(3) Superchargers and Turbosuperchargers

Superchargers and Turbosuperchargers

 

엔진 마력을 증가시키기 위해 제조업체들은 supercharger, 그리고 turbosupercharger systems라 불리는 강제 흡입 계통을 개발하였다. 이들은 흡입 공기의 밀도를 높이기 위해 흡입 공기를 압축한다. 주요 차이점은 전원 장치에 있다. supercharger는 engine-driven air pump, 혹은 compressor에 의존한다. 반면 turbocharger는 turbine(이는 compressor를 회전시킴)을 통과하여 흐르는 배기 흐름으로부터 전원을 얻는다. 이러한 시스템을 갖춘 항공기는 manifold pressure gauge(엔진 intake manifold 내의 MAP를 표시)를 갖추고 있다.

 

해수면에서 표준 대기일 때 manifold pressure gauge는 주변 공기의 절대압력(29.92＂Hg)을 표시한다. 대기압은 고도가 1,000ft 증가할 때마다 약 1＂Hg씩 감소한다. 따라서 해발 5,000ft에 놓인 공항에서 manifold pressure gauge는 24.92＂Hg를 나타낸다.

 

자연 흡기 항공기가 상승할 경우 이는 결국 정상 상승을 수행하기엔 MAP가 불충분한 고도에 도달한다. 이러한 고도 한계가 항공기의 service ceiling이라 알려져 있다. 이는 엔진의 출력 생산 능력에 직접적인 영향을 받는다. 엔진으로 유입되는 공기가 supercharger, 혹은 turbosupercharger에 의해 가압되는 경우 항공기의 service ceiling이 증가할 수 있다. 이러한 시스템을 통해 항공기는 더 높은 고도에서 더 높은 진대기속도로 비행할 수 있다. 또한 악기상을 우회할 수 있는 능력이 증가한다.

 

Superchargers

 

supercharger는 엔진에 압축 공기를 공급하는 engine-driven air pump, 혹은 compressor이다. 이는 엔진이 추가 출력을 생성할 수 있도록 흡입 공기에 추가 압력을 제공한다. supercharger는 manifold pressure를 증가시키며 연료-공기 혼합물을 실린더 안으로 밀어 넣는다. manifold 압력이 증가하면 연료-공기 혼합물의 밀도가 증가하며 엔진이 생산할 수 있는 출력이 증가한다. 자연 흡기 엔진의 경우 현재 존재하는 대기압보다 높은 manifold 압력을 가질 수 없다. supercharger는 manifold 압력을 30＂Hg 이상으로 상승시킬 수 있다.

 

예를 들어 일반적인 엔진이 8,000ft에 있는 경우 평균 해수면(MSL)에서 생산할 수 있는 출력의 75%를 만들어낼 수 있다. 왜냐하면 높은 고도에서는 공기 밀도가 낮기 때문이다. supercharger는 공기를 더 높은 밀도로 압축한다. 이는 높은 고도에 있어도 해수면에서 생성할 수 있는 것과 동일한 manifold 압력을 생성할 수 있도록 해준다. 따라서 8,000ft MSL에 놓인 엔진이 여전히 25＂Hg의 manifold 압력을 생성할 수 있다(반면 자연 흡기 엔진은 22＂Hg만을 생성할 수 있다). supercharger는 높은 고도에서 특히 유용하다. supercharger를 사용하면 대부분의 경우 해수면과 동일한 밀도로 엔진에 공기를 공급할 수 있다.

 

supercharged induction system의 구성 요소는 자연 흡기 시스템과 유사하다(단, fuel metering device와 intake manifold 사이에 supercharger가 추가됨). supercharger는 gear train을 통해 한 가지 속도, 두 가지 속도, 혹은 다양한 속도에서 엔진을 통해 구동된다. 또한 supercharger는 하나 이상의 단계를 가질 수 있다. 각 단계 또한 압력의 증가를 제공한다. supercharger는 압축이 발생하는 횟수에 따라 single stage, two stage, 혹은 multistage로 분류될 수 있다.

 

초기의 single-stage, single-speed supercharger는 sea-level supercharger라 할 수 있다. 이러한 유형의 supercharger를 장비한 엔진을 sea-level engine이라 부른다. 이러한 유형의 supercharger는 모든 고도에서 하나의 gear-driven impeller를 사용하여 엔진 출력을 증가시킨다. 이러한 supercharger의 단점은 고도가 증가함에 따라 엔진 power output이 감소한다는 것이다.

 

single-stage, single-speed superchargers는 고출력 radial engines에서 많이 발견된다. 이는 air intake가 전방을 향하도록 하여 흡입 계통이 램 공기를 최대한 활용할 수 있도록 한다. 흡입 공기는 배관을 통해 기화기(연료가 공기 흐름에 비례하여 계량되는 곳)로 전달된다. 연료-공기 혼합물은 supercharger, 혹은 blower impeller로 배관되어 바깥쪽으로 가속된다. 가속된 이후 연료-공기 혼합물은 diffuser(공기 속도가 압력 에너지로 교환되는 곳)를 통과한다. 압축 후 형성된 고압의 연료-공기 혼합물은 실린더로 향한다.

 

제 2차 세계 대전 도중 개발된 radial engines 중 일부로는 single-stage, two-speed supercharger가 있다. 이 유형의 supercharger를 사용하면 하나의 impeller를 두 가지 속도로 작동할 수 있다. 낮은 impeller 속도를 종종 low blower setting이라 부른다. 반면 높은 impeller 속도를 high blower setting이라 부른다. two-speed supercharger를 장비한 엔진의 경우 조종실의 레버(혹은 스위치)가 oil-operated clutch(하나의 속도를 다른 속도로 전환시키는 장치)를 작동시킨다.

 

정상 운영 도중 supercharger가 low blower position에 있을 때 이륙이 이루어진다. 이 상태에서 엔진은 ground-boosted engine처럼 작동하여 항공기 고도가 증가함에 따라 power output이 감소한다. 그러나 항공기가 특정 고도에 도달하면 출력이 감소한다. 조종사는 supercharger control을 high blower position으로 전환하면 throttle이 적절한 manifold pressure로 재설정된다. 이러한 유형의 supercharger가 장착된 엔진을 altitude engine이라 부른다. [그림 7-14]

Turbosuperchargers

 

엔진 마력을 증가시키는 가장 효율적인 방법은 turbosupercharger, 혹은 turbocharger를 사용하는 것이다. 엔진에 장착된 이 부스터는 엔진의 배기가스를 사용하여 air compressor를 구동한다. 이는 기화기, 혹은 연료 분사 시스템을 통해 엔진으로 유입되는 공기의 압력을 증가시켜서 높은 고도에서의 출력을 증가시키기 위함이다.

 

gear-driven supercharger의 주요 단점(출력 증가를 위해 엔진 power output을 대량으로 사용하는 것)은 turbocharger를 사용할 경우 방지된다. 왜냐하면 turbocharger는 엔진의 배기가스에 의해 작동하기 때문이다. 즉, turbocharger는 뜨거운 배기가스로부터 에너지를 되찾는다.

 

turbocharger의 두 번째 장점은 엔진의 해수면 정격 마력을 해수면으로부터 critical altitude까지 제어할 수 있다는 것이다. critical altitude는 turbocharged engine이 정격 마력을 낼 수 있는 최대 고도이다. critical altitude를 초과할 경우 자연 흡기 엔진처럼 출력이 감소하기 시작한다.

 

turbocharger는 엔진의 흡입 공기 압력을 증가시켜서 엔진이 높은 고도에서도 해수면 마력을, 혹은 더 높은 마력을 발휘할 수 있도록 만든다. turbocharger는 두 가지 주요 요소로 구성된다: compressor와 turbine. compressor에는 고속으로 회전하는 impeller가 있다. 흡입 공기가 impeller blade를 가로질러 진입되면 impeller가 공기를 가속한다. 이는 compressor housing 내로 대량의 공기가 유입되도록 만든다. impeller의 작용 결과 고압의 고밀도 공기가 생성되어 엔진으로 공급된다. 엔진의 배기가스는 turbine wheel(impeller의 구동축 반대쪽 끝에 장착된 것)을 구동하여 impeller를 회전시킨다. turbine을 흐르는 배기가스의 양을 변화시킴으로써 더 많은 에너지를 추출할 수 있다. 이는 impeller가 더 많은 압축 공기를 엔진으로 전달하게 해준다. waste gate는 turbine으로 유입되는 배기가스의 양을 변화시키는데 사용된다. 이는 기본적으로 배기 시스템에 장착된 나비형 밸브이다. 밸브가 닫히면 엔진에서 나오는 대부분의 배기가스가 turbine을 통해 흐른다. 밸브가 열리면 배기가스가 엔진의 배기 파이프를 통해 직접 배출되어 turbine을 우회할 수 있다. [그림 7-15]

가스가 압축되면 온도가 상승한다. 따라서 turbocharging은 유입 공기의 온도를 상승시킨다. 이러한 온도를 낮추기 위해, 그리고 detonation의 위험을 낮추기 위해 많은 turbocharged engines가 intercooler를 사용한다. 이 작은 열 교환기는 고온의 압축 공기가 연료 계량 장치로 들어가기 전에 외부 공기로 냉각한다.

 

System Operation

 

최신 tubocharged engines의 경우 waste gate position은 액추에이터에 연결된 pressure-sensing control 메커니즘에 의해 조절된다. 엔진 오일이 액추에이터로 유입되거나, 혹은 엔진 오일이 액추에이터에서 빠져나감으로써 waste gate position이 움직인다. 이러한 시스템에서 액추에이터는 조종사가 설정한 MAP를 생성하도록 자동으로 배치된다.

 

그 외의 turbocharging system은 waste gate position을 제어하기 위해 별도의 manual control를 사용한다. manual control을 사용하는 경우 원하는 MAP에 도달하였는지 확인하기 위하여 manifold pressure gauge를 면밀히 모니터링 해야 한다. 이러한 시스템들은 특별한 운영 고려사항을 필요로 한다. 예를 들어 높은 고도에서 하강한 후 waste gate를 닫힌 상태로 두면 엔진의 한계를 초과하는 manifold pressure가 발생할 수 있다. overboost라 불리는 이 상태는 심한 detonation을 일으킬 수 있다. 왜냐하면 하강 도중 공기 밀도 증가로 인한 leaning effect 때문이다.

 

자동 waste gate system이 overboost 상태를 경험할 가능성은 낮다(허나 그 가능성이 0%는 아님). 엔진 오일 온도가 정상 운영 범위 미만인 상태에서 takeoff power가 적용되면 차가운 오일이 waste gate 액추에이터를 빠르게 흘러나오지 못하여 overboost가 발생할 수 있다. maximum manifold pressure limit을 초과하지 않기 위해 throttle을 조심스럽게 전진시킬 경우 overboost를 방지하는데 도움이 된다.

 

turbocharger가 장착된 항공기를 조종하는 조종사는 시스템의 제한 사항을 알고 있어야 한다. 예를 들어 turbocharger turbine 및 impeller는 극도로 높은 온도에서 80,000rpm 이상으로 작동할 수 있다. 높은 회전 속도를 달성하기 위해선 시스템 내의 bearings에 엔진 오일이 지속적으로 공급되어야 한다. 이는 마찰력, 그리고 고온을 줄이기 위함이다. 높은 throttle 설정을 적용하기 전에 충분한 윤활을 얻기 위해선 오일 온도가 정상 운영 범위에 있어야 한다. 또한 엔진을 끄기 전에 turbocharger를 식히고 turbine이 느려지도록 해준다. 그렇지 않으면 bearing housing에 남아 있는 오일이 끓어 bearings와 shaft에 딱딱한 탄소 침전물이 형성된다. 이러한 침전물은 turbocharger의 효율성, 그리고 사용 수명을 급격히 저하시킨다. 자세한 제한 사항은 AFM/POH를 참조한다.

 

High Altitude Performance

 

turbocharging system을 갖춘 항공기는 상승함에 따라 waste gate가 점진적으로 닫힌다. 이는 maximum allowable manifold pressure를 유지하기 위함이다. 어느 시점에서 waste gate는 완전히 닫힌다. 이후 고도가 더 증가하면 manifold pressure가 감소한다. 이는 항공기, 혹은 엔진 제조업체가 설정한 critical altitude이다. 만약 특정 critical altitude 이전에 manifold pressure가 감소하기 시작할 경우 시스템이 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 엔진 및 turbocharging system을 점검해야 한다. 이는 자격을 갖춘 AMT(aviation maintenance technician)에 의해 수행된다.