1.9 보조 동력 장치(APU)

2023.03.16 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.8 추력 추진 항공기 – 터보팬, 터보제트 및 램제트 엔진

 
항공기 APU는 일반적으로 항공기에서 다음과 같은 몇 가지 기능을 수행합니다.
 
. 메인 엔진 시동
. 특히 더운 기후에서 지상 유휴 상태일 때, 항공기 보조 시스템에 냉각 공기 공급
. 항공기 시스템의 지상 점검을 포함하여 주 엔진이 정지될 때, 전력 공급
 
이러한 기능은 항공기가 지상에 있을 때 자급자족할 수 있도록 합니다. 또한, APU는 메인 엔진이 꺼진 경우, 전기 시스템에 전원을 공급하기 위해 비행 고도에서도 작동해야 합니다. 이런 특성은 특히, 플라이 바이 와이어(Fly by wire) 항공기에 매우 중요합니다. 낮은 비행 마하수의 경우에는 크랭크 작동 지원을 통해서 엔진을 재가동하는 데 도움을 주게 됩니다. 근래까지 새로운 개발은 드물었지만, APU 작동이 간헐적이지 않은 최신 항공기의 운용 상황에 맞도록 APU의 정교함이 증대되고 있습니다. 민수품의 경우, APU 요구 사항은 시작 소요 시간이 1초 미만인 군용 항공기의 진보된 시스템과 비행 범위 모든 영역에서의 작동이 포함될 수 있습니다. 현재 통상적인 시작 소요 시간은 상공 15,000미터에서 약 6초입니다. 동력 및 블리드 오프테이크에 의해 추진 엔진 설계에 악영향을 미치지 않는 영구 운영 동력 장치의 유용성에 대한 연구가 이따금 있었습니다. 역사적으로 APU의 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.
 
(1) 낮은 개발 비용 및 단가
(2) 높은 신뢰성과 유지 보수성
(3) 낮은 부피와 무게
(4) 좋은 SFC
 

1.9.1 가스 터빈 대 피스톤 엔진

항공기용 APU는 거의 독점적으로 단순 사이클 가스 터빈입니다. 가스 터빈엔진은 축 출력 단위당 무게와 부피 측면에서 출력 밀도는 약 4.4kW/kg 및 8MW/m3로 피스톤 엔진보다 훨씬 우수합니다. 이 같은 특징 덕분에 더 낮은 단가에도 불구하고 피스톤 엔진을 사실상 비실용적으로 만듭니다. 하지만 작동이 간헐적인 경우, 연비가 부차적인 문제가 됩니다.
 

1.9.2 주요 항공기 등급의 APU 동력 요구 사항

APU의 출력 동력 범위는 10kW~300kW이며, 추가 터빈 동력이 필요한 곳에서는 블리드가 함께 공급됩니다. 그림 1.16은 생산 중인 항공기에 사용되는 APU의 구체적인 사례를 보여주고 있습니다.
 

1.9.3 APU 구성

모든 APU 구성에서 원심 압축기가 독점적으로 사용되며, 종종 방사형 유입 터빈이 사용되고 있으며 때로는 비용을 절감을 위해 모노로터로 결합되기도 합니다. SOT 수준은 일반적으로 터빈 냉각의 필요성을 최소화하기 위해 1250~1260K 수준입니다. 압력비는 일반적으로 4:1에서 8:1 사이이지만 더 높은 수준으로 상승하고 있는 경향이 있습니다.
APU의 가장 일반적인 형태의 기능은 주 엔진에 장착된 공압식 터빈 시동기(Air turbine starter)에 고압 공기를 제공합니다. 이를 공압식 APU라고 합니다. 공기는 일반적으로 주변 압력 보다 약 5배 이상 수준으로 공급되어야 하며, APU는 고온 기후에서 주 엔진 시동이 가능하도록 크기가 조정되어야 합니다. 가장 일반적인 공압식 APU는 일체형 블리드가 있는 단일 샤프트 가스 터빈입니다. 여기에서 엔진은 단일 스풀 구성이지만, 압축기 전달을 통해서 공압 공기의 블리드를 포함하고 있습니다. 이와 같은 구성은 가장 단순한 단위 구성이므로 소요 비용이 가장 낮게 됩니다. 또한, 발전기 또는 펌프는 전기 또는 수력을 제공하기 위해서 스풀에서 구동될 수 있습니다. 이와 관련하여 펌프 또는 발전기뿐만 아니라, 원심 부하 압축기를 구동하는 단일 샤프트 가스 터빈의 인기가 높아지고 있습니다. 이 같은 구성은 비용이 더 많이 들지만, 단위 질량 및 부피당 출력이 가장 높습니다. 적은 수의 APU의 경우, 고압 공기를 공급하는 대신 기어박스와 클러치를 통해 주 엔진 HP 샤프트에 직접 토크를 적용합니다. 이를 제트 연료 스타터라고 합니다. 이러한 경우 APU는 적절한 부분 속도 토크 특성을 제공하기 위해 종종 자유 동력 터빈 구성을 갖습니다.

 

 
 
※ 보조 동력 장치(auxiliary power unit, APU)는 항공기에 보조적인 동력을 공급하도록 만들어진 장치입니다. 항공기의 엔진을 시동시키거나 전기와 공기 등을 기내에 공급하기 위해서 사용되는 것으로, 항공기의 추진력을 발생시키지는 않습니다.
주엔진에 문제가 발생한 경우와 같이 특수 상황에서 주엔진이 추진과 발전 및 공기의 공급을 모두 원활하게 할 수 없는 경우, APU를 재가동시켜 항공기의 비행에 필요한 최소한의 전기와 산소를 다시 공급하게 됩니다. 예를 들면, 주엔진이 두 개인 쌍발기의 경우, 순항 도중에는 주엔진 두 개가 추력과 함께 기내에 필요한 전기와 공기 등을 공급하기 때문에 APU는 사용되지 않습니다. 그러나, 두 개의 엔진 중 하나에 문제가 생겨 그 기능이 정지하면, 남은 하나의 엔진이 발생시키는 동력은 모두 비행에 필요한 추력을 발생시키는 데에 사용되며, 전기와 공기를 공급하는 역할은 APU가 이어받게 됩니다. 만일 주엔진이 모두 정지되어 엔진으로부터 발생하는 추력이 없게 되는 경우가 발생하더라도, APU에 의해 발생되는 전기와 유압을 이용하여 조종면을 조작하는 것이 여전히 가능하기 때문에, 항공기는 동력이 없더라도 활공하여 인접한 공항에 착륙하는 것이 가능해지게 됩니다. 대형 여객기의 경우, APU는 주로 기체의 꼬리 부분에 장착되며, 여객기의 꼬리 부분에서 볼 수 있는 구멍이 APU의 배기구입니다.
 

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