다음의 선박 추진장치에 대하여 각각 설명하시오.

(1) 가변피치 프로펠러(CPP)

 

허브 축계 내부의 유압장치를 이용하여 프로펠러의 피치각을 조정하여 미세한 선속 조절이 가능

여러 하중 상태(여러 운항 속도)에서 최적의 운전이 가능하도록 설계됨

회전수의 변화에 따라 최적의 피치-회전수 조합으로 운전할 수 있음

비회전성 기관(Non-reversible engine)을 사용하여도 프로펠러의 피치를 바꾸어 역추진할 수 있음 

피치 조종 기능 때문에 가속, 감속, 조종 성능이 우수

 

축계의 구조가 복잡하여 제작비가 높고, 또한 유지관리비용도 높음

 

전후진 조작이 잦은 선박에 적용

특히, 여객선(Passenger Vessel), 페리선(Ferry), 예인선(Tug) 및 해양작업선(Offshore Vessel) 등에는 대부분 CPP를 사용

최근에는 산적화물선, 컨테이너선, 중대형 어선 등에도 많이 사용

 

(2) 상호반전 프로펠러(CRP)

 

동일축 상에 회전방향이 상호반대인 2개의 프로펠러가 장착되는 형태

 

1개의 프로펠러의 경우에는 프로펠러를 통과한 물이 회전하기 때문에 물의 회전운동에너지를 바다에 버리게 되어 에너지 손실이 발생

CRP 추진장치는 전방 프로펠러와 후방 프로펠러의 유체역학적인 상호작용을 이용하여 프로펠러에 유입되는 물이 2개의 프로펠러를 지나고 난 후에 회전운동에너지가 최소화되어, 손실에너지를 회수하는 효과가 있어 일반 상선 적용 시 약 6 ~ 7% 정도의 추진효율 향상이 기대됨

 

또한 CRP는 더 작은 직경으로도 고정 피치 스크류 프로펠러(FPP)와 동일한 추진력을 얻을 수 있어,

프로펠러와 선체와의 간격을 넓힐 수 있고,

이런 간격의 증가는 프로펠러 캐비테이션으로 인해 발생하는 변동 압력이 선체에 미치는 영향을 감소,

선체의 진동을 줄일 수 있음

 

그리고 2개의 프로펠러가 서로 반대방향으로 회전하므로 토오크 균형(Torque Balance)이 이뤄지기 때문에 직진성이 요구되는 어뢰의 추진장치로 많이 사용

 

그러나 이중구조로 되어있는 회전축 시스템의 복잡성과 초기 투자비가 크기 때문에 주로 특수한 목적을 갖는 선박의 추진장치에 국한되어 활용

 

(3) 물제트 추진장치

 

선체 바닥으로부터 흡입한 물을 유도관 내의 임펠러로 회전시켜 압력에너지를 발생시킨 후, 노즐을 통해 물을 고속으로 분사하여 추진

물제트 추진장치(Waterjet Propulsion)는 선체 내부에 장착이 되므로 비교적 얕은 물에서 운항하는 선박에도 사용이 가능하고 어장과 같이 그물이 설치되어 있는 곳에서도 추진기가 그물에 걸리지 않고 선박의 운항이 가능함

물제트 추진장치는 고속으로 운항할수록 추진효율이 증가할 뿐 아니라 임펠러가 유도관 내부에서 회전하므로 고속선에서 사용되는 일반 프로펠러에서 문제가 되는 캐비테이션 제어 관점에서도 매우 유리한 추진장치임

선체의 진동과 소음을 감소할 수 있어서 여객선, 고속함정, 어선, 소형 고속선(High Speed Craft), 수륙양용 장갑차 등에 매우 다양하게 활용

얇은 수심과 저속에서도 운항 가능

노즐에서 분사되는 제트유동의 방향을 바꾸어 배의 진행방향을 조절하는 조향장치를 통해 360도 선회 및 임펠러가 작동하는 상황에서도 제자리에 정지하는 등 조종성이 우수

 

(4) 보이스 슈나이더(Voith Schneider) 프로펠러

 

독일회사의 제품명으로,

배의 밑바닥에 원판을 수면에 거의 평행으로 설치하고, 각각의 날개가 원판에 수직하게 설치됨.

원판이 1회전하는 동안에 각각의 날개들은 자신의 축 주위를 회전함.

각 날개들의 회전각도를 조절하여 각 날개들에 작용하는 힘의 합력 방향으로 추력이 발생

주기관을 멈추거나 역전시키지 않고도 배를 멈추거나 배의 속도와 방향을 조종할 수 있음

 

혼잡하고 협소한 지역에서 저속으로 움직이면서 추진 방향을 쉽게 바꿀 수 있어 우수한 조종 성능을 발휘해야 하는 배(OSV, Work Boat 등)에 매우 적합

소음 발생도 거의 없음

 

(5) 선회식 전기추진기

 

선회식 전기추진기는 “발전기(Generator) → 제어기(Driver) → 전동기(Electric Motor) → 프로펠러”로 이어지는 동력전달방식을 채택하며 선체 외부 하부에 설치됨

360도 회전가능하여 추진과 조향이 모두 가능

제자리 선회, 후진, 급정지 등 조종성이 우수하여 Side Thruster가 필요 없음

 

사용되는 프로펠러는 고정피치 프로펠러와 상호반전 프로펠러로 2가지 유형이 있음

 

축계 및 타가 필요치 않아 주기관 등 선체내부 배치의 유연성 증가로 선형의 단순화가 가능하고 선박의 생산성 향상에 유리함

선체저항 및 추진기의 성능이 향상되어 운항효율이 제고되며, 균일한 유동흐름에서 작동되므로 캐비테이션이 감소하여 진동 및 소음 성능이 매우 양호함 

 

반면에 시스템 전체의 중량이 무겁고 제조원가가 높으며, 전기에너지로 동력 변환 과정에서 에너지 손실로 전달 효율은 떨어짐

 

조종성능, 토오크 특성, 응답성 등의 우수한 성능과 기능을 필요로 하는 쇄빙선, 해양조사선, 해저석유 굴착선, 함정, 잠수함, 예인선과 같은 특수 목적의 선박에 주로 적용

요즈음에는 호화여객선, 컨테이너 피더선, LNG선, 컨테이너선, Ro-PAX 등의 다양한 선박에 사용

 

대표적으로 개발된 제품은 Azipod, Mermaid, 그리고 SSP가 있음

 

(6) 초전도 전자추진기

 

배의 내부에 설치된 강력한 전자석으로 해수 중에 자기장을 형성시키고, 전류를 자기장과 직교하도록 만들면 그때 발생하는 로렌츠 반작용으로 추진하는 방법

진동이나 소음이 거의 없으며, 외부 돌출물이 없으므로 구조와 보수가 용이함

일본에서 YAMATO-1이라는 선박에 적용하여 시운전에 성공함

 

하지만 강한 자기장이 해양환경파괴를 일으킬 문제가 있음

 

※ 초전도 자석(超傳導磁石) 이란 ?
전자석에 보통 사용하는 동이나 알루미늄 코일은 전기저항이 크므로 고밀도 전류를 흘릴 수가 없다. 코일감는 수를 많이하여 대형화로 할지라도 자장발생율이 나쁘다. 따라서 보통 재질의 코일(Coil) 사용은 한계가 있다. 이 때문에 극저온에서 전기저항이 “0”이 되는 물질, 즉 초전도 재료를 이용한 코일로 전자석을 만들어야 한다. 이렇게 만들어진 전자석을 ‘초전도 자석’이라고 한다.