1. 개요
영어: Turboshaft
독일어: Gasturbine[1]
기관 내부에서 연료를 연소시켜 그 폭발력으로 터빈을 돌려서 회전력을 얻는 가스터빈 형식의 내연기관이다.
2. 역사
터보샤프트 엔진은 원래는 보조 동력 장치(APU, auxiliary power unit)의 용도로 고안되었지만, 작으면서도 출력과 신뢰성이 높아서 회전익 항공기 엔진의 주력을 꿰차게 되었다. 터보샤프트 엔진은 헬리콥터의 엔진으로 인기가 높아 현대적인 헬리콥터라면 으레 터보샤프트 엔진을 탑재하게 되었다. 또한 폭발적인 출력을 요구하는 군용 함선에도 자주 사용되고 있다.여러 장점 때문에 한때 차세대 전차 엔진으로 각광받아 미국과 소련이 각각 차세대 주력 전차의 엔진으로 선정했으나 형편없는 연비같은 단점 또한 많기 때문에 대부분의 국가에서는 다시 디젤 엔진으로 돌아가고 있다.
물론 어디나 예외는 있어서, 미군은 여전히 M1 에이브람스 주력 전차의 엔진으로 터보샤프트 가스터빈 엔진을 고수하고 있는 중이다.
3. 작동원리
3.1. 터보프롭과의 차이점
일단 배기 가스의 폭발력을 회전 운동으로 전환하는 가스터빈 내연기관이라는 점에서는 터보프롭과 근본적으로 다를 것이 없다.다만 터보프롭은 프로펠러를 구동하는 동력축이 압축기 축과 직결되는 경우[2]와 별도의 파워 터빈이 프로펠러를 구동하는 경우[3]가 모두 존재하는 반면 터보샤프트는 거의 대부분 압축기용 터빈과 동력용 터빈이 기계적으로 이어져 있지 않은 프리 터빈 타입에 해당된다.
이 일러스트에서 보듯, 동력축 터빈과 압축기 터빈은 기계적으로 이어져 있지 않으며 따라서 각각 돌아갈 뿐이다.
연소실과 압축기가 직결되지 않은 특이한 형태의 터보샤프트 엔진인 앨리슨 250-C20J의 경우를 보자. 동력축인 녹색 축은 압축기용 터빈의 축인 검은색 축과 아예 별개의 것이다.
3.2. 특징
3.2.1. 장점
- 동력축 터빈과 압축기 터빈이 따로 떨어져 있기 때문에 감속기어의 기어비를 크게 해야 할 필요성 자체가 사라진다.
- 왕복엔진에 비해 기관의 소형화 및 대출력화가 가능해지면서도 진동이 적어 헬리콥터의 운용상 신뢰성을 비약적으로 향상시켰다.
- 고속운전이 가능하다.
- 윤활계통의 간소화 및 윤활유 소비량 저감을 실현 가능하다.
- 다양한 연료를 쓸 수 있다.[4]
- 빠르게 가속 가능하다.
- 시동이 빠르다.
- 동일 출력에서 피스톤 엔진보다 소음을 저감하기 쉽다. 터빈엔진의 소음은 고음이며, 고음대역은 흡수율이 높아 거리에 따라 감쇄가 빠르다. [5]
3.2.2. 단점
- 일반적인 엔진들에 비해 비싸다.
- 저속 및 대기상태에서의 연비가 상당히 나빠서 지상을 달리는 차량에는 대체로 적합하지 않다.[6] 그래서 가능하다면 저속 한정으로 디젤엔진 등 보조엔진을 부착하여 연비를 줄이는 경우가 많다.[7] 당연하지만 엔진이 2개 달리는 것이므로 설계도 더 복잡해지고 신뢰도 또한 떨어진다.
- 왕복엔진보다 대응의 신속성이 떨어진다. 즉 출력 레벨이 큰 폭으로 변해야 하는 경우나, 시동직후 풀가동 상태까지의 소요시간이 길거나 하는 문제가 있다.
- 사막 등 이물질이 많이 들어오는 환경에선 터빈 손상이 쉬워 정비요소가 늘어난다.
4. 적용분야
4.1. 선박
- PA2
- 42형 구축함
- 45형 구축함
- 공고급 구축함
- 세종대왕급 구축함
- 슬라바급 순양함
- 우달로이급 구축함
- 아메리카급 강습상륙함
- 아타고급 구축함
- 알레이 버크급 구축함
- 와스프급 강습상륙함 8번함 매킨 아일랜드
- 인빈시블급 항공모함
- 작센급 호위함
- 줌왈트급 구축함
- 퀸 엘리자베스급 항공모함
- 타이콘데로가급 순양함
- 휴우가급 헬리콥터구축함
4.2. 육상차량
4.3. 철도차량
- TGV 001
- 유니온 퍼시픽 GTELs
- 일본국유철도 키하 391계 시작형 가스터빈 동력분산식 열차
- 일본국유철도 키하 07형 기동차 901번 개조차
4.4. 항공기
4.4.1. 원심식
4.4.2. 축류식
4.5. 화력발전
- 대다수의 미국 민수용 가정용 비상발전기가 터보샤프트 방식으로 구동됨.
- 대다수의 LNG 가스 화력발전소는 LNG를 터보샤프트 기관에서 연소하여 발전기를 구동한다. 낮은 열효율은 재열 사이클 또는 복합 사이클과 같은 수단으로 해결가능하며, LNG 연료의 특성상 주거지역에 가깝게 설치할 수 있으므로 폐열을 가정용 난방/온수 공급에 활용하는 열병합발전소로도 사용가능하다.
5. 터보샤프트 엔진 제작회사
- 지멘스
- MTU
- 가와사키
- 라이커밍
- 롤스로이스 - 앨리슨을 합병하여 북미지사로 재편.
- 제네럴 일렉트릭
- 안살도 에너지
- 터보메카
- 프랫&휘트니 캐나다
- 하니웰
- 이브첸코-프로그레스
- 클리모프 - 국내에서도 세계 2위 수준으로 쓰는 카모프 Ka-27 계통이나[8] 한국경찰에 민수형으로 2기 들어와 있는 기종이자 전세계에서 가장 많이 생산된 Mi-8[9]과 Mi-24 등에 들어가는 TV3-117 계열의 제작사다.
- 두산에너빌리티
6. 관련 문서
7. 참고 링크
[1] 독일어에서는 터보샤프트와 가스터빈을 모두 Gasturbine라는 한 용어로 뭉뚱그려서 지칭하기도 한다.[2] '싱글 샤프트 터보프롭'이라고 한다. 예시로는 앨리슨 T56이 있다. 터보압축기와 프로펠러의 회전속도 차이를 유지하기 위해 기어박스가 필수이다.[3] '프리 터빈 터보프롭'이라고 하며 프랫 앤 휘트니 PT6A와 같은 터보프롭 엔진이 여기에 속한다[4] 실제로 미군의 M1 에이브람스는 터보샤프트 엔진을 쓰는데, 주로 쓰는 연료는 JP-8 항공유지만 디젤, 휘발유는 물론이고 보드카나 향수를 넣어도 작동이 된다. 그리고 이 기능 덕분에 혼유 문제가 발생하지 않는다. 다만 보드카나 향수 같은 건 어디까지나 "가능"하다는 정도다.[5] 그래서 M1 에이브람스의 엔진은 기존의 디젤 피스톤엔진과 다르게 제트엔진 비슷한 소리가 나는데, 이로 인해 승무원들은 이를 죽음의 속삭임이라 부른다.[6] 그래서 M1 에이브람스는 개떡같은 연비 문제 때문에 한동안 난항을 겪게 되었다. 물론 미군은 그냥 연료(그것도 일반연료도 아닌 항공용에 쓰이는 고급휘발유다. 미국의 보급능력을 잘 보여주는 예시.)를 많이 넣는 것으로 해결.[7] 대표적인 예시가 유니온 퍼시픽 사의 기관차 UP GTELs. 저출력때 너무 떨어지는 연료효율로 인해 역 내에서 초저속으로 움직일 경우 따로 디젤엔진을 사용하였으며 이마저도 너무 비싸서 중유, 그것도 벙커C유(!)를 집어넣고 다녔다(...) 물론 벙커C유처럼 잘 들러붙거나 끈적한 기름의 경우 엔진정비가 심히 힘들다는 단점이 있지만 상대적으로 엔진이 큰 만큼 정비와 청소가 쉽다는 점과 잦은 정비작업으로 해결하였으며지만 정비효율이 너무 개떡인데다 엔진마모 등이 심각해지고 오일쇼크까지 터지면서 빠르게 퇴역한다.[8] 이 기종 덕에 이 회사의 대표작 TV3-117이 국내에 대량으로 들어와 있기에 우리나라에게 있어서 이 엔진은 휴이와 코브라에 달린 라이커밍 엔진처럼 친숙하다.[9] Mi-172가 Mi-8의 개량형 Mi-17의 민수형이다.