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기타공학/선박

선박용 가스터빈, 디젤엔진의 복합추진기관의 세계


선박 엔진도 섞어 메뉴가 있다! 복합 추진기관



인간이 만든 가장 큰 교통수단은 선박 입니다



세계 최대의 선박 (포스팅 클릭) 에서 살펴보았듯 그 거대한 규모는 고층 빌딩을 압도하는 수준이지요



가장 큰 선박의 타이틀을 가지고 있었던 유조선 녹 네비스(자르 바이킹)의 경우 미국 엠파이어 스테이트 빌딩 정도의 크기를 자랑합니다.

 


출처 : roelloaded.blogspot.com



출처 : en.wikipedia.org



이렇게 거대한 구조물(이란 표현이 맞을 겁니다. 조선= 쉽빌딩 -_-)을 움직이기 위해서는 역시 동력으로 엔진이 필요한데요



효율을 중요시하는 일반적인 상선에는 주로 디젤 엔진이 달려 있습니다. 자동차와 마찬가지로 연비가 가장 좋기 때문이지요. (디젤기관은 열효율이 좋습니다.)

 


큰 덩치를 움직이기 위해 거대한 디젤엔진을 사용하는데. 사진을 한번 보시죠



엔진이 아니라 무슨 건물 수준의 사이즈를 가지고 있습니다. 심지어는 헤드쪽에 별도 계단과 전등이 달려있군요.  머시닝으로 완성된 크랭크축의 위엄 두둥.

 


출처 : m.plm.automation.siemens.com


출처 : vitkovicemachinery.com



이전 포스팅에서 언급 했듯이 디젤엔진은 나름 하이 테크놀로지 엔진입니다



압축착화 연소를 위해 연료를 컨트롤 해야 하는데 항상 그렇듯 출렁이는 유체는 다루기 힘든 물질입니다



형체가 없고 온도 압력에 따라 상태가 쉬이 바뀌므로 정교한 엔진 컨트롤에 많은 고급 기술이 필요로 하지요



다만 자동차의 엔진보다 저 rpm에서 구동되는 관계로 (대형 선박, 200rrpm - 초 3,4회전) 비교적 빠른 시기인 1930년대를 전후해 급속히 보급되기 시작했습니다.

 


출처 : ocean-express.yacht-spotting.com



그 전에는요? 외연기관인 증기기관 (스팀터빈)을 사용했었습니다.


 

그런데 사용의 목적이 조금 다른 군함의 경우 다른 엔진을 그것도 섞어 사용합니다. 바로 가스터빈 엔진인데요



이해를 돕기 위해 이전에 작성했던 포스팅 링크를 참고해 보시죠.


 

 


가스터빈은 기존의 피스톤 엔진과 달리 처음부터 회전운동을 만들어 내도록 고안되었습니다



소위 자동차 엔진이라 불리우는 기관들은 폭발력을 위아래로 움직이는 피스톤으로 전달하고 이 피스톤이 크랭크축과 연결되어 회전력을 만들어 내게 되어있습니다만



반면 가스터빈은 폭발력을 처음부터 회전운동에 사용될 수 있는 구조로 되어있지요.






피스톤 엔진에 비해 작고 가볍고 빠른 반응성을 가지고 있습니다



사기에 가까운 극악의 연비가 걸림돌이긴 하지만.... 



작은 성능차에 의해 승패가 갈리는 전장임을 감안하면 가스터빈엔진이 군용으로 애용되는 이유를 쉽게 이해할 수 있습니다.


 

기동성으로 인해 적보다 민첩하게 움직일 수 있고, 빈 공간에 추가 무장을 함으로써 화력우위를 가질 수 있지요.

 


출처 : community.warplanes.com



고성능의 엔진이니 당연히 가격적인 문제가 있겠지요



가스터빈 엔진 포스팅에서 언급되었듯 기초공학이 튼튼해야 개발이 가능해 엔진은 자체생산이 아닌 도입 혹은 라이선스 생산을 합니다. 부품가격도 꽤나 비싸구요.


 

운용비도 있겠지요



연비가 낮으니 연료비가 많이 들어갑니다.  동일한 거리를 가더라도 디젤엔진보다 더 자주 급유가 필요하지요



모두 돈이 드는 일입니다게다가 낮은 연비를 만회하기 위해 더 많은 연료를 실어야 하므로, 엔진의 무게에서 얻는 잇점이 희석됩니다.

 



출처 : en.dcnsgroup.com



이런 문제들을 극복하기 위해 특히 한국 해군함정의 경우 디젤과 가스터빈엔진을 같이 사용하는 CODOG (Combined Diesel or Gas turbine) 방식을 사용합니다



평상시에는 디젤엔진을 사용하다가 상황이 떨어지면 가스터빈엔진을 사용하여 고속으로 이동하는 거지요.



두 연료를 모두 싣고 다녀야 하는 단점이 있습니다만 가스터빈만 사용하는 경우보다 운용비가 훨씬 저렴해집니다.



처 : www.rrpowersystems.com

 


이렇게 두 가지 이상의 엔진을 혼합하는 방식을 복합 추진방식이라고 하는데요. 위의 CODOG 방식 외에 아래와 같은 다른 방식들도 있습니다.

 


COGAG (Combined Gasturbine and Gasturbine)  – 가스터빈 and 가스터빈


COGOG (Combined Gasturbine or Gasturbine – 가스터빈 or 가스터빈


CODAG (Combined Diesel and Gasturbine) 디젤엔진 and 디젤엔진


CODOG (Combined Diesel or Gasturbine) 디젤엔진 or 가스터빈


CODEAG (Combined Diesel-Electric and Gasturbine) – 디젤+모터 and 가스터빈

 


위의 조합에서 And의 경우는 최대 출력시 두 엔진 모두 사용하는 경우이고, Or는 하나는 버리고 다른 하나만 쓰는 케이스입니다. 모두 최대출력/고속항해는 가스터빈이 사용되지요.


 

돈을 제일 많이 먹는 가스터빈 두기의 조합 (축당) COGAG (Combined Gasturbine and Gasturbine) 가 주로 천조국 군함에서 많이 쓰입니다




한국의 이지스함 세종대왕함도 같은 시스템을 사용하구요.



출처 : bremolympicnlus.wordpress.com




고출력 / 저출력 터빈엔진을 장착하여 복합 추진기로 사용하지요. 덩치 큰 이지스함들도 최대 30knot, 55km/h로 내달릴 수 있습니다. 



기술적으로도 가장 난이도가 높은 편인데, 



두 엔진을 하나의 축에 연결해야 하므로 동력전달 축들, 변속기, 클러치등의 파워트레인들이 꽤나 복잡한 구조로 되어있지요.

 


출처 : articles.maritimepropulsion.com



성능이 완전히 다른 두 엔진을 연결한 CODAG (Combined Diesel and Gasturbine) 가 잘 사용되지 않는 이유기도 하지요



복잡한 데다 성능 특성이 완전히 틀려 최대출력에서 디젤엔진이 짐이 되는 경우가 발생합니다. 디젤도 아닌 것이 터빈도 아닌 어정쩡한 물건이 되어 나올 수도 있거든요.


 

그래서 한국해군의 경우 주로 CODOG (Combined Diesel or Gasturbine)가 많이 사용됩니다



가스터빈을 사용하게 되면 디젤엔진과의 연결을 끊어 버리는데요



고속기동시 디젤엔진을 사용하지 않으므로 무게에서는 불리하지만 덜 복잡한 편이라 관리가 용이하고, 선택적인 사용이 가능해 특히 대잠작전에 유리해 집니다.

 


출처 : www.darpa.mil



디젤엔진과 대잠작전......포스팅 주제에 약간 어긋나지만 잠시 짚어보겠습니다.



디젤엔진은 피스톤의 왕복운동으로 인해 저주파음이 크게 발생합니다. 위 아래로 왕복 운동을 하면서 쿵쿵쿵 소리가 나지요



반면에 가스터빈은 연속적인 연소로 인해 축회전 소음만 발생합니다. 주로 휘이잉 하는 고주파 계열 소음인데요



두 소리의 차이는 큰 트럭과 여객기의 아이들 소음을 생각해 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.

 


출처 : www.adanstraning.co.za



저주파 소음이 물속에서 보다 멀리 뻗어가는 특성을 가지기 때문에, 저주파를 많이 내는 디젤엔진의 경우 대잠작전시 적 잠수함에게 위치를 더 쉽게 노출시킵니다



방음처리를 아무리 잘 하더라도 일정부분 새어나가는 소음을 차단하기란 사실상 불가능한데요



때문에 일반적으로 가스터빈 엔진이 디젤엔진 보다 대잠작전에 유리합니다



디젤을 끌 수 없는 CODAG (Combined Diesel and Gasturbine) 보다 CODOG (Combined Diesel or Gasturbine)가 유리한 이유가 바로 여기에 있습니다.

 


출처 : www.defencetalk.com



CODEAG (Combined Diesel-Electric and Gasturbine)는 선박계의 하이브리드라고 보시면 될 듯 하고,



CODAG (Combined Diesel and Gasturbine) 는 현재 거의 사용하지 않으므로 



CODOG (Combined Diesel or Gasturbine) COGAG (Combined Gasturbine and Gasturbine)가 거의 군용 함선 시장을 양분하고 있는 상황입니다



항공모함 같은 특수한 경우는 예외로 한다면 말이지요.




출처 : defenseindustrydaily.com



COGOG (Combined Gasturbine or Gasturbine)  


COGAG (Combined Gasturbine and Gasturbine) 가 있는데 굳이 필요 없겠지요



연비가 애당초 좋은 디젤은 2기의 조합인  GODOD, DODAD를 거의 사용하지 않구요.


 

거의 모든 첨단기술은 군에서 개발되어 민간으로 이전되는 경향이 있는데요. 효율의 문제로 개발된 기술인 만큼 위의 기술들을 상선에서 접히기는 어렵지 않나 싶습니다



선박의 복합엔진의 발전이 자동차에 적용 되는걸까요?



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