터보프롭

드 해빌랜드 캐나다 Dash 8-400에 채택된 프랫&휘트니 PW150A 엔진

쿠즈네초프 NK-12[1]가장 강력한 터보프롭 엔진으로 유명하며, 1개 당 약 12,000~15,000마력(8,900~11,000kW)의 힘을 발휘한다.]와 이중반전식 프로펠러를 갖춘 Tu-95

1. 개요

2. 역사

3. 작동원리

• 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. 또한 터보프롭은 900~2500RPM 사이의 프롭 회전수를 가지지만 터보팬은 2500~5,000RPM 사이의 팬 회전수를 가진다.[4]

• 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 프로펠러추진 방식 자체가 고속비행셋팅보다는 높은 기어비(감속비)에서 효율과 토크(torque)값 이 좋아지기 때문에 감속기어는 반드시 있어야 한다. 보통 터빈의 회전수는 3-4만 RPM 이상 되지만 프로펠러는 900-2,500 RPM 정도 이므로 10:1 - 20:1 정도의 감속비를 가진다.

• 터보프롭 엔진과 터보팬 엔진 간에 실효 추력은 일률을 힘으로 환산하려면 프로펠러의 효율이나 고도 등 여러 변수가 있지만 정확한 공식아니고 대략 주먹구구로 따지면 지상에서 1 shp(shaft hp 축마력) = 0.75 kW = 2 lbf (thrust) = 8.9 Newtons 정도이고 운항고도에서는 4.4 N 정도이다. ## 보통 엔진은 이륙할 때 최대추력을 내므로 지상 추력이 중요하다. kW (power) 를 kN (thrust) 으로 변환하려면 84 로 나누고 kN 을 kW 로 변환하려면 84 를 곱하는 정도. 예를 들어 1600 축마력 (1,200 kW) 급 프랫 & 휘트니 캐나다 PT6 터보프롭 엔진은 대략 14.3 kN = 3,200 파운드(lbf) 급 터보팬 엔진 (예를 들어 FJ44-3AP)과 비슷한 추력을 낸다고 보면 된다. 이 경우는 1,000 kW = 11.87 kN (SL)/ 5.87 kN , 1 kN = 84.3 kW (SL), 170 kW 가 된다.

• 터보팬과 터보프롭의 중간 형태로 기어박스 없이 직접 프로펠러를 구동하는 프롭팬이라는 엔진이 있다. 터보팬의 속도와 터보프롭의 연료 경제성을 겸해 1980년대 개발되었으나 크게 보급되지는 못했다.

4. 터보프롭의 특징

4.1. 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 비행 중 엔진이 정지하는 고장율이 매우 낮고 정비하기도 쉽고 정비시간도 짧다. 추중비또한 더 높다는 장점이 있다.

• 왕복운동을 하는 피스톤 엔진에 비해 회전운동으로 기계적 진동이 적다.

• 터보팬이나 터보제트 엔진에 비해서는 저속에서 효율이 좋아 연료비가 적게 들고 경제적이다. 터보프롭과 터보팬은 비슷해보이지만 터보프롭 쪽이 같은 크기로 더 많은 공기를 뒤로 밀어내므로 저속에서는 더 효율이 높다. 그래서 군용 수송기 등에선 여전히 터보프롭이 대세.

• 고속을 요하지 않는 항공기, 이를테면 비즈니스기, 중단거리 여객기, 전술수송기 등에서 사용할 때 터보젯/터보팬 엔진보다 경제성이 우수하다. 터보프롭 민항기는 저속으로 운항하기 때문에 대략 비슷한 규모의 터보팬 민항기보다 30% 더 연료비가 적게 든다고 보면 된다.

• 단거리 이착륙 STOL 성능이 우수한 경우가 많다. 이는 터보프롭기 엔진이 지상에서 최대 출력과 최대 프로펠러 효율을 낼 수 있고 또 착륙시에는 프로펠러를 역피치로 바꿔 역추진할 수 있기 때문. 그래서 수요가 적고 활주로가 짧은 열악한 공항에서 많이 굴린다.

• 터보프롭 엔진에 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 일반경유를 기본으로 제트유도 연료로 쓸 수 있는 디젤 항공기 피스톤 엔진이 개발되고 있다.

• 프로펠러 추진에서 대부분의 출력을 얻는 방식이라는 점에서 최근 친환경을 내세우며 개발중인 전기 항공기의 기술력에 접목하는데 유리하다. 특히 배터리를 동력원으로 사용하는 항공기는 전기에너지 자체만으로 바로 추진력을 얻을 수단이 없기 때문에 터보프롭과 동일한 프로펠러 추진식으로만 제작이 가능하다.

4.2. 단점

4.2.1. 피스톤 엔진에 비하여

• 피스톤 엔진에 비해서는 대체로 출력이 크긴 하나 출력에 비해서도 가격이 비싸다. 소출력 터보프롭 엔진은 약 5-600마력(440 kW) 급 정도. 소출력 터보프롭 엔진으로 가장 인기있는 제품으로는 P&W 캐나다 PT6A엔진이 있다. 경비행기에 쓸 만한 240마력급 터보프롭 엔진도 있지만 동급 출력의 피스톤 엔진에 비해 가격이 월등히 비싸고 연료비 경제성이 떨어져 잘 쓰이지 않는다. 예를 들어 피스톤 엔진인 Lycoming O-360 등은 가격이 수만 달러 정도지만 터보프롭엔진은 기본이 수십만 달러. 때문에 경량항공기, 초경량항공기, 경비행기 등의 소형기에서는 여전히 피스톤 엔진을 쓰는 경우가 많다. 대체로 400마력(300 kW) 이하의 경비행기는 수평대향 4-6기통 피스톤 엔진을 쓰고, 그 이상은 터보프롭 엔진이 보편적이다.

• 이렇게 피스톤 엔진에 비해 월등히 비싼 이유는 피스톤 엔진은 자동차의 엔진기술을 기반으로하므로 설계나 제작이 싸고 쉽지만 터보프롭은 기본적으로 제트엔진으로 회전속도가 피스톤 엔진의 10-20배로 고속회전하는 고온터빈 등 기술적 허들이나 재료비 제작비가 비싸다.

• 피스톤 엔진에 비해 연료효율이 떨어져 동급 피스톤 엔진보다 연료비가 더 많이 든다. 특히 소형 터보프롭엔진은 열효율이 더욱 떨어진다. 터보프롭은 300-350 g/(kW*h) 정도지만 피스톤 엔진은 대체로 240 g/(kW*h) 이고 디젤 피스톤 엔진은 180-200 g/(kW*h). 하지만 요즘은 피스톤엔진용 항공용 휘발유는 구하기도 어렵고 값도 비싸져서 디젤엔진이나 제트유를 쓰는 터보프롭으로 전환이 많아지고 있다.

• 엔진축은 매우 고속으로 돌아가므로 프로펠러를 구동하기 위해서는 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 컴프레서 블레이드가 부러지거나 하면 주요 부위를 망가뜨려 대형사고를 일으키기 쉽다. 그래서 피스톤 엔진에 비해 설계와 제조에 많은 노하우가 필요하고 개발비가 많이 든다.

• 경비행기용으로는 잘 쓰이지 않다보니 소형 비행기용으로는 피스톤 엔진에 비해 부품수급이 어렵고 정비 인프라나 정비기술을 가진 기술자가 적다.

4.2.2. 프로펠러기 공통 단점

• 프로펠러기는 태생적으로 음속에 가까워질수록 효율이 떨어진다. 그래서 비교적 속도가 낮은 저속기에만 주로 쓰인다.[5]

• 프로펠러를 쓰므로 대기가 희박한 고공에서는 추력이 떨어진다. 그래서 순항고도가 터보팬보다 낮고 최고속도도 떨어진다. 하지만 이건 장점도 되는데 비행기는 지상에서 이륙할 때가 제일 저공-저속인 셈인데 이때 터보프롭은 최대효율 최대추력을 낼 수 있어서 같은 규모의 터보팬보다 최대이륙중량이 좋은 편이다.

• 프로펠러기는 시끄러운 프로펠러 회전 소음이 발생한다. 헬리콥터나 프롭기 등 외부로 노출된 블레이드를 지닌 항공기가 가지고 있는 태생적인 단점인데, 이 중에서도 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. 어쩌다가 터보프롭 여객기를 탈 일이 생긴다면 노이즈캔슬링 헤드폰이나 이어폰이 절실하게 느껴지게 된다

• 또한, 프로펠러의 회전을 통해 대부분의 동력을 발생시키는 만큼, 프로펠러 토크 현상으로 인해 이착륙이 상당히 어려운 편이다. 특히 피스톤엔진에 비해 출력이 더욱 강력한 터보프롭의 경우 이륙시에 더욱 더 제어가 어려워진다. 다만, 이 부분은 꼬리날개의 설계를 프로펠러 토크의 반대방향으로 약간 비대칭 설계하거나 한쪽 수평미익에 보조익을 다는 식으로 어느정도는 해결이 가능하다.

• 제트기에 비해 연료 소비가 적은 것이 장점이나, 느린 속도로 비행시간이 늘어나기 때문에 자본비용과 인건비가 증가하여 특히 유가가 저렴할 때는 오히려 제트기보다 경제성이 떨어지게 된다. 특히 문제가 되는 것이 조종사 인건비인데, 소형기일 수록 조종사 임금이 약간 줄어들긴 하지만 대형 제트기와 마찬가지로 두 명의 조종사를 더 오랜 시간 써야 하기 때문에 노선이 길어지면 승객수를 감안하지 않아도 보잉 737이나 A320보다 인건비 절대값 자체가 더 크게 된다.

4.3. 터보프롭 여객기의 장단점

• 프로펠러 소음이 심해 기내가 시끄럽다. 신형 터보프롭기들은 여러 대책을 적용하여 소음을 줄이고 있다.[6]

• 터보팬 제트기에 비해서는 속도가 다소 느린 편이다. 하지만 단거리에서는 운항시간은 별 차이가 없다.

• 아무래도 기내가 좁은 협동체 중소형기에 오래된 구형기가 많다보니 좌석도 좁고 출입도 불편하고 편의시설도 덜하고 승객들에게 인기가 없다. 터보프롭기 자체의 문제가 아니고 협동체 중소형기이고 주로 중소 항공사들이 저가로 오래된 구형기를 많이 운영하다보니 생기는 문제이다. 하지만 신형 터보프롭기는 좌석도 넓히고 편의성도 개선을 하고 있다.

• 터보팬 제트기 보다는 사고가 잦은 편이다. 이것도 터보프롭기 자체가 원천적으로 안전하지 않거나 고장이 많거나 한 건 아니고 재정이 약한 중소항공사들이 조건이 나쁜 단거리 노선에 인구가 적은 오지나 공항시설이 나쁜 지역공항에서 노후화된 중소형기를 봉급이 낮은 조종사들이 운영하다보니 생긴 문제. 즉 소형기의 숙명이고 돈 문제다.

• 위의 복합적인 이유로 터보프롭 자체의 문제는 아니지만 터보프롭기에 대한 소비자인 승객들에게 이미지가 나빠 미국 등에서는 인기가 떨어지고 있다. 그래서 점차 지역항공사들도 터보프롭기 보유와 운행이 줄어들고 있다.

• 하지만 터보팬 여객기에 비하면 30% 이상 연료비가 절약되는 등 확고한 경제적 우위가 있다. 기체의 가격도 동급의 터보팬 리저널 제트기에 비해 다소 저렴한 편이다. 이런 경제성이 바로 저가 항공사들이 선호하는 이유이다.

• 또 소규모 공항의 짧은 활주로나 포장이나 관리상태가 나쁜 활주로에서도 비교적 안전하게 이착륙할 수 있도록 설계되어 있어서 중소 지방공항에서는 불가피한 선택이다. 이건 원래 터보프롭의 장점이라기 보다는 중소형기가 주로 운항되는 공항 및 운항 조건에 맞는 설계를 한 것이다.
  

5. 주요 터보프롭 엔진 제작업체

• 롤스로이스 plc - 약칭 RR. 미국의 앨리슨을 인수하였다.
• 유로프롭 - 개발 일정이 늦춰지는 수송기의 원인제공자. MTU- 롤스로이스- 스네크마-ITP 컨소시엄.
• 이브첸코-프로그레스 - 우크라이나의 엔진 제작사.
• 제네럴 일렉트릭 - 약칭 GE.
• 쿠즈네초프 - 역대 최대 출력의 터보프롭 엔진인 쿠즈네초프 NK-12[7]을 만든 회사. 해당 엔진은 Tu-95, Tu-114와 An-22 등에 탑재되었다.
• 프랫&휘트니 캐나다 - 약칭 PWC. P&W의 터보프롭, 터보샤프트 엔진의 전 라인업과 소형 터보팬 엔진을 전담생산한다. PT6A 시리즈로 유명하다. 또한 1950년대 P&W시절에는 쿠즈네초프와 함께 역대 최대 출력 터보프롭 엔진을 만든 기업이 될 뻔 했다.[8]
• 하니웰 - 미국의 다목적기업.
• Walter Engines - 체코 프라하에 있던 역사 깊은 터보프롭엔진 제작업체 였으나 2008년에 GE Aviation에 인수

6. 문서가 존재하는 터보프롭 항공기 목록

7. 관련 문서

• 터보샤프트
• 터보팬
• 프롭팬

8. 참고 링크

• (한국어 위키백과) 터보프롭
• (영문 위키백과) Turboprop