112 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 23, No. 4, 2019. 8. [ 회원사기술현황소개 ] 함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 Global Trends of Naval Electric Propulsion Systems and Suggestions for the Future ROKN Destroyer Program GE Power Conversion, GE Marine 조선해양분야 전기및하이브리드추진을선도적으로적용해온분야자동차및항공부문등에서는미래에점점더깨끗한운송및원거리연결을위한플랫폼을도입하거나평가하기위해전동화즉, 전기추진또는하이브리드추진플랫폼을적극적으로고려하고있다. 그러나전동화는조선해양분야에서는그리새로운것은아니며이미약 100년전에처음선박용으로전기및하이브리드추진시스템이소개되었다. GE는해군함정의추진부문, 특히전기및하이브리드추진기술과관련해서매우초기단계부터혁신적인기술을도입해왔던선구자로써각추진방식에대한장 / 단점, 앞으로의방향에대하여기술하고자한다. 1. 한국해군은왜차기한국형구축함사업 (KDDX) 에서완전전기추진을고려해야하는가? 완전한전기또는통합전기추진 (IEP, Integrated Electric Propulsion) 은운용유연성, 생존성및충분한탑재전력이필요한구축함과대형수상전투함에더욱보편적으로적용되고있다. GE의파워컨버젼사업부 (GE s Power Conversion Business) 는전기추진장비및통합솔루션을통해주로영국과미해군이통합전기추진장치를적용하는데핵심역할을수행해오고있다. 그예로, 영국해군의 Type-45 구축함, 퀸엘리자베스급항공모함, 미해군의줌왈트급 DDG 1000 구축함등을들수있다. 통합전기추진장치시스템을도입해야할필요성의예로최근미해군의두가지사례를소개하고자한다. a) 최근미해군은 DDG-51(Arleigh Burke-class destroyer) 급구축함의보조발전기엔진의용량증대를결정하였다. 주요업그레이드사항은함내보조발전기의발전용량을기존 9MW에서 12MW로늘리는내용이었으며이는새로운 SPY-6 레이더의전력수요를수용하기위한것으로, 함운용이지속됨에따라함내전력수요가지속적으로증가하여기존에설치된발전용량으로는더이상새롭게발전된무기체계를탑재할수없었기때문이다. 통합전기추진장치는초기건조시향후발전량업그레이드에대한대응이가능하다. b) 또한미해군의차세대구축함인 LSC(Large Surface Combatant) 프로그램 (DDG 51 클래스의후속모델 ) 에서는전력및추진아키텍처가통합전기추진장치로바뀔것으로예상된다. 이에따라 LSC는기존 DDG 51이운용했던별도의방식즉, 기계추진방식및함내부하용발전기대신에통합전기추진을위한훨씬더많은발전용량을가짐은물론레이저, 레일건, 레이더및냉각시
함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 113 스템과같은첨단무기적용에따른끊임없이증가하는전력수요를충족시키기위해더많은함내발전용량을가질것으로예상된다. 2. GE and Naval Electric Drive Leadership GE의두사업부문인 GE 파워컨버젼사업부와 GE Marine은세계해군에최고의솔루션과통합기능을제공하기위해협력하고있다. GE 파워컨버젼사업부는통합전기추진장치또는하이브리드추진방식을탑재한해군함정전기추진시스템의글로벌리더다. 주요통합전기추진장치 (IEP) 실적으로는미해군의줌왈트급 DDG 1000 구축함에탑재된첨단유도모터 (AIM, Advanced Induction Machine), 모터드라이브, 고전압시스템, 영국해군의 Type-45 구축함과퀸엘리자베스급항공모함에탑재된첨단유도모터, 모터드라이브, 발전기, 고전압시스템및시스템통합서비스가포함된다. 하이브리드추진방식의주요실적으로는영국해군의 Type-23형과 Type-26형호위함, 그리고미해군 LHD-8, LHA 강습상륙함등이포함된다. GE Marine은가스터빈추진분야의세계적인선두업체로서해군, 상업용, 해양및산업용가스터빈발전기세트를통해고객에게폭넓은경험선사한다. 실제로전세계 35개국해군의 600척이상의함정과 100여개의해군프로그램이 1,450대의 GE Marine의가스터빈엔진을사용하고있다. 이신뢰성높은가스터빈엔진은해양부문에서만 1,600만시간이상의누적운전시간기록을보유중이다 GE Marine의 LM계열가스터빈은넓은범위에서전력밀도가높은설계를제공하며 4.6 52MW범위 (ISO 조건기준 ) 의다양한가스터빈을통해통합전기추진장치요구사항에가장적합한가장유연한발전기옵션을제공한다. GE 파워컨버젼사업부와 GE Marine은공동으로관련된기술및프로그램즉, 가스터빈발전기세트, 모터및드라이브, 고전압시스템통합, 발전트랜스미션보호, 동적성능제어, 복원력 / 고장분석등을조선소와해군에제공할것이다. 이와같은풀패키지형태의접근방식은 GE를전기추진함정의통합을위한이상적인솔루션제공자로고려하게할것이며이는그간의탁월한경험으로뒷받침되는대부분의시스템구성요소와통합기능을기반으로한다. 따라서 GE는한국해군의 KDDX 프로그램과전기추진에관심이있는다른세계해군에전기추진관련전문지식을제공할수있는이상적인파트너이다. GE Marine은그간대한민국해군 55척함정에 82대이상의가스터빈을공급해오며함께일해온오랜역사를가지고있다. 실제로우리는올해말 KDX III B2용 GE LM2500 가스터빈키트를한국의파트너인한화에어로스페이스에납품할예정이다. KDX III는배수량 8천톤의이지스방공구축함 ( 세종대왕함 ) 으로, 2008년선도함이인도되었다. 이키트를통해한화에어로스페이스는가스터빈조립을완료하고, 엔진을최대부하로시험한다음, 모듈통합을완료한다. GE의가스터빈을탑재한다른최신프로그램으로는한화에어로스페이스에서조립하여시험한 GE LM500 가스터빈추진장치뿐만아니라 ATX 훈련선이있다. 나는한국해군의차세대구축함 KDDX 의요구사항을충족시키기위한완전한장비보완과함께통합전기추진방식을위한통합된 GE 가스터빈발전기를제공하기위해 GE 파워컨버젼사업부의앤디쿠퍼 (Andy Cooper) 및그의팀과협력하게되어기쁘다. 마이크레알리, Acting General Manager, GE Marine 한국해군은현재차세대구축함인 KDDX의하이브리드또는완전전기추진옵션을검토중이다. 이차세대프로그램은세계해군이함정에충분한전력을공급하기위해전동화로이동하는추세에주목하고있다. 이분
114 [ 회원사기술현황소개 ] GE Power Conversion, GE Marine 한국추진공학회지 야글로벌리더로서 GE는저위험의해군전력드라이브솔루션으로검증된여러가지실적및제품을보유하고있다. 예를들어, 고객은우리가영국과미국에서의경험을통해검증한모터, 드라이브, 발전기, 스위치기어및전력관리솔루션을포함한다양한제품을선택할수있다. 따라서, GE는 GE Marine의가스터빈과더불어잘확립된국내파트너쉽과협력하여, 모든전력및추진요구사항을충족할것이다. 앤디쿠퍼, CEO of UK P&L, GE Power Conversion 3. GE 파워컨버젼사업부 GE 파워컨버젼사업부는, 에디슨이 1892년설립한이후 127년이상혁신을선도해온세계적인하이테크기업 GE의전력변환사업부문이다. GE는특히추진분야에서지난 100여년간중요한최초의기술혁신을여러건이루었는데예를들어, 1920년에는세계최초선박용하이브리드전기추진시스템을개발했으며, 1936년에는제트엔진을세계최초로시험한바있다. 이러한기술혁신을기반으로오늘날 GE 파워컨버젼사업부는에너지, 조선해양, 석유및가스, 광산업등주요산업전반에걸쳐폭넓은전력변환솔루션을제공하고있다. GE 파워컨버젼사업부는또한시스템통합 (System Integration) 에있어서차별화된능력을가지고있으며함정의경우단일고성능전력네트워크를통해모든함정의추진과임무에소요되는전력을제공할수있는강력한마이크로그리드를만들어낸다. 최근에는영국해군역사상가장큰함정인퀸엘리자베스급항공모함에통합전기추진장치를공급하고있으며, 현재 20MW급추진용첨단유도모터 (AIM: Advanced Induction Machine) 4대, 총추진용량 80MW를탑재해총 110MW의전력으로운용되고있다. Fig. 1 GE s Global Naval Capabilities especially UK Royal Navy Footprints.
함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 115 Fig. 2 GE Power Conversion s Naval Full Electric and Hybrid Electric Propulsion Global References. 영국해군전체로는 90% 이상주요함정이 GE의전기추진솔루션을채택하였다. GE 파워컨버젼사업부의경우 108척의해군및특수선관련통합전기추진장치 (IEP) 및하이브리드전기추진시스템공급실적을가지고있으며, 주요실적은 Fig. 2와같다. 4. GE Marine, A GE Aviation Business GE Marine은 6개의가스터빈제품군을제공하며 4.6MW 52.7MW(ISO조건기준 ) 사이에있는어떠한요구사항도만족할수있다. 각엔진별출력은아래와같다. LM500 (4.6MW) LM2500 Base (25.1MW) LM2500+ (30.2MW) LM2500+G4 (35.3MW) LM6000PC (46.1MW) LM6000PG (52.7MW) GE Marine의가스터빈은동급최강의전력밀도를향상시키는내충격성을지닌경량복합인클로저를사용한다. 새로운인클로저를통해기존대비무게를 50%(2,500 kg), 공기소음을 40% 60% 감소시키고외부벽의온도를화씨기준 25 50도감소시키는기술혁신을이루어냈다. GE Marine은가스터빈발전기세트경험이풍부하다. GE의 LM2500 해군용가스터빈발전기는경쟁사대비높은누적운영및가동시간을자랑한다. GE의가스터빈발전기세트는 2010년부터운용중인스페인및호주해군의후안카를로스급 LHD 함정에서운용되어왔다. 또한, 베이스로드및피킹
116 [ 회원사기술현황소개 ] GE Power Conversion, GE Marine 한국추진공학회지 Fig. 3 GE Marine s Aero-Derivative Marine Gas Turbines Line Up. Fig. 4 GE Marine s Global Naval References. 애플리케이션에는 2,300개이상의산업용 LM2500 가스터빈발전기가운용되고있다. 한국해군을포함해 GE 가스터빈은전세계 35개국해군에서사용되고있다. 특히전세계 9개거점을통해제공되는 GE만의차별화된서비스공급능력은육상및해상에서의서비스제공을통해해군함정의중단없는운용에기여하고있다. GE의가스터빈은최소한의유지보수를필요로하며, 대부분의작업이가스터빈제거없이현장에서수행될수있도록설계되었다. 한국해군은미해군다음으로가장많은 55척의함정에 82대이상의가스터빈을운용하고있어
함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 117 GE와오랜협력관계를맺고있다. GE LM2500 가스터빈은대한민국해군의동해와포항초계함 (corvette), KDX구축함들과 FFX B-1호위함에사용된다. GE의전략적파트너인한화에어로스페이스는한국에서가스터빈을직접조립하고시험한다. GE 가스터빈은기계식추진, 하이브리드전기추진및통합전기추진장치를포함한다양한구성에서사용될수있다. 5. 함정전기추진시스템의글로벌트렌드 우리는지난수년동안해군함정에대한전력수요가지속적으로증가하는것을보아왔고, 이러한추세는앞으로도계속될것으로보인다. 함정추진시스템은점점더효율적이어야하며, 임무를지속수행할수있도록하여야하겠지만, 또한함정의전속도범위에서뛰어난임무수행능력을보유하여야한다. 이러한변화를통해우리는앞으로의함정들이지금보다더많은것을그리고효율적으로해내야할것이라고예상할수있다. 또한고에너지를사용하는방어시스템, 전자전을포함한미래임무시스템은향후더많은전력을필요로하게될것이다. 이와관련하여, 미해군의차기구축함요건에관한인터뷰에서존 M 리처드슨해군참모총장은다음과같이언급한바있다. 함정의전력시스템용량을컴퓨터의 RAM 용량과비교할수있다. 즉, 전력시스템용량을필요한것보다더많은것을준비하라고충고하고자하며, 왜냐하면그것은결코충분하지않을것이기때문이다. 최근전기추진함정은세계적으로다음과같은방향으로발전하고있으며, 최근건조된선진해군들의신형구축함들은통합전기추진방식을채택하고있다. 통합전기추진방식은시스템내에서의, 새로운아키텍처, 통합전력관리시스템및첨단전기기기등증가하는전력수요에대응할수있도록한다. a) 전압레벨의증가추세 - 저압에서고압으로의변화 b) 기존및지능형에너지관리와더불어고급에너지원을포함하기시작한솔루션 c) 함정전기추진시스템은개별장비로부터가아닌완전한시스템으로서능력을전달 d) 향후증가될선내부하에대응하기위한추진부하와함내부하의통합 e) 펄스무기와같은순간적인고용량의충격부하를수용하기위한전기추진시스템을활용한전력품질유지 이러한전기추진함정의임무목표달성은장비단위가아닌시스템통합으로만가능하며, GE는함정용통합전기추진시스템의통합능력및경험을보유한세계적으로유일한회사이다. 6. 해군전기추진시스템의두가지유형 GE가제공하는해군함정용전기추진시스템은하이브리드전기추진 (HED, Hybrid Electric Drive) 과통합전기추진장치 (IEP, Integrated Electric Propulsion) 의두가지구성으로분류할수있다. 하이브리드
118 [ 회원사기술현황소개 ] GE Power Conversion, GE Marine 한국추진공학회지 Fig. 5 Key Features of Naval Full Electric Drive Propulsion. 전기추진시스템은대잠수함전 (ASW, Anti-Submarine Warfare) 에중요한우수한소음성능과함께저속에서의효율적인추진력을제공한다. 하이브리드전기추진시스템은만약추진력의일부를전력으로변환할수있는기능을갖추면함내소요전력및무기시스템을위한약간의추가전력을제공할수있다. 다만대부분의경우, 하이브리드전기추진시스템은추진및함내부하용발전이구분되어있다. 반대로, 통합전기추진장치는추진이나함내부하전력에사용될수있는전력을동시에생산한다. 이구성은레이저와레일건, 레이더, 함정냉각등첨단무기의대량의전력이필요한함정에가장효과적이다. 6.1 통합전기추진장치 (IEP) 완전전기추진해군함정중전력수요가크고추진부하와함내부하를통합해야할때추진장비 ( 기계식 ) 와전력 ( 가스터빈또는디젤발전기를통한 ) 전용장비보다통합전기추진장치방식전기추진시스템을사용한다. 이유형은함정의장비배치에더욱다양한옵션을제공하므로설계에대한더많은유연성을가질수있다. 현재운용되고있는전세계해군의모든통합전기추진방식함정은 GE의솔루션을채택하고있다. 필요전력량이증가함에따라전압도증가하며이를통해전류를제한하게된다. GE는 690V, 4160V, 6600V, 11kV 또는 13.8kV 등특정시스템전압에관계없이최적의솔루션을제공할수있는전문성을갖춘유일한회사이다. 영국해군은 Type-45급구축함과퀸엘리자베스급항공모함을통해, 미해군은줌왈트급 DDG 1000 구축함을통해최첨단의통합전기추진장치기술을구축하고운용한경험이있다. 통합전기추진장치 (IEP) 의주요이점은다음과같다 : a) 통합전기추진장치 (IEP) 는모든속도범위에서효율적이므로보다넓은속도범위에서상대적으로적은수명유지비용으로운용이가능하다.
함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 119 Fig. 6 Two Different Types of Naval Hybrid Propulsion System. b) 통합전기추진장치 (IEP) 는구동부가적은매우간단한기계시스템으로구성되며, 유지보수부분이적어사후관리에용이하다. c) 통합전기추진장치 (IEP) 는매우유연한설계를통해전투피해를최소화할수있다. 즉, 대용량의단일대형엔진에의존하지않는다. d) 통합전기추진장치 (IEP) 는이미검증된미래의솔루션이며, 향후함정에탑재가예상되는모든기기 ( 대용량센서, DEW, Direct Energy Weapon 등 ) 에대응하여큰가용전력을제공한다. 6.2 하이브리드전기추진하이브리드전기추진은추진모터 ( 기어박스또는샤프트 ) 의위치에따라두가지유형으로나눌수있다 : 기어박스장착형 : 고효율을위한고속소형 ; 예 : 미해군 LHD 8, LHA 샤프트장착형 : 대잠수함전 (ASW) 에사용되는저속대형 ; 예 : 영국해군 Type 26, Type 23 샤프트장착형의경우 Fig. 7 과같이 CODLOG 또는 CODLAG 으로구성하는것이일반적이다.
120 [ 회원사기술현황소개 ] GE Power Conversion, GE Marine 한국추진공학회지 Fig. 7 Key Features of Naval Hybrid Electric Propulsion. 7. 해군함정의전력및추진시스템통합의기능 통합전기추진방식은추진및전력시스템에많은양질의전력을생산하고안전하게공급해야한다. 그러므로개별장비의설계는물론, 통합및시험, 전체시스템으로서의운용등이함정의성공적인운용을위해매우중요하다. GE는고부가가치서비스와지원경험을바탕으로조선소및전세계해군을지원할수있는독보적인위치에있다. GE는대량의통합전기추진시스템, 광범위한제어, 전력제어및시스템통합설계경험을진행할수있는세계적인수준의자체시험설비를갖추고있으므로이러한통합서비스를원활하게수행해낼수있다. MPTF는영국웻스톤 (Whetstone) 에위치한 GE파워컨버전의전기추진함정육상테스트시설이다. 전체면적은약 2만제곱미터이고, 건물면적은약 2천 5백제곱미터에달한다. 본시설은특수목적용으로민간기업이운용중인유일한설비이며, 고성능및고복잡도전기추진시스템의검증을수행하고있으며수상및수중추진에대한동시대응은물론, 단위시스템및풀스케일의시험이가능하다. GE파워컨버전은 1999년시설설립이후, 지속적인운용및업그레이드를진행하고있으며, 신기술개발검증용도로도사용중이다. 아울러해군승조원요원에대한교육도함께진행하고있다. MPTF는 1999년영국국방부프로젝트로시작되었다. 당시국방부는통합전기추진장치 (IEP) 솔루션을전투함에처음탑재했을때의위험을최소화하기위해사전기술검증을원했다. 따라서, 영국정부는프랑스정부와공동기금으로 MPTF를건설하고, Type 45 완전전기추진시스템의절반크기의동일한시스템을육상에설치및시험했다. 특히실제해상상태를육상에서모사할수있는 4-quadrant 시험이가능하다. 다시말하면, 해상시운전이육상에서가능하다는것이다. 현재장비용량은발전기의경우최대 30MW, 추진모터의경우 20MW까지가능하며, 필요한시험에따라유연하
함정 전기추진시스템 글로벌 트렌드와 차세대 구축함에 대한 제언 121 Fig. 8 GE s Integrated Electric Drive Power System. Fig. 9 Values to the customer using Land Based Propulsion System Test Bench. 게 대응이 가능하다. 이와 같은 설비를 활용한 De-Risking 프로세스를 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다. a) 프로젝트 초기 단계에서 검증을 통한 개선 사항을 반영할 수 있다. 특히, 본선에서는 진행하기 어려운 파라미터 변경 테스트, 내구성 테스트는 물론, 다양한 옵션의 검증과 시도도 가능하다.
122 [ 회원사기술현황소개 ] GE Power Conversion, GE Marine 한국추진공학회지 b) 이설비에연결된장비는꼭 GE가공급하는장비일필요는없으며다른장비공급업체에의해서도제공될수있다. 궁극적으로총비용을최소화하고해상에서의시험기간과위험을줄일수있다. GE는 2000년이후로각종프로젝트를사전검증해왔으며, 현재운용중인통합전기추진및하이브리드전기추진시스템을검증할수있었다. c) GE 파워컨버젼은현재혁신적인기술의사전검증을위해이설비를사용한다. 최근에는 ESS( 에너지저장장치 ) 및 DC 아키텍처에대해새로운차원의검증을실시하여시장에출시했다. 8. 한국해군의차세대구축함 (KDDX) 에대한 GE 추진시스템제안 GE는한국해군의추진및전력시스템선택결정 ( 통합전기추진또는하이브리드전기추진 ) 을최대한지원할것이다. GE는영국해군의 Type 45형통합전기추진체계가차세대구축함 (KDDX) 의요건에가장적합한시스템이라고생각한다. 간단히설명하면, GE의 4160V 배전시스템은 GE의첨단유도모터 (AIM, Advanced Induction Machine) 2대와기검증된 GE LM2500+ (26.3MW) 또는 LM2500+G4 (30.3MW) 가스터빈발전기세트가적용될수있다. GE Marine은한화에어로스페이스의파트너사로써한국과관련한광범위한경험을쌓고있다. 한화에어로스페이스는 GE와가스터빈동반제조사로서계약을지속적으로유지할것이며, 나아가 KDDX 추진시스템연구에의해결정된전기장비에대한공동생산계획을개발하는데전념하고있다. 또한, 추가전력생산과운용상의유연성이요구되지않는다면, GE는하이브리드전기추진시스템을다른실현가능한대안으로제안한다. 이경우, 추진시스템은 2대의추진용가스터빈을사용하며, 이 Fig. 10 Proposed Full Electric Drive Key Diagram for ROKN KDDX Program.
함정전기추진시스템글로벌트렌드와차세대구축함에대한제언 123 Fig. 11 Proposed Hybrid Electric Drive Key Diagram for ROKN KDDX Program. 는이중화가필요한구축함에서의일반적인구성이다. 추진모터는샤프트구동방식이며현재영국해군이 Type-26 함정에적용한대잠작전에적합한저소음모터가적용될수있다. 9. 결론 함정의추진과전력생산은통합전기추진시스템에매우중요한부분이다. 그러므로검증된장비, 시스템통합그리고관련장비의테스트가매우중요하다. GE는검증된해군전기추진장비 ( 모터, 드라이브, 제어시스템, 자동화시스템, 발전기및가스터빈까지 ) 를모두공급하는유일한업체이다. 이보다더중요한것은 GE가그동안이루어낸수많은전력및추진장비의통합시스템구축의성공적인경험이며이는타사와비교가불가하다. 한국해군은곧 KDDX를통해새로운함정프로그램에착수하게된다. GE는선진해군을통해검증된시스템을기반으로해군의추진및전력요구사항에적합한최적의솔루션을제공할것이다. 대한민국과오랜기간함께걸어온 GE의추진시스템설계와제작기술을바탕으로, 가장우수한차세대구축함의전기추진시스템개발을함께하길기대한다.