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Chapter 2
프로펠러 추진기관과 동력장치
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Propeller
날개이론 기초
베르누이 법칙
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Helicopter
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V/STOL
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Internal Combustion Engines
Rotary (Wankel) Engine
폴크스바겐 비틀 초기형
수냉식 2기통 가솔린엔진
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프로펠러 구조
그림 2.1 고정 피치 목재 프로펠러, www.woodenpropeller.com
p
그림 2.2 프로펠러 구조, 한국항공우주연구원 카리스쿨
그림 2.3 깃 커프, www.wikipedia.com
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프로펠러 추진원리
2
2
V ( V v1
)
프로펠러 작동면 전면 P+ ρ = P ρ +
1
+
(2.1)
2 2
ρ( V + v1) ρ( V + v2)
프로펠러 작동면 후면 P1
+Δ P+ = P+
2 2
프로펠러 작동면의 전후면에서의
평균압력변화
2 2
(2.2)
(2.3)
프로펠러의 추력은 프로펠러 회전면의 면적과 압력차에 의해 결정 T = AΔP
(2.4)
위 식 (2.4)에 식 (2.3)을 대입하면 프로펠러 추력은 아래와 같다.
v2
T = Aρ ⎛
⎜V +
⎞
⎟v
또한, 프로펠러 추력은 뉴턴의 2법칙을 이용하여 계산할 수 있음. ⎝ 2 ⎠
2
(2.5)
(2.6)
가속도는 속도에 대한 시간미분이고 질유량은 질량에 대한 시간미분이므로 식 (2.6)의 가장 우변에
있는 식으로 추력을 계산. 식 (2.5)와 식(2.6)을 이용하면 v 1
와v 2
의 관계식을 구할 수 있음.
v
2
= 2v
1 (2.7)
이상적인 프로펠러 효율 : Output Thrust × Velocity V
ηideal
= = = (2.8)
Input Total Work done V + v2
이와 같은 이상적인 프로펠러 효율은 공기의 회전에 의한 에너지 손실과 프로펠러 깃의 형상항력
손실 등 모든 손실을 고려하지 않은 것으로 프로펠러의 최대 효율의 한계치 정의해 준다.
식 (2.6), (2.7), (2.8)을 정리하면 v 2 가 없어진 다음과 같은 식으로 정리된다.
(2.9)
식 (2.9)는 이상적인 효율과 프로펠러의 주요 특성
과의 관계를 나타내는 것으로 정리하면 아래와 같
다.
(1)
(2)
(3)
그림 2.4 운동량 이론과 이 때의 공기 흐름 특성
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프로펠러의 종류
끄는형 프로펠러 • : 고정피치 프로펠러는 허브와 깃이 일
체형으로 제작되며, 일반적으로 깃은 2개로 구성되어 있다.
주요 소재로는 목재나 복합재료가 사용되며, 소형 항공기에
널리 사용된다.
미는형 프로펠러
• : 지상에 정지 상태에서 피치를 조정할
수 있다. 이러한 조정피치 프로펠러는 보통 허브를 분해할
수 있게 되어 있으며, 피치 조정을 할 때 기관으로부터
프로펠러를 장탈해야 하는 것과 장탈하지 않는 것도 있다.
•
이중반전식 프로펠러
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프로펠러 동력장치
그림 2.14 실린더 배열 방법에 따른 왕복기관의 종류
그림 2.18 항공기용 로터리 엔진
그림 217 2.17 로터리 기관의 구조
그림 215 2.15 세스나 Skyhawk에 k에 사용되는 수평대향형 왕복기관
그림 2.19 터보프롭 기관의 개략도
그림 2.16 BMW사의 성형 엔진
그림 221 2.21 배터리와 전기 모터를 이용한 무인기
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그림 2.21 수소연료전지와 전기모터를 이용한 유인항공기

프로펠러 성능
프로펠러의 주요 성능은 무차원 변수인 진행비(Advance Ratio, J)에 따라 표현됨.
V
J = (2.10)
nD
프로펠러의 주요 성능 인자로는 추력(T), 필요 토크(Q), 필요 동력(P), 효율(η)
등이 있으며, 일반적으로 추력과 필요동력은 무차원 계수로 표현되며, 추력계수,
필요토크계수, 필요동력계수를 사용함.
C
Thrust
ρn D
(2.11) Torque (2.12) Power (2.13)
ρn D
ρn D
T
= C
2 4
Q
= C
2 5
P
=
3 5
효율은 식 (2.8)을 식 (2.11), (2.12), (2.12)와 진행비로 정리하면 다음과 같다.
Thrust × Velocity TV TV CT
V CT
V
η = = = = × = ×
2πn × Torque 2πnQ P 2πC nD C nD
프로펠러 효율로부터 필요 마력 계수와 필요 동력 계수는 다음과 같은 관계식을
가진다.
(2.15)
Q
P
(2.14)
합성속도 (2.16)
그림 2.24와 같이 프로펠러 깃의 회전 선속도와 항공기의 비행
속도의 합성속도가 프로펠러 회전면과 이루는 각을 유입각(φ)
이라 하며 다음과 정의된다.
비행 속도 V V
tanφ
= = = (2.17)
회전 선속도 V
2π
nr
1 2
요소 추력성분 : dT = dL cos φ− dD sin φ = ρV R
bdr ( C Lcos φ −C
Dsin φ)
2
(2.18)
1 2
요소 필요토크성분 : dQ = ( dLsinφ + dD cos φ) r = ρVR brdr( CLsinφ+
CDcos φ)
2
(2.19)
그림 2.23 McCauly사의 7557 프로펠러의 진행비에 따른 효율
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