[소음] 항공기 엔진의 바이패스(Bypass)와 소음

 

 

항공기 엔진의 바이패스(bypass)와 소음의 관계에 대해 조사해봤다. (* 자체 조사 & 공부한 내용을 적은 것이라서 엄밀한 표현의 오류는 있을 수 있음. 양해바람.)

 

 

 

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1. 항공기 엔진 종류와 바이패스

 

요즘의 항공기 엔진은 크게 2가지 종류로 나눌 수 있다. 터보제트(Turbojet) 엔진과 터보팬(Turbofan) 엔진이다.

 

흡기구를 통해 유입된 공기를 압축하고, 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시킨 뒤, 배기구를 통해 배출하여 추진력을 얻는다는 점은 두 종류 엔진의 공통점이다. 차이점이 있다면, 터보제트 엔진은 엔진으로 유입되는 공기의 전부를 압축하여 활용하는 방식이고, 터보팬 엔진은 엔진으로 유입되는 공기의 일부만 압축하여 활용하고 나머지는 우회하여 흘려보내는 방식이다.

 

여기서, 공기를 엔진으로 유입시키지 않고 우회시키는 것을 항공기 엔진의 바이패스(Bypass)라고 한다. 터보제트엔진은 우회시키는 공기가 없으므로 바이패스 개념이 없다.

 

	터보제트 엔진 (Turbojet Engine)	터보팬 엔진 (Turbofan Engine)
공통점	공기를 유입하여 후방으로 배출하는 방식으로 추진력을 얻음 (흡기구로 공기 유입 → 압축기에서 공기를 압축 → 연소실에서 연료와 혼합 및 연소 → 배기구로 배출하여 추진)
차이점	엔진으로 유입되는 공기의 전부를 압축하는 방식	엔진으로 유입되는 공기의 일부만 압축하여 활용하고, 나머지 공기는 압축하지 않고 흘려보내는 방식
바이패스	없음	있음

 

 

 

 

 

2. 바이패스 비 (BPR, Bypass Ratio)

 

바이패스 비(BPR, Bypass Ratio)는 바이패스되는 공기의 양 대 압축되는(바이패스되지 않는) 공기의 양의 비를 의미한다. 터빈으로 들어가 압축되는 공기가 1이고, 바이패스되는 공기가 10이면, 그 엔진의 바이패스 비는 10 : 1 이라고 표시한다. 10 : 1 은 10 ÷ 1 로 계산하므로, 최종적으로 바이패스 비 값은 10 이라고 표시하기도 한다. 줄여서 BPR = 10 이런식으로 표시한다.

바이패스 비가 높다는 것은 엔진 내부로 들어가는 공기의 양이 적다는 것을 의미하며, 연소를 위해 압축공기와 혼합하는 연료의 양 또한 적다는 것을 의미한다. 따라서 같은 출력의 엔진이라도 바이패스 비가 높게끔 설계한 경우에는 연료 필요량이 적고 연비가 높다. 하지만, 바이패스 비를 높게 만들려면 엔진 단면적을 넓게 설계해야 하므로 비행 시 공기저항이 커져 고속비행에는 불리하게 되어 상대적으로 추력이 낮다고 보면 된다.

여기서, 엔진 단면적이 넓다는 것은 무슨 의미일까? 엔진으로 공기가 유입되는 곳은 흡기구(Air Intake)다. 흡기구의 단면적만큼 공기가 들어온다고 보면 된다. 흡기구 다음에는 공기를 압축시켜 연소시키는 터빈을 거치게 된다(이 부분을 코어 터빈이라고 부르기도 한다). 코어 터빈 단면적을 제외한 나머지 부분은 공기가 우회하여 통과하는 바이패스 공간이다. 바이패스 비가 높으려면 엔진 단면적 중 코어 터빈 단면적보다 바이패스 공간의 단면적이 훨씬 넓어야 한다. 바이패스 공간이 넓어지려면 흡기구의 단면적도 넓어져야 하고, 엔진 전체의 단면적도 당연히 넓어져야한다. 그래서 바이패스 비가 높다는 것은 엔진 단면적이 넓어진다(엔진이 대형화된다)는 것을 의미한다.

 

터보제트 공기흐름 개념도

 

고 바이패스 비(High Bypass Ratio) 터보팬 엔진 공기흐름 개념도

 

고 바이패스 비(High Bypass Ratio)의 터보팬 엔진은 연비가 좋기 때문에 주로 여객기나 수송기 등에 적합하고, 대략 BPR = 8 ~ 10 정도다. 저 바이패스 비(Low Bypass Ratio)의 터보팬 엔진은 추력이 좋기 때문에 주로 초음속 비행을 하는 전투기에 적합하고, 대략 BPR이 0.5 미만 으로 알려져 있다.

 

	높은 바이패스 비 (High Bypass Ratio)	낮은 바이패스 비 (Low Bypass Ratio)
연료 효율성 (연비)	높음	낮음
추력	낮음	높음
엔진 단면적	큼	작음
주요 적용 분야	여객기, 수송기 등	전투기 등
소음	작음	큼

 

 

 

 

 

3. 소음과 바이패스 비(BPR)

 

터보제트 엔진이나 저 바이패스(Low Bypass Ratio) 터보팬 엔진에서 발생하는 소음에 비하면, 고 바이패스(High Bypass Ratio) 터보팬의 소음은 상당히 낮은 수준이다. 연소실을 통과하는 공기의 양에 비해 바이패스되는 공기의 양을 늘리면 배기구에서 두 공기의 혼합이 증가되면서 배출 속도가 감소하게되고, 그 결과로 배출 소음이 상당히 감소하기 때문이다. (배기구의 공기 배출속도가 감소됨에 따라 소음도 감소한다는 점은, 복잡한 이론 대신, 가정에서 일반적으로 사용하는 선풍기만 봐도 이해가 된다. 미풍 보다는 강풍이 더 시끄럽다.)

항공기 엔진의 소음원은 압축기, 연소실 등 여러 가지가 있겠으나 가장 주요한 소음원으로 간주되는 것은 두 가지다. 흡입공기가 엔진 연소실을 통과하여 배기될 때의 ‘제트소음(jet noise, core noise)’과, 흡기구를 통해 공기가 유입될때와 엔진 연소실을 바이패스할 때의 ‘팬 소음(fan noise)’ 이다. 연구에 따르면, 바이패스 비가 증가할수록 제트소음과 팬소음 모두 감소하는 경향을 보인다. 팬 소음은 바이패스 비의 증가에 따라 완만하게 감소하지만, 제트소음은 급격하게 감소한다. 그래서 엔진의 바이패스 비가 일정 값 이상이 되면 제트소음 수준이 오히려 팬 소음보다 낮아져서, 결국 팬 소음이 가장 중요한 소음원이 된다. 연구 논문에서 제시한 그래프에 따르면 제트소음과 팬 소음이 교차하는 지점은 약 BPR = 4 부근인 것 같다. (※ 참고자료 3 참조)

 

참고자료3의 Figure 5 그림 발췌

 

 

 

팬 소음은 팬의 회전으로인해 발생하는 기계적 소음 및 흡기구 전부에서 발생하는 충격파 등에 의해서 발생하는 것으로, 팬이 존재하는 한 발생할 수 밖에 없는, 일종의 기저소음으로 볼 수 있는 것 같다. (물론, 팬 소음의 저감을 위해서도 벨마우스 등 여러 기술들이 적용된다.) 결국, 문제는 제트소음인데, 터보제트엔진이나 저바이패스 터보팬 엔진은 이 제트소음이 너무 크고, 고바이패스 터보팬 엔진은 제트소음이 감소하여 오히려 팬소음보다 낮아지기 때문에, 바이패스 비가 높아질수록 항공기 엔진의 소음은 감소한다는 말을 할 수 있는 것 같다.

한편, 항공기 엔진의 소음이 낮다는 것은 항공기 및 항공사에게는 대단히 중요한 일이다. 승객에게 노출되는 소음의 수준이 낮아지는 이점도 있겠지만, 무엇보다 비행기에서 발생하는 소음의 총량이 감소하면 소음 규제 법규를 만족하는 범위 내에서 더 많은 항공기를 수용할 수 있고, 그만큼 큰 공항이 도시 근처에 건설될 수도 있다는 뜻이기 때문이다.

 

 

 

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참고문헌

1. 엔진에게 관심을! . 제트엔진을 아십니까 (GE리포트 코리아)

2. Nicolas E. Antoine (2002) Optimizing Aircraft and Operations for Minimum Noise

3. Nicolas E. Antoine (2002) Aircraft Optimization for Minimal Environmental Impact

4. 위키피디아 : Bypass

 

 

 

끝.