제13장 터빈엔진 윤활제와 윤활계통 (Turbine-Engine Lubricants and Lubricating System)

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1 제13장 터빈엔진 윤활제와 윤활계통 (Turbine-Engine Lubricants and Lubricating System)

2 제3장 터빈엔진 윤활제와 윤활계통(Turbine Engine Lubricants and Lubricating System)
3-1. 가스터빈엔진 윤활(Gas-Turbine Engine Lubrication) 예전의 가스터빈엔진에 사용하던 오일은 피스톤엔진에서 사용하는 오일보다는 묽은 것을 사용하였다. 그러나 천연의 오일과 같은 것이었으므로 가스터빈의 고속, 고온으로 작동할 때 천연오일은 산화되어 필터와 오일통로를 막히는 경우가 발생하여 가스터빈 엔진을 위한 낮 은 점도의 합성오일을 개발하여 이전의 천연오일에서 발생하는 많은 문제점을 해결하였다. 󰊱 윤활오일(Lubricating Oils) 가스터빈 엔진을 위한 윤활용 오일은 합성-형(Synthetic-type) 윤활유를 사용한다. 여기 서 합성의 의미는 석유원유로부터 관습적인 방법에 의하여 정유를 통하여 얻는 것이 아니라 는 뜻이다. 석유계열의 윤활제는 현대의 가스터빈엔진에 사용하기에는 적당하지 않다. 그 이 유는 엔진이 작동중에 높은 온도에 접하기 때문이다. 높은 온도는 때에 따라 500℉(260℃)를 넘기도 하며, 이러한 온도에서는 석유계열의 오일은 분해된다. 즉 오일이 증발하여 점화의 우려가 있으며, 탄소 찌꺼기와 끈적끈적한 침전물이 생겨 오일의 특성인 윤활의 특성이 급격 히 약화된다. 합성오일(Synthetic Oil)은 높은 온도에 잘 견디며, 좋은 윤활을 부여한다. 최초에 승인된 합성오일은 MIL-L-7808과 우리가 알고 있는 Type-Ⅰ으로 알킬-다이에스터(Aklyl Diester: 지방족의 포화 탄화수소)오일이다. 수년이 경과하는 동안 Type-Ⅱ오일인 포리에스터 (Polyester)가 나와 보다 만족스러운 윤활제인 MIL-L-23699를 사용하게 되었다. 가스터빈엔진을 위한 윤활제(오일)는 필히 여러 가지 형태의 시험에 통과하여 요구되는 특성을 가져야 한다. 시험해야할 특성은 비중(Specific Gravity), 산성화의 경향(Acid- Forming Tendencies), 금속 부식성(Metal Corrosion), 산화안정(Oxidation Stability), 증기로 되었을 때의 탄소함량, 기어의 걸림, 탄성효과와 베어링역할 등이다. 이러한 시험은 모든 작 동 조건 아래에서 만족스러워야 한다. 합성오일의 점도(Viscosity of Synthetic Oil) 가스터빈엔진에 사용하는 합성오일의 점도는 일반적으로 cgs(centimeter-gram-second)단 위계의 기본단위로 표시되며, 이 cgs단위계에서 절대점도계수의 단위는 Poise(P)를 사용한 다. Poise는 불란서의 생리학자 Jean L.M. Poiseuille(1799～1867)에 이름을 따서 Poise(P)라 한다. 임의의 평판 사이에 오일 피막을 만들어주고 평판을 힘을 가하여 일정한 속도로 움직 여 오일의 점도를 측정하는 방법이다. 만약 오일 층의 두께가 1㎝이고, 평판을 1㎝/sec의 속 도로 움직일 때 총 사용한 힘이 dyne이라 하면, 이 힘을 평판의 넓이(㎠)으로 나누어 나온 값을 절대점도계수라 한다. 즉 오일의 두께가 1㎝이고, 평판의 넓이를 1㎠라 할 때 1dyne의 힘으로 1㎝/sec로 움직였을 때 평판에 오일의 절대점도계수를 1 Poise(P)라 한다. 가스터빈에 사용하는 오일의 절대점도계수는 1이하의 것을 사용한다. centi-Poise(1 cP = 0.01 P)는 점도를 나타내는 기본단위로 사용한다. 오일에서 점도는 중대한 요인이 되므로 가스터빈 윤활제의 특성을 설립하는데 운동점도 (Kinematic Viscosity)을 위한 단위는 공통된 실습에 의하여 만들어지며, 운동점도를 위한 단위는 Poise와 같은 방법으로 측정된다. 액체의 밀도가 1g/㎤일 때 운동점도는 Stokes(s)로 표시하며, (㎡/s×10-4) 또는 centimeter-Stokes(cSt)로 나타낸다. 즉, 운동점도 Stokes는 액체 의 밀도 g/㎤로 Poise(절대점도계수)를 나눈 값이 된다. 또한 오일의 점도는 Saybolt Universal 점도가 있으며, 운동점도 5 cSt는 세이볼트 점도 약 42.6이 된다. 이것은 일반적으로 20-weight Oil로서 알고 있는 것과 같다.

3 󰊲 합성윤활제의 취급 주의 합성윤활제의 취급에 있어서 필히 강조해야 할 것은 석유계열 윤활유에서 요구되지 않는 주의사항이 있다는 것이다. 합성윤활유는 강한 솔벤트 특성을 가지고 있기 때문에 침투가 되 면 녹는 페인트, 에나멜과 같은 물질에 침투되지 않도록 해야 하며, 추가해서 합성오일이 표 면에 묻거나 또는 남아 있다면 물리적 위험이 있으므로 정비사는 취급할 때 분무되거나, 피 부에 묻거나 하지 않도록 해야 한다. 만약 엎지르거나 피부에 묻었다면 즉시 세척제를 이용하 여 닦아야 한다. 정비사는 항공기에 윤활유를 교환 또는 추가로 공급할 때에는 정확한 타입과 등급을 확 인하고 다른 종류의 윤활유가 희석되지 않도록 해야 한다. 오일을 다른 타입으로 교환할 때 에는 제작사의 정비교범을 참조 하여 절차에 의하여 수행해야 한다.

4 3-2. 윤활계통의 구성부품(Lubrication System Components)
󰊱 오일탱크(Oil Tank) 오일탱크는 각 엔진에 장착되어 있으며, 클렘프(Clamp Strap)에 의하여 고정되어 있다. 오일 탱크는 [그림13-1]에서 보는 것과 같이 구성되어 있으며. 엔진 오일을 충분히 저장하고, 안전과 냉각을 위해 외부에 저장시키는 장치이다. 탱크 내부의 배플(Baffle)은 탱크 안에서 오일이 요동(흔들림)치는 것을 방지(최소화시킴)시키는 역할을 한다. 공기 분리기(De-aerator)는 탱크 안에 내장되어 엔진으로부터 귀환되는 오일을 원심력을 이용하여 오일로부터 공기방울(거품)을 분리시켜 분리된 공기는 밴트 관을 통하여 외부로 배출시킨다.

5 󰊲 압력 오일펌프(Pressure Oil Pump)
압력오일펌프는 [그림13-2]에서와 같이 기어-형 펌프로서 엔진에 의하여 구동된다. 압력펌프는 엔진오일 분배계통에 포함되어 있으며, 오일계통 중에서 높은 압력을 만들어 엔진 베어 링 부분, 보기구동부분과 기타 엔진에 의해 구동되는 부품의 윤활유를 공급한다. 오일의 압력은 엔진에 의해 구동되는 쌍으로 맞물려 회전하는 기어와 펌프의 케이스 사 이로 오일이 흡입되어 이송되면서 압력이 만들어지며, 정압(Positive Pressure)는 40～100psi (275.8 ㎪～689.5 ㎪)로서 엔진 베어링에 분사시킨다. 󰊳 오일 배유계통(Scavenge Oil System) 가스터빈엔진에서 오일 배유계통은 드라이-섬프 (Dry-Sump)형 윤활계통으로 된 엔진에서 엔진을 윤활 시킨 오일을 엔진으로부터 엔진 외부에 장착된 오일 탱크로 귀환시키는 계통을 말한다. 이 오일 배유계통은 펌프의 구성이 다단계(Multi- stage)로 되어 있어 간 단계의 펌프 요소는 엔진의 각 부분에 위치한 베어링 공방에 고여있는 오일을 흡입하 여 탱크로 귀환시킨다. 배유오일펌프(Scavenge Pump) 는 다단으로 구성되어 압력펌프보다 용량이 크며, 그 이유는 윤활을 시킨 오일은 온도가 뜨겁고, 오일에 공 기가 희석되어 체적이 커졌기 때문이다 배유펌프의 작동도 압력펌프와 같은 방법으로 되며, 이러한 오일 압력펌프와 배유펌프의 설계와 작동 에 대한 자세한 설명은 제1부 왕복기관 제4장에 잘 서술되어 있으므로 참고바람.

6 󰊴 오일여과기(Oil Filter) 주 오일펌프의 압력부분인 펌프의 출구로부터 나온 고압의 오일은 주 오일 필터로 들어간다. 가스터빈에 사용되는 필터는 [그림13-3]에서와 같이 압력오일필터(Pressure Filter)와 배유오일필터(Scavenge Filter)로 구성되어 있으며, 압력필터의 입구로 들어온 오일은 필터 카트리지(Cartridge)를 돌아 여과된다. 즉, 입구로 들어온 오일은 카트리지의 중앙을 거쳐 카트리지의 여과지 또는 망을 거쳐 밖으로 빠져 나오면서 여과되어 엔진 윤활 부분으로 간다. 만약 카트리지가 오물에 의하여 막히게 되면 필터몸체 상부에 위치한 압력 릴리프밸브(바이 패스밸브)통하여 오일은 카트리지를 거치지 않고 바이패스 되어 직접 엔진으로 들어간다. 이 릴리프밸브의 작동압력은 입구와 출구의 압력차가 14～16psi(96.53～110.32㎪)정도 작용하면 밸브는 열린다. 필터의 망(mesh)의 크기는 미크론(microns)으로 측정되며, 아주 섬세한 망으로 되어 있 다. 예로서 적혈구의 직경이 약 8미크론의 크기이다. 이렇게 아주 작은 구멍을 통하여 오일 이 통과하므로 오일 속에 함유된 미세한 오물이라도 여과시킬 수 있는 능력을 가지고 있다. 필터에 대한 상세한 냉용은 제1부 왕복기관 제4장에 서술되어있다. 참고바람.

7 󰊵 자석식 금속조각 검출기(Magnetic Chip Detector : MCD)
자석식 금속검출기(MCD)는 배유관(Scavenge Line), 오일탱크하부, 보기구동 기어박스 섬프 부분 등에 장착되어 있으며, 만약에 필요하다면 엔진의 각각의 요소에 설치할 수 도 있다. 자석식 금속검출기는 [그림13-4]에 도해되어 있으며, 이 도해는 오일필터 케이스에 장착된 것으로 펌프 치차의 마모 또는 엔진 베어링부분의 마모 등으로 자성체 금속 가루가 발생하면 이 영구자석에 붙게 된다. 일정한 주기마다 이 검출기를 장탈 하여 엔진의 상태를 점검하고, 필요하다면 필터를 장탈하여 검사를 한다. 일부의 항공기에는 이 검출기의 중심부인 영구자석에 감지 선을 연결하여 금속이 붙으면 접지 되도록 되어 있다. 이때 전기회로가 연결되어 조종석에 있는 경고등이 들어와 조종사에게 상태를 지시하도록 하는 계통이 마련되어 있기도 하다. 금속이 검출되면 엔진에 대한 세심한 점검이 요구된다.

8 󰊶 오일냉각기(Oil Cooler) 오일냉각기는 [그림13-5]와 같 이 냉각-연료를 이용하여 오일 을 냉각시키는 장치로 많은 종 류의 엔진에서 사용되어지고 있 다. 냉각 공기를 이용하는 항공 기도 있으나 아직은 널리 사용 되지 않고 있는 실정이며, 이렇 게 공기를 이용한 오일 냉각기 는 Hot-Tank 계통이 장착된 엔 진에서만 유용하다. 엔진연료-오일 냉각기의 구 성은 [그림13-5]에서와 같이 바깥 쪽 케이스와 내부에 냉각 심 (Cooling Core)으로 되어 있다. 작동방법은 엔진 연료계통의 연료조절장치로부터 계량된 연료가 내부에 있는 냉각 심을 통하여 통과하고, 윤활을 마치고 귀환되는 뜨거운 오일은 냉각 기의 오일 입구로 들어와 냉각 심 주위를 그림에서의 화살표방향과 같이 돌아 나갈 때 오일 의 뜨거운 열은 차가운 연료로 전도되어 오일은 냉각되고 연료는 더워지는 열교환 방식을 이용하여 오일을 냉각시킨다. 이러한 냉각기를 연료/오일열교환기(Fuel/Oil Heat Exchanger)라 한다. 이때 연료와 오일은 절대 희석되지 않으며, 만약에 냉각기가 내부에서 파손되었다 면 오일 바이패스 밸브가 작동하여 오일을 냉각 심을 거치지 않고 직접 출구로 빠져나가도 록 한다.

9 󰊷 오일 통기계통(Oil Breather System)
엔진오일 통기계통은 엔진의 베어링공방, 보기구동 기어박스와 오일탱크에 설치되어 있으며 오일에 포함된 공기방물이나 증기를 보기구동 기어박스 안에 있는 원 심형 분리기에 의하여 오일과 분리하여 밴트 관을 통하여 밖으로 배출시키는 계통이다. 원심형 통기장치는 [그림13-6]에서 그 구성요소를 볼 수 있다.

10 󰊸 오일 지시계통과 경고계통 오일의 압력과 온도는 엔진작동에서 매우 중요한 자 료가 되므로 이러한 상태를 조종실에 지시계통을 통 하여 조종사에게 알려주는 계통으로 [그림13-7]에 오일 의 압력지시와 경고계통을 보여주고 있다. 오일의 탱크용량의 지시계통의 구성은 전기-용량형 탱크장치(Tank Unit)가 전기 용량 브리지 회로 형태로 지시계와 전기적으로 연결되어 있다. 오일의 용량이 변 하면 탱크 장치의 전기 용량이 변하고, 그 결과로 전류의 흐름은 모터의 작동을 이용해 계기 안에 있는 전위차계의 와이퍼의 위치를 변화시켜 회로를 재균형 시킨다 이때 계기의 원주형 지침은 전위차계 와이퍼와 연결되어 있어서 와이퍼의 움직임은 오일량을 지시한다. 오일압력 지시계통의 구성품은 오일압력 전송기(Transmitter)와 계기(Indicator)로 되어 있으며, 압력전송기는 오일 메니폴드에 연장된 관을 통하여 압력을 감지하고, 한쪽으로는 대 기압을 감지한다. 이 두개의 압력 사이의 차압을 측정하여 이것을 전기신호로 변환시켜 오일 압력계기에 보내 계기가 지시토록 한다. 오일온도 지시계통의 구성은 오일온도계기와 온도감지 벌브(Bulb)로 되어 있다. 오일온도 감지 벌브에는 저항요소가 내장되어 있으며, 온도에 따라 저항 값의 변화를 이용한다. 벌브의 저항은 계기 안에 있는 변위코일을 통하여 흐르는 전류를 조절하게 되고, 이에 따라 지시침 의 변위(각도)가 변하여 해당온도를 지시하게 된다. 계기판에 있는 경고등은 [그림13-7]에서와 같이 오일의 압력이 규정치보다 낮아지거나 또 는 필터가 막히어 차압이 커져 바이패스밸브가 작동하면 들어오도록 되어 있다.

11 [그림13-7] Low Oil Pressure and Oil Filter bypass Warning System

12 3-3. 윤활계통 (Lubricating System)
가스터빈엔진의 윤활계통은 각각의 엔진의 특성과 항공기의 특성에 맞도록 설계되어 있으며, 그 종류도 여러 가지 형태이지만 엔진 윤활계통에서 오일 순환계통은 3가지 기본형식으로 압력릴리프밸브(Pressure Relief Valve)계통, 전량-흐름(Full-Flow)계통과 전량 손실(Total- Loss)계통으로 이러한 형태의 차이는 엔진 베어링에 흐르는 오일을 어떻게 조절 또는 제어하는가 이다. 󰊱 압력 릴리프밸브 계통(Pressure Relief Valve System) 압력 릴리프밸브계통은 엔진 베어링 챔버에 흐르는 오일의 공급 관에 따라 압력제한에 따라 조절되는 형태로 압력의 조절은 릴리프밸브 안에 설치된 스프링 하중을 이용하여 행하 여진다. 제한압력보다 큰 여분의 압력은 바이패스 되어 오일탱크 또는 압력펌프의 입구로 귀 환된다. 밸브의 스프링 하중은 엔진이 완속속도에서 펌프의 정상압력보다 조금 높은 압력에서 열 리도록 조절되어있다. 그러나 엔진이 정상작동 중에도 일정한 량의 공급압력을 유지한다. 만 약 엔진의 속도가 증가하면베어링 챔버의 압력이 급격히 상승하게되고 베어링 챔버와 오일 제트 사이의 차압이 감소하게되어 오일의 흐름이 감소하게되는 경우가 발생할 때 즉, 압력이 떨어지는 것은 압력 릴리프밸브의 스프링 하중을 조절하여 베어링 챔버로 흐르는 오일의 압 력을 증가시켜 해결할 수 있기 때문에 높은 엔진속도에서도 일정한 오일흐름을 유지할 수 있다. [그림3-8]은 터빈엔진 윤활계통에서 압력릴리프밸브와 그 장착위치를 보여주고 있다. 󰊲 충만한 흐름계통(Full-Flow System) 압력릴리프밸브계통은 일부 엔진에서는 만족할만한 오일의 흐름을 유지하지만 낮은 압력 의 베어링 챔버에서는 엔진속도가 증가하면 압력이 따라서 증가하지 못하기 때문에 베어링 챔버에 높은 압력이 요구되는 엔진에는 부적합하다. 이러한 이유에서 개발된 것이 충만한 흐 름계통(Full-Flow System)이 도입하게 되었다. 충만한 흐름계통(Full-Flow System)에는 압력 릴리프밸브의 사용이 필요 없고, 엔진속도 변화 범위에 만족할 만한 흐름을 지원할 수 있으며, 압력펌프로부터의 오일 이송을 직접 오 일 공급제트에 보낼 수 있다. 오일 압력펌프의 용량은 엔진 최대속도에 필요한 흐름 량에 의 하여 결정된다. 이 계통은 압력 릴리프밸브계통보다 낮은 압력펌프와 배유(Scavenge)펌프의 사용이 가능하다. 󰊳 전량 손실계통(Total-Loss System) 전량손실(Expendable)계통은 승압(Boost) 또는 수직상용 엔진에서와 같이 작동시간이 짧 은 엔진에 일반적으로 사용되는 계통으로 계통의 구성이 간단하고, 무게가 가볍다. 즉, 오일 냉각기, 배유펌프, 여과기(Filter) 등이 필요 없기 때문이다. 일부 엔진에서는 엔진 압축기 축으로부터 간접적으로 작동하는 플런저-형 펌프을 사용하고, 또 다른 형태는 연료압력에 의하여 구동되는 피스톤-형 펌프에 의하여 오일을 가압 시켜 윤활이 요구되는 부분에 계속적으로 분사하고, 귀환(Scavenge 또는 Return)계통이 필요 없다. 즉 오일은 순환이 되지 않는 소모 성이다.

13 [그림13-8] Engine Lubrication System (P&W Canada)

14 󰊴 터보팬 엔진의 윤활계통 (Lubrication System for a Turbofan Engine) 가스터빈엔진 윤활계통에서 제일 알려지고 기본이 되는 오일계통은 P&W JT8D엔진의 오일계통을 생각나게 하며, 이 계통은 보잉 727과 737 및 더글러스의 DC-9와 기타 항공기에 적용되고 있다. [그림13-9]는 JT8D엔진의 오일계통을 보여주고 있다. JT8D 터보팬엔진의 윤활계통은 고압설계구조로 압력펌프로부터 주 엔진 베어링과 보기 구동부분에 오일을 공급하는 계통과 베어링 격실과 보기구동부분으로부터 배유(Scavenge) 시키는 계통이 엔진 자체에 포함된 계통으로 구성되어 있다. 통기계통(Breather System)은 각각의 베어링 격실, 오일탱크와 보기구동부분에 별도로 설치되어 있다. 오일은 탱크로부터 자중(중력)에 의하여 기어박스에 있는 주 압력펌프([그림13-9]의 A)로 보내진다. 펌프로부터 가압 된 오일은 펌프 출구 하류에 있는 주 오일 필터(그림 C)로 보내 진다. 필터 카트리지는 여과용 요소(Elements)로 구성되어 있으며, 여과 물질의 입자의 크기 가 46-미크론 이상의 물질은 모두 여과시킬 수 있는 능력을 가지고 있다. 오일의 온도가 150℉(65.56℃)일 때의 흐름은 약 15 gal/min (56.ℓ/min)이며, 깨끗한 필터를 통고할 때 압력 강하는 약 6psi(41.4㎪)이며, 만약 필터가 막혔을 때 최대압력강하는 23psi(158.6㎪)이다. 바이패스밸브가 필터 내부 엘러먼트(Elements)중앙 상부에 있으며, 만약에 필터가 막히면 필터 엘러먼트 입구와 출구의 압력차이가 규정치 이상 발생하면 이 차압에 의하여 밸브의 시트 (Seat)로부터 움직여 필터주위를 통과한 여과되지 않은 오일이 계통으로 들어가도록 한다. 필터를 거친 오일은 엔진의 각 요소에 위치한 윤활이 요구되는 곳으로 이송되고, 계량 오리피스와 빈틈에 의하여 유지된다. 주 오일펌프의 압력조절은 압력조절밸브(Pressure regulating valve)에 의하여 특정한 압력과 흐름을 일정하게 유지시킨다. 압력조절밸브는 [그림13-9]의 “B”에서 볼 수 있으며, 계통으로 들어가는 오일압력이 과도하게 높아지면 밸브가 열려(open) 과도한 압력을 펌프의 흡 입구로 귀환시킨다. 오일의 압력은 엔진 내부의 통기압력(Breather Pressure)에 상대적이고, 오일의 흐름은 고도와 엔진속도에 따라 일정하게 유지된다. 필터를 거친 압력이 조절된 오일은 기어박스를 떠나 연료-오일냉각기(Fuel-Oil Cooler)로 들어간다. 이 오일 냉각기에서 오일의 열은 FCU로 흐르는 연료로 전도되어 오일은 냉각된 다. 만약 오일냉각기가 내부에서 막혔다면 오일냉각기에 있는 바이패스밸브([그림 13-9]의 F) 가 열려 오일은 계속 흐르게 한다. 냉각기를 떠난 오일은 오일 압력 관을 통하여 각각의 베어링 격실(Compartment)로 이송된다. 압력 감지 관은 오일 냉각기 하류 압력관 중간에 위치 하고 있어 베어링 제트에 정량의 오일압력을 유지시키고, 연료-오일 냉각기에서의 압력강화 와 같은 비정상상태를 감지하여 항상 정량의 오일압력을 유지시키는 역할을 한다. 이 압력 감지 관은 [그림3-9]에서 연료오일 냉각기 바로 뒤쪽과 압력조절기와 연결된 검은색의 가느 다란 선으로 표시되어 있다.

15 [그림13-9] P&W JT8D 터보팬 엔진의 윤활계통

16 No. 1 베어링으로 들어가는 오일은 압축기 입구 IGV(Inlet Guide Vane) 밑에 있는 관을 통하여 No
No.2와 No.3 베어링을 윤활 시키는 오일은 작은 여과기를 통하여 3개로 분리된 노즐을 통하여 베어링에 분사된다. [그림3-9]에서 보는 것과 같이 앞쪽에 있는 노즐은 No.2 베어링 에 오일을 직접 분사시키고, 두 번째 노즐(오른쪽 노즐)은 N0.3 베어링에 오일을 분사시키고, 나머지 가운데 있는 노즐은 기어박스 구동축 맨 위에 있는 베어링에 오일을 분사시킨다. 이 렇게 분사된 오일의 흐름은 후방 허브(Hub)에 있는 구멍을 통하여 No.2 베어링 내경으로 흐르고, No.3 베어링 내경의 윤활은 기어박스구동 베벨 기어(Bevel Gear)의 구멍을 통하여 흐 른다. No.4와 No.5 베어링의 윤활을 위한 오일흐름은 엔진 팬 공기 출구 덕트의 왼쪽 8시 방향 에 있는 관을 통하여 엔진 안으로 흐른다. 엔지 안쪽에서의 오일 흐름은 디퓨져 케이스 10시 방향을 위쪽으로 흐르고 2중으로 구성된 No.4 안쪽 통로를 통하여 윤활 시키고, No.4 베어 링 지지 축 안쪽으로 통기관(Breather Tube)이 지나고 있다. 엘보(Elbow)를 통하여 뒤쪽으 로 흐르는 오일은 No.4 베어링 다중통로 오일 노즐 안으로 흐른다. No.4베어링 오일노즐 모두개는 안쪽 통로에 입구가 있고, 출구는 밑 쪽에 있어 직접 No.4 베어링을 윤활 시키고, 출구 통로를 따라 뒤쪽으로 흐른다. 오일 필터는 안쪽통로에 위 치하고 있다. 출구 통로는 위쪽에 있는 No.5 베어링 오일노즐의 긴 관을 따라 뒤쪽으로 연 결되어 있다. 오일의 흐름은 이 관을 통하여 No.5 베어링에 직접 분사되어 윤활 시키고, 윤 활 시킨 오일은 베어링 레이스 밑을 통과하여 기밀 판(Seal Plate)을 통하여 No.5 베어링 격 실로 모인다. No.6 베어링 영역의 윤활은 터빈 배기 지지대(Strut) 상부에 있는 관을 통하여 흘러 No.6 베어링 위쪽으로 떨어져 윤활 시키고, No.6 베어링 배유펌프 하우싱으로 내려간다. 배유펌프 하우싱으로 들어가는 오일은 작은 여과기를 통하여 흐르고 그리고 No.6 베어링 오일노즐에 서 나온 오일은 바깥쪽 통로를 통하여 밑으로 내려간다. 엔진의 No.6 베어링에는 오일습식(Oil Damping)을 가지고 있으며, 배유펌프로부터 흐르는 오일은 No.6 베어링 하우싱의 관을 통하여 오일이 흐르도록 한다. 습식오일은 베어링 하우싱과 바깥쪽 레이스 사이의 공방(Cavity)형태로 분배되어진다. 이러한 방법의 윤활은 회전체로부터 베어링 하우싱에 전달되는 동적하중(Dynamic Load)을 최소로 만들어주는 효과가 있다.

17 오일습식 베어링(Oil Damping Bearing 또는 Squeeze Film Bearing)은 [그림13-10]에서 보여주고 있다.
이 오일 필름은 회전체의 원주운동과 베어링 하우싱에 전달되는 동력하중을 흡수하는 역할을 하고, 따라서 엔진의 진동을 흡수하여 피로에 의한 파손의 가능성을 최소로 만들어준다. 또한 이러한 베어링은 베어링 바깥쪽 레이스 주위에 기밀 링(Seal Ring)이 마련되어 공방 안에 오일이 바깥으로 새는 것을 방지시킨다.

18 [그림13-9] 우측에서 바깥쪽 통로에서 안쪽으로 흐르는 오일노즐은 두 개의 흐름으로 분리된다
[그림13-9] 우측에서 바깥쪽 통로에서 안쪽으로 흐르는 오일노즐은 두 개의 흐름으로 분리된다. 하나의 흐름은 노즐의 외경의 작은 구멍을 통하여 No.6 베어링을 윤활 시키고, 다른 하나는 바깥쪽 전면 노즐 상부의 구멍을 통하여 계속 흘러 터빈 베어링의 외부 통로로 들어 간다. 즉 오일 압력과 배유관 모두개(프럼펫 모양의 관)를 통하여 전방 압축기구동터빈 회전 자 안쪽으로 통과한다. 이 압력관을 통하여 흘러 들어간 오일은 No.4-½ 베어링 영역으로 간다. 앞에 설명한 방법과 같이 No.6 베어링 윤활을 위한 오일의 흐름은 전방압축기를 구동시 키는 터빈 회전체의 후방허브 안을 통하여 흐르고, 허브에 있는 2개의 구멍(오일압력과 배유관)을 통하여 No.6 베어링 격실로 들어가 베어링의 안쪽 레이스를 윤활 시킨다. 오일 트럼펫 형 관을 통과한 오일흐름은 전방으로 흘러 오일배플을 통하여 터빈 축 중공(中空)을 지나 No.4-½베어링 실 스페이셔(seal Spacer)냉각과 4-½ 베어링을 윤활 시킨다. 엔진오일 배유계통(Scavenge System)은 [그림13-9]의 E와 같이 5단(5-Stage)의 오일펌프 에서 4단(4-Stage)의 기어형 펌프로 구성되어 있다. 이 펌프는 주 베어링 격실의 오일을 배 유시키고 또한 배유된 오일을 오일탱크로 이송시키는 역할을 한다. No.4와 No.5 베어링 영 역의 오일 배유펌프는 2개의 2단 펌프로 구성되어 있다. 첫 번째 배유펌프는 No.1 베어링 격실의 오일을 배유 하는 단단(Single-stage)으로서 보 기구동 하우싱 전방의 공방 안에 위치하고 있으며, 이 펌프는 압축기로부터 전방의 앞쪽 허 브에 위치한 보기구동 기어축에 의해서 구동된다. 펌프에서 끌어올린 오일은 하우싱 안에 있 는 통로를 통하여 바깥으로 보내진다. 배유오일의 관은 엔진 흡입구 케이스 맨 밑 베인에 있 는 관을 통하여 기어박스로 보낸다. 두 번째 배유펌프는 보기구동기어박스 우측 하단에 위치하고 있으며, 주 오일펌프와 같이 배유 단(Stage)에 연결되어 보기구동축 베어링 윤활 오일과 No.1 베어링 격실에서 이송 된 오일, 그리고 No.2와 No.3 베어링을 윤활시킨 오일을 직접 오일탱크로 이송시킨다. No.2 와 No.3 베어링으로부터 윤활시킨 오일은 기어박스와 연결된 보기구동축 외부로 하여 밑으로 떨어져 기어박스 바닥에 모이게 된다. 압력펌프와 이 배유펌프는 베벨기어에 의하여 물려 구동된다. 세 번째 배유펌프는 2단으로 구성되어 동일한 기어축에 의하여 구동되는 배유펌프로 엔진 디퓨져 케이스 안에 위치하고 있으며, No.4, No.4-½, No.5 베어링을 윤활시킨 오일을 배 유시킨다. 추가로 No.6 베어링 영역으로부터 2개의 긴 관(트럼펫 관)을 통해 이송되어온 오 일도 함께 배유 시킨다. 세 번째 배유펌프를 거친 오일은 No.4 베어링 지지대와 바깥쪽 9시 방향 바로 밑에 있는 배유 어댑터 안에서 앞쪽으로 이송된다. 오일의 흐름은 디퓨져 케이스 바깥쪽에 2중으로 된 관의 안쪽 관을 통하여 흐르고, 이 오일은 다시 디퓨져 바깥쪽 덕트의 8시 방향에 있는 페어링을 통하여 밑으로 내려간다. 네 번째 배유펌프는 No.6 베어링 하우싱에 위치하고 있으며 터빈 회전자 후방 허브의 위쪽에 볼트로 고정된 기어축에 의하여 구동된다. 이 펌프는 No.6 베어링 격실에 모인 오일 을 배유 시켜 No.6 베어링 오일노즐의 안쪽 통로를 통하여 위쪽으로 가압 시킨다. 이렇게 올라온 오일은 회전축 안쪽의 통로를 통하여 앞으로 이송되어 No.5 베어링 앞쪽에다 분출시킨다. 이렇게 모아진 오일은 앞에서 설명한 세 번째 배유펌프를 통하여 엔진 기어 박스로 이송되어 진다.

19 위에서 첫 번째, 세 번째와 네 번째 배유펌프로부터 이송되는 오일은 기어박스 공간 섬프로 모여지고, 이 오일은 두 번째 배유펌프에 의하여 탱크로 귀환된다. 탱크로 귀환된 오일은 탱크 안에 설치된 공기 분리기(Air De-aerator)를 통과하면서 오일과 공기가 분리되고 오일 은 탱크 밑으로 내려가고 공기는 통기장치를 통하여 밖으로 배출된다. 배유펌프의 기능은 오일의 흐름을 적당히 유지시키면서 완전한 배유를 할 수 있다. 또한 베어링 공방의 압력은 통기계통(Breather System)에 의하여 조절되어 진다. No.2와 No.3 베어링 공방의 통기 공기는 보기구동 기어박스로 배기 되고, 압축기입구 케이스에 있는 통기관 과 보기구동 기어박스 안으로 외부 관을 통하여 디퓨져 케이스로 분출된다. No.6 베어링 격 실의 통기 공기는 배유오일과 함께 디퓨져 케이스 안쪽의 공방으로 모여 기어박스로 모인다. 기어박스 안에는 시동기 구동축에 연결된 원심력 통기 임펠러가 장치되어 있어 이 임펠러를 통하여 오일과 공기가 분리되어 순수한 공기만을 기어박스 통기 출구([그림13-9]의 H)를 통 하여 엔진 밖으로 배기 된다.

20 󰊵 오일베어링과 기밀장치(Oil bearings and Seals) 엔진 압축기로부터 공기의 흐름은 엔진 내부를 가압 시키고, 베어링 주위에 만들어진 미로(迷路) 씰(Labyrinth Seal)을 통하여 오일이 흐르도록 조절한다. [그림13-11]의 도해는 현대 의 터빈엔진에 가장 많이 사용하는 베어링 섬프를 보여주고 있다. 오일 씰은 베어링 공간에 오일을 보유하는 역할을 하고, 그 종류는 여러 종류가 있으나 그 중 탄소 씰(Carbon Seal)과 미로형 씰(Labyrinth Type Seal)이 있다. 미로형 씰의 장점 중 하나는 씰이 회전체와 고정구성에 직접 닿지 않아 마모가 생기지 않는 다는 것이다. [그림13-11]에서 보는 것과 같이 베어링 다음에 오일 씰이 있고 그 외곽에 공기 씰이 있는 공방으로 구성되어 있다. 정밀공차(Close Tolerance) 공기 씰은 여압되는 공기압력이 급격히 빠지는 것을 방지하고, 오일 씰과 공기 씰 사이의 여압공방을 만들어주는 역할을 한다. 즉, 공기 씰의 조성은 오일 섬프 안의 오일 씰에 오일이 남아 있도록 한다. 베어링 윤활을 위한 오일의 흐름은 오일 제트를 통하여 베어링을 덮어씌우고 배유를 통하여 밖으로 배출된다. 여압공방은 엔진 브리드 공기계통으로부터 공급된다. 공급되는 공기의 량은 공기 씰이 회전과 고정 구성 사이에서 약간 의 누설을 감안하여 섬프의 안쪽을 충분히 여압 시킬 수 있는 량을 공급한다. 이 원리는 공 기가 안으로 흘러 들어가려는 힘과 오일의 압력이 일치되었을 때 오일이 밖으로 흘러나오지 못하게 하는 역할이다. 공기의 배출구멍(Vent Hole)섬프로 들어오는 공기의 량에 따라 이루 어진다. 넘어 나온 오일의 배유 계통(Overboard Drain system)은 오일 씰을 통해서 빠져 나 온 오일이 여압공방으로 들어오면 여압에 의하여 자동으로 배유 되도록 설계되어 있다. 만약 이러한 배출이 이루어지지 않으면, 오일 씰을 지난 오일이 압축기로 들어가 브리드 공기를 오염시키고 이것이 다시 객실여압계통에 희석되어 객실에서 냄새가 나는 경향이 있다. 오일 배유(Oil Drain)로부터 흐르는 오일은 배유펌프에 의해서 추출되어 오일 탱크로 귀환된다.

21 [그림13-12] JT8D엔진의 외부 오일 분배계통 도해

22 󰊶 가스터빈엔진 윤활유 서비스(Lubricants Service)
과거에는 왕복엔진이나 가스터빈엔진 모두 특정한 주기를 정하여 윤활용 오일을 교환하거나 배유시켰다. 또한 이 시기에 오일필터 또는 오일 스크린을 장탈, 검사하여 엔진의 결 함을 초기에 발췌하기 위한 것이었다. 그러나 경험과 광범위한 조사를 통하여 합성유를 사용 하는 가스터빈엔진에서는 주기적인 오일 교환은 불필요하게 되었다. 즉 오일제작회사나 또는 엔진 제작회사의 권고사항에 따라 오일의 효율성과 경제성 등을 고려하여 오일을 분석하고 검사에 의하여 엔진의 상태를 알아내는 방법이 개발되어 이를 실시하므로 오일의 교환은 거 의 일어나지 않는다. 엔진오일의 지속적인 효율을 얻기 위하여 검사하는 방법은 오일여과방법(Oil Filtering Methods)과 오일분석방법(Oil Analysis Methods)이 있다. 오일여과방법(Oil Filtering Methods)은 Pratt & Whitney JT8D 터보팬 엔진에 적용되는 절차로 매 250시간(엔진작동시간)마다 적용되는 것으로 수행방법은 엔진에서 주 오일 필터 를 떼어내고 필터 어탭터(Filter Adapter)를 장착한다. 이 어탭터에는 입구와 출구에 15-미크 론 필터를 엔진 밖으로 연결할 수 있는 장치로서 필터가 연결된 상태에서 엔진을 중간속도 로 약 5분간 작동시킨다. 이것은 엔진 안에 있는 모든 오일이 새로 연결한 15-미크론 필터를 거치게 하여 미세한 물질이라도 걸러내기 위한 것이다. 즉 엔진이 작동 중에 엔진내부를 뜨거운 오일을 순환시켜 엔진 내부를 깨끗한 오일로 세척하는 것과 같다. 즉 엔진 내부의 주머니나 웅덩이 같은 곳에 고여 있는 불순물이라도 모두 걸러내는 역할을 한다. 이렇게 여과가 끝나면 엔진은 원래의 40-미크론 필터를 장착하고, 떼어낸 15-미크론 필터를 세심하게 검사하여 여과된 물질(마모금속 등)을 자석을 이용하거나 또는 채취한 물질을 화학적인 방 법에 의하여 분석하여 엔진의 상태를 알아내는 방법이다. 3-4. 오일분석(Oil Analysis) 오일분석은 어떤 제한조건을 이용하여 주 엔진의 파손 또는 예상되는 결함을 오일을 분 석하여 찾아내는 방법이다. 수많은 오일 분석방법이 있으며 이러한 방법을 항공기 엔진에 모 두 적용할 수 있으나 기술상 폭이 넓은 분야이다. 엔진오일상태의 분석은 2가지 기본영역으로 구분하여 수행할 수 있다. 첫 번째 시험은 채 취한 오일 안에 마모금속의 량을 결정하는 것이고 두 번째 시험은 첫 번째와 동일하나 좀더 광범위한 오염을 찾는 것이다. 마모금속은 대단히 작은 입자로 되어 있으며, 엔진 작동 중에 마찰에 의해서 생기는 것으로 엔진 필터에서는 여과가 되지 않는 크기이다. 각각의 동질의 마모금속과 오일에 함유된 백분율 량은 실험실에서 시험에 의하여 얻어지며, 일반적으로 실험에 의하여 결정된다. 만약 마모금속의 함량이 크고, 그 금속이 엔진으로부터 나왔다면 실험실에서의 측정 량의 단위는 100만 분의 1단위로 표시된다. 마모금속은 일반적으로 1-미크론보다 훨씬 작다. 1-미크론이 란 이상적인 크기이고, 사람의 머리카락의 직경은 약 50-미크론 정도이다. 이렇게 현미경으 로나 볼 수 있는 미세한 마모금속을 엔진 오일필터가 여과할 수는 없음으로 오일에 희석되어 그대로 남아있게 된다. 필터에 의해 검출된 근 분자의 금속의 검사방법은 다른 분야에서 취급하기로 하고 여기서는 아주 미세한 마모금속을 분석하는 방법을 서술하기로 한다.

23 오일에 함유된 마모금속을 분석하는 방법은 원자흡수(Atomic Absorption)방법과 광학 분 광 방사(Optical Emission Spectrometry)법 2가지가 있다.
원자흡수(Atomic Absorption)방법은 채취 한 오일의 소량을 높은 온도의 불꽃으로 태운 (Burned/Ionized; 이온화시킴)다음 특수한 장치의 감지기를 이용하여 이온화시킨 물질 중에 감지기가 판독할 수 있는 화학원소로부터 에너지의 축적이 얼마인가를 감지하여 원소의 량 을 100안 분의 얼마인가를 읽어내는 방법이다. 이 장비는 특정한 원소를 위한 시험과 교정이 필수적으로 이루어져야 한다. 원자흡수방법은 각각의 금속을 분석하기 위해서는 최고수준의 품질보증을 부여하지만 시험은 많은 시간이 소요되는 것이 단점이다. 즉, 채취한 오일을 분석하기 위해서는 해당 금속을 분석할 수 있는 장치를 계속 교체하여야만 하는 번거로움이 있고, 각 장비마다 교정을 해야 하기 때문이다. 열 가지 마모금속을 분석하기 위해서는 장비를 열 개를 사용해야 한다. 광학분광방사(Optical Emission Spectrometry)방법은 채취한 오일의 소량을 태우는 것은 원자흡수방법과 동일하나 감지하는 방법은 오일을 태울 때 미세한 마모금속이 같이 타면서 발하는 빛을 프리즘을 통하여 분광시켜 분광된 빛을 측정하여 금속의 성질을 알아내는 방법 이다. 이 분광법은 원자흡수방법보다는 신뢰성이 낮지만 검사에 소요되는 시간이 짧으며(몇 분), 측정단위는 100만 분의 몇 정도의 마모금속을 검출할 수 있다. 화학적 분석의 량은 엔진에 보급된 오일의 용적과 엔진의 사용주기, 시료를 채취한 시간 이 포함된 정보가 분석의 무거운 비중을 차지한다. [그림13-13]에 도해된 곡선은 오일채취에 관한 완벽한 정보이다. 그림에서 보면 엔진작동시간의 증가에 따라 어떤 마모금속의 량이 증가하고 있는 추세를 나타내고 있다. 또한 깨끗한 오일을 추가하던가 또는 오일을 교환했을 때 그 추세가 급격히 떨어지는 효과를 읽을 수 있다. 만약 [그림13-14]와 같이 오일 표본을 분석하였더니 정상적인 추세에서 급격히 올라가는 현상이 나타나면 어떤 문제가 발생하고 있는 것으로 사전의 검사가 필요하다. 또한 이렇게 급격히 변화하는 것은 오일표본이 부적절한 방법으로 채취되었을 가능성도 있다. 예로서 오일 표본이 더러운 용기에 채취되었거나 또는 오일채취에 대한 정보가 신뢰성이 없거나 한 경우에 나타난다. 이것은 엔진 작동조건과는 무관한 사항이다. 이러한 경우 오일을 다시 채취하여 분석한 결과 정상적인 추세로 돌아오면 채취상의 문제이지만 만약 [그림13-15]와 같이 잠시 동인 주춤하였다 계속 증가추세가 나타나면 이는 엔진에 문제가 발생한 것으로 엔진의 검사가 요하는 사항이다. [그림13-13]

24 [그림 ] [그림 ]

25 󰊱 오일분석 표본의 채취 오일표본기구는 일반적인 표본용기와 표본을 위한 지시서 즉, 오일과 필터의 기록시간, 엔진형식과 일련 번호, 최종으로 표본을 채취한 날자와 시간, 표본채취 후의 오일보급량, 오일교환 후 엔진 작동시간과 기타 의 필요한 사항이 기록된 지시양식이 포함된다. 이 지 시양식은 오일분석을 위해서 채취를 위한 필수적으로 실험실에서 정보를 분석하는데 필수적으로 참고해야 할 자료들이다. 그래야만 정확한 분석자료가 출력될 수 있기 때문이다. 󰊲 오일분석 보고서(Analysis Report) 오일표본 분석보고서는 [그림13-16]에서 볼 수 있다. 이 보고서는 정비사가 이해해야할 오 일 분석결과를 알려주기 위한 한가지의 예이다 또한 사용자 또는 운영자가 알아야 할 18가 지 마모금속에 대한 정보를 기록하고 있다.