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工學碩士學位論文 군수지원함의추진체계별 연료소비량에관한연구 A study on fuel consumption of combat support ship according to propulsion system 指導敎授吳珍錫 2016 年 8 月 韓國海洋大學交大學院 메카트로닉스공학과 金珉煜
목 차 List of Tables vi List of Figures vii Abstract ix 1. 서론 1.1 연구배경 1 1.2 국내 외현황 5 1.3 연구내용 8 2. 해군함정과함정용추진체계 2.1 해군함정의종류 10 2.2 함정용추진체계의종류 12 2.2.1 기계추진체계 12 2.2.2 복합추진체계 14 2.2.3 전기추진체계 16 2.3 군수지원함의운용및제원 19 2.3.1 개요 19 2.3.2 국내 외운용현황및제원 20
3. 함정의추진체계구성및평가방법 3.1 추진체계의구성 23 3.1.1 추진기관 26 3.1.2 추진전동기 27 3.1.3 감속기어및클러치 28 3.1.4 축계및프로펠러 30 3.2 마력과효율의종류및계산 31 3.2.1 추진기관 32 3.2.2 프로펠러 33 3.2.3 소요마력산출방법 33 3.3 평가인자의정량화및비교방법 36 3.3.1 함정평가인자 36 3.3.2 정량화및비교방법 37 4. 가상함정및시뮬레이션설정 4.1 가상함정설정 39 4.2 운항프로파일추정 41 4.3 운항모드설정 43 4.4 연료소비량산출방법 46 5. 시뮬레이션및결과분석 5.1 CODAD 추진체계 50 5.2 CODLOD 추진체계 54 5.3 CODLAD 추진체계 58 5.4 시뮬레이션결과분석 62 6. 결론 감사의글 67 참고문헌 68
: 실린더단면적 [ ] : 해군계수 : 프로펠러직경 [ ] : 실험에의한마찰계수 : 중력가속도 [ ] : 전진계수 : 선체전장 [ ] : 피스톤행정 [ ] : 프로펠러회전수 [ ] : 프로펠러의이론상전진거리 [ ] : 기어의잇수 : 프로펠러날개각 : 평균유효압력 [ ] : 피치비 : 선체저항 [ ] : 마찰저항 [ ] : 잉여저항 [ ] : 반지름 [ ] : 선체침수면적 [ ] : 추력 [ ] : 선박의실제전진거리 [ ] : 함정속력 [ ] : 배수량 [] : 기계효율 : 전달효율 : 밀도 [ ] : 토크 [ ] : 각속도 [ sec]
AOE : Combat Support Ship BHP : Brake Horse Power CODAD : COmbined Diesel And Diesel CODAG : COmbined Diesel And Gas turbine CODLAD : COmbined Diesel-eLectric And Diesel CODLOD : COmbined Diesel-eLectric Or Diesel CODLAG : COmbined Diesel-eLectric And Gas turbin CODLOG : COmbined Diesel-eLectric Or Gas turbine CODOG : COmbined Diesel Or Gas turbine COGAG : COmbined Gas turbine And Gas turbine DDG : Destructive Destroyer Guided missile DDH : Destructive Destroyer Helicopter DHP : Delivered Horse Power EHP : Effective Horse Power EPS : Electrically Powered Steering FF : Fast Frigate GTG : Gas Turbine Generator HED : Hybrid Electric Drive IEP : Integrated Electric Propulsion IFEP : Integrated Full Electric Propulsion IHP : Indicated Horse Power IPS : Integrated Propulsion System LSH : Landing Ship Helicopter LST : Landing Ship Tank LPH : Landing Platform Helicopter LPX : Landing Platform Experimental PCC : Patrol Combat Corvett PDSS : Propulsion Derived Ship Service PKG : Patrol Killer Guided missile PKM : Patrol Killer Medium SFC : Specific Fuel Consumption SSS clutch : Synchro Self Shifting clutch THP : Thrust Horse Power
Table 1 Republic of Korea navy ships in operation 5 Table 2 List of navy ships installed hybrid propulsion system 7 Table 3 Type of naval vessels 11 Table 4 Type of mechanical propulsion systems 13 Table 5 Type of hybrid propulsion systems 16 Table 6 Type of electric propulsion systems 19 Table 7 AOE Chun-ji class combat support ships of ROK navy 21 Table 8 Propulsion system of naval support vessels 22 Table 9 Propulsion system of frigates and destroyers 24 Table 10 Propulsion system of naval support vessels 25 Table 11 Engine specification 26 Table 12 Motor specification 27 Table 13 Method of comparison and analysis of simulation 38 Table 14 Specification of Hwacheon(AOE-59) 39 Table 15 Specification of virtual vessel 40 Table 16 Operating profile of combat support ship 43 Table 17 Operation mode of DDG-51 and CG-47 class 45 Table 18 Operation mode of virtual vessel 45
Fig. 1 Destroyed PCC-772 Cheonan 1 Fig. 2 Hybrid (diesel-electric) propulsion system of Rolls Royce 2 Fig. 3 HED (Hybrid Electric Drive) 2 Fig. 4 Hybrid electric drive system for CG-47 class cruisers 3 Fig. 5 AMDR (Air and Missile Defense Radar) 4 Fig. 6 LaWS (Laser Weapon System) aboard USS Ponce 4 Fig. 7 CG-47 annual fuel consumption 6 Fig. 8 Flow of simulation for fuel consumption 8 Fig. 9 Specific fuel consumption curve of gas turbine 14 Fig. 10 Increasing electric power demand on naval vessel 17 Fig. 11 DDG-1000 Zumwalt class destroyer 18 Fig. 12 Replenishment of HMAS Sirius 20 Fig. 13 MAN V28/33D diesel engine 26 Fig. 14 GE AIM (Advanced Induction Motor) 27 Fig. 15 Pitch circle of meshing gears 28 Fig. 16 SSS clutch for marine propulsion 29 Fig. 17 Fixed pitch propeller 30 Fig. 18 Controllable pitch propeller 30 Fig. 19 Calculation of maximum horsepower requirements 35 Fig. 20 The replenishment oiler HMAS Sirius 35 Fig. 21 Operating profile of naval vessel 41 Fig. 22 Set operating profile of virtual vessel 42 Fig. 23 Operation mode of DDG-51 (not HED) 44 Fig. 24 Operation mode of DDG-51 (HED) 44 Fig. 25 Operation mode depending on vessel speed 46 Fig. 26 Froude propeller s law 48 Fig. 27 Fitting on SFC curve 49
Fig. 28 SFC curve for simulation 49 Fig. 29 Flow of simulation for CODAD 50 Fig. 30 LabVIEW diagram of simulation for CODAD 51 Fig. 31 Specific fuel consumption curve 52 Fig. 32 Specific fuel consumption curve fit 52 Fig. 33 Operating profile of short-term duty 53 Fig. 34 Specific fuel consumption of each speed section 53 Fig. 35 Averaged speed section by percentage 53 Fig. 36 Calculation of horsepower requirements 54 Fig. 37 Results of simulation for CODAD 54 Fig. 38 Efficiencies in diesel-electric plants 55 Fig. 39 Flow of simulation for CODLOD 55 Fig. 40 LabVIEW diagram of simulation for CODLOD 56 Fig. 41 Output of propulsion motor at low speed 57 Fig. 42 Output of diesel engine at high speed 57 Fig. 43 Flow of simulation for CODLAD 58 Fig. 44 LabVIEW diagram of simulation for CODLAD 59 Fig. 45 Calculation of maximum horsepower requirements 60 Fig. 46 Sub VI of CODLAD 60 Fig. 47 Diagram of sub VI of CODLAD 61 Fig. 48 Result of simulation for CODAD 62 Fig. 49 Result of simulation for CODLOD 63 Fig. 50 Result of simulation for CODLAD 63 Fig. 51 Deviation of fuel consumption between propulsion systems 64 Fig. 52 Comparison of advanced efficiency 65
A study on fuel consumption of combat support ship according to propulsion system Kim, Min-wook Department of Marine engineering Graduate School of Korea Maritime and Ocean University Abstract Last March 26, 2010, at sea near Baengnyeongdo in Republic of Korea, Patrol corvett Cheonan(PCC-772) which had been belonged to the Republic of Korea Navy 2nd fleet at that time was hit and sank during performing the duties. This was the case in the Republic of Korea Navy sailors 40 people died, 6 people were missed. The Government of the Republic of Korea was composed of civil and military joint investigation team to investigate the caused of sinking Cheonan. Investigators from five countries, Australia, the USA, Sweden, UK including the Republic of Korea experts consisting of more than 20 people, announced May 20, 2010, that the Cheonan sank under the torpedo attack by a North Korean submarine. After the incident, the Republic of Korea Navy has been provided a way to improve the ability of anti-submarine naval vessels to prepare for North Korean submarine attack, so a plan to mount an electric motor that can reduce underwater radiated noise significantly compared to internal combustion engine had been discussing as a way to prepare such submarine attack, that hybrid propulsion system will be installed on next term FFX BATCH-II frigates and AOE-II combat
support ship. Meanwhile, the US Navy has conducted a lot of research in order to cut the fuel consumption of a large formation of warships in accordance with a fluctuation of international oil price and reduction of the national defense budgets. For example, they had developed HED(Hybrid Electric Drive) system which were installed on the DDG-51 Arleigh Burke-class mechanically propelled destroyer with four gas turbines in the last early 1990s. Using the HED system, an example of hybrid propulsion system, is shown as having a high fuel efficiency to reduce the fuel consumption compared to conventional propulsion system using olny gas turbines because it operates electric motors instead of gas turbines which are features of bad efficiency during lower speed range of warship. Also as electrical, electronic and communication technology are developed rapidly, aspects of war are being turned conventional warfare oriented naval guns into electronic warfare. Therefore linked antisubmarine, antisurface and antiair warfare are required simultaneously, so initial maximum power capacity of next term warship should be designed much bigger than conventional vessel with mechanical propulsion system. This is because RADR weapons system such as AESA(Active Electronically Scanned Array) and PESA(Passive Electronically Scanned Array) RADAR require much electric power And in order to install and operate LaWS(Laser Weapon System) such as rail gun, the maximum power capacity must be considered. Thus, improving quietness of warship to prevent submarine attack is that reforming survivability of warship, and extending cruising range by making energy efficiency high is that improving military action and ability of achievement in case of warship. Accordingly, in this paper, we set up any virtual navy vessel based on the actual navy vessel that is operating in the Republic of Korea Navy, with the assumption that the mechanical and hybrid propulsion systems that virtual navy vessel was to be simulated the annual fuel consumption that occur during certain operating profile. KEY WORDS : Naval vessel, combat support ship, Hybrid propulsion system, Fuel efficiency
제 1 장서론 1.1 연구배경 2010년 3월 26일, 대한민국의백령도근처해상에서경계임무를수행하고있던해군제 2함대사령부소속초계함인천안함 (PCC-772) 이피격되어침몰하는사건이발생했다. 이사건으로대한민국해군장병 40명이사망했으며 6 명이실종되었다. 대한민국정부는천안함의침몰원인을규명할민 군합동조사단을구성하였다. 대한민국을비롯한오스트레일리아, 미국, 스웨덴, 영국등 5개국에서전문가 20여명으로구성된합동조사단은 2010년 5월 20일, 천안함이북한잠수함의어뢰공격을받아침몰한것이라고발표하였다 [1]. Fig. 1 Destroyed PCC-772 Cheonan [2] 천안함피격사건이후대한민국해군은북한의잠수함공격에대비하기위하여해군함정의대잠능력을향상시킬수있는방안을마련해오고있다. 그중하나로내연기관에비하여수중방사소음을현저히감소시킬수있는전동 - 1 -
기를추진체계에탑재하는방안이논의되었고, 그결과 FFX-II 차기호위함과 AOE-II 차기군수지원함에는함정의저속운항구간에서전동기를이용하는복 합추진체계가적용될예정이다. Fig. 2 Hybrid (diesel-electric) propulsion system of Rolls Royce [3] 한편, 미국해군에서는유가상승및국방예산감축에따라함정운용시에발생하는막대한양의연료소비량을줄이기위하여많은연구를진행하고있다. 특히 1990년대초반부터 DDG-51 Arleigh Burke급구축함의가스터빈중심추진체계에추진용전동기를설치하여함정의저속운항구간에서연료효율을높이는 HED (Hybrid Electric Drive) 를개발하여운용하고있다. 이연구에따르면함정의저속구간에서는효율이좋지못한가스터빈대신전동기를이용하는방식이기존의가스터빈만이용하여추진하는방식에비하여연료소비량을절감하는데큰효과가있는것으로나타났다 [4]. Fig. 3 HED (Hybrid Electric Drive) [5] - 2 -
Fig. 4 Hybrid Electric Drive system for CG-47 class cruisers [6] 또한전기 전자 통신장비등의기술이급격히발달하면서전쟁양상이함포중심에서전자전 (electronic warfare) 으로변화하고있으며, 해군함정에서는대잠전, 대함전, 대공전등의복잡한동시교전능력을요구하게되었다. 이에따라초기함정설계시기존의기계식무기체계를탑재한함정에비하여차기전투함정들의최대전력량을더욱크게설계해야하는상황이도래했다. 이는능동식위상배열전자주사 (AESA, Active Electronically Scanned Array) 레이더, 수동식위상배열전자주사 (PESA, Passive Electronically Scanned Array) 레이더등의높은전력량을요구하는레이더무기체계, 그리고향후초전자포 (rail gun) 를비롯하여전자및레이저무기체계등을탑재하고운용하기위하여필수적으로고려되어야할사항이다. 차기전투함정에서요구하는전력량이기존에비하여월등하게높아지면서미국, 영국등강대국에서는해군함정의추진체계, 무기체계, 전력체계등을통합적으로관리및운용하기위한연구를진행하고있다. Fig. 5, 6은대공및미사일방어레이더 (AMDR, Air and Missile Defense Radar) 의개념도와실제미해군에서함정에탑재하여운용하고있는레이저무기시스템 (LaWS, Laser - 3 -
Weapon System) 을보여주고있다. Fig. 5 AMDR (Air and Missile Defense Radar) [7] Fig. 6 LaWS (Laser Weapon System) aboard USS Ponce [8] - 4 -
1.2 국내 외현황현재대한민국해군에서운용하고있는대부분의함정이디젤엔진이나가스터빈엔진을이용한기계추진체계를탑재하고있다. 정보수집및연구등의특수한임무를수행하는함정을제외하면복합및전기추진체계를탑재한함정이전무한상황이다. Table 1은대한민국해군에서운용하고있는일부함정들을나타내고있다. Table 1 Republic of Korea navy ships in operation [8,9] Figure Description Seoae Ryu Seong-ryong (DDG-993) Sejong the Great-class Destroyer Commissioned in 2011 COGAG system Incheon (FFG-811) Incheon-class Frigate Commissioned in 2013 CODOG system Yoon Youngha (PKG-711) Yoon Youngha-class Patrol killer Commissioned in 2008 CODAG system Dokdo (LPH-6111) Dokdo-class Amphibious assault ship Commissioned in 2007 CODAD system Hwacheon (AOE-59) Chunji-class Fast combat support ship Commissioned in 1998 CODAD system - 5 -
Table 1에따르면대한민국해군의주요함정들이주로디젤엔진이나가스터빈엔진을기반으로한기계추진체계를탑재하고있음을알수있다. 최근대한민국해군은함정의대잠전성능을향상시키고연료소비량을절감하기위한방안으로 FFX batch-ii 차기호위함과 AOE-II 차기군수지원함에복합추진체계탑재를계획하고있다. 한편미국, 영국등의강대국에서는이미복합추진체계를함정에탑재하여운용하고있는데, 미해군같은경우 1990년대초부터가스터빈만으로추진하는 DDG-51 Arleigh Burke급구축함에전동기를추가로탑재하는 HED를운용하고있다. HED가적용된함정은저속운항시에는전동기를, 고속운항시에는가스터빈을이용하여추진력을얻는다. 저속구간에서효율이좋지않은가스터빈대신비교적효율이높은전동기를이용함으로써함정운용시발생하는연료소비량을절감할수있다 [4]. Fig. 7은 HED를탑재한미해군의 CG-47 Ticonderoga급순양함의함속에따른연간연료소비량을나타내고있다. Fig. 7 CG-47 annual fuel consumption [6] 위와같은이유로현재많은외국해군함정에는복합추진체계가탑재되어 - 6 -
운용되고있다. Table 2 는그중일부를정리한것이다. Table 2 List of navy ships installed hybrid propulsion system [8] Figure Description Nation HMS St Albans (F83) Duke-class (Type 23) Frigate Commissioned in 2002 CODLAG system HMS Bulwark (L15) Albion-class Amphibious transport dock Commissioned in 2004 Diesel-electric system UK Aquitaine (D650) FREMM Multipurpose frigate Commissioned in 2012 CODLOG system Dixmude (L9015) Mistral-class Amphibious assault ship Commissioned in 2012 Diesel-electric system France HNLMS Karel Doorman (A833) Karel Doorman-class Multi-function support ship Commissioned in 2015 Diesel-electric system Netherlands Carabiniere (F593) FREMM Multipurpose frigate Commissioned in 2015 CODLAG system Italy - 7 -
1.3 연구내용앞서언급한것처럼, 해군함정의경우에는잠수함공격에대비하기위하여함정의정숙성향상이곧함정의생존성을향상시킬수있는방법이다. 또에너지효율향상으로인한최대항속거리확장은함정의작전반경및수행능력을개선할수있는방법이된다. 특히대규모의함대를운용할때는많은운용비와국방예산이소요되기때문에에너지효율을개선하는것은많은의미를갖는다고할수있다. 이에따라본논문에서는대한민국해군에서운용하고있는함정의제원을바탕으로시뮬레이션을위한가상함정을설정하고, 기계및복합추진체계탑재를가정하여연간운항중발생하는각각의연료소비량에대한시뮬레이션을설계및수행하였다. Fig. 8 Flow of simulation for fuel consumption 시뮬레이션용가상함정의연간운항프로파일은전투함정의운항프로파일을참고하여설정하였고, 기계및복합추진체계에동일한운항프로파일을적용하여시뮬레이션을수행하였다. 그리고추진체계별로연간연료소비량을비교및분석하여에너지효율측면에서복합추진체계가가지는이점을살펴보 - 8 -
았다. 본논문은아래와같은순서로구성되어있다. 제2장에서는해군함정의종류와함정용추진체계, 그리고군수지원함의제원을살펴보았다. 제3장에서는함정추진체계의구성과마력및효율의계산방법, 그리고함정의평가인자를살펴보았다. 제4장에서는시뮬레이션대상이되는가상함정을설정하며, 운항프로파일, 운항모드, 연료소비량산출방법을정리하였다. 제5장에서는추진체계별로연간연료소비량을시뮬레이션하여결과를그래프로나타내었으며, 6장에서결론으로끝을맺었다. - 9 -
제 2 장해군함정과함정용추진체계 2.1 해군함정의종류우리나라해군에서운용하고있는함정의종류에는여러가지가있으나, 본논문에서는잠수정및잠수함을제외한수상함에대하여조사한자료를바탕으로각함정의종류별특징을정리하였다. 일반적으로전투능력이가장중요한요소로평가되는전투함의경우에는함정의기동성이중요하기때문에함정의기본및상세설계시에함정의최고속력을높게설계하게된다. 구축함의경우를예로들면, 약 5,000 ton 이상의만재배수량을가지면서최고속력은 30 knot 이상으로설계되어운용되고있다. 호위함은만재배수량이약 3,000~5,000 ton, 초계함은약 1,000 ton의만재배수량을갖는다. 이두함정은구축함보다크기와배수량이작고최고속력은비교적빠른편이다. 고속정은만재배수량이 100~500 ton 정도이고, PKM 참수리급이약 37 knot, PKG 윤영하급이 44 knot 로해군함정중에서가장빠른편으로, 중 소형의전투함및경비정은일반적으로최고속력이약 30 knot 이상이라는것을알수있다 [9]. 해군은수송함, 상륙함, 군수지원함등의함정도운용하고있는데, 이함정들은배수량과상관없이함정의기본및상세설계에있어서전투함정에비하여최고속력을비교적낮게설계한다. 그이유는함정의기동성이작전수행능력과큰연관이없기때문이다. 따라서같은기계추진체계를탑재한함정이라고해도주요임무와작전수행능력에맞게추진기관과추진방식은다르게설계된다. Table 3은해군에서운용하고있는함정의유형과각각의주요임무를간략하게설명하고있다. - 10 -
Table 3 Type of naval vessels [8,9] Figure Type of vessel Main task 구축함 DDH, Destroyer Helicopter DDG, Destroyer Guided missile 대잠, 대공, 대함작전을동시에 수행할수있는중소형전투함 호위함 FF, Fast Frigate 구축함보다소형, 고속이고 경무장을탑재하여주로해상전, 정보수집및관측등의임무를수행 초계함 PCC, Patrol Combat Corvett 호위함의열세한대잠및대함 능력을갖추어연 근해의 초계임무를수행 고속정 PKM, Patrol Killer Medium PKG, Patrol Killer Guided missile 주로연 근해의경비임무를수행 대형수송함 LPX, Landing Plantform Experimental LPH, Landing Plantform Helicopter 병력, 탄약등을대량으로운반할 수있는함정 상륙함 LST, Landing Ship Tank LSH, Landing Ship Heavy 병력, 탄약등을적의해안이나 작전지역에상륙 군수지원함 AOE, combat support ship 장기간의해상작전에서지속적인 임무수행을위해유류, 탄약, 청수 등의군수물자를보급 - 11 -
2.2 함정용추진체계의종류 2.2.1 기계추진체계기계추진체계는기존에운용중인대다수의선박및함정에탑재되어있다. 일반적으로디젤엔진을이용하여축을회전시키고프로펠러가배의추진력을발생시키는경우를대표적인사례로들수있다. 또해군함정과같이고속의추진력이필요한경우에는가스터빈엔진과같은고출력의추진기관을탑재하여운용하기도한다. 디젤엔진과가스터빈엔진같은추진기관들은선박이나함정의전력부하에는관여하지않고기타전기기기의도움없이오로지축을회전시킴으로써추진력을발생시키기때문에이런방식의추진체계를 기계추진체계 (mechanical propulsion system) 라고한다 [10,11]. 해군함정은일반적으로 2개의축을가지고있으며하나의축에 1대혹은 2 대의추진기관이연결된다. 탑재되는기계추진체계의종류에는순항및고속구간에서모두디젤엔진을사용하는 CODAD (COmbined Diesel And Diesel), 순항및고속구간에서모두가스터빈엔진을사용하는 COGAG (COmbined Gas turbine And Gas turbine), 순항속력구간에서는디젤엔진을사용하고고속구간에서는디젤엔진과가스터빈엔진을함께사용하는 CODAG (COmbined Diesel And Gas turbine), 그리고순항속력구간에서는디젤엔진을사용하고고속구간에서는가스터빈엔진만을사용하는 CODOG (COmbined Diesel Or Gas turbine) 가있다. 추진체계의종류를보면하나혹은두개의축에 2대이상의추진기관이탑재되는경우가많은데, 영문표기가의미하는것처럼추진체계의종류를나타낼때최고속력에서탑재된추진기관을동시에운전하는경우 And 로표현하고, 순항및최고속력에서운전하는추진기관이서로다른경우에 Or 로표현한다. Table 4는기계추진체계의종류와특징을설명하고있다. - 12 -
Table 4 Type of mechanical propulsion systems [8] Classification Configuration Operation CODAD system DE and DE installed on AOE, LST ect. Cruising speed Maximum speed COGAG system GT and GT installed on DDG ect. Cruising speed Maximum speed CODAG system DE and GT installed on PCC ect. Cruising speed Maximum speed CODOG system DE or GT installed on FF ect. Cruising speed Maximum speed - 13 -
2.2.2 복합추진체계복합추진체계는함정이순항속력이하의저속으로운항할때, 즉추진용내연기관의부하율이낮아지는조건에서는함정의소음과진동이커지고연료효율이낮아지므로이러한문제를해결하기위하여추진용전동기를탑재한추진체계이다. 디젤엔진이나가스터빈엔진과같은내연기관은부하율이낮은조건에서연소상태가악화된다. Fig. 9를보면저부하구간일수록가스터빈엔진의연료소비율이높아진다. Fig. 9 Specific fuel consumption curve of Gas turbine 해군함정은운항중방사소음이클수록적의잠수함에게노출되기쉽기때문에함정의생존성에치명적인결과를초래한다. 따라서부하율이낮을경우에는추진용내연기관대신에추진용전동기를이용하여함정을운항하는것이 복합추진체계 (hybrid propulsion system) 의특징이다. 이는 2010년 3월 26 일, 백령도부근에서발생한 천안함피격사건 이후함정의대잠능력을강화하는방안의일환으로대한민국해군에있어그중요성이더욱커졌다. 또한복합추진체계는연료효율을향상시킨다는점에서국제원유가격으로 - 14 -
부터받게되는영향을감소시킬수있다. 이는함대규모가커질수록운영및관리에필요한국방예산을절약할수있는장점을가지고있다. 또한환경오염이국제적인문제로대두되면서해상에서발생하는질소산화물 (NOx) 및황산화물 (SOx) 등의배출규제가강화되었는데, 복합추진체계는이러한배출가스를절감할수있어지속적으로연구및개발되고있다 [12,13]. 향후발전기와컨버터등의전력변환효율등전력 전자 전기기술이발전함에따라그효과는더욱뚜렷해질것으로보인다. 복합추진체계의종류에는 CODLOG (COmbined Diesel-eLectric Or Gas turbine) 와 CODLAG (COmbined Diesel-eLectric And Gas turbine) 가있다. 이두가지방식은모두순항속력이하일때디젤발전기를이용하여추진용전동기만으로함정의추진력을발생시키는데, 고속구간에서가스터빈엔진만운용하는방식을 CODLOG, 추진용전동기와가스터빈엔진을모두운용하는방식을 CODLAG라고한다. 앞서설명한방식과조금다른것으로복합추진체계의일종인 HED가있다. 이는 1990년대초반에미국의 DDG-51 알레이버크 (Arleigh Burke) 급구축함의연료효율을향상시키기위해연구된것으로기존의기계추진체계에전동기를추가로설치하여함정의저속운항시연료소비량을감축하는것이그목적이라고할수있다. 초기 DDG-51 알레이버크급구축함에는 COGAG 방식의추진체계가탑재되어있었는데, 여기에추진용전동기가추가되었으므로 HED는 COGAG 추진체계를개조하여연료효율을높인방식이라고볼수있다 [14]. 복합추진체계는함정의작전상황과운항속력에따라탑재된추진기관을선택적으로운용함으로써보다효율적인운항이가능하다. 예를들어평상시에는운항속력에따라저속구간에서는전동기를, 고속구간에서는디젤엔진이나가스터빈엔진을이용하고, 전투중에는최대출력으로운항하는등, 여러운항모드로구동할수있다. Table 5는복합추진체계의종류와특징을나타낸것이다. - 15 -
Table 5 Type of hybrid propulsion systems [8] Classification Configuration Operation CODLOG system PM or GT installed on T Y P E - 2 3 ( F F, UK) F R E M M ( F F, France) Cruising speed Maximum speed CODLAG system PM and GT installed on T Y P E - 2 6 ( F F, UK) F R E M M ( F F, Italy) Cruising speed Maximum speed HED system PM or GT installed on DDG-51(DDG, USA) Cruising speed Maximum speed 2.2.3 전기추진체계차세대무기체계기술이발달하면서대공및미사일방어레이더인 AMDR, 레이저무기체계인 LaWS, 레일건, 자유전자레이저 (free electronic laser) 등의높은전력을요구하는장비들이연구되고있으며, 그중일부는함정에탑재되고있는실정이다. 이에따라차세대전투함정에서는재래식무기체계가탑재된함정에서의전력소모량보다월등히높은전력이필요하다. 이함정들 - 16 -
은전력생산을위하여디젤엔진이나가스터빈엔진같은내연기관을운용하 고있고, 함정의추진을위해서는추진용전동기만을운용하고있기때문에 전기추진체계 (electric propulsion system) 라고부른다. Fig. 10 Increasing electric power demand on naval vessel [15] 앞서언급한것처럼전기추진체계에서는함정의추진력을생산하는추진기관으로써내연기관을채택하지않고있다. 순항속력이하로운항할때추진용전동기로추진력을얻는복합추진함정같은경우에도고속구간에서는내연기관을운용하고있지만, 전기추진함정은모든항속구간에서추진용전동기를운용하고, 디젤엔진이나가스터빈엔진같은내연기관은오직함정에서요구하는충분한전력을생산하기위하여운용되는것이큰차이점이다. 전기추진체계를가리키는용어에는통합동력시스템 ( IPS, Integrated Power System) 과통합전기추진 ( IEP, Integrated Electirc Propulsion) 등이있다 [3,11]. 전기추진체계가등장하기전에는추진체계에필요한추진기관과함정의전력생산을위한발전체계가별도로구성되어있었으나, 해상에서의전장환경이복잡해지고함정임무의다목적화및생존성의극대화등군사과학기술에대한다양한요구가차츰이루어지면서함정에서요구하는전력량이대폭증대되었다. 이에따라추진기관과발전기관을구별하지않고발전기관의용량을증대시킴으로써통합적으로운용하게되었다. 이에따라기존까지주로추진기관으 - 17 -
로탑재되었던디젤및가스터빈엔진이발전기의역할을수행하게되며, 소요전력량의각단계마다이들엔진의운전대수와부하율을조정하게된다. 즉, 함정의소요전력량에따라서 DG (Diesel Generator) 와 GTG (Gas Turbine Generator) 를선택적으로운용하게된다. IPS가적용된실제함정중대표적인것으로영국해군에서운용하고있는 TYPE-45 DDGHM (Destroyer with Guided missiles, Helicopter hangar and surface-to-air Missiles) 과미국해군에서운용중인 DDG-1000 이있다 [8]. 이런전투함정들은기본적으로높은전력을요구하는레이더무기를비롯한많은전자무기체계가탑재되어있으며, 가스터빈엔진이비교적높은연료효율로운용될수있어전기추진체계의이점을최대화할수있다. Fig. 11은전기추진체계를탑재한미해군의 DDG-1000을나타내고있으며, Table 6은전기추진체계의운용방식을간략히나타내고있다. Fig. 11 DDG-1000 Zumwalt class destroyer [8] - 18 -
Table 6 Type of electric propulsion systems [8] Classification Configuration Operation IPS IEP system IFEP system only PM installed on DDG-1000 (DDG, USA) TYPE-45 (DDG, UK) Cruising speed Maximum speed 2.3 군수지원함의운용및제원 2.3.1 개요본논문에서는함정의연간연료소비량에대한시뮬레이션을수행하기위하여대한민국해군에서운용중인군수지원함의제원을참고하였다. 군수지원함은해군함대가오랜기간동안작전을수행할때연료유, 윤활유, 청수등을해상에서보급하는역할을수행한다. 작전기간이길때해상보급이반드시필요한데, 이때보급이필요한함정에근접하여대상함정이필요로하는군수물품을보급및지원하는것이군수지원함이다 [9,17]. 군수지원에는일반적으로두가지방법이있는데, 육상의기지에부대가직접접근하여필요한지원을받는것을 육상근접지원 이라고하고, 해상에서군수지원함이대상함정에접근하여군수보급및지원을수행하는방법을 해상기동군수지원 이라고한다. 육상근접지원같은경우작전에투입될군수지원함이필요하지않기때문에경제적인측면에서는이점을갖지만, 육상에있는기지에서만보급이이루어지기때문에해상에서작전중인함정도기지로접근해야만하는치명적인단점을갖고있다. 이에해외강대국들은앞 - 19 -
서설명한것처럼함대의지속적인작전및임무수행을위하여해상에서의군수지원을위한전력을양성하였으며, 이런운용현황은대양해군으로의발전을준비하는대한민국해군에게많은것을시사한다 [17]. Fig. 12는해상기동군수지원중인 HMAS Sirius를보여주고있다. Fig. 12 Replenishment of HMAS Sirius [16] 2.3.2 국내 외운용현황및제원현재대한민국해군에서는 AOE 천지급함정 3 척을군수지원함으로운용하고있다. 1991 년에 AOE-57 천지함을시작으로, 1997 년에 AOE-58 대청함, 1998 년에 AOE-59 화천함이순서대로건조되었다. 배수량은경하약 4,200 ton, 만재약 9,113 ton이며, 추진기관으로디젤엔진 2 대가 2 개의축에각각연결되어있다. 항속거리 ( 한번보급받은상태에서운항할수있는가장먼거리 ) 는약 8,300 km이며, 최고속력과순항속력은각각 20 knot, 15 knot로설계되었다. Table 7, 8은국내 외해군에서운용하고있는여러군수지원함의제원을나타내고있다. - 20 -
Table 7 AOE chun-ji class combat support ships of ROK Navy [8,9] Name AOE-57 Chun-ji AOE-58 Dae-cheong AOE-59 Hwa-cheon Figure Commission 1991 1997 1998 Propulsion system Displacement (ton) Speed Length Beam Draught Range CODAD (COmbined Diesel And Diesel) Diesel engine 2 EA / Shaf t 2 EA 6,400 HP (approx. 4,800 kw) each 4,200 (light) / 9,113 (full) 20 knot (max.) / 15 knot (cruising) 136 m 17.8 m 6.5 m 8,300 km / 4,500 nm - 21 -
Table 8 Propulsion system of naval support vessels [8] Propulsion system 단순연결 or CODAD Name (Type) Fort Victoria (Replenishment oiler) Berlin (Replenishment oiler) Durance (Replenishment oiler) Karel Doorman (Support ship) Towada (Support ship) Operator Displacement Max. speed (ton) (knots) UK 32,800 20 Germany 20,240 20 France 17,800 19 Netherlands 28,250 18 Japan 15,000 22 Engines & Generator 2 Shaft DE 1EA 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft Diesel-electric 2 Shaft DE 2 EA Hwa-cheon (Support ship) Korea 9,110 20 2 Shaft DE 2 EA Etna (Auxiliary ship) Italy 13,400 18 2 Shaft DE 2 EA Table 7, 8에서확인할수있듯이만재배수톤수와최고속력, 축과추진기관의개수등에서는차이가있지만추진체계는대부분디젤엔진만으로이루어져있는기계추진체계를탑재하고있다. 최근에는이러한추세에도변화가생기고있어함정의정숙성및연료의효율향상등을위하여디젤발전기를이용하여전동기로추진하는복합추진체계를탑재하는군수지원함도건조되고있다. - 22 -
제 3 장함정의추진체계구성및평가방법 3.1 추진체계의구성일반적으로선박이나함정의설계과정에서는주요임무및부수적임무와함께운항속력, 항속거리, 선체구조및강도, 복원성능, 조종성능등을고려하게된다. 상선의경우에는그과정에서화물의종류및적재량, 운항성능에따른경제성등이중요한요소로작용하지만해군함정의경우에는전투능력이우선적으로고려된다. 함정의전투능력은추진체계에따른최고속력과최대작전거리, 무기체계에따른탐지거리와사정거리등에의하여결정되는데, 함정의추진체계를설정할때는임무수행의성격을고려해야한다. 예를들어구축함, 호위함등과같이전투임무를주로수행하는함정의경우우수한기동성을갖추어야하므로가스터빈엔진을탑재하여기동성을극대화하게되지만, 상대적으로추진기관의효율이나함정운용의경제성은중요도가낮아지게된다. 반면에전투가주요임무가아닌경우에는디젤엔진을탑재함으로써최고속력을비교적낮게설계하여운용한다. Table 9, 10을통하여실제로국내 외해군에서운용중인함정들이어떤추진체계를통하여운항되고있는지알수있다. 먼저 Table 9는기동성이강조되는전투함정들을보여주고있는데, 고속운항시에는거의모든전투함정들이가스터빈엔진을운용함으로써높은추진력을얻는것을알수있다. 또 Table 10은해상보급유조선이나상륙함, 강습함등전투외의임무를수행하는함정들을보여주고있다. 국내에서운용중인함정뿐만아니라상당수의함정이 20 knot 내외의최고속력으로운항되고, 모든속력구간에서디젤엔진을운전함으로써추진력을얻는것을알수있다. - 23 -
Table 9 Propulsion system of frigates and destroyers [8] Propulsion system CODOG CODAG CODLOG CODLAG IPS Name(type) FFX Batch-I (Frigate) Lupo (Frigate) Georges Leygues (Frigate) F-124 (Frigate) F-310 (Frigate) FREMM (Frigate) TYPE-26 (Frigate) TYPE-23 (Frigate) F-125 (Frigate) FREMM (Frigate) DDG-1000 (Destroyer) TYPE-45 (Destroyer) Operator Displacement Max. speed (ton) (knot) Korea 3,250 30 Peru 3,000 35 France 4,500 30 Germany 5,800 29 Norway 5,290 28 France 6,000 27 UK 8,000 26 UK 4,800 28 Germany 7,200 26 Italy 6,700 29 USA 14,500 33 UK 8,500 30 Engines & Generator DE 2 EA GT 2 EA DE 2 EA GT 2 EA DE 2 EA GT 2 EA DE 2 EA GT 1 EA DE 2 EA GT 1 EA EM 2 EA DG 4 EA GT 1 EA EM 2 EA DG 4 EA GT 1 EA EM 2 EA DG 4 EA GT 2 EA EM 2 EA DG 4 EA GT 1 EA EM 2 EA DG 4 EA GT 1 EA EM 2 EA GTG 4 EA EM 2 EA DG 2 EA GTG 2 EA - 24 -
Table 10 Propulsion system of naval support vessels [8] Propulsion system Name (type) Berlin (Replenishment oiler) Durance (Replenishment oiler) Etna (Auxiliary ship) Operator Displacement Max. speed (ton at full load) (knots) Germany 20,240 20 France 17,800 19 Italy 13,400 18 Engines & Generator 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA Towada (Support ship) Japan 15,000 22 2 Shaft DE 2 EA CODAD Absalon (Support ship) Hwa-cheon (Support ship) Ōsumi (Landing ship Tank) HMS Ocean (Landing platform helicopter) Denmark 6,600 24 Korea 9,110 20 Japan 14,000 22 UK 21,500 18 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA 2 Shaft DE 2 EA Galicia class (Landing platform dock) Spain 13,815 20 2 Shaft DE 4 EA San Antonio class (Amphibious transport dock) Dokdo class (Amphibious assault ship) US 25,300 22 Korea 18,800 23 2 Shaft DE 4 EA 2 Shaft DE 4 EA IPS Mistral class (Amphibious assault ship) Rotterdam (Landing platform dock) France 21,300 18.8 Netherlands 14,000 19 A z i m u t h Thruster 2 EA DG 4 EA 2 Shaft DG 4 EA EM 4 EA - 25 -
3.1.1 추진기관일반적으로해군함정에는출력이큰내연기관을탑재하며, 위 Table에서살펴본것처럼전투및초계임무를수행하는함정에서는빠른기동성을위하여가스터빈엔진을탑재하고있다. 그러나군수지원함을비롯한상륙함등의전투지원함은고속운항의비중이상대적으로작아가스터빈엔진대신디젤엔진을탑재하는경우가많으며, 또한연료효율에있어서도디젤엔진이상대적으로우수하기때문에 CODAD 추진체계를주로탑재하고있다. 따라서본논문에서도추진기관으로써디젤엔진을선정하였으며 Table 11을추진기관의사양으로설정하였다. Fig. 13 MAN V28/33D diesel engine [18] Table 11 Engine specification [18] Bore 280 mm Stroke 330 mm Cylinders 12 Power output 6,000 kw Output/cylinder 500 kw Speed 1,032 rpm Mean effective pressure 28.6 bar Mean piston speed 11.35 m/s Specific fuel consumption 194 g/kwh - 26 -
3.1.2 추진전동기본논문에서는기존의기계추진체계에서디젤엔진만을이용하여운항하는경우와, 복합추진체계에서추진전동기를탑재하여디젤엔진과함께운용하는경우를비교하였다. IEP와같이함정의추진에필요한부하와함내무기체계와거주공간에필요한전력을통합한경우에는추진전동기가모든속력구간에서필요한함속을낼수있어야하므로전동기의용량이아주커지지만, 저속구간에서만전동기를기동한다면비교적작은용량의전동기를선정하게된다. 일반적으로발전기의용량은함정의운용에있어최대소요전력량보다 10~20 % 의여유를주어설계하게되는데, 추진전동기의용량은최대소요전력량과전력마진, 함정의소요마력등을고려하여산정해야한다. 본논문에서는함정의소요전력량은고려하지않았으며, Table 12를참고하여추진전동기의용량을설정하였다. Fig. 14 GE AIM (Advanced Induction Motor) [19] Table 12 Motor specification [19] Stator voltage 3,000 ~ 4,000 V Frequency range Typically up to 15Hz Power factor Typically > 0.8 Power 5,000 ~ 40,000 kw - 27 -
3.1.3 감속기어및클러치 1) 감속기어 (reduction gear) 디젤엔진이나가스터빈엔진과같은내연기관은일반적으로빠른속도로회전하기때문에이들을축에연결하여원동기 (prime mover) 로사용할때는회전속도를적절하게줄여야추진효율이좋다. 이때원동기의축에는작은기어를설치하고, 동력을전달받는축에는큰기어를설치하여맞물리게하면두기어의기어비 (gear ratio) 에따라서회전속도를조절할수있다. 이와같이기어를이용하여회전속도를낮추는것을 감속기어 (reduction gear) 라고하며, 일반적으로지름이서로다른여러개의기어를조합하여구성한다. Fig. 15 Pitch circle of meshing gears [8] 맞물려있는두기어에서동력을전달하는기어 A의반지름을, 각속도를 라고하고, 동력을전달받는기어 B의반지름을, 각속도를 라고하면, 피치원 (pitch circle) 의접점에서의속도 는일반적으로식 (1) 과같이표현할수있다 [8,20]. (1) 여기서맞물린두기어의관계를식 (2) 와같이정리할수있다. - 28 -
(2) 위수식에서 와 는각각기어 A 와 B 의이 (teeth) 의개수를나타내고, 한 쌍의기어가보이는기계적확대율 (mechanical advantage) 은식 (3) 과같이두 기어의토크 의비로나타낼수있다 [8,20]. (3) 2) 클러치 (clutch) 동력원사이에서일종의스위치같이동작하는기계장치로, 클러치는동력전달과차단이자유로워회전력을전달하는장치로사용된다. 클러치는동력을전달하는축과전달받는축을잇는접촉지점으로볼수있고, 두축을이어주거나떼어내는동작을자유롭게수행할수있기때문에함정에서는운항조건에따라서로다른추진기관을운용할때감속기어, 축등으로동력을전달하거나차단하는목적으로사용한다 [21]. Fig. 16 SSS clutch for marine propulsion [22] - 29 -
3.1.4 축계및프로펠러축계와프로펠러는추진기관으로부터발생한동력을추진력으로변환하는역할을한다. 일반적으로컨테이너운반선이나자동차운반선과같은상선에서는프로펠러의날개가고정되어있는 고정피치프로펠러 (FPP, Fixed Pitch Propeller) 를설치하고, 해군함정이나예인선, 트롤선, 쇄빙선등과같이조종성능이중요하거나역회전이불가능한가스터빈엔진만탑재된경우에는프로펠러날개의각도를바꿀수있는 가변피치프로펠러 (CPP, Controllable Pitch Propeller) 를설치한다. Fig. 17 Fixed pitch propeller Fig. 18 Controllable pitch propeller 프로펠러가회전할때는이론상으로이동하는거리와실제로이동한거리의차이가발생하며이를슬립 (slip) 이라고한다. 반지름 에대한프로펠러의면적을임의로설정했을때, 프로펠러의슬립은식 (4) 와같은관계를갖는다 [8,23]. (4) 여기서 는이론상으로나아간거리, 는실제로나아간거리, 는전진 계수 (advance coefficient), 는피치비 (pitch ratio) 를의미하며, 여기서 와 는 무차원이다. - 30 -
전진계수 는프로펠러회전속도와직경, 그리고선속에따라주어지는값 으로식 (5) 와같이표현할수있다. (5) 또한피치비 는식 (6) 과같이프로펠러피치와직경의비이다. (6) 프로펠러의추력 와토크 는모두작동유체의특성과함께프로펠러직경, 회전수, 그리고전진속도 에대한함수이다. 프로펠러의추력 는식 (7) 로표현할수있다 [8,23]. (7) 은전진계수에대한함수, 는 Reynolds 수에대한함수, 은 Froude 수 에대한함수이며, 일반적인조건에서 와 은모두 에비하여작다. 따라 서이를다음과식 (8) 과같이간략화할수있다. (8) 프로펠러추력 처럼프로펠러의토크 도식 (9) 와같이간략히나타낼수 있다 [8,23]. (9) 위두수식에서 는작동유체의밀도를의미한다. 해수의밀도는염분이증 가함에따라커지며, 일반적으로 1,024~1,030 kg/m 3 의범위에속한다. 3.2 마력과효율의종류및계산 일반적으로추진기관으로부터발생한동력을표현할때는 마력 (HP, Horse Power) 단위를사용한다. 함정추진기관에서발생한동력은기계적손실이발 - 31 -
생하므로측정하는위치에따라서차이가생기며, 추진기관및추진기에따라 동력을계산하는방법이다음과같이달라진다. 3.2.1 추진기관 1) 지시마력 (IHP, Indicated Horse Power) 기관의실린더내부에서발생하는힘을가리킨다. 지압선도의면적을계산하여구할수있으며도시마력이라고도한다. 지시마력은식 (10) 과같이나타낸다 [24]. (10) ( : 평균유효압력 [Pa], : 행정 [m], : 실린더단면적 [m 2 ], : 분당회전수 [rpm]) 2) 제동마력 (BHP, Brake Horse Power) 크랭크축끝단에서측정한마력으로, 지시마력에서피스톤, 베어링등의각부손실을제외한기관출력단의마력을의미하며식 (11) 과같이나타낸다. (11) 여기서 는기계효율이고, 식 (12) 와같이제동마력과지시마력의비이다. (12) 3) 전달마력 (DHP, Delivered Horse Power) 제동마력이프로펠러까지전달되기전에메인베어링, 선미관등에서발생하는손실을제외한것으로이를전달마력이라고한다. 실질적으로프로펠러에전달되는힘으로식 (13) 과같이표현할수있다 [24]. (13) 여기서 는전달효율이고, 식 (14) 와같이전달마력과제동마력의비이다. - 32 -
(14) 3.2.2 프로펠러 1) 추진마력 (THP, Thrust Horse Power) 프로펠러가회전하여추력 에의하여함정이속력 로전진한다면, 이때프로펠러에서발생한힘을추진마력이라고한다. 식 (15) 에서분모에나누어진수는마력의단위로표현하기위하여쓰였다 [24]. (15) 2) 유효마력 (EHP, Effective Horse Power) 함정이어떤속력 로전진하고자할때필요한동력으로식 (16) 과같이 계산할수있다. 은선체저항이다. (16) 3) 추진효율 (P.E, Propulsive Efficiency) 추진효율은추진계수 (P.C, Propulsive Coefficient) 라고도하고, 프로펠러와선체의관계를나타내며, 선체저항이 이고속력 로전진할때의마력 를이용하여식 (17) 과같이계산할수있으며, 또한추진효율은배를추진하는유효마력과추진기관에의하여발생된제동마력 ( 정미마력 ) 의비라고할수있다 [24]. (17) 3.2.3 소요마력산출방법 선박이나함정이원하는속력으로운항하기위해서는추진기관에서부터프로 펠러까지동력이전달되는과정에서발생하는기계적손실뿐만아니라바람과 - 33 -
물에서기인하는선체저항등을함께고려해야한다. 이때주어진속력으로운항하기위하여필요한추진기관의마력을산정할때다음과같은방법을사용한다. 1) 모형수조시험에의한방법일정한축척의모형선을이용하여수조시험을수행하고, 그결과를바탕으로실제마력을추정하는방법이다. 모형선의수조시험에서도출한총저항을실선의총저항으로환산하여유효마력을산출한다 [25]. 2) 비교법칙의응용에의한방법실선과상사선 ( 相似船 ) 의실제지시마력을각각, 라고가정하면, 비교법칙에의하여다음식 (18) 이성립한다. (18) ( : 배수량 [ton], : 속력 [m/s]) 여기서상사선의마력, 배수량, 속력 를대입하고실선의배수량, 속력 를알면 를비교적쉽게구할수있다 [25]. 3) 해군계수 (admiralty coefficient) 에의한방법함정이어떤속력으로운항하기위하여필요한추진기관의동력은배수량 의 2/3 제곱과함정의속력 의 3 제곱에비례하는것으로가정하고, 이때의비례상수를해군계수 로정의하며, 다음식 (19) 와같이계산한다 [24,25]. (19) 본논문에서는 AOE-59 화천함의최대추진마력과배수량, 그리고최고속 력을바탕으로 을계산하였고, 을바탕으로가상함정의최대소요마 력을계산하였다. - 34 -
Fig. 19 Calculation of maximum horsepower requirements 이 295인것은일반적으로해군함정이약 150의 을갖는점에비하면다소큰값이지만, 군수지원함은해상기동작전중에 RAS (Replenishment At Sea) 및 FAS (Fueling At Sea) 등의해상군수지원을수행하기때문에함정의형상이전투함정과는다소차이가있을것으로판단하였고, 또한화객선과대형화물선의해군계수 이약 230~270의값을갖는점에착안하여계산결과에따라해군계수 을 295로설정하였다. Fig. 20 The replenishment oiler HMAS Sirius [8] Fig. 20은오스트레일리아해군에서운용중인군수지원함 HMAS Sirius (O266) 가미해군의강습상륙함 USS Juneau (LPD-10) 에해상군수지원을수행하고있는모습이다. 사진을통하여두함정의형상에차이가있는것을확인할수있다. - 35 -
3.3 평가인자의정량화및비교방법일반적으로상선에서는선박을건조하는데서오는비용부터화물운반시에발생하는연료, 유지및보수에필요한기부속비용과인건비등의경제성이중요한평가인자가될것이다. 그러나해군함정에서는그특성상다음과같은평가인자들이있다 [26]. 3.3.1 함정평가인자 1) 전투능력전투능력은함정이갖추어야할능력중가장우선시되어야할부분일것이다. 일반적으로함정에탑재되는함포, 미사일, 레이더등의무기체계에따라서결정되는탐지능력, 화력의사정거리등을예로들수있다. 함포나미사일의적재수량또한전투능력에반영되는데, 여기에는함정의중량과연결되기때문에트레이드오프 (trade off) 가발생한다. 함정이작전해역까지이동하는데걸리는시간이나작전을오래수행할수있는능력등, 추진체계에따라결정되는기동능력과조종성능, 작전지속시간및최대작전범위도전투능력으로분류되는데, 이런경우는해상보급등의여부에따라달라지므로군수지원함의역할이크게작용하는부분이라고할수있다. 2) 운용성군사용어에서 운용 ( 運用 ) 의사전적인의미는, 어떤임무나작전을수행함에있어부대및장비를그기능과성능에따라적절하게사용하는것이다. 따라서해군함정이가지는목적및주요임무에따라탑재된추진체계에서부터무기체계, 거주를위한환경및복지시설, 운용에필요한인력, 유지 보수에필요한비용및주기, 신뢰성, 운용상의배치성등이포함될것이다. 또한함대와같이여러함정이함께기동하는경우에있어종류가다른함정들사이의상호운용성도고려될것으로판단된다. 3) 경제성 - 36 -
함정운용에있어서경제성은장비구입비, 주요무기및추진체계탑재비용을비롯하여함정의퇴역전까지지속적으로발생하는인건비, 유지 보수에따른비용, 각종소모품및기부속, 그리고연료유등에따라달라진다. 따라서이러한요소들에한정된재화를얼마나적절하게분배하고투입하는지가중요하다. 일반상선에서는적은연료유를싣고얼마나멀리까지화물을운송할수있는지가화물의적재량만큼이나중요하게여겨진다. 군함의경우에도먼거리의해역까지작전을수행할수있다면그만큼작전반경및최대항속거리가확장되는것으로볼수있고, 이러한함정은우수한경제성을갖추었다고볼수있을것이다. 또한우수한연료효율이작전수행능력과도연관된다. 따라서연료효율의개선은경제성을높이는절약적인차원에서만의미가있는것이아니라, 함정의전투능력을향상시킬수있는부분으로작용한다. 3.3.2 정량화및비교방법본논문에서는추진체계별연료소비량을비교하기위하여디젤엔진과추진전동기를선정하였다. 또한실제전투함정의운항프로파일을바탕으로가상함정의운항프로파일을설정하여각추진체계의연간연료소비량을비교하기위한시뮬레이션을수행하였다. 운항시연료소비량을줄임으로써작전중해상보급의횟수를줄이는것이함정의작전수행능력과운항효율을향상시켜전투능력에영향을줄수있기때문에우선적인비교인자로선정하였다. 시뮬레이션은 NI (National Instrument) 사의 LabVIEW를이용하여수행하였으며, 이는해상에서함정의운항에따라추진체계에서발생하는연료소비량을고려한것이다. Table 13은추진체계의구성과운항프로파일을나타내고있다. CODAD 추진체계는디젤엔진 2대, CODLOD 및 CODLAD 추진체계는추진전동기 2대와디젤엔진 2대로구성하였다. 운항프로파일은단기 (short-term) 및장기 (long-term) 작전의두가지로나누어각추진체계에동일하게적용하여연료소비량결과를산출하였다. 함정의운항프로파일을설정하는과정은 4장에서설명하였다. - 37 -
Table 13 Method of comparison and analysis of simulation Propulsion Propulsion Operating Fuel engine system profile Consumption DE 2 CODAD system Short-term duty Comparison & Analysis PM 2 DE 2 CODLOD / CODLAD system Long-term duty - 38 -
제 4 장가상함정및시뮬레이션설정 4.1 가상함정설정본논문에서는대한민국해군에서운용하고있는실제함정을바탕으로시뮬레이션의가상함정을설정하였다. Table 14는대한민국해군에서운용하고있는 AOE-59 천지함의제원을보여주고있다. Table 14 Specification of Hwacheon(AOE-59) [9] Figure Name Hwacheon (AOE-59) Type Chunji-class fast combat support ship Commissioned in 1998 Displacement (ton) Full 9,113 Light 4,200 Load capacity (ton) Oil 4,200 etc. 450 Length (m) 136 Beam (m) 17.8 Draught (m) 6.5 Propulsion Engine Two Diesel engines (CODAD system) Power 12,800 HP ( 9,548 kw) Speed (knot) Maximum 20 Cruising 15 Max. cruising range 8,300 km ( 4,481 NM) - 39 -
일반적으로연중악조건에속하는겨울철을기준으로선박이나함정을설계하기때문에 Table 14를통하여확인할수있는제원은겨울철을기준으로설계된것으로간주하였고, 본논문의가상함정도여름철을기준으로설계하였다. 또한 Table 14의제원으로부터가상함정을설정할때함정의배수량, 추진체계와최대출력, 그리고최고속력을참고하였다. Table 15는가상함정의제원을간략하게나타내고있으며, 연간연료소비량의측면에서기계및복합추진체계가보이는차이점을확인하기위하여동일한제원에서로다른추진체계를적용하였다. CODAD 추진체계는 6,000 kw 디젤엔진 2대, CODLOD 및 CODLAD 추진체계는 1,500 kw 전동기 2대와 6,000 kw 디젤엔진 2대를탑재한것으로설정하였다. 함정의만재배수량은 9,500 ton이며, 최고속력과순항속력은각각 20 knot, 15 knot이다. Table 15 Specification of virtual vessel Classification Virtual vessl Type CODAD system CODLOD system CODLAD system Propulsion Power DE 2 EA 6,000 kw each PM 2 EA 1,500 kw each at lower speed DE 2 EA PM 2 EA 1,500 kw each at lower speed DE 2 EA 6,000 kw each at higher speed 6,000 kw each at higher speed Configuration Displacement 9,500 at full load (ton) Maximum 20 Speed (knot) Cruising 15-40 -
4.2 운항프로파일추정기관의동력에따른연료소비량을산출하기위하여실제함정의추진체계측면에서는함정의운항속력보다는기관의출력이더큰의미를가지겠지만, 운항속력에따른기관의출력을매순간정밀하게산출해내는데는어려움이따른다. 이에본논문에서는운항프로파일에따른속력값을순차적으로입력함으로써그에따른연료소비량을구하였으며, 가상함정의운항프로파일은전투함정의운항프로파일을참조하여설정하였다. 또한작전및임무수행시의해상조건등많은변수가존재하기때문에실제해군에서운용하는함정의운항속력과시간비율을바탕으로군수지원함의특성을바탕으로연간운항프로파일을추정하였다. Fig. 21 Operating profile of naval vessel [26] Fig. 21은전투함정의연중운항기간을나타내고있다. 그림에따르면, 일반적으로함정은연간약 9 개월의운용기간을가지고, 약 3 개월의정비기간을가진다. 운용기간중절반은항내에서대기하고나머지절반은해상에서기동한다. 해상기동시에는운항시간중약 80 % 를순항속력이하로운용하고, 약 20 % 를순항속력이상으로운용한다. 하지만본운항프로파일은전투함정에대하여추정한것으로군수지원함의운항성격과다른부분이많다. 따라서군수지원함의연간운항프로파일을 - 41 -
Fig. 22 와같이설정하였다. Fig. 22 Set operating profile of virtual vessel 연간 9 개월의운용기간과 3 개월의정비기간은그대로유지하되, 대한민국해군에서운용중인 3 척의군수지원함이 1 년내에교대로장기간의작전을수행하는상황으로설정하였다. 따라서 1 년에 3 척이교대로돌아가기위하여총 4 개월의소요기간을설정하였다. 그중앞의 1 개월은부식및탄약등의군수물품을선적하기위하여항내에서대기하는것으로, 또뒤의 1 개월은복귀후정리및정비를위하여항내에서대기하는것으로보았다. 남은운용기간 5 개월동안은연안항해및짧은기간의작전만을수행하는것으로가정하였고, Fig. 21과같이매달보름동안운용하고남은보름은항내대기기간으로보아 1 년동안의운항프로파일을설정하였다. 운항속력에대하여는전투함이전체운항시간중약 80 % 를순항속력이하로기동하고, 나머지시간을그이상의속력으로기동하는것을바탕으로설정하였다. Table 16은장기간의작전과단기간의작전에있어서운항속력과시간비율을나타낸다. - 42 -
Table 16 Operating profile of combat support ship Speed [knot] Time [%] 0~6 5 5 6~10 35 25 10~16 40 50 16~18 15 15 18~20 5 5 Classification Long-term duty Short-term duty 2 months = 1,440 hours = 86,400 minutes 15 days = 360 hours = 21,600 minutes 4.3 운항모드설정본논문대상함정의운항모드를나누기위하여미해군의 DDG-51 알레이버크급구축함의운항모드를참고하였다. Fig. 23은가스터빈엔진이탑재된 DDG-51 구축함의상황별운항모드를나타내고있고, Fig. 24는 HED가설치된 DDG-51 구축함의상황별운항모드를나타내고있다. 자료에의하면항내 (inport), 묘박지 (anchor), 평시 (cond Ⅲ and Ⅳ), 전시 (condⅠ) 등의환경에따라각각다른운항모드가적용되는것을알수있다. 또한 HED가설치된경우, 평시에약 12 knot까지는전기파워스티어링 (electrically powered steering) 모드로운항됨을알수있다. DDG-51 구축함은평시운항모드에서추진기관의운전대수에따라경제모드 (trail shaft), 순항모드 (split plant) 및전속모드 (full power) 로나눌수있다. 예를들어 4 대의추진기관으로탑재되어있는전투함정을기준으로경제모드는추진기관 1 대를, 순항모드는추진기관 2 대를, 전속모드는추진기관 4 대를운전한다. 즉함정은상황에따라속력구간별로각각다른운항모드가적용된다. - 43 -
Fig. 23 Operation mode of DDG-51 (not HED) [27] Fig. 24 Operation mode of DDG-51 (HED) [27] 본논문에서는기계추진체계인 CODAD의경우에전시 (condⅠ) 상황과같이모든속력구간에서 2 대의디젤엔진을모두운전하는것으로설정하였고, 복합추진체계인 CODLOD 및 CODLAD의경우에추진전동기와디젤엔진의운전방식에따라운항모드를나누었다. Table 17, 18은미해군의전투함정및본논문의대상함정의운항모드를나타내고있다. - 44 -
Table 17 Operation mode of DDG-51 and CG-47 class Operating mode Trail shaft mode Split plant mode (Two engine) Full power mode (Four engine) Description 1 Propulsion engine on 2 Propulsion engines on 4 Propulsion engines on Table 18 Operation mode of virtual vessel Propulsion system Operating mode Propulsion engine CODAD Full power mode DE 2 Low speed mode PM 2 CODLOD Cruising mode DE 1 High speed mode DE 2 Low speed mode PM 2 CODLAD Cruising mode DE 1 High speed mode DE 2 PM 2 Full power mode DE 2 운항모드가하나뿐인 CODAD 추진체계에서는속력에따른디젤엔진의운전구간을나눌필요가없지만, 속력구간에따라추진기관이바뀔수있는 CODLOD 및 CODLAD 추진체계에서는추진전동기와디젤엔진의운전구간을나누어야한다. 추진전동기의용량과운항구간에있어서는군수지원함의발전기용량이크지않기때문에최고속력의 60 % 인약 12 knot까지만추진전동기를이용하는것으로설정하였다. 그이유는군수지원함이해상보급등의작전을수행할때순항속력인 15 knot보다일정수준느린속력으로운항할것으로추정하였기때문이다. 이때필요한동력은추진기관의최대출력의약 21.6 % 인 2,600 kw 정도가되며, 본논문에서는마진을두기위하여개략적으로 3,000 kw로전동 - 45 -
기의용량을설정하였다. 또한 1 대의디젤엔진의최대출력을전체기관출력의 50 % 로보았을때, 1 대의디젤엔진으로최고속력의약 79.3 % 까지운항이가능하게된다. Fig. 25 는기관출력대운항속력그래프와추진체계별운항모드를나타내고있다. Fig. 25 Operation mode depending on vessel speed 4.4 연료소비량산출방법연료소비량은문자그대로함정의운항중소비되는연료의양을의미하며, 함정의마찰저항, 속력, 배수량등을바탕으로수식을유도하여산출하였다. 일반적으로선박이나함정에서는운항속력이빠를수록전저항 R에서마찰저항 R f 가차지하는비율이지배적이다. 따라서 Froude의마찰저항식을이용하 - 46 -
여식 (20), (21) 과같은관계를유도할수있다 [24]. (20) (21) ( : 실험에의한계수, : 침수표면적 [ft 2 ], : 속력 [knot]) 또한상사선에있어서배수량을 [ton], 전장을 [m] 이라고하면, 수식 (22), (23) 과같은관계가성립한다., (22) (23) 여기서저항의관계식에침수면적 를대입하면식 (24), (25) 와같이유도할 수있다. (24) (25) 지시마력 는마찰저항과속력의곱에비례하므로, 식 (26), (27) 과같이나 타낼수있다. (26) (27) 위관계를바탕으로배수량을고정시키면지시마력 는함정의속력 의 3 제곱에비례함을알수있다. Fig. 26 은운항속력의 3 제곱에비례하여기관 의출력이증가해야함을의미하는 Froude 의프로펠러법칙을나타내고있다. - 47 -
Fig. 26 Froude propeller s law 연료소비량은기관의출력에비례하므로특정추진기관모델의연료소비율 (SFC, Specific Fuel Consumption) 을알면개략적인연료소비량을계산할수있다. 식 (28) 을통하여특정운항속력에서의연료소비량을알수있고, 그결과를모두더하면총연료소비량을알수있다. (28) (29) 본논문에서는소요마력산출결과에따라근사한출력을가지는 MAN V28 / 33D 모델의연료소비율곡선을 NI (National Instrument) 사의 LabVIEW를이용하여보간 (fitting) 하였다. Fig.27은 MAN V28/33D 모델의연료소비율곡선과 LabVIEW를이용하여보간한결과를보여주고있다. 보간의결과로얻은곡선은식 (30) 과같다. 수식에서독립변수 는추진기관의부하율 (%) 을의미하고, 종속변수 는단위시간당, 단위출력당연료소비율을의미한다. (30) - 48 -
다. Fig. 27 Fitting on SFC curve [18] Fig. 28 은 LabVIEW 를이용하여보간한수식을그래프로나타낸것이 Fig. 28 SFC curve for simulation - 49 -
제 5 장시뮬레이션및결과분석 5.1 CODAD 추진체계 CODAD 추진체계에서는 4.2 운항모드설정 에서언급한것처럼모든구간에서디젤엔진 2 대를운전하는것으로시뮬레이션을수행하였다. FIg. 29는 CODAD 추진체계를탑재한가상함정의연간연료소비량을산출하기위한 LabVIEW 다이어그램의순서를간략하게나타내고있다. 기관의부하율에따른연료소비율곡선을산출하는부분, 단기및장기작전시의운항프로파일에따른속력구간비율을입력하는부분, 연간연료소비량을합산하는부분, 그리고결과를시각화하여그래프로나타내는부분등으로구성되어있다. Fig. 29 Flow of simulation for CODAD 가상함정의배수량은 9,500 ton으로고정하여시뮬레이션을진행하였고연료소비량계산결과를저장하여각추진체계의연간연료소비량을비교및분석하였다. Fig. 30은 CODAD 추진체계의시뮬레이션을위한 LabVIEW의다이어그램을나타내고있다. - 50 -
Fig. 30 LabVIEW diagram of simulation for CODAD - 51 -
시뮬레이션의진행과정을설명하기위하여다이어그램의각부분에번호를붙여나타내었다. 원안에번호만있으면단기작전, 작은따옴표가있으면장기작전을의미한다. 단기및장기작전은서로다른운항프로파일이적용되며각각의연료소비량을산출하여마지막에결과를합산하였다. 다이어그램의각부분은 Fig. 31부터 Fig. 37과같이진행되며단기작전의경우에따른시뮬레이션방법에대하여아래와같이나타내었다. Fig. 31 Specific fuel consumption curve Fig. 31은연료소비량을구하기위하여보간한연료소비율곡선의수식이며디젤엔진의부하율 (%) 변화에따른연료소비율 ( ) 을얻는다. Fig. 32 는 LabVIEW로보간한연료소비율곡선으로 MAN V28/33D 모델의실제데이터와유사한패턴을보이고있다. Fig. 32 Specific fuel consumption curve fit Fig. 33은 Table 17에서추정하였던단기작전의총운항시간, 속력구간및해당구간에서의운항비율을입력하는부분이다. 단기작전은 15일 (360시간), 장기작전은 60일 (1,440시간) 으로설정하였다. - 52 -
Fig. 33 Operating profile of short-term duty Fig. 34는식 (28) 에서언급하였던 를구하는부분이다. 연료소비율곡선및함정의속력구간을배열형태의데이터로입력하며모든속력구간에서의연료소비율을합산한다. Fig. 34 Specific fuel consumption of each speed section 속력은 Fig. 35 와같이백분율로환산하여 10 % 마다구간의평균을구하였고 운항프로파일에따라각속력구간에서의운항시간을계산하였다. Fig. 35 Averaged speed section by percentage - 53 -
Fig. 36 Calculation of horsepower requirements Fig. 36은식 (19) 에따라서함정의속력에따른소요마력을해군계수에의하여계산하는부분이다. 운항프로파일에따른함속을소요마력으로환산한후에부하율을곱하여식 (28) 의출력 를계산한다. 이때가상함정의배수량은 9,500 ton으로고정하였다. Fig. 37 Results of simulation for CODAD Fig. 37 은 CODAD 추진체계의단기작전시연료소비량을출력하는부분이 며추후각추진체계별연료소비량의차이를비교할수있도록구현하였다. 5.2 CODLOD 추진체계복합추진체계인 CODLOD는기계추진체계인 CODAD와달리추진전동기가추가되기때문에추진전동기사용에따른전력변환효율을고려해야한다. Fig. 38은발전기에서생산된전력이주배전반, 변압기, 컨버터등의전력변환과정을거친후에최종적으로전동기에공급되기까지의전력손실을나타내고있다 [11]. Fig. 38과같이원동기운전부터전동기기동에따른축동력 (shaft power, P s ) 이발생하기까지약 8.7 ~ 9.7 % 의손실이발생한다. 그결과전력변환효율은 - 54 -
91.3 ~ 92.3 % 가된다. 본논문에서는추진전동기한대의용량을 1,500 kw, 전력변환효율을 90 % 로설정하였다. 가상함정의전력소모량 (Ship electric load) 은일정하다고가정하였다. 또한추진전동기에의한연료소비량은디젤엔진의부하율이 80 % 일때의연료소비율을적용하여계산하였다. Fig. 38 Efficiencies in diesel-electric plants [11] Fig. 39는 CODLOD 추진체계의연료소비량시뮬레이션을위한과정을간략하게나타내고있다. 함정의저속구간에서는디젤엔진대신추진전동기를이용하는운항프로파일을생성하여함정운항에따른연료소비량을산출하였다. Fig. 39 Flow of simulation for CODLOD - 55 -
Fig. 40 LabVIEW diagram of simulation for CODLOD - 56 -
Fig. 40은 CODLOD 추진체계의시뮬레이션을위한 LabVIEW의다이어그램을나타내고있다. CODAD 추진체계와같이단기및장기작전을구분하여시뮬레이션하였다. 연료소비율곡선 (1), 단기작전의운항프로파일 (2), 운항프로파일에따른함속과운항비율 (3), 함속에대한소요마력 (4) 을산출하는부분은 5.1 CODAD 추진체계 와동일하게적용하였다. CODLOD 추진체계의특징은함정의저속운항시디젤엔진대신추진전동기를이용하는것이다. 이러한특징은 Fig. 41과같이구현하였다. 추진전동기가감당할수있는소요마력구간까지전동기의출력에따른연료소비량을산출하도록시뮬레이션하였다. 추진전동기의효율은전구간에서 90 % 로설정하였고디젤엔진의부하율이 80 % 일때의연료소비율을적용하였다. Fig. 41 Output of propulsion motor at low speed Fig. 42 는함정의소요마력이추진전동기의출력을초과하는고속운항구간 부터디젤엔진의연료소비량을구하는부분이다. Fig. 42 Output of diesel engine at high speed - 57 -
5.3 CODLAD 추진체계 CODLOD 및 CODLAD 추진체계는저속운항시유사한방식으로운항하지만 CODLAD는최고속력구간에서추진전동기와디젤엔진을모두운전한다. 추진체계에서추진력을발생할수있는모든기기를이용하여추가적인속력을얻고자하는것이다. 따라서최대부하지점에서의연료소비량산출방식이 CODAD, CODLOD 추진체계와다르기때문에추진전동기와디젤엔진을함께운전하는운항모드를추가하여구성하였다. CODLAD 추진체계의시뮬레이션은연간연료소비량을산출하고합산하는부분을 Sub VI로구성하였다. 이때함정의최고속력구간에서는추진전동기와디젤엔진의연료소비량을합산하도록하였다. 함정의최고속력구간의비율은단기및장기작전의운항프로파일의 1 % 로설정하였다. Fig. 43, 44는각각 CODLAD 추진체계의시뮬레이션과정과 LabVIEW의다이어그램을나타내고있다. Fig. 43 Flow of simulation for CODLAD - 58 -
Fig. 44 LabVIEW diagram of simulation for CODLAD - 59 -
운항프로파일 (1), 연료소비율곡선 (3), 소요마력및연료소비량을계산하는부분 (4) 은 CODAD 및 CODLOD 추진체계와동일하게구성하였다. CODLAD 추진체계의특징인최고속력에서추진전동기와디젤엔진이동시에운전되는것은 Fig. 44의 2번부분을통하여구현하였다. Fig. 45는입력된운항프로파일로부터함정의최고속력이발생하는구간을찾아디젤엔진과추진전동기운전에따른연료소비량을산출하도록한다. Fig. 45 Calculation of maximum horsepower requirements Fig. 46 은전체다이어그램의크기를간소화하기위하여연료소비량을산출 하는부분 (4) 을 Sub VI 로구성한것을나타내고있다. Fig. 46 Sub VI of CODLAD Sub VI의내부다이어그램은아래 Fig. 47과같다. 번호순서대로운항프로파일 (1), 연료소비율 (2), 소요마력 (3), 추진전동기용량 (4), 연료소비량 (5), 결과값및그래프 (6) 를출력하게된다. - 60 -
Fig. 47 Diagram of sub VI of CODLAD - 61 -
5.4 시뮬레이션결과분석 4장에서추정하고설정한내용들에따라 CODAD, CODLOD, 그리고 CODLAD 의연간연료소비량을산출하였다. 그결과는아래 Fig. 48, 49, 50과같다. 그래프에서나타내고있는 2점쇄선은단기, 쇄선은장기작전시의연료소비량을나타내며, 굵은선은단기및장기작전시의연료소비량을합산하여연간연료소비량을나타낸다. Fig. 48 Result of simulation for CODAD Fig. 48은 CODAD 추진체계의시뮬레이션결과를나타내고있다. 단기및장기작전시연료소비량이각각 240.6 ton과 878.6 ton으로, 연간연료소비량이 1119.2 ton으로산출되었음을알수있다. 모든운항구간에서디젤엔진의연료소비율만으로연료소비량을산출한결과이다. Fig. 49는 CODLOD 추진체계의시뮬레이션결과를나타내고있다. 단기및장기작전시연료소비량은각각 236.1 ton과 859.01 ton으로, 연간연료소비량은 1095.1 ton으로산출되었다. CODAD 추진체계에비하여연간약 24 ton의연료를절감하였음을알수있다. 이는 12 knot까지전동기를이용하여추진하였기에디젤엔진에비하여연료효율이높아진것으로볼수있다. - 62 -
Fig. 49 Result of simulation for CODLOD Fig. 50은 CODLAD 추진체계의시뮬레이션결과를나타내고있다. 단기및장기작전시연료소비량은각각 225.8 ton과 842.5 ton으로, 연간연료소비량은 1068.4 ton으로산출되었다. CODAD 추진체계에비하여연간약 50 ton의연료를절감하였음을알수있다. 여기서 CODLAD 추진체계는 CODLOD 추진체계보다연료소비량이적은것으로산출되었는데, 이는운항프로파일을백분율로입력하여각속력구간의비율을조정하여나타난결과로보인다. Fig. 50 Result of simulation for CODLAD system - 63 -
앞서설명한그래프들은연간운항시간을일정한값으로고정시킨상태에서 실제함정의운항프로파일을바탕으로시뮬레이션을수행한결과로함정운항 에있어하나의연료소비량의추세로활용할수있을것으로사료된다. Fig. 51 Deviation of fuel consumption between propulsion systems Fig. 51은각추진체계의연간연료소비량을나타내고있다. 최고속력의 60 % 까지는추진전동기를이용하여함정을운항하기때문에 CODLOD와 CODLAD 의연료소비량이줄어드는것을확인할수있다. 그러나이후 80~90 % 의속력구간에서는동일한운항프로파일임에도불구하고 CODLAD의연료소비량이미시적으로줄어드는구간이발생한다. 이는앞서언급한것처럼운항프로파일을백분율로입력한후에각속력구간에서의운항비율을조정하면서생긴결과이다. 연간연료소비량의측면에서만보면 Fig. 52와같은효율향상을확인할수있다. CODAD 추진체계를기준으로 CODLOD 추진체계는약 2.1 % 의연료를절감하였고, CODLAD 추진체계는약 4.6 % 의연료를절감하였다. 본논문에서가상함정으로설정한군수지원함은함정자체의최대전력량이크지않기때문에전동기의용량을일정수준이상으로증대시키기어려운점이있으나, 추후실제함정의다양한운항모드, 운항프로파일, 최대전력량, 전동기용량등을세부적으로설정하여시뮬레이션을수행하면함정의복합추 - 64 -
진체계설계에보다유용한연구가이루어질수있을것으로기대한다. Fig. 52 Comparison of advanced efficiency - 65 -
제 6 장결론 미국, 유럽등선진해군에서는오래전부터추진전동기를이용한복합추진체계를함정에탑재하여운용하여왔다. 그러나대한민국해군은최근에들어서잠수함공격에대비하기위하여함정의정숙성및생존성을향상시킬목적으로복합추진체계를도입하고있다. 본논문에서는현재대한민국해군에서운용하고있는 AOE 천지급군수지원함의제원을바탕으로추진체계에따른연료소비량을비교및분석하고자하였다. 이에시뮬레이션을위한가상함정을설정하여기계추진체계인 CODAD, 그리고복합추진체계인 CODLOD 및 CODLAD의연간연료소비량산출하여각각을살펴보고비교하였다. 연간동일한운항시간과운항프로파일에대한연료소비량을시뮬레이션한결과 CODAD 추진체계에비하여 CODLOD와 CODLAD의복합추진체계는각각 2.1 %, 4.6 % 의개선된연료효율을보였다. 이는실제함정의제원과운항프로파일을바탕으로시뮬레이션을진행하였으므로실제복합추진체계를탑재하고있는함정의연료효율과유사한추세를보일것으로사료된다. 추후함정의종류및운항특성에따라함정의복합추진체계가가지는연료소비량및에너지효율에관하여본논문이참고자료로활용될수있을것으로사료된다. 나아가함정의운항모드에따른상황별전력소모량을바탕으로한추가적인연구가진행된다면추진전동기용량을최적화하거나함정의전력체계를설계함에있어참고자료로활용될수있을것으로기대한다. - 66 -
감사의글 짧은승선생활을뒤로하고병역과대학원진학사이에서고민할때흔쾌히학업의기회를주시고, 항상바쁜일정가운데서도부족한후배이자제자에게공부와일, 그리고삶에대한자세를가르쳐주신오진석교수님께감사를드립니다. 또한작은부분까지도섬세하게지도하시고격려하시며, 논문을심사해주신소명옥교수님, 이상득교수님께도마음깊이감사를드립니다. 그리고교환교수로해외에계신유희한교수님께도감사와아쉬운마음을전합니다. 대학시절내내실험실활동을거의해본적없던저에게유익하면서도유쾌한시간들을만들어주신 E2E 실험실의모든선후배님들께도고마움을전합니다. 뜨거운학구열과논리적인시각으로많은가르침을주신정성영선배, 항상긍정적인마음가짐으로책임감있는모습을보여주신김지윤선배, 후배들에게도져주는아량과인격적인모범을보여주신이헌석선배, 실험실핵심과제를떠맡아묵묵히자기역할을다하는장재희선배, 어리지만대학원선배로써의욕적인모습을보여준강영민선배, 복잡하고궂은일도마다하지않고실험실의많은부분을해결해주는손나영후배에게서학문보다소중한많은것을배웠습니다. 그리고더잘해주지못한아쉬움도전하고싶습니다. 부산을마음의고향으로만들어주신한국해양교회식구들, 졸업후더욱그립고고마워진 ME65A 동기들, 자주모이지는못하지만많은추억을공유하고있는죽시사친구들, 구하기어려운자료와실제경험을바탕으로많은조언을해주신곽준호, 백현민, 김영근선배님께도감사를드립니다. 대학 1학년때 ROTC에면접을가지않고집에갔던순간, 4학년때 OSC에합격했다가끝내임관을포기했던순간, 졸업후기관사로승선하다가어렵게사직서를제출했던순간이떠오릅니다. 생각해보면많이갈팡질팡했던것같고방황했던것같은데, 그럴때마다항상믿음과사랑으로아낌없이지지해준가족들, 그리고모든식구들에게도감사와사랑을전합니다. - 67 -
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