이중반전식 "프롭팬 엔진" D-27을 채용한 An-70의 하부.
앞부분에 프롭팬을 장착한 터보샤프트 엔진의 대략적인 구조.
영어: Propfan
연료의 연소배기 가스 및 외부의 고속 터보프롭이 밀어내는 공기로 추력을 얻는 추진기관. Unducted fan, ultra High bypass 엔진, open rotor 등의 용어도 사용된다.
1. 개요
"프롭팬"이라는 용어는 미국의 프로펠러 제작사였던 해밀턴 스탠다드사에 의해 처음으로 만들어진 용어다. 프로펠러를 이용하는 추진기관은 그 특성상 최고속도상의 한계가 생기게 되는데, 특히 조파저항과 천음속 영역에서 프로펠러 팁의 유동이 초음속을 넘나들면서 효율이 급격하게 떨어지는 등의 문제를 겪게 된다. 때문에 여기서 나아가 기존 프로펠러 설계에 후퇴각, 곡선형 설계, 선진 에어로포일등을 적용하는 연구가 진행되는데, 여기에 더해 동축반전, 더 작은 프로펠러 반경(즉 전통적인 터보프롭보다 작은 바이패스비), 늘어난 블레이드 수, 가변피치, 압축손실을 낮추기 위해 알맞은 pressure recovery를 위해 기능하는 엔진 나셀 윤곽에 통합된 프로펠러 등의 요소를 모아서 "프롭팬"이라고 해밀턴 스탠다드는 정의하고 있다.위의 개별 요소들을 세세히 살펴보면 알 수 있는 사실은[1], 사실 이러한 마케팅 용어가 으레 그렇듯 "프롭팬"이라는 용어 자체도 현재 제대로된 정의가 내려지지 않았다는 점이다. GE의 경우 프롭팬 관련 연구 보고서[2]에서 프롭팬을 "선진형"- 내지 "고속 터보프롭"이라 부르고 있으며, 이는 록히드사 보고서에서도[3] 동일하게 설명하고 있다. 즉 위키페디아 등지에서 프롭팬을 "터보프롭과는 다르다"고 설명하는 것은 틀렸으며, "프롭팬"은 기존 터보프롭보다 더 고속 영역에서 작동하는 발전형 터보프롭 정도로 이해하는 것이 적당하다.[4]
70년대 이례 GE나 롤스로이스, 프랫앤 위트니에서 개발하는 물건들은 구체적으로 기존 터보팬 엔진에서 팬을 바깥으로 빼내어 푸셔 방식으로 엔진의 후방부에 장착한 형태를 띄고 있는데, 이들은 압축기-터빈 축과 팬 축이 동일 축에 위치한다는 점에서 기존 터보프롭들과 다르지만, 대부분이 기어박스를 사용하는 등 구체적인 구조상으로는 터보프롭과 매우 비슷하다고 할 수 있다. 결국 당시 기준으로 기존 터보프롭과 다르던 점은 동축반전 프로펠러와 프로펠러 형태, 뭣보다 나셀 윤곽선과 통합된 프로펠러 위치라고 할 수 있는데, 이러한 종류의 엔진을 "프롭팬"이라고 정의할 여지는 있다고 볼 수 있고, 해밀턴 스탠다드사의 정의도 비슷한 입장을 취하고 있다.
GE사의 프롭팬의 경우 여기서 나아가 팬 앞의 압축기-연소기-터빈과 터빈-프롭팬이 분리가된, 즉 기어박스 없이 프리 터빈에 프롭팬이 붙어있는 다이렉트 드라이브 형태였는데, 이런 식으로 기어박스가 없는 다이렉트 드라이브 구조 자체는 "프롭팬"의 특징이 아니라 GE사의 UDF의 특징이라고 봐야할 것이다.
GE UDF 프리 터빈 프롭팬의 구조
최근에는 롤스로이스에서 오픈팬/오픈로터 라는 유사한 방식의 RISE 엔진을 개발하고 있다. 2개의 팬을 사용하고 있지만 회전하는 것은 앞쪽 팬만 실제로 구동되고 뒷쪽 팬은 회전하지 않는 점이 동축반전식과 다르다. 하나의 팬만 구동하므로 기계적으로 훨씬 간단해지고 동축반전 방식보다 소음도 크게 줄었다.
2. 프롭팬의 특징
2.1. 장점
- 터보프롭만큼 경제성이 우수하다.
일단 현재까지 터보팬의 바이패스비는 계속해서 늘어나서, 최신 터보팬들의 경우 바이패스비 10을 넘나들고 있지만, 프롭팬들은 기존 터보프롭들보다 팬 직경이 작음에도 불구, 기본적으로 바이패스비 30:1에서 심지어 50:1을 넘나든다. 당연하지만 작동영역에서의 비슷한 엔진 코어색션의 동일 연료 소모량 기준 추력상으로 비교했을 때 프롭팬이 압도적으로 높을 수밖에 없으며, 즉 프롭팬 엔진은 추력과 속도가 비슷한 터보팬 엔진과 비교하여 터보프롭 수준까지 연료소비량을 매우 크게 줄일 수 있다. 마찬가지로 STOL 성능도 터보프롭과 동일하게 뛰어나므로 활주로 길이에 따른 제한을 적게 받는다.
- 고 바이패스 터보팬만큼 빠르다.
위에서 설명했듯 일반적인 터보프롭은 프로펠러 한계상 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.
2.2. 단점
- 속도에 한계가 있다.
터보프롭보다 빠르다고는 해도 추력의 대부분을 바이패스 공기에 의존하는만큼, 저바이패스 터보팬이나 고온고압의 제트추진에 전적으로 의지하는 방식에 비해 속도의 한계가 명확하다.
- 소음이 심하다.
일반적으로 프로펠러는 회전속도가 빠를수록 소음이 커지는데, 위에서 설명했듯 프롭팬은 블레이드 팁이 천음속 영역에서 작동하기 때문에 소음이 매우 크다는 문제가 있다. 실제 20세기 후반 프롭팬 관련 연구가 활발하게 진행되다 잊혀진데에는 프롭팬의 소음이 매우 크다는 것이 가장 치명적으로 작용했다.
- 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. 무엇보다도 구동축과 기어등의 복잡함은 정비의 불편함을 불러온다. 즉, 돈이 더 들어간다는 이야기이며 연료를 아낀 돈을 정비 비용으로 까먹을 수도 있다는 소리다.
3. 주요 프롭팬 엔진 연구/제작 업체
- 유나이티드 테크놀로지스 산하 해밀턴 스탠다드 - 프롭팬 개념을 최초로 개발하였으며 NASA와 협력해 테스트하였다.
- 제네럴 일렉트릭 - 1986년에 소형 여객기용 GE36 엔진을 개발해 테스트 비행[5]으로 연료소모를 줄이고 낮은 소음과 진동을 실현하는데까지 성공했으나, 유가하락으로 인해 보잉이 7J7 개발 계획을 취소하고, GE로서도 CFM56 엔진이 상업적으로 성공하면서 실용화에 이르지는 않았다. 현재도 지속적으로 연구 중.
- 롤스로이스 - 해당 타입의 엔진을 open rotor engine이라고 부르며, RB2011이라는 컨셉트를 설계한 바 있다.
- 프랫&휘트니 캐나다 - 약칭 PWC. 1980년대에 GE와 경쟁하며 엔진을 개발해 테스트했으나 소음이 시끄러웠고 유가하락 때문에 개발이 보류되었다.
- 이브쳰코-프로그레스 - D-236이나 D-27 같은 엔진을 개발하여 프롭팬이라 지칭하고 있다. 일단 위에서 설명한 "프롭팬"의 정의 중 대부분을 충족하는 엔진으로서는 거의 유일하게 상요화한 회사이다.
4. 프롭팬 엔진을 채택한 항공기
5. 관련 항목
6. 참고 링크
[1] 가변피치, 늘어난 블레이드 수, 동축 반전, 블레이드 팁이 초음속 유동에서 작동함 등, "프롭팬"의 특징으로 거론되는 것들은 사실 전부 기존 터보프롭 엔진 중에서도 예를 찾아볼 수 있다.[2] NASA APET 프로그램 관련 연구용역 보고서[3] SAE 학회 기고 보고서[4] 당장 위키페디아 프롭팬 문서에 나와있는 작동영역 그래프상으로 프롭팬은 터보프롭에서 연장된 형태를 띄는데, 위키페디아 설명대로 "터보팬도, 터보프롭도 아니"라면 아예 다른 형태의 작동영역 그래프 형태를 띌것이다.[5] 당시 테스트베드로는 보잉 727이 사용되었다. 이 엔진을 장착할 예정이었던 7J7이 727에 기반을 두었으므로 당연한 이야기.