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2024년 1월 16일 (화) 23:07 판
프로펠러(propeller)는 항공기 또는 선박에 추진력을 부여하는 장치이다.
목차
개요
프로펠러는 비행기, 선박 등에서 엔진의 회전력을 추진력으로 바꾸는 장치를 통칭한다.[1] 항공용에서는 2~4장의 깃을 회전축에 장착하고 기관으로 회전시키면 추력이 발생한다. 회전면에 대한 프로펠러 깃 단면의 기울기를 피치각 또는 깃 각이라 하며, 비행 중에 깃 각을 바꿀 수 있는 것을 가변피치 프로펠러, 바꿀 수 없는 것을 고정피치 프로펠러라고 한다. 가변피치기구에 조속기를 달아 비행 속도가 변해도 피치각을 자동으로 조정하여 회전수를 일정하게 유지하는 것을 정속 피치 프로펠러라고 한다. 이 형식의 프로펠러는 이륙·상승·최고속도에서의 비행 등 작동 상태가 광범위하게 변해도 기관과 프로펠러를 조합한 추진 장치 전체의 성능은 그대로 높게 유지할 수 있다. 선박용 프로펠러의 작동원리는 항공기용과 다를 바 없으나 수중에서 작동하고 속도나 소요 추력의 크기가 다르기 때문에 깃의 수가 3~5장이고, 장착 위치가 후부이며 깃의 너비와 면적이 항공기의 프로펠러보다 크다는 등 외관상의 차이점이 있다.[2]
역사
선풍기나 비행기의 프로펠러뿐 아니라, 수중에서 배를 움직이는 동력을 제공하는 스크루 역시 프로펠러의 일종이다. 옛날의 범선이나 노를 젓는 배가 아닌 이상, 오늘날 크고 작은 대부분의 선박에 장착되는 추력 장치는 스크루 프로펠러(screw propeller)라고 한다. 프로펠러를 사람이나 가축의 힘으로 돌리는 것은 적절하지 않다. 따라서 프로펠러는 근대적인 동력기관인 증기기관의 등장과 함께 사용되기 시작했다. 비행기보다는 동력 기선인 증기선이 먼저 발명되어 실용화되었으므로, 프로펠러 역시 선박의 스크루로써 먼저 사용되기에 이르렀다. 증기선을 발명했던 선구자 중 하나인 존 피치(John Fitch)는 세계 최초로 스크루 프로펠러 증기선 개발에 성공했지만, 그의 증기선 사업은 성공하지 못했다. 비행기 역시 오늘날까지도 프로펠러가 많이 쓰이는 문명의 이기 중 하나이다. 물론 훨씬 빠른 속도를 낼 수 있는 제트엔진이 발명된 이후부터는 대형 여객기나 전투기 등에 프로펠러 엔진을 장착한 비행기가 그리 많지는 않다. 그러나 소형 여객기나 레저용 경비행기, 또는 군용 수송기 등에 여전히 프로펠러 비행기가 많이 있으며 헬리콥터의 로터 또한 당연히 프로펠러의 일종이다. 비행기용 프로펠러를 처음 고안한 사람은 알폰스 페노(Alphonse Penaud)라는 프랑스의 공학자이다. 그는 1871년에 고무줄로 프로펠러를 돌려서 발생하는 추진력으로 비행하는 작은 모형 비행기인 프라노포(Planophre)를 시험비행에도 성공했다. 그는 비록 사람이 타고 날 수 있는 프로펠러 비행기의 실용화에는 성공하지 못하고 죽었지만, 이후 라이트 형제가 가솔린엔진의 프로펠러를 장착한 세계 최초 비행기인 플라이어호를 만들었다.[3]
구성
- 허브 : 프로펠러의 중심으로 샤프트에 고정되는 부분이다.
- 블레이드 : 비행기를 끌어당기거나 밀어주는 추력이 발생하는 부분이다.
- 루트 : 블레이드가 허브에 연결되는 곳이다.
- 블레이드 생크 : 블레이드의 뿌리 부분으로 허브에 연결되며 추력이 발생하지 않는 곳이다.
- 블레이드 팁 : 블레이드의 가장 끝부분으로 특별한 색깔을 칠해 회전 범위를 나타낸다.[4]
구분
항공기
항공기의 프로펠러 원리를 이해하기 위해서는 추력과 양력에 대해 먼저 이해해야 한다. 추력은 프로펠러의 회전이나 가스의 분사로 인해 얻어지는 것으로, 항공기를 밀거나 당기는 추진력과 같은 말이다. 반면에 양력은 중력에 반대 방향으로 작용하는 힘으로서 항공기를 뜨게 해주는 역할을 한다. 비행기의 프로펠러가 돌면 프로펠러의 블레이드는 공기를 뒤쪽으로 밀어낸다. 프로펠러 블레이드는 단면이 에어포일이며 비행기의 날개가 회전하는 것과 같은 효과를 주게 된다. 비행기의 날개는 양력을 발생시키는 데 반해 블레이드는 추력을 발생시킨다. 프로펠러는 블레이드의 수에 따라 종류를 나눈다. 2장의 블레이드를 가진 프로펠러에서부터 6장의 블레이드를 가진 프로펠러까지 있는데, 최신의 항공기에는 6장의 블레이드를 이용하여 천천히, 조용히 회전시키며 충분한 추력을 얻어 내고 있다. 하지만 블레이드 수가 많아질수록 효율이 떨어지므로 용도에 맞게 사용해야 한다. 프로펠러가 많이 사용되는 초경량 비행기에는 2~3엽 프로펠러가 사용된다. 비행기마다 프로펠러가 사용되는 위치도 다르다. 날개의 앞쪽에 있어서 비행기를 당겨주는 경우, 날개의 뒤쪽에 있어서 비행기를 밀어주는 경우, 앞과 뒤에 하나씩 부착되어 비행기를 밀어주고 당겨주는 경우 등 여러 위치에 사용되지만, 대부분의 비행기의 경우 동체 앞부분과 날개에 각각 부착되어 있다. 또한 프로펠러를 보면 끝단이 비틀려 있다. 이는 프로펠러가 회전하게 되면 블레이드의 바깥쪽이 중심축보다 더 빨리 돌기 때문이다. 그렇게 되면 블레이드 전체에서 고른 양력을 얻을 수 있다. 항공기는 공기가 볼록한 위쪽을 지날 때와 평평한 아래쪽을 지날 때 속도 차이가 생기게 된다. 그렇게 만들어진 공기의 속도 차이는 날개의 위쪽과 아래쪽의 압력의 차이를 가져오게 된다. 즉, 날개 위쪽의 압력이 낮아지고, 아래쪽의 압력이 높아지게 되는 것이다. 그렇게 되면 위쪽으로 힘이 작용하게 되는데. 그것이 양력이다. 그 양력이 항공기를 날 수 있게 해주는 힘이다.[5]
선박
프로펠러는 엔진에서 구동축을 통해 전달된 힘을 회전 시켜 선박을 움직이는 역할을 한다. 항공기에 사용되는 프로펠러가 기압을 이용한다면, 선박에 쓰이는 프로펠러는 수압을 통해 선박을 추진시킨다는 점에서 차이가 있다. 엔진과 연결된 추계를 통해 전달된 동력을 물과 작용해 추력으로 변화 시켜 주기 때문에 프로펠러는 엔진과 밀접한 연관이 있다. 선박의 프로펠러는 회전 운동을 하면서 물을 밀어낼 때 휘어지지 않아야 하기 때문에 단단한 것은 물론 무게 또한 상당하다. 보통 한 선박당 선미에 하나씩 설치되는데 통상 프로펠러의 크기는 큰 선박에 비례해 커진다. 니켈, 알루미늄, 청동 합금으로 구성되며 무게는 10~20t에 달하는데 이는 소형차 10~20대의 무게와 비슷하다. 또한 액화석유가스(LPG) 운반선이나 액화천연가스(LNG) 운반선은 프로펠러가 2개, 구축함 같은 특수선에는 4개가 달리는 경우도 있다. 선박에 적용될 추력 값이 나오면, 거기에 맞춰 날개 각도, 날개 수, 두께 등을 종합적으로 고려해 프로펠러를 설계한다. 따라서 선종에 따라 선택하는 것이 아닌 연료 효율과 선박의 속도를 고려해 사양이 결정된다. 선박에는 나선형 프로펠러가 주로 쓰이며, 종류에는 고정피치프로펠러(FPP)와 가변피치프로펠러(CPP)가 있다. 고정피치 프로펠러는 석유화학제품운반선 등 대부분의 선박에 적용되며 통상 4개의 날개가 고정되어 있다. 피치가 고정되어 있어 후진을 할 때는 엔진 가동 자체를 역전해야 한다. 따라서 연료가 많이 드는 것은 물론 기관의 수명이 짧아지는 단점이 있다. 반면에 가변피치 프로펠러는 조정실에서 단순한 조작만으로 전진·후진·저속·정지 등 자유롭게 운항할 수 있다. 원격 조정이 가능하고 역전장치가 필요 없어 연료 절감은 물론 단시간에 속도를 올릴 수 있는 장점이 있다. 선박의 경우 거센 유압에 날개가 부러지지 않도록 프로펠러가 나선형 모양을 취하고 있는데 물흐름과 맞춰 더욱 큰 추진력을 내기 위해 이러한 모양이 탄생하게 된 것이다. 만약 날개 모양을 뾰족하게 삼각형으로 만들면 유압을 견뎌내지 못해 심한 소음과 진동을 유발한다. 선박 프로펠러 탑재는 블록을 거의 다 쌓은 시점에 도크에서 이루어진다. 엔진과 연결되는 추진축을 내부에 설치한 후 외부에서 유압을 이용해 프로펠러를 끼워 맞춘다. 선박은 대부분의 프로펠러가 선미에 위치한다. 프로펠러가 선미 쪽에 위치한다면 유선형의 선박 몸체로 인해 스쳐 나오는 물을 프로펠러로 집중 시켜 보다 큰 추력을 낸다. 따라서 원활한 동력 전달이 이뤄져 선박이 내는 속도에 도움이 된다. 만약 선수에 프로펠러가 위치한다면, 암초 등 바닷속에 있는 딱딱한 것에 걸려 파손될 수 있으며 프로펠러를 지나간 물이 선체에 부딪히면서 추진 성능을 저해할 우려도 있다.[6]
종류
고정피치 프로펠러
고정피치 프로펠러는 선박용 추진기로 가장 널리 사용하고 있는 프로펠러이다. 피치가 고정된 3~4개 이상의 날개와 날개를 고정하기 위한 허브로 구성되어 있다.[7] 고정피치 프로펠러는 한 몸체로 만들어지며 제작 시 일정한 피치가 정해진다. 고정피치 프로펠러는 보통 2개의 블레이드로 되어 있으며 목재, 알루미늄, 합금, 강철로 만들어지고 소형 항공기에 널리 사용된다. 고정피치 프로펠러는 1회전으로 최상의 효율과 전진 속도를 내도록 설계되었다.[8]
가변피치 프로펠러
가변피치 프로펠러는 한 축에 달린 날개들이 각각 개별적으로 허브에 연결되어 있다. 프로펠러가 회전하고 있는 동안에도 허브 속에 들어 있는 연동장치에 의해 날개들의 피치를 임의로 변화시킬 수 있다. 또한 예인선, 트롤어선 등과 같이 운항 조건이 심하게 바뀌는 선박에서 항상 그 조건에 맞추어 프로펠러의 피치를 조정할 수 있는 장점이 있다.[7] 이와 함께 가변피치 프로펠러는 회전하고 있는 동안, 깃 피치 또는 깃 각의 변경이 가능하다. 특수한 비행 조건에도 최상의 성능을 제공하는 깃 각을 갖는다. 피치 위치의 단계 수는 2단 가변 프로펠러, 또는 피치가 프로펠러의 최소 피치 설정과 최대 피치 설정 사이에서 주어진 각도로 조정되도록 제한된다. 가변피치 프로펠러는 특수한 비행 조건에서도 요구된 엔진 회전수를 얻는 것이 가능하다.[8]
정속 프로펠러
정속 프로펠러는 조속기에 의하여 조종되는 유압식 혹은 전기식 피치 변환 장치를 이용한다. 조속기의 맞춤은 조종실에서 조종사가 프로펠러 회전 레버로 조정한다. 작동 중 정속 프로펠러는 일정한 엔진 속도를 유지하기 위해 깃 각을 자동으로 변환시킨다. 직선 수평비행에서는 엔진 출력이 증가하면 추가 출력을 프로펠러가 흡수하여 분당 회전수가 일정하게 유지되도록 깃 각이 증가한다. 조종사는 특정 작동상태에 필요한 엔진 속도를 선택할 수 있다. 프로펠러의 분당 회전수가 증가하면 조속기는 그 증가를 감지하고 프로펠러 깃 각이 증가하도록 반응한다.[8]
덕트 프로펠러
덕트 프로펠러는 원통 모양의 노즐 내부에 프로펠러가 있는 형태이다.[9] 프로펠러의 축과 중심이 같게 설계된 짧은 길이의 덕트로 둘러싸여 있다. 입구를 프로펠러보다 훨씬 크게 함으로써 개방된 프로펠러보다 더 많은 물을 빨아들인다. 또한 프로펠러의 뒤쪽에서 유관이 축소되는 것을 방지한다.[7]
연직축 프로펠러
연직축 프로펠러는 선미 바닥에 맞춰 설치된 큰 회전판 위에 연직 날개들이 꽂혀있는 형식으로 되어있다. 원판이 연직축에 회전할 때 날개들이 회전하면서 추력을 발생시키고 이 추력의 합력이 한 방향으로 집중되도록 조정되어 있다. 연직축 프로펠러는 주지관을 멈추거나 역전시키지 않고도 프로펠러의 추력을 조정함으로써 배를 멈추거나 조종할 수 있다. 연직축 프로펠러는 혼잡하고 협소한 곳에서 저속으로 움직이면서 우수한 조종 성능을 요구하는 선박에 적합한 프로펠러이다.[7]
상반회전 프로펠러
상반회전 프로펠러는 동일 축에 회전 방향이 서로 다른 두 개의 프로펠러를 설치한 것이다. 앞쪽 프로펠러로부터 후류에 주어지는 회전 운동에너지를 회수하기 위해 추진 효율을 높일 수 있도록 고안된 프로펠러이다. 이러면 뒤쪽 프로펠러는 앞쪽 프로펠러의 수축량만큼 줄어든 직경을 가져야 하며, 흡수해야 할 동력에 알맞게 설계된 피치를 가져야 한다. 상반회전 프로펠러는 어뢰 추진용으로 많이 사용한다. 또한 프로펠러의 직경이 작고 날개 회전수가 높아지기 때문에 진동 특성이 개선되고 주기관의 중량, 원가가 절감되는 특성이 있다.[7]
토크 현상
토크 현상이란 엔진에서 발생한 회전력이 프로펠러에 전달되어 회전하게 되면 프로펠러에 연결된 물체가 회전 반대 방향으로 힘이 발생하는 현상을 말한다. 토크 현상은 물체에 작용하는 반작용을 말하며 회전하는 물체도 같은 현상이 발생한다. 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때 동체는 이에 반작용을 일으켜 중심축을 기준으로 시계 반대 방향으로 횡요 혹은 경사지는 경향이 있다.[10] 이에 따라 프로펠러를 사용하는 항공기는 필연적으로 비행 중에 계속 한쪽으로 기체가 기울어지는 힘이 발생한다. 이것을 상쇄하기 위해 여러 가지 방법을 시도한다. 이를 방지하기 위해 어떤 항공기는 수직 꼬리 날개를 항공기가 쏠리는 방향에 맞춰 비틀어 장착하기도 한다. 더불어 일부러 좌우 날개 중 한쪽을 더 짧게 만들어 자동으로 기체가 한쪽으로 기울어지게 만들어서 프로펠러에 의한 반동을 상쇄시키도록 설계하기도 한다.[11]
각주
- ↑ 〈프로펠러〉, 《위키백과》
- ↑ 〈프로펠러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 최성우 과학평론가, 〈프로펠러와 스크루의 기원은?〉, 《사이언스타임즈》, 2019-08-16
- ↑ 호기심심풀이, 〈프로펠러 Blade 구조 및 수리 방법〉, 《티스토리》, 2020-05-07
- ↑ 〈프로펠러의 원리〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 채명석 기자, 〈(배 이야기) 선박을 움직이는 날개 ‘프로펠러’〉, 《아시아경제》, 2011-08-21
- ↑ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 엘제이, 〈프로펠러의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2012-12-22
- ↑ 8.0 8.1 8.2 호기심심풀이, 〈프로펠러의 형식(Types of Propellers〉, 《티스토리》, 2020-05-08
- ↑ 조선의 달인, 〈프로펠러 종류 FPP CPP CRP 덕트 전류고정날개〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-01
- ↑ 비행장지킴이, 〈토크현상〉, 《다음 블로그》, 2006-11-24
- ↑ 〈프로펠러의〉, 《나무위키》
참고자료
- 〈프로펠러〉, 《위키백과》
- 〈프로펠러〉, 《네이버 지식백과》
- 최성우 과학평론가, 〈프로펠러와 스크루의 기원은?〉, 《사이언스타임즈》, 2019-08-16
- 호기심심풀이, 〈프로펠러 Blade 구조 및 수리 방법〉, 《티스토리》, 2020-05-07
- 〈프로펠러의 원리〉, 《네이버 지식백과》
- 채명석 기자, 〈(배 이야기) 선박을 움직이는 날개 ‘프로펠러’〉, 《아시아경제》, 2011-08-21
- 엘제이, 〈프로펠러의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2012-12-22
- 호기심심풀이, 〈프로펠러의 형식(Types of Propellers〉, 《티스토리》, 2020-05-08
- 조선의 달인, 〈프로펠러 종류 FPP CPP CRP 덕트 전류고정날개〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-01
- 비행장지킴이, 〈토크현상〉, 《다음 블로그》, 2006-11-24
- 〈프로펠러의〉, 《나무위키》
같이 보기
