이중반전식 프롭팬 엔진 D-27을 채용한 An-70의 하부.
앞부분에 프롭팬을 장착한 프롭팬 엔진의 대략적인 구조.
연료의 연소배기가스 및 외부의 프롭팬이 밀어내는 공기로 추력을 얻는 제트엔진.
비덕트팬(unducted fan) 혹은 초고바이패스(Ultra High bypass) 엔진이라고도 불린다.
1 개괄
프롭팬 엔진은 제1차 유가파동 후 유가에 대한 공포가 전세계적으로 급증하는 가운데 연료소비를 줄일 수 있는 혁신적인 제트엔진으로서 본격적으로 연구되기 시작했으며, 1975년경에 그 형태가 구체화되었다. 허나 개발이 진행되는 중 유가가 안정세를 되찾으면서 기존 터보팬 엔진의 경쟁력이 회복되는 바람에 대다수 프롭팬 개발 프로젝트들은 보류되었다.
프롭팬 엔진은 아직 개발중인 엔진이며, 그 구조상 터보팬 엔진보다 열역학적으로 우수하면서도 터보프롭보다 전반적으로 빠른 속도를 가지는 등, 아음속 순항을 하는 민항기에 매우 적합한 특성을 갖고 있다. 반면에 소음이 심하며 진동문제가 발생할 여지가 크고 유지보수 또한 비교적 까다로운 편이다.
유가파동이 끝나게 되면서 발상지인 미국 및 서방에서 프롭팬 엔진에 대한 관심이 줄어든 반면, 오히려 소련은 이 엔진에 관심을 갖고 의욕적으로 개발을 추진했는데 그 결과 우크라이나의 안토노프에서 세계 최초로 프롭팬 엔진을 장착한 수송기인 An-70이 등장하였다. 허나 민항기 엔진으로 쓰이기에는 좀 더 개발이 진척되어야 할 것으로 보인다.
21세기 들어 환경문제 및 온난화문제가 화두에 오르면서 터보팬 엔진보다 더 연료소모율을 줄일 수 있는 프롭팬 엔진이 항공업계로부터 점차 관심을 되찾고 있는 모양이다.[1] 허나 세계경제가 불황이기 때문인지 개발속도는 더딘 편이며 한동안은 여전히 기존 터보팬과 터보프롭 엔진이 고정익기용 가스터빈엔진의 대세가 될 것으로 보인다.
2 작동원리
위의 그림에서 보이는 것과 같이, 프롭팬 엔진은 2중반전 구조로 배열된 프롭팬이 가속시킨 공기(Bypass Air, 바이패스 공기)가 연료가 연소된 이후의 배기가스와 함께 추력을 발생시키도록 되어 있으며, 구조적으로는 터보팬 엔진으로부터 카울을 없애고 팬을 키워 노출시킨 형태로 볼 수 있고 터보프롭 엔진과도 매우 유사하지만 약간씩 구조적 차이가 있다. 1차적인 동력원은 연소된 배기가스이며, 이 가스의 에너지를 이용해 엔진 외부로 뻗은 프롭팬을 돌려 바이패스 공기를 만들어내는 것이다. 터보프롭처럼 연소가스의 에너지를 주로 축력을 만들어내는데 사용한다는 것이 골자인데, 따라서 대부분의 출력은 바이패스 공기로부터 나온다. 프롭팬 엔진의 바이패스 공기:연소된 공기의 비율(Bypass Ratio)은 무려 30:1에서 100:1까지 이를 수 있으며 추력과 연료소모를 고려한 최적의 바이패스비는 주된 연구대상의 하나이다.
터보프롭 엔진과 비교하자면 프로펠러를 이용한 추진에 대부분의 추력을 의존하는 것은 둘 다 유사하나 구조적으로 프롭팬은 터보팬에 좀 더 가깝고 특히 그 프로펠러 형태에서 결정적인 차이가 존재하며, 이 차이점은 주로 속도문제와 관련이 있다. 즉, 공기를 젓고 나아간다는 특성상 항공기 프로펠러는 회전하는 프로펠러의 각속도가 음속에 가까워지면 효율이 극도로 저하되며 소음 및 진동문제가 심각해지므로 프로펠러기는 일정속도 이상을 내기가 힘들다. 이를 해결하기 위한 고전적인 방법으로는 밸런스 한도 내에서 프로펠러 깃의 개수를 늘려서 상대적으로 느린 회전속도에서 더 높은 추력을 발생시키는 방법이 있는데 이 방법만으로는 700km/h 내외에서 한계가 온다. 여기에 프로펠러를 이중반전으로 두어 극도로 효율을 높일 경우 최대 900km/h대까지도 한계를 올릴 수 있으나 소음과 진동 및 유지보수에서 난점이 발생하여 전체적인 효율성 및 안정성은 터보팬에 뒤쳐지게 된다. 따라서 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 회전하는 프로펠러의 각속도가 음속에 다가가도 효율과 안정을 잃지 않게 해야 한다는 결론에 다다르게 되며, 이에 따라 프롭팬 구조가 나오게 된다.
프롭팬 엔진에 쓰이는 프로펠러 형태, 즉 프롭팬은 일반 프로펠러와 달리 터보팬의 팬처럼 일반 프로펠러보다 더 많고 가느다란 깃으로 이루어져 있으며, 각 깃에는 상당한 후퇴각이 주어져 있다. 이 후퇴각은 고정익의 후퇴익과 같은 의미를 지녀 고속의 회전속도에서도 프로펠러가 제 기능을 내도록 해준다. 후퇴각이 주어진 만큼 공기역학이 바뀌기 때문에 이에 맞춰 형상도 바뀌었고, 따라서 일반 프로펠러와는 다른 형상을 가지면서 같은 무게에 더 많은 깃을 가질 수 있는 것[2]이다. 이처럼 프롭팬은 일반 프로펠러보다 깃의 개수가 많고 회전속도가 빠르므로 축류회전에 의한 큰 손실을 최소화할 수 있는 이중반전구조로 설계될 필요가 있으며, 프롭팬 깃의 설계와 더불어 이 점이 개발난이도를 올리는 요소의 하나[3]로서 작용하고 있다. 또한 현재 잘 알려진 An-70의 프롭팬 엔진은 프롭팬이 엔진 앞쪽에 달려 있으나, 본래 기본적인 형태는 엔진 뒤쪽에 달린 디자인이며 서구에서는 주로 이 형태로 개발하고 있다.
3 프롭팬의 특징
3.1 장점
- 터보프롭만큼 경제성이 우수하다.
- 군용기에서도 경제성은 중요하지만, 기름 한 방울이라도 더 아껴야 돈을 벌 수 있는 민항기에서 경제성은 다른 모든 것을 압도할 수 있는 장점 중의 하나이다. 프롭팬 엔진은 속도가 비슷한 터보팬 엔진보다 연료소비를 30~35% 더 줄일 수 있다. 이는 터보프롭의 효율성과 비슷하다. 마찬가지로 STOL 성능도 터보프롭과 동일하게 뛰어나므로 활주로 길이에 따른 제한을 적게 받는다.
- 고 바이패스 터보팬만큼 빠르다.
- 일반적으로 터보프롭은 마하 0.5~0.6 이하의 아음속에서 최고의 효율을 낼 수 있다. 허나 프롭팬은 천음속 영역까지 고려하고 개발되고 있으며 이론적인 최적 순항속도가 일반 터보팬 항공기의 순항속도에 근접하는 마하 0.8(968km/h)에 이른다.
3.2 단점
- 속도에 한계가 있다.
- 터보프롭보다 빠르다고는 해도 추력의 대부분을 바이패스 공기에 의존하는만큼, 저바이패스 터보팬이나 고온고압의 제트추진에 전적으로 의지하는 방식에 비해 속도의 한계가 명확하며 아음속이 한계가 된다.
- 소음이 심하다.
- 일반적으로 프로펠러는 회전속도가 빠를수록 소음이 커진다. 프롭팬은 그 구조 자체가 고속회전을 위한 것이기 때문에 필연적으로 소음문제에 취약하다. 더불어서 프롭팬의 이중반전 구조 또한 매우 정밀하게 고려하여 만들지 않을 경우 소음과 진동을 초래하게 되는 문제가 있다.
- 구조가 복잡하다.
- 피스톤 엔진보다는 낫겠지만, 프롭팬을 구동시켜야 하기 때문에 팬 구동계에 중공축이나 감속 기어를 탑재해야 하며, 또한 이중반전 구동이 요구되므로 관련된 구동축과 기어가 더욱 복잡해진다.
4 주요 프롭팬 엔진 연구/제작 업체
- 롤스로이스 - 약칭 RR. 연구개발 중이다.
- 유나이티드 테크놀로지스 산하 해밀턴 스탠다드 - 프롭팬 개념을 최초로 개발하였으며 NASA와 협력해 테스트하였다.
- 이브쳰코-프로그레스 - 프롭팬을 채용한 엔진이 An-70용 엔진으로 채택되어 있다.
- 제네럴 일렉트릭 - 약칭 GE. 1986년에 소형 여객기용 엔진을 개발해 테스트 비행으로 연료소모를 줄이고 낮은 소음과 진동을 실현하는데까지 성공했으나, 유가하락으로 해당 여객기 제작사가 계획을 보류하면서 실용화에는 이르지 못하고 계속 연구중.
- 프랫&휘트니 캐나다 - 약칭 PWC. 1980년대에 GE와 경쟁하며 엔진을 개발해 테스트했으나 소음이 시끄러웠고 유가하락 때문에 개발이 보류되었다.