터보프롭 (r20210301판)

 

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드해빌랜드 캐나다 Dash 8-400에 채택된 프랫&휘트니 PW150A 엔진

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크고 아름다운 터보프롭 엔진과 이중반전식 프로펠러를 갖춘 Tu-95

영어: Turboprop
독일어: Turboprop, Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL)

1. 개요
2. 역사
3. 작동원리
4. 터보프롭의 특징
4.1. 장점
4.2. 단점
5. 주요 터보프롭 엔진 제작업체
6. 터보프롭 엔진을 채택한 유명 항공기
6.1. 터보프롭 여객기 의 장단점
7. 관련 문서
8. 참고 링크



1. 개요


가스터빈을 이용하여 프로펠러를 돌려 추진력을 얻는 내연기관.


2. 역사


가스터빈 엔진을 이용한 구동방식의 개념은 1926년 영국의 공학자 앨런 아널드 그리피스(Alan Arnold Griffith)가 발표한 가스터빈 설계 개념도가 그 시초이다.[1] 그리고 그의 연구결과를 통하여 영국 국립항공기연구소(Royal Aircraft Establishment)는, 축류식 터빈의 프로펠러 구동 가능성을 검증하기도 하는 한편, 1929년부터는 영국 공군의 기술장교 프랭크 휘틀(Frank Whittle)이 원심식 터빈을 채택한 터보제트 엔진 연구에 착수하기도 하였다. 그러나 시제품을 최초로 완성한 사람은 헝가리의 공학자 옌드러시크 죄르지(Jendrassik György)로, 1928년부터의 연구를 바탕으로 1938년에 내놓은 100마력 규모의 Jendrassik Cs-1이 세계 최초의 터보프롭 엔진이다. 이 엔진은 간츠(Ganz)에서 제작, 시험 중이었으나 양산 항공기용으로는 채택되지 못하고, 연구는 결국 중단되고 말았다.[2]

이후 터보프롭은 영국, 소련 및 미국에서 각각 다른 길을 걸으며 발전해 왔다. 영국에서의 터보프롭 엔진의 시초는 롤스로이스의 RB.50 트렌트 엔진으로 더웬트 II (Derwent II) 터보제트 엔진을 개조하여 감속기어를 장착하고 반지름 7피트의 로톨製 5엽식 프로펠러를 장착한 시제품이다. 이것은 글로스터 미티어(Gloster Meteor) EE227에 탑재되었고, 1945년 9월 20일에 첫 비행을 하였다. 이 개발경험을 토대로 하여 롤스로이스는 역사상 최강의 신뢰성을 자랑하는 명품 엔진인 다트(Dart)를 내놓았으며 1946년 등장 이래 50여 년 이상 생산되고 있다. 이 엔진을 탑재한 비커스 바이카운트(Vickers Viscount)는 세계 최초의 양산형 터보프롭 항공기이자 4발 터보프롭기로 기록되었으며 상업적으로 대성공을 거두었다.

한편 소련제2차 세계 대전 발발 두달전 프로토타입 제작까지 끝내고 테스트 준비중 전쟁발발로 취소되었던 터보팬엔진 개발 등의 각종 과학기술분야에 전간기동안 열심히 투자하고 학자들을 대숙청동안 굴라그에 끌고가서도 살려놓고 일을 시킨 덕분에, 전후처리 과정에서 독일의 과학기술 유산을 성공리에 대량으로 흡수할 수 있었는데 그중의 하나가 바로 제트엔진 기술이었다. 게다가 B-29 전략폭격기를 해체하여 얻은 데이터를 통해 대형 전금속제 항공기 설계능력도 보유하게 되었다. 그러한 기술적 성과로 도전한 분야는 장거리 대형 전략폭격기였는데 제트엔진을 장착한 B-52와는 달리 Tu-95터보프롭 추진으로 결정되었다. 자세한 것은 Tu-95Tu-114 문서를 참조바람.

미국은 의외로 터보프롭 엔진에 대해서는 후발주자로 처음으로 성공한 때가 1945년 12월이다. 게다가 터보프롭 엔진을 미국 내에서 생산하는 회사도 제네럴 일렉트릭, 하니웰 정도이며, 다른 회사들의 경우 앨리슨은 롤스로이스에 합병되는가 하면 프랫&휘트니는 터보프롭 및 터보샤프트 엔진의 생산을 캐나다 지사로 전부 이관해 놓기도 하는 등 다른 항공산업과는 달리 미국의 압도적인 우위를 보이고 있지는 못하고 있다.




3. 작동원리


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가스터빈을 이용하여 프로펠러를 돌리고, 그렇게 회전하는 프로펠러가 공기를 밀어내면서 추진력을 발생시키는 엔진이다. 얼핏 보면 터보팬 엔진에서 바깥쪽 카울을 제거하여 팬이 그대로 드러난 것과 비슷하게 보이지만, 몇 가지 차이점이 존재한다.
  • 민항기의 하이바이패스 터보팬 엔진의 경우 약 70% 정도의 추진력은 팬에서 압축되어 연소실을 거치지 않은 채 바이패스된 공기에서, 나머지 약 30% 정도의 추진력은 연소실에서 만들어진 배기가스에서 만들어진다. 그러나 터보프롭 엔진의 경우 배기가스로 만들어지는 추력은 전체의 10%가 채 되지 않으며, 90% 이상의 추력이 터빈에 연동된 프로펠러에서 얻어진다. 또한 터보프롭은 900~2500RPM 사이의 프롭 회전수를 가지지만 터보팬은 2500~5000RPM 사이의 팬 회전수를 가진다. [3]
  • 원심식 압축기가 현대의 터보제트터보팬에서 자취를 감춘 것과는 달리, 터보프롭에서는 최소 한 단계 이상 쓰이고 있다. 즉 터보프롭 엔진은 원심식 압축기와 축류식 압축기를 병용한다. 이렇게 만들면 모양은 날렵하지 못하지만 대신에 공정이 좀 더 간단해지며 기관중량도 줄일 수 있다.
  • 감속기어(Reduction gear)가 존재한다. 터보팬 엔진에서도 팬과 터빈샤프트 사이에 감속기어를 설치하여 팬의 지나친 고속회전을 방지하여 효율을 높이는 기어드 터보팬(Geared turbofan)이라는 방식이 존재하지만 일반적인 것은 아니다. 그러나 터보프롭의 경우에는 지나치게 프로펠러가 고속으로 회전할 경우 프로펠러 날개 끝이 충격파를 발생시키는 등, 효율이 극단적으로 떨어지기 때문에 반드시 있어야 한다. 보통 터빈의 회전수는 3-4만 RPM 이상 되지만 프로펠러는 900-2500 RPM 정도 이므로 10:1 - 20:1 정도의 감속비를 가진다.


4. 터보프롭의 특징



4.1. 장점


  • 무게 및 부피 대비 파워가 좋다. 피스톤 엔진의 출력은 실린더 부피와 기통수에 비례하므로 대출력 피스톤 엔진은 부피가 너무 커서 헬기나 비행기에 장착하기 곤란하다.
  • 피스톤 엔진에 비해서 무게가 가볍고, 부품이 훨씬 적다. 엔진의 움직임도 단순하기 때문에 신뢰성이 높으며, 출력, 최고속도 등에서도 우월하다. 수명이 길고 오버홀/점검 주기도 길다. 그래서 비행 중 엔진이 정지하는 고장율이 매우 낮고 정비하기도 쉽고 정비시간도 짧다.
  • 피스톤 엔진에 비해 기계적 진동이 적다.
  • 터보팬이나 터보제트 엔진에 비해서는 저속에서 효율이 좋아 연료비가 적게 들고 경제적이다. 터보프롭과 터보팬은 비슷해보이지만 터보프롭 쪽이 같은 크기로 더 많은 공기를 뒤로 밀어내므로 저속에서는 더 효율이 높다. 그래서 군용 수송기 등에선 여전히 터보프롭이 대세.
  • 고속을 요하지 않는 항공기, 이를테면 비즈니스기, 중단거리 여객기, 전술수송기 등에서 사용할 때 터보젯/터보팬 엔진보다 경제성이 우수하다.[4]
  • 터보프롭 엔진에 쓸 수 있는 제트유가 더 싸고 흔하고 소규모 외딴 공항에서도 구하기가 쉽다. 피스톤엔진을 쓰는 비행기가 적어서 요즘은 피스톤 엔진에 쓰이는 항공용 휘발유(avgas)가 비싸고 점차 구하기 어려워지고 있다. 그래서 최근에는 일반경유를 기본으로 제트유도 연료로 쓸 수 있는 디젤 항공기 피스톤 엔진이 개발되고 있다.


4.2. 단점


  • 피스톤 엔진에 비해서는 대체로 출력이 크긴 하나 출력에 비해서도 가격이 비싸다. 소출력 터보프롭 엔진은 약 5-600마력(440 kW) 급 정도. 소출력 터보프롭 엔진으로 가장 인기있는 제품으로는 P&W 캐나다의 PT6A엔진이 있다. 경비행기에 쓸 만한 240마력급 터보프롭 엔진도 있지만 동급 출력의 피스톤 엔진에 비해 가격이 월등히 비싸고 연료비 경제성이 떨어져 잘 쓰이지 않는다. 예를 들어 피스톤 엔진인 Lycoming O-360 등은 가격이 수만 달러 정도지만 터보프롭엔진은 기본이 수십만 달러. 때문에 경량항공기, 초경량항공기, 경비행기 등의 소형기에서는 여전히 피스톤 엔진을 쓰는 경우가 많다. 대체로 400마력(300 kW) 이하의 경비행기는 수평대향 4-6기통 피스톤 엔진을 쓰고, 그 이상은 터보프롭 엔진이 보편적이다.
  • 이렇게 피스톤 엔진에 비해 월등히 비싼 이유는 피스톤 엔진은 자동차의 엔진기술을 기반으로하므로 설계나 제작이 싸고 쉽지만 터보프롭은 기본적으로 제트엔진으로 회전속도가 피스톤 엔진의 10-20배로 고속회적하는 고온터빈 등 기술적 허들이나 재료비 제작비가 비싸다.
  • 피스톤 엔진에 비해 연료효율이 떨어져 동급 피스톤 엔진보다 연료비가 더 많이 든다. 특히 소형 터보프롭엔진은 열효율이 더욱 떨어진다. 터보프롭은 300-350 g/(kW*h) 정도지만 피스톤 엔진은 대체로 240 g/(kW*h) 이고 디젤 피스톤 엔진은 180-200 g/(kW*h). 하지만 요즘은 피스톤엔진용 항공용 휘발유는 구하기도 어렵고 값도 비싸져서 디젤엔진이나 제트유를 쓰는 터보프롭으로 전환이 많아지고 있다.
  • 엔진축은 매우 고속으로 돌아가므로 프로펠러를 구동하기 위해서는 감속기어로 2,200 RPM 정도로 감속시켜야 한다. 피스톤 엔진보다는 정비 요소가 적지만, 제트 엔진에 비해서는 많다. 특히 신경 써야 할 부분은 감속 기어이다.
  • 고장이 거의 일어나지 않지만 터보팬 블레이드가 부러지거나 하면 주요 부위를 망가뜨려 대형사고를 일으키기 쉽다. 그래서 피스톤 엔진에 비해 설계와 제조에 많은 노하우가 필요하고 개발비가 많이 든다.
  • 경비행기용으로는 잘 쓰이지 않다보니 소형 비행기용으로는 피스톤 엔진에 비해 부품수급이 어렵고 정비 인프라나 정비기술을 가진 기술자가 적다.
  • 터보프롭 엔진만의 단점은 아니고 프로펠러기는 태생적으로 음속에 가까워질수록 효율이 떨어진다. 이건 피스톤 엔진도 마찬가지. 그래서 비교적 속도가 낮은 저속기에만 주로 쓰인다.[5]
  • 프로펠러기는 시끄러운 프로펠러 회전 소음이 발생한다. 이건 피스톤 엔진기도 마찬가지. 헬리콥터프롭기 등 외부로 노출된 블레이드를 지닌 항공기가 가지고 있는 태생적인 단점인데, 이 중에서도 이중반전식의 프로펠러를 지닌 기체는 더하다. 특히나 이중반전형 프로펠러를 채택한 An-70이나 Tu-95의 영상을 보면 무지무지 환상적인 소리를 자랑하고 있음을 알 수 있다. 특히나 Tu-95 전략폭격기의 경우 승무원들이 고질적인 난청에 시달리고 있다는 것도 전해지고 있다.


5. 주요 터보프롭 엔진 제작업체




6. 터보프롭 엔진을 채택한 유명 항공기




6.1. 터보프롭 여객기 의 장단점


터보프롭 여객기는 주로 단거리를 운항하는 지역항공사(regional airline) 에서 많이 써왔으나 최근에는 점차 리저널제트(regional jet)라 불리는 터보팬 제트엔진을 쓰는 여객기에 밀리고 있다. 특히 미국 지역항공사에서 인기가 떨어지고 있다. 그 이유는 터보롭 엔진 자체의 문제라기 보다는 소규모의 지역항공사가 운항하는 중소형기가 주로 터보프롭기가 많아 터보프롭기에 대한 승객들의 이미지가 나빠 인기가 떨어지기 때문이다.

  • 프로펠러 소음이 심해 기내가 시끄럽다. 신형 터보프롭기들은 여러 대책을 적용하여 소음을 줄이고 있다.
  • 터보팬 제트기에 비해서는 속도가 다소 느린 편이다. 하지만 단거리에서는 운항시간은 별 차이가 없다.
  • 아무래도 기내가 좁은 협동체 중소형기에 오래된 구형기가 많다보니 좌석도 좁고 출입도 불편하고 편의시설도 덜하고 승객들에게 인기가 없다. 터보프롭기 자체의 문제가 아니고 협동체 중소형기이고 주로 중소 항공사들이 저가로 오래된 구형기를 많이 운영하다보니 생기는 문제이다. 하지만 신형 터보프롭기는 좌석도 넓히고 편의성도 개선을 하고 있다.
  • 터보팬 제트기 보다는 사고가 잦은 편이다. 이것도 터보프롭기 자체가 원천적으로 안전하지 않거나 고장이 많거나 한 건 아니고 재정이 약한 중소항공사들이 조건이 나쁜 단거리 노선에 인구가 적은 오지나 공항시설이 나쁜 지역공항에서 노후화된 중소형기를 봉급이 낮은 조종사들이 운영하다보니 생긴 문제. 즉 소형기의 숙명이고 돈 문제다.
  • 위의 복합적인 이유로 터보프롭 자체의 문제는 아니지만 터보프롭기에 대한 소비자인 승객들에게 이미지가 나빠 미국 등에서는 인기가 떨어지고 있다. 그래서 점차 지역항공사들도 터보프롭기 보유와 운행이 줄어들고 있다.
  • 하지만 터보팬 여객기에 비하면 30% 이상 연료비가 절약되는 등 확고한 경제적 우위가 있다. 기체의 가격도 동급의 터보팬 리저널 제트기에 비해 다소 저렴한 편이다. 이런 경제성이 바로 저가 항공사들이 선호하는 이유이다.
  • 또 소규모 공항의 짧은 활주로나 포장이나 관리상태가 나쁜 활주로에서도 비교적 안전하게 이착륙할 수 있도록 설계되어 있어서 중소 지방공항에서는 불가피한 선택이다. 이건 원래 터보프롭의 장점이라기 보다는 중소형기가 주로 운항되는 공항 및 운항 조건에 맞는 설계를 한 것이다.



7. 관련 문서




8. 참고 링크



[1] 그리피스는 금속피로(metal fatigue)의 연구로 가장 잘 알려진 공학자이며 또한 제트 엔진의 이론적인 근거도 최초로 정립했다.[2] Ganz vállalatok. 헝가리 부다페스트에 본부를 둔 회사로 2011년 현재에도 여전히 영업 중이다. 사업영역은 노면전차 등의 철도차량, 선박 및 발전설비 등이다.[3] 예를 들면 Dash 8 Q400에 들어가는 PW150A는 최대 1200RPM, A400M의 TP 400은 최대 948RPM의 회전수를 가진다. 반면 A320, B737 등에 쓰이는 CFM56은 최대 5200RPM, A380에 쓰이는 Trent 800 엔진은 최대 3200RPM으로 회전한다.[4] 한편 터보프롭을 채택한 항공기는 STOL 성능이 우수한 경우가 많은데, 이는 엔진의 장점이라기보다는 터보프롭기의 운용 환경(저수요로 시설이 부족한 공항에 많이 운용)과 함께 기체가 저속에서 양력을 확보하도록 공력특성이 맞춰졌기 때문이다.[5] 세계에서 가장 강력한 터보프롭 엔진을 장착하고 가장 빠르게 난 Tu-114조차도 최고속도는 870km/h. 이 속도는 보잉 747이나 보잉 767, A330 등의 터보팬 여객기의 정속 순항속도나 그 이하 수준밖에 되지 않는다. 미 해군의 주도로 터보프롭 초음속 함재기로 기획되었던 XF-84H는 프로펠러 초음속으로 움직이면서 충격파로 활주로를 개발살내고 주변 정비 인력을 기절시키는 삽질로 판명되었다. 조종사의 안전 문제 때문에 별다른 시험 비행을 거치지도 못했다. 이후 터보프롭 전투기로 음속에 도달하려는 시도는 더 이상 없었다.