외골격계 엔진

외골격계 엔진(ESE)은 터보모자 설계의 개념이다.현재의 가스 터빈 엔진은 중심 회전축과 팬 디스케이스를 가지고 있으며 대부분 중금속으로 만들어진다.그것들은 윤활된 베어링을 필요로 하고 뜨거운 구성품을 위한 광범위한 냉각이 필요하다.또한 로터 단계 전체를 쓸어버릴 수 있는 심각한 불균형(또는 진동)에 노출되고, 높은 인장 부하로 인한 디스크 버스트로 인해 고주기와 저주기의 피로가 발생하기 쉬우며, 그로 인해 무거운 격납 장치가 필요하다.^[1]이러한 한계를 해결하기 위해, EESE 개념은 기존의 구성을 바깥쪽으로 돌리고 회전하는 드럼의 내부에 회전자 블레이드를 샤프트와 디스크에서 바깥쪽으로 방사상으로 연결하는 대신 회전하는 드럼형 로터 설계를 활용한다.다중 드럼 로터는 다중 스풀 설계에서 사용할 수 있다.

디자인

기본적으로 EESE 드럼-로터 구성은 일반적으로 4개의 동심 오픈 엔드 드럼 또는 쉘로 구성된다.

• 드럼통 셸의 베어링을 지지하고 구속하는 외부 셸(엔진 케이스)
• 베어링 내부에서 회전하고 압축기 및 터빈 블레이드를 운반하는 드럼-쉘,
• 가이드 베인을 지지하는 정적 스테이터 쉘,
• 엔진 중앙을 통과하는 유로를 제공하는 속이 빈 정적 내부 ^[1]쉘

EESE 설계에서 회전날개는 주로 방사형 장력과는 반대로 방사형 압축에 있으며, 이는 세라믹 재료와 같이 높은 수축력을 가지지 않는 재료는 그 구조에 사용할 수 있다는 것을 의미한다.세라믹스는 부서지기 쉬운 골절이 최소화된 압축 부하 상황에서 잘 작동하며, 일반적으로 터보머키모터 부품에 사용되는 금속 합금에 비해 높은 작동 온도와 가벼운 엔진 중량을 통해 더 높은 작동 효율을 제공한다.또한 EESE 설계와 복합 재료의 사용은 부품 수를 줄이고, 냉각을 줄이거나 제거하며, 부품의 수명을 증가시킬 수 있다.^[2]세라믹의 사용은 높은 정체 온도가 전통적인 터보모자 물질의 한계를 초과할 수 있는 극초음속 추진 시스템에도 이로운 특징이 될 것이다.

내부 껍질 안의 충치는 여러 가지 다른 방법으로 이용될 수 있다.아음속 애플리케이션에서, 자유 스트림 흐름으로 중심 공동을 방출하는 것은 잠재적으로 큰 소음 감소의 원인이 될 수 있는 반면, 초음속 고음속 애플리케이션에서는 터빈 기반 복합 사이클 엔진의 일부로 램젯 또는 스크램제트(또는 펄스 폭발 엔진과 같은 기타 장치)를 장착하는 데 사용될 수 있다.그러한 배치는 추진 시스템의 전체 길이를 줄일 수 있고, 따라서 중량을 줄이고 상당히 끌 수 있다.^[1]

요약된 잠재적 이점

Chamis 및 Blankson 출처:^[1]

과제들

ESE에서 발생하는 속도의 크기를 처리할 수 있는 알려진 윤활 시스템이 없기 때문에 베어링 설계가 주요 과제 중 하나이다. 이 문제에 대한 가능한 해결책으로 호일 및 자기 베어링이 제안되었다.

• 포일 베어링은 비접촉식이며 회전속도에 의해 수역학적으로 생성되는 얇은 공기막에 올라타 샤프트를 매달고 중심을 맞춘다.포일 시스템의 단점에는 높은 시동 토크, 하향/하강 기계 베어링 및 관련 위치 고정 하드웨어의 필요성, 이 시스템에 의해 발생하는 고온이 포함된다.
• ESE에 필요한 직경이 큰 자기 베어링 시스템의 경우 스핀업 후 강성 및 방사형 성장이 발생할 수 있는 문제들이다.충분한 크기의 방사상 증가는 안정성 문제를 야기할 수 있으며, 시스템 작동을 위해 적절한 간격을 유지하기 위해 자석극 위치결정 시스템이 필요할 수 있다.이 포지셔닝 시스템은 고속 감지 및 포지셔닝을 필요로 한다.수동형 자기 라미네이트와 그 장착 하드웨어는 극도로 높은 관성력에 저항하기 위해 높은 구조적 무결성을 필요로 하며, 대부분의 경우 중량의 증가를 유발할 수 있다.^[2]

비록 두 베어링 시스템이 이론적으로 외골격계 적용 요건을 충족하지만, 두 기술 모두 현재 실제 크기로 작동할 준비가 되어 있지 않다.포일 베어링 기술의 발전은 이 직경의 포일 베어링을 달성하는 데 20년이 걸릴 수 있음을 나타내며, 자석 베어링은 이 애플리케이션에 너무 무거운 것으로 보이며 또한 긴 기술 개발 프로그램에 직면하게 될 것이다.^[2]

참조