[회전익항공기] 헬리콥터 시스템 구성(엔진)

헬리콥터 시스템의 구성

회전익 항공의 시스템에 대한 지식과 경험이 많을수록 항행 중에 발생하는 잠재적인 문제점을 보다 용이하게 인지하고, 문제가 발생하였을 때 즉각적인 조치를 할 수 있게 도움을 줍니다. 하여 기본적인 헬리콥터의 구성을 살펴보겠습니다.

 

엔진

엔진 종류는 왕복엔진(피스톤엔진)과 터빈엔진이 있습니다. 통상 왕복엔진은 소형기에 많이 사용하고 대부분의 항공기들은 터빈엔진을 사용하고 있습니다.

1. 왕복엔진

왕복엔진은 하나의 회전하는 크랭크 축에 연결된 여러 개의 피스톤으로 구성되어있습니다. 통상 4 행정(four-stroke) 엔진이며 동력발생을 위해 4가지의 주기운동을 합니다.

1-1. 흡입행정(intake stroke)

흡입행정은 피스톤이 실린더 헤드에서 가장 멀리내려가고 흡입밸브가 열려 연소실에 공기와 연료가 혼합되어 들어오는 단계입니다.

1-2. 압축행정(compression stroke)

흡입밸브가 닫히고 피스톤이 혼합된 공기와 연료를 압축하여 일정 압이 되면 점화플러그가 작동하여 혼합공기를 점화하는 단계입니다.

1-3. 폭발행정(power stroke)

혼합가스가 연소하면 부피가 급팽창되게 됩니다. 이때 실린더 헤드에서 피스톤을 밀어주어 크랭크축이 회전하게 됩니다.

1-4. 배기행정(exhaust stroke)

배기밸브가 열리면서 아래로 내려온 피스톤이 다시 실린더 헤드 쪽으로 올라가면서 가스를 배출하게 됩니다.

위 네 가지 방식이 각각의 기통에서 서로 다른 행정의 운동을 하게 되면서 크랭크축은 계속해서 회전하게 됩니다.

2. 터빈엔진

대부분의 회전익항공기에 장착하고 있는 가스터빈엔진은 압축기, 연소실, 터빈, 기어박스로 구성되어 있습니다. 흡입된 공기를 압축기가 압축하여 연소실로 보내고 연소실에서 분무상태로 분사된 연료와 압축공기를 점화시켜 연소가스가 팽창하게 합니다. 이 가스의 압력이 터빈을 돌리게 되고 이 1차 터빈이 2차 터빈을 돌리며 압축기와 메인로터를 회전시킵니다. 터빈을 돌린 연소가스는 배기출구를 통해 배출됩니다.

2-1. 압축기

압축기는 축류형 압축기와 원심형 압축기 두 가지 방식이 있습니다. 축류형 압축기는 회전체와 고정체 두 가지가 있고 이 요소에는 수많은 깃(blade)으로 구성되어 있습니다. 회전체가 회전하면서 공기를 빨아들여 고정체로 보내고 고정체는 공기흐름의 속도를 줄여주고 압력을 높여주어 디퓨저 역할을 합니다. 즉 압축기는 필요한 공기의 양과 압력을 얻을 수 있도록 여러 줄의 고정깃과 회전깃으로 배열되어 있습니다. 원심형 압축기는 임펠러와 디퓨저 그리고 매니폴드로 구성되어 있습니다. 여러 개의 깃과 몸체로 구성되어 있는 임펠러는 고속으로 회전하며 공기를 디퓨저로 보내주게 됩니다. 디퓨저는 공기흐름의 속도를 떨어뜨리고 정압을 올림으로써 고압의 압축공기를 만들어 냅니다. 이러한 압축공기가 매니폴드를 통해 연소실로 들어가게 됩니다.

2-2. 연소실

피스톤엔진과는 달리 터빈엔진에서는 연소가 연속에서 이루어지게 됩니다. 시동 시에만 점화플러그로 점화를 시키며 지속적으로 압축공기와 연료가 공급되는 한 계속해서 연소가 이루어집니다. 만약 흐름에 문제가 생기게 되면 '플레임 아웃'이 발생하게 되고 이 경우 재시동을 하게 됩니다. 일부 회전익항공기는 자동점화장치가 장착되어 있어 엔진이 꺼졌을 때 자종적으로 점화장치가 작동하여 연소가 이루어지도록 하고 있습니다.

2-3. 터빈

터빈은 몇 개의 터빈판으로 구성되어 일부는 압축기를 돌리고 일부는 회전익을 돌리게 됩니다. 통상 먼저 돌아가는 터빈을 N1이며 '가스생산기'라고도 불립니다. 일반적으로 N1터빈이 구동하는 구성품은 압축기와 윤활유 펌프, 연료펌프가 있습니다. 그다음 돌아가는 터빈은 N2 또는 Nt라고 부르며 동력터빈이라고도 부릅니다. 이 N2 터빈은 엔진기어박스를 통해 회전익과 관련 구성품을 구동시키게 됩니다. 즉 N1 터빈이 돌기 시작하면 발생되는 가스로 N2터빈을 돌리게 되고 이 N2터빈은 기어박스를 거쳐 출력축을 구동시키게 됩니다.