항공기 프로펠러에 대해 - Propeller(1)

Propeller가 어떻게 추력을 발생시킬까?

• 처음 조종을 배우기 위해 대부분은 학생 조종사들은 Propeller 항공기를 이용하여 훈련을 한다. 항공기 앞에 Propeller가 달려있고 회전을 하면 항공기가 앞으로 나가는 형태이다. 여기서 Propeller가 회전을 하는데 어떻게 항공기는 앞으로 전진하는 것일까? 항공기가 앞으로 전진한다는 것은 Propeller가 추력을 만들어냈다는 것이다. 이제 Propeller가 어떻게 추력을 만들어내는지 알아보자.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight

• Propeller를 자세히 보면 Wing의 Airfoil가 똑같은 형태를 띠고 있다. Wing의 Airfoil은 항공기가 앞으로 가면서 양력을 위로 발생시켰다. 이것을 90도 회전시키면 어떻게 될까? 위 그림처럼 아래로 Propeller가 회전을 하면 Airfoil에 의해 앞으로 양력이 발생하는 데 이것을 추력이라고 한다. 대략적으로 이제 Propeller가 어떻게 추력을 발생시키는지 알아보았고 조금만 더 자세히 알아보자.

  

  출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

• 항공기 날개도 약간 Angle을 가진 상태로 동체에 장착되는 것처럼 Blade도 Hub라는 곳에 Angle을 가지고 장착이 된다. Chord line과 Plane of Rotation이 이루는 각을 Blade Angle이라고 한다. 이 Blade Angle은 Blade Root에서 Blade Tip까지 변하게 되는데 Blade Root가 가장 크다. 그 이유를 잠깐 살펴보자. Blade는 Wing의 양력 발생 원리와 동일하다고 했다. 그렇기 때문에 양력 공식을 사용할 수 있다. Blaed를 양력 공식에 적용했을 때 속도를 먼저 생각해 보자. 아래 그림을 보면 Blade의 중심에서 Blade Root(R1)까지의 반지름보다 Tip(R2)까지의 반지름이 더 길다.

  

  출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

• Blade의 Root와 Tip이 한 바퀴를 돌려면 Tip은 Root보다 더 부지런히 움직여야 한다는 것이다. 다시 말해 Tip은 Root보다 더 빠른 속도로 회전하게 된다. Tip이 더 빠른 속도로 움직이니 더 많은 추력을 발생시킬 것이고 Tip이 앞으로 휘어지면서 Blade에 상당한 응력을 가하기도 하며 Tip이 음속을 돌파하게 되면 급격한 항력 증가로 추력 감소 요인이 된다. 그렇기 때문에 Root와 Tip이 만들어내는 추력을 동일하게 해주기 위해 Root에 더 큰 Angle을 줘서 동일한 추력을 만들도록 하기 위함이다. 이것을 Blade Twist라고 한다.

Geometric Pitch & Effective Pitch

• Blade Angle을 가진 Propeller는 추력을 발생시킨다고 했다. 이 Propeller가 Blade Angle에서 한 바퀴를 회전했을 때 전진하는 이론적인 거리를 Geometric Pitch라고 한다. 중요한 단어는 Blade Angle 상태에서 한 바퀴를 돌 때라는 것이며 이것은 이론적인 거리이다. 다시 말해 실제 비행에서는 Geometric Pitch 만큼 Propeller가 전진하지 못하면 Effective Pitch 만큼 전진하게 된다. 이러한 이유는 Blade Angle을 유지하지 못하고 그보다 작아진 Helix Angle을 상태로 한 바퀴를 회전하기 때문이다. 그 이유에 대해서는 다음 포스트에서 알아보자.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Principles of Flight