미래 전투함 추진체계 MT30 엔진

최근 주요국의 미래 해군력의 주력을 담당할 함정에 MT30 엔진을 중심으로 하는 하이브리드 추진체계가 적극적으로 도입되고 있다.

영국 해군이 40여년만에 도입한 정규 항공모함 퀸 엘리자베스(Queen Elizabeth)급 항공모함의 하이브리드 추진체계에도 MT30 엔진이 통합되었으며, 영국 해군의 주력 방공구축함인 45형 구축함, 즉 데어링(Daring)급 구축함에도 MT30 엔진이 통합되어있다.

영국 해군의 23형 듀크(Duke)급 호위함을 대체하게 될 차기 대잠 호위함인 26형 시티(City)급 호위함에도 MT30 엔진이 탑재된다.

영국 해군뿐만 아니라 미 해군 줌왈트(Zoomwalt)급 구축함, 프리덤(Freedom)급 LCS(Littoral Combat Ship) 호위함에도 MT30 엔진이 채택되었다.

 이탈리아 해군이 AW101 헬기 6대를 운용하게 될 차기 상륙헬기모함  30,000톤급 트리에스테(Trieste)급에도 MT30 엔진이 탑재 되며, 한국 해군의 근미래 연근해 주력 다목적 호위함 FFG-II 대구급에도 MT30 엔진이 채택되었다.

 최근 일본 해상자위대 역시 총 22척을 건조하는 대규모 프로그램인 30DD 호위함 건조사업을  위해 롤스로이스의 MT30 엔진을 채택하였다.

30DD는 장차 대잠수함 임무와 소해임무등을 담당할 전투함이기 때문에 저소음성과 유연한 재시동 능력이 중시되고 새로운 센서와 장비에 필요한 높은 전력을 확보할 수 있는 높은 출력이 중시되어 설계되는 전투함이다.

 이와 같이 MT30 가스터빈 엔진은 다양한 미래 주력 전투함의 CODLAG, CODLOG 추진체계의 핵심 시스템으로 채용됨으로써 미래 해군함정 추진체계시장에서 선도적인 위치를 점유하고 있다.

해군 함정 추진체계 시장 점유율은 구형 가스터빈 엔진 시장 점유율을 (러시아, 중국, 이들의 우호국들 제외) 자랑하는 업체가 있지만, MT30 엔진은 현재 주요 선진국의 미래 주력 해군함정 가스터빈엔진 시장에서 90% 이상의 시장 점유율을 확보하면서 기존의 구형 가스터빈엔진의 뒤를 잇는 새로운 선진국 표준 가스터빈엔진으로 자리를 잡아가고 있다.

MT30 엔진

 MT30 엔진이 이와 같이 차세대 해군함정들의 주력 추진체계로 급부상하고 있는 이유는 다음과 같다.
우선 MT30 엔진은 다양한 속력 영역에 최적화된 동작을 하는 시스템이다.

MT30 엔진이 롤스 로이스의 Trent 800 항공 엔진을 기반으로 하는 시스템으로서, Trent 800 엔진의 FADEC을 기반으로 하는 디지털 엔진제어체계가 MT30 엔진을 다양한 조건의 미세하고 이산적인 변화와 속력을 디지털 처리하여  미세한 시간 간격으로 엔진의 동작을 정밀하게 제어할 수 있기 때문이다.

 MT30 엔진의 기반인 Trent 800 엔진은 보잉(Boeing) 777 계열 항공기의 엔진으로 채용되어 4,500만 시간 이상 운용되면서 그 기계적인 신뢰성이 입증된 시스템이다.

따라서 Trent 800 엔진의 코어를 포함하여 동 엔진의 신뢰성이 입증된 설계 대부분이 MT30 엔진 설계에 반영되면서 MT30 엔진 역시 해상 운용보다 기계적으로 더욱 가혹한 항공 운용에서도 신뢰성이 입증된 구조를 보유하고 있다.

MT30 엔진은 Trent 800 엔진과 거의 동일한 설계를 공유하고 있으며, Trent 800 엔진과 MT30 엔진의 부품 공유율은 80% 이상이다.

즉, 해상 운용보다 더욱 스트레스(특히 고온으로 인한 열변형과 압력으로 인한 기계적인 스트레스)가 큰 항공기 엔진 부품으로 채용되어 가혹한 환경에서도 오랜 시간동안 안정적으로 작동함으로써 기계적인 신뢰성이 입증된 부품들이 MT30 엔진에도 대부분 채용되었다.

 최대속력이 무려 45노트에 달하는 미 해군의 프리덤급 LCS에 MT30 엔진이 채용된 것도 이 때문이다.
최대 속력이 다른 전투함들의 그것을 크게 상회하기 때문에 더욱 폭넓은 속력 구간에서 엔진을 제어할 수 있어야 한다.

MT30 엔진은 디지털 자동제어체계에 의해 높은 속력에서도 엔진을 다양한 변수에 최적화된 동작을 할 수 있으며, 기계적으로도 저속에서 고속까지 무리없이 작동할 수 있는 구조를 갖도록 설계됨으로써 프리덤급 LCS의 요구조건을 충족함으로써 동급 호위함의 하이브리드 추진체계의 핵심 시스템으로 채용되었다.

MT30 엔진은 열효율이 높다. MT30 엔진은 동일한 작동 조건에서 온도 증가가 낮다.
이는 엔진의 작동 과정에서 발생하는 에너지 손실이 더욱 낮음을 의미한다.

MT30 엔진의 코어가 기존의 가스터빈 엔진의 그것보다 더욱 효율적으로 압축할 수 있으며, 압축기 팬과 터빈 블레이드의 형상 설계 시에 선진적인 기술이 반영되어 기존의 가스터빈 엔진의 그것보다 흡입류와 에너지의 손실이 적다.

 이 때문에 MT30 엔진은 높은 출력(40,000kW 이상)을 갖는 엔진이면서 체적은 더욱 작다.

 MT30 엔진을 탑재한 항공모함과 구형 항공모함을 비교하면 쉽게 이해할 수 있다.

구형 인빈시블(Invincible)급 항공모함은 만재배수량 22,000톤의 경항공모함으로서 Olympus 가스터빈엔진(좀 더 정확히는 터보제트엔진) 4기와 디젤엔진 8기 총 12기의 엔진을 탑재하였다.

반면 최근에 건조된 최신예 퀸 엘리자베스(Queen Elizabeth)급 항공모함은 기준 배수량만 하더라도 7만톤을 상회하는 대형 정규항공모함임에도 불구하고 2기의 MT30 엔진을 포함하여 불과 6기의 엔진만을 탑재하였다.  불과 2기의 MT30 엔진만으로 7만톤이 넘는 항공모함에 필요한 추진력을 만들어낼 수 있다.

 MT30 엔진은 기존 가스터빈 엔진보다 출력은 증가하였기 때문에 탑재 소요 엔진 숫자가 적은 것이다. 요구 성능을 충족하기 위해 탑재되는 엔진 숫자가 적기 때문에 엔진을 관리하기 위한 인원 소요 숫자가 감소함에 따라 인건비가 감소하게 된다.

아울러 정비인원규모도 감소하게 된다. 이는 MT30 엔진 자체의 낮은 정비 소요와 결합하여 MT30 엔진의 정비 비용을 낮게 형성하는 요인이 된다.

 그리고 탑재 소요 엔진 숫자가 적으면서 체적도 기존의 기스터빈 엔진보다 작기 때문에 MT30 엔진을 탑재하게 되면 동일한 공간에 큰 공간여유를 확보할 수 있게 된다.
MT30 엔진이 CODLAG, CODLOG과 같은 하이브리드 추진체계의 핵심 엔진으로 사용될 수 있는 이유 중의 하나이다.

MT30 엔진을 탑재함으로써 남는 공간을 크게 확보할 수 있기 때문에 디젤 엔진과 발전기, 모터, 그리고 디젤 엔진의 저주파 소음 차폐를 위한 대형의 소음 차폐 구조물과 이격 공간 등 하이브리드 추진체계의 주요 구성요소들을  설치하기 위해 소요되는 공간을 충분히 확보할 수 있다.

 여유 공간이 크기 때문에 추진체계 소음 감소를 위한 각종 소음 차폐, 흡음 수단들을 설치, 수용할 수 있는 공간을 넉넉하게 확보할 수 있다.

하이브리드 체계의 전기추진체계의 저소음성, MT30 엔진의 낮은 소음과 함께 MT30 엔진 탑재 함정의 소음 레벨을 낮게 만듦으로써 함정의 잠수함에 대한 생존성을 강화하고 함정에 탑재된 소나의 효율을 극대화함으로써 대잠능력을 극대화한다.

 무엇보다 MT30 엔진을 중심으로 하는 하이브리드 추진체계 자체가 구조적으로 정숙성 확보에 유리하다.
가스터빈 엔진과 디젤엔진을 함께 추진체계로 채용하는 경우에는 서로 다른 엔진으로 전환할 때에 이미 작동하고 있는 엔진과 연결된 추진축을 먼저 감속시켜야 하기 때문에 감속기어 소음이 발생하게 된다.

반면 CODLOG과 같은 하이브리드 추진체계의 경우에는 별도의 감속과정 없이 곧바로 모터와 추진축을 연결하기 때문에 소음을 대량으로 발생시키는 감속기어 자체를 필요로 하지 않는다.

 그리고 저주파 소음을 발생시키는 디젤엔진은 하이브리드 추진체계에서는 어디까지나 모터에 전력을 공급하는 발전기 구동을 위한 구동 장치 기능만을 하기 때문에 추진축에 직접 연결되지 않으며, 이 때문에 함저와 직접 연결되지 않고 대형의 저주파 소음 차폐 구조물을 통해 함저로부터 이격된다.

 이는 수중 깊숙히 형성되는 컨버전스 존(convergence zone)을 통해 원거리로 전달되는 저주파 소음을 차폐함으로써 적 잠수함의 장거리 탐지수단(예인소나와 측면배열소나)에 탐지될 여지는 크게 감소시키면서 하이브리드 추진체계를 보유한 전투함은 예인소나등을 활용하여 적 잠수함을 원거리에서 탐지할 수 있는 가능성을 증대시킨다.

 체적은 구형 엔진보다 작으면서 출력이 크다는 것은 MT30 엔진이 효율적으로 설계되었음을 의미한다. MT30 엔진이 효율적으로 설계되었다는 것은 동 엔진이 에너지 손실이 적으면서 최대 출력은 구형 엔진의 그것을 상회하기 때문에 연료 소모율이 월등히 적다는 점에서도 여실히 드러난다.

출력대비 연료소모율이 적기 때문에 MT30 엔진은 운용유지비용이 감소하였다. MT30 엔진이 기존의 가스터빈 엔진보다 낮은 전체 수명주기비용(Life cycle cost)을 갖는 시스템으로 만든 중요한 장점 중 하나라고 할 수 있다.

 대부분의 가스터빈 엔진은 운전 시간이 누적되면서 점차 성능이 떨어지는 경향이 있다. 특히 연료소모율의 경우, 엔진을 운전하는 시간이 많이 누적되면서 점차 증가하게 된다.

 반면 MT30 엔진은 낮은 에너지 손실과 연료소모율을 갖도록 설계되었으며, 아울러 엔진운전시간이 누적되어도 낮은 연료소모율을 보존할 수 있도록 설계되었다. 이는 앞서 언급된 장점과 더불어 MT30 엔진의 수명주기동안의 운용 비용을 구형 엔진보다 낮게 만드는 요인이다.
엔진운전시간이 누적될수록 구형 엔진과 MT30 엔진의 운용 비용 차이는 크게 벌어지게 된다.

[디펜스투데이]