PROPELLER & LEFT TURNING TENDENCY
PROPELLER
- 항공기의 프로펠러는 에어포일의 한 종류이다. 즉 날개와 같다.
- 항공기 프로펠러 또한 양력을 만들어 내며 , 만들어 내는 원리도 항공기 날개와 같다.
- 프로펠러는 추력을 발생시켜 항공기를 전진하게 만든다. 추력은 프로펠러에서 공기를 뒤로 밀어내는 반작용으로 항공기를 앞으로 밀어내는 힘이다.
- 조종사 시점 기준 프로펠러의 앞면 쪽이 저압 , 프로펠러 뒷면 쪽이 고압지역이다. 이 압력차이로 인해 항공기를 전진방향으로 진행시킨다.
- 프로펠러의 구조와 용어는 다음과 같다. 위 그림을 참고한다.
1. blade angle은 프로펠러의 회전면 ( plane of rotation ) 과 프로펠러의 chord line이 이루는 각을 이야기한다.
2. pitch angle은 프로펠러의 회전면 ( plane of rotation ) 과 프로펠러의 회전 속도와 전진속도의 합력 ( vector )이 이루는 각을 이야기한다.
3. propeller angle of attack은 프로펠러의 chordline 과 relative wind가 이루는 각을 이야기한다.
4. propeller relative wind는 프로펠러의 회전속도와 항공기 전진속도의 합력( vector )이 이루는 선 이다 . propeller의 relative wind는 프로펠러의 회전속도( RPM )가 빨라지면 후방으로 이동 즉 받음각이 커지고 , 항공기 전진속도가 빨라지면 전방으로 이동 즉 받음각이 작아진다. 즉 다시 말해 , 프로펠러 chord line 에서 멀어지고 ( RPM 증가시 ) , 프로펠러 chordline 에 가까워 진다( 항공기 전진속도 증가시 ). relative wind가 chordline에서 멀어지면 받음각 증가, 가까워지면 받음각 감소이다 .
5. blade face란 조종석에서 보는 프로펠러의 평평한 면 , blade back이란 항공기 전방에서 보는 프로펠러의 볼록한면 blade face는 날개의 low surface와 같고 , blade back은 날개의 upper surface와 같다.
- 프로펠러 슬립은 프로펠러 유효피치 와 기하학적 피치의 차이이다.
- propeller effective pitch 는 프로펠러가 한번 회전하여 실제 항공기가 이동한 거리. slip을 포함하여 줄어든 실제 이동거리
- propeller geometric pitch 프로펠러가 한번 회전하여 이론적으로 항공기가 전진한 거리
- slip은 상대풍과 blade angle의 차이 , 즉 프로펠러 받음각이다.
- 프로펠러의 속도는 프로펠러 허브로부터 멀어짐에 따라 빨라진다. 위 그림을 참고 한다.
- 프로펠러의 속도가 빠르면 많은 공기를 밀어내어 큰 추진력을 얻을 수 있지만 , 위의 그림과 같이 프로펠러 끝으로 갈수록 속도가 빨라지기 때문에 프로펠러 끝이 음속에 도달해 큰 항력을 생성시킬수 있음을 유의해야 한다.
- 위의 이유로 propeller blade angle은 허브로부터 멀어질수록 작아진다. 이유는 blade angle을 같게 하면 blade의 끝에선 많은 양력이 생성되게 되고 큰 하중이 작용하여 blade가 손상되기 때문이다. 또한 프로펠러의 각 부분마다 동일한 양력을 생성시켜 프로펠러가 부담하는 하중이 일정하게 분포되어 구조적 강도를 유지하게 한다.
* 프로펠러는 1. 통과하는 공기의 양을 크게 2. 프로펠러 RPM은 적게 하는게 효율적이다. 즉 HIGH PITCH / LOW RPM 세팅일 때 효율이 좋다. 그 이유는 다음과 같다.
1) RPM이 높을수록 slip이 크고 , 엔진에서의 마찰력으로 인한 동력손실이 크다.
* 자전거를 탄다고 상상했을 때 내리막길은 HIGH PITCH / LOW RPM , 오르막길은 LOW PITCH / HIGH RPM 로 다니는게 신체 부하가 적다는 것과 일맥상통한다.
* propeller가 휘어져 있는 이유는 1. 프로펠러 구조적 강도를 좋게 하기 위해서 2. 프로펠러 실속 방지를 위해서 3. 선속의 차이로 상대풍의 각도가 달라져 이를 상쇄하여 동일한 AOA를 만들기 위하여
프로펠러에 작용하는 힘
- 프로펠러의 작용하는 힘은 5가지 이며 다음과 같다.
1. centrifugal force( 원심력 )으로 프로펠러 허브로부터 바깥으로 블레이드를 잡아 뽑는 힘. 프로펠러에 작용하는 힘 중 가장 크다.
2. torque bending force 엔진이 프로펠러 샤프트를 통해 프로펠러를 회전시키므로 프로펠러는 회전하는 반대방향으로 휘어지려고 하는 힘이 생긴다.
3. thrust bending force 프로펠러의 양력으로 인해 항공기 전진 방향으로 프로펠러가 휘어지려고 하는 힘이다. 프로펠러 두께가 얇은 프로펠러 끝 쪽으 가장 크게 영향을 받는다 . centrifugal force가 thrust bending force를 억제한다. 즉, 반대되는 힘이다.
4. aerodynamic twisting force 프로펠러 blade angle을 크게 하려는 힘으로 center of pressure가 회전축의 바깥쪽에 있어 blade angle을 증가시키려는 moment이다. HIGH PITCH로 만드려는 힘
5. centrifugal twisting force 프로펠러 blade angle을 감소시키려는 힘이다. LOW PITCH로 만드려는 힘
고정피치 propeller overspeed
- fixed pitch propeller 항공기는 강하시에 먼저 엔진 RPM을 줄인 후 하강하여야 한다. 그 이유는 다음과 같다.
항공기가 하강하게 되면 항공기 전진속도가 증가한다. 항공기 전진속도가 증가하면 프로펠러의 상대풍이 전방으로 이동하여 받음각이 작아진다 . 받음각이 작아지면 프로펠러의 부하가 줄어들어 엔진의 추력에 여유가 생겨 RPM을 증가시키기 때문에 RPM을 줄이고 하강을 시작하여야 한다.
엔진 출력 계기
- 엔진 출력을 나타내는 계기는 다음과 같다.
1. tachometer 는 fixed pitch prop 항공기에 사용된다. 프로펠러의 회전수 ( RPM )을 표시 한다. 엔진의 throttle에 의해 출력이 조절된다.
2. manifold pressure indicator는 constant pitch prop 항공기에 사용된다. throttle로 실린더에 들어가는 혼합가스의 압력을 조절하여 manifold pressure indicator에 나타내고 , prop lever를 이용하여 항공기 RPM을 조절하며 tachometer로 rpm을 나타낸다.
항공기 프로펠러의 종류
- fixed pitch prop
fixed pitch prop은 항공기의 순항속도에서 가장 효율적으로 작용할 수 있는 pitch를 적용하였다. 고정피치 프로펠러라고 한다.
- controllable pitch prop( 가변피치 프로펠러 )
controllable pitch prop은 이륙 , 상승 , 순항 , 하강 , 착륙 의 목적에 따라 프로펠러 blade angle을 변경 가능한 프로펠러이다. blade angle은 prop control lever를 통해 변경 가능하다. 종류는 다음과같다.
1. 2단 가변피치 프로펠러
과거에 사용되던 가변 피치 프로펠러로 low pitch , high pitch 2가지 blade angle 만을 선택할 수 있는 프로펠러이다.
low pitch는 이륙과 착륙에서 , high pitch는 순항에서 사용한다.
2. constant speed prop ( 정속 프로펠러 )
정속 프로펠러는 현대에 사용되어지는 프로펠러로 governor를 이용하여 항공기 속도와 엔진 출력에 상관없이 항상 같은 RPM을 유지한다.
* caburetor icing이 발생하면 fixed pitch prop은 rpm이 떨어진다. controllable pitch prop은 manifold pressure가 떨어진다.
이 정속프로펠러의 이해포인트는 다음과 같다.
정해진 추력을 생성하고 있는 엔진이 추가적으로 추력을 만들게 되는 상황이라고 생각해보자. 추가적인 추력 생성은 다음과 같이 생성된다.
throttle을 통해 파워를 증가하거나 & 하강할때 프로펠러의 부하가 줄어들거나
이때 추가적으로 생성된 추력을 해소하기 위해 RPM 증가 혹은 PROPELLER PITCH를 크게 해 부하를 늘리는 방법이 있다. 정속 프로펠러는 RPM을 고정시키기위해 PROPELLER PITCH 를 변화 시키므로써 증가하는 추력 혹은 감소하는 추력에 대처한다 .
CONSTANT PROP 의 구성품은 다음과 같다.
1.governor
거버너는 constant pitch prop의 핵심 시스템이다. 원심력( centrifugal force ) 를 이용하여 프로펠러 pitch를 조절해 RPM을 유지한다. RPM이 증가하려는 힘이 생기면 , 원심력이 증가하여 flyweight가 벌어져 엔진오일이 프로펠러에 들어와 프로펠러 pitch를 증가시키고 증가된 pitch로 인해 원심력이 다시 원래 rpm에 유지가 되면 fly weight가 닫혀 엔진오일이 들어오지 않게 되어 피치가 유지되는 시스템이다.
2. governor control lever
governor control lever는 케이블로 조종석의 propeller control lever와 연결되어 있다. control lever를 조절할 때 governor의 작동은 다음과 같이 이루어 진다.
3. threaded shaft
threaded shaft는 볼트와 같은 방식으로 작동한다 시계방향이 잠김 , 반시계방향이 풀림이다.
4. speeder spring
speeder spring은 fly weight와 threaded shaft 사이에 있다. threaded shaft가 잠기면 스프링이 눌려져 장력이 증가하고 , threaded shaft가 풀리면 반대로 장력이 줄어든다.
5. flyweight
pilot valve와 연결되어 있으며 , 원심력이 증가하면 fly weight가 위로 올라오며 벌어진다. 원심력이 감소하면 flyweight가 내려가며 모아진다.
6. pilot valve
pilot valve는 flyweight와 연결되어 있으며 pilot valve가 위 아래로 움직여 항공기 prop & engine oil sump 사이에 오일의 흐름을 제어한다.
7. governor gear pump
governor gear pump는 오일의 압력을 높여지는 오일펌프로 , prop lever를 조작할 때 반응속도를 더 빠르게 해준다.
overspeed & underspeed
- 프로펠러가 overspeed & underspeed 되었을 때 거버너가 어떻게 RPM을 유지하는지 알아본다.
- overspeed 일때는 다음과 같다.
비행 하강단계에서 , 항공기 pitch가 낮을 때 , 엔진의 부하는 줄어들고 ( torque 감소 ) , 이에 따라 RPM은 증가한다.
이 상황이 overspeed의 한 예시 이다.
프로펠러가 overspeed 되면 원심력의 증가로 인해 flyweight가 벌어지고 , pilot valve가 상승하여 , 엔진오일이 프로펠러에 공급되고 , 프로펠러 피치가 증가하게 된다. 프로펠러 피치가 증가하여 원심력이 줄어들면 flyweight가 다시 중립을 찾고 pilot valve는 내려와 엔진오일이 propeller로 들어가는 통로를 차단한다.
- underspeed 일때는 다음과 같다.
비행 초기 상승단계에 항공기 pitch가 높을 때 , engine은 더많은 부하가 걸리게 되고 ( torque 상승 ) ,이에 따라 RPM은 떨어진다.
이 상황이 underspeed 상황의 한 예시 이다 .
프로펠러가 underspeed되면 원심력의 감소로 인해 flyweight가 모아지고 , pilot valve는 하강하여 , 프로펠러에 있던 엔진오일이 oil sump로 이동하게 되고 , 프로펠러 피치는 감소하게 된다. 프로펠러 피치가 감소하여 원심력이 증가하면 , flyweight는 다시 중립을 찾고 , pilot valve는 올라와 프로펠러에 있는 엔진오일이 나가는 통로를 차단한다.
* lose of engine oil 상황시 constant pitch prop 은 LOW PITCH / HIGH RPM 세팅으로 자동 전환된다.
* 그 이유는 다음과 같다.
1) 프로펠러 허브 스프링은 엔진오일이 들어옴에 따라 수축하며 HIGH PITCH가 되는데 엔진오일이 없다면 LOW PITCH가 된다.
2) 항공기가 전진할 때 natural twisting moment가 LOW PITCH / HIGH RPM을 만든다.
* low pitch stop & high pitch stop
1) low pitch stop이란 RPM이 증가하다가 프로펠러 pitch가 low pitch 한계점에 도달해 RPM이 감소하는 것을 말한다.
2) high pitch stop이란 RPM이 감소하다가 프로펠러 pitch가 high pitch 한계점에 도달해 RPM이 증가하는 것을 말한다.
3) feathering stop이란 PROP LEVER를 feathering 위치에 놓았을 때 의 한계점이다.
FEATHERING
- FEATHERING 상태일 때는 pilot valve가 완전히 위로 올라가 엔진오일이 모두 oil sump로 빠져 나가게 되고 , 프로펠러는 feather stop 까지 움직여 프로펠러 blade angle은 항공기 진행방향과 수평하게 되어 항력이 줄어든다.
LEFT TURNING TENDENCY
- LEFT TURNING TENDENCY 는 항공기 기수를 왼쪽으로 틀어지게 하는 경향성이다.
- LEFT TURNING TENDENCY의 원인은 4가지로 다음과 같다.
1. TORQUE REACTION
토크 리액션은 뉴튼의 제 3법칙 작용.반작용 법칙으로 설명된다. 항공기 프로펠러가 시계방향인 오른쪽으로 회전함에 따라 왼쪽으로 반작용하는 힘이 생겨 left turning tendency를 만든다. 항공기 기수가 왼쪽으로 틀어짐에 따라 roll도 왼쪽으로 생기게 된다. 이를 방지하고자 과거에는 왼쪽 날개에 양력을 더 많이 발생시키도록 제작했고 , 현재에는 엔진에서 상쇄시키도록 제작한다.
take off roll 중에 이 torque reaction 때문에 왼쪽으로 yawing moment가 발생하여 조종사는 right rudder를 사용하여 이 moment를 상쇄시켜야 한다.
2. COCKSCREW EFFECT
항공기 프로펠러를 통과한 빠른 공기흐름인 후류는 코크스크류 형태의 나선 회전흐름을 형성한다. 이 흐름이 항공기 꼬리날개 vertical stabilizer의 왼쪽 면에 부딪혀 left turning tendency를 발생시킨다.
이 효과에 의한 yawing moment는 왼쪽으로 나타나며 , rolling moment는 오른쪽으로 나타난다.
* 항공기 전진 속도가 빠를 수록 cockscrew effect는 적어진다
3. GYROSCOPIC ACTION
tail wheel 항공기에서 가장 두드러지게 나타나는 특성
자이로의 기본 특성인 강직성( rigidity ) 와 섭동성 ( precession )에 의해 발생하는 left turning tendency이다.
left turning tendency는 precession ( 섭동성 )에 의해 일어난다.
precession 이란 회전하는 물체에 힘이 가해졌을 때 그 결과가 90도 후 지점에서 나타나는 현상이다.
* tail wheel 항공기는 이륙시 항공기가 전진함에 따라 꼬리 부분이 먼저 lifting 되는데 이 때 프로펠러의 윗부분에 힘을 가하게 된다. 그리하여 90도 지점인 프로펠러 3시방향에 힘의 결과가 나타나 항공기가 left yawing moment를 가지게 된다.
4. P-FACTOR
항공기가 높은 AOA일 때 , 내려가는 쪽 블레이드가 올라가는 쪽 블레이드보다 공기와 더 많이 접촉하게 된다.
즉 내려오는 쪽 BLADE 의 AOA이 더 크고 , 올라가는 쪽 BLADE의 AOA이 더 작기 때문에 비대칭하게 되고 , 아래로 내려오는 BLADE가 더 많은 추력을 만들어내어 left turning tendency를 만들어 내는 것이다.