터보프롭


봉바르디에 Q400에 채택된 프랫&휘트니 PW150A 엔진


크고 아름다운 터보프롭 엔진과 이중반전식 프로펠러를 갖춘 Tu-95

영어: Turboprop
독일어: Turboprop, Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL)

가스터빈을 이용하여 프로펠러를 돌려 추진력을 얻는 내연기관.

1 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) 으로, 1928년부터의 연구를 바탕으로 1938년에 내놓은 100마력 규모의 Jendrassik Cs-1이 세계 최초의 터보프롭 엔진이다. 이 엔진은 간츠(Ganz)에서 제작, 시험중이었으나 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 50여년 이상 생산되고 있다. 이 엔진을 탑재한 비커스 비스카운트(Vickers Viscount)는 세계 최초의 양산형 터보프롭 항공기이자 4발 터보프롭기로 기록되었으며 상업적으로 대성공을 거두었다.

한편 소련은 제2차 세계대전의 전후처리 과정에서 독일의 과학기술 유산을 대량으로 흡수할 수 있었는데 그 중의 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-95는 터보프롭 추진으로 결정되었다. 자세한 것은 Tu-95 및 Tu-114 항목을 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.

2 작동원리

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.
  • 원심식 압축기가 현대의 터보제트 및 터보팬에서 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 소닉붐을 일으키는 등, 효율이 극단적으로 떨어지기 때문에 반드시 있어야 한다.

3 터보프롭의 특징

3.1 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 비행중 엔진이 정지하는고장율이 매우 낮고 정비하기도 쉽고 정비시간도 짧다.
  • 터보팬이나 터보제트 엔진에 비해서는 저속에서 효율이 좋아 연료비가 적게들고 경제적이다. 터보프롭과 터보팬은 비슷해보이지만 터보프롭 쪽이 같은 크기로 더 많은 공기를 뒤로 밀어내므로 저속에서는 더 효율이 높다. 그래서 수송기 등에선 여전히 터보프롭이 대세.
  • 고속을 요하지 않는 항공기, 이를테면 비즈니스기, 중단거리 여객기, 전술수송기 등에서 사용할 때 터보젯/터보팬 엔진보다 경제성, STOL 성능 등이 우수하다.
  • 터보프롭엔진에 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 제트유를 연료로 쓸 수 있는 디젤 항공기 피스톤엔진이 개발되고 있다.

3.2 단점

  • 피스톤 엔진에 비해서는 대체로 출력이 크고 출력에 비해서도 가격도 비싸다. 소출력 터보프롭 엔진은 약 5-600마력(440 kW)) 급 정도. 소출력 터보프롭엔진으로 가장 인기있는 제품으로는 P&W 캐나다의 PT6A엔진이 있다. 경비행기에 쓸만한 240마력급 터보프롭엔진도 있지만 동급 출력의 피스톤 엔진에 비해 가격이 월등히 비싸고 연료비 경제성이 떨어져 잘 쓰이지 않는다. 예를 들어 피스톤엔진인 Lycoming O-360 등은 가격이 수만 달러 정도지만 터보프롭엔진은 기본이 수십만 달라. 때문에 초경량항공기, 경비행기 등의 소형기에서는 여전히 피스톤 엔진을 쓰는 경우가 많다. 대체로 400마력(300 kW) 이하의 경비행기는 수평대향 4-6기통 피스톤엔진을 쓰고, 그 이상은 터보프롭엔진이 보편적이다.
  • 피스톤 엔진에 비해 연료효율이 떨어져 동급 피스톤엔진보다 연료비가 더 많이 든다. 특히 소형 터보프롭엔진은 열효율이 더욱 떨어진다. 터보프롭은 300-350 g/(kW*h) 정도지만 피스톤엔진은 대체로 240 g/(kW*h) 이고 디젤 피스톤엔진은 180-200 g/(kW*h)
  • 엔진축은 매우 고속으로 돌아가므로 프로펠러를 구동하기위해서는 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 주요부위를 망가뜨려 대형사고를 일으키기 쉽다. 그래서 피스톤엔진에 비해 설계와 제조에 많은 노하우가 필요하고 개발비가 많이 든다.
  • 경비행기용으로는 잘 쓰이지 않다보니 소형 비행기용으로는 피스톤엔진에 비해 부품수급이 어렵고 정비 인프라나 정비기술을 가진 기술자가 적다.
  • 터보프롭엔진만의 단점은 아니고 프러펠러기는 태생적으로 음속에 가까워질수록 효율이 떨어진다. 이건 피스톤 엔진도 마찬가지. 그래서 비교적 속도가 낮은 저속기에만 주로 쓰인다. [3]
  • 프러펠러기는 시끄러운 프로펠러 회전 소음이 발생한다. 이건 피스톤엔진기도 마찬가지. 헬기나 프롭기 등 외부로 노출된 프로펠러를 지닌 항공기가 가지고 있는 태생적인 단점인데, 이중에서도 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.

4 주요 터보프롭 엔진 제작업체

5 터보프롭 엔진을 채택한 유명 항공기

6 관련 항목

7 참고 링크

  1. ↑ 그리피스는 금속피로(metal fatigue)의 연구로 가장 잘 알려진 공학자이며 또한 제트엔진의 이론적인 근거도 최초로 정립했다.
  2. ↑ Ganz vállalatok. 헝가리 부다페스트에 본부를 둔 회사로 2011년 현재에도 여전히 영업중이다. 사업영역은 노면전차 등의 철도차량, 선박 및 발전설비 등이다.
  3. ↑ 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 프로펠러만 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.