 여객기나 수송기와 같이 장거리와 경제성이 중요한 기체에 적합하며, 저바이패스비 엔진은 고속 성능과 기동성이 요구되는 전투기에 주로 사용된다. 특히 군용 저바이패스 엔진의 경우, 바이패스 공기가 애프터버너에 추가 공기를 공급하여 연소 효율을 높이고 출력을 극대화하는 장점도 지닌다.

터보팬 엔진은 구조적 특성상 고속 비행 영역에서 추력 효율이 저하된다는 단점을 가진다. 이는 낮은 속도의 공기를 대량으로 배출하여 추력을 얻는 작동 원리 때문이다. 비행 속도가 증가하면 엔진 노즐을 떠나는 배기가스의 상대 속도가 줄어들어, 동일한 추력을 유지하기가 어려워진다. 따라서 초음속 비행이 요구되는 대부분의 전투기나 고속 군용기에는 바이패스비가 1.0 미만인 저바이패스 터보팬 엔진이 주로 사용된다.

엔진의 직경이 커져서 발생하는 문제도 있다. 높은 연비를 위해 팬의 크기를 키우면 엔진 전체의 직경이 증가한다. 이는 민간 여객기의 경우 착륙 시 엔진 카울이 활주로에 접촉할 위험을 높이며, 고속 기체 설계 시 공기역학적 항력을 증가시켜 설계에 제약을 준다. 또한 대형 엔진의 무게와 부피는 항공기 동체나 날개 하부에 탑재 공간을 확보하는 데 어려움을 초래한다.

구조가 복잡해지고 정비성이 낮아지는 점도 단점으로 꼽힌다. 터보제트 엔진의 코어에 거대한 팬과 이를 구동하기 위한 시스템이 추가되므로, 설계 및 제조 난이도가 상승한다. 특히 팬을 저압 터빈 축에 직결하거나 기어드 터보팬처럼 감속 기어박스를 도입할 경우, 부품 수가 증가하고 고장 가능성이 높아져 정비 간격이 짧아지고 유지보수 비용이 늘어날 수 있다.

고바이패스 엔진에서는 특정 출력 구간에서 소음이 발생하기도 한다. 팬 블레이드 끝단이 음속을 돌파할 때 생기는 공명 현상으로, 버즈소(Buzzsaw) 효과라 불리는 이 소음은 엔진 전방에서 특히 크게 들린다. 이는 공항 인근 소음 규제와 승객의 쾌적성 측면에서 지속적인 개선이 필요한 과제이다.