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터보프롭

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목차

1. 개요

터보프롭은 가스터빈 엔진의 한 종류로, 터빈의 동력을 프로펠러를 회전시키는 데 사용하여 추력을 얻는 방식이다. 헝가리의 죄르지 옌드라식이 1920년대에 최초로 설계를 시작했으며, 영국과 미국에서도 개발이 이루어졌다. 터보프롭은 프로펠러를 통해 저속에서 높은 효율을 보이며, 다양한 민간 및 군용 항공기에 사용된다. 현대에는 첨단 터보프롭 기술 개발이 진행 중이며, 기존 피스톤 엔진 항공기의 개조에도 활용된다.

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터보프롭
개요
유형터빈 엔진
추진 방식프로펠러
작동 원리흡입: 공기를 흡입하여 압축기로 보낸다.
압축: 압축기에서 공기를 압축한다.
연소: 압축된 공기에 연료를 분사하여 연소시킨다.
팽창: 연소 가스를 터빈으로 보내어 터빈을 회전시킨다.
배기: 터빈을 거친 가스를 배출한다.
주요 구성 요소압축기
연소기
터빈
감속 기어
프로펠러
용도항공기 추진
상세 정보
효율저속에서 높은 효율을 나타낸다.
제트 엔진에 비해 연료 효율이 높다.
속도제트 엔진에 비해 비교적 낮은 속도에서 운용된다.
일반적으로 마하 0.6 미만 속도에서 효율적이다.
특징프로펠러를 사용해 추력을 얻는다.
터빈 엔진의 출력을 프로펠러 회전력으로 변환한다.
낮은 속도에서 우수한 추진력을 제공한다.
비교적 단순한 구조로 제작 및 유지보수가 용이하다.
프로펠러의 소음이 상대적으로 크다.
작동 방식
공기 흡입엔진 전면의 흡입구를 통해 공기를 흡입한다.
압축흡입된 공기를 압축기로 압축한다.
연소압축된 공기에 연료를 분사하여 연소시킨다.
터빈 작동연소 가스가 터빈을 회전시킨다.
동력 전달터빈의 회전력을 감속 기어를 통해 프로펠러로 전달한다.
추력 발생회전하는 프로펠러가 공기를 밀어내어 추력을 발생시킨다.
관련 기술
프로펠러 설계높은 효율을 위한 최적의 프로펠러 설계가 중요하다.
블레이드 형상, 개수, 피치각 등을 고려한다.
감속 기어터빈의 높은 회전 속도를 프로펠러에 적합한 속도로 낮춘다.
감속비는 엔진과 프로펠러의 특성에 맞게 설정한다.
연료 시스템터빈 엔진에 안정적인 연료 공급을 보장한다.
연료 분사 및 연소 제어 시스템이 포함된다.
제어 시스템엔진 출력 및 프로펠러 작동을 제어한다.
엔진 속도, 연료 공급량, 프로펠러 피치 등을 조절한다.
적용 분야
민간 항공단거리 및 중거리 운송용 항공기에 주로 사용된다.
지역 항공기, 화물기 등에 적용된다.
군용 항공수송기, 초계기, 훈련기 등에 사용된다.
다양한 임무 수행을 위한 높은 신뢰성을 요구한다.
기타헬리콥터, 무인 항공기 등에도 적용된다.
기술 발전
재료고온 및 고압 환경에 견딜 수 있는 내열 재료가 개발되었다.
경량화 및 내구성 향상을 위한 재료 연구가 진행 중이다.
효율 향상엔진 효율을 높이기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다.
공기역학적 설계 최적화, 연소 개선 등이 포함된다.
소음 감소프로펠러 소음을 줄이기 위한 연구가 진행 중이다.
블레이드 형상 및 제어 기술 개발이 이루어지고 있다.

2. 역사

죄르지 옌드라식은 1928년 터보프롭 아이디어를 발표했고, 1929년 3월 12일 자신의 발명품에 대한 특허를 취득했다.[23][24] 1938년 그는 소규모(100마력; 74.6 kW) 실험용 가스터빈을 제작했다.[24]

최초의 터보프롭 엔진은 헝가리의 기계 기술자인 죄르지 옌드라식이 설계한 옌드라식 Cs-1로, 부다페스트의 간츠사에서 1939년부터 1942년까지 시제품 제작 및 시험이 진행되었다. 15단 압축기와 7단 터빈으로 구성된 축류식 설계는 현대적인 특징을 포함하고 있었다. 최초의 지상 시험은 1940년에 이루어져 세계 최초의 터보프롭 엔진이 되었지만, 연소 문제 등으로 출력은 약 400bhp로 제한되었다.[45][46]

CS-1


일반 대중에게 터보프롭 엔진이 처음 언급된 것은 1944년 2월 영국 항공 잡지 ''플라이트''에서였는데, 미래의 터보프롭 엔진 모습에 대한 상세한 단면도가 포함되어 있었다. 그 도면은 훗날 롤스로이스 트렌트와 매우 유사했다.[27]

롤스로이스는 군용 및 민간용 형식증명을 받은 최초의 터보프롭 엔진인 롤스로이스 클라이드[30]를 개발했다. 다트 엔진을 장착한 빅커스 비스카운트는 최초로 대량 생산되어 판매된 터보프롭 항공기이자,[31] 최초의 4발 터보프롭 항공기였다. 최초 비행은 1948년 7월 16일이었다. 세계 최초의 단발 터보프롭 항공기는 암스트롱 시들리 맘바 엔진을 장착한 볼턴 폴 발리올로, 1948년 3월 24일에 처음 비행했다.[32]

쿠즈네초프 NK-12는 실전 배치된 가장 강력한 터보프롭 엔진이다


소련은 융커스 모토렌베르케의 제2차 세계 대전 시대 터보프롭 예비 설계 작업을 기반으로 개발을 진행했으며, 쿠즈네초프 NK-12 터보프롭 엔진을 장착하고 초음속 날개 끝 속도를 가진 8개의 반대 회전 프로펠러(기체 덮개당 2개)를 결합한 투폴레프 Tu-95 베어를 생산하여 대부분의 임무에서 제트 순항 속도와 비슷한, 많은 초기 제트기보다 빠른 약 925.37km를 넘는 최대 순항 속도를 달성했다. Tu-95는 20세기 말까지 소련의 가장 성공적인 장거리 전투 및 정찰기이자 소련의 힘을 과시하는 상징이 되었다. 미국은 1950년대 일부 실험 항공기에 앨리슨 T40과 같은 반대 회전 프로펠러가 장착된 터보프롭 엔진을 사용했다. T40 엔진을 장착한 컨베어 R3Y 트레이드윈드 수상 비행정은 짧은 기간 동안 미국 해군에서 운용되었다.

앨리슨의 초기 T38 설계 기술은 앨리슨 T56으로 발전했는데, 이 엔진은 록히드 일렉트라 여객기, 군사 해상 순찰 파생 모델인 P-3 오라이온 및 C-130 허큘리스 군용 수송기의 동력원으로 사용되었다.

최초의 터빈 동력 샤프트 구동 헬리콥터는 찰스 카만의 K-125 싱크롭터를 개량한 카만 K-225로, 1951년 12월 11일 보잉 T50 터보샤프트 엔진을 사용하여 동력을 공급받았다.[35]

미국 최초의 터보프롭 엔진은 GE 항공의 XT31로, 컨솔리데이티드 벌티 XP-81 실험기에 사용되었다.[47] 1945년 12월 21일 XP-81 실험기가 처음 비행했으며, T31은 기수에, T33 터보제트 엔진은 동체 후부에서 추력을 더했다.

1963년 12월에는 당시 비치크래프트 87(곧 비치크래프트 킹 에어가 됨)을 위해 프랫 앤드 휘트니 캐나다의 PT6 터보프롭 엔진이 최초로 인도되었다.[36] 1964년에는 가렛 에어리서치의 TPE331(현재 하니웰 항공우주 소유)이 미쓰비시 MU-2에 최초로 장착되어 그 해 가장 빠른 터보프롭 항공기가 되었다.[37]

보잉 367-80이 조기에 성공했기 때문에 대형 민간기 시장에서는 터보프롭 엔진 탑재기 시대를 맞이하지 못했지만, YS-11과 드 하빌랜드 캐나다 DHC-8 등의 지역 항공사용 항공기에 널리 채용된 데다, 록히드 마틴 C-130과 록히드 L-188, 그리고 이 기체를 원형으로 한 P-3 오라이온 등 군용기 시장에서도 일정한 수요가 있었기 때문에 2000년대 이후에도 판매가 계속되고 있다.

가장 널리 보급된 터보프롭 엔진은 50년 이상의 실적을 가진 프랫 앤드 휘트니 캐나다 PT6이다. 2000년대 이후 터보팬 엔진의 성능 향상으로 터보프롭기의 주요 시장이었던 중·단거리 노선용 중·소형 여객기는 지역 제트기에 대체되고 있으며, 군용 초계기도 P-8 포세이돈과 P-1 등 터보팬기가 후계로 선택되고 있다. 한편 앨리슨 250을 대표로 하는 소형 엔진의 등장으로 소형기 탑재도 가능해졌다. 많은 군대에서는 훈련기를 위해 항공 연료를 제트 연료로 통일할 수 있게 되었다. 초등 훈련기로는 Grob G 120TP와 필라투스 PC-7 등이 많은 나라의 군에 채용되고 있다.

대형 군용 수송기 에어버스 A400M을 위해 11000hp의 출력을 자랑하는 유로프롭 인터내셔널 TP400을 새롭게 공동 개발 중이다.

2020년, SARS 코로나바이러스-2(코로나19) 감염 확대로 항공기를 이용한 이동자 수가 급감했다. 유럽과 미국에서는 탑승자 수가 적더라도 경제적으로 운영할 수 있는 터보프롭 엔진을 탑재한 소형 여객기의 존재감이 커졌다. ATR사는 이러한 수요를 흡수하는 동시에 아시아 태평양 지역, 남아메리카, 아프리카 등 공항 관련 지상 인프라가 부족한 지역에서도 수요가 있다고 보고 터보프롭기 개발, 생산을 계속할 자신감을 보이고 있다.[49]

2. 1. 초기 개발

죄르지 옌드라식이 설계한 세계 최초의 터보프롭 엔진은 Jendrassik Cs-1이다. 헝가리에서 개발된 이 엔진은 바르가 RMI-1 X/H 정찰 폭격기에 쌍발로 장착되어 1939-1942년간 잠시 운용되었으나 안정성 문제로 상용화되지는 못했다.[23][24][25][26]

헝가리 바르가 RMI-1 X/H의 도면 – 세계 최초로 작동하는 터보프롭 엔진을 장착한 항공기


옌드라식 Cs-1은 15단 압축기와 7단 터빈, 환형 연소실을 갖춘 축류형 설계로, 1940년 첫 시험 가동에서 연소 문제로 출력이 400마력으로 제한되었다.[46] 1941년, 헝가리 공군이 메서슈미트 Me 210을 중전투기로 선택하면서 개발이 중단되었고, 공장은 다임러-벤츠 DB 605 엔진 생산으로 전환되었다.[45]

영국에서는 롤스로이스 plc가 Derwent II 엔진에 감속기어와 2.4m 5엽 프로펠러를 장착한 RB.50 트렌트를 개발했다. 이 엔진은 글로스터 미티어 EE227에 쌍발로 탑재되었는데, 이는 터보프롭 항공기로는 안정적인 최초의 비행이었다.[28][29] 롤스로이스는 이 경험을 바탕으로 다트 엔진을 개발했고, 이 엔진은 50년 넘게 생산되었다.

1945년 3월 허크널의 시험대에 있는 롤스로이스 RB.50 ''트렌트''


최초의 미국 터보프롭 엔진은 제너럴 일렉트릭의 XT31이며, 실험용 컨솔리데이티드 벌티 XP-81에 최초로 사용되었다. XP-81은 1945년 12월에 최초로 비행했는데, 터보프롭과 터보제트 동력을 결합하여 사용한 최초의 항공기였다.[47][48]

General Electric T31

2. 2. 발전과 상용화

영국에서는 롤스로이스 plc가 Derwent II 엔진에 감속기어와 2.4m 5엽 프로펠러를 장착한 RB.50 트렌트를 개발하여 글로스터 미티어 EE227에 쌍발로 탑재하였는데, 이것이 아마도 터보프롭 항공기로는 안정적인 최초의 비행기일 것이다. 이후 롤스로이스사는 이 경험을 바탕으로 Dart를 개발하였고 이 모델로 50년 넘게 생산하게 된다.

터보프롭 엔진 중에서 가장 유명한 것은 Pratt & Whitney Canada의 PT6이다.

2. 3. 한국의 터보프롭기

한성항공이 ATR 72-200 기종을 도입했고, 이후 제주항공이 Q400 기종 4대를 운항했으나 현재는 퇴역했다. 현재는 하이에어가 ATR 72-500 기종을 도입하여 운영하고 있다.

3. 기술적 특징

터보프롭 엔진은 터보팬, 터보제트, 왕복 엔진 등 다른 종류의 엔진과 비교했을 때 각각 장단점이 있다. 낮은 속도에서는 높은 효율을 보이지만, 높은 마하수에서는 효율이 감소한다.

다양한 엔진 유형과 마하수에 따른 추력 효율

  • 터보프롭 vs 터보팬/터보제트: 터보프롭은 프로펠러(및 배기가스)의 제트 속도가 상대적으로 낮기 때문에 시속 725km 미만의 비행 속도에서 가장 효율적이다. 현대 터보프롭 여객기는 소형 지역 항공기와 거의 같은 속도로 운항하지만 승객당 연료 소비량은 3분의 2에 불과하다.[38] 터보팬 엔진에 사용되는 소구경 팬과 달리, 프로펠러는 대구경으로 많은 양의 공기를 가속화할 수 있다. 저속에서는 많은 양의 공기를 소량 가속하는 것이 적은 양의 공기를 대량 가속하는 것보다 효율적이므로,[16] 낮은 디스크 하중(단위 디스크 면적당 추력)은 항공기의 에너지 효율을 높이고 연료 사용량을 줄인다.[18][19] 비행 속도가 증가함에 따라 프로펠러 효율은 저하되고, 터보팬 엔진에 대한 우위성이 완전히 사라지기 때문에 고속도를 요구하는 항공기에는 채용하는 것이 비합리적이다.

  • 터보프롭 vs 왕복 엔진: 피스톤 엔진과 비교했을 때, 더 높은 출력 중량비(이로 인해 이륙 거리가 짧아짐)와 신뢰성으로 인해 초기 비용, 유지보수 및 연료 소비량이 높다는 단점을 상쇄할 수 있다.

3. 1. 작동 원리

터보프롭에서 배기 추력은 터빈 팽창으로부터 (압축기를 구동하는 데 필요한 것 이상의) 추가 동력을 얻는 샤프트 동력을 위해 희생된다. 터빈 시스템의 추가 팽창으로 인해 배기 제트의 잔류 에너지는 낮다.[4][5][6] 따라서 배기 제트는 총 추력의 약 10%를 생성한다.[7] 더 높은 비율의 추력은 저속에서는 프로펠러에서, 고속에서는 더 적은 비율로 발생한다.[8]

터보프롭 엔진 작동 개략도


터보프롭은 바이패스 비율이 50~100 정도이다.[9][10] 하지만 팬보다 프로펠러의 경우 추진 공기 흐름이 덜 명확하게 정의된다.[11][12]

프로펠러는 고RPM/저토크 출력을 저 RPM/고 토크로 변환하는 감속 기어를 통해 터빈에 연결된다. 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6에 사용되는 프리 터빈 터보샤프트는 가스 발생기가 프로펠러에 연결되어 있지 않다. 이는 프로펠러 충돌 또는 유사한 손상이 발생하더라도 가스 발생기에 손상을 입히지 않고 동력 부분(터빈 및 기어박스)만 제거하고 교체할 수 있으며, 엔진 지상 시동 시 시동에 대한 스트레스를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 반면 Honeywell TPE331과 같이 기어박스와 가스 발생기가 연결된 고정축 터보프롭도 있다.

프로펠러 자체는 일반적으로 대형 항공기 왕복 엔진에 사용되는 것과 유사한 정속(가변 피치) 프로펠러 유형이지만, 프로펠러 제어 요구 사항은 매우 다릅니다.[13] 특히 저속에서는 터빈 엔진의 출력에 대한 응답이 느리기 때문에, 택시, 역추진 및 기타 지상 작동을 위해 신속한 추력 변화가 필요하여 프로펠러는 더 넓은 선택 이동 범위를 갖는다.[14] 프로펠러에는 알파와 베타의 두 가지 모드가 있는데, 알파는 이륙을 포함한 모든 비행 작전의 모드이다. 베타 모드는 이륙을 제외한 모든 지상 작전에 사용되며, 일반적으로 0에서 음의 추력으로 구성된다.[14] 베타 모드는 택시용 베타와 베타 플러스 파워의 두 가지 추가 모드로 더 세분화된다. 택시용 베타는 택시 작동에 사용되며 가장 낮은 알파 범위 피치부터 0 피치까지의 모든 피치 범위로 구성되어 매우 적은 추력 또는 0 추력을 생성하며, 일반적으로 파워 레버를 택시용 베타 범위로 이동하여 접근한다. 베타 플러스 파워는 역전 범위이며 음의 추력을 생성하며, 항공기가 신속하게 감속해야 하는 짧은 활주로 착륙뿐만 아니라 후진 작동에도 자주 사용되며, 파워 레버를 택시용 베타 범위 아래로 이동하여 접근한다.[14] 조종사가 항공기 후면에서 후진 상황을 볼 수 없고 역추진으로 인해 많은 파편이 발생하기 때문에, 제조업체는 종종 베타 플러스 파워를 사용할 수 있는 속도를 제한하고 비포장 활주로에서의 사용을 제한한다.[14] 이러한 프로펠러의 페더링은 프로펠러 제어 레버로 수행된다.[14]

정속 프로펠러는 제어 시스템에 의해 왕복 엔진 정속 프로펠러와 구분된다. 터보프롭 시스템은 조정기, 과속 조정기, 연료 상승 조정기의 3개 프로펠러 조정기로 구성된다.[14] 조정기는 왕복 엔진 프로펠러 조정기와 거의 같은 방식으로 작동하지만, 터보프롭 조정기는 베타 작동을 위해 베타 제어 밸브 또는 베타 리프트 로드를 통합할 수 있으며 일반적으로 12시 방향에 있다.[14] 모델에 따라 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6의 과속 및 연료 상승 조정기, Honeywell TPE331의 저속 조정기와 같이 추가로 포함된 다른 조정기도 있다.[14] 터보프롭은 연료 제어 장치가 조정기에 연결되어 동력을 결정하는 데 도움이 된다는 점에서 다른 종류의 터빈 엔진과 구분된다.

엔진을 더욱 소형화하기 위해 역류를 사용할 수 있다. 역류 터보프롭 엔진의 경우 압축기 흡입구는 엔진 후면에 있고 배기구는 앞쪽에 위치하여 터빈과 프로펠러 사이의 거리를 줄인다.[15]

터보팬 엔진에 사용되는 소구경 팬과 달리, 프로펠러는 대구경으로 많은 양의 공기를 가속화할 수 있다. 이를 통해 주어진 추력에 대해 더 낮은 기류 속도를 허용한다. 저속에서는 많은 양의 공기를 소량 가속하는 것이 적은 양의 공기를 대량 가속하는 것보다 효율적이기 때문에,[16][17] 낮은 디스크 하중(단위 디스크 면적당 추력)은 항공기의 에너지 효율을 높이고 연료 사용량을 줄입니다.[18][19]

프로펠러는 항공기의 비행 속도가 블레이드 끝을 지나는 기류가 음속에 도달할 만큼 충분히 높아질 때까지 잘 작동한다. 그 속도를 넘어서면 프로펠러를 구동하는 동력 중 프로펠러 추력으로 변환되는 비율이 급격히 감소한다. 이러한 이유로 터보프롭 엔진은 0.6~0.7 마하보다 빠르게 비행하는 항공기[4][5][6]에는 일반적으로 사용되지 않는다.[7] (예외: 투폴레프 Tu-95). 그러나 터보프롭 엔진과 매우 유사한 프롭팬 엔진은 0.75 마하에 접근하는 비행 속도로 순항할 수 있다. 넓은 범위의 항공 속도에 걸쳐 프로펠러 효율을 유지하기 위해 터보프롭은 정속(가변 피치) 프로펠러를 사용한다. 정속 프로펠러의 블레이드는 항공기 속도가 증가함에 따라 피치가 증가한다. 이러한 유형의 프로펠러는 활주로에서 제동 거리를 줄이기 위해 역추력을 생성하는 데에도 사용할 수 있으며, 엔진 고장 시 프로펠러를 페더링하여 작동하지 않는 프로펠러의 항력을 최소화할 수 있다는 장점도 있다.[20]

파워 터빈은 가스 발생기 섹션과 일체형일 수 있지만, 오늘날 많은 터보프롭은 별도의 동축 샤프트에 프리 파워 터빈을 특징으로 한다. 이를 통해 프로펠러가 압축기 속도와 무관하게 자유롭게 회전할 수 있다.[21]

3. 2. 구성 요소

터보프롭 엔진은 공기 흡입구, 압축기, 연소실, 터빈, 배기구, 감속기 등의 주요 부품으로 구성된다. 공기는 공기 흡입구를 통해 엔진으로 들어와 압축기에서 압축된다. 압축된 공기는 연소실에서 연료와 혼합되어 연소되고, 여기서 발생한 고온, 고압의 가스가 터빈을 회전시킨다. 터빈은 압축기와 프로펠러를 구동하는 동력을 제공한다. 터빈을 지난 배기가스는 배기구를 통해 배출되며, 이때 약간의 추가 추력을 발생시키기도 한다.

터보프롭 엔진은 크게 두 가지 설계 방식으로 나뉜다.

  • 프리 터빈 (Free Turbine): 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6 엔진과 같이 가스 발생기(압축기, 연소실, 터빈)와 프로펠러를 구동하는 부분이 분리된 형태이다. 이 방식은 프로펠러 충돌과 같은 상황에서 가스 발생기 손상 없이 동력 부분(터빈 및 기어박스)만 교체할 수 있고, 엔진 시동 시 부하를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
  • 고정식 터보프롭 (Fixed Turboprop): Honeywell TPE331 엔진처럼 기어박스와 가스 발생기가 연결된 형태이다.


프로펠러는 감속 기어를 통해 터빈에 연결되어 고RPM/저토크 출력을 저 RPM/고 토크로 변환한다. 일반적으로 대형 항공기 왕복 엔진에 사용되는 것과 유사한 정속(가변 피치) 프로펠러가 사용되지만, 터빈 엔진의 느린 출력 응답 때문에 더 넓은 범위의 피치 조절이 필요하다.[13]

프로펠러는 알파 모드와 베타 모드로 작동한다.

  • 알파 모드: 이륙을 포함한 모든 비행 작동에 사용된다.
  • 베타 모드: 이륙을 제외한 지상 작동에 사용되며, 택시용 베타와 베타 플러스 파워로 나뉜다.
  • 택시용 베타: 매우 적은 추력 또는 0 추력을 생성하여 택시(지상 활주)에 사용된다.
  • 베타 플러스 파워: 음의 추력을 생성하여 항공기를 빠르게 감속하거나 후진하는 데 사용된다.


정속 프로펠러는 조정기, 과속 조정기, 연료 상승 조정기, 3개의 프로펠러 조정기로 구성된 제어 시스템을 통해 왕복 엔진 정속 프로펠러와 구분된다.[14]

엔진 소형화를 위해 역류(reverse flow) 방식이 사용되기도 한다. 역류 터보프롭 엔진은 압축기 흡입구가 엔진 뒤쪽에, 배기구가 앞쪽에 있어 터빈과 프로펠러 사이 거리를 줄인다.[15]

대부분의 현대 터보프롭 엔진은 축류식 압축기 대신 소형화에 유리한 1단 이상의 원심식 압축기를 포함하는 축류-원심 복합형 압축기를 사용한다.

3. 3. 프로펠러

터보프롭 엔진의 프로펠러는 감속 기어를 통해 터빈에 연결되어 고RPM/저토크 출력을 저RPM/고토크로 변환한다. 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6처럼 프리 터빈 터보샤프트 방식은 가스 발생기와 프로펠러가 연결되지 않아 프로펠러 충돌 시 가스 발생기 손상을 방지하고 지상 시동 스트레스를 줄인다. 반면 Honeywell TPE331과 같은 고정축 방식은 기어박스와 가스 발생기가 연결되어 있다.

프로펠러는 정속(가변 피치) 프로펠러 유형이지만, 제어 요구 사항은 다르다.[13] 터빈 엔진의 느린 출력 응답 때문에, 특히 택시, 역추진, 지상 작동 시 신속한 추력 변화를 위해 넓은 선택 이동 범위를 갖는다.[14]

프로펠러는 알파와 베타의 두 가지 모드로 작동한다. 알파 모드는 이륙을 포함한 모든 비행 작동에 사용된다. 베타 모드는 이륙을 제외한 모든 지상 작전에 사용되며, 0에서 음의 추력으로 구성된다.[14] 베타 모드는 다시 택시용 베타와 베타 플러스 파워로 나뉜다. 택시용 베타는 택시 작동에 사용되며, 매우 적거나 0의 추력을 생성한다. 베타 플러스 파워는 역전 범위이며 음의 추력을 생성하여, 항공기 감속 및 후진 작동에 사용된다.[14] 제조업체는 종종 베타 플러스 파워 사용 속도를 제한하고 비포장 활주로 사용을 제한하기도 한다.[14] 프로펠러 페더링은 프로펠러 제어 레버로 수행된다.[14]

정속 프로펠러는 제어 시스템에 의해 왕복 엔진 정속 프로펠러와 구분된다. 터보프롭 시스템은 조정기, 과속 조정기, 연료 상승 조정기의 3개 프로펠러 조정기로 구성된다.[14] 조정기는 왕복 엔진 프로펠러 조정기와 유사하게 작동하지만, 베타 작동을 위해 베타 제어 밸브 또는 베타 리프트 로드를 통합할 수 있다.[14] 모델에 따라 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6의 과속 및 연료 상승 조정기, Honeywell TPE331의 저속 조정기 등 다른 조정기가 추가되기도 한다.[14] 터보프롭은 연료 제어 장치가 조정기에 연결되어 동력을 결정하는 데 도움을 준다는 점이 다른 터빈 엔진과 다르다.

터보팬 엔진의 소구경 팬과 달리, 프로펠러는 대구경으로 많은 양의 공기를 가속하여 주어진 추력에 대해 더 낮은 기류 속도를 허용한다. 저속에서는 많은 양의 공기를 소량 가속하는 것이 효율적이므로,[16] 낮은 디스크 하중은 항공기의 에너지 효율을 높이고 연료 사용량을 줄인다.[18][19]

프로펠러는 항공기 속도가 블레이드 끝 기류가 음속에 도달할 만큼 높아지면 효율이 급격히 감소한다. 따라서 터보프롭 엔진은 0.6~0.7 마하보다 빠른 항공기에는[4][5][6] 일반적으로 사용되지 않는다.[7] (예외: 투폴레프 Tu-95) 그러나 프롭팬 엔진은 0.75 마하에 접근하는 속도로 순항할 수 있다. 넓은 범위의 속도에서 효율 유지를 위해 터보프롭은 정속 프로펠러를 사용하며, 블레이드는 속도 증가에 따라 피치가 증가한다. 역추력 생성으로 제동 거리를 줄이고, 엔진 고장 시 페더링하여 항력을 최소화할 수 있다.[20]

많은 터보프롭은 별도의 동축 샤프트에 프리 파워 터빈을 특징으로 하여 프로펠러가 압축기 속도와 무관하게 회전하도록 한다.[21]

터보프롭 엔진 프로펠러는 초기에는 왕복엔진용 프로펠러와 비슷했지만, 큰 축 출력 흡수를 위해 4개 이상의 블레이드를 가지며, 프로펠러 날개 면적/프로펠러 원판 면적도 크다. An-70, Tu-95처럼 이중 회전 프로펠러를 채용하기도 한다. 익형은 폭이 넓고, 날개 두께 비가 작고, 후퇴각이 있어 더 높은 마하수에 적합하다. C-130은 초기 양산형 A형은 3엽 프로펠러였으나, B형부터 4엽, 파생형 C-130J는 6엽 블레이드로 형태와 재질이 개량되었다.

3. 4. 다른 엔진과의 비교

터보프롭 엔진은 터보팬, 터보제트, 왕복 엔진 등 다른 종류의 엔진과 비교했을 때 각각 장단점이 있다. 터보프롭은 낮은 속도에서 높은 효율을 보이지만, 높은 마하수에서는 효율이 감소한다.

터보프롭은 터빈 팽창으로부터 압축기 구동에 필요한 것 이상의 추가 동력을 얻는 샤프트 동력을 위해 배기 추력이 희생된다. 터빈 시스템의 추가 팽창으로 인해 배기 제트의 잔류 에너지는 낮아지며[4][5][6], 배기 제트는 총 추력의 약 10%만을 생성한다.[7] 더 높은 비율의 추력은 저속에서는 프로펠러에서, 고속에서는 더 적은 비율로 발생한다.[8]

터보프롭은 바이패스 비율이 50~100 정도이다.[9][10] 하지만 팬보다 프로펠러의 경우 추진 공기 흐름이 덜 명확하게 정의된다.[11][12]

프로펠러는 고RPM/저토크 출력을 저 RPM/고 토크로 변환하는 감속 기어를 통해 터빈에 연결된다. 프랫 앤 휘트니 캐나다 PT6에 사용되는 프리 터빈 터보샤프트는 가스 발생기가 프로펠러에 연결되어 있지 않다. 반면 고정축은 Honeywell TPE331과 같이 기어박스와 가스 발생기가 연결되어 있다.

터보팬 엔진에 사용되는 소구경 팬과 달리, 프로펠러는 대구경으로 많은 양의 공기를 가속화할 수 있다. 이를 통해 주어진 추력에 대해 더 낮은 기류 속도를 허용한다. 저속에서는 많은 양의 공기를 소량 가속하는 것이 적은 양의 공기를 대량 가속하는 것보다 효율적이기 때문에,[16] 낮은 디스크 하중(단위 디스크 면적당 추력)은 항공기의 에너지 효율을 높이고 연료 사용량을 줄인다.[18][19]

프로펠러는 항공기 비행 속도가 블레이드 끝을 지나는 기류가 음속에 도달할 만큼 충분히 높아질 때까지 잘 작동한다. 그 속도를 넘어서면 프로펠러를 구동하는 동력 중 프로펠러 추력으로 변환되는 비율이 급격히 감소한다. 이러한 이유로 터보프롭 엔진은 0.6~0.7 마하보다 빠르게 비행하는 항공기에는 일반적으로 사용되지 않는다.[4][5][6][7]

터보팬과 달리 터보프롭은 프로펠러(및 배기가스)의 제트 속도가 상대적으로 낮기 때문에 시속 725km 미만의 비행 속도에서 가장 효율적이다. 현대 터보프롭 여객기는 소형 지역 항공기와 거의 같은 속도로 운항하지만 승객당 연료 소비량은 3분의 2에 불과하다.[38]

피스톤 엔진과 비교했을 때, 더 높은 출력 중량비(이로 인해 이륙 거리가 짧아짐)와 신뢰성으로 인해 초기 비용, 유지보수 및 연료 소비량이 높다는 단점을 상쇄할 수 있다.

비행 속도가 증가함에 따라 프로펠러 효율은 저하되고, 터보팬 엔진에 대한 우위성이 완전히 사라지기 때문에 고속도를 요구하는 항공기에는 채용하는 것이 비합리적이 된다.

4. 현대의 터보프롭 엔진

현대에 들어 터보프롭 엔진은 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 여러 제조사에서 새로운 엔진을 개발하거나 기존 엔진을 개량하고 있다.

제조사국가명칭건조 중량 (kg)이륙 출력 (kW)용도
DEMC중국WJ5E7202130하얼빈 SH-5, 시안 Y-7
제너럴 일렉트릭(General Electric)미국CT7-5A3651294
제너럴 일렉트릭미국CT7-93651447카사/IPTN CN-235, 렛 L-610, 사브 340, 수호이 Su-80
제너럴 일렉트릭미국/체코H80 시리즈[43]200550–625쓰러시 모델 510, 렛 410NG, 렛 L-410 터보렛(Let L-410 Turbolet) UVP-E, CAIGA 프라이머스 150, 넥스턴트 G90XT(Nextant G90XT)
제너럴 일렉트릭미국T64-P4D5382535아에리탈리아 G.222, 드 하빌랜드 캐나다 DHC-5 버팔로, 가와사키 P-2J
허니웰(Honeywell)미국TPE331 시리즈150–275478–1650에어로/록웰 터보 커맨더 680/690/840/960/1000, 안토노프 An-38, 에어스 쓰러시, BAe 젯스트림 31/32, BAe 젯스트림 41, 카사 C-212 아비오카르, 세스나 441(Cessna 441) 콘퀘스트 II, 도르니어 228, 제너럴 아토믹스 MQ-9 리퍼, 그러먼 에이지 캣, 미쓰비시 MU-2, 노스 아메리칸 록웰 OV-10 브론코, 파이퍼 PA-42 체이옌, RUAG 228NG, 쇼트 SC.7 스카이반, 쇼트 투카노, 스웨어링겐 머린, 페어차일드 스웨어링겐 메트롤라이너, HAL HTT-40
허니웰미국LTP 101-700147522에어 트랙터 AT-302, 피아지오 P.166
KKBM러시아NK-12MV190011033안토노프 An-22, 투폴레프 Tu-95, 투폴레프 Tu-114
프로그레스우크라이나TV3-117VMA-SB25601864안토노프 An-140
클리모프(Klimov)러시아TV7-117S5302100일류신 Il-112, 일류신 Il-114
이브첸코-프로그레스우크라이나AI20M10402940안토노프 An-12, 안토노프 An-32, 일류신 Il-18
이브첸코-프로그레스우크라이나AI24T6001880안토노프 An-24, 안토노프 An-26, 안토노프 An-30
LHTEC미국LHTEC T8005172013에어스 LM200 로드마스터(Ayres LM200 Loadmaster) (미제작)
OMKB러시아TVD-202401081안토노프 An-3, 안토노프 An-38
프랫 앤 휘트니 캐나다(Pratt & Whitney Canada)| 캐나다PT-6 시리즈149–260430–1500에어 트랙터 AT-502, 에어 트랙터 AT-602, 에어 트랙터 AT-802, 비치크래프트 모델 99, 비치크래프트 킹 에어, 비치크래프트 슈퍼 킹 에어, 비치크래프트 1900, 비치크래프트 T-6 텍산 II, 세스나 208 캐러밴, 세스나 425 코르세어/콘퀘스트 I, 드 하빌랜드 캐나다 DHC-6 트윈 오터, 하얼빈 Y-12, 엠브라에르 EMB 110 반데이란테, 렛 L-410 터보렛, 피아지오 P.180 아반티, 필라투스 PC-6 포터, 필라투스 PC-12, 파이퍼 PA-42 체이옌, 파이퍼 PA-46-500TP 메리디언, 쇼츠 360, 다에어 TBM 700, 다에어 TBM 850, 다에어 TBM 900, 엠브라에르 EMB 314 슈퍼 투카노
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW1204181491ATR 42-300/320
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW1214251603ATR 42-300/320, 봄바디어 대시 8 Q100
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW123 C/D4501603봄바디어 대시 8 Q300
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW126 C/D4501950BAe ATP
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW1274812051ATR 72
프랫 앤 휘트니 캐나다캐나다PW150A7173781봄바디어 대시 8 Q400
PZL폴란드TWD-10B230754PZL M28
RKBM러시아TVD-1500S2401044수호이 Su-80
롤스로이스(Rolls-Royce Limited)영국다트 Mk 5365691700애브로 748, 폭커 F27, 빅커스 비스컨트
롤스로이스(Rolls-Royce Limited)영국타인 2110854500아에리탈리아 G.222, 브레게 아틀란틱, 트랜설 C-160
롤스로이스(Rolls-Royce plc)영국250-B1788.4313후지 T-7, 브리튼-노르만 터빈 아일랜더, O&N 세스나 210, 솔로이 세스나 206, 프로프젯 보난자
롤스로이스(Rolls-Royce plc)영국앨리슨 T56828–8803424–3910P-3 오라이언, E-2 호크아이, C-2 그레이하운드, C-130 허큘리스
롤스로이스(Rolls-Royce plc)영국AE2100A715.83095사브 2000
롤스로이스(Rolls-Royce plc)영국AE2100J7103424신메이와 US-2
롤스로이스(Rolls-Royce plc)영국AE2100D2, D37023424알레니아 C-27J 스파르탄, 록히드 마틴 C-130J 슈퍼 허큘리스
리빈스크러시아TVD-1500V2201156
사투른러시아TAL-34-1178809
터보메카(Turbomeca)프랑스아리우스 1D111313소카타 TB 31 오메가
터보메카프랑스아리우스 2F103376
월터체코M601 시리즈[44]200560렛 L-410 터보렛, 에어로콤프 컴 에어 10 XL, 에어로콤프 컴 에어 7, 에어스 쓰러시, 도르니어 Do 28, 랜케어 프로프젯, 렛 Z-37T, 렛 L-420, 미야시셰프 M-101T, PAC FU-24 플레처, 프로그레스 리사초크, PZL-106 크룩, PZL-130 오를릭, SM-92T 터보 피니스트
월터체코M602A5701360렛 L-610
월터체코M602B4801500


  • 주요 엔진:
  • 프랫 앤 휘트니 캐나다(Pratt & Whitney Canada)의 PT-6 시리즈는 비치크래프트 킹 에어, 세스나 208 캐러밴 등 다양한 항공기에 사용되는 대표적인 터보프롭 엔진이다.
  • 롤스로이스(Rolls-Royce plc)의 T56 엔진은 P-3 오라이언, C-130 허큘리스 등 군용 수송기에 주로 사용된다.
  • 제너럴 일렉트릭(General Electric)은 CT7 시리즈와 H80 시리즈를 통해 민간 및 군용 터보프롭 엔진 시장에 참여하고 있다.
  • 허니웰(Honeywell)의 TPE331 시리즈는 제너럴 아토믹스 MQ-9 리퍼와 같은 무인 항공기에도 사용된다.
  • 유로프롭 인터내셔널(Europrop International)의 TP400-D6 엔진은 에어버스 A400M 군용 수송기에 탑재된다.


2000년대 이후 터보팬 엔진의 성능 향상으로 인해 중·단거리 여객기 시장에서는 터보프롭 엔진의 입지가 줄어들고 있지만, 소형 항공기나 특수 목적 항공기에서는 여전히 중요한 역할을 담당하고 있다. 특히, 2020년 코로나19 팬데믹 이후에는 경제성이 높은 터보프롭 엔진을 탑재한 소형 여객기의 수요가 증가하는 추세이다.[49]

4. 1. 군용 엔진

에어버스 A400M 군용 수송기에는 11000마력의 TP400-D6 엔진이 탑재될 예정인데, 현재 유럽 컨소시엄에서 개발 중이다. 이 엔진은 모든 부품이 동축선상에 배치되고, 2개의 샤프트와 자유회전 터빈이 별도의 세 번째 샤프트에 연결된 구조를 갖는다.[1]

4. 2. 민간용 엔진

이노딘(Innodyn)사는 소형 항공기용으로 255마력 터보프롭 엔진을 개발하고 있으며, 이는 항공기 터보프롭 엔진 중 가장 저렴한 가격으로 판매될 예정이다.[1]

5. 첨단 터보프롭 (ATP)

1960년대부터 현재까지 여러 국가에서 기존 터보프롭을 능가하는 첨단 터보프롭(ATP: Advanced TurboProp) 기술의 연구 개발이 진행되고 있다. 증가하는 공기 저항을 극복할 만한 출력을 프로펠러에 제공하기 위해 다엽화·이중반전화하거나 프로펠러 블레이드 끝에 후퇴각을 붙여 마하 0.8 정도의 고속 아음속을 목표로 하는 경우가 많다.[1] 1990년대 원유 가격 하락과 터보팬 엔진 성능 향상 등으로 개발이 지연되기도 했으며, 아직까지 여러 가지 과제가 해결되지 않고 있다.[1] 대표적인 개발 중인 ATP로는 프롭팬 엔진과 언덕티드 팬 엔진(UDF)이 있다.[1]


  • 제너럴 일렉트릭 GE-36 UDF[1]
  • 프로그레스 D-27[1]
  • 보잉 7J7[1]
  • General Electric Catalyst|제너럴 일렉트릭 카탈리스트영어 - 2017년 12월에 비행 시험이 실시되었다.[1]

6. 레시프로 엔진 대체

피스톤 엔진과 비교했을 때, 터보프롭은 더 높은 출력 중량비를 가져 이륙 거리가 짧아지고 신뢰성이 향상된다. 초기 비용, 유지보수 및 연료 소비량이 높다는 단점은 이러한 장점으로 상쇄할 수 있다. 제트 연료는 외딴 지역에서 항공용 가솔린보다 구하기 쉬울 수 있으므로 세스나 캐러밴과 퀘스트 코디악과 같은 터보프롭 동력 항공기는 부시 플레인으로 사용된다.[38]

터보프롭 엔진의 판매가 시작되면서, 피스톤 엔진 항공기는 연료 효율과 속도 면에서 뒤떨어져 자산 가치가 하락하게 되었다. 이에 엔진을 터보프롭으로 교체하여 성능을 향상시키고 가치 하락을 막는 현대화가 제안되었다. 1980년대에는 콘로이 항공과 베이즐러 터보 컨버전 등 전문 업체에 의한 개조가 많이 이루어졌다.

특히 1만 대 이상 생산된 DC-3은 터보프롭 개조로 인한 이점이 커, 1990년대에도 BT-67을 발표하는 등 여전히 수요가 존재한다.

터보프롭으로 개조된 DC-3 (베이즐러 BT-67)


터보프롭으로 개조된 3발 엔진 DC-3 (콘로이 트라이-터보 3)


군용기의 경우 성능 향상뿐만 아니라, 연료를 가솔린에서 제트 연료로 통일하여 운용 효율을 높일 수 있다는 장점도 있다. 예를 들어, P2V-7을 터보프롭 엔진으로 교체한 P-2J가 제작되었다.

7. 주요 터보프롭 항공기

주요 터보프롭 항공기는 다음과 같다.

국가항공기
대한민국ATR 72, Q400
미국C-130 허큘리스, 록히드 L-188 일렉트라, OV-10 브론코, P-3 오라이온, T-6 텍산 II, E-2 호크아이
러시아 (구 소련)Il-18, Il-114, An-12, An-22, An-24, Tu-95, Tu-114
일본신메이와 US-1, 신메이와 US-2, YS-11, 미쓰비시 MU-2, P-2J, T-5, T-7


7. 1. 대한민국

한성항공은 ATR 72-200 기종을 보유했었고, 제주항공은 Q400기 4대를 운항했으나 현재는 퇴역하였다. 현재는 하이에어가 ATR 72-500기를 도입하여 운영하고 있다.

7. 2. 미국

7. 3. 러시아 (구 소련)

Il-18, Il-114, An-12, An-22, An-24, Tu-95, Tu-114 등이 있다.

7. 4. 일본


  • 신메이와 US-1
  • 신메이와 US-2
  • YS-11
  • 미쓰비시 MU-2
  • P-2J
  • T-5
  • T-7

참조

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[3] 서적 Thermal Engineering Tata McGraw-Hill Education
[4] 웹사이트 Turboprop Engine https://www.grc.nasa[...] NASA 2023-03-14
[5] 웹사이트 Turboprop Thrust https://www.grc.nasa[...] NASA 2023-03-14
[6] 웹사이트 Variations of Jet Engines http://lyle.smu.edu/[...] 2016-08-31
[7] 문서 The turbofan engine https://web.archive.[...] SRM Institute of Science and Technology 2015-04-18
[8] 서적 Performance and Stability of Aircraft https://books.google[...] Butterworth-Heinemann 1996-08-02
[9] 웹사이트 Aircraft Design: Synthesis and Analysis, Propulsion Systems: Basic Concepts https://web.archive.[...] Stanford University School of Engineering 2015-04-18
[10] 웹사이트 11.5 Trends in thermal and propulsive efficiency http://web.mit.edu/1[...] MIT turbines 2002
[11] 웹사이트 Propeller Thrust https://www.grc.nasa[...] NASA 2023-03-14
[12] 서적 Gas Turbine Performance https://books.google[...] John Wiley and Sons 2008
[13] 간행물 Airscrews For Turbines Flight magazine 1949-11-10
[14] 서적 A&P Powerplant Textbook Jeppeson Company 2011
[15] 웹사이트 How A Turboprop Engine Works https://www.boldmeth[...] Boldmethod 2021-11-06
[16] 문서 The shaft driven Lift Fan propulsion system for the Joint Strike Fighter https://web.archive.[...] DTIC.MIL 2011-06-05
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[24] 웹사이트 Magyar feltalálók és találmányok – JENDRASSIK GYÖRGY (1898–1954) http://www.sztnh.gov[...] SZTNH 2012-05-31
[25] 웹사이트 The Jendrassik CS-1: The World's First Turboprop Engine http://www.tailsthro[...] 2023-09-04
[26] 웹사이트 RMI / Repülő Muszaki Intézet Varga RMI-1/ X / H http://all-aero.com/[...] 2023-09-04
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[28] 서적 James
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[31] 서적 Green
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[33] 서적 Turbojet History And Development 1930-1960 Volume 1 Great Britain And Germany 2007
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[35] 웹사이트 Smithsonian National Air and Space Museum – Collections – Kaman K-225 ''(Long Description)'' https://web.archive.[...] National Air and Space Museum 2016-03-04
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[40] 웹사이트 787 stars in annual airliner census https://www.flightgl[...] 2017-08-14
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[44] 웹사이트 History https://www.geaviati[...] 2016-06-01
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[46] 서적 Gunston World
[47] 서적 Green
[48] 웹사이트 NMUSAF T31 fact sheet http://www.nationalm[...]
[49] 웹사이트 ATR、事業再生計画を発表　置き換えが予想される900機の需要獲得へ https://www.traicy.c[...] TRAICY 2021-03-19


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