EPR 보정·압축기 실속과 연료계통 — 조종사 핸드북 7장 (5/8)

앞 편은 오일·냉각·배기와 터빈 네 형식, EPR까지 다뤘습니다. 이번 편은 EPR의 속도·고도 보정, EGT·TIT 계열, N₁/N₂, 터빈 운용 한계, 엔진 성능 비교, 소형기 연료계통입니다.

터빈 계기 — EPR 보정, EGT, 토크, N₁/N₂

EPR 계통 설계는 속도·고도 영향을 자동으로 보정합니다. 외기온이 바뀌면 EPR 지시에 보정을 더해야 엔진 출력을 정확히 맞출 수 있습니다.

배기 가스 온도(EGT)

가스터빈의 제한 요소 중 하나가 터빈 섹션 온도입니다. 터빈 블레이드와 배기 부품이 과열되지 않게 이 온도를 촘촘히 봐야 합니다. 흔한 방법이 배기 가스 온도(EGT, exhaust gas temperature) 게이지입니다. EGT는 엔진 운용 한계이자, 엔진 전체 상태를 보는 지표입니다.

센서 위치에 따라 이름이 달라집니다. 흔한 터빈 온도 계기는 터빈입구온도(TIT, turbine inlet temperature), 터빈출구온도(TOT, turbine outlet temperature), 중간단 터빈온도(ITT, interstage turbine temperature), 터빈가스온도(TGT, turbine gas temperature)입니다.

토크미터

터보프롭·터보샤프트의 출력은 토크미터(torquemeter)로 잽니다. 토크는 축에 걸리는 비틀림힘이고, 토크미터는 그 축에 실린 동력을 잽니다. 터보프롭·터보샤프트는 프로펠러를 돌릴 토크를 내도록 설계됩니다. 눈금은 설계 rpm의 퍼센트, 피트파운드(ft-lb), 또는 psi입니다.

N₁ 지시

N₁은 저압 압축기의 회전수이고, 지시기는 설계 rpm의 퍼센트로 보여 줍니다. 시동 뒤에는 저압 압축기 속도를 N₁ 터빈 휠이 지배합니다. N₁ 터빈 휠은 동심축으로 저압 압축기에 연결됩니다.

N₂ 지시

N₂는 고압 압축기의 회전수이고, 역시 설계 rpm의 퍼센트입니다. 고압 압축기는 N₂ 터빈 휠이 지배하고, N₂ 터빈 휠도 동심축으로 고압 압축기에 연결됩니다.

터빈 엔진 운용에서 공통으로 보는 것

터빈 형식이 너무 많아 기종별 절차를 다 적을 수는 없습니다. 다만 모든 터빈에 공통인 운용 포인트가 있습니다. 엔진 온도 한계, 이물질 손상(FOD), 핫 스타트, 압축기 실속, 플레임아웃입니다.

엔진 온도 한계

터빈 엔진에서 가장 높은 온도는 터빈 입구입니다. 그래서 보통 TIT가 운용 제한 요소입니다.

추력은 공기 밀도에 비례한다

터빈 추력은 공기 밀도에 정비례합니다. 밀도가 떨어지면 추력도 떨어집니다. 기온이 오르면 밀도도 떨어지므로, 기온이 높아도 추력이 줄어듭니다. 상대습도가 높아도 터빈·왕복 모두 영향을 받지만, 터빈의 추력 손실은 무시할 수준이고, 왕복엔진은 제동마력(BHP)이 뚜렷이 줄어듭니다.

이물질 손상(FOD)

터빈 흡입구 구조상 이물질이 빨려 들어갈 가능성은 늘 있습니다. 특히 압축기·터빈이 크게 상합니다. 이렇게 이물질을 삼키는 것을 이물질 손상(FOD, foreign object damage)이라고 합니다. 흔한 FOD는 램프·유도로·활주로의 작은 물체가 만들어 내는 닉과 덴트입니다. 버드 스트라이크나 얼음 흡입으로도 납니다. 엔진이 통째로 망가지는 경우도 있습니다.

FOD 방지가 우선입니다. 어떤 흡입구는 지상 운용 때 지면과 흡입구 사이에 와류가 생깁니다. 이런 엔진에는 와류 소산장치(vortex dissipater)를 달기도 합니다. 스크린이나 디플렉터를 쓰기도 합니다. 프리플라이트에는 FOD 흔적을 눈으로 봅니다.

핫 스타트와 헝 스타트

EGT가 그 항공기의 안전 한도를 넘으면 “핫 스타트(hot start)”입니다. 원인은 연소실로 연료가 너무 많이 들어가거나, 터빈 rpm이 부족한 경우입니다. 핫 스타트가 나면 AFM/POH 또는 해당 정비 매뉴얼의 검사 요구를 봅니다.

점화 뒤에 엔진이 정상 속도까지 가속하지 못하거나 아이들 rpm까지 오르지 못하면, 헝 스타트(hung start) 또는 거짓 시동(false start)입니다. 원인은 시동 전원이 부족하거나 연료제어 고장일 수 있습니다.

압축기 실속

압축기 블레이드는 작은 익형이라, 어떤 익형에나 적용되는 공기역학을 따릅니다. 압축기 블레이드의 받음각(AOA)은 입구 공기 속도와 압축기 회전 속도가 만든 결과입니다. 이 두 힘이 벡터를 이루고, 다가오는 입구 공기에 대한 실제 받음각이 됩니다.

압축기 실속은 입구 속도와 압축기 회전수, 이 두 벡터가 균형을 잃을 때입니다. 블레이드 받음각이 임계 받음각을 넘으면 납니다. 그때 매끈한 기류가 끊기고, 난류와 압력 출렁임이 생깁니다. 압축기를 지나던 공기는 느려지고 정체하며, 때로는 역류합니다.

압축기 실속은 잠깐·간헐적일 수도, 지속·심각할 수도 있습니다. 잠깐·간헐 실속의 지시는 보통 역화와 역류가 날 때의 간헐적인 “뱅” 소리입니다. 실속이 자라 지속되면, 계속되는 역류 때문에 강한 진동과 큰 울림이 납니다. 약한·잠깐 실속은 조종석 계기에 안 나오는 경우가 많지만, 발달한 실속은 계기에 나타납니다. 전형적인 지시는 rpm 출렁임과 EGT 상승입니다. 잠깐 실속 대부분은 엔진을 상하게 하지 않고, 한두 번 맥동한 뒤 스스로 풀리는 경우가 많습니다. 지속 실속이 엔진을 심하게 상하게 할 가능성은 즉시입니다. 회복은 출력을 빨리 줄이고, 항공기 받음각을 낮추고, 속도를 올리는 것입니다.

가스터빈은 모두 압축기 실속에 노출되지만, 대부분 모델에는 막는 계통이 있습니다. 하나는 가변 입구 안내 깃(VIGV, variable inlet guide vane)과 가변 스테이터 깃으로, 들어오는 공기를 로터 블레이드에 알맞은 각으로 보냅니다. 공기 압력 실속을 막으려면 제작사가 정한 범위 안에서 운용합니다. 실속이 나면 AFM/POH 권고 절차를 따릅니다.

플레임아웃

플레임아웃(flameout)은 가스터빈 안의 불이 의도치 않게 꺼지는 것입니다. 연소실 연료-공기 비가 농후 한도를 넘으면 불이 꺼집니다. 이를 농후 플레임아웃(rich flameout)이라고 합니다. 엔진을 아주 빨리 가속할 때, 지나친 농후 혼합이 연료 온도를 연소 온도 아래로 떨어뜨려 나는 경우가 많습니다. 연소를 지탱할 기류가 부족해도 납니다.

더 흔한 플레임아웃은 연료 압력이 낮고 엔진 속도가 낮을 때입니다. 고고도 비행에서 전형적입니다. 강하 중 엔진을 줄여 둔 상태에서도 날 수 있고, 그때는 희박 조건 플레임아웃이 됩니다. 혼합이 약하면 엔진을 지나는 기류가 정상이어도 불이 쉽게 죽습니다.

연료 공급이 끊겨도 플레임아웃이 납니다. 긴 비정상 자세, 연료제어 고장, 난기류, 착빙, 연료 고갈이 원인일 수 있습니다.

증상은 보통 엔진 고장과 같습니다. 연료 흐름과 엔진 속도의 불균형처럼 지나가는 조건이면, 그 조건을 고친 뒤 공중 재시동(airstart)을 시도할 수 있습니다. 어느 경우든 AFM/POH의 해당 비상 절차를 따릅니다. 그 절차에는 공중 재시동이 잘 되는 고도와 속도 권고가 들어 있는 경우가 많습니다.

왕복·터빈 성능 비교

왕복 동력장치와 여러 터빈을 비교할 수 있습니다. 비교가 맞으려면 왕복은 제동마력이 아니라 추력마력(THP, thrust horsepower, 쓸 수 있는 마력)을 쓰고, 터빈은 순추력(net thrust)을 씁니다. 기체 형상과 크기도 대략 같아야 합니다.

비교에 쓰는 정의는 다음과 같습니다.

• 제동마력(BHP, brake horsepower) — 출력축에 실제로 전달되는 마력. 실제 쓸 수 있는 마력입니다.
• 순추력 — 터보제트 또는 터보팬이 내는 추력.
• 추력마력(THP) — 터보제트·터보팬 추력을 마력으로 환산한 값.
• 등가축마력(ESHP, equivalent shaft horsepower) — 터보프롭에서, 프로펠러에 전달되는 축마력(SHP)과 배기가스가 내는 THP의 합.

그림 7-29는 속도를 올릴 때 네 형식 엔진의 순추력을 비교합니다. 설명용이며 특정 모델이 아닙니다. 네 형식은 왕복 동력장치, 터빈+프로펠러(터보프롭), 팬을 넣은 터빈(터보팬), 터보제트(순수 제트)입니다.

각 엔진의 성능 곡선을 그리면, 엔진 형식에 따른 최대 속도 차이를 볼 수 있습니다. 비교용 그래프라 순추력·속도·항력의 수치 눈금은 없습니다.

순추력 기준으로 보면 다음이 드러납니다. 선 A 왼쪽 속도 구간에서는 왕복이 나머지 셋을 이깁니다. 선 C 왼쪽에서는 터보프롭이 터보팬을 이깁니다. 선 F 왼쪽에서는 터보팬이 터보제트를 이깁니다. 선 B 오른쪽에서는 터보팬이 왕복을, 선 C 오른쪽에서는 터보팬이 터보프롭을 이깁니다. 터보제트는 선 D 오른쪽에서 왕복, 선 E 오른쪽에서 터보프롭, 선 F 오른쪽에서 터보팬을 이깁니다.

항공기 항력 곡선이 순추력 곡선과 만나는 점이 그 형식의 최대 속도입니다. 그 점에서 그래프 밑변으로 내린 수선이 보여 주듯, 터보제트기가 다른 형식보다 최대 속도가 높습니다. 터보팬기는 터보프롭·왕복보다 최대 속도가 높습니다.

기체 계통 — 연료

연료, 전기, 유압, 산소가 기체 계통을 이룹니다.

연료 계통

연료 계통은 탱크에서 엔진까지 깨끗한 연료를 끊기지 않게 보내도록 설계됩니다. 엔진 출력, 고도, 자세, 승인된 모든 기동에서 연료가 엔진에 있어야 합니다. 소형기 연료 계통은 흔히 중력급유(gravity-feed)와 연료펌프 계통 둘로 나눕니다.

중력급유

중력급유는 중력으로 탱크에서 엔진으로 연료를 보냅니다. 고익기는 날개에 탱크가 있어 카뷰레터보다 위에 있고, 연료가 중력으로 계통을 지나 카뷰레터로 들어갑니다. 중력으로 보낼 수 없는 형상이면 연료 펌프를 답니다. 저익기는 날개 탱크가 카뷰레터보다 아래에 있습니다.

연료펌프 계통

연료펌프 계통 항공기에는 펌프가 두 개입니다. 주펌프는 엔진 구동이고, 전기 구동 보조펌프는 시동과 엔진 펌프 고장 때 씁니다. 보조펌프는 부스트 펌프(boost pump)라고도 하며, 연료 계통의 신뢰성을 더합니다. 전기 보조펌프는 조종석 스위치로 켭니다.

연료 프라이머

중력급유와 연료펌프 계통 모두 프라이머를 넣을 수 있습니다. 프라이머는 시동 전에 탱크에서 연료를 뽑아 실린더에 바로 기화시켜 넣습니다. 한랭기에 엔진이 잘 안 걸릴 때 도움이 됩니다. 카뷰레터에서 연료를 기화시킬 열이 부족하기 때문입니다. 쓰지 않을 때는 프라이머를 잠급니다. 노브가 자유로우면 비행 중 진동으로 빠져, 연료-공기 혼합이 지나치게 농후해질 수 있습니다. 과다 프라이밍을 피하려면 그 항공기의 프라이밍 지시를 읽습니다.

연료 탱크

연료 탱크는 보통 날개 안에 있고, 날개 위에 주입구가 있으며 캡이 덮습니다. 탱크는 외기로 벤트되어 탱크 안 압력을 대기압으로 유지합니다. 벤트는 주입 캡을 통하거나, 날개 표면으로 나온 튜브입니다. 탱크에는 넘침 드레인도 있습니다. 단독이거나 벤트와 같이 있을 수 있습니다. 기온이 올라 연료가 팽창해도 탱크가 상하지 않게 합니다. 더운 날 만충하면 넘침 드레인에서 연료가 나오는 것은 드물지 않습니다.

연료 게이지

연료량 게이지는 각 탱크의 감지 유닛이 잰 양을 갤런 또는 파운드로 보여 줍니다. 항공기 인증 규칙은 게이지가 “empty”를 가리킬 때만 정확성을 요구합니다. (역주: 국내는 항공안전법·기술기준이 다를 수 있으니 해당 형식의 인증 기준을 확인하세요) “empty”가 아닌 지시는 반드시 확인합니다. 연료량 게이지 정확성만 믿지 않습니다. 프리플라이트에서 각 탱크 연료 수위를 눈으로 보고, 해당 게이지 지시와 비교합니다.

연료 펌프가 있으면 연료 압력 게이지도 있습니다. 연료 라인의 압력을 가리킵니다. 정상 운용 압력은 AFM/POH 또는 게이지의 색 구간에 있습니다.

연료 선택 밸브

연료 선택 밸브는 여러 탱크 중 어디서 먹을지를 고릅니다. 흔한 형식은 LEFT, RIGHT, BOTH, OFF 네 위치입니다. LEFT 또는 RIGHT는 해당 탱크만, BOTH는 양쪽 탱크에서 먹습니다. LEFT·RIGHT는 양쪽 날개 탱크의 남은 연료를 맞출 때 씁니다.

연료 플래카드는 탱크 사용 제한을 보여 줍니다. 예: “level flight only(수평비행 전용)”, 이착륙은 “both”.

선택기 형식이 무엇이든, 탱크가 완전히 마르지 않게 소모를 촘촘히 봅니다. 탱크를 말리면 엔진이 설 뿐 아니라, 한쪽만 오래 쓰면 좌우 연료가 기울어집니다. 탱크를 완전히 말리면 공기가 연료 계통에 들어가 베이퍼 록(vapor lock)이 나고, 재시동이 어려워집니다. 연료분사 엔진에서는 연료가 너무 뜨거워 라인에서 기화해, 실린더까지 연료가 닿지 않습니다.

스트레이너, 섬프, 드레인

탱크를 나와 카뷰레터에 들어가기 전에 연료는 스트레이너를 지납니다. 수분과 침전물을 걸러 냅니다. 이 오염물은 항공기 연료보다 무거워 스트레이너 조립체 바닥의 섬프에 가라앉습니다. 섬프는 연료 계통·탱크의 낮은 지점입니다. 계통에는 섬프, 연료 스트레이너, 탱크 드레인이 있을 수 있고, 같이 붙어 있을 수도 있습니다.

매 비행 전에 스트레이너를 드레인합니다. 시료를 뽑아 물과 오염물을 눈으로 봅니다.

섬프의 물은 위험합니다. 한랭기에는 얼어 연료 라인을 막고, 따뜻한 날에는 카뷰레터로 들어가 엔진을 세울 수 있습니다. 섬프에 물이 있으면 탱크에도 물이 더 있을 가능성이 큽니다. 물이 안 보일 때까지 드레인합니다. 엔진 연료 계통에서 물과 오염물을 다 빼기 전에는 이륙하지 않습니다.

연료 계통은 기종마다 다릅니다. 타는 항공기의 계통을 충분히 익히고, 구체 절차는 AFM/POH를 봅니다.

연료 등급

항공가솔린(AVGAS)은 옥탄 또는 성능 번호(등급)로 구분합니다. 실린더 안 연료 혼합의 내노크성(antiknock), 즉 노킹에 견디는 정도입니다. 등급이 높을수록 디토네이션 없이 견딜 수 있는 압력이 큽니다. 낮은 등급은 낮은 압축비 엔진에 씁니다. 더 낮은 온도에서 점화되기 때문입니다. 높은 등급은 높은 압축비 엔진에 씁니다. 더 높은 온도에서 점화되지만, 너무 이르게는 점화되지 않습니다. 지정 등급이 없으면 한 단계 높은 등급을 대신 씁니다. 권고보다 낮은 등급은 쓰지 않습니다. 실린더 헤드 온도와 오일 온도가 정상 운용 범위를 넘어 디토네이션이 날 수 있습니다.

AVGAS 등급은 여러 가지입니다. 그 엔진에 맞는 항공 등급인지를 확인합니다. 올바른 등급은 AFM/POH, 조종석 플래카드, 주입구 캡 옆에 적혀 있습니다. 자동차용 가솔린은, FAA가 발급한 부가형식증명(STC, Supplemental Type Certificate)으로 개조된 항공기가 아니면 절대 쓰지 않습니다. (역주: 국내는 국토교통부 부가형식증명 기준이 다를 수 있으니 확인하세요)

지금 쓰는 표기는 왕복엔진 항공기용 AVGAS를 옥탄·성능 번호와 약어 AVGAS로 부릅니다. 이 항공기들은 AVGAS 80, 100, 100LL을 씁니다.

다음 편은 100LL과 100의 차이, 제트 연료 색 구분, 연료 오염입니다.

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