「프로펠라」에 관한 짧은 글

「프로펠라 (propeller)」란, 비행기나 선박등에서 「엔진」의 출력을 추진력으로 변환하기 위한 장치이다. 양력(揚力)을 얻기 위한 여러 개의 「브레이드(날개)」「브레이드」를 지지하면서 동시에 「샤프트」의 출력을 전달하는 「허브」와 그 외의 부품으로 구성된다.

「영각[주1, 迎角,맞음각.Angle of attack]」을 주기적으로 변화시키는 것이 전제인 헬리콥터의 「로우터」는 「브레이드」의 구조가 유사한 부분도 있지만, 「피치」관계에서는 다른 점이 더 많다. 또 선박의 경우는 일반적으로는 스크류[추진기]로 불리지만, 업계 용어는 「프로펠라」이다. 바람으로부터 동력을 얻는 풍차나 풍속계등의 날개도 「프로펠라」라 불린다. 같은 형상에서 송풍, 배기등의 목적으로 된 경우는 「팬」으로 불리는 것이 있지만 엄밀한 구분은 없다. 「프로펠라」의 회전수를 올리는 것으로 추진력도 올릴 수 있지만 「유체역학」적인 한계가 있다.

[주 1]영각(맞음각)은 유체(액체나 기체)중의 물체가 흐름에 대해서 얼마나 기울고 있는가를 나타내는 값이다. 날개의 경우, 앞의 가장자리와 뒤의 가장자리를 잇는 선[익현(翼弦, Chord]와 마주치는 유체와의 이루는 각으로 나타난다. 그림에서는 각 알파가 영각이며 영어로는 Angle of attack 라고 한다. AoA 로 약칭된다.

[이론]
지상에서 정지하고 있을 때 「프로펠라」가 느끼는 속도는 회전 속도 뿐이다. 그러나 비행중에는 회전 속도와 비행 속도를 「벡터」합성한 것이 된다.


[뒤틀림]
회전중「브레이드」의 유체(流體)에 대한 상대속도는 「브레이드」끝 부분이 크다. 「양력」을 효율적으로 발생시키기 위해서 끝으로 가는 만큼, 「브레이드」의 회전중 「영각」이 작아지도록 「뒤틀림」이 있다.


[비행기의 프로펠라]
「레시프롭 엔진(피스톤 엔진)」과 「터보프롭 엔진(제트 엔진의 일종)」에 설치해 사용된다.

역사]
「제트엔진」 등장 이전 비행기의 추진 장치는 「레시프롭엔진」과 「프로펠라」의 편성이 일반적이었다. 2번의 세계대전을 거치면서 항공 기술이 비약적으로 발전하여 기체의 속도가 커짐에 따라 비행 속도와 회전 속도의 합성인 「프로펠라」의 대기(對氣)속도, 특히 선단에서 속도가 음속에 가까워지기 시작했다[천음속(遷音速)영역]. 「브레이드」의 일부가 음속을 넘으면 「충격파」가 발생하면서 효율이 크게 저하된다. 거기서, 「프로펠라」선단의 합성 속도가 「천음속」이 되는 비행 속도 이상의 비행에는 「프로펠라」가 아니고 「제트엔진」을 사용하는 것이 일반화되고 있다. 「제트엔진」은 「공기흡입구」에서 기류의 속도를 음속 이하로 내리기 때문에 「팬」이나 압력「브레이드」선단(의 합성 속도)이 「초음속」이 되어 효율이 악화되지는 않는다.

[종류]
크게 「피치」가 고정된 것과 「피치」를 조절할 수 있는 것(가변 피치 프로펠라)로 나눌 수 있다. 「가변 피치」에도 「피치」의 변환을 수동으로 실시하는 것과 상태에 맞추어 자동적으로 「피치」조절이 이루어지는 것이 있다.

[고정 피치 프로펠라]
「브레이드」의 「피치」가 고정된 것이다. 목제나 초기의 알루미늄 합금제 등.

[선택 피치 프로펠라]
이륙시(저「피치」)와 순항시(고「피치」)의 2 단계나, 다단계로 「피치」를 변환하는 것.

[정속(定速) 프로펠라]
「피치」가 아니고 회전수를 선택하는 것. 「피치」의 조절은 회전수를 유지하듯이 자동적으로 행해지는 「프로펠라 가버너[조속기(調速機)]」에 의한다.
선택한 회전수(회전 속도)를 일정하게 유지하므로 「정속(定速)」이라고 불린다.


가변 「피치」「프로펠라」중에는 다음과 같은 기능을 갖춘 것도 있다.

[리버스 피치]
부(負)의 영각이 되면 역방향의 양력(즉 퇴행적인 추진력)을 발생시키는 기능. 착륙 직후에 「피치」를 「리버스」로 하는 것으로 착륙의 활주 거리를 단축할 수 있다. 「제트엔진」에 서 「Thrust 리버서」와 같은 기능.

[Feathering]
「풀 패더」라고도 한다. 「엔진」이 고장으로 정지했을 때나 지상 계류중 등에, 「프로펠라」가 회전하지 않는 상태에서 공기 저항을 최소화하기 위해 바람과 「브레이드」면을 거의 평행으로 「영각」이 「제로 양력각」이 되도록 고정하는 기능.


[브레이드]
[재료]
초기의 고정 「피치」「프로펠라」에는 건조가 잘 된 목재로 만들었다. 그 후 「알루미늄」 합금을 단조한 것이 주류가 되었고 일부에는 강철 제품의 「브레이드」도 존재했다. 복합재료의 발전에 따라 섬유강화 「플라스틱」등이 사용되고 있다.

[형상]
유도항력(誘導抗力)을 낮추고 효율적으로 「양력」을 얻기 위해서는 「어스펙트」비가 큰 홀쪽한 날개의 형상이 대부분이다. 대 출력 「엔진」용의 「프로펠라」일 경우, 「솔리디티」를 크게 하기 위해 폭을 넓게(「코드」가 길어 짐)하거나, 「충격파」의 발생을 지연시키기 위해 「후퇴각」을 부여한 것도 볼 수 있다.
중심 부근은 회전 속도가 늦어 「양력」이 작고(양력은 속도의 제곱에 비례한다), 그것보다 「휨」이나 「뒤틀림」의 「모멘트」나 원심력(어느 것이나 중심부근만큼 크다)에 견뎌야 하기 때문에 단면 형상은 원형에 가까운 것이 많다. 다만 중심부근에는 「커프스」라 불리는 「정형용(整形用)의 덮개」를 설치하기도 한다.

[매수(枚數)]
기본적으로 「프로펠라」「브레이드」의 매수는 「엔진」의 출력에 따라 정해진다. 저 출력의 엔진에는 적은 매수를, 대 출력 엔진에는 다수의 「브레이드」를 가지는 「프로펠라」가 장비된다. 특히 대 출력의 엔진에 대해서는 2중 반전「프로펠라」를 사용하기도 한다.

대체의 기준으로는:
현대의 소형기(이른바「세스너」기)의 「엔진」은 200마력 이하의 「레시프롭엔진」이며, 2∼ 3매 정도. 10인승 정도의 중형기(저 출력「터보프롭」)이나 제2차 세계대전 때의 전투기(대 출력 「레시프롭엔진」) 등 1,000 마력 정도에서는 3∼ 4매 정도. 여객기나 폭격기(「터보프롭엔진」이나 성형(星形) 대 출력 「레시프롭엔진」) 등 2,000 마력을 넘는 것에는 4매 이상이다.

[방빙(防氷)·제빙(除氷)]
「프로펠라」만이 아니고 기온이 낮은 고공을 비행하기 때문에 비행기의 기체 전면에는 얼음이 어는 일이 있다. 「프로펠라」의 경우, 「브레이드」표면, 특히 끝부분에 얼음이 얼면 「브레이드」모양이 뒤틀려 효율의 저하나 진동의 원인이 된다. 「브레이드」끝에서는 「원심력」이 강하기 때문에 얼음이 작을 때는 날려 버려지지만, 안쪽에서는 크게 얼어 붙을 수 있다. 거기서, 「브레이드」안쪽에는 「방빙·제빙」용의 「부츠」를 설치하는 일이 있다. 대부분 전열선을 이용한 방식으로 전원은 「슬립 링」을 통해 공급된다. 그밖에 약품이나 가열 공기를 이용하는 방식도 있다.

[허브]
「브레이드」를 지탱하면서 「엔진」으로부터 「샤프트」나 감속「기어」를 통해 전해진 출력을 「브레이드」로 전하는 것이 「허브」의 기본적인 역할이다. 회전중인 「프로펠라」의 원심력에 견딜수 있는 강도가 필요하게 된다. 목제 고정 「피치」 「프로펠라」의 경우, 「허브」와 「브레이드」는 명확하게 구별할 수 없을 수도 있지(합판을 접착시킨 것을 깎아 성형한 것이다)만, 가변「피치」「프로펠라」의 경우는 「허브」내부에 「피치」변경 기구를 내장하고 있는 것이 많다. 제2차 세계대전 당시의 전투기에는 「프로펠라」 「샤프트」와 「허브」를 통해 기관포를 발사하는 것도 있었다.

「허브」에는 「스피나」(스핀나라고도 한다)라는 원추형이나 돔 모양의 덮개를 씌울 수 있는 것이 많다. 「스피나」의 목적은 「허브」의 보호와 「엔진」에 유입되는 공기의 흐름을 흐트리지 않을 목적이다.

[선박의 프로펠라]
형상은 타원 혹은 부채꼴에 가깝고 면적이 넓다. 매수는 2매 이상으로 이것도 소형선은 매수가 적고, 대형선이 많은 경향에 있다. 항공기와 달리 선박의 「프로펠라」는 후진이 요구된다. 일반적으로 추진축을 역회전시키는 것으로 대응하지만, 기어를 이용하여 역회전을 할 수 없는 경우는 가변「피치」「프로펠라」를 채용하여 「피치」의 변경으로 대응한다.

회전 속도가 오르면 기포가 생기는 「캐비테이션」이라고 하는 현상이 일어나고 효율이 나빠진다. 이 때문에 큰 면적의 「프로펠라」를 저회전으로 사용하는 경우에 효율이 향상된다고 여겨진다. 연비를 중시하는 화물선에는 이중 반전 「프로펠라」의 채용등의 연구가 행해진다.
여객선에서는 「프로펠라」와 전동기를「포드」에 장비하는 「포드」추진의 채용도 한다. 「포드」자체를 회전시키며 「샤프트」를 중지하고 키를 이용하여 후진 문제를 해결한다. 수중 속력 30「노트」가 넘는 원자력 잠수함등에서는 ７매라는 다수의 날개를 가지고 이들 개개의 날개는 홀쪽해서 면적이 작고 날개의 후퇴각이 큰 「스큐드·프로펠라」로 불리는 「프로파라」가 채용되고 있다.
「하이·스큐」로 불리는 「프로펠라」에서는 후퇴각이 연속 변화하는 복잡한 곡선으로 구성되어 있다. 최근에는 「프로펠라」의 주위를 「닥트」로 가리는 「펌프·제트」라 불리는 추진 방식을 사용하기도 한다. 수중익선등 한층 더 고속을 얻으려고 하는 선박에서는 「워터 제트」추진이 이용되기도. 또한 「호버 크래프트」에서는 비행기의 「프로펠라」와 닮은 공중의 「프로펠라(다크텟드팬)」를 이용한다.

선박에서 「엔진」과 「프로펠라」를 연결하는 축을 「샤프트」라고 한다. 「유니버설 조인트」로 구성되어 축이 기울기나 조금 어긋나 있어도 동력을 전달할 수 있다. 「프로펠라」를 구동하는 것은 아니지만 자동차에서 같은 작동을 하는 기구도 「샤프트」로 불린다.