FA-50 APU 입구안내익 구동기어의 품질개선에 관한 연구

 

FA-50 APU(Auxiliary Power Unit, 보조동력장치)는 추력을 제외한 항공기의 동력을 생성하는 장치로, 항공기 비행안전성 향상을 위해 매우 중요한 요소입니다.

 

이 논문에서는 T-50 계열 항공기 운용중 발생한 APU IGV(Inlet Guide Vane, 입구안내익)의 정상궤도 이탈현상에 대한 원인을 분석하여

 

FA-50 항공기 APU의 수명향상을 위한 IGV 설계개선에 대해 정리하였으며, 검증시험을 통해 본 개선사항을 확인했다고 합니다.

 

 

 

 

 

 

문제가 생긴 IGV 조립체를 살펴보면 몇몇의 IGV가 정상궤도를 이탈한 현상을 확인할 수 있는데,

 

IGV는 25개가 동시에 움직이기 때문에 하나라도 궤도를 이탈하게 되면 공기흡입량 손실로 인해 APU가 자동으로 꺼지는 현상이 발생합니다.

 

 

정상궤도를 이탈한 APU를 분해하여 고장 탐구를 실시한 결과,

 

IGV 회전운동을 담당하는 Quadrant Gear와 Synchronous Ring Gear가 마모되어 기어의 형상이 변형된 것을 확인할 수 있었다고 합니다.

 

기어가 마모되어 서로 맞물려 있지 않았고, 이로 인해 IGV가 정상궤도를 이탈한 후 스스로 헛도는 현상이 발생한 거죠.

 

거기에, 기어가 마모되며 생긴 유격으로 기어간의 진동이 증가해 기어의 침식과 공진현상이 발생될 가능성이 발견되서

 

기어가 외부 환경이나 운용중 쉽게 마모되지 않도록 기어의 내구성을 개선했다고 합니다.

 

 

 

IGV 정상궤도 이탈현상은 IGV 회전운동을 담당하는 두 기어의 마모현상으로 발생되었다는 것이 밝혀졌지만,

 

마모현상과 동시에 Quadrant Gear가 고착되는 현상이 발생됨에 따라 추가적인 고장탐구를 실시했다고 합니다.

 

Quadrant Gear와 Synchronous Ring Gear의 정상운동은 원형 모양인 Synchronous Ring Gear에

 

25개의 Quadrant Gear가 장착되어 IGV 회전운동을 위해 모든 Quadrant Gear가 균일하게 작동해야 합니다.

 

 

 

하지만 Synchronous Ring Gear와 하우징 간의 간격으로 인해 APU 작동시 Synchronous Ring Gear의 흔들림이 발생되었고,

이로 인해 Quadrant Gear가 Synchronous Ring Gear로부터 이탈해서 인접해 있던 다른 Quadrant Gear 위로 타고 올라가는 현상이 발생했다고 합니다.

또한, 이 간격으로 인해 진동이 발생될 가능성이 있음에 따라, APU의 운용신뢰성 향상을 위해 추가적인 설계개선을 했다네요.

 

 

 

 

우선 기어의 마모현상을 개선하기 위하여 기존의 알루미늄 합금인 6061-T6을

강도와 경도가 약 3.5배 높은, 스테인리스강 15-5PH 재질로 변경해 내구성을 강화했고,

 

 

 

 

Quadrant Gear의 이탈 및 고착현상 개선을 위해 Synchronous Ring Gear의 두께를 증가시켜 하우징과의 간격을 줄이고

하우징과의 마찰로 인해 추가적인 마모가 발생되지 않도록 하우징 내부에 DFL(Dry Film Lubrication)코팅 처리를 했다고 합니다.


개선된 설계 형상에 대해 기어의 내구성 검증을 위하여 지상시험과 비행시험을 각각 진행했는데,

지상 시험은 APU를 1번 시동시킬 때(APU Rotor 속도는 약 103.5% 유지) IGV를 10번씩 작동시키는 방식으로 진행했으며,

규격의 요구사항을 충족시키기 위해 총 100번의 APU 시동과 1000번의 IGV 작동시험을 수행했다고 합니다.


APU의 지상시험이 끝난 후 최종 분해 검사를 해서 기어의 마모현상에 대해 확인해 본 결과,

Synchronous Ring Gear는 원형 그대로 유지하여 형상에 변형이 일어나지 않았으며, 마모도 발생하지 않았고

스테인리스강 재질로 변경된 Quadrant Gear도 기어의 마모나 손상이 없었다고 합니다.

 

 

지상시험이 끝난 후 시험비행을 통해 추가검증을 진행했는데,

시험비행은 개선된 APU를 항공기에 장착하여 운영시간 1차 200시간, 2차 400시간으로 진행했으며

시험비행 후(APU 운영시간 400시간 후) 지상에서 내구성 검증을 위해 분해검사를 실시했다고 합니다.

검사결과는 모두 정상으로 판정되었으며, 기존에는 운영시간 60시간 안에 기어의 마모와 고착현상이 발생된 반면,

개선된 기어는 운영시간 200시간 및 400시간 후에도 마모 흔적이나 고착현상이 발생되지 않았음을 확인할 수 있었다네요.


이를 개선한 덕분에 T-50계열 항공기의 비행안정성과 품질신뢰성이 향상되었고,

국방력 증진과 항공기 가동률 향상이라는 큰 성과를 가지고 올 수 있었으며

기술적 현안사항을 해결함으로써 고객만족도 함께 실현해 낼 수 있었다고 합니다.


향후 FA-50 항공기 후속양산에 추가적으로 적용할 예정이며,

국내 차세대 전투기 KF-X 사업과 항공기술 분야에 중요한 참고자료로 활용될 수 있기를 기대한다고 합니다.


출처 : 항공기 보조동력장치 입구안내익 구동기어의 품질개선에 관한 연구(한국항공우주학회지, 2016.06)