가변 피치 프로펠러(항공공학)

Variable-pitch propeller (aeronautics)
C-130J 슈퍼헤라클레스의 Dowty Rotol R391 6날 복합재 제어 및 가역 피치 프로펠러

항공학에서 가변 피치 프로펠러(variable-pitch propeller)는 긴 축을 중심으로 회전하여 블레이드 피치를 변경할 수 있는 프로펠러의 한 종류입니다.조종 가능한 피치 프로펠러는 조종사가 수동으로 피치를 조절하는 프로펠러입니다.또는 정속 프로펠러는 조종사가 원하는 엔진 속도(RPM)를 설정하는 것으로, 블레이드 피치는 조종사의 개입 없이 자동으로 제어되어 회전 속도가 일정하게 유지됩니다.프로펠러 피치와 속도를 조절하는 장치를 프로펠러 거버너 또는 정속 장치라고 합니다.

가역 프로펠러는 피치를 음의 값으로 설정할 수 있는 프로펠러입니다.그러면 축 회전 방향을 변경할 필요 없이 제동하거나 후진하기 위한 역추력이 발생합니다.

일부 항공기에는 지상 조정이 가능한 프로펠러가 있지만, 이 프로펠러들은 가변 피치로 간주되지 않습니다.이는 일반적으로 경비행기와 마이크로라이트에서만 볼 수 있습니다.

목적

프로펠러가 회전하는 상태에서 항공기가 정지해 있을 때(조용한 공기에서), 각 프로펠러 블레이드에 대한 상대적인 바람 벡터는 측면에서 발생합니다.그러나 항공기가 앞으로 나아가기 시작하면 상대풍향 벡터가 앞에서 점점 더 많이 옵니다.상대풍에 대한 최적의 공격 각도를 유지하기 위해 프로펠러 블레이드 피치를 늘려야 합니다.

최초의 프로펠러들은 고정 피치였지만, 이 프로펠러들은 다양한 조건에서 효율적이지 못합니다.프로펠러 블레이드 각도가 양호한 이륙 및 상승 성능을 제공하도록 설정된 경우, 프로펠러는 블레이드의 공격 각도가 너무 낮기 때문에 순항 비행에서 비효율적입니다.반대로 순항 성능이 우수하도록 설정된 프로펠러는 공격 각도가 너무 높기 때문에 저속에서 정지할 수 있습니다.

블레이드 각도를 조절할 수 있는 프로펠러는 다양한 조건에서 더 효율적입니다.다양한 피치를 가진 프로펠러는 다양한 공기 [1]속도에 걸쳐 거의 일정한 효율을 가질 수 있습니다.

프로펠러가 회전할 때마다 공기가 별로 많이 움직이지 않기 때문에 공격 각도가 낮으면 토크는 가장 낮지만 RPM은 가장 높습니다.이것은 저단 기어로 작동하는 자동차와 유사합니다.운전자가 순항 속도에 도달하면 높은 기어로 변속하여 엔진 속도를 늦추는 동시에 차량이 계속 움직일 수 있도록 충분한 동력을 생성합니다.이것은 프로펠러의 공격 각도를 증가시킴으로써 비행기에서 달성됩니다.이는 프로펠러가 회전당 더 많은 공기를 이동시키고, 엔진이 동일한 양의 공기를 이동하면서 더 느리게 회전할 수 있도록 하여 속도를 유지한다는 것을 의미합니다.

가변 피치 프로펠러의 또 다른 용도는 프로펠러의 날개에 깃털을 달아 항력을 줄이는 것입니다.이는 블레이드의 앞 가장자리가 정면을 향하도록 블레이드를 회전하는 것을 의미합니다.다기관 항공기의 경우, 한 엔진이 고장 나면 다른 엔진을 사용하여 비행을 계속할 수 있도록 항력을 줄이기 위해 깃털을 달 수 있습니다.단일 엔진 항공기의 경우, 엔진에 고장이 발생하면 프로펠러에 깃털을 달아주면 항력이 감소하고 활공 거리가 증가하여 조종사가 강제 착륙 위치를 파악할 수 있는 더 많은 옵션이 제공됩니다.

매커니즘

Dyn'의 Rotax 912S 엔진의 유압 정속 프로펠러에어로 MCR01 마이크로 라이트 항공기.

오일 압력, 원심 무게 또는 전기 기계적 제어의 세 가지 방법이 피치를 변화시키는 데 사용됩니다.

엔진 오일 압력은 상용 프로펠러 항공기 및 경비행기에 장착되는 Continental 및 Lycoming 엔진에 사용되는 일반적인 메커니즘입니다.정속 장치(CSU)가 없는 항공기에서, 파일럿은 오일 압력을 사용하여 프로펠러 블레이드 피치를 수동으로 제어합니다.

또는 Yakovlev Yak-52에서처럼 프로펠러에 직접 원심 무게를 부착할 수도 있습니다.등속 프로펠러에 대한 최초의 시도는 평형추 프로펠러라고 불렸고, 원심력으로 작동하는 메커니즘에 의해 구동되었습니다.그들의 작동 방식은 James Watt가 증기 기관의 속도를 제한하기 위해 사용한 원심형 거버너와 동일합니다.편심추는 스프링으로 고정된 스피너 근처 또는 스피너 안에 설치되었습니다.프로펠러가 특정 RPM에 도달하면 원심력이 무게추를 바깥쪽으로 흔들리게 하여 프로펠러를 더 가파른 피치로 꼬이게 하는 메커니즘을 구동하게 됩니다.프로펠러가 느려지면 RPM이 스프링이 무게를 다시 밀어 넣을 수 있을 정도로 감소하여 프로펠러를 더 얕은 피치로 재조정합니다.

로탁스(Rotax)(912)와 같은 일정 속도 유닛(CSU)을 갖는 소형, 현대식 엔진은 기존의 유압 방식 또는 전기 피치 제어 방식 중 하나를 사용할 수 있습니다.

유압 작동은 마이크로 라이트에 비해 너무 비싸고 부피가 클 수 있습니다.대신에, 이것들은 기계적으로 또는 전기적으로 작동되는 프로펠러들을 사용할 수 있습니다.

정속 프로펠러

컷어웨이 정속 프로펠러 허브
일정한 속도의 프로펠러에 피치를 바꾸는 힘.
American Champion 항공기에 장착된 Jihostroj a.s사에서 만든 프로펠러 거버너 PCU5000

정속 프로펠러는 항공기의 운항 조건에 관계없이 선택된 회전 속도를 유지하기 위해 자동으로 블레이드 피치를 변경하는 가변 피치 프로펠러입니다.이는 정속 장치(CSU) 또는 프로펠러 거버너(propeller governor)를 사용하여 프로펠러의 블레이드 피치를 자동으로 변경합니다.

대부분의 엔진은 좁은 속도 대역에서 최대 출력을 냅니다.CSU는 항공기의 이륙 또는 순항 여부에 관계없이 엔진이 가장 경제적인 회전 속도 범위에서 작동할 수 있도록 해줍니다.CSU는 항공기에게 모터카에 대한 지속적으로 가변적인 변속기라고 할 수 있습니다. 항공기가 공중을 비행하는 속도에 관계없이 엔진은 최적의 속도로 계속 작동할 수 있습니다.또한 CSU를 통해 항공기 엔진 설계자는 점화 시스템을 단순하게 유지할 수 있습니다. 즉, 항공기 엔진이 대략 일정한 RPM으로 작동하기 때문에 자동차 엔진에서 볼 수 있는 자동 스파크 진보가 단순화됩니다.

사실상 모든 고성능 프로펠러식 항공기는 정속 프로펠러를 갖추고 있으며, 특히 높은 고도에서 연료 효율과 성능을 크게 향상시키기 때문입니다.

등속 프로펠러에 대한 최초의 시도는 평형추 프로펠러라고 불렸고, 원심력으로 작동하는 메커니즘에 의해 구동되었습니다.그들의 작동 방식은 James Watt가 증기 기관의 속도를 조절하기 위해 사용한 원심형 거버너와 동일합니다.편심추는 스프링으로 고정된 스피너 근처 또는 스피너 안에 설치되었습니다.프로펠러가 특정 RPM에 도달하면 원심력이 무게추를 바깥쪽으로 흔들리게 하여 프로펠러를 더 가파른 피치로 꼬이게 하는 메커니즘을 구동하게 됩니다.프로펠러가 느려지면 RPM이 스프링이 무게를 다시 밀어 넣을 수 있을 정도로 감소하여 프로펠러를 더 얕은 피치로 재조정합니다.

대부분의 CSU는 프로펠러 피치를 조절하기 위해 오일 압력을 사용합니다.일반적으로 단일 엔진 항공기의 정속 장치는 피치를 높이기 위해 오일 압력을 사용합니다.CSU에 고장이 발생하면 프로펠러가 자동으로 미세 피치로 복귀하여 항공기를 더 낮은 속도로 운항할 수 있습니다.반대로, 다기관 항공기의 경우, CSU는 일반적으로 피치를 줄이기 위해 오일 압력을 사용합니다.그런 방식으로 CSU가 고장나면 프로펠러가 자동으로 깃털을 달아 항력을 감소시키고 항공기는 좋은 [2]엔진으로 계속 비행하게 됩니다."피딩 어큐뮬레이터"는 이러한 프로펠러가 기내 엔진 재시동을 위해 미세한 피치로 되돌아갈 수 있게 해줍니다.

단일 엔진 왕복 항공기에서의 작동은 다음과 같습니다.엔진 오일은 프로펠러 축을 통해 엔진 오일을 펌핑하여 메커니즘을 구동하는 피스톤을 밀어 피치를 바꿉니다.오일의 흐름과 피치는 기어식 펌프스피더 스프링, 플라이웨이트 및 파일럿 밸브로 구성된 거버너에 의해 제어됩니다.기어 타입 펌프는 엔진 오일 압력을 증가시켜 더 높은 압력으로 전환하고, 이 압력은 플라이급에 연결된 파일럿 밸브와 플라이급에 연결된 시더 스프링에 의해 프로펠러 허브의 외부로 제어됩니다.스프링의 장력은 프로펠러 컨트롤 레버에 의해 설정되며, 이 레버는 RPM을 설정합니다.주지사는 엔진 과속 또는 저속 상태가 발생할 때까지 RPM 설정을 유지합니다.과속 상태가 발생하면 프로펠러가 원하는 RPM 설정보다 빠르게 회전하기 시작합니다.이는 비행기가 하강하고 공기 속도가 증가함에 따라 발생합니다.플라이급은 원심력에 의해 바깥쪽으로 당겨지기 시작하며, 이는 스피더 스프링을 더욱 압축시켜 오일을 허브로 다시 엔진으로 전달하여 엔진 rpm을 감소시키고 피치를 증가시킵니다. 공기 속도가 손실되는 상승과 같은 저속도 상태가 발생하면 그 반대가 됩니다.공기 속도가 감소하여 프로펠러 속도가 느려집니다.이렇게 되면 원심력이 부족하여 플라이급이 안쪽으로 이동하게 되고, 스피드 스프링에서 장력이 방출되어 오일을 프로펠러 허브 밖으로 내보내고 피치를 감소시키고 rpm을 증가시킵니다.이 과정은 보통 비행 중에 자주 일어납니다.

조종사는 CSU가 장착된 항공기를 조종하는 것이 허용되기 전에 몇 가지 추가 교육과 공식적인 승인이 필요합니다. CSU는 미국에서 경 스포츠 항공기 규정에 따라 인증된 항공기에 장착되는 것이 허용되지 않습니다.

역사

1943년형 Stinson V77 Reliant 모델의 Hamilton Standard 가변 피치 프로펠러

A. V. Roe와 Louis Breguet을 포함한 많은 초기 항공 개척자들은 항공기가 [3]지상에 있을 때만 조정할 수 있는 프로펠러를 사용했습니다.이것은 제1차 세계 대전 말기에 저생산(1917년과 1918년에 56개의 예)인 제플린-스테이크 R의 테스트베드 사례인 "R.30/16"에서도 그러했습니다.6 독일 "거대한" 4엔진 [4]중폭격기

1919년 L. E. 베인스는 최초의 자동 가변 피치 에어스크류 특허를 받았습니다.캐나다 뉴브런즈윅 세인트 존의 월리스 루퍼트 턴불은 [5]1918년에 최초의 가변 피치 프로펠러를 만든 것으로 캐나다에서 인정받고 있습니다.

1921년 파리 에어쇼에서 가변식 프로펠러를 선보인 프랑스 항공기 회사 르바수르.이 회사는 프랑스 정부가 10시간 동안 이 장치를 테스트했으며 어떤 엔진 [6]RPM에서도 피치를 바꿀 수 있다고 주장했습니다.

Henry Selby Helle-Shaw 박사와 T.E. Beacham 박사는 1924년에 유압식으로 작동하는 가변 피치 프로펠러(가변 스트로크 펌프를 기반으로 함)에 대한 특허를 받았고 1928년 왕립 항공 학회에 이 주제에 대한 논문을 발표했습니다; 그것은 [7]그 효용성에 대해 회의론과 마주쳤습니다.이 프로펠러는 글로스터 항공사와 함께 글로스터 헬레쇼 비치암 가변 피치 프로펠러로 개발되었으며, 거의 일정한 [8]RPM을 유지하는 데 사용된 글로스터 그레베에서 시연되었습니다.

항공기를 위한 최초의 실용적인 조종 가능한 피치 프로펠러는 [9]1932년에[by whom?] 도입되었습니다.프랑스 회사인 Ratier는 1928년부터 다양한 디자인의 가변 피치 프로펠러를 개척했으며, 쉬운 작동을 위해 블레이드 뿌리에 볼을 장착하는 헬리코이드 램프를 사용했습니다.가변 피치 프로펠러에 대한 Walter S Hoover의 특허는 1934년 미국 특허청에 출원되었습니다.

프로펠러 허브에 있는 가압 공기의 작은 블래더를 포함하여 몇 가지 설계가 시도되었습니다. 여기에는 블레이드를 미세 피치(이륙)에서 거친 피치(레벨 순항)로 구동하는 스프링에 저항하는 데 필요한 힘이 제공됩니다.적절한 공기 속도에서 스피너 전면의 디스크가 블래더의 공기 방출 밸브를 충분히 눌러 압력을 완화하고 스프링이 프로펠러를 거친 피치로 구동할 수 있도록 합니다.이 "공압" 프로펠러들은 드 하빌랜드 DH.88 혜성 항공기에 장착되었는데, 드 하빌랜드 DH.88 혜성은 1934년 장거리 맥로버트슨 항공 레이스에서 우승했으며 1936년 미쉘 데트로야가 비행한 코드론 C.460 항공 레이스에서 우승했습니다.이러한 공압 프로펠러를 사용하기 위해서는 이륙 전에 프로펠러를 미세 피치로 설정해야 했습니다.이것은 자전거 펌프로 방광을 가압함으로써 이루어졌으며,[10] 그래서 오늘날까지 프랑스의 항공기 지상 기계에 붙여진 기발한 별명인 Gonfleur d'hélieces(프롭 인플레이터 보이)가 있습니다.

글로스터 헬레쇼 유압 프로펠러는 1929년 올림피아에서 열린 국제 항공 전시회에서 선보였습니다.해밀턴 에어로 제조 회사의 미국인 톰 해밀턴은 그것을 보았고, 집으로 돌아오자마자 그곳에서 [11]특허를 냈습니다.United Aircraft Company의 Hamilton Standard Division으로서, 엔지니어 Frank W. Caldwell은 유압 설계를 개발했고,[12] 이것은 1933년 콜리어 트로피의 수상으로 이어졌습니다. de Havilland는 그 후 영국에서 Hamilton 프로펠러를 생산하는 권리를 사들였습니다.1937년 롤스로이스와 브리스톨 엔진스가 영국 회사 로톨을 설립하여 자신들의 디자인을 제작하는 동안.미국의 Pierre Levasseur와 Smith Engineering Co.의 프랑스 회사도 조절 가능한 피치 프로펠러를 개발했습니다.Wiley Post (1898–1935)는 일부 비행에 스미스 프로펠러를 사용했습니다.

전기로 작동하는 또 다른 메커니즘은 Wallace Turnbull에 의해 개발되었고 Curtiss-Wright [13]Corporation에 의해 개선되었습니다.이것은 1927년 6월 6일에 캐나다 온타리오주 캠프 보든에서 최초로 시험되었고 1929년에 특허를 받았습니다(미국 특허 1,828,348).제2차 세계 대전 (1939–1945)의 일부 조종사들은 엔진이 더 이상 작동하지 않을 때도 프로펠러에 깃털이 달려있을 수 있기 때문에 그것을 선호했습니다.유압식으로 작동하는 프로펠러의 경우 프로펠러에 필요한 오일 압력을 제공하기 위해 전기식으로 작동하는 페더링 펌프를 설치하지 않는 한 엔진에서 유압이 손실되기 전에 페더링이 수행되어야 합니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Lutze (5 May 2011). "Level flight performance" (PDF). The Department of Aerospace and Ocean Engineering, Virginia Tech. p. 8. Archived from the original (PDF) on 20 July 2011. Retrieved 6 January 2011.
  2. ^ https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/airplane_handbook/media/14_afh_ch12.pdf 12-4페이지
  3. ^ "Aeroplane propellers", Flight, 9 January 1909, archived from the original on 10 February 2013[페이지 필요]
  4. ^ Haddow, G.W.; Grosz, Peter (1988). The German Giants – The German R-Planes 1914-1918 (3rd ed.). London: Putnam & Company Ltd. pp. 242–259. ISBN 0-85177-812-7.
  5. ^ "History: October 16 Birth of the Canadian who revolutionized aviation". 16 October 2015.
  6. ^ "Pierre Levasseur", Flight, p. 761, 17 November 1921, archived from the original on 3 November 2012, retrieved 9 September 2012
  7. ^ "Aircraft gear box", Flight, p. 86, 14 August 1941, archived from the original on 5 November 2012, retrieved 9 September 2012
  8. ^ "The Gloster Hele-Shaw Beacham Variable Pitch Propeller", Flight, pp. 14–15, 11 October 1928, archived from the original on 8 February 2015, retrieved 9 September 2012
  9. ^ ""Gear Shift" for Airplanes Seen in Adjustable Prop", Popular Mechanics, Hearst Magazines, p. 951, December 1932, retrieved 9 November 2020
  10. ^ Decombeix, PM. "La Maison Ratier : les hélices Ratier métalliques." www.ratier.org. Archived from the original on 12 November 2017. Retrieved 4 April 2018.
  11. ^ James, Derek N.; Gloster Aircraft Since 1917, Putnam, 1971, 17-8페이지
  12. ^ "Aeronautics: Award No. 3", Time, 4 June 1934, archived from the original on 4 November 2012, retrieved 9 September 2012
  13. ^ "The Turnbull Variable Pitch Propeller", Flight, pp. 419–420, 13 May 1932, archived from the original on 6 March 2016, retrieved 5 March 2013
  • 항공기 엔진 개발, 킴블 D.맥커천
  • 건스턴, 빌.피스톤 에어로 엔진 개발영국 캠브리지.패트릭 스티븐스 유한회사, 2006.ISBN 0-7509-4478-1
  • 엘머 E에 의해 발명된 최초의 정속 프로펠러 거버너 메커니즘에 대한 더 많은 기술적 정보.우드워드, 미국 특허 2,204,639 참조

외부 링크