가스터빈엔진의 연료계통의 이해

연료 계통 요구 조건

• 엔진연료계통은 지상 또는 비행 중의 모든 조건 하에서 엔진의 연료제어장치에 연료를 공급할 수 있어야 하며, 연속적으로 변화하는 고도와 어떤 기후 조건에서도 원활히 작동할 수 있어야 한다.
• 왕복엔진의 연료는 항공유 휘발유(AVGAS)
• 터빈엔진에서는 JET-A를 사용 한다.
• 제트엔진의 항공유의 경우 품질 개선을 위해 여러가지 첨가물을 넣어 사용한다.
• 산화방지제, 부식방지제, 결빙방지제, 미생물 살균제 등 첨가
• 연료계통은 간단한 중력식 연료계통 부터 다수의 엔진 간의 연료 공급이 가능하도록 되어 있는 복잡한 크로스 피드 시스템으로 이루어진 연료계통으로 이루어져있다.
• 또한 대형항공기에는 하나의 탱크에서 다른 탱크로 연료를 이송하기 위한 설비도 갖춰져있다.

증기폐쇄(Vapor Lock) 란?

•  너무 빠른 기화에 의해 만들어지는 증기주 머니가 도관내 연료 흐름을 제한하게 되고, 연료 흐름이 부분 또는 완전히 막히는 현상

 증기폐쇄의 3가지 원인

•  낮은 연료압력: 고고도에서는 탱크 내의 연료에 작용하는 압력이 낮아 연료의 비등점을 낮게 하고 기포를 형성시키는 원인이 되어 연료 흐름속에 갇힌 이런 증기가 원인이 됨
•  높은 연료 온도: 엔진의 열을 전달받아 연료라인과 펌프내에 있는 연료가 증발하는 원인이 됨
• 연료의 불규칙 흐름: 탱크에 있는 연료의 파동, 엔진 구동 펌프의 기계적인 작용, 그리고 연료 관에서 급격한 방향변화등은 증기주머니를 형성하여 원인이 됨

증기페쇄를 억제하는 방법:

• 연료라인을 열원에서 멀리하고, 연료라인의 방향이나 직경의 변화를 피해야 함.
• 부스트 펌프 적용: 연료라인내 연료를 가압함으로서 기포 발생을 예방 한다.
• 증기분리기를 적절한 위치에 장착하여 연료내 공기를 제거한다.

기본 연료계통 구성품

• 연료탱크, 부스터 펌프, 배관, 선택밸브, 필터, 엔진구동펌프, 연료압력계등
• 가스터빈엔진의 연료계량계통 : 엔진구동펌프, 연료유량 트랜스미터, 전자 식 엔진제어장치를 장치한 연료조정장치, 분배장치, 흐름분할기, 연료노즐

터빈엔진 연료계통의 일반적인 요구사항

• 연료계통은 어떠한 운전조건에서도 출력을 증감시키는데 있어 연료 유량을 적절히 공급할 수 있어야 한다.
• 만약 연료의 유량이 흡입공기의 질량보다 과도하다면, 터빈블레이드의 한계온도 초과 나 압축기 실속이 발생할 수 있다.
• 최근의 가스터빈엔진은 그 엔진의 연료유량 을 자동 조종할 수 있는 장치들이 장착되어 있다.

가스터빈엔진의 연료 조종 계통

• 3가지의 기본적인 연료조정장치 : 유압-기계식, 유압기계/전자식, 전자식 통합 제어 엔진 제어

유압-기계식 연료조정장치의 특징

• 초창기 연료조정장치
• 정확한 연료유량 공급을 위해 수감계산부분 과 유량조절 부분으로 구성
• 수감부는 RPM, 압축기출구압력,연소실압력, 배기가스온도,흡기온도/압력등을 기계적인 감지한다.
• 유량부는 감지된 수치에 의해 기계적인 캠 과 밸브를 통해 연료를 공급한다.

유압기계식/전자식 연료조정장치의 특징

• 기본적인 유압기계식에 전자조정자치 추가
• 연료유량 산정/공급을 위한 EEC 추가
• 연료유량은 자동모드에서는 EEC가 관리, 수동모드에서는 기계식으로 작동
• 엔진이 정상작동시 EEC는 연료산정 관리, EEC고장시, 조종사는 수동모드를 선택하여 유압기계식 제어 하에 다소 감소된 출력으로 엔진을 작동한다.
• 전자식 엔진 제어장치(EEC)는 항공기로부터 많은 신호를 받아 연료유량을 산정한다.
• 항공기에서는 입구압력, 기류차압, 입구온도, 스로틀 움직임에 따른 PLA 변화등
• 엔진으로부터는 팬속도, 압축기속도, 터빈온도, 팬출구온도, 압축기출구압력등
• 모든 신호를 산출하여 현재 조종사가 원하는 출력에 맞는 연료유량을 산정/공급
• 전자식 엔진 조정장치(EFCU):
• 실시간으로 엔진의 작동신호와 조종사의 요구사항을 전기신호로 받는다.
• 미리 정해진 엔진운영한계 값과 실시간 값 을 계산하여 연료유량을 산정한다.
• EFCU와 항공기, 엔진은 Wiring Harness로 연결되어 전기적인 신호로 소통한다.

전자식 통합 제어 엔진 제어식 연료조정장치의 특징

• 전자식 통합엔진제어장치(FADEC)
• 가장 최신의 터빈엔진 모델에서 연료유량 제어
• FADEC, EEC, Fuel Metering Valve 구성
• FADEC은 엔진의 모든 변수를 EEC와 상호 공유하며, EEC는 연료유량을 산정하여 Fuel Metering Valve를 통해 연료유량를 조절한다.

연료조종장치 중 물분사계통

• 더운 날씨에 추력은 공기밀도가 감소하기 때문에 줄어든다. 이것은 압축기 입구 또는 디퓨저 케이스에 물을 분사형 보상시킨다. 이것은 공기온도를 낮추고 공기밀도를 증가 시킨다.
• 물 분사시 속도 조절을 더 높은 값으로 설정하여, 연료조절장치는 RPM을 증가시켜 추력 증가의 효과를 가져옴.

연료계통의 작동

• 연료펌프는 항공기 연료계통에서 연료를 받는다.
• 펌프는 연료를 가압하여 연료/ 오일 냉각기 로 연료를 보내준다.
• 필터를 통과한 연료는 연료조절장치로 보내진다.
• 연소를 위해 계량된 연료는 연료 유량기를 거쳐 분배밸브로 보내진다.
• 분배밸브는 일정하게 계량된 연료를 연료 공급매니폴드를 통해 연료분사장치로 보내준다.
• 연료분사장치는 엔진 연소실 내부로 연료를 분사 하게 된다.

연료조정장치의 구성품

• 주 연료펌프, 연료 가열기, 연료 필터, 연료 분사노즐, 연료 매니폴드, 에어블라스트 노즐, 흐름분할기, 연료 여압 및 배출 밸브, 연소실 드레인 밸브

주연료 펌프의 특징

• 엔진 작동시 항상 적절한 압력으로 지속적으로 연료를 정밀하게 공급해야한다.
• 비용량식 (원심펌프) : 
• 1. 연료유량을 조절할 수 있는 펌프
• 2. 엔진의 요구 연료량을 실시간으로 변환하여 공급할 수 있다
• 3. 구조가 복잡하여 제조 및 정비 비용이 비싸다
• 정용량식 (기어펌프) : 
• 1. 항상 일정한 연료유량을 압력에 관계없이 공급할 수 있다.
• 2. 구조가 단순하고, 신뢰성이 높다.
• 3. 필요 이상의 연료를 항상 보내기 때문에 열 발생이 많다.
• 4. 여분의 연료를 바이패스 시켜 되돌려 보내 는 압력릴리프밸브가 필요하다.

주연료 펌프의 작동 방식

• 연료는 부스터 펌프에 의해 고압의 기어펌프로 보내지며, 고압으로 압축된 연료는 연료조정장치로 보내진다.
• 압력 릴리프 밸브는 필요한 양 이산의 연료를 재순환시킴으로서, 과도한 압력으로 부터 연료 계통을 보호한다.

연료가열기의 특징

• 연료히터 또는 연료-윤활유 냉각기는 연료 부스터펌프와 주연료펌프필터 사이에 위치 하며, 연료필터스크린의 결빙을 예방한다.
• 연료속 수분에 의해 발생하는 얼음 결정이 생성되는 것을 막는다. 결빙되면, 연료필터 가 막히게 되고 연료는 필터를 우회한다.
• 보통 연료의 가열은 일정 온도가 감지되면, 자동적으로 작동한다.

연료 필터의 특징

• 저압필터는 엔진구동연료펌프와 연료탱크 사이에 장착되어있다.
• 고압필터는 연료펌프와 연료조정장치 사이 에 장착되어 있다.
• 필터는 막힐경우 바이패스 밸브에 의해 우회하여 계속적으로 공급하도록 되어있다.
• 필터의 일반적인 종류로는 미크론필터, 웨이퍼스크린 필터, 평스크린 필터가 있다.
• 각 필터는 각 요구되는 부분에 사용된다.
• 미크론필터는 더 미세한 이물질 제거를 하기 때문에 연료탱크와 엔진사이 설치한다.
• 섬유소물질의 필터는 수분까지도 흡수한다.
• 웨이퍼 스크린형 필터는 청동, 황동, 철로 되어 스크린 원반을 겹으로 하여 되어있다.
• 미세한 입자를 제거하며, 고압에 강하다.

연료 매니폴드의 특징

• 각 연료 노즐로 분배하여 연료 공급
• 1차 연료와 2차 연료를 분리해서 공급, 또는 1차 / 2차 연료를 동시에 공급
• 최근 전자 제어되는 연료계통은 1개의 매니 폴드에 의해 공급되는 구조도 있음
• 연료 분배 밸브를 장착하여 연료노즐의 위치에 따라 연료 흐름을 원활하게 공급해야 한다.

연료 분사 노즐의 특징

• 연료 노즐은 여러가지 작동 조건에서 빠르 고 확실한 연소가 이루어 지도록 연소실에 연료를 미세하게 분무하는 장치
• 종류 : 분무식, 증발식
• 분무식은 노즐을 사용해서 고압을 연소실에 연료를 분사시킴, 단식과 복식이 있음
• 증발식은 연료가 1차공기와 함께 증발관 가운데로 통과하면서 연소열에 의하여 가열, 증발하여 연소실에 혼합가스를 공급
• 분무식 단식노즐은 구조가 간단, 연료의 압력과 공기 흐름 변화에 따라 연료를 충분 히 분사시켜 주지 못하여 현재 사용 안함.
• 복식노즐은 1차 연료는 중심 작은 구멍, 2차 연료는 가장자리 큰 구멍을 통해 분사
• 1차 연료는 시동시 분무형태로 분사, 2차 연료는 좁은 각도로 멀리 분사

연료 계통의 흐름도

• 연료탱크 → 승압펌프 → 선택 및 차단밸브 → 주연료펌프 → 연료여과기 → 연료조절 장치 → 연료유량계 → 연료 윤활유 냉각기 → P&D 밸브 → 연료 매니폴드 → 연료노즐