Propeller (프로펠러)

AVIATION/PPL

Propeller Motion

Rotational Velocity

항공기가 멈춰 있는 경우, 프로펠러의 움직임은 단지 회전 밖에 없다. 이때는 회전하는 속도 RPM (Revolutions per Min.) 로 표현 할 수 있다.

Forward Velocity

항공기가 앞으로 움직이기 시작하면 프로팰러는 회전하면서 앞으로 움직이는 속도도 가지게 된다. 이때 Forward motion (앞으로의 움직임) 은 회전 속도와 합쳐 지는데, Resultant Velocity 라고 한다. Resultant Velocity 의 각도(Relative Airflow와의 각도) 와 회전을 Helix Angle 또는 Pitch Angle 또는 Angle of Advance 라고 한다.

Helical Motion

프로펠러는 회전 하면서 나아갈 때 나선형의 형태로 회전 하는데 Rotational Velocity 와 Forward Velocity 를 합친 것으로 Helix 라고 한다. Blade Section 에서 Relative Airflow 는 프로펠러날을 가르는 공기와 정확히 반대 방향으로 작용한다. Blade Section 의 Chord line 과 Relative airflow 의 각도를 Angle of Attack 이라고 한다.

Angle of Attack + Helix Angle (pitch angle) = Blade Angle 이다.

항공기가 비행을 할때 각각의 프로펠러 날은 동일한 Forward Velocity 를 갖는다. Rotatation Velocity 는 Propeller Shaft (or Hub) 와 멀 수록 빠르게 회전한다.

프로펠러의 Blade Angle 이 모두 동일 하다면, Angle of Attack 은 Propeller shaft 에서의 부터의 거리에 따라 다양해 질것이다. 이것은 Thrust 의 비효율을 초래 할 수 있다. 따라서 Airfoil 과 마찬가지로 프로펠러에는 가장 효율적인 Angle of Attack 이 있고 항공기의 특정 속도나 프로펠러의 RPM 에 따라서 가장 효율적으로 이용 할수 있도로 디자인 되어 있다.

이것이 프로펠러 날의 휘어져 있는 이유인데 이것을 Blade Twist 또는 Helical Twist 라고 한다.

Forces on a Propeller Blade

Wing (날개) 에서는 Relative airflow 와 수직으로 lift 가 작용 한다

Relative airflow 와 평향한 방향으로는 Drag 가 작용 한다.

Propeller 에서는 Propeller 가 Twist 되어 있기 때문에, Blade 의 각 지점에서의 수직과 수평을 표현 하기 어렵다.

따라서 편의상 쉽게 수직, 수평 2개의 Component 로 구분 하는데

Propeller Torque, Thust 로 구분 한다.

날개에서는 Drag 는 Lift 보다 큰 값이 생성 될수 있다 (Descend)

Propeller 에서는 Torque 가 Thurst 를 압도 하거나 Balance 를 이룰 수 있다.

Throttle 조작으로 Power 를 증가 시키면, Propeller torque 가 Thrust 를 압도 하게 되는데

Rotate 속도가 생성되는 Thrust 양 보다 많은 상황이다

Propeller Efficiency

프로펠러의 효율은 엔진에 의해 생성되는 power 의 양에 으로 정의 된다.

Propeller Efficiency = Thrust Horsepower / Brake Horsepower (BHP)

*BHP : Brake 로 측정되는 HP, 엔진이 출력하는 실제 마력 (기어나 기타등에 의한 손실을 다 반영)

Variation of Propeller Efficiency

Blade Angle, Angle of Attack, 기타 요소가 영향을 미칠수 있지만

Hub 로 부터 Blade 길이의 60 ~ 90% 사이 에서 효율이 높고 약 75% 지점에서 가장 많은 Thrust 가 생성 된다.

Fixed-Pitch Propeller Blade 는 Blade angle 이 고정되고 바뀌지 않는 Propeller 이다. 대부분의 훈련용 항공기에서 사용 된다. 이 Type 은 Propeller RPM 이 일정하면, Relative airflow 와 Angle of attack 은 Forward speed 에 의해 결정 되어 진다.

앞으로 가는 airspeed 가 증가 하면, Fixed-pitch propeller 는 일정 RPM 을 유지하며 회전 하고, Angle of attack 은 감소한다.

고속 운항시, Blade 의 Angle of Attack 은 Thrust 를 적거나 아예 만들지 못한다. 특정 RPM 에서 오직 하나의 Airspeed 만 존재 할것 이고, Fixed-Pitch Propeller 는 가장 효율적인 Angle of Attack 상태 일 것이다.

항공기 제작시 Fixed-Pitch Propeller 는 가장 효율적인 Airspeed/RPM 조합을 항공기의 특정에 맞게 설계 할 것 이다.

항공기의 목적에 맞게 짧은 활주로를 사용하고 저속운항을 하고 무거운 것을 운송 하는 항공기는, Low-Pitch Propeller (Small Blade Angle) 이 가장 알맞다.

농업용 항공기(농약살포) 또는 화재진압용 항공기가 그 예가 될 것이다.

장거리 비행을 고속운항 하는 항공기는, Higher Pitch (Large Blade Angle) Propeller 가 더 알맞다.

비록 Fixed-Pitch Propeller 가 특정역할을 위해 설계되어 있지만, 이것은 최대 효율이 특정 Airspeed 와 RPM 조합에서 제한 된 것이다. 이 Speed/RPM 조합보다 빠르거나 느릴때, Propeller 의 효율성은 눈에 띄에 감소 할 것이다.

Constant-Speed Propeller 는 다양한 속도에 맞게 Blade Angle 을 Control 하여 Angle of Attack 을 변화시켜 가장 효율적인 상태를 만든다.

한국의 경우에는 Constant Speed Propeller 항공기를 사업용 이후 Multi 항공기 한정 취득을 위해 잠깐 맛보기 연습을 하지만

미국에서는 항공기로 다양한 사업을 하기때문에 Airline 입사 전, 또는 Regional jet airliner 의 하위 업체에서 커리어를 쌓기도 합니다. (Small Priavate Services Or Delivery Services)

Propeller Efficiency (FOR CPL)

PROPELLER BLADE 가 공기를 회전 하며 앞으로 나아갈 때 손실이 발생 한다. 이것은 수영 선수의 손으로 또는 노로 물을 저었을 때와 같다. 딱딱한 코르크 마개를 코르크따개가 통과하는 것과 다르게 PROPELLER에는 손실이 존재 한다.

GEOMETRIC PITCH (기하학적 PITCH) 는 이론적으로는 한바퀴에 손실이 발생 하지 않는다. EFFECTIVE PITCH 는 PROPELLER 가 실제로 한바퀴를 돌면서 앞으로 나아갈때를 나타낸다. 이것은 GEOMETRIC PITCH - PROPELLER SLIPPAGE (손실) 과 같다.

PROPELLER 는 밀도가 높은 공기에서 손실이 적기 때문에 더 효율성이 좋다.

PROPELLER 가 공기를 통과 할 때 손실이 발생 하기 떄문에엔진에서 만들어지는 모든 파워가 THRUST 로 전환 되지 않는다. 따라서 효율성을 이야기 할때 PROPELLER 에서 만들어 지는 POWER 와 ENGINE 으로 부터 만들어 지는 POWER 의 비율로 표현 하기도 한다. 일반적으로 손실에 따라 50~85 % 범위에 있다.

Variable-Pitch Propellers

개발 초기에는 Propeller 의 효율성을 증대 시키기 위해서 2 pitch Propeller 가 사용 되었다. 조종사는 이륙이나 저속 운항을 위해 LOW PITCH를 설정 하거나, CRUISE 와 하강, 고속운항을 위해 HIGH PITCH 를 설정 할수 있었다.

최근에는, 자동 CONSTANT SPEED PROPELLER 가 개발 되어, BLADE ANGLE 이 LOW PITCH 와 HIGH PITCH 사이 어떠한 위치에도 있을 수 있다.

이것은 Propeller Blade 가 가장 효율적인 Angle of Attack 을 모든 Airspeed/RPM 조합에 대응 할 수 있도록 해줍니다.

저속에서, Blade Angle 은 Small Angle of Attack 이 필요로 합니다. 이것은 Fine Pitch 로 불립니다.

앞으로 가는 속도가 증가하면, Blade Angle 은 커지고, 최적의 상태를 유지 하기 위해서 조금 더 많은 Pitch 와 Angle of Attack 이 필요 하다.

이때 사용되는것이 Governor 인데, 조종사의 Control 에 의해 Propeller RPM 을 조절한다.

조종사는 Propeller Control 로 상승, 순항, 하강 각 상황에 맞는 Recommended RPM 으로 조종 한다.

이 Control 의 목적이 각 상황에 맞는 최적의 Angle of Attack 을 맞추어 최대의 효율을 얻기 위함이다. 제조사에 의해 추천되어지는 값이 있다.

Engine Power 가 극단적으로 낮을때, Blade Angle 은 Lowpitch Stop 이라고 불리는 최소 한계 까지 감소할 것이다.

이때부터는 Fixed Pitch Propeller 처럼 움직인다. 왜냐하면 Power 가 더 감소하게 되면 RPM 이 감소되고, Governor 는 RPM 을 유지하기위해 더이상 Blade Angle 을 줄일수 없기 때문이다.

Pitch (FOR CPL)

LOW PITCH는 SMAL BLADE ANGLE 과 저속 비행과 연관이 있고, HIGH PITCH 는 LARGE BLADE ANGLE 과 고속 비행과 연관이 있다. 그러나 PITCH 는 BLADE ANGLE 이 아니고 PROPELLER 가 앞으로 나아가면서 한바퀴 돌떄의 거리이다.

일반적으로 저속 비행일 때는 가장 효율적인 ANGLE OF ATTACK 을 위해서 LOW PITCH 를 선택 한다. 그러나 PITCH 는 LOW 이거나 HIGH 이던지 작다.

Takeoff

적은 pitch 가 Takeoff 때에 사용 된다. Constant-speed propeller 의 Blade Angle 은 적은 Angle of Attack 상태 이다.

Throttle 을 Takeoff position 에 두었을 때, Maximum RPM 상태이고 Engine 은 Maximum Power 를 전달 할수 있는 상태이다.

Cruise

항공기 쓰로틀 (Throttle) 은 중간 정도에 위치 할 것이고, Propeller 는 Medium pitch (Low RPM) 일 때, 가장 연료 효율이 좋다.

Approach and Landing

착륙을 위해 접근 중일때 항공기 속도와 파워가 낮고, Propeller Blade 의 PITCH 는 작은 상태이다.

Throttle 움직임으로 RPM 을 조절한다. 그러나, GO-AROUND 가 필요한 경우 THROTTLE 을 최대로 CONTROL 할때, FINAL APPROACH 에서 HIGH RPM 으로 PROPELLER를 컨트롤 해놓는것이 빠르고 효율적으로 최대 THRUST 를 얻기에 좋다.

Constant-Speed Propeller Controls

Constant speed propeller 항공기는 Fixed-Pitch 항공기의 한개의 Throttle 을 조절 하는 방식이 아닌 2개의 조절 레버가 있다. (Throttle Lever, Propeller Control Lever)

Constant Speed Propeller A/C's Controler (Throttle, Prop RPM control, Mixture) (from Boldmethod)

Pitch-changing mechanism 은 보통 Governor가 Oil 압력을 조절 하는 방식, hydraulically (유압) 을 사용 하여

Control 된다.

• Propeller Control 은 Propeller 의 RPM 을 조절 한다.

• Throttle 은 Engine 의 Manifold pressure 를 조절 한다.

따라서 특정 Power 을 맞추기 위해서는 두 lever 의 조합으로, Propeller RPM 과 Manifold Pressure 를 조절 하여 맞춰야 한다.

Advantages of the Constant-Speed Propeller

Constant Speed Propeller's Blade Positions

Constant Speed, (or variable-pitch) propeller 는 RPM 과 Airspeed 변화에 맞게 가장 효율적인 Angle of attack 으로 변경이 가능 하다.

대조적으로, Fixed-Pitch Propeller 는 오직 하나의 특정 RPM, Airspeed 조건에서 가장 좋은 효율이 나온다.

더 복잡한 형태의 Constant-speed propellers 는 Multi-Engine 항공기 또는 Turbine 항공기에서 사용 된다.

• Beta Range 에서는 Ground operations 을 위해 가장 낮은 pitch angle 로 Thrust 를 감소 시키고, 더 많은 Drag 를 생성 한다.

• reverse thrust 는 Blade 가 Reverse (or negative) pitch로 변경 되어, propeller의 Thrust 가 역방향으로 작용 한다.
• Feathering 기능이 있는 Multi-Engine 항공기는, 운항중, Engine Fail 이 되고, Propeller 가 Windmilling을 멈추 었을 때, Feathered 되어 Drag 를 감소 시키고 Engine 의 Damage 를 방지 한다.

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