Auxiliary power unit (APU)

Functions of APU

 

상용항공기에서 APU 의 기본적인 목적은 Main Engine 의 Starting Power 공급입니다. Turbine Engines 의 경우 무척이나 크고 무거운 Rotor 를 가지고 있는데 이 Rotor 를 고속으로 회전시키기 위해서는 고압의 압축공기가 필요로 하게 되며 이를 공급하기 위한 일종에 보조엔진이 바로 APU 라고 할 수 있습니다.  비교적 작은 Turbine Engine 의 경우에는 보통 Electrical Motor 를 이용하여 시동을 하며 크기가 큰 Turbine Engine 의 경우는 Air Turbine Motor 를 사용합니다.  

 

 

 

A-380  APU Exhaust

 

 

Starting 방식이 Pneumetically, Hydraulically Powerd, Electrically 로 나뉘지만 어떠한 방식이라도 기본적으로 항공기에 가지고 있는 에너지(Battery or Air Tanks) 보다 큰 용량을 필요로하므로 APU 같은 추가적인 에너지원이 필요한 것입니다.

APU 의 경우 이러한 문제를 해결하기 위해서 두단계로 동력을 생산합니다.   첫번째 단계는 항공기에 장착되어 있는 Battery 나 Accumulator, 혹은 External Power Unit 을 통한 시동을 시작합니다.  이때 Electrical 혹은 Hydraulic 방식을 사용합니다.  그 다음 APU 를 Full Speed 로 Power 를 증가시키고 여기서 나오는 동력이 항공기의 Main Engine 을 시동할 수 있을 정도의 동력이 됩니다.

이 동력을 이용하여 Electrical Generator 나 Hydraulic Pump 등을 작동시키고 Start Motor 의 Air Turbine 으로 압축공기를 공급하여 항공기엔진을 Starting 하게 되는 것입니다.

 

APU 에는 다른 부가적인 기능들이 더 있는데 Main Engine 이 작동하기 전에 객실의 Heating, Cooling, Ventilation 등을 위한 Electrical and Pneumatic Power 를 공급하기도 합니다.    물론 이는 대형 여객용 항공기의 경우에 해당되겠지요.  이러한 기능으로 인해 Main Engine 의 작동으로 인한 비용절감효과와 소음과 위험성으로 부터 승객을 보호할 수 있는 것입니다.  Electrical Power 를 이용해서는 비행전 항공기의 점검에도 사용하며 경우에 따라 Hydraulic Power 를 이용하여 항공기 정비에 활용하거나 Flight Control System 이나 Power Equipment 를 작동하는데 활용하기도 합니다.  이러한 기능은 만약의 경우 비행중 Main Engine 의 결함이나 Hydraulic System 의 결함으로 인해 비행에 문제가 있을 경우 보조적 수단이 되기도 합니다.

 

Sections of APU

 

APU 에는 간단하게 세 부분으로 나뉘는데 Power Section, Load Compressor Section, Gearbox Section 으로 구분합니다.  Power Section 은 Engine 의 Gas Generator 부분을 말하여 APU 구동을 위한 모든 동력을 생산합니다.  Load Compressor Section 은 Power Section 의 Compressor 로 부터 나오는 Bleed Air 가 통과하는 구역으로 다단의 Compressor 가 장착되어 있어 고압의 Pneumatic Power 를 만들어내는 역할을 합니다.  여기에는 두개의 중요한 역할을 하는 부품이 있는데 먼저 Inlet Guide Vanes 은 Load Compressot 로 들어가는 Air 를 제어하는 역할을 하며 Surge Control Valve 는 Turbo Machine 의 Surge 현상을 예방하는 효과를 가져옵니다.

 

세번째 Engine Section 인 Gearbox 에서는 Engine Main Shaft 의 동력을 변속하여 Generator 를 구동하는 역할을 합니다. 또한 Fuel Conrtrol Unit, Lube Module, Cooling Fan 등을 구동하며 Start Motor 와 연결되어 APU 의 Starting 기능을 수행합니다.  최근에 개발되고 있는 Boeing 787 의 경우 Pneumatic System 이 빠진 Electrical APU 가 장착되어 간결해진 모습을 볼 수 있으며, System 에서 필요한 충분한 전력을 공급하기 위해 고용량의 APU를 채택했다고 합니다.

 

 

비교적 작은 항공기에 속하는 군용항공기의 경우에는 조금 차이를 보이는데 위의 상용항공기의 APU 와는 다르게 Engine Starting 을 위한 Jet Fuel Starter(JFS) 과 Electrical & Hydraulic Power 를 공급하기 위한 Emergency Power Unit(EPU) 으로 나뉘어 장착된다는 점입니다.  JFS 는 자가시동이 가능한 소형의 Turboshaft Engine 이며 동력의 전달을 Bleed Air 로 하지 않고 출력 구동축과 Engine 의 Gearbox 와 직접 연결하는 방식을 채용하고 있습니다.   또한 JFS 는 Electrical Starting 방식을 사용하는 상용기와는 다르게 Hydraulic Accumulator 에 의해 구동되는 Hydraulic Motor 를 사용하여 Starting 합니다.  이러한 방식의 장점은 외부전원장비가 필요없다는 것과 자체 Battery의 결함으로 인한 불편이 없다는 점이겠지요. 

 

이러한 JFS 는 Starting 과정에 어떠한 외부 장비나 지원인력이 필요하지 않으며 다만 Battery를 통한 약간의 전력만으로 시동이 가능하며 시동 이후에 Accumulator를 동시에 Recharging 하여 언제라도 사용이 가능하도록 유지하고 있습니다.  이 역시 Battery 의 Recharging Time 보다 우월한 장점이 아닐 수 없습니다.  만약 Engine 의 이상과 Hydraulic Accumulator 이상이 동시에 생기는 경우라면 Accumulator 는 항공기에 장착된 Hand-Operated Pump 를 이용하여 수동으로 Recharging 이 가능합니다. 

 

JFS 는 항공기의 디자인데 따라 다양한 형태로 만들어지며 A-7, F-16 과 같은 Single-Engine 항공기의 경우 Power Section 이 항상 Engine Accessory Gearbox 에 연결되어 있고, 그에 반해 Twin-Engine 항공기인 F-15 의 경우 한번에 한개의 Engine 에만 연결되어 구동되는 Central Gearbox 에 연결되는 차이점이 있습니다.

 

 

Emergency power unit

 

Emergency Hydraulic and Electric Power 는 지금까지와는 다른 형식의 Gas Turbine Engine 을 사용합니다.  Emergency Power Unit 은 Gas Compessor 나 Ignitors 가 없으며 Jet Fuel 아닌 Hydrazine 과 물을 함께 사용하는데 이 두 물질이 혼합되어 Iridium 이 촉매로 작용하면 자연발화 현상이 있어나 Turbine 을 움직일만한 폭발가스가 생성되게 됩니다.   이렇게 생산된 동력은 Gearbox 를 거쳐 Electrical Generator 와 Hydraulic Pump 를 작동하게 되는 것입니다.  이 Hydrazine 은 질소로 밀폐되어 Accumulator 에 저장되며 Generator 나 Hydraulic Pump 가 이상이 생겼을 경우 활용하게 됩니다.

 

이렇듯 다양한 용도로 사용하는 APU 는 항공기뿐만 아니라 우주선이나 대형 화물차에도 사용되고 있습니다.