(2) Controllable-Pitch Propeller

Controllable-Pitch Propeller

 

fixed-pitch propellers는 하나의 특정 rpm과 하나의 대기속도에서 최고의 효율을 발휘하도록 설계되었다. fixed-pitch propeller는 좁은 범위의 대기속도에서 적절한 성능을 제공한다. 허나 이 범위를 벗어난 경우에는 fixed-pitch propeller의 효율성이 상당히 떨어진다. 광범위한 운영을 통해 프로펠러 효율성을 향상시키기 위해선 프로펠러 블레이드 각을 제어할 수 있어야 한다.

 

Constant-Speed Propeller

 

constant-speed propeller(정속 프로펠러)는 대부분의 비행 조건에서 최대 효율을 제공하기 위해 프로펠러 각을 조정한다. 조종사는 propeller governor에 연결된 propeller control을 통해 엔진 rpm을 간접적으로 제어한다. 최대 이륙 출력을 적용할 때에는 propeller control을 low pitch/high rpm position으로 전진하고 throttle을 maximum allowable manifold pressure position로 전진한다. [그림 12-6] 상승이나 순항을 위해 출력을 감소시켜야 한다면 먼저 throttle로 manifold pressure를 적절한 값으로 감소시킨 다음 propeller control을 high pitch/low rpm position으로 당겨서 엔진 rpm을 감소시킨다. 조종사는 tachometer를 통해 rpm을 정확하게 설정할 수 있다.

비행기 엔진이 constant governed speed로 작동하고 있다면 엔진이 프로펠러축에 가하는 토크(힘)와 프로펠러 블레이드의 공기 저항이 동일하다. 조종사가 propeller control을 통해 propeller blade pitch를 조정하면 프로펠러의 공기 저항이 증가하거나 감소해서 엔진 rpm이 변경된다. 예를 들어 propeller control을 당기면 프로펠러 블레이드가 high pitch로 이동한다. 이는 프로펠러에 가해지는 공기 저항을 증가시켜서 엔진 부하를 증가시키며 결국 힘이 평형을 이루기 전까지는 엔진 rpm이 느려진다. propeller control을 전진시키면 propeller blade pitch가 감소한다. 이는 프로펠러에 가해지는 공기 저항을 감소시켜서 엔진 부하를 감소시키며 결국 힘이 평형을 이루기 전까지는 엔진 rpm이 빨라진다. 이 시스템이 작동하기 위해선 constant-speed propeller governor에 엔진 rpm을 감지하는 수단과 프로펠러 받음각을 조절하는 수단이 필요하다. governor는 보통 엔진 크랭크축에 맞물려 있어서 엔진 rpm을 감지할 수 있다. 이 장의 “Blade Angle Control”은 propeller governor가 프로펠러 블레이드 각도를 조정하는 방법에 대해 설명한다.

 

constant-speed propeller의 blade pitch에 영향을 미치는 또다른 요인이 있다. 비행기가 수평 비행으로부터 상승을 수행하면 엔진이 느려지는 경향을 보인다. governor는 엔진 rpm의 작은 변화에도 민감하게 반응하므로 governor는 엔진 rpm이 일정하게 유지될 정도로 blade angle을 줄인다. 비행기가 하강을 수행할 경우 governor는 엔진 rpm이 일정하게 유지될 정도로 blade angle을 높인다. 이를 통해 엔진은 일정한 rpm과 출력 생산량을 유지할 수 있다. 또한 조종사는 manifold pressure가 일정한 상태에서 rpm을 변경하거나, rpm이 일정한 상태에서 manifold pressure를 변경하거나, 혹은 rpm과 manifold pressure를 둘 다 변경해서 엔진 출력 생산량을 설정할 수도 있다. constant-speed propeller를 사용하면 무한한 수의 출력 설정을 만들 수 있다.

 

Takeoff, Climb, and Cruise

 

이륙할 때(비행기 전진 속도가 낮고 최대 출력 및 추력이 필요한 때) constant-speed propeller는 low propeller blade pitch로 설정된다. 저속에서 low blade angle은 상대풍에 대한 블레이드 받음각을 작고 효율적이게 유지한다. [그림 12-7]

또한 low blade pitch는 프로펠러 회전 당 더 적은 양의 공기를 다룰 수 있게 해준다. 이렇게 프로펠러 부하가 가벼우면 엔진이 최대 rpm으로 회전할 수 있으며 최대 엔진 출력을 만들 수 있다. 비록 회전 당 공기의 질량은 적지만 rpm이 높으며 브레이크가 해제되기 전까지는 프로펠러 추력이 극대화 된다. 이륙 활주 초반에 추력이 최대가 되며 비행기가 증속할수록 추력이 감소한다.

 

블레이드 각이 작기 때문에 부양 후 대기속도가 증가하면 엔진 부하가 가벼워진다. governor는 이를 감지한 다음 블레이드 각을 약간 증가시킨다. 대기속도가 높아질수록 블레이드 각도도 증가해서 상대풍에 대한 블레이드 받음각이 작고 효율적이게 유지된다.

 

이륙 후 상승을 시작하면 엔진의 출력 생산량을 상승 출력으로 감소시키기 위해 manifold pressure를 줄이고 엔진 rpm을 줄이기 위해 블레이드 각도를 높인다. 더 높은 대기속도(상승)와 더 높은 블레이드 각도로 인해 프로펠러는 낮은 후류 속도에서 더 많은 초(sec)당 공기 량을 다룬다. 이러한 출력 감소는 프로펠러의 효율성 증가로 인해 상쇄된다. 대기속도가 높아질수록 블레이드 각도도 높아져서 블레이드 받음각은 계속 작게 유지된다.

 

순항고도에서 비행기가 수평비행을 시작하면 대기속도가 증가하며 필요한 출력이 줄어든다. 따라서 조종사는 manifold pressure를 줄이기 위해 throttle을 사용하고 엔진 rpm을 줄이기 위해 propeller control을 사용한다. 더 높은 대기속도와 더 높은 블레이드 각도로 인해 프로펠러는 낮은 후류 속도에서 더 많은 초당 공기량을 다룬다. 정상 순항 속도에서 프로펠러 효율이 최대에 가깝거나 그 이상이다.

 

Blade Angle Control

 

프로펠러 RPM을 설정하였다면 propeller governor가 블레이드 각도를 자동으로 조정해서 rpm을 유지한다. 이는 오일 압력을 통해 이루어진다. 보통 pitch를 변화시키는데 사용되는 오일 압력은 엔진 윤활 시스템으로부터 직접 공급된다. 엔진 오일 압력은 보통 governor에 내장된 펌프를 통해 증가된다. 오일 압력이 높을수록 블레이드의 각도 변화가 빨라진다. 프로펠러가 작동할 rpm은 governor head에서 조정된다. 조종사는 조종실의 propeller control을 통해 governor rack의 위치를 변화시켜서 rpm을 변경한다.

 

일부 constant-speed propellers는 다음을 통해 pitch를 변화시킨다: (1) 블레이드 고유의 centrifugal twisting moment가 low pitch를 향하여 블레이드를 평평하게 만든다 (2) 프로펠러 블레이드에 연결된 유압 피스톤에 가해지는 오일 압력이 블레이드를 high pitch로 이동시킨다. 또 다른 유형의 constant-speed propeller는 hub 내의 blade shanks에 부착된 균형추를 사용한다. governor 오일 압력과 blade twisting moment는 블레이드를 low pitch position으로 이동시키며 균형추에 작용하는 원심력은 블레이드를 high pitch position으로 이동시킨다. 첫 번째 constant-speed propellers에서 governor의 오일 압력은 블레이드를 high pitch로 이동시킨다. 두 번째 constant-speed propelleres에서는 governor의 오일 압력과 blade twisting moment가 블레이드를 low pitch로 이동시킨다. 따라서 governor의 오일 압력 손실은 각각 다른 영향을 미친다.

 

Governing Range

 

constant-speed propellers의 블레이드 각도 범위는 약 11.5 ~ 50도까지 다양하다. 비행기의 속도가 높을수록 블레이드 각도 범위가 커진다. [그림 12-8]

high blade angle pitch stop과 low blade angle pitch stop 사이의 블레이드 각도 범위가 프로펠러의 governing range를 규정한다. 프로펠러의 블레이드가 governing range 내에서 작동하는 한 엔진 rpm은 일정하게 유지된다. 허나 프로펠러 블레이드가 pitch-stop 한계에 도달하면 엔진 rpm이 대기 속도와 프로펠러 부하의 변화에 따라 증감한다(마치 fixed-pitch propeller처럼). 예를 들어 특정 rpm이 선택된 후 만약 대기 속도가 줄어든다면 프로펠러 블레이드는 특정 rpm을 유지하기 위해 pitch를 줄인다(단, low pitch stops에 도달하기 전까지). low pitch stops에 도달한 이후에도 대기 속도가 계속 줄어든다면 엔진 rpm이 감소한다. 반대로 대기 속도가 증가한다면 프로펠러 블레이드는 특정 rpm을 유지하기 위해 pitch를 높인다(단, high pitch stop에 도달하기 전까지). high pitch stops에 도달한 이후에도 대기 속도가 계속 증가한다면 엔진 rpm이 증가한다.

 

Constant-Speed Propeller Operation

 

엔진은 propeller control이 low pitch/high rpm position에 놓인 상태에서 시동된다. 이 position은 프로펠러의 부하를 감소시키며 결국 엔진의 시동과 warm-up을 용이하게 만든다. warm-up 도중 propeller blade changing mechanism을 부드럽게 full cycle로 작동시킨다. 이를 위해 대략 1,600 rpm이 생산될 수 있도록 manifold pressure를 설정한 상태에서 propeller control을 high pitch/low rpm position으로 움직이고, rpm이 안정화되도록 기다린 다음, propeller control을 다시 low pitch takeoff position으로 움직인다. 이는 두 가지 이유에서 수행된다: 시스템이 올바르게 작동하는지 확인하기 위해, 그리고 깨끗하고 따뜻한 오일을 propeller governor system에 순환시키기 위해. 엔진이 마지막으로 정지한 후에 오일이 프로펠러 실린더에 갇혀 있었다는 것을 기억하라. 프로펠러 실린더로부터 일정량의 누유가 발생하며 특히 외부 공기 온도가 낮으면 오일이 응고되는 경향이 있다. 따라서 이륙 전에 프로펠러를 작동시키기 않으면 이륙 도중 엔진이 over-speed 할 가능성이 있다.

 

constant-speed propeller를 갖춘 비행기는 fixed-pitch propeller를 갖춘 비행기보다 이륙 성능이 더 좋다. 왜냐하면 constant-speed propeller를 갖춘 비행기는 움직이지 않는 상태에서 최대 정격 마력(tachometer의 red line)을 생성할 수 있기 때문이다. 반면 fixed-pitch propeller를 갖춘 비행기에서는 대기 속도를 증가시키기고 프로펠러 부하를 줄이기 위해 활주로에서 가속을 해야만 rpm과 마력이 최대치까지 꾸준히 증가할 수 있다. constant-speed propeller에서는 최대 출력이 적용되는 즉시 tachometer가 red line으로부터 40 rpm 이내를 나타내야 하며 이륙하는 내내 이 값이 유지되어야 한다. 과도한 manifold pressure는 실린더 연소 압력을 증가시키며 이는 엔진 내부에 높은 응력을 발생시킨다. 과도한 압력은 높은 엔진 온도도 생성한다. high manifold pressure와 low rpm이 합쳐지면 심한 detonation이 발생할 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해선 다음과 같은 출력 변경 순서를 따라야 한다.

 

∙ 출력을 증가시킬 때는 rpm을 먼저 증가시킨 후에 manifold pressure를 증가시킨다.

 

∙ 출력을 감소시킬 때는 manifold pressure를 먼저 감소시킨 후에 rpm을 감소시킨다.

 

순항 출력 세팅을 선택할 때에는 AFM/POH의 cruise power charts를 참조해야 한다. 이 차트에 나열된 rpm/manifold pressure 조합은 기체(airframe) 제조업체와 엔진 제조업체의 엔지니어들로부터 승인되었다. 따라서 power chart에 2,100 rpm and 24 inches manifold pressure와 같은 출력 세팅이 있다면 해당 세팅은 사용이 승인된 것이다. constant-speed propeller로는 엔진 over-speed 없이 power descent를 수행할 수 있다. 시스템은 프로펠러 블레이드 각도를 증가시켜서 하강으로 인한 대기속도 증가를 보상한다. 만약 하강이 너무 빠르거나 높은 고도에서 수행되었다면 일정한 rpm을 유지하기엔 블레이드의 maximum blade angle limit이 충분하지 못하다. 이 경우에는 rpm이 throttle 변화에 즉각적으로 반응한다.

 

throttle 세팅이 변화하면 governor가 신속하게 반응한다. 허나 throttle 세팅이 갑자기 크게 증가하면 블레이드가 출력 증가를 흡수하도록 조정되기 전까진 엔진이 순간적으로 over-speed 하게 된다. 접근 도중 최대 출력이 필요한 비상 상황이 발생하여 throttle을 갑자기 전진하면 엔진 over-speed가 순간적으로 발생한다.

 

constant speed propeller와 관련하여 기억해야 할 몇 가지 중요한 사항은 다음과 같다:

 

∙ tachometer의 red line은 maximum allowable rpm을, 그리고 엔진의 정격 마력을 얻는데 필요한 rpm을 나타낸다.

 

∙ 이륙 도중 throttle이 빠르게 전진되면 순간적으로 프로펠러 overspeed가 발생할 수 있다. 정격 rpm의 10%를 초과하지 않는 rpm이 3초 이하로 발생한다면 심각한 문제는 아니다.

 

∙ tachometer의 green arc는 정상 작동 범위를 나타낸다. 이 범위에서 출력이 발생할 때에는 엔진이 프로펠러를 구동한다. 허나 green arc 미만에서는 보통 windmilling propeller가 엔진을 구동한다. green arc 미만에서 장시간 비행하면 엔진이 손상될 수 있다. 표고가 낮은 공항에서 이륙할 때에는 manifold pressure가 rpm을 초과할 수 있다. 대부분의 경우 이는 정상이긴 하지만 조종사는 항상 AFM/POH의 limitations를 참조해야 한다.

 

∙ over-boosting 및/혹은 over-speeding을 방지하기 위해 항상 출력 변화를 부드럽고 천천히 수행해야 한다.