(3) Turbocharging

Turbocharging

 

turbocharged engine을 통해 조종사는 높은 고도에서도 충분한 순항 출력을 유지할 수 있다. 높은 고도에서는 항력이 적어서 진대기속도가 빠르며 연료 절약 덕분에 항속거리가 증가한다. 또한 turbocharged engine의 융통성 덕분에 이는 터빈 엔진과는 달리 저고도에서도 연료 소모 증가 없이 비행할 수 있다. standard powerplant에 장착된 turbocharger는 엔진의 마력을 사용하지 않는다. turbocharger는 기계적으로 간단하며 일부 모델은 객실을 가압할 수도 있다.

 

turbocharger는 엔진으로 공급되는 공기의 압력과 밀도를 높이는 exhaust-driven device이다. 이는 두 개의 개별 구성 요소로 구성된다: compressor와 turbine(이 둘은 하나의 축으로 연결됨). 고고도 운영을 위해 compressor는 엔진에 가압 공기를 공급한다. compressor와 compressor housing은 induction air manifold와 ambient air intake의 사이에 있다. turbine과 turbine housing은 exhaust system의 일부로 이는 배기가스를 통해 compressor를 구동한다. [그림 12-9]

turbine은 특정 엔진에 대한 최대 허용치를 초과하는 manifold pressure를 생성할 수 있다. maximum allowable manifold pressure를 초과하지 않기 위해 bypass나 waste gate가 사용되며 이는 일부 배기가스를 바깥으로 우회시킨다.

 

waste gate의 position은 turbine의 산출량을 조절한다(즉, 엔진이 사용할 수 있는 압축 공기를 조절한다). waste gate가 닫히면 모든 배기가스가 turbine을 구동한다. waste gate가 열리면 배기가스의 일부가 exhaust bypass를 통해 turbine을 우회하며 exhaust pipe를 통해 바깥으로 배출된다.

 

waste gate actuator는 엔진 오일 압력에 의해 작동하는 spring-loaded piston이다. actuator는 waste gate의 position을 조정하며 이는 waste gate와 기계적으로 연결된다.

 

pressure controller는 turbocharger system의 제어 센터이다. pressure controller는 throttle이라는 하나의 제어 장치를 통해 turbocharging을 단순하게 만든다. 원하는 manifold pressure가 설정되었다면 사실상 고도 변화에 따른 throttle 조정이 필요하지 않다. controller는 다양한 고도에 대한 compressor 배출 조건을 감지한 다음 waste gate actuator로 공급되는 오일 압력을 제어해서 waste gate를 조정한다. 그 결과로 turbocharger는 throttle setting이 요구하는 manifold pressure를 유지한다.

 

Ground Boosting Versus Altitude Turbocharging

 

altitude turbocharging(때때로 “normalizing”이라 불림)은 maximum allowable sea level manifold pressure(보통 29 ~ 30＂Hg)를 특정 고도까지 유지하는 turbocharger를 통해 이루어진다. 이 특정 고도는 비행기 제조업체에서 지정하며 비행기의 critical altitude라 불린다. critical altitude 너머에서는 고도에 따라 manifold pressure가 감소한다. 반면 ground boosting은 비행 도중 29인치를 초과하는 manifold pressure가 사용되는 turbocharging이 적용된 것이다. ground boosting을 사용하는 비행기에서는 takeoff manifold pressures가 45＂Hg까지 올라갈 수 있다.

 

sea-level manifold pressure setting과 maximum rpm이 critical altitude까지 유지될 수 있다 해도 엔진이 sea-level power를 만들어내진 못할 수 있다. 왜냐하면 유입 공기는 압축에 의해 가열되기 때문에 밀도가 낮아지며 이는 엔진 출력을 저하시키기 때문이다. 특정 고도에서 동등한 마력 출력을 유지하기 위해선 turbocharging에 의해 유입 공기가 압축 및 가열되지 않을 때보다 manifold pressure가 다소 높아야 한다. 만약 시스템에 automatic density controller(엔진으로 향하는 공기 밀도를 일정하게 유지하기 위해 자동으로 waste gate를 조절하는 장치)가 내장되어 있다면 해수면 마력 출력과 거의 동일한 마력 출력을 얻을 수 있다.

 

Operating Characteristics

 

turbocharged engine에서는 출력 조절이 부드러워야 한다. 과도하거나 갑작스러운 throttle 조작은 over-boost 가능성을 높인다. 출력을 변경할 때에는 engine indications를 주의 깊게 모니터링 해야 한다.

 

waste gate가 열려 있을 때에는 엔진 rpm에 따른 manifold pressure 변화가 자연 흡기 엔진과 동일하게 나타난다. 즉, rpm이 증가하면 manifold pressure가 약간 감소하고 엔진 rpm이 감소하면 manifold pressure가 약간 증가한다. 허나 waste gate가 닫혀 있을 때에는 엔진 rpm에 따른 manifold pressure 변화가 자연 흡기 엔진과 반대로 나타난다. 엔진 rpm이 증가하면 manifold pressure가 증가하고 엔진 rpm이 감소하면 manifold pressure가 감소한다.

 

critical altitude 너머(waste gate가 닫힌 고도)에서 대기속도가 변화하면 그에 상응하는 manifold pressure 변화가 발생한다. 왜냐하면 대기속도 증가로 인해 높아진 램 공기 압력이 compressor에 의해 확대되어서 manifold pressure가 높아지기 때문이다. manifold pressure가 높아지면 엔진을 통과하는 공기의 양이 많아져서 turbine 속도가 높아지며 이는 결국 manifold pressure를 더 증가시킨다.

 

높은 고도에서는 aviation gasoline이 실린더에 도달하기 전에 기화되는 경향을 보인다. fuel tank와 engine-driven fuel pump 사이에서 이러한 현상이 발생한다면 탱크에 auxiliary positive pressure pump가 필요할 수 있다. engine-driven pumps는 연료를 끌어당기기 때문에 vapor lock이 발생하기 쉽다. boost pump는 양압을 제공하며 이는 연료를 밀어서 기화되려는 경향을 줄여준다.

 

Heat Management

 

turbocharged engines는 압력과 온도의 지속적인 모니터링을 통해 신중하게 작동되어야 한다. 특히 중요한 두 가지 온도는 다음과 같다: TIT(turbine inlet temperature)나 EGT(exhaust gas temperature), 그리고 cylinder head temperature. TIT limit이나 EGT limit은 turbocharger의 뜨거운 부분에 있는 부품들을 보호하기 위해 설정된다. 반면 cylinder head temperature limit은 엔진의 내부 부품들을 보호하기 위해 설정된다.

 

흡입 공기의 압축열로 인해 turbocharged engine은 nonturbocharged engine보다 더 높은 온도에서 작동한다. turbocharged engines는 높은 고도에서 운영되므로 냉각 효율이 떨어진다. 높은 고도에서는 공기 밀도가 낮으므로 냉각 효율이 떨어진다. 또한 공기 밀도가 낮을수록 compressor가 더 많이 작동한다. compressor turbine의 속도는 80,000 ~ 100,000 rpm에 이를 수 있으며 이는 엔진 작동 온도를 증가시킨다. 또한 turbocharged engines는 대부분의 시간 동안 높은 출력 설정에서 작동한다.

 

높은 열은 피스톤 엔진이 작동하는데 좋지 못하다. 높은 열이 누적되면 piston, ring, 그리고 cylinder head가 고장 날 수 있으며 그 외 부품들에 열응력을 가할 수 있다. 과도한 cylinder head temperature는 detonation으로 이어질 수 있으며 이는 결국 치명적인 엔진 고장으로 이어질 수 있다. turbocharged engines는 특히 열에 민감하다. turbocharger가 작동하기 위한 핵심 요소는 효과적인 열 관리이다.

 

manifold pressure gauge, tachometer, exhaust gas temperature/turbine inlet temperature gauge, 그리고 cylinder head temperature gauge를 통해 turbocharged engine의 상태를 모니터링 한다. throttle, propeller rpm, mixture, 그리고 cowl flaps를 통해 "heat system"을 관리한다. 특정 순항 출력에서 exhaust gas/TIT에 가장 영향을 미치는 제어 장치는 바로 mixture이다. throttle은 총 연료 흐름을 조절하는 반면 mixture는 연료-공기 비율을 조절한다. 즉, mixture가 온도를 제어한다.

 

이륙 후 상승 도중 온도 한계가 초과되는 것은 일반적으로 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 full rich mixture로 인해 excess fuel이 냉각을 수행하기 때문이다. 순항 도중 보통 power가 감소되고 mixture가 그에 따라 조정된다. 순항 상태에서는 엔진 출력이 더 낮음에도 불구하고 온도가 최대에 도달할 가능성이 높으므로 온도를 면밀히 모니터링 해야 한다. 허나 en route climb 도중 과열이 발생한 경우에는 cowl flaps를 완전히 열고 대기속도를 높여야 할 수 있다.

 

turbocharged engines는 자연 흡기 엔진보다 더 뜨거우므로 냉각 응력으로 인해 손상되기 더 쉽다. 하강 도중에는 출력을 점진적으로 줄이고 온도를 주의 깊게 모니터링 해야 한다. 하강 도중 landing gear를 연장하면 엔진 출력 설정을 높게 유지함과 동시에 대기 속도를 제어하는데 도움이 될 수 있다. 이는 조종사로 하여금 출력을 조금씩 줄일 수 있게 해주며 결국 엔진이 천천히 냉각되도록 해준다. 또한 낮은 출력 설정에서 엔진 러프니스를 없애기 위해 mixture를 약간 lean 해야 할 수 있다.

 

Turbocharger Failure

 

turbine exhaust system에서 발생하는 고온/고압으로 인해 turbocharger의 어떠한 오작동도 매우 신중하게 처리되어야 한다. turbocharger에 대한 제조업체의 권장 절차를 따라야 한다. 특히 turbocharger의 오작동 상황에서는 더더욱 그러하다. 만약 turbocharger 고장 시 취해야 할 조치가 제조업체의 절차에 충분히 설명되어있지 않다면 다음 절차를 사용한다.

 

Over-Boost Condition

 

throttle을 전진하는 도중 manifold pressure가 과도하게 상승하는 경우(waste gate의 결함으로 인해 발생할 수 있음):

 

∙ rpm/mixture 설정에 대한 maximum manifold pressure 미만으로 manifold pressure를 제한하기 위해 즉시 throttle을 부드럽게 줄여준다.

 

∙ 더 이상 over-boost 상태가 발생하지 않는 방식으로 엔진을 작동한다.

 

Low Manifold Pressure

 

이 상태는 사소한 고장으로 인해 발생할 수 있지만 심각한 배기 누출이 발생했을 가능성도 있으며 이는 잠재적으로 위험한 상황을 만들어낸다.

 

∙ engine failure procedures에 따라 엔진을 정지한다(단, 엔진을 계속 작동해야만 하는 더 큰 비상 상황이 존재하는 경우 제외).

 

∙ 엔진을 계속 작동해야 한다면 상황에 따라 요구되는 최저 출력 설정을 사용하고 실현 가능한대로 착륙한다.

 

turbocharger 오작동이 발생하였다면 이후에 반드시 정비를 받아야 한다.