프로펠러

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1. 개요

프로펠러는 회전하는 날개를 사용하여 유체(물 또는 공기)를 밀어내어 추진력을 얻는 장치이다. 아르키메데스의 나사에서 기원하여 17세기부터 다양한 형태로 실험되었으며, 19세기 중반 영국 해군성의 실험을 통해 선박 추진 장치로서의 우수성이 입증되었다. 현재 선박, 항공기, 잠수함 등 다양한 운송 수단에 사용되며, 캐비테이션, 선회류, 제조 및 설치 문제 등 다양한 기술적 과제를 가지고 있다.

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프로펠러
지도 정보
기본 정보
유형	회전식 날개
작동 원리	회전 운동을 선형 추력으로 변환
적용 분야	항공기 선박 풍력 터빈 헬리콥터 로켓
구조 및 작동 원리
날개 개수	2개 이상 (일반적으로)
날개 모양	에어포일 (공기역학적 단면)
회전축	고정
추진력 생성	날개의 각도와 회전에 의해 발생
유체 역학	날개가 유체를 밀어내면서 추진력 생성
피치	날개의 각도 조절을 통해 추력 조절
항공기 프로펠러
주요 목적	항공기를 추진하고 양력을 보조
종류	고정 피치 프로펠러 가변 피치 프로펠러
재료	나무 금속 복합 재료
장착 위치	엔진 앞쪽 엔진 뒤쪽 날개 앞쪽 날개 뒤쪽
작동 방식	엔진 회전력을 받아 공기를 뒤로 밀어냄
선박 프로펠러
주요 목적	선박을 추진
작동 방식	회전하며 물을 뒤로 밀어냄
재료	청동 스테인리스강 기타 합금
축 방향	수평 (일반적) 경사 (일부 선박)
풍력 터빈 프로펠러
주요 목적	바람의 에너지를 기계적 에너지로 변환
작동 방식	바람에 의해 회전하며 발전기 구동
다른 이름	블레이드
기타 프로펠러
헬리콥터 로터	회전익 항공기에서 양력 및 추력 생성
로켓 추진제 펌프	로켓 엔진에 추진제를 공급
추가 정보
역사	고대부터 사용된 단순한 형태의 추진 장치 19세기 증기 기관과 함께 발전 20세기 항공 기술 발전에 큰 영향
효율성	추진 효율성을 높이기 위한 지속적인 연구
소음 및 진동	소음 및 진동을 줄이기 위한 노력

2. 역사

프로펠러는 아르키메데스의 나선형 양수 장치에서 기원한다. 배 위에서는 스크루, 항공기에서는 에어스크류로 불리며, 회전하는 허브와 나선형으로 설치된 방사형 날개를 가진 장치이다. 회전 시 물이나 공기와 같은 작동 유체에 선형 추력을 가하여 파이프나 덕트를 통해 유체를 펌핑하거나, 보트나 항공기를 추진시킨다. 날개는 베르누이의 정리에 의해 유체를 통한 회전 운동이 날개 두 표면 사이에 압력 차이를 일으키도록 형성된다.^[49] 대부분의 해양 프로펠러는 수평축을 갖는 프로펠러 샤프트에서 회전하는 스크류 프로펠러이다.

선박용 스크류 프로펠러는 해사 종사자들 사이에서 주로 프로펠러로 불리며, 스크류로 줄여 부르는 경우는 적다. 현대 선박에서는 금속, 주로 구리 계열 합금으로 만들어지며, 희생양이 되는 아연 부품을 배치하여 강철 선체의 부식을 방지한다. 최근에는 대체 재료 연구도 진행되고 있다. 프로펠러 날개는 타원형 또는 부채꼴에 가깝고, 비행기 프로펠러보다 짧고 넓으며, 소형 선박에서는 수가 적고 대형 선박에서는 많다.

일반적으로 선미에 부착되며, 프로펠러 바로 뒤에 타가 있어 스크류 프로펠러가 발생시키는 흐름의 방향을 바꿈으로써 타가 효과를 발휘한다. 따라서 후진 시에는 전진 시와 대칭적으로 타가 효과를 발휘하지 않아, 긴급 상황에서 회피 기동에 딜레마가 발생한다.

엔진과 스크류 프로펠러를 연결하는 회전축은 프로펠러 샤프트라고 하며, 구조상 만능 조인트를 사용해 축이 비스듬하거나 어긋나 있는 경우도 있다.^[49] 예인선이나 트롤 어선 등은 스크류 프로펠러 주위에 원통형 코르트 노즐을 설치하기도 한다.^[50]

선박의 동력 추진은 증기선 시대 이전에는 범선, 노, 삿대 등 자연력이나 인력에 의존했다. 스크류 프로펠러는 증기기관이 선박 동력원으로 사용되기 시작한 후 보급되었다.

초기 증기선은 스크류 방식이 아닌 외륜을 이용하는 외륜선이 주로 사용되었다. 19세기 중반, 영국 해군성은 외륜식을 대체할 추진 기구를 공모했으나, 선저에 구멍을 뚫는다는 인식 때문에 스크류 프로펠러를 쉽게 채택하지 않았다. 결국, 같은 중량과 엔진 출력을 가진 스크류 선과 외륜선을 이용한 「줄다리기」 실험을 통해 스크류 선의 우위성이 입증되었고, 이후 선박 추진 기구로 확고한 지위를 얻었다.

근대에는 설계 및 가공 기술 발전으로 스크류 프로펠러는 다양한 선박의 요구에 맞춰 특수화되었다. 잠수함용 "하이스큐 프로펠러", 상선/여객선용 "이중 반전 프로펠러", 초고속정용 "초공동 프로펠러" 등이 그 예시이다. 또한, "슈나이더 프로펠러"나 "워터제트 추진"과 같은 특수한 방식도 존재한다.

2. 1. 초기 발전

노 젓기에서 유래한 스크루 프로펠러는 17세기 이후 여러 발명가에 의해 실험되었지만, 18세기 후반까지 큰 진전은 없었다. 1775년, 미국 독립 전쟁 당시 예일 대학생 데이비드 부시넬은 잠수함 Turtle|터틀^영어에 프로펠러를 최초로 실용화했다.^[7]^[8] Turtle|터틀^영어은 조선의 거북선과 비교되기도 하며, 진보 진영에서는 부시넬의 혁신적인 기술을 높이 평가한다. 부시넬은 1787년 10월 토마스 제퍼슨에게 보낸 편지에서 프로펠러를 "나사의 원리에 따라 형성된 노"라고 설명하며, 손이나 발로 돌려 배를 앞뒤로 움직일 수 있다고 설명했다.^[11]

19세기 초, 존 스티븐스 등 여러 발명가가 프로펠러 추진 선박을 실험했지만, 증기 기관의 위험성 등으로 인해 큰 성공을 거두지는 못했다.^[13] 1835년, 영국의 존 에릭슨과 프랜시스 페티트 스미스는 각각 독자적으로 프로펠러를 연구하여 특허를 획득했다.^[18] 스미스는 자신의 발명품을 시연하기 위해 소형 선박 '프랜시스 스미스'호를 제작했고, 우연한 사고로 프로펠러가 손상된 후 오히려 속도가 증가하는 현상을 발견했다.

한편, 에릭슨은 프로펠러 추진 증기선 '프랜시스 B. 오그덴'호를 건조하여 영국 해군본부에 시연했지만, 해군본부는 프로펠러 추진 방식이 대양 항해에 부적합하다고 판단했다.^[19] 그러나 스미스는 자신의 소형 선박을 개조하여 해상 항해를 시도했고, 이를 통해 해군본부의 관심을 다시 얻게 되었다.

이후 스미스는 헨리 윔셔스트와 함께 세계 최초의 프로펠러 추진 증기선 Archimedes|아르키메데스^영어호를 건조했다.^[21]^[22]^[23]^[24] Archimedes|아르키메데스^영어호의 성공은 영국 해군의 프로펠러 채택에 큰 영향을 미쳤으며, 1845년에는 호와 호 간의 실험에서 프로펠러 추진 방식의 우수성이 입증되었다.^[25]

2. 2. 스크루 프로펠러의 발전

1830년대에 존 에릭슨과 프랜시스 페티트 스미스는 각각 독립적으로 스크루 프로펠러를 개발하여 특허를 획득했다.^[18] 스미스는 1836년 5월 31일에 프로펠러 특허를 처음 획득했고, 에릭슨은 6주 후에 특허를 신청했다.^[18] 스미스는 자신의 발명품을 시험하기 위해 작은 모형 보트를 제작하여 시연했고, 이 과정에서 우연한 사고로 프로펠러가 손상되었는데, 놀랍게도 이로 인해 보트의 속도가 두 배로 향상되었다.^[18]

스미스의 1836년 원래 프로펠러 특허(두 바퀴 회전). 그는 나중에 특허를 수정하여 길이를 한 바퀴로 줄였다.

한편, 에릭슨은 1837년에 프로펠러 추진 증기선 '프랜시스 B. 오그덴'호를 건조하여 영국 해군본부에 시연했지만, 해군본부는 프로펠러 추진 방식이 대양 항해에 부적합하다고 판단했다.^[19]

스미스는 해군의 견해에 굴하지 않고 자신의 프로펠러가 해상 운항에 적합함을 증명하기 위해 노력했다. 1837년 9월, 그는 자신의 소형 선박으로 항해를 했고, 이 모습이 해군 장교들에게 목격되면서 해군본부의 관심을 다시 얻게 되었다.^[20]

1838년, 스미스의 설계를 기반으로 한 증기선 아르키메데스호가 건조되어 세계 최초의 프로펠러 추진 증기선이 되었다.^[21]^[22]^[23]^[24]

아르키메데스호는 상업용 선박뿐만 아니라 영국 해군에서 프로펠러 추진을 채택하도록 장려하는 데 큰 영향을 미쳤다. 1845년, 영국 해군은 프로펠러 추진 함선 HMS 래틀러호와 외륜 증기선 HMS 알렉토호의 시합을 통해 프로펠러의 우월성을 확인했다.^[25] HMS 래틀러호는 HMS 알렉토호를 2.5kn의 속도로 후진시켰다.^[25]

그레이트브리튼호의 최초 프로펠러 복제품. 4엽 프로펠러가 1845년에 원래 프로펠러를 대체했다. 이 배는 원래 패들을 장착하도록 설계되었지만, 프로펠러가 훨씬 더 효율적임이 입증된 후 계획이 변경되었다.

이후 스크류 프로펠러는 증기기관을 동력원으로 사용하는 선박의 주요 추진 기구로 자리 잡았으며, 19세기 중반 무렵 영국 해군성의 실험을 통해 외륜선보다 우수함이 입증되어 확고한 지위를 얻었다.

2. 3. 항공기 프로펠러

라이트 형제는 현대 항공기 프로펠러의 비틀린 익형 형태를 개척했다. 그들은 항공기 프로펠러가 날개와 유사하다는 것을 깨달았고, 풍동 실험을 통해 이를 확인했다. 그들은 공격각을 일정하게 유지하기 위해 날개에 비틀림을 도입했다. 그들의 날개는 100년 후 사용된 날개보다 효율이 5%밖에 낮지 않았다.^[26]

알베르토 산토스 뒤몽은 비행선 경험에서 얻은 지식을 활용하여 14-비스 복엽기에 강철 축과 알루미늄 날개로 된 프로펠러를 만들었다. 그의 일부 설계는 날개에 구부러진 알루미늄 판을 사용하여 익형 형태를 만들었다. 이들은 심하게 아래쪽으로 휜 형태였고, 길이 방향 비틀림이 없었기 때문에 라이트 형제의 프로펠러보다 효율이 낮았다. 그럼에도 불구하고 이것은 에어스크류(프로펠러) 제작에 알루미늄을 처음 사용한 것일 수 있다.

3. 이론

19세기에는 윌리엄 존 맥쿼른 랭킨, 알프레드 조지 그린힐, R.E. 프로이드 등이 프로펠러의 작동 원리를 설명하는 운동량 이론을 개발했다. 이 이론에서 프로펠러는 무한히 얇은 원판으로 모델링되며, 회전축을 따라 일정한 속도를 유도하고 프로펠러 주변에 흐름을 생성한다.

아이작 뉴턴의 운동 법칙에 따르면, 프로펠러의 전진 추력은 시간당 후방으로 보내지는 유체의 질량과 프로펠러가 그 질량에 추가하는 속도에 비례하는 반작용으로 생각할 수 있다. 유체(공기 또는 물)에서 작동하는 프로펠러는 일부 손실이 발생하는데, 같은 원리로 직경이 더 큰 터보팬 엔진이 직경이 더 작은 터보팬 엔진이나 터보제트 엔진보다 효율적인 경향을 보인다.^[28]

3. 1. 프로펠러 기하학

선박용 프로펠러의 형상은 헬리코이드 표면을 기반으로 한다. 블레이드의 표면은 이 헬리코이드 표면을 기준으로 형성되거나, 이 표면으로부터의 오프셋(offset)으로 설명될 수 있다. 블레이드의 뒷면은 익형이 현(chord line)으로부터의 오프셋으로 설명될 수 있는 것과 같은 방식으로 헬리코이드 표면으로부터의 오프셋으로 설명된다. 피치 표면은 진정한 헬리코이드이거나, 블레이드 위의 후류 속도에 대한 받음각의 더 나은 일치를 제공하는 왜곡을 가진 헬리코이드일 수 있다.

프로펠러는 다음 요소들로 구성된다.

'''블레이드(Blade):''' 프로펠러가 회전할 때 추력을 발생시키는 익형 단면 판이다.
'''허브(Hub):''' 블레이드를 함께 연결하고 프로펠러를 샤프트에 고정하는 프로펠러의 중앙 부분이다. 영국에서는 '보스(Boss)'라고도 한다.
'''경사(Rake):''' 샤프트에 수직인 반경에 대한 블레이드의 각도이다.
'''비틀림(Skew):''' 최대 두께의 선의 반경에 대한 접선 방향 오프셋이다.

프로펠러의 특성은 일반적으로 다음과 같은 무차원 비율로 표현된다.

특성	설명	공식
피치 비 (PR)	프로펠러 피치와 프로펠러 직경의 비율	P/D (P: 프로펠러 피치, D: 프로펠러 직경)
원반 면적 (A₀)	프로펠러가 회전하는 원반의 면적	πD²/4
확장 면적 비	확장 면적과 원반 면적의 비율	A_E/A₀ (A_E: 허브 바깥쪽 모든 블레이드의 확장 면적)
전개 면적 비	전개 면적과 원반 면적의 비율	A_D/A₀ (A_D: 허브 바깥쪽 모든 블레이드의 전개 면적)
투영 면적 비	투영 면적과 원반 면적의 비율	A_P/A₀ (A_P: 허브 바깥쪽 모든 블레이드의 투영 면적)
평균 폭 비	(허브 바깥쪽 한 블레이드 면적 / 허브 바깥쪽 블레이드 길이) / 직경
블레이드 폭 비	블레이드의 최대 폭과 직경의 비율
블레이드 두께 비율	샤프트 축에 생성된 블레이드 두께와 직경의 비율

3. 2. 캐비테이션

캐비테이션(Cavitation)은 프로펠러 날개가 움직이는 주변의 물에서 매우 낮은 압력 영역에 수증기 기포가 형성되는 현상이다. 프로펠러에 과도한 동력을 전달하려고 하거나 프로펠러가 매우 고속으로 작동할 때 발생할 수 있다. 캐비테이션은 동력 손실, 진동 및 마모를 유발하고 프로펠러에 손상을 입힐 수 있다.^[51]

프로펠러에서 캐비테이션은 여러 가지 방식으로 발생할 수 있으며, 가장 일반적인 두 가지 유형은 흡입면 표면 캐비테이션과 팁 와류 캐비테이션이다.

흡입면 표면 캐비테이션은 프로펠러가 고속으로 회전하거나 무거운 하중(높은 날개 양력 계수) 하에서 작동할 때 발생한다. 날개의 상류면(흡입면)의 압력이 물의 증기압보다 낮아져 수증기 기포가 형성된다. 이러한 조건에서는 날개의 하류면(압력면)과 흡입면 사이의 압력 변화가 제한되고, 캐비테이션의 정도가 증가함에 따라 결국 감소한다. 날개 표면의 대부분이 캐비테이션으로 덮이면 날개의 압력면과 흡입면 사이의 압력 차이가 상당히 감소하고 프로펠러가 생성하는 추력도 감소한다. 이러한 상태를 "추력 고장"이라고 한다. 이러한 조건에서 프로펠러를 작동하면 에너지가 낭비되고 상당한 소음이 발생하며, 수증기 기포가 붕괴될 때 날개 표면에 국부적인 충격파가 발생하여 스크루 표면이 빠르게 침식된다.

팁 와류 캐비테이션은 팁 와류의 중심에서 형성되는 매우 낮은 압력에 의해 발생한다. 팁 와류는 유체가 프로펠러 끝을 감싸면서(압력면에서 흡입면으로) 발생한다. [https://www.youtube.com/watch?v=GpklBS3s7iU&feature=PlayList&p=218220F6C5BD650E&playnext_from=PL&index=18 이 비디오]는 팁 와류 캐비테이션을 보여준다. 팁 와류 캐비테이션은 일반적으로 흡입면 표면 캐비테이션보다 먼저 발생하며, 이 유형의 캐비테이션은 날개가 아닌 하류의 어느 정도 떨어진 곳에서 붕괴되기 때문에 날개에 대한 손상이 적다.

4. 프로펠러 종류

프로펠러(배에서는 스크류, 항공기에서는 에어스크류라고 부른다)는 회전하는 축과 나선형으로 배치된 날개를 가진 장치이다. 회전 시 물이나 공기와 같은 작동 유체에 추력을 가한다. 날개는 유체에 힘을 가하는 베르누이의 정리에 의해 유체를 통과하는 회전 운동이 날개 양면 사이에 압력 차이를 만들도록 설계된다. 대부분의 해양 프로펠러는 수평축을 가진 프로펠러 축에서 회전하는 나선형 날개를 가진 스크류 프로펠러이다.

프로펠러의 종류는 다음과 같다.

방위 추력기(Azimuth thruster)
* 아지포드(Azipod)
뱃머리 추력기(Bow thruster)
덕트 프로펠러(Ducted propeller)
* 펌프 제트(Pump-jet)
접이식 프로펠러(Folding propeller)
헬릭스(Helix)
임펠러(Impeller)
키친 러더(Kitchen rudder)
조종용 추력기(Maneuvering thruster)
모듈식 프로펠러(Modular propeller): 블레이드를 개별적으로 교체하거나 피치를 조절할 수 있어 유지 보수가 용이하다.
플루거 러더(Pleuger rudder)
추진기(Propulsor)
선미 추력기(Stern thruster)
초공동 프로펠러(Supercavitating propeller)
가변 피치 프로펠러: 날개 각도를 조절하여 효율을 높일 수 있다.
포이스-슈나이더 프로펠러(Voith-Schneider propeller): 수직축을 중심으로 회전하는 직선 날개를 사용하며, 어느 방향으로든 추력을 제공할 수 있다.
웨이크 평형 덕트(Wake-equalising duct)
스큐백 프로펠러: 날개 끝이 회전 방향과 반대로 후퇴되어 있고, 날개는 종축을 따라 뒤쪽으로 기울어져 컵 모양을 하고 있다. 캐비테이션을 줄여 소음이 적은 스텔스 설계를 가능하게 한다.
림 구동 추진기: 덕트 프로펠러에 전기 모터를 통합한 형태로, 소음이 적고 무게를 줄일 수 있다.
토로이달 프로펠러: 고리 모양을 사용하여 소음을 줄이고 효율을 높인다.

4. 1. 가변 피치 프로펠러

가변 피치 프로펠러의 예. 회전 기구가 내장되기 때문에 가변 피치 프로펠러의 프로펠러 보스는 지름이 두껍고 추진 효율이 다소 떨어진다.

가변 피치 프로펠러는 제어식 피치 프로펠러 또는 자동으로 페더링(접이식 프로펠러)되는 방식이 있다. 가변 피치 프로펠러는 고정 피치 프로펠러에 비해 다음과 같은 중요한 장점이 있다.

어떤 속도에도 가장 효과적인 블레이드 각도를 선택할 수 있다.
모터세일링 시 블레이드 각도를 조정하여 바람과 엔진으로부터 최적의 추진력을 얻을 수 있다.
후진(역방향)으로 훨씬 효율적으로 이동할 수 있다(고정 피치 프로펠러는 후진 시 성능이 매우 저조함).
사용하지 않을 때(예: 항해 시) 최소 저항을 제공하도록 블레이드를 "페더링"할 수 있다. 대형 항공기의 경우, 엔진을 제어할 수 없다면 프로펠러가 너무 빨리 회전하여 파손되는 것을 방지하기 위해 프로펠러 페더링 기능이 필요하다.

후진 시에는 일반적으로 추진축을 역회전시키지만, 터빈을 사용한 추진 기관처럼 기어나 역회전용 장치를 갖추는 것을 피하고 싶은 경우에는 가변 피치 프로펠러를 채택하여 프로펠러 피치의 변경으로 대응하는 경우가 있다.

4. 2. 스큐백 프로펠러

미국 로스앤젤레스급 잠수함과 독일 212형 잠수함 등에 사용되는 고급 프로펠러의 한 종류로 '''스큐백 프로펠러(skewback propeller)'''가 있다. 일부 항공기에 사용되는 사브르형 날개와 마찬가지로, 스큐백 프로펠러의 날개 끝은 회전 방향과 반대로 후퇴되어 있다. 또한, 날개는 종축을 따라 뒤쪽으로 기울어져 전체적으로 컵 모양을 하고 있다. 이러한 설계는 추력 효율을 유지하면서 캐비테이션을 줄여 소음이 적은 스텔스 설계를 가능하게 한다.^[29]^[30]

일부 선박에서는 일부 비행기 날개와 유사한 윙렛(winglet)이 있는 프로펠러를 사용하여 날개 끝 와류를 줄이고 효율을 향상시키는 사례가 소수 존재한다.^[31]^[32]^[33]^[34]^[35]

4. 3. 모듈형 프로펠러

모듈형 프로펠러는 블레이드를 개별적으로 교체하거나 피치를 조절할 수 있어 프로펠러 전체를 교체할 필요가 없다. 따라서 유지 보수가 용이하고, 보트 운항자는 고도, 수상 스포츠 또는 순항 등 다양한 상황에서 더 나은 성능을 얻을 수 있다.^[36]

4. 4. 포이트 슈나이더 프로펠러

보이스슈나이더 프로펠러는 나선형 날개 대신 수직축을 중심으로 회전하는 비틀림 없는 직선 날개 네 개를 사용하며, 기계적 복잡성이 증가하는 대신 어느 방향으로든 추력을 제공할 수 있다.^[1]

4. 5. 림 구동 추진기

림 구동 추진기는 덕트 프로펠러에 전기 모터를 통합한 형태이다. 원통형 덕트는 고정자 역할을 하고, 블레이드 끝은 회전자 역할을 한다. 일반적으로 높은 토크를 제공하고 저속으로 작동하여 소음이 적다. 이 시스템은 샤프트가 필요 없어 무게를 줄일 수 있다. 장치는 선체 주변의 다양한 위치에 배치하고 독립적으로 작동하여 기동을 지원할 수 있다. 샤프트가 없으면 대체 후미 선체 설계가 가능하다.^[37]

4. 6. 토로이달 프로펠러

120년 전에 처음 발명된 비틀린 토로이드(고리 모양) 프로펠러는 날개 대신 원형 고리를 사용한다. 이는 공기 및 수중 응용 분야 모두에서 기존 프로펠러보다 훨씬 조용하며(특히 가청 주파수에서) 효율적이다. 이 설계는 프로펠러가 생성하는 와류를 전체 형태에 걸쳐 분산시켜 대기 중에서 더 빨리 소멸되도록 한다.^[38]^[39]

5. 손상 방지

요트, 바지선, 강 소형 모터보트 등은 해초, 로프, 케이블, 그물, 플라스틱 등의 파편으로 인해 프로펠러가 오염되는 경우가 많다. 영국의 협항선에는 프로펠러 위에 '''해초 해치'''가 설치되어 있어, 배가 정지했을 때 해치를 열어 프로펠러에 접근하여 파편을 제거할 수 있다. 요트나 강 소형 모터보트에는 해초 해치 대신 프로펠러 샤프트에 '''로프 커터'''를 장착하여 프로펠러와 함께 회전시키면서 파편을 제거한다. 이를 통해 잠수부가 수동으로 오염물을 제거할 필요가 없어진다. 로프 커터에는 다음과 같은 여러 형태가 있다.^[43]

면도날처럼 날카로운 가장자리를 가진 디스크^[44]
고정된 날에 대해 가위처럼 작동하여 절단하는, 돌출된 날이 두 개 이상 있는 로터^[45]^[46]^[47]
날카로운 가장자리와 돌출부를 가진 톱니 모양의 로터^[48]

5. 1. 샤프트 보호

소형 엔진, 예를 들어 선외기처럼 프로펠러가 무거운 물체와 충돌할 위험이 있는 경우, 프로펠러는 과부하 시 파손되도록 설계된 장치를 포함하는 경우가 많다. 과부하가 걸리면 장치 또는 프로펠러 전체가 파손되어 더 비싼 변속기와 엔진이 손상되지 않도록 한다.

일반적으로 10hp보다 작은 용량의 구형 엔진에서는 드라이브 샤프트와 프로펠러 허브를 통과하는 가는 전단핀이 정상적인 하중에서 엔진의 동력을 전달한다. 이 핀은 프로펠러에 엔진을 손상시킬 수 있는 하중이 가해지면 전단되도록 설계되어 있다. 핀이 전단되면 새로운 전단핀을 장착할 때까지 엔진이 보트에 추진력을 제공할 수 없다.^[40]

대형 및 최신 엔진에서는 고무 부싱이 드라이브 샤프트의 토크를 프로펠러 허브로 전달한다. 손상을 줄 수 있는 하중이 가해지면 허브 내 부싱의 마찰이 극복되고 회전하는 프로펠러가 샤프트에서 미끄러져 엔진 부품의 과부하를 방지한다.^[41] 이러한 사건 이후 고무 부싱이 손상될 수 있다. 그렇다면 저속 회전에서는 감소된 동력을 전달할 수 있지만, 마찰 감소로 인해 고속 회전에서는 동력을 전혀 제공하지 못할 수 있다. 또한 고무 부싱은 시간이 지남에 따라 열화되어 설계된 파손 하중보다 낮은 하중에서도 파손될 수 있다.

고무 부싱을 교체하거나 수리할 수 있는지는 프로펠러에 따라 다르다. 일부는 불가능하다. 일부는 가능하지만 간섭 맞춤을 위해 과도한 크기의 부싱을 삽입하려면 특수 장비가 필요하다. 다른 것들은 쉽게 교체할 수 있다.

일부 최신 프로펠러에서는 ''드라이브 슬리브''라고 하는 하드 폴리머 인서트가 고무 부싱을 대체한다. 샤프트와 프로펠러 허브 사이에 삽입된 스플라인 또는 기타 비원형 단면의 슬리브는 마찰이 아닌 엔진 토크를 프로펠러로 전달한다.^[42] 프로펠러가 과부하되면 폴리머는 프로펠러와 엔진 구성 요소보다 약하기 때문에 이것들이 파손되기 전에 파손된다. 과도한 하중 하에서는 완전히 파손되지만 쉽게 교체할 수 있다.

5. 2. 해초 해치 및 로프 커터

대형 선박의 프로펠러는 깊은 물에 잠겨 있어 장애물과 부유물이 적지만, 요트, 바지선, 강 소형 모터보트는 해초, 로프, 케이블, 그물, 플라스틱 등의 파편으로 인해 프로펠러가 오염되는 경우가 많다. 영국의 협항선에는 프로펠러 위에 '''해초 해치'''가 설치되어 있어, 선박이 정지했을 때 해치를 열어 프로펠러에 접근하여 파편을 제거할 수 있다. 요트나 강 소형 모터보트에는 해초 해치 대신 프로펠러 샤프트에 '''로프 커터'''를 장착하여 프로펠러와 함께 회전시키면서 파편을 제거한다. 이를 통해 다이버가 수동으로 오염물을 제거할 필요가 없어진다. 로프 커터에는 다음과 같은 여러 형태가 있다.^[43]

면도날처럼 날카로운 가장자리를 가진 디스크^[44]
고정된 날에 대해 가위처럼 작동하여 절단하는, 돌출된 날이 두 개 이상 있는 로터^[45]^[46]^[47]
날카로운 가장자리와 돌출부를 가진 톱니 모양의 로터^[48]

6. 기타 프로펠러 유형

'''클리버 프로펠러(Cleaver propeller):''' 보트 경주에 사용되는 특수 설계된 프로펠러이다.
'''덕트 프로펠러''' 및 '''펌프 제트''': 추진 효율을 높이고 소음을 줄이기 위해 사용되는 프로펠러이다. 펌프 제트는 스크류 프로펠러 주위를 덕트로 덮는 추진 방식이다.^[50] 수중익선 등 고속을 얻으려는 선박에서 사용된다.
'''이중 반전 프로펠러''': 연료 효율을 높이고 소음을 줄이기 위해 사용되는 프로펠러이다.^[49] 추진축이 동축 2축 구조로 되어 있고, 반전 기어가 필요하여 구조가 복잡하지만, 캐비테이션, 선회류, 정숙성 문제를 개선하는 효과가 있다. 포드 추진 장치의 전후에 스크류를 장착하거나, 일반 스크류 프로펠러 후부에 포드 추진 장치를 갖추어 이중 반전 프로펠러로 만들기도 한다.
'''가변 피치 프로펠러''': 추진축을 역회전시키지 않고 프로펠러 피치를 변경하여 후진하는 방식이다. 터빈을 사용한 추진 기관에 사용된다.

'''포드 추진''': 스크류 프로펠러의 장착 각도를 회전시켜 타를 불필요하게 하고 후진을 신속하게 하는 방식이다.
'''하이스큐 프로펠러''': 원자력 잠수함 등에서 사용되는 프로펠러로, 블레이드(날개) 개수가 7매로 많고, 날개가 가늘고 길며 면적이 작고 후퇴각이 큰 스큐드 프로펠러이다. 정숙성 향상을 위해 후퇴각이 연속적으로 변화하는 복잡한 곡선으로 구성된다.
'''서피스 프로펠러''': 프로펠러 상반부를 수면 위에 노출시킨 반 침수형 프로펠러로, 수중 속력 40노트 이상의 고속선에 사용된다.
'''포이스-슈나이더 프로펠러''': 일반적인 스크류 프로펠러와는 다른 외관을 가진 프로펠러이다.

7. 과제

프로펠러는 복잡한 형상 때문에 고도의 설계 및 제조 기술과 숙련된 기술을 필요로 한다. 특히 고속, 고효율을 추구하는 현대 상선용 프로펠러는 대부분 곡면으로 구성되며, 0.01mm의 매우 엄격한 오차 기준을 요구한다. 기계 연마의 한계가 약 0.8mm이므로, 후속 공정은 모두 숙련공에 의존한다. 직경 9m 전후의 대형 선박용 프로펠러는 주문 제작품이며, 기계화에도 불구하고 주형 제작부터 마무리까지 사람의 손을 거쳐야 하므로 범용품이나 양산품은 존재하지 않는다.

하이스큐(High-skew) 프로펠러처럼 고도의 설계와 제조 기술이 필요한 경우, 제조에 사용하는 공작기계의 수출조차 국방상 중요 사항과 관련될 수 있을정도로 특수한 기술과 가공 공구가 필요하기 때문에 제조할 수 있는 업체는 제한적이다.

스크류 프로펠러는 수중에 노출되어 설치되므로, 날카로운 날개 끝 부분이 듀공, 돌고래 등 해양 생물이나 잠수부, 수난자를 위험에 빠뜨릴 수 있다. 초기의 제트스키에서는 이 점이 매우 큰 문제가 되어, 워터 제트 추진 방식의 제품으로 대체되고 있다.

스크류 프로펠러에 조개류 등 수생 생물이 부착되면 표면이 매끄럽지 못하게 되어 추진 효율이 떨어진다. 대형 선박에서는 이를 방지하기 위해 정박 중에도 주 엔진과 별도의 동력으로 스크류 프로펠러를 저속 회전시키기도 한다.^[53]

7. 1. 캐비테이션 문제

스크류 프로펠러의 추진력을 높이기 위해 회전수를 높이거나 피치를 강하게 하면, 블레이드 면이 만드는 음압이 수압보다 커져서 미세한 기포가 발생하는 캐비테이션(cavitation) 현상이 일어난다. 이는 추진 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 블레이드 면이 손상(침식)되거나 큰 소음을 발생시킨다.^[51] 더 나아가 선체에 불쾌한 진동을 일으켜 선체 강도에도 영향을 미치므로 간과할 수 없다.^[51]

20세기 말부터는 대형 선박의 스크류 프로펠러에서 이러한 문제의 발생을 피하기 위해, 대구경의 스크류 프로펠러를 저회전으로 사용함으로써 높은 효율을 얻고 있다.^[51]

최근에는 의도적으로 캐비테이션을 발생시켜 이용하는 슈퍼캐비테이션(supercavitation) 기술을 이용한 슈퍼캐비테이션 프로펠러(supercavitation propeller)도 있다.

7. 2. 선회류 문제

단일 스크루 프로펠러만 사용하는 경우, 추진축 에너지의 약 1/3은 프로펠러 후방의 회전류(旋回流) 발생에 사용되며 추진력에는 기여하지 않는다. 이를 개선하는 방법으로 이중 반전 프로펠러 외에도, 냉각수를 프로펠러 전방의 선체에서 분출시키거나, 프로펠러 전방이나 후방에 핀과 같은 추가적인 장치를 설치하여 추진 효율을 개선하는 방법도 있다.^[52]

7. 3. 제조 문제

프로펠러는 복잡한 형상 때문에 고도의 설계 및 제조 기술, 숙련된 기술을 필요로 한다. 고속, 고효율을 추구하는 현대의 상선용 프로펠러는 거의 모두 곡면으로 구성되며, 오차는 0.01mm로 매우 엄격한 기준을 요구한다. 기계 연마의 한계가 약 0.8mm이기 때문에, 후속 공정은 모두 숙련공에 의존할 수밖에 없다. 특히 대형 선박에 사용되는 직경 9m 전후의 대형 프로펠러는 주문 제작품이며, 기계화가 진행되었음에도 불구하고 주형 제작부터 마무리까지 사람의 손을 떠날 수 없어 범용품이나 양산품은 존재하지 않는다. 특히 고도의 설계와 제조 기술을 필요로 하는 하이스큐(High-skew) 프로펠러의 경우, 제조에 사용하는 공작기계의 수출조차도 국방상 중요 사항과 관련될 수 있다.

특수한 기술과 가공 공구가 필요하기 때문에 제조할 수 있는 업체는 제한적이다.

7. 4. 설치 문제

스크류 프로펠러는 수중에 노출되어 설치되기 때문에, 날카로운 날개 끝 부분이 듀공, 돌고래 등 해양 생물이나 잠수부, 수난자를 위험에 빠뜨릴 수 있다. 초기의 제트스키에서는 이 점이 매우 큰 문제가 되어, 워터 제트 추진 방식의 제품으로 대체되고 있다.

7. 5. 수생 생물 부착 문제

스크루 프로펠러에 조개류 등 수생 생물이 부착되면 표면이 매끄럽지 못하게 되어 추진 효율이 떨어진다. 대형 선박에서는 이를 방지하기 위해 정박 중에도 주 엔진과 별도의 동력으로 스크루 프로펠러를 저속 회전시키기도 한다.^[53]

8. 시장 점유율

나카시마 프로펠러는 일본 오카야마시에 있는 회사로, 선박용 프로펠러를 제조하며, 세계 시장에서 30%의 점유율로 1위를 차지하고 있다.^[1]

참조

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