(3) Superchargers and Turbosuperchargers

Superchargers and Turbosuperchargers

 

엔진 마력을 증가시키기 위해 제조업체들은 supercharger와 turbosupercharger라 불리는 과급(forced induction) 시스템을 개발하였다. 이 시스템들은 흡입 공기의 밀도를 높이기 위해 흡입 공기를 압축한다. 이 둘의 주요 차이점은 전원 장치에 있다. supercharger는 engine-driven air pump나 compressor를 사용하는 반면 turbocharger는 배기 흐름을 사용한다(배기 흐름은 turbine을 회전시키고 turbine은 compressor를 회전시킴). 이러한 시스템을 갖춘 항공기는 manifold pressure gauge(엔진 intake manifold의 MAP를 표시하는 계기)를 갖추고 있다.

 

해수면에서 표준 대기일 경우 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 공항에서는 manifold pressure gauge가 24.92＂Hg를 표시한다.

 

자연 흡기 항공기로 상승을 수행하면 항공기는 결국 정상 상승을 수행하기엔 MAP가 불충분한 고도에 도달한다. 이러한 고도 한계가 항공기의 service ceiling이며 이는 엔진의 출력 생산 능력으로부터 직접적으로 영향을 받는다. 엔진으로 유입되는 공기가 supercharger나 turbosupercharger에 의해 가압되는 경우에는 항공기의 service ceiling이 증가할 수 있다. 이러한 시스템을 통해 항공기는 더 높은 고도에서 더 높은 진대기속도로 비행할 수 있으며 악기상을 우회할 수 있는 능력이 증가된다.

 

Superchargers

 

supercharger는 엔진에 압축 공기를 공급하는 engine-driven air pump나 compressor로 이는 엔진이 출력을 더 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 엔진으로 현재 비행하는 대기압보다 높은 manifold 압력을 가질 수 없다. 허나 supercharger는 manifold 압력을 30＂Hg 이상으로 상승시킬 수 있다.

 

예를 들어 일반적인 엔진으로 8,000ft를 비행할 때 엔진은 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 압축해서 높은 고도에서도 해수면에서와 동일한 manifold 압력을 생성할 수 있게 해준다. 이를 통해 8,000ft MSL을 비행하는 엔진은 여전히 25＂Hg의 manifold 압력을 생성할 수 있다(반면 자연 흡기 엔진은 8,000ft MSL에서 22＂Hg만을 생성할 수 있다). supercharger는 높은 고도에서 특히 유용하다. supercharger는 대부분의 경우 해수면에서의 공기 밀도를 엔진에 공급할 수 있다.

 

supercharged induction system의 구성 요소는 자연 흡기 시스템과 유사하다(단, fuel metering device와 intake manifold 사이에 supercharger가 추가됨). supercharger는 기어 트레인(gear train)을 통해 한 가지 속도, 두 가지 속도, 혹은 다양한 속도로 작동한다. 또한 supercharger는 하나 이상의 stage를 가질 수 있으며 각 stage도 압력 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. sea-level supercharger는 모든 고도에서 하나의 gear-driven impeller를 통해 엔진 출력을 증가시킨다. sea-level supercharger의 단점은 고도가 높아질수록 출력 생산량이 감소한다는 것이다.

 

single-stage, single-speed superchargers는 고출력 성형 엔진(radial engines)에서 많이 발견된다. 이러한 supercharger는 air intake가 전방으로 향하도록 하여 흡입 계통이 램 공기를 최대한 활용할 수 있도록 한다. 흡입 공기는 배관을 통해 기화기(carburetor)로 전달되어 연료와 혼합된다. 연료-공기 혼합물은 supercharger(blow impeller)로 배관되어 바깥쪽으로 가속된다. 가속된 연료-공기 혼합물은 diffuser로 전달되며 여기서 속도 에너지가 압력 에너지로 교환된다. 압축된 고압 연료-공기 혼합물은 실린더로 전달된다.

 

제 2차 세계 대전 도중 개발된 성형 엔진들 중 single-stage, two-speed supercharger가 있다. 이러한 유형의 supercharger를 사용하면 하나의 impeller가 두 가지 속도로 작동 수 있다. 낮은 impeller 속도를 보통 low blower setting이라 부르고 높은 impeller 속도를 high blower setting이라 부른다. two-speed supercharger를 갖춘 엔진에서는 조종실의 레버나 스위치가 oil-operated clutch(supercharger 속도 전환 장치)를 작동시킨다.

 

보통 supercharger가 low blower position에 있을 때 이륙이 이루어진다. 이 상태에서 엔진은 ground-boosted engine처럼 작동하며 고도가 높아질수록 출력 생산량이 감소한다. 허나 항공기가 특정 고도에 도달하면 출력을 줄이고 supercharger control을 high blower position으로 전환한다. 그런 다음 throttle을 적절한 manifold pressure로 다시 설정한다. 이러한 유형의 supercharger를 갖춘 엔진을 altitude engine이라 부른다. [그림 7-14]

Turbosuperchargers

 

엔진 마력을 증가시키는 가장 효율적인 방법은 turbosupercharger(=turbocharger)를 사용하는 것이다. 엔진에 장착된 이 부스터는 엔진 배기가스를 통해 air compressor를 구동한다. 이는 고고도에서 출력을 증가시키기 위해 기화기나 연료 분사 시스템을 통해 엔진으로 유입되는 공기의 압력을 증가시키기 위함이다.

 

turbocharger를 사용하게 되면 gear-driven supercharger의 주요 단점(출력 증가를 위해 엔진 출력 생산량을 대량으로 사용하는 것)이 방지된다. 왜냐하면 turbocharger는 엔진의 배기가스에 의해 작동하기 때문이다. 즉, turbocharger는 뜨거운 배기가스로부터 에너지를 되찾는다.

 

turbocharger의 두 번째 장점은 해수면에서부터 임계 고도(critical altitude)까지 엔진의 정격 마력(rated horsepower)을 제어할 수 있다는 것이다. 임계 고도란 turbocharged engine이 정격 마력을 생산할 수 있는 최대 고도이다. 임계 고도 너머에서는 자연 흡기 엔진처럼 출력 생산량이 감소하기 시작한다.

 

turbocharger는 엔진의 흡입 공기 압력을 증가시켜서 엔진이 높은 고도에서도 해수면 마력 이상을 발휘할 수 있도록 만든다. turbocharger는 두 가지 주요 요소로 구성된다: compressor와 turbine. compressor 섹션에는 고속으로 회전하는 impeller가 있다. 흡입 공기가 유입되면 impeller가 공기를 가속하며 이로 인해 compressor housing으로 대량의 공기가 유도된다. impeller 덕분에 만들어진 고압 · 고밀도 공기는 엔진으로 공급된다. impeller를 회전시키기 위해 엔진 배기가스가 turbine wheel(impeller 구동축 반대쪽에 장착된 장치)을 구동한다. turbine으로 향하는 배기가스의 양을 변화시킴으로써 더 많은 에너지를 얻을 수 있으며 이로 인해 impeller가 더 많은 압축 공기를 엔진으로 전달할 수 있게 된다. waste gate란 turbine으로 유입되는 배기가스의 양을 변화시키는데 사용되는 나비형 밸브이다. 밸브가 닫히면 엔진에서 나오는 대부분의 배기가스가 turbine으로 향한다. 밸브가 열리면 배기가스가 엔진의 배기 파이프를 통해 직접 배출되어 turbine을 우회한다. [그림 7-15]

기체는 압축되면 온도가 상승하므로 turbocharging은 유입 공기의 온도를 상승시킨다. 온도를 낮추고 detonation 위험을 줄이기 위해 turbocharged engines는 보통 intercooler를 사용한다. 이 작은 열 교환기는 고온의 압축 공기가 연료 제어 장치로 들어가기 전에 외부 공기를 통해 냉각한다.

 

System Operation

 

최신 tubocharged engines의 경우 waste gate는 액추에이터에 연결된 pressure-sensing control 메커니즘에 의해 조절된다. 엔진 오일이 액추에이터로 유입되거나 액추에이터에서 빠져나가면 waste gate가 조절된다. 이러한 시스템에서는 throttle을 조절하기만 하여도 액추에이터가 특정 MAP를 생성하도록 자동으로 배치된다.

 

그 외의 turbocharging system에서는 waste gate를 조절하기 위해 별도의 manual control이 사용된다. manual control을 사용하는 경우에는 특정 MAP가 만들어졌는지 확인하기 위해 manifold pressure gauge를 면밀히 모니터링 해야 한다. 이러한 시스템들은 특별한 운영 고려사항을 필요로 한다. 예를 들어 높은 고도에서 하강한 후 waste gate를 닫은 상태로 두면 manifold pressure가 엔진의 한계를 초과할 수 있다. overboost라 불리는 이 상태는 심한 detonation을 일으킬 수 있다. 왜냐하면 하강 도중 공기의 밀도 증가로 인해 leaning effect가 발생하기 때문이다.

 

automatic waste gate system에서 overboost를 경험할 확률은 낮지만 그 가능성이 0인 것은 아니다. 엔진 오일 온도가 정상 운영 범위 미만인 상태에서 이륙 출력이 적용되면 차가운 오일이 waste gate 액추에이터로부터 빠르게 흘러나오지 못해서 overboost가 발생할 수 있다. maximum manifold pressure limit을 초과하지 않기 위해 throttle을 조심스럽게 전진시키면 overboost를 방지하는데 도움이 된다.

 

turbocharger 항공기의 조종사는 시스템의 제한 사항을 알고 있어야 한다. 예를 들어 turbine과 impeller는 극도로 높은 온도에서 80,000rpm 이상으로 작동할 수 있다. 높은 회전 속도를 달성하기 위해선 시스템 내 베어링에 엔진 오일이 지속적으로 공급되어야 한다. 이는 마찰력과 높은 온도를 줄이기 위함이다. 충분한 윤활을 위해선 높은 throttle이 적용되기 전에 오일 온도가 정상 운영 범위에 있어야 한다. 또한 엔진을 끄기 전에 turbocharger를 식히고 turbine이 느려지도록 만들어야 한다. 그렇지 않으면 bearing housing에 남아 있던 오일이 끓어서 베어링과 샤프트에 딱딱한 탄소 침전물이 형성된다. 이러한 침전물은 turbocharger의 효율성과 사용 수명을 급격히 저하시킨다. 자세한 제한 사항은 AFM/POH를 참조한다.

 

High Altitude Performance

 

turbocharging system을 갖춘 항공기로 상승을 수행하면 waste gate가 점진적으로 닫힌다. 이는 maximum allowable manifold pressure를 유지하기 위함이다. 어느 시점에서 waste gate는 완전히 닫히며 이후 고도가 더 증가하면 manifold pressure가 감소한다. 이는 항공기나 엔진 제조업체에 의해 설정된 임계 고도이다. 만약 임계 고도에 도달하기 전에 manifold pressure가 감소하기 시작한다면 엔진과 turbocharging system이 AMT(aviation maintenance technician)에 의해점검되어야 한다.