차기 호위함,KDDX의 추진기관 - GE사의 LM 2500 최신 버전(2)
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차기 호위함,KDDX의 추진기관 - GE사의 LM 2500 최신 버전(2)
  • 장훈 기자
  • 승인 2021.08.07 15:38
  • 댓글 0
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2.함정 추진체계 글로벌 트렌드
3.함정용 전기 추진체계 선정시 고려사항

2.함정 추진체계 글로벌 트렌드

기계식 추진체계 : 추진용 가스터빈 및 디젤 엔진으로 축계를 구성
기계식 추진체계 : 추진용 가스터빈 및 디젤 엔진으로 축계를 구성

기계식 추진체계 : 추진용 가스터빈 및 디젤 엔진으로 축계를 구성

-함정 추진체계는 크게 기계식 추진과 전기식 추진체계로 나눌 수 있다. 기계식 추진은 추진용 가스터빈과 디젤엔진으로 직접 추진하여, 추진 시스템과 발전 시스템이 분리되어 있으며, 가스터빈과 디젤 엔진의 대수에 따라 생존성과 경제성이  달라질 수 있다.

-1981년 취역한 울산급 호위함(FFK)은 한국형 호위함으로 추진체계는 CODOG을 사용했고, 이는 영국 등 유럽에서 사용하고 있던 표준방식으로, 경제성 면에서 매우 효율적인 방식이었다. [GE LM2500 2기 탑재]

-1990년대 중반 광개토대왕함(DDH-I)이 등장하며 대항해군의 시대로 접어들었고, 이때 한국 해군은 처음으로 함대공 미사일 탑재를 시도했다. 역시 CODOG 방식을 채택했다. [GE LM2500 2기 탑재]

-2000년대 충무공 이순신함(DDH-II)이 한국 해군의 주력 함정으로, 현재 같은 급의 최영함이 소말리아 아덴만에 파병되어 작전 중이다. CODOG 방식으로 최대 속력은 30노트 이상까지 가능하다. [GE LM2500 2기 탑재]

-2000년대 후반 세종대왕함(DDH-III)이 등장하면서 한국은 세계에서 5번째로 이지스함을 보유한 국가가 되었으며, 추진체계는 저속에서 고속 기동 전환 능력이 우수한 COGAG을 채택하여 최대 속력 30노트 이상 구현 가능하다. [GE LM2500 4기 탑재]

-PKG 윤영하급, PKMR 검독수리 총 52척 고속정의 추진엔진으로 LM500이 CODAG으로 채택되어 최대 속력 40노트 이상 가능하다. [GE LM500 2기 탑재]

GE LM2500 및 LM500 가스터빈 기반 기계식 추진 한국해군 함정
GE LM2500 및 LM500 가스터빈 기반 기계식 추진 한국해군 함정

전기식 추진체계

A.복합식 전기추진(Hybrid Electric Drive, HED)
B.통합전기추진 (Integrated Full Electric Propulsion, IFEP)

-최근 자동차 산업에서도 전기에너지가 주요 에너지원으로 적극 도입되고 있다. 이러한 추세는 선박 부문도 예외는 아니며, 이미 상용 선박에는 전기추진시스템이 널리 적용되고 있다. 다만 해군용 함정 추진체계 경우 상용부문에 비해 그동안 상대적으로 좁게 적용되어 왔다.

복합식 전기추진 (HED): 추진용 가스터빈, 기어박스 및 추진전동기가 각각 설치되어
저속에서는 추진전동기로, 고속에서는 가스터빈 또는 디젤엔진을 통해 추진하는 방식

복합식 전기추진:추진용 가스터빈, 기어박스 및 추진전동기가 각각 설치되어 저속에서는 추진전동기로, 고속에서는 가스터빈 또는 디젤엔진을 통해 추진하는 방식
복합식 전기추진:추진용 가스터빈, 기어박스 및 추진전동기가 각각 설치되어 저속에서는 추진전동기로, 고속에서는 가스터빈 또는 디젤엔진을 통해 추진하는 방식

-복합식 전기추진은 기계식 추진 대비 소음이 작고 연료 효율성이 높다. 추진 모터의 위치에 따라 기어박스 장착형과 샤프트 장착형으로 나눌 수 있는데, 기어박스 장착형은 고효율을 위한 고속 모터로 미 해군 LHD-8과 LHA 강습상륙함에 적용되어 있으며, 샤프트 장착형은 대 잠수함전(Anti-Submarine Warfare, ASW)에 사용되는 저속 모터로 영국 해군 Type 26 (CODLOG), Type 23 (CODLAG)에 적용되어 있다.

-한국해군에 2018년 취역한 대구함은 CODLOG복합식 전기추진 방식으로, 저속에서는 디젤발전기와 전동기를 통해 추진하고 고속 추진 시에는 가스터빈만 사용하기 때문에 저속에서 고속으로 신속한 기동 전환이 어려운 운용상의 문제로 인해 추진체계 통합 능력의 중요성을 고려하는 계기가 되었다고  볼수있다.

-GE는 하이브리드 전기추진 총 49척의 공급 실적을 갖고 있으며, 전기추진함정의 경우 단위 장비의 성능 이상의 통합 성능 검증이 중요하기 때문에 시스템통합 기술력과 검증된 실적이 필요하다. 

-미해군의 LHD-8 USS Makin Island 추진체계는 CODLOG 복합식 전기추진으로 구성되어 LM2500+ 가스터빈과 전기추진 스템을 GE가 턴키로 공급하여 성공적으로 수행한 시스템 통합의 좋은 사례로 연료 효율이 좋아져 7개월 운항 동안 약 1,500만 달러의 연료 비용 절감 효과가 있었고 후속함 역시 One GE 통합 시스템으로 공급하고 있다.

-최근 미해군 FFG 62 함정사업은 CODLAG 복합식 전기추진으로 선정되어 현재10척에 LM2500+G4 (30.3MW급) 가스터빈을 공급할 예정이다.

GE LM2500+G4 가스터빈 기반 복합식 하이브리드 전기추진 함정: 미해군 최신 호위함 FFG62
GE LM2500+G4 가스터빈 기반 복합식 하이브리드 전기추진 함정: 미해군 최신 호위함 FFG62

통합전기추진 (IFEP): 함정 발전기(추진/ 함전용) 생산된 전력을 추진 전동기에 공급하여 얻은 회전력으로 추진하는 체계

통합전기추진 (IFEP): 함정 발전기(추진/ 함전용) 생산된 전력을 추진 전동기에 공급하여 얻은 회전력으로 추진하는 체계
통합전기추진 (IFEP): 함정 발전기(추진/ 함전용) 생산된 전력을 추진 전동기에 공급하여 얻은 회전력으로 추진하는 체계

-통합전기추진체계는 추진과 함내 부하 전력에 사용 가능한 전력을 동시에 생산한다. 이는 레일건, 레이더, 함정의 냉각 능력 증대 등 첨단 무기에 고 용량의 전력이 필요한 함정에 가장 효과적이다. 추진 축계의 경우 모터로만 구성되어 있기 때문에 기계 추진방식 또는 복합식 전기추진 방식에 비해 기어박스나 클러치 등이 필요 없어, 단순한 추진 축계 구성이 가능하다.

-현재 선진해군의 전투함들은 통합전기추진체계를 선택하는 추세를 보이고 있다. 영국 해군의 Type45형 구축함, 퀸 엘리자베스 항공모함과 미 해군의 줌월트급 구축함도 모두 GE의 통합전기추진체계를 채택했다.

-영국 해군은 Type45 구축함에 통합전기추진체계 결정 시 아래의 내용을 고려하였고, 작전 운용을 통해 중요한 교훈을 얻었다.
통합전기추진방식 추진체계의 성능 보장을 위해서는 신뢰도가 검증 된 가스터빈과  체계통합이 중요하다.
효율 및 소음, 진동 등 특수성능요구조건 역시 통합전기추진방식이 복합식 대비 우수한 성능을 보였다.
통합전기추진방식은 총수명 주기비용과 유연한 운용을 고려할 때 초기 투자비용의 차이를 수명주기동안 상쇄할 수 있다. 

-줌월트급 구축함에 이미 통합전기추진체계를 적용한 미 해군은 차세대 구축함 사업인 DDG(X) 개발에 역시 통합전기추진체계 적용 의지를 강력하게 보이고 있다. “통합전기추진 방식이 레이더 시스템, 전자전, 레이저 레일건 등 미래 전투체계를 통합 대비할 수 있는 유일한 체계이고 연료 효율성과 작전 운용성을 보장할 수 있는 최고의 체계”이며 차세대 함정사업에는 여러 옵션을 새롭게 고려하여 “통합전기추진 체계가 확실히 적용” 될 것으로 생각하고 있습니다. - DDG(X) 사업 기술 총괄 디렉터
(2021년 2월 3일 기사 출처: https://news.usni.org/2021/02/03/constellation-frigate-ddgx-programs-mark-start-of-surface-ship-renaissance)

GE통합전기추진체계 적용 함정: 영국해군 데어링급 구축함( Type-45), 퀸엘리자베스급 항공모함(QEC) 미해군의 줌월트급 구축함(DDG-1000)
GE통합전기추진체계 적용 함정: 영국해군 데어링급 구축함( Type-45), 퀸엘리자베스급 항공모함(QEC) 미해군의 줌월트급 구축함(DDG-1000)

 

3.함정용 전기 추진체계 선정시 고려사항*
소음성능 : 전 속력대 소음 군사규격 충족

i.탐지모드 – 최대 요구속도 대비 50% 속도, 최대출력 대비 12% 수준 즉, 0 ~ 15 knots
본 속도 구간에서는 우수한 고체소음특성이 필요함. 대상함정은 수동소나를 통해 적군에 피탐되지 않은 상태로 적 잠수함을 탐지할 수 있어야 함.

ii.추격모드 – 최고 요구속도 및 최대요구 출력 까지 즉, 16 ~ 27 knots
본 속도 구간에서는 매우 우수한 고체소음특성이 필요함. 대상함정은 능동소나를 통해 적군에 피탐되지 않은 상태로 적 잠수함을 탐지할 수 있어야 함.
*참고 문헌 : “전기함정 기술개발 동향” 강민진, 김조은, 이진태 (2009); “효율적인 함정 전기추진체계 설계” 김소연 (2016); “수상함 전기추진 기술 및 연구 동향” 설승기, 김소연 (2018); “함정의 통합전력시스템 – 동향과 전망” (2019) 박한웅

지연없는 운용모드 전환
대상함정은 제안된 추진체계를 통해 적 잠수함 탐지모드에서 추격모드로의 전환 시 모드전환에 따른 지연 없이 모드를 전환할 수 있어야 한다.

최단시간내 전투 간 가속성능
대상함정은 탐지모드 최소 요구속도에서 추격모드 최대 요구속도까지최단시간 내 도달할 수 있어야 한다.

미 해군 사업 주요 요구사항
미 해군 사업 주요 요구사항

단일 장비 고장 시 영향 최소화
단일장비 고장은 함정의 일반적인 운용(경비, 훈련 등) 중에도 발생할 수 있으며 따라서 전투 피해에만 국한하여 고려되어서는 안된다.

i.대상함정의 추진 및 발전시스템은 최악의 단일 장애점 사유 발생 시라 하더라도 요구 추진마력의 50% 이상을 달성할 수 있어야 한다.

ii.대상함정의 추진 및 발전시스템은 최악의 단일 장애점 사유 발생 시라 하더라도  탐지모드에서의 추진기능을 상실하여서는 안되며 특히 순항속력(15knots)까지 전기추진시스템은 물론 모든 센서와 무기의 운용이 가능하여야 한다.

생존성을 고려한 장비 배치
함정의 구조물 중 한 요소를 파괴할 수 있는 수준의 단일 손상이 발생하였을 때에도  함정의 발전 및 추진시스템이 최소 50%의 출력으로 주 기능을 수행하는 것을 고려하여 장비가 배치되어야 한다. (구축함의 경우 이러한 단일 손상에 의해 선박의 중심선이 관통되는 상황까지 예상하여야 한다.) 상기와 같은 단일 손상의 예로는 -  화재 또는 균열 등의 손상, 함정 전반에서의 침수등으로 인한 격실 파괴 등이 있다.

미래 확장성 보장
i.전기추진시스템 설계자는 대상함정의 총 생애주기에 걸쳐 함내부하/무기/센서등의 요구출력 대비 100%의 수준의 증대 시나리오에 대하여 시스템이 어떻게 적응할 수 있는지 설명할 수 있어야 한다.

ii.전기추진시스템 설계자는 대상함정의 총 생애주기에 걸쳐 1~5MW의 펄스부하의 추가 장착 시나리오에 대하여 시스템이 어떻게 대응할 수 있는지 설명할 수 있어야 한다. 

정비소요의 최소화
i.전기추진시스템 설계자는 모든 발전 및 추진시스템 구성장비에 대한 연간 계획정비소요시수를 제시할 수 있어야 한다.

ii.전기추진시스템 설계자는 모든 발전 및 추진시스템 보조장비(예: 윤활시스템 등)에 대한 연간 계획정비소요시수를 제시할 수 있어야 한다.전기추진시스템 설계자는 모든 발전 및 추진시스템 관련 장비에 대하여 정비가 필요한 장비가동시간을 제시할 수 있어야 한다.만약 해상에서 작전도중 장착된 그 어떤 엔진 또는 발전기에 대한 정비소요가 발생하였을 때에도 추진 및 발전시스템은 순항속력(15knots)까지 전기추진시스템은 물론 모든 센서와 무기의 운용이 가능하여야 한다.

iii.주추진엔진은 국내 창정비 역량을 구축하여야 한다.

효율
i.전기추진시스템 설계자는 대상함정의 운용프로파일에 따른 예상 연료소비율을 제시할 수 있어야 한다.

ii.전기추진시스템 설계자는 대상함정의 운용프로파일에 따른 연간 장비별 예상 운용시간을 제시할 수 있어야 한다.

단순한 추진축계
전기추진시스템 설계자는 총 축계 구성요소 즉, Moving part에 대한 갯수를 명기할 수 있어야 한다. 단, 영구적으로 연결된(예: 볼트, 용접 등) 부분품은 하나의 Moving part로 간주한다.

극한의 생존성 보장
발전 및 추진시스템은 하나 또는 최대 두 대의 원동기 운용을 통해 모든 센서 및 무기의 운용 및 함정의 타효속력을 유지(즉, 부력유지, 이동, 전투)할 수 있어야 한다. 

환경
i.전기추진시스템 설계자는 추진 관련 탑재 장비가 요구하는 원유기반의 유체소요량에 대하여 제시하여야 한다.i.전기추진시스템 설계자는 추진 관련 탑재 장비가 요구하는 원유기반의 유체소요량에 대하여 제시하여야 한다.

ii.전기추진시스템 설계자는 국제해사기구(IMO)의 배기가스규제에 대응하기 위해 필요한 화학물질의 소요량에 대하여 제시하여야 한다. 

iii.전기추진시스템 설계자는 대상함정의 총 수명주기에 대하여 미래의 이산화탄소 Free 에너지원에 대한 적용가능성에 대하여 제시하여야 한다.

검증된 체계
i.전기추진시스템 설계자는 제안된 체계가 지난 몇 년간 타 글로벌 해군을 통해 실제 운용되고 검증되었는지 제시할 수 있어야 한다.

ii.충격, 진동, 소음 등의 특수성능요구사항에 대해 공인기관의 인증이 완료된 증빙서류를 제시할 수 있어야 한다.

iii.통합전기추진체계의 경우 전체 시스템을 패키지 형태로 공급하고 성능을 입증할 수 있어야 한다.

[디펜스투데이]


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