항공기 프로펠러에 대해 - Propeller(3)

Blade에 작용하는 힘

• Propeller Blade가 추력을 발생시키는 원리는 Wing이 양력을 발생시키는 원리와 동일하다고 언급했다. 이렇게 추력을 발생시키는 동안 Blade는 여러 가지 힘을 견뎌야 한다. Blade에 발생하는 힘 5가지를 알아보자.
  
  1. Thrust Bending Force
     • 가장 이해하기 쉬운 힘인 Thrust Bending Force는 Blade가 만들어낸 추력은 Blade를 앞으로 밀게 된다. 이때 Blade의 Root는 고정되어 있기 때문에 상대적으로 Wing Tip이 앞쪽으로 휘어지게 되는데 이때 Bending Force가 발생한다.

       

       출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

  2. Centrifugal Force
     • 원심력이다. 무거운 Blade가 빠른 속도로 회전하게 되면 Blade가 밖으로 나가려는 원심력이 발생한다. Blade Root가 고정되어 있기 때문에 이 원심력이 Wing Tip 잡아당기는 힘으로 작용하게 된다.

       

       출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

  3. Centrifugal Turning Force
     • 원심력에 의해 발생하는 힘으로 Blade 단면을 보게 되면 Torsional Axis를 기준으로 아래쪽의 Blade는 왼쪽에 위치하고 위쪽의 Blade는 오른쪽에 위치한다. 이 상태에서 빠르게 회전하게 되면 아래쪽의 Blade가 원심력에 의해 오른쪽으로 이동하려는 힘이 발생하고 위쪽의 Blade는 왼쪽으로 가려는 힘이 발생한다. 이렇게 Turning Force가 발생하게 된다.

       

       출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

  4. Aerodynamic Turning Moment
     • 이 힘은 Center of Pressure와 Torsional Axis의 위치가 달라 발생하는 힘이다. 여기서 Center of Pressure는 추력의 중심으로 생각하면 된다. CP를 기준으로 추력이 Blade를 앞으로 미는데 Torsional Axis는 그보다 더 오른쪽 위에 위치한다. 그래서 Aerodynamic Turning Moment는 시계방향으로 작용하게 된다.

       

       출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

  5. Torque Bending Force
     • 마지막으로 Torque Bending Force이다. 이 힘은 Rotation의 반대 방향으로 나타나게 되는데 조금만 생각해 보면 당연한 힘이다. Blade의 Root는 중앙의 Hub에 고정되어 있는데 이 Hub는 엔진의 힘을 받아 회전하게 된다. 그렇게 되면 Hub에 고정되어 있는 Root가 회전하고 상대적으로 먼 Blade Tip은 그다음 회전하게 되는 것이다. 이렇게 되면 시간차에 의해 Root가 먼저 이동하고 뒤로 Tip이 따라온다. 이때 Blade는 휘어지는 힘을 받게 되는데 이것이 Torque Bending Force이다.

       

       출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

항공기 속도가 빨라지면 RPM이 달라진다?

• 비행훈련을 하다 보면 2300RPM에 정확히 맞췄는데 Descend 자세나 Climb 자세로 바꾸면 RPM이 달라진다. 다른 많은 요소가 있겠지만 속도 또한 RPM이 바뀌게 하는 요소 중 하나이다.
• 아래 그림을 보게 되면 아래쪽 화살표는 Propeller RPM의 세기를 나타내며 왼쪽으로 향하는 화살표는 항공기 속도를 나타낸다. 이렇게 삼각형을 그리게 되면 Helix Angle을 구할 수 있고 이것을 빼면 Relative AOA를 알 수 있게 된다. 1번 상황에서 Relative AOA는 Positive이다. 다시 말해 AOA가 +라서 추력이 앞으로 발생한다는 것이다. 이 추력은 CP를 기준으로 Chord Line의 수직으로 발생하게 되고 이 힘을 두 가지의 성분으로 나누면 앞으로 발생하는 추력과 RPM의 반대 방향으로 작용하여 Propeller의 회전을 방해하는 힘으로 나뉜다.

  

  출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight

• 이것을 기억하고 아래 2번 상황을 보자. 항공기 속도가 더 빨라져서 Relative AOA가 -가 되었다. 이 의미는 추력이 뒤로 발생한다는 것이다. 이 또한 CP를 기준으로 Chord Line의 수직으로 작용하기에 아래 오른쪽 방향으로 작용한다. 두 가지 성분으로 나누면 뒤로 발생하는 Drag와 RPM과 동일한 방향으로 작용하여 Propeller의 회전을 도와주는 힘으로 나눌 수 있다. 이 힘 때문에 속도가 빨라지면 Throttle을 건들지 않아도 RPM이 증가하게 되는 것이다.

  

  출처 : Jeppesen JAA ATPL - Principles of Flight