(3) Turbocharging

Turbocharging

 

turbocharged engine을 통해 조종사는 높은 고도(적은 항력)에서 충분한 순항 출력을 유지할 수 있다. 즉, 진대기속도가 빠르며 연료 절약 덕분에 항속거리가 증가한다. 동시에 powerplant의 융통성 덕분에 저고도에서도 연료 소모 증가 없이 비행할 수 있다. standard powerplant에 부착된 turbocharger는 엔진이 작동할 마력을 전혀 사용하지 않는다. turbocharger는 비교적 기계적으로 간단하다. 일부 모델은 객실을 가압할 수도 있다.

 

turbocharger는 엔진으로 공급되는 유입 공기의 압력 및 밀도를 높이는 exhaust-driven device이다. 이는 두 개의 개별 구성 요소로 구성된다: compressor, 그리고 turbine(이 둘은 하나의 축으로 연결됨). compressor는 고고도 운영을 위해 엔진에 가압된 공기를 공급한다. compressor와 그 housing은 induction air manifold와 ambient air intake의 사이에 있다. turbine과 그 housing은 exhaust system의 일부이다. 이는 배기가스의 흐름을 사용하여 compressor를 구동한다. [그림 12-9]

 

turbine은 특정 엔진에 대한 최대 허용치를 초과하는 manifold pressure를 생성할 수 있다. maximum allowable manifold pressure를 초과하지 않기 위해 bypass, 혹은 waste gate가 사용된다. 이를 통해 일부 배기가스는 turbine을 통과하기 전에 바깥으로 우회된다.

 

waste gate의 position은 turbine의 출력을 조절한다. 즉, 엔진이 사용할 수 있는 압축 공기를 조절한다. waste gate가 닫히면 모든 배기가스가 turbine을 구동한다. waste gate가 열리면 배기가스의 일부는 exhaust bypass를 지나 exhaust pipe를 통해 배기된다.

 

waste gate actuator는 엔진 오일 압력에 의해 작동하는 spring-loaded piston이다. waste gate의 position을 조정하는 actuator는 기계적 결합을 통해 waste gate와 연결된다.

 

turbocharger system의 제어부는 pressure controller이다. 이 장치는 turbocharging을 하나의 제어 장치(throttle)로 단순화한다. 원하는 manifold pressure가 설정되었다면 고도 변화에 따른 throttle 조정이 필요하지 않다. controller는 다양한 고도에 대한 compressor 배출 조건을 감지한다. 그리고 waste gate actuator로 공급되는 오일 압력을 제어함으로써 waste gate를 조정한다. 따라서 turbocharger는 throttle setting에서 필요로 하는 manifold pressure를 유지한다.

 

Ground Boosting Versus Altitude Turbocharging

 

altitude turbocharging(때때로 “normalizing”이라 불림)은 maximum allowable sea level manifold pressure(일반적으로 29 ~ 30＂Hg)를 특정 고도까지 유지하는 turbocharger를 사용함으로써 이루어진다. 이 특정 고도는 비행기 제조업체에서 지정되며 비행기의 critical altitude라 불린다. critical altitude 너머에서는 고도가 증가함에 따라 manifold pressure가 감소한다. 반면 ground boosting은 비행 도중 29인치의 표준 manifold pressure 이상이 사용되는 turbocharging을 적용한 것이다. ground boosting을 사용하는 비행기에서 takeoff manifold pressures가 45＂Hg까지 올라갈 수 있다.

 

sea-level manifold pressure setting과 maximum rpm이 critical altitude까지 유지된다 하여도 엔진이 sea-level power를 만들어내진 못할 수 있다. 왜냐하면 turbocharged induction air는 압축에 의해 가열되어 공기 밀도가 낮아져서 엔진 출력이 저하되기 때문이다. 동등한 마력을 유지하기 위해선 특정 고도에서 다소 높은 manifold pressure가 필요하다. 반면, 만약 시스템에 automatic density controller(일정한 공기 밀도를 유지하기 위해 자동으로 waste gate를 바꾸는 장치)가 내장되어 있다면 해수면 마력 출력과 거의 동등하다.

 

Operating Characteristics

 

무엇보다도, turbocharged engine의 출력 제어는 느리고 부드러워야 한다. 지나친, 혹은 갑작스러운 throttle 이동은 over-boost의 가능성을 높인다. 출력을 변경할 때에는 engine indications를 주의 깊게 모니터링 한다.

 

waste gate가 열려 있을 때 rpm이 변화하는 경우 turbocharged engine은 자연 흡기 엔진과 동일하게 반응한다. 즉, rpm이 증가하면 manifold pressure가 약간 감소한다. 엔진 rpm이 감소하면 manifold pressure가 약간 증가한다. 그러나 waste gate가 닫혀 있다면 엔진 rpm에 따른 manifold pressure 변화가 자연 흡기 엔진과 반대가 된다. 엔진 rpm이 증가하면 manifold pressure가 증가하고 엔진 rpm이 감소하면 manifold pressure가 감소한다.

 

critical altitude 이상(waste gate가 닫힌 지점)에서는 대기 속도의 변화가 그에 상응하는 manifold pressure 변화로 이어진다. 왜냐하면 대 기속도 증가로 인한 ram air pressure 증가가 compressor에 의해 확대되어 manifold pressure를 증가시키기 때문이다. manifold pressure의 증가는 엔진을 통과하는 공기 양을 증가시켜 turbine 속도를 증가시킨다. 이는 manifold pressure를 더 증가시킨다.

 

높은 고도를 운영할 때 aviation gasoline은 실린더에 도달하기 전에 기화되는 경향이 있다. fuel tank와 engine-driven fuel pump 사이의 연료 시스템에서 이러한 현상이 발생할 경우 탱크에 auxiliary positive pressure pimp가 필요할 수 있다. engine-driven pumps는 연료를 당기기 때문에 vapor lock이 쉽게 발생한다. boost pump는 양압을 제공한다. 이는 연료를 밀며 기화하려는 경향을 줄인다.

 

Heat Management

 

turbocharged engines는 지속적인 압력/온도 모니터링을 통해 신중하게 작동되어야 한다. 특히 중요한 두 가지 온도는 다음과 같다: TIT(turbine inlet temperature) 혹은 EGT(exhaust gas temperature), 그리고 cylinder head temperature. TIT limit(혹은 EGT limit)은 turbocharger의 뜨거운 부분에 있는 구성 요소들을 보호하기 위해 설정된다. 반면 cylinder head temperature limit은 엔진의 내부 부품을 보호하기 위해 설정된다.

 

흡입 공기의 압축열로 인해 turbocharged engine은 nonturbocharged engine보다 더 높은 온도에서 작동한다. turbocharged engines는 높은 고도에서 작동하기 때문에 냉각 효율성이 떨어진다. 높은 고도에서는 공기 밀도가 낮으므로 냉각 효율이 떨어진다. 또한 낮은 공기 밀도는 compressor가 더 많이 작동하게 만든다. 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 엔진의 운영에 불리하다. 높은 열의 누적으로 인해 piston, ring, 그리고 cylinder head가 고장 날 수 있으며 그 외의 구성 요소에 열응력을 가할 수 있다. 과도한 cylinder head temperature는 detonation으로 이어질 수 있다. 그리고 이는 곧 치명적인 엔진 고장으로 이어질 수 있다. turbocharged engines는 특히 열에 민감하다. turbocharger의 작동 핵심은 효과적인 열 관리이다.

 

manifold pressure gauge, tachometer, exhaust gas temperature/turbine inlet temperature gauge, 그리고 cylinder head temperature gauge를 사용하여 turbocharged engine의 상태를 모니터링 한다. throttle, propeller rpm, mixture, 그리고 cowl flaps를 사용하여 열을 관리한다. 특정 순항 출력에서 mixture는 exhaust gas/TIT에 가장 영향력이 있는 제어 장치이다. throttle은 총 fuel flow를 조절하는 반면 mixture는 연료-공기 비율을 조절한다. 따라서 mixture가 온도를 제어한다.

 

이륙 후 상승 시 온도 한계를 초과하는 것은 일반적으로 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 excess fuel로 인해 full rich mixture가 냉각되기 때문이다. 순항 도중 일반적으로 출력이 감소되고 mixture가 그에 따라 조정된다. 순항 상태에서는 엔진 출력이 적더라도 온도가 최대에 도달할 가능성이 높으므로 온도를 면밀히 모니터링 한다. 그러나 en route climb 도중 과열이 발생할 경우에는 높은 대기속도, 그리고 fully open cowl flaps를 필요로 할 수 있다.

 

turbocharged engines는 자연 흡기 엔진보다 더 뜨겁게 작동한다. 따라서 냉각 응력으로 인해 손상되기 더 쉽다. 출력의 점진적 감소, 그리고 온도의 주의 깊은 모니터링은 하강 도중 필수적이다. 하강 도중 landing gear를 연장할 경우 엔진 출력 설정을 높게 유지함과 동시에 대기 속도를 제어하는데 도움이 될 수 있다. 이를 통해 조종사는 출력을 조금씩 줄일 수 있다. 즉, 이는 엔진이 천천히 냉각되도록 한다. 또한 낮은 출력 설정에서 roughness를 제거하기 위하여 mixture를 약간 lean 하는 것이 필요할 수도 있다.

 

Turbocharger Failure

 

turbine exhaust system에서 발생하는 고온/고압 때문에 turbocharger의 오작동은 매우 신중하게 처리되어야 한다. turbocharger 작동 시 제조업체의 권장 절차를 따라야 한다. 특히 turbocharger의 오작동 상황에서는 더더욱 그렇다. 그러나 turbocharger 고장 시 취해야 할 조치가 제조업체의 절차에서 충분히 설명되어있지 않다면 다음 절차를 사용한다.

 

Over-Boost Condition

 

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

 

∙즉시 throttle을 부드럽게 retard하여 rpm/mixture 설정에 대한 manifold pressure를 최대치 이하로 제한한다.

 

∙over-boost 상태를 방지하는 방식으로 엔진을 작동한다.

 

Low Manifold Pressure

 

이 상태는 사소한 고장으로 인해 발생할 수 있다. 허나 심각한 배기 누출이 발생했을 가능성도 있다. 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 하는 경우 상황에 따른 최저 출력 설정을 사용한다. 그리고 land as soon as practicable.

 

turbocharger 오작동 이후에는 고장 수리를 수행하는 것이 매우 중요하다.