선박/추진방식

< 선박

Marine propulsion
선박의 항행을 위해 동력을 발생시키고 추진력을 만들어내는 원리 및 장치.

1 동력원별 분류

1.1 왕복식 증기기관

증기기관 항목을 참조바람.

1.2 증기터빈

재래식 보일러 및 원자력추진 모두를 포함하며, 열효율은 디젤엔진과 가스터빈의 중간 정도로, 대형선박에서의 신뢰성이 높을 뿐만 아니라 소음과 진동이 적다. 단 중소형 선박에는 적합하지 않으며, 보일러 또는 원자로의 부피가 크고 기동에 시간이 많이 걸린다.

자세한 것은 증기터빈 항목을 참조바람.

1.3 디젤엔진

소음과 진동이 크고, 고속운전에 적합하지 않으며 대형선박에서는 증기터빈에 비해 효율 및 신뢰성이 떨어지지만 열효율과 경제성이 우수하여 거의 대부분의 상선과 각종 운반선에 사용된다.

자세한 것은 디젤 엔진 항목을 참조바람.

1.4 LNG 엔진

디젤 엔진의 한 종류로, 여러 가지의 연료를 쓸 수 있게 개조되어 액화천연가스를 쓸 수 있다. 이 방식은 LNG의 보급문제만 해결되면 가장 효율이 높은 방식이며, 유해물질 배출량도 디젤엔진에 비해 90% 가량을 감축할 수 있어 친환경 추진방식으로 각광받고 있다. 특히 LNG 탱커의 경우, 외부로부터 유입되는 열로 말미암아 LNG가 지속적으로 끓어서 기화되므로, 어차피 버리게 되는 기체상태의 LNG를 선박추진 연료로 사용하는 일석이조의 효과가 있다.

1.5 가스터빈

고속운전에 적합하면서 소음과 진동이 적은 증기기관의 이점과, 내연기관 특유의 컴팩트함 및 높은 기동성을 겸비하고 있다. 그러나 단독으로 사용하기에는 열효율이 낮아서 결합추진방식이 고안되고 있다.
군함에서 각광받는 방식이며, 민간선박에서도 채용되고 있다. 특히 COGAS 방식은 민간선박에만 적용되어 있고 군함에는 적용사례가 없다.

자세한 것은 가스터빈 및 터보샤프트 항목을 참조바람.

2 연료별 분류

2.1 재래식추진

석탄, 석유, 가스 등을 연소시켜 동력을 얻는 모든 방식이 포함되며, 내연기관, 외연기관 여부는 따지지 않는다.

모터보트의 선외기 정도를 제외하면 가솔린은 일반적으로 쓰이지 않는다. 가솔린 기관은 기관중량당 출력이 높은 장점이 있으나, 선박에서 이런 장점은 두드러지지 않는다. 반면 가솔린 기관은 경제성이 낮고, 가솔린이 증발하기 쉽기 때문에 기관실에 유증기가 차서 폭발할 위험이 높으므로 선박과의 상성은 좋지 않다. 한편 석탄은 에너지가 낮고 부피가 큰데다 연료 공급을 기계화하기 쉽지 않아서 도태되었다. 그래서 선박의 연료로서는 중유가 널리 쓰인다. 단 중유는 점성이 높기 때문에 연료탱크 및 공급장치에 예열장치를 설치하여 잘 움직이게끔 하고 있다.

스웨덴은 스털링 기관을 잠수함의 추진방식으로 실용화하는 데 성공하였다.

2.2 원자력추진

Nuclear marine propulsion

선박 내에 원자로를 탑재한 증기터빈 또는 전기추진방식을 말한다.
최초의 원자력추진은 1955년에 선보인 미 해군의 원자력잠수함 노틸러스호에 적용되었으며, 수상함정의 경우 1961년에 롱비치급 순양함이 첫 사례이다.

원자력추진에는 다음과 같은 특징이 있다.

  • 장점
    • 연료보급의 문제가 노심의 수명 동안에는 해방된다. 원자로 기술의 발달로, 대개 20~25년이었던 노심 교환주기가 33~40년으로까지 늘어났다.
    • 산소를 소모하지 않아서 잠수항행에 적합하다.
    • 선내 전력공급에 제한이 없으며, 남아도는 전력으로 해수에서 담수, 산소 등을 생산할 수 있기 때문에 선내 거주성이 비약적으로 향상된다.
  • 단점
    • 비상시를 대비해 원자로만 탑재하지 않고 추가로 재래식추진장치를 필요로 한다.원자력상선이 건조되기는 했지만 개장을 통해 재래식추진장치를 탑재하게 되었다.
    • 방사능.

3 결합추진방식 일람

Combined marine propulsion

군함의 경우 평소에는 저속으로 항진하지만, 작전중 갑자기 고속을 내야 할 경우에는 단일 추진방식으로는 대응하기 힘든 경우가 많다. 그렇다고 해서 고속용 기관만을 탑재할 경우에는 항속거리가 짧아져서 대응력이 약해진다. 따라서 고속항행성능과 넓은 작전반경을 둘 다 만족시키기 위해서는 결합추진방식이 필요해진다.

결합추진에는 같은 종류의 기관을 결합하는 경우와 다른 종류의 기관을 결합하는 경우가 있다. 다른 종류의 기관을 결합할 때는 기관과 추진축을 기계적으로 연결하지 않는 대신 전기모터로 구동하거나, 자동차의 하이브리드 구동계처럼 기관과 전기모터를 결합하는 방식을 쓰기도 한다.

3.1 같은 종류의 기관끼리의 결합추진방식

3.1.1 CODAD


Combined diesel and diesel

디젤엔진 2대를 이어 추진축 하나를 구동하는 방식으로, 속도에 따라 한쪽만 켜거나 양쪽을 켜기도 한다. 여러가지 면에서 저렴함이 강점이기때문에 주로 낮은 성능의 OPV같은 중소형 함선이나 굳이 빠른 속도를 요구하지 않는 1~2만톤 이하의 상륙함이나 보급함등에 많이 사용된다. 우리나라의 천왕봉급이나 프랑스의 라파예트급등이 대표적.

3.1.2 COGAG


Combined gas and gas

CODAD의 가스터빈 버전.
미 해군의 알레이버크급 구축함이 이방식을 사용하였기때문에 이를 기반으로 제작한 함선들은 같은 추진방식을 사용한다. 우리나라의 세종대왕급도 동일. 영국 해군의 인빈시블급 항공모함 및 일본 해상자위대의 주력전투함들의 동력방식이기도 하다.

3.1.3 COGOG


Combined gas or gas

크기와 출력이 다른 가스터빈 2대를 연결하여 고속에는 크고 고성능인 가스터빈만을, 저속에서는 작고 저성능인 가스터빈만을 가동한다. 작은 가스터빈을 풀 가동시키는 것이 큰 터빈을 조금 돌리는 것보다 더 경제적이기 때문이다. 또한 언제나 한쪽 기관만이 작동하기 때문에 높은 신뢰성을 요하는 크로스커넥트 기어박스가 필요없어서 제작이 쉽기도 하다.
이 방식은 러시아 해군의 슬라바급 순양함 및 영국의 42형 구축함에 채택되어 있다.

3.2 다른 종류의 기관끼리의 결합추진방식

3.2.1 CODAG


Combined diesel and gas

디젤엔진과 가스터빈을 기계적으로 연결한 방식으로, 독일에서 발명하여 독일 해군의 쾰른급, 노르웨이 해군의 프리드요프 난센급 등에 적용하였고, 우리나라에서도 윤영하급에 적용한 방식이다.
CODOG에 비해서는 디젤엔진과 가스터빈을 기계적으로 이어주는 크로스커넥트 기어박스가 필요하여 구조가 다소 복잡해지지만 효율이 뛰어나고 개별 기관의 출력도 CODOG일 경우보다는 작아도 무방하다.

3.2.2 CODLAG


COmbined Diesel-eLectric And Gas Turbine, CODLAG[1]

디젤엔진은 추진축과는 이어져 있지 않고 발전기만을 가동하며, 추진축에는 가스터빈과 전기모터가 연결되어 있어 저속항행중에는 디젤발전기에서 생산된 전력으로 전기모터를 돌리는 디젤 일렉트릭 방식에 의한 전기 추진을 사용하며 , 고속을 낼 때는 가스터빈에 의한 기계 구동도 병행하여 추력을 얻는 방식으로 운용한다. 이 방식은 전기모터의 토크가 크고 일정한 점, 기계적 연결부분이 적어진 데 따른 신뢰성 향상 및 소음 감소의 이점이 있어서 각광받고 있다.
미 해군의 와스프급 상륙모함 8번함 매킨 아일랜드는 이전의 1~7번함과는 달리 CODLAG 추진방식을 채택하여 경제성을 입증하였으며, 건조중인 아메리카급 강습상륙함, 줌왈트급 구축함 등에도 적용될 예정이다. 또한 영국 해군의 차기 항공모함인 퀸 엘리자베스급 항공모함에도 이 방식이 채택되었다. 대한민국의 호위함인 대구급에도 적용된 추진방식이다.

3.2.3 CODOG


Combined diesel or gas

저속운전에는 디젤엔진만을, 고속운전에는 가스터빈만을 쓰는 방식으로 영국 해군 함정의 표준추진방식으로 채택되어 있고 우리나라도 폭넓게 사용되어 포항급의 이상의 전투함들은 거의 이 방식을 사용한다.
이 방식은 기계적으로 구조가 간단하지만, 반드시 한쪽 엔진이 정지해 있기 때문에 마력당 중량이 크고 따라서 최고속도가 낮다는 문제가 있다. 게다가 개별 기관의 출력이 커져야 하기 때문에 고속에서의 경제성도 CODAG에 비해 낮다.

3.2.4 COGAS

파일:I91BB3y.png
Combined gas and steam

COSAG와는 다른 방식

가스터빈과 증기터빈을 조합한 형태로, 가스터빈에서 나오는 폐열을 고온고압의 증기를 생성하는 데에 재활용하여 증기터빈을 구동하는 시스템이다. 터빈이 기관과 직결되어 있지 않고 발전기를 구동하며, 열효율은 58% 이상으로 증기터빈은 물론이고 디젤엔진에 비해서도 비상히 높다. 셀레브리티 크루즈(Celebrity Cruises)의 대형 크루즈 여객선인 밀레니엄급에 채용되어 있으며, 군함에서는 아직 사례가 없지만 기존 군함의 개량이나 신규군함 건조에 제안되고 있기도 하다.

3.2.5 CONAS

Combined nuclear and steam propulsion

원자로와 중유보일러를 모두 갖춘 증기터빈 결합추진방식으로, 러시아 해군의 키로프급 순양함에 쓰인다. 한때는 원자로의 증기온도 및 압력이 낮아서 중유보일러로 재가열하는 수퍼히트 방식이라고 추정되기도 했던 방식으로, 원자력추진 선박의 입항을 거절하는 항구에는 원자로를 정지시키고 중유보일러만 가동하면 되는 이점이 있다.

3.2.6 COSAG


Combined steam and gas

COGAS와는 다른 방식

가스터빈과 증기터빈을 조합한 형태로, COGAS와는 두 터빈 모두가 추진축과 기계적으로 연결된 것이 다르다. 가스터빈의 낮은 효율과 증기터빈의 낮은 신속대응력을 보완할 수 있는 방법으로, 가스터빈 기관이 선박에 처음 도입되었을 때 쓰인 적이 있다.

4 동력전달방식

  • 스크류 프로펠러(Screw propeller)
현재 전 세계적으로 가장 많이 쓰이는 추진 방식. 선박 뒤쪽 하단에 엔진이나 모터와 연결되는 프로펠러를 장착하고. 이 프로펠러를 돌려 추진력을 얻는 방식. 구조가 간단하면서도 배를 부리기 쉽고, 공간을 적게 차지해 설계도 쉽다. 그러나 프로펠러는 암초나 수중 부유물에 매우 취약하며,[2] 고속주행시 와류와 공동화현상[3]이 일어나 효율이 떨어진다.[4] 또한 회전하는 프로펠러가 소음이 커서 군용선의 경우 적의 잠수함에 발각되기 쉬우며, 매너티나 고래, 바다거북등 멸종위기의 해양동물들에게 상처를 입히거나 죽이는 경우가 많아 환경단체들의 공격을 받기도 한다. 또한 스크류 프로펠러와 선체가 충분히 잠길 수준의 수심이 확보되지 않으면 항해가 불가능하다. 여담으로 군용 프로펠러선은 정숙성을 위해 각국의 고급 조선기술이 동원되기에, 해군 함정 공개식에서 다른 것은 대부분 보여줘도 프로펠러만은 가려놓는다.
  • 외륜(Paddle wheel)
Paddle_wheel_small.jpg
외륜선의 외륜. 사진의 외륜은 물의 저항을 줄이도록 고안된 모델로, 상당히 후대의 것이다.
과거 증기선 시대에 많이 쓰이던 방식. 거대한 외륜(수차)[5]를 동력원과 연결시켜, 수차를 돌려 추진력을 얻는 방식. 흔히 외륜선이라고 많이 부르지만 실제로는 배 한척당 여러 개의 수차가 장착된 경우도 많으며, 특히 바다에서 활동하는 배일수록 수차가 크거나 많다.
최초로 등장한 것은 의외로 빠르다. 중국 송나라에서 인력으로 작동하는 수차를 장착한 배를 만들어 활용하였으며, 레오나르도 다 빈치도 배 좌우에 한개씩의 수차가 붙은 형태의 배를 고안하였다. 그러나 당시의 기술 수준으로는 구조가 복잡해 만들기 힘들었고 주 동력원이 사람이나 동물의 힘에 의존하였기에 자연히 강이나 연근해용 선박 일부에서나 쓰였으며, 증기선이 나타나면서부터 주류로 자리잡았다.[6] 하지만 외륜선은 거대한 외륜이 선체 외부에 노출되어 적선의 공격에 쉽게 무력화되는 단점이 있었고, 이를 막기 위해 선체 내부에 외륜을 장착할 경우 외륜의 크기를 키우는 데 한계가 있을뿐더러 조종하기도 어려웠다. 더욱이 대형 외륜이 차지하는 공간만큼 대포를 달지 못해, 결과적으로 싸움배의 화력이 줄어드는 결과를 불러왔다. 이 때문에 목조 선체에 외륜을 장착하던 초기에는 각국 열강들은 보조용 배에는 엔진을 달아도 화력이 중요한 주력선에는 엔진을 달기 꺼려했다.


미국의 외륜식 추진 철갑선 이스트포트 호(USS Eastport)의 모습.* 저런 대형 외륜은 그야말로 과녁이나 다름없었다.
여기다 외륜 자체가 강한 파도에 약했고, 외륜이 최적의 성능을 내려면 외륜의 1/5 가량이 물에 잠겨있어야 하는데 배에 실은 화물의 무게나 순간순간 치는 파도 때문에 잠겨있는 정도가 계속 달라져 제 실력이 나오기 힘들다. 가장 큰 단점은 무엇보다도 수차 자체가 물의 저항이 큰데다 수차가 돌아가면서 날개가 물에 들어갔다 나갔다 하는 과정에서 물과 계속 부딪혀 저항이 더 커진다는 것이었다.[7] 결국 효율이 더 좋은 스크류 선이 그 동안의 문제점이었던 고속 회전하는 구동축의 기밀 문제를 해결한 이후로 점점 밀리다가 1843년 영국에서 벌인 스크류 추진 선박과 수차식 선박의 줄다리기 대결 이벤트에서 외륜선이 패하면서 19세기 후반을 기점으로 완전히 비주류로 밀려났다. 현재는 미국, 캐나다 등지의 일부 강 여객선에 한해서나 볼 수 있다.

래틀러 호(HMS Rattler)와 알렉토 호(HMS Alecto)의 대결장면.(출처:위키백과)888톤/200마력의 스크류선 래틀러 호와 800톤/200마력의 외륜선 알렉토 호의 꼬리를 줄로 이은 뒤, 래틀러 호가 시동을 끈 상태에서 알렉토 호가 전력으로 끌어당기게 한 뒤 알렉토 호는 시동을 켠 그대로 놓고 래틀러 호의 시동을 켜서 정 반대 방향으로 움직이게 했는데 래틀러 호가 2.5노트로 알렉토 호를 끌고갔다. 이는 외륜선의 몰락과 더불어 스크류 추진 선박의 대중화를 알리는 신호탄이었다.


사진출처
뱀발로, 미국에서 말의 힘으로 움직이는 마(馬)력 외륜선(horse powered ships/boat)이 발견되었다.관련글1/관련글2관련기사 그 외에 마력 스크류 페리선이나 떠다니는 공장(다만 이건 다른 나라에서도 조금 쓰였다고 한다)도 있었다니 그저 신대륙의 기상.
여담으로 로마 시대에는 말 대신 소를 썼다고 한다.


로마 시대 우(牛)력 외륜선. 출처:위키백과 외륜선 항목

워터제트방식의 구조와 전/후진방식. 위가 전진, 아래가 후진.
뉴질랜드의 발명가 빌 해밀턴(Bill Hamilton, 1899-1978)이 1954년에 개발한 방식으로, 펌프제트(pump-jet)라고도 한다. 실용화된 추진방식 중에서는 가장 역사가 짧으며[8], 워터제트도 종류가 다양하나 가장 기본적인 구조는 배 밑바닥에 물이 통하는 구멍이 있는 관을 설치하는 것. 이 관은 배 뒤쪽으로 물이 나가는 출구가 있고, 관 안에는 물을 뒤로 뿜내는 추진력을 제공하는 프로펠러가 있다. 배가 물에 들어가면 배의 무게로 자연스럽게 관에 물이 들어오는데, 이때 프로펠러를 작동시키면 물이 뒤로 빠져나가는 동시에 계속해서 물이 관 안으로 들어오게 된다. 이 때 밖으로 나가는 물의 방향을 조절하는 방식으로 항해방향을 결정한다.
이러한 워터제트 추진방식은 공동화현상과 와류, 소음으로 인한 기존 프로펠러선의 한계를 극복할 수 있으며, 스크류 프로펠러선보다 더 얕은 수심에서도 항해가 가능하다.[9] 무엇보다 프로펠러선의 최대 단점인 수중 부유물로 인한 행동제약에서 크게 벗어날 수 있다.[10] 때문에 일찍부터 유럽이나 일본에서는 연근해용 고속정에 워터제트 추진기를 장착하였으며, 우리나라도 윤영하급 고속함을 비롯한 각종 신형 연안 고속함선에 워터제트 추진기를 적극적으로 도입하고 있다.
그러나 워터제트 추진 방식은 기존 프로펠러선에 비해 설계가 복잡하고 제작 단가와 연료 소비량이 다소 높으며, 후진이 어려운 등 항행운영에 보다 복잡한 기술이 필요하다는 단점이 있다. 때문에 우리나라의 경우 수중 부유물이 많은 서해를 순찰하는 선박이나 해수욕장의 제트스키 등에서 많이 쓰이며, 우리나라 외에도 전 세계적으로 아직은 프로펠러 스크류 추진방식과 공존하고 있다.
  • 초전도 전자기 추진(자기유체역학식 추진)
21세기에도 꾸준히 현재 연구단계인 추진방식. 배가 떠 있는 물 자체를 하나의 거대한 레일로 삼고, 배 아래쪽에 장착한 여러 개의 대형 코일에 전류를 흘려 발생되는 전자기력으로 배를 움직이는 방식이다. 현재까지 개발된 방식 중 가장 빠른 속도를 낼 수 있는 추진법으로 이론 상으로는 항공수송에 대항할 수 있을 정도의 고속운행이 가능하나, 선박을 움직이는 코일이 저항없이 제 성능을 내려면 초전도체를 코일로 사용해야 하나 상온에서 초전도 현상을 유지하는 것은 아직 연구중이며 또한 해수에 전류를 흘리면 전기분해때문에 발생되는 유독물질인 염소 처리 문제 및 선내 자기장으로 인하여 기계에 가해지는 피해 등 극복해야 할 문제가 많아 아직은 연구단계를 벗어나지 못하고 있다.

5 관련 산업체 일람

  • 프랑스
    • DCN
    • SEMT Pielstick
  • 핀란드
    • Wärtsilä
  1. ↑ 이 추진방식의 명칭을 CODEAG로 잘못 사용되는 경우가 있는데 영문 위키에도 CODLAG로 나옵니다.
  2. ↑ 실제로 워터제트 추진기를 장착한 함선을 도입하기 전까지 폐그물 등의 수중 부유물이 많은 서해의 연안 경비함들이 제대로 활동하지 못하거나 고장/사고를 일으키는 경우가 많았다.
  3. ↑ 간단히 설명하면, 프로펠러를 너무 세게 돌리다 보니 물이나 공기가 너무 빠르게 연속해서 뒤로 밀려나면서 일시적으로 물이 없는 공간이 생겨나는 것. 별거 아닌 것 같지만 계속 작동시키다 보면 추진력을 얻을 수 없는 빈 공간이 계속 생겨나 결과적으로 속도를 내는 데 치명적이다. 프로펠러 비행기가 제트 엔진 비행기에 밀려난 것도 이 현상 때문에 속도를 내는 데 한계에 도달했기 때문이다.
  4. ↑ 이중 반전식 스크류나 펌프제트(일반 스크류 겉에 슈라우드 링(shroud ring)이라는 원통형태의 구조물을 장착하는 것) 기술을 통해 어느 정도 보완은 가능하나 한계가 있다.
  5. ↑ 물레방아를 생각하면 편하다. 세부구조는 좀 다르지만.
  6. ↑ 참고로 초기 증기선은 노를 엔진과 연결하기도 했는데, 구조가 복잡해 곧 사장되었다. 하지만 외륜선은 그냥 회전축에 수차를 끼우면 되니 비교적 간단하다.
  7. ↑ 이 문제는 위 사진에 나온 개량식 수차가 발명되면서 어느 정도 해결되었다.
  8. ↑ 증기선 시절 비슷한 게 있긴 했다. 그러나 이는 증기엔진의 힘으로 물을 빨아들인 후 이를 뿜으며 나아가는 것으로, 현재의 워터제트하고는 조금 다르다.
  9. ↑ 워터제트를 사용하는 제트스키의 경우 수심이 30cm이상이면 항해가 가능하지만, 일반 모터보트는 상당히 깊어야 가능하다.참조.
  10. ↑ 프로펠러선은 프로펠러가 수중 암초나 부유물에 걸려버리면 기동성이 상실되지만, 워터제트 추진기는 간단하게 넘어갈 수 있다. 물론 수중 부유물이 너무 많으면 워터제트선도 가동이 불가능하나, 워터제트선조차 움직이지 못할 정도로 수중 부유물이 많은 곳은 애초에 수륙양용선 이외의 배가 다니지 못하는 수준이라 그다지 신경쓰지 않는다.