오일·냉각·배기와 터빈엔진 — 조종사 핸드북 7장 (4/8)

앞 편은 연료분사·과급기·점화계통까지 다뤘습니다. 이번 편은 오일·냉각·배기·시동·연소, 전권한 디지털 엔진제어(FADEC), 터빈엔진 네 형식과 엔진압력비(EPR)입니다.

오일 계통

엔진 오일 계통은 다음 기능을 합니다.

• 엔진 가동부의 윤활
• 마찰을 줄여 엔진을 식힘
• 실린더에서 열을 빼냄
• 실린더 벽과 피스톤 사이 밀봉
• 오염물질을 실어 나감

왕복엔진은 습식 섬프(wet-sump) 또는 건식 섬프(dry-sump) 오일 계통을 씁니다. 습식 섬프에서는 오일이 엔진과 한몸인 섬프에 있습니다. 건식 섬프에서는 오일이 별도 탱크에 있고, 펌프로 엔진을 순환합니다.

습식 섬프의 핵심은 오일 펌프입니다. 섬프에서 오일을 뽑아 엔진으로 보내고, 엔진을 지난 오일은 다시 섬프로 돌아옵니다. 어떤 엔진은 도는 크랭크축이 오일을 튀겨 일부를 추가로 윤활합니다.

건식 섬프도 오일 펌프가 압력을 만들지만, 오일 원은 엔진 바깥의 별도 탱크입니다. 엔진을 지난 오일은 스캐빈지 펌프(scavenge pump)가 엔진 곳곳에서 탱크로 되돌립니다. 건식 섬프는 엔진에 더 많은 오일을 보낼 수 있어, 아주 큰 왕복엔진에 더 맞습니다.

항목	습식 섬프	건식 섬프
오일 위치	엔진과 한몸인 섬프	엔진 바깥 별도 탱크
순환	펌프 → 엔진 → 섬프 복귀	탱크 → 펌프 → 엔진 → 스캐빈지 펌프로 탱크 복귀
추가 윤활	크랭크축이 오일을 튀기는 경우 있음	—
적합	소형 왕복엔진에 흔함	오일량이 더 필요한 대형 왕복엔진

오일 압력계는 오일 계통 작동을 직접 보여 줍니다. 엔진에 공급되는 오일의 압력(psi)을 나타냅니다. 녹색은 정상 운용 범위, 적색은 최저·최고 압력입니다. 엔진 시동 중에도 오일 압력이 나와야 합니다. 제작사 한도는 AFM/POH를 봅니다.

오일 온도계는 오일 온도를 잽니다. 녹색 구간이 정상 운용 범위이고, 적색선이 허용 최고 온도입니다. 오일 압력과 달리 오일 온도 변화는 더 느립니다. 찬 엔진을 건 직후가 특히 그렇습니다. 게이지가 오르기까지 몇 분 이상 걸릴 수 있습니다.

비행 중 오일 온도를 주기적으로 봅니다. 외기가 아주 높거나 낮을 때는 더 그렇습니다. 오일 온도가 높으면 오일 라인 막힘, 오일량 부족, 오일 쿨러 막힘, 온도계 불량을 의심합니다. 오일 온도가 낮으면 한랭기 점도가 맞지 않는 오일일 수 있습니다.

오일 주입구 캡과 딥스틱(오일량 측정)은 보통 엔진 카울링 패널로 접근합니다. 제작사가 권하는 운용 수준에 못 미치면 오일을 보충합니다. 올바른 오일 종류·점도, 최소·최대 오일량은 AFM/POH 또는 접근 패널 근처 플래카드에 있습니다.

엔진 냉각 계통

실린더 안에서 연료가 타면 강한 열이 납니다. 대부분은 배기계통으로 나가지만, 남은 열도 빼거나 흩어 엔진이 과열되지 않게 해야 합니다. 그렇지 않으면 출력이 떨어지고, 오일 소모가 늘고, 디토네이션이 나며, 엔진이 크게 상합니다.

오일 계통은 엔진 내부 냉각에 꼭 필요합니다. 바깥 표면에는 별도 냉각이 더 필요합니다. 소형기는 대부분 공랭이고, 액랭인 것도 있습니다.

공랭은 엔진 카울링 앞쪽 개구로 공기가 엔진실에 들어와 이뤄집니다. 배플(baffle)이 이 공기를 실린더 핀과 엔진 다른 부분 위로 보내, 공기가 엔진 열을 받습니다. 뜨거운 공기는 카울링 아래·뒤쪽 개구 하나 이상으로 나갑니다.

외기는 프로펠러 허브 뒤 흡입구로 들어옵니다. 배플이 가장 뜨거운 곳, 주로 실린더로 보냅니다. 실린더에는 핀이 있어 기류에 노출되는 면적을 늘립니다.

공랭은 지상 운용, 이륙, 복행, 그 밖의 고양력·저속도 구간에서 덜 먹힙니다. 반대로 고속 강하는 공기가 지나쳐 엔진을 충격냉각(shock cool)할 수 있고, 온도가 갑자기 출렁입니다.

설계 온도보다 높게 돌리면 출력 저하, 오일 과다 소모, 디토네이션이 납니다. 실린더 벽 스코어링, 피스톤·링 손상, 밸브 소손·휨 같은 영구 손상으로도 이어집니다. 조종석 엔진 온도 계기를 보며 고온 운용을 피합니다.

카울 플랩이 없는 항공기에서는, 평소 엔진 온도를 속도와 출력으로 조절합니다. 엔진 온도가 높으면 속도를 올리고 출력을 줄입니다.

오일 온도계는 엔진 온도 상승을 간접·지연으로 보여 줍니다. 다른 수단이 없을 때만 엔진 온도 판단에 씁니다.

대부분 항공기에는 실린더 헤드 온도계(CHT)가 있어, 실린더 온도 변화를 직접·즉시 보여 줍니다. 섭씨 또는 화씨로 눈금이 있고, 보통 녹색 아크가 정상 운용 범위입니다. 적색선은 허용 최고 실린더 헤드 온도입니다.

실린더 헤드 온도가 지나치지 않게 하려면 속도를 올리고, 연료-공기 혼합기를 진하게 하고, 출력을 줄입니다. 어느 쪽이든 엔진 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다. 카울 플랩이 있으면 그 위치로 온도를 조절합니다. 카울 플랩은 뜨거운 공기가 나가는 개구 위에 힌지로 달린 덮개입니다. 엔진 온도가 낮으면 닫아 배출 기류를 막고 온도를 올립니다. 높으면 열어 기류를 늘리고 온도를 내립니다.

계기	무엇을 보나	특징
오일 압력	엔진에 공급되는 오일 압력(psi)	직접 지시. 녹색 정상, 적색 최저·최고. 시동 때도 지시가 나와야 함
오일 온도	오일 온도	변화는 느림. 찬 시동 후 몇 분 이상 걸릴 수 있음. 엔진 온도는 간접·지연
실린더 헤드 온도(CHT)	실린더 온도	직접·즉시. 녹색 아크 정상, 적색선 허용 최고

배기 계통

엔진 배기계통은 탄 연소가스를 기외로 내보내고, 객실 난방을 주며, 바람막이를 성에 제거합니다. 구성은 실린더에 붙은 배기관, 머플러, 머플러 슈라우드입니다. 배기가스는 배기밸브를 지나 실린더에서 밀려 나오고, 배기관을 따라 대기로 갑니다.

객실 난방은 외기를 흡입구로 끌어 머플러 주위 슈라우드로 보냅니다. 머플러는 나가는 배기가스로 달궈지고, 그 열이 주위 공기를 데웁니다. 데워진 공기는 객실 난방과 성에 제거로 갑니다. 난방·성에 제거는 조종석에서 원하는 수준으로 조절합니다.

배기가스에는 일산화탄소가 많이 들어 있습니다. 냄새도 색도 없습니다. 일산화탄소는 치명적이고, 있는지를 거의 알 수 없습니다. 배기가스가 제대로 나가려면 배기계통이 멀쩡하고 균열이 없어야 합니다.

어떤 배기계통에는 배기 가스 온도(EGT) 프로브가 있습니다. 이 프로브가 조종석 계기에 EGT를 보냅니다. EGT 게이지는 배기 매니폴드에서 가스 온도를 잽니다. 이 온도는 실린더로 들어가는 연료-공기 비에 따라 달라지므로, 혼합비 조절의 근거가 됩니다. EGT 게이지는 올바른 연료-공기 혼합비 설정을 아주 정확히 보여 줍니다. EGT로 혼합기를 희박하게 맞추면 연료 소모를 줄일 수 있습니다. 구체적인 희박화 절차는 제작사 권고를 따릅니다.

시동 계통

소형기 대부분은 직접 크랭킹 전기 스타터를 씁니다. 구성은 전원, 배선, 스위치, 솔레노이드, 스타터 모터입니다. 요즘 항공기는 조작하면 스타터가 자동으로 물리고 빠지지만, 구형 중에는 조종사가 레버로 기계적으로 무는 것도 있습니다. 스타터는 플라이휠을 물어 엔진을 시동·유지할 속도까지 돌립니다.

시동 전원은 보통 기내 배터리입니다. 외부 전원 리셉터클로 외부 전원을 넣을 수도 있습니다. 배터리 스위치를 켜면 배터리 솔레노이드를 통해 주전원 버스바에 전기가 갑니다. 스타터와 스타터 스위치 모두 주버스에서 전류를 받지만, 스타터는 스타터 스위치가 “start” 위치에 가 시동 솔레노이드가 여자되기 전에는 돌지 않습니다. 스위치를 “start”에서 놓으면 솔레노이드가 스타터 모터 전원을 끊습니다. 스타터 드라이브의 클러치가 엔진이 스타터 모터보다 빨리 돌게 해, 엔진이 스타터를 역구동하지 못하게 막습니다.

엔진을 걸 때는 안전과 예의를 지킵니다. 가장 중요한 안전 규칙은, 시동 전에 프로펠러 근처에 사람이 없게 하는 것입니다. 또 휠 초크를 대고 브레이크를 걸어, 뜻하지 않은 움직임으로 생기는 위험을 막습니다. 프로펠러와 재산을 상하지 않게, 프로펠러가 자갈이나 먼지를 일으키지 않는 곳에 항공기를 둡니다.

연소

정상 연소에서 연료-공기 혼합기는 아주 통제되고 예측 가능한 방식으로 탑니다. 불꽃점화 엔진에서는 이 과정이 1초의 몇 분의 1에 일어납니다. 혼합기는 점화플러그가 점화한 지점에서 타기 시작해, 플러그를 떠나 다 탈 때까지 번집니다. 이런 연소는 온도와 압력이 부드럽게 오르게 하고, 팽창 가스가 동력 행정에서 바로 그때 피스톤에 최대 힘을 주게 합니다.

디토네이션(detonation)은 실린더 연소실 안에서 연료-공기 혼합기가 통제되지 않고 폭발적으로 점화되는 것입니다. 온도와 압력이 지나쳐, 바로잡지 않으면 피스톤·실린더·밸브가 금방 파손될 수 있습니다. 덜 심한 경우에는 엔진 과열, 거칠음, 출력 저하가 납니다.

디토네이션의 특징은 높은 실린더 헤드 온도이고, 고출력에서 나기 쉽습니다. 흔한 운용상 원인은 다음과 같습니다.

• 항공기 제작사가 지정한 것보다 낮은 등급의 연료
• 낮은 rpm과 함께 매니폴드 압력이 극히 높은 운용
• 혼합기가 지나치게 희박한 고출력 운용
• 실린더 냉각이 줄어드는 긴 지상 운용 또는 가파른 상승

지상과 비행의 각 단계에서 다음을 지키면 디토네이션을 피할 수 있습니다.

• 지정 등급 연료를 씁니다.
• 지상에서는 카울 플랩이 있으면 완전 개방해 카울링 기류를 최대로 둡니다.
• 이륙과 초기 상승에서는 혼합기를 진하게 하고 상승각을 얕게 해 실린더 냉각을 늘립니다.
• 길고 고출력인 가파른 상승을 피합니다.
• 제작사가 정한 절차대로 엔진 계기를 보는 습관을 들입니다.

조기점화(preignition)는 엔진의 정상 점화 사건보다 먼저 연료-공기 혼합기가 점화될 때입니다. 이른 연소는 보통 연소실의 잔류 핫스팟 때문입니다. 점화플러그의 작은 탄소 퇴적, 깨진 점화플러그 절연체, 그 밖에 부품이 충분히 달궈져 연료-공기 전하를 점화할 정도의 실린더 손상이 흔합니다. 조기점화는 엔진 출력을 떨어뜨리고 운용 온도를 올립니다. 디토네이션과 같이, 팽창 가스가 압축 행정 중인 피스톤에 지나친 압력을 가해 엔진을 심하게 상하게 할 수 있습니다.

디토네이션과 조기점화는 자주 동시에 나고, 하나가 다른 하나를 부를 수 있습니다. 둘 다 엔진 온도가 오르고 성능이 떨어지므로 구별이 어려운 경우가 많습니다. 권고 등급 연료를 쓰고, 엔진을 올바른 온도·압력·rpm 범위에서 돌리면 둘 다 줄어듭니다.

전권한 디지털 엔진제어(FADEC)

FADEC(Full Authority Digital Engine Control)는 디지털 컴퓨터와 주변 구성이 항공기 엔진과 프로펠러를 제어하는 계통입니다. 처음에는 터빈기에 쓰였고, 당시 명칭은 전권한 디지털 전자제어(full authority digital electronic control)였습니다. 이 정교한 제어는 피스톤기에도 점점 더 들어갑니다.

불꽃점화 왕복엔진에서 FADEC는 속도·온도·압력 센서로 각 실린더 상태를 봅니다. 디지털 컴퓨터가 각 인젝터의 이상적인 펄스를 계산하고, 점화 시기를 필요에 따라 바꿔 최적 성능을 냅니다. 압축점화 엔진에서도 비슷하게 움직이며, 불꽃점화 과정에만 해당하는 기능을 뺀 나머지를 모두 합니다.

FADEC 계통은 마그네토, 카뷰레터 히트, 혼합비 조종, 엔진 프라이밍이 필요 없습니다. FADEC가 있는 항공기의 특징은 스로틀 레버 하나입니다. 조종사는 스로틀을 시동, 아이들, 순항 출력, 최대 출력 같은 원하는 디텐트에 두면, FADEC가 선택한 모드에 맞게 엔진과 프로펠러를 자동으로 맞춥니다. 조종사가 연료-공기 혼합비를 보거나 조절할 필요가 없습니다.

시동 때 FADEC는 엔진 온도와 주위 기압을 보고 실린더를 프라임하고, 혼합비를 맞추고, 스로틀을 놓습니다. 순항에서는 엔진을 끊임없이 감시하고, 실린더마다 연료 흐름과 점화 시기를 따로 맞춥니다. 연소를 이렇게 정밀히 제어하면 연료 소모가 줄고 마력이 오르는 경우가 많습니다.

FADEC는 엔진·프로펠러 제어의 필수 부분으로 보고, 항공기 주전기계통으로 전원을 받을 수 있습니다. 많은 항공기에서 FADEC는 엔진에 연결된 별도 발전기에서 전원을 받습니다. 어느 쪽이든 예비 전원이 있어야 합니다. FADEC가 죽으면 엔진 추력이 완전히 사라질 수 있기 때문입니다. 추력 상실을 막으려고 동일하고 분리된 디지털 채널 두 개를 둡니다. 각 채널이 제한 없이 엔진·프로펠러 기능을 모두 할 수 있습니다.

터빈 엔진

항공기 터빈 엔진은 공기 흡입구, 압축기, 연소실, 터빈 섹션, 배기로 이뤄집니다. 엔진을 지나는 공기 속도를 올려 추력을 냅니다. 터빈 엔진은 바람직한 동력장치입니다. 운용이 부드럽고 출력 대 중량비가 높으며, 구하기 쉬운 제트 연료를 씁니다. 재료·엔진 설계·제작 공정이 최근 진전되기 전에는, 소형·경량 양산기에 터빈을 다는 비용이 지나쳤습니다. 지금은 여러 제작사가 소형·경량 터빈기를 만들거나 만들 계획입니다. 이런 소형 터빈기는 보통 승객 3~7명을 태우고, 초경량 제트(VLJ, very light jet) 또는 마이크로제트라고 합니다.

터빈 엔진의 형식

터빈 엔진은 쓰는 압축기 형식으로 분류합니다. 압축기는 세 가지입니다. 원심류(centrifugal flow), 축류(axial flow), 원심-축류(centrifugal-axial flow)입니다. 원심류 엔진은 흡입 공기를 기기의 종축에 수직으로 바깥으로 가속해 압축합니다. 축류 엔진은 회전·고정 익형 열이 공기를 종축과 나란히 보내 압축합니다. 원심-축류는 두 압축기를 함께 써서 원하는 압축을 냅니다.

공기가 엔진을 지나는 경로와 동력을 내는 방식이 엔진 형식을 정합니다. 항공기 터빈 엔진은 네 가지입니다. 터보제트, 터보프롭, 터보팬, 터보샤프트입니다.

터보제트

터보제트 엔진은 압축기, 연소실, 터빈 섹션, 배기 네 부분입니다. 압축기는 흡입 공기를 빠른 속도로 연소실에 보냅니다. 연소실에는 연료 흡입구와 점화기가 있습니다. 팽창하는 공기가 터빈을 돌리고, 터빈은 축으로 압축기에 연결되어 엔진 작동을 유지합니다. 가속된 배기가스가 추력을 줍니다. 공기를 압축하고, 연료-공기 혼합기를 점화하고, 스스로 돌 동력을 만들고, 추진용 배기를 내는 기본 적용입니다.

터보제트는 항속거리와 체공이 제한됩니다. 압축기 속도가 낮을 때는 스로틀에 반응이 느립니다.

터보프롭

터보프롭 엔진은 감속기어를 통해 프로펠러를 돌리는 터빈 엔진입니다. 배기가스가 파워 터빈을 돌리고, 그 축이 감속기어 조립체를 돌립니다. 프로펠러 최적 성능은 엔진 운용 rpm보다 훨씬 느린 속도에서 나오므로 감속기어가 필요합니다.

터보프롭은 터보제트와 왕복 동력장치의 절충입니다. 250~400 mph, 고도 18,000~30,000 ft에서 가장 효율적입니다. 이륙·착륙에 필요한 느린 속도에서도 잘 돌고, 연료 효율이 좋습니다. 터보프롭의 최소 비연료소모율은 보통 고도 25,000 ft부터 대류권계면에서 나옵니다.

터보팬

터보팬은 터보제트와 터보프롭의 좋은 점을 일부 합치려고 나왔습니다. 터보팬은 2차 기류를 연소실 주위로 돌려 추력을 더 냅니다. 터보팬 바이패스 공기는 추력을 늘리고, 엔진을 식히고, 배기 소음 억제에도 돕습니다. 터보제트형 순항 속도와 더 낮은 연료 소모를 줍니다.

터보팬을 지나는 흡입 공기는 보통 두 흐름으로 나뉩니다. 한 흐름은 엔진 코어를 지나고, 다른 흐름은 코어를 우회합니다. 이 우회 흐름 때문에 “바이패스 엔진”이라고 부릅니다. 터보팬의 바이패스비(bypass ratio)는 팬을 지나는 질량 기류를 엔진 코어를 지나는 질량 기류로 나눈 값입니다.

터보샤프트

네 번째 흔한 제트 엔진이 터보샤프트입니다. 프로펠러가 아닌 다른 것을 돌리는 축에 동력을 줍니다. 터보제트와의 가장 큰 차이는, 터보샤프트에서는 팽창 가스가 만든 에너지의 대부분이 추력 대신 터빈을 돌리는 데 쓰인다는 점입니다. 많은 헬리콥터가 터보샤프트 가스터빈을 씁니다. 대형기의 보조동력장치(APU)로도 널리 씁니다.

형식	동력을 내는 방식	특징
터보제트	가속 배기가스가 추력	압축기·연소실·터빈·배기. 항속·체공 제한, 저 압축기 속도에서 스로틀 반응 느림
터보프롭	감속기어로 프로펠러	250~400 mph, 18,000~30,000 ft에서 효율. 최소 비연료소모율은 25,000 ft~대류권계면
터보팬	코어 추력 + 바이패스 공기	바이패스비 = 팬 질량 기류 ÷ 코어 질량 기류. 추력·냉각·소음 억제
터보샤프트	축 동력(프로펠러 이외)	에너지 대부분이 터빈. 헬리콥터, 대형기 APU

터빈 엔진 계기

오일 압력, 오일 온도, 엔진 회전수, 배기 가스 온도, 연료 흐름을 가리키는 계기는 터빈과 왕복엔진에 공통입니다. 다만 터빈에만 있는 계기도 있습니다. 엔진압력비, 터빈 배출 압력, 토크를 보여 줍니다. 또 가스터빈 대부분은 열전대(thermocouple)라는 온도 센서가 여러 개 있어, 터빈 섹션 안팎 온도를 조종사에게 보여 줍니다.

엔진압력비(EPR)

엔진압력비(EPR, engine pressure ratio) 게이지는 터보제트/터보팬의 출력을 가리키는 데 씁니다. EPR은 터빈 배출 압력을 압축기 입구 압력으로 나눈 비입니다. 압력은 엔진 흡입구와 배기에 단 프로브가 잽니다. 모은 데이터는 차압 변환기로 가서, 조종석 EPR 게이지에 나타납니다.

다음 편은 EPR의 속도·고도 보정, 배기 가스 온도(EGT)·터빈입구온도(TIT) 계열, 토크미터입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.