(2) Controllable-Pitch Propeller

Controllable-Pitch Propeller

 

fixed-pitch propellers는 특정 rpm 설정 및 하나의 속도에서 최고의 효율성을 발휘하도록 설계되었다. fixed-pitch propeller는 좁은 범위의 속도에서 적절한 성능을 제공한다. 그러나 이 범위를 벗어나 운영될 경우 fixed-pitch propeller의 효율성이 상당히 저하된다. 광범위한 운영을 통해 프로펠러 효율성을 향상시키기 위해선 프로펠러 블레이드 각을 제어할 수 있어야 한다.

 

Constant-Speed Propeller

 

constant-speed propeller는 대부분의 비행 조건에서 최대 효율을 제공하기 위해 프로펠러 각을 조정한다. 조종사는 propeller governor에 연결된 propeller control을 통해 엔진 rpm을 간접적으로 제어한다. 최대 takeoff power를 위해 propeller control은 low pitch/high rpm position으로 전진한다. 그리고 throttle은 maximum allowable manifold pressure position으로 전진한다. [그림 12-6] 상승이나 순항 시 출력을 감소시키기 위해 조종사는 throttle로 manifold pressure를 적절한 값으로 감소시킨다. 그런 다음 propeller control을 high pitch/low rpm position으로 후진시켜 엔진 rpm을 감소시킨다. 조종사는 tachometer를 사용하여 rpm을 정확하게 설정한다.

비행기 엔진이 constant governed speed로 작동하는 경우 프로펠러축에 엔진이 가하는 토크(힘), 그리고 블레이드를 저항하게 만드는 힘이 동일하다. 조종사는 propeller control을 통해 propeller blade pitch를 조정한다. 이는 프로펠러 블레이드의 공기 저항을 증가, 혹은 감소시킴으로써 엔진 rpm을 변경한다. 예를 들어 propeller control을 후진시킬 경우 프로펠러 블레이드가 high pitch로 움직인다. 이는 프로펠러에 가해지는 공기 저항을 증가시켜 엔진의 부하를 증가시킨다. 때문에 힘이 평형에 도달하기 전까지는 엔진 속도가 느려진다. propeller control을 전진시키면 propeller blade pitch가 감소한다. 이는 프로펠러에 대한 공기 저항을 감소시킨다. 그 결과 서로 대립하는 힘이 평형을 이루기 전까진 엔진 rpm이 증가한다. 이 시스템이 작동하기 위해서는 constant-speed propeller governor가 필요하다. 이는 엔진 rpm을 감지하기 위한, 그리고 프로펠러 받음각을 조절하기 위한 수단이다. 대부분의 경우 governor는 엔진 크랭크축에 맞추어져 있어서 엔진 rpm을 감지할 수 있다. 이 장의 “Blade Angle Control”에서는 propeller governor가 propeller blade angle을 조정하는 방법에 대해 설명한다.

 

constant-speed propeller blade pitch에 영향을 미치는 그 외의 요인이 있다. 비행기가 수평 비행으로부터 상승할 때 엔진이 느려지는 경향이 있다. governor는 엔진 rpm의 작은 변화에도 민감하다. 따라서 governor는 엔진 rpm을 일정하게 유지할 수 있을 정도로 blade angle을 줄인다. 비행기가 하강할 경우 governor는 엔진 rpm을 일정하게 유지할 수 있을 정도로 blade angle을 늘린다. 이를 통해 엔진은 일정한 rpm 및 출력 산출을 유지할 수 있다. 또한 조종사는 일정한 manifold pressure에서 rpm을 변경하거나, 일정한 rpm에서 manifold pressure를 변경하거나, 혹은 rpm과 manifold pressure를 둘 다 변경함으로써 엔진 출력 산출을 설정할 수 있다. constant-speed propeller는 매우 다양한 수의 출력 설정을 가능하게 만든다.

 

Takeoff, Climb, and Cruise

 

이륙 도중(비행기 전진 속도가 낮은, 그리고 maximum power and thrust가 필요한 때) constant-speed propeller는 low propeller blade pitch로 설정된다. 저속에서 low blade angle은 상대풍에 대한 블레이드 받음각을 작게, 그리고 효율적이게 유지한다. [그림 12-7]

 

low blade pitch는 프로펠러 회전 당 더 적은 양의 공기를 다룰 수 있게 해준다. 이러한 가벼운 propeller load는 엔진이 최대 rpm으로 회전할 수 있도록, 그리고 최대 엔진 출력을 만들어낼 수 있도록 해준다. 회전 당 공기의 양은 적지만 rpm이 높으며 브레이크가 해제되기 전까지는 프로펠러 추력이 극대화 된다. takeoff roll의 시작 부분에서 추력이 최대가 되며 비행기 속도가 증가함에 따라 추력이 감소한다.

 

부양 후 속도가 증가하면 엔진 부하가 가벼워진다. 왜냐하면 블레이드 각이 작기 때문이다. governor는 이를 감지한 다음 blade angle을 약간 증가시킨다. 속도가 높아질수록 blade angle도 증가하여 상대풍에 대한 블레이드 받음각을 작고 효율적이게 유지한다.

 

이륙 후 상승할 때 엔진의 출력 산출은 climb power로 감소된다. 이는 manifold pressure를 줄임으로써, 그리고 blade angle을 lower engine rpm으로 증가시킴으로써 이루어진다. 높아진 속도 및 높아진 blade angle 덕분에 프로펠러는 낮은 후류 속도에서 초당 더 많은 공기량을 다룬다. 이러한 출력 감소는 프로펠러 효율성의 증가로 상쇄된다. 속도 증가에 따라 blade angle이 증가함으로써 블레이드 받음각은 다시 작게 유지된다.

 

순항고도에서 비행기가 수평비행을 할 경우 속도가 증가하며 필요한 출력이 줄어든다. 따라서 조종사는 manifold pressure를 줄이기 위해 throttle을 사용한다. 그리고 엔진 rpm을 줄이기 위해 propeller control을 사용한다. 높아진 속도 및 높아진 blade angle 덕분에 낮은 후류 속도에서 초당 더 많은 공기량을 다룰 수 있다. 정상 순항 속도에서 프로펠러 효율이 최대에 가깝다.

 

Blade Angle Control

 

프로펠러의 RPM을 설정하였다면 propeller governor가 blade angle을 자동으로 조정함으로써 rpm을 유지한다. 이는 오일 압력을 통해 수행된다. 일반적으로 pitch 변경에 사용되는 오일 압력은 엔진 윤활 시스템으로부터 직접 공급된다. governor가 사용되면 엔진 오일이 사용된다. 오일 압력은 일반적으로 governor에 내장된 펌프를 통해 증가된다. 높은 압력은 빠른 blade angle 변화를 만든다. 프로펠러가 작동할 rpm은 governor head에서 조정된다. 조종사는 조종실의 propeller control을 통해 governor rack의 위치를 변경함으로써 이 설정을 변화한다.

 

일부 constant-speed propellers는 블레이드 고유의 centrifugal twisting moment(이는 low pitch를 향해 블레이드를 평평하게 만드는 경향을 가짐), 그리고 프로펠러 블레이드에 연결된 유압 피스톤에 가해지는 오일 압력(이는 블레이드를 high pitch로 이동시킴)을 통해 pitch 변화를 얻는다. 또 다른 유형의 constant-speed propeller는 hub 내의 blade shanks에 부착된 counterweights를 사용한다. governor의 오일 압력과 blade twisting moment는 블레이드를 low pitch position으로 이동시킨다. 그리고 counterweights에 작용하는 원심력은 블레이드를 high pitch position으로 이동시킨다. 첫 번째의 경우 governor의 오일 압력이 블레이드를 high pitch로 이동시킨다. 두 번째의 경우에는 governor의 오일 압력과 blade twisting moment가 블레이드를 low pitch로 이동시킨다. 따라서 governor의 오일 압력 손실이 각각 다른 영향을 미친다.

 

Governing Range

 

constant-speed propellers의 blade angle 범위는 약 11.5 ~ 50도까지 다양하다. 비행기의 속도가 높을수록 blade angle 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 rpm은 대기 속도, 그리고 propeller load의 변화에 따라 증감한다(fixed-pitch propeller와 유사). 예를 들어 특정 rpm을 선택한 후 만약 대기 속도가 충분히 감소한다면 프로펠러 블레이드는 특정 rpm을 유지하기 위해 pitch를 줄인다(단, low pitch stops에 도달하기 전까지). low pitch stops에 도달한 이후에도 대기 속도가 더 감소하면 엔진 rpm이 감소한다. 반대로 대기 속도가 증가하면 프로펠러 블레이드의 pitch angle이 증가한다(단, high pitch stop에 도달하기 전까지). high pitch stops에 도달한 이후에는 엔진 rpm이 증가하기 시작한다.

 

Constant-Speed Propeller Operation

 

엔진은 propeller control이 low pitch/high rpm position에 놓인 상태에서 시동된다. 이 position은 프로펠러의 부하(혹은 항력)를 감소시킨다. 그 결과 엔진의 시동 및 warm-up이 용이해진다. warm-up 도중 propeller blade changing mechanism을 천천히, 그리고 부드럽게 full cycle로 작동시킨다. 이는 propeller control을 high pitch/low rpm position으로 움직이고(대략 1,600 rpm이 생산될 수 있도록 manifold pressure를 설정한 상태에서), rpm이 안정화되도록 기다린 다음, propeller control을 다시 low pitch takeoff position으로 움직임으로써 이루어진다. 이는 두 가지 이유에서 수행된다: 시스템이 올바르게 작동하는지 확인하기 위해, 그리고 신선하고 따뜻한 오일을 propeller governor system에 순환시키기 위해. 엔진이 마지막으로 정지한 이후 오일이 프로펠러 실린더에 갇혀 있었다는 것을 기억하라. 프로펠러 실린더로부터 일정량의 누출이 발생하며 오일은 응고되려는 경향이 있다(특히 외기 온도가 낮을 경우). 따라서 이륙 전에 프로펠러를 사용하지 않으면 이륙 도중 엔진이 over-speed 할 가능성이 있다.

 

constant-speed propeller를 장비한 비행기는 fixed-pitch propeller를 장비한 비행기보다 이륙 성능이 더 좋다. 왜냐하면 constant-speed propeller를 장비한 비행기는 움직이지 않는 상태에서 최대 정격 마력(tachometer의 red line)을 생성할 수 있기 때문이다. 반면 fixed-pitch propeller를 장비한 비행기의 경우 대기 속도를 증가시키기 위해, 그리고 공기역학적으로 프로펠러를 unload 하기 위해 활주로에서 가속할 필요가 있다. 이를 통해 rpm과 마력은 최대치까지 꾸준히 증가할 수 있다. constant-speed propeller의 경우 full power가 적용되는 즉시 tachometer가 red line으로부터 40 rpm 이내로 나타나야 한다. 그리고 이는 이륙하는 내내 유지되어야 한다. 과도한 manifold pressure는 실린더 연소 압력을 증가시킨다. 이는 엔진 내부에 높은 응력을 발생시킨다. 또한 과도한 압력은 높은 엔진 온도를 생성한다. high manifold pressure와 low rpm의 조합은 detonation을 유발할 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해선 출력 변경 시 다음 순서를 따라야 한다.

 

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

 

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

 

순항 출력 설정을 선택할 때에는 AFM/POH의 cruise power charts를 참조해야 한다. 이러한 차트에 나열된 rpm/manifold pressure 조합은 airframe 제조업체와 engine 제조업체의 엔지니어들로부터 테스트 및 승인되었다. 따라서 power chart의 출력 설정(예를 들어 2,100 rpm 및 24 inches manifold pressure)은 사용이 승인된다. constant-speed propeller를 사용할 경우 엔진 over-speed 없이 power descent를 수행할 수 있다. 시스템은 프로펠러 블레이드 각도를 증가시킴으로써 하강 속도 증가를 보상한다. 만약 하강이 너무 빠르거나, 혹은 높은 고도에서 수행되었다면 일정한 rpm을 유지하기엔 블레이드의 maximum blade angle limit이 충분하지 못하다. 이 경우 rpm은 throttle 설정 변화에 즉각 반응한다.

 

throttle 설정이 변화하면 governor가 신속하게 반응한다. 허나 throttle 설정이 갑자기 크게 증가할 경우 블레이드가 출력 증가를 흡수하도록 조정되기 전까지는 엔진이 순간적으로 over-speed 하게 된다. 접근 도중 full power가 필요한 비상 상황이 발생하여 throttle을 갑자기 전진하면 엔진 over-speed가 순간적으로 발생한다.

 

constant speed propeller 작동과 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 전진될 경우 순간적으로 프로펠러 overspeed가 발생할 수 있다. 정격 rpm이 3초 이상 10%를 초과하지 않는다면 이는 일반적으로 심각하지 않다.

 

∙tachometer의 green arc는 정상 작동 범위를 나타낸다. 이 범위에서 출력을 발생시킬 경우 엔진이 프로펠러를 구동한다. 그러나 green arc 미만에서는 일반적으로 windmilling propeller가 엔진을 작동시킨다. green arc 미만에서 장시간 작동하면 엔진이 손상될 수 있다. 낮은 고도의 공항에서 이륙할 경우 manifold pressure가 rpm을 초과할 수 있다. 대부분의 경우 이는 정상이긴 하지만 조종사는 항상 AFM/POH의 limitations를 참조해야 한다.

 

∙overboost 및/혹은 overspeed를 방지하기 위해 모든 출력 변화를 부드럽고 천천히 수행해야 한다.