(13) Fuel Systems

Fuel Systems

 

연료 시스템은 깨끗한 연료가 연료 탱크에서 엔진까지 중단 없이 흐르도록 설계된다. 모든 출력 ∙ 고도 ∙ 자세 조건에서, 그리고 AFM에서 승인하는 모든 기동 도중 엔진이 연료를 사용할 수 있어야 한다. 소형 항공기의 연료 시스템은 보통 두 가지로 분류된다: gravity-feed system과 fuel-pump system.

 

Gravity-Feed System

 

gravity-feed system은 탱크로부터 엔진에 연료를 전달하기 위해 중력을 사용한다. 예를 들어 고익기에서는 연료 탱크가 날개에 설치된다. 이러한 배치로 인해 연료 탱크가 기화기 위에 위치하며 연료가 중력으로 인해 기화기로 공급된다. 항공기 설계로 인해 중력으로 연료를 전달할 수 없는 경우에는 fuel pumps가 설치된다. 예를 들어 저익기에서는 날개의 연료 탱크가 기화기 아래에 위치한다. [그림 7-30]

Fuel-Pump System

 

fuel-pump systems를 갖춘 항공기에는 두 개의 fuel pumps가 있다. main pump system은 엔진에 의해 구동되며 auxiliary pump(엔진 시동 시, 그리고 엔진 펌프 고장 시 사용되는 펌프)는 전기로 구동된다. auxiliary pump는 boost pump라고도 불리며 연료 시스템의 신뢰도를 더해준다. auxiliary pump는 조종실의 스위치에 의해 제어된다.

 

Fuel Primer

 

gravity-feed system과 fuel-pump system은 시스템에 fuel primer를 포함할 수 있다. fuel primer는 엔진 시동 전에 탱크에서 연료를 끌어와 실린더 내에서 직접 기화시킨다. 엔진 시동이 어려운 추운 날씨에는 fuel primer가 도움이 된다. 왜냐하면 기화기 내에 연료를 증발시킬 수 있는 열이 충분하지 않기 때문이다. primer를 사용하지 않을 때에는 primer를 고정하는 것이 중요하다. 만약 knob가 고정되지 않으면 비행 도중 진동으로 인해 제자리를 벗어날 수 있으며 그 결과로 연료-공기 혼합물이 과도하게 rich 해질 수 있다. overpriming을 방지하기 위해 항공기의 priming instructions를 확인한다.

(출처: AOPA)

Fuel Tanks

 

연료 탱크는 보통 날개의 안쪽에 위치한다. 날개 상단에 연료 주입구가 있으며 연료 주입구는 filler cap으로 덮인다.

 

탱크 내부의 기압을 유지하기 위해 탱크가 바깥으로 배관된다. 탱크는 filler cap을 통해, 혹은 날개 표면을 따라 연장된 관을 통해 배관될 수 있다. 연료 탱크는 overflow drain도 가지고 있다. 이 덕분에 연료가 온도 증가로 인해 팽창하여도 탱크에 손상을 주지 않는다. 만약 더운 날에 탱크가 가득 채워졌다면 overflow drain으로부터 연료가 나오는 것은 드문 일이 아니다.

 

Fuel Gauges

 

fuel quantity gauge는 각 연료 탱크의 측정 장치에서 측정한 연료량을 나타내며 이는 갤런이나 파운드 단위로 표시된다. 항공기 증명 규칙에 따라 fuel gauges는 “empty”만을 정확하게 지시하면 된다. 즉, 계기가 “empty” 이외의 값을 지시한다면 그 값이 정확한지 확인해야 한다. fuel quantity gauge의 정확도만을 의존하지 않는다. 비행 전 점검 도중 항상 각 탱크의 연료량을 육안으로 확인한 후 이를 해당 fuel quantity indication과 비교한다.

 

fuel pump가 연료 시스템에 설치되어 있다면 fuel pressure gauge도 설치된다. 이 계기는 연료 라인의 압력을 나타낸다. 정상 작동 압력은 AFM/POH를 통해, 혹은 계기의 color code를 통해 확인할 수 있다.

 

Fuel Selectors

 

fuel selector valve를 통해 다양한 탱크의 연료를 선택할 수 있다. selector valve에는 보통 네 가지 position이 있다: LEFT, RIGHT, BOTH, 그리고 OFF. LEFT나 RIGHT을 선택하면 해당 탱크로부터 연료를 공급받을 수 있다. 반면 BOTH를 선택하면 양쪽 탱크로부터 연료를 공급받을 수 있다. 각 연료 탱크에 남아 있는 연료의 균형을 맞추기 위해 LEFT나 RIGHT을 사용할 수 있다. [그림 7-31]

fuel placards는 연료 탱크에 대한 제한 사항을 보여준다(예를 들어 “level flight only” 및/혹은 “both” for landings and takeoffs).

 

항상 연료 소모량을 면밀히 확인하여 탱크의 연료가 완전히 고갈되지 않도록 해야 한다. 연료 탱크가 완전히 고갈되면 엔진이 정지한다. 또한 하나의 탱크로 장시간 비행하면 탱크 간 연료 부하가 불균형하게 된다. 탱크가 완전히 고갈되면 공기가 연료 시스템으로 유입되서 vapor lock이 발생할 수 있으며 이는 엔진 재시동을 어렵게 만든다.

(출처: 네이버 지식백과)

Fuel Strainers, Sumps, and Drains

 

연료는 기화기로 향하기 전에 strainer를 통과한다. strainer는 시스템 내의 수분과 그 외 침전물을 제거한다. 이러한 오염 물질은 항공 연료보다 무겁기 때문에 strainer assembly의 하단에 위치한 sump에 모인다. sump는 연료 시스템 및/혹은 연료 탱크에서 가장 낮은 지점이다. 연료 시스템은 sump, fuel strainer, 그리고 fuel tank drains를 포함할 수 있다.

 

매 비행 전에 fuel strainer를 drain 해야 한다. 연료 샘플을 drain한 다음 물과 오염물질이 있는지 육안으로 확인한다.

 

sump 내의 물은 매우 위험하다. 왜냐하면 날씨가 추워서 물이 얼면 연료 라인이 막힐 수 있기 때문이다. 날씨가 따뜻한 경우에는 물이 기화기로 흘러들어가서 엔진을 멈추게 할 수 있다. sump에 물이 있다면 연료 탱크에는 더 많은 물이 있을 수 있다. 따라서 물의 흔적이 없어질 때까지 drain을 수행한다. 연료 시스템에서 모든 물과 오염물질이 제거되기 전까지는 절대로 이륙하지 않는다.

 

연료 시스템은 다양하므로 특정 항공기에 적용되는 시스템을 완전히 숙지해야 한다. 특정 운영 절차는 AFM/POH를 참조한다.

 

Fuel Grades

 

AVGAS(aviation gasoline)은 옥탄가나 퍼포먼스 값(등급)으로 식별되며 이는 엔진 실린더 내 연료 혼합물의 antiknock value나 knock resistance를 나타낸다. 가솔린의 등급이 높을수록 연료가 detonation 없이 견딜 수 있는 압력이 증가한다. 낮은 등급의 연료는 lower-compression engines에서 사용된다. 왜냐하면 이러한 연료들은 더 낮은 온도에서 연소되기 때문이다. 높은 등급의 연료는 higher-compression engines에서 사용된다. 왜냐하면 이러한 연료들은 더 높은 온도에서 연소되기 때문이다. 적절한 연료 등급을 사용할 수 없는 경우에는 높은 연료 등급을 사용한다. 권장 연료 등급보다 낮은 연료 등급을 사용하지 않는다. 왜냐하면 이로 인해 cylinder head temperature와 engine oil temperature가 정상 작동 범위를 초과할 수 있으며 그 결과로 detonation이 발생할 수 있기 때문이다.

(출처: 네이버 지식백과)

(출처: 네이버 지식백과)

 

AVGAS의 등급은 다양하다. 특정 엔진에 맞는 연료 등급이 사용되도록 주의를 기울여야 한다. 올바른 연료 등급은 AFM/POH, placards, 그리고 filler caps 옆에 명시되어 있다. 항공기 엔진에 자동차 연료를 사용해서는 안 된다(단, FAA가 발부한 부가형식증명서로 개조된 항공기는 제외).

 

왕복 엔진 항공기의 연료는 옥탄가/퍼포먼스 값과 AVGAS라는 약어로 식별된다. 이러한 항공기는 AVGAS 80, 100, 그리고 100LL을 사용한다. AVGAS 100LL은 100과 동일한 성능을 발휘한다(“LL”은 납 함유량이 낮다는 것을 의미함). 터빈 엔진 항공기의 연료는 JET A, JET A-1, 그리고 JET B로 분류된다. 제트 연료는 기본적으로 등유이며 독특한 등유 냄새를 가지고 있다. 정확한 연료를 사용하는 것은 중요하므로 연료의 종류 및 등급을 식별하기 위해 염료가 첨가된다. [그림 7-32]

다양한 연료 취급 장비들과 데칼들도 색깔을 가진다. 예를 들어 모든 AVGAS는 빨간색 배경에 흰색 문자로 식별된다. 반면 제트 연료는 검은색 배경에 흰색 문자로 식별된다.

 

SAIB(Special Airworthiness Information Bulletin) NE-11-15에 따라 100VLL AVGAS를 항공기에서 이용할 수 있다. 100VLL은 80 ∙ 91 ∙ 100 ∙ 100LL의 성능 조건들을 모두 충족하고, 이러한 등급의 AVGAS에서 작동하도록 증명된 항공기들의 운영 한계를 충족하며, 기본적으로 100LL AVGAS와 동일하다. 100VLL의 납 함유량은 약 19% 감소했다. 100VLL도 100LL과 마찬가지로 파란색이여서 사실상 구분할 수 없다.

 

Fuel Contamination

 

연료 오염으로 인한 엔진 고장 사고는 보통 다음과 같은 경우에 발생하였다:

 

∙ 조종사의 비행 전 점검이 부적절한 경우.

 

∙ 작은 탱크나 드럼으로부터 부적절하게 여과된 연료를 항공기에 급유한 경우

 

∙ 항공기 연료 탱크를 가득 채우지 않고 보관한 경우

 

∙ 적절한 유지관리가 부족한 경우

 

fuel strainer quick drain과 각 tank sump로부터 연료를 drain 해야 하며 먼지와 물이 있는지 점검해야 한다. fuel strainer와 fuel tank가 연결되는 라인에서 연료가 모두 배출되기 전까지는 fuel strainer에서 탱크의 물이 나타나지 않을 수 있다. 따라서 연료가 탱크로부터 배출되고 있다는 것을 확신하기 전까지는 fuel strainer에서 충분히 drain을 수행해야 한다. 그 양은 fuel tank에서 fuel strainer까지의 연료 라인 길이에 따라 달라진다. 만약 첫 번째 drain 샘플에서 물이나 기타 오염물질이 발견되었다면 흔적이 나타나지 않을 때까지 drain을 수행한다.

 

fuel strainer에서 더 이상 물의 흔적이 나타나지 않는다 해도 연료 탱크에 물이 남아있을 수 있다. 이러한 남은 물은 fuel tank sump drain을 통해서만 제거될 수 있다.

 

물은 주된 연료 오염 물질이다. 연료 내에 떠다니는 물방울은 연료의 흐릿한 모습을 통해, 혹은 염색된 연료와 물이 명확하게 분리된 모습을 통해(이러한 조건은 물이 탱크 바닥에 가라앉은 후에 발생함) 확인할 수 있다. 안전을 위해 매 비행 전 점검 도중 fuel sumps를 drain 해야 한다.

 

연료 탱크는 매 비행 후에, 혹은 그 날의 마지막 비행 후에 채워져야 한다. 이는 탱크 내에 수분이 응축되는 것을 방지하기 위함이다. 연료 오염을 방지하기 위해 캔과 드럼을 통해 재급유를 수행하지 않는다.

 

외딴 지역에 있거나 비상 상황인 경우에는 오염 방지 시스템이 불충분한 공급원으로부터 연료를 채워야 할 수 있다. 섀미가죽과 깔때기가 연료를 여과할 수 있는 유일한 수단일 수도 있지만 이들을 사용하는 것은 위험하다. 섀미가죽을 사용한다 해서 항상 연료의 오염 제거가 보장되는 것은 아니다. 낡은 섀미가죽은 물을 여과하지 않으며 이미 물에 젖은 깨끗한 섀미가죽도 물을 여과하지 않는다. 대부분의 섀미가죽 모조품은 물을 여과하지 않는다.

 

Fuel System Icing

 

연료 시스템 내에 물이 존재하면 얼음이 형성될 수 있다. 이러한 물은 연료에 용해되거나 용해되지 않을 수 있다. 용해되지 않은 물(dissolved water)은 entrained water 상태로 존재할 수 있다. 이는 연료를 부유하는 미세한 물 입자들로 구성된다. entrained water는 free water의 기계적 교반으로 인해, 혹은 온도 감소로 인한 dissolved water의 전환으로 인해 발생할 수 있다. entrained water는 정적인 상태에서 시간이 지날수록 침전된다. entrained water가 free water로 전환되는 속도에 따라 drain이 되거나 되지 않을 수 있다. 보통 field conditions에서는 모든 entrained water가 연료로부터 분리될 가능성이 거의 없다. 침전되는 속도는 온도, 정적인 상태, 그리고 물방울의 크기 등 여러 요인에 의해 달라진다.

 

물방울의 크기는 형성 메커니즘에 따라 달라진다. 일반적으로 그 입자들은 육안으론 보이지 않을 정도로 작다. 허나 심한 경우에는 연료가 약간 흐려질 수 있다. 용액 내의 물은 제거될 수 없다(단, 온도 감소를 통해 entrained water로, 그 다음 free water로 전환하는 경우, 혹은 탈수를 하는 경우 제외).

 

undissolved water의 또 다른 조건은 free water이다. 이는 entrained water의 침전으로 인해, 혹은 재급유를 통해 도입될 수 있다. 일반적으로 free water는 탱크의 바닥에서 연료와 분리되어 쉽게 감지될 수 있는 상태로 존재한다. free water는 sump drains를 통해 fuel tank로부터 drain 될 수 있다. reservoir(예를 들어 fuel tanks와 fuel filter)의 바닥에서 동결된 free water는 water drains를 무용지물로 만들 수 있다. 이는 나중에 녹아서 물을 시스템으로 내보내 엔진 고장, 혹은 정지를 발생시킬 수 있다. 이러한 상황이 감지될 경우 항공기를 따뜻한 격납고에 두어 reservoir의 적절한 drain을 다시 수행할 수 있다. 그리고 비행 전에 모든 sumps와 drains를 활성화 및 점검해야 한다.

 

entrained water는 특정 시스템 내의 총 물 중 상대적으로 작은 부분을 구성한다. 용해되는 물의 양은 연료의 온도, 현재 압력, 그리고 연료의 수분 용해도 특성에 따라 달라진다. entrained water는 연료의 중간에서 동결되어 더 오래 부유하려는 경향이 있다. 왜냐하면 얼음의 비중이 AVGAS의 비중과 거의 같기 때문이다.

 

부유하는 물은 얼어서 빙정을 형성할 수 있다. 이는 fuel screens, strainers, 그리고 filters를 차단할 수 있을 정도로 클 수 있다. 이러한 물 중 일부는 연료가 기화기 공기 통로로 진입할 때 더 냉각될 수 있다. 이는 carburetor metering component의 착빙을 유발한다.

 

Prevention Procedures

 

AVGAS 내의 물과 얼음 문제를 방지하기 위한 수단으로 일부 항공기에 대해 anti-icing 첨가제를 사용하는 것이 승인되었다. 실험에 따르면 소량의 헥실렌 글리콜, 특정 메탄올 파생물, 그리고 EMGE(ethylene glycol mononethyl ether)를 사용할 경우 연료 시스템의 착빙이 억제된다. 이 실험은 EGME를 최대 0.15%의 체적 농도로 사용하였을 때 연료 시스템 착빙이 대부분의 운영 조건에서 상당히 억제됨을 나타냈다. 연료 내 첨가물의 농도는 매우 중요하다. 첨가제가 너무 적거나, 혹은 너무 많으면 첨가제의 효과가 현저하게 저하될 수 있다. anti-icing 첨가제가 결코 carburetor heat을 대체하지는 않음을 조종사는 인지해야 한다. 착빙이 발생하기 쉬운 대기 조건을 운영하는 경우에는 carburetor heat과 관련된 항공기 운영 지침을 항상 준수해야 한다.