선박의 과학 – 선박의 저항과 추진

출처 : http://www.kordi.re.kr(한국해양연구소)

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사용자 삽입 이미지운동장에서 축구경기를 하고 있는 운동선수들은 득점을 하기 위하여 동료선수들과 정교한 패스를 이용하여 상대편 수비를 뚫게 된다. 이러한 축구공의 패스는 공기에 의한 저항이 있기 때문에 가능한 것이다. 만일 축구공에 공기저항이 작용하지 않는다면 공중을 향해 차여진 공은 멈추지 않고 축구장 밖으로 날아가 버릴 것이다1). 날아가는 축구공과 같이 공기 중 혹은 수중에서 운동하고 있는 모든 물체는 그 진행을 방해하는 항력(抗力)을 받게 되며 그 운동에 필요한 지속적인 에너지 공급이 없다면 그 물체는 정지하게 될 것이다.


만일 위의 축구선수가 같은 힘으로 축구공이 아닌 야구공이나 골프공을 찼다면 축구공이 날아간 거리(패스거리)와는 다를 것이다. 또는 축구장이 아니라 물속에서 찼다면 어떻게 될까? 이처럼 운동하는 물체에 작용하는 저항은 물체의 크기와 속도 그리고 운동을 하고 있는 공간의 물성에 따라 달라지기 때문에 같은 물체라 하더라도 그 저항값의 크기를 단순히 비교할 수 없게 되므로 항력계수라는 지수를 정의하여 운동하는 물체의 저항을 나타낸다.


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선박이 해수면 위를 일정한 속도로 전진할 때 선박은 운동장의 축구공의 경우처럼 진행하는 반대 방향으로 항력을 받게 되며 이 항력을 이길 수 있는 전진력을 제공받지 않게 된다면 결국 선박은 정지하게 될 것이다.


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이 때 선박에 작용하는 항력을 선박의 저항(抵抗, Resistance)이라 정의하며 이 저항을 극복하고 일정한 속도로 운항할 수 있도록 제공되는 전진력을 선박의 추진력(推進力, Thrust)이라 정의한다. 실제로 운항중인 선박의 동력 공급을 중단하면 그 배는 자신의 길이의 대략 50배의 거리를 지나서 정지하게 된다. 즉 그 배는 해수에 의해 그만큼의 저항을 받는다는 의미이며, 계속해서 전진하기 위해서는 그 만큼의 추진력을 공급받아야만 한다.


저항이 없는 선박은 존재할 수 없으므로 선박이 일정한 속도로 지속해서 운항하기 위해서는 추진력 제공을 위한 동력원의 존재가 필수 불가결하다고 할 수 있다. 동력기관이 발명되기 이전의 시절에는 풍력, 인력과 같은 자연력이 동력원이 되어왔으나 현대의 대형 선박을 운항하기 위해서는 그 크기가 3∼4층 건물과 맞먹을 정도의 크기의 엔진기관이 사용되고 있으며 이러한 엔진기관에서 생성된 동력은 프로펠러와 같은 추진장치를 통하여 선박에 추진력을 공급하게 된다. 선박의 저항은 선박의 형상과 밀접한 관련이 있으며 우수한 선박은 낮은 저항 값과 높은 추진효율을 갖도록 최상의 결합을 이루어야 하며 일반적으로 이러한 최상의 결합은 선체와 프로펠러가 적절하게 조화를 이룰 때 얻어지게 된다.



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선박의 저항은 앞에서 예를 든 날아가는 축구공과는 달리 몇 가지의 서로 다른 성분들로 구성되어 있으며 이들 성분들은 다양한 요인에 의하여 매우 복잡하게 상호간섭을 일으키게 된다. 이 문제를 보다 간결하게 설명하기 위하여 거친 해상상태가 아닌 호수와 같이 잔잔한 해상상태에서의 선박의 전체 저항을 통상 다음과 같은 4가지 성분으로 생각하게 된다.




① 마찰저항: 선박이 운항하면서 물과 선체의 표면이 접촉하게 되므로써 인해 발생하는 저항성분을 말한다. 실험에 따르면 새로 건조된 매끄러운 표면의 저속선인 경우에는 마찰저항이 전체저항의 80∼85%에 달하며 고속선박의 경우는 50%에 달하는 것이 그동안의 연구결과로 확인된 바 있다.


② 조파저항: 선박이 진행함에 따라 수면상에 형성된 파계가 유지되도록 선박에 지속적으로 공급되어야 하는 에너지로 인한 저항을 말한다.




③ 와류저항: 선체나 선체부가물의 형상이 유선형으로 되어 있지 않거나 흐름을 거슬리지 않도록 놓여지지 못했을 때나 선체의 형상이 급격히 변하는 경우 물이 선체 표면을 따라 흐르지 못하게 되어 형성되는 소용돌이와 같은 유동에 의한 저항을 말한다.




④ 공기저항: 수면상에 노출된 주 선체와 선루가 공기 중에서 움직이게 됨으로 인하여 발생하는 저항을 말한다.




위의 저항성분 중 조파저항과 와류저항을 합하여 통상 잉여저항(Residuary Resistance)이라고 부르며, 여기서 잠시 공기저항을 무시하기로 하면 선박의 전체저항은 마찰저항과 잉여저항의 합으로 생각할 수 있을 것이다.


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선박의 저항은 앞서 예를 든 축구공에 작용하는 항력과 마찬가지로 그 선박의 형상과 치수 그리고 운항속도에 따라 달라지므로 서로 다른 두 선박의 저항의 크기를 직접 비교하는 것은 무의미하기 때문에 항력계수와 유사한 저항계수를 정의하여 비교하게 된다. 항력계수의 경우는 물체의 전방면적을 사용하였으나 선박저항의 경우에는 선체가 물에 접하고 있는 면적 즉 침수표면적을 사용한다.


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여기서 선박의 전저항은 마찰저항과 잉여저항의 합으로 정의되므로 전저항계수 역시 마찰저항계수와 잉여저항계수로 나누어 생각할 수 있다.


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특정한 선박설계조건에 따라서 저항성분들의 중요도는 달라지게 되므로 숙련된 조선기술자일수록 다른 설계조건들을 충족시키면서 예인동력이 최소가 되도록 선체형상과 형상치수비를 결정할 때에 성분별 중요도를 고려하게 된다.


설계된 선박의 추진성능은 시험수조에서 작은 모형선을 이용한 저항·추진 실험을 통하여 파악하게 된다. 선박의 저항에 관하여 얻어진 수많은 자료들은 실험을 통하여 얻어졌으며 사실상 여러 가지 저항성분에 관한 연구는 실험의 도움 없이는 불가능할 것이다.



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17세기 까지만 하더라도 선형설계는 과학적 기술이 거의 없는 하나의 미적 예술로 간주되었으며, 배의 저항은 이러한 예술의 한 단면으로 받아들여졌다. 18세기부터 Newton(1643∼1727), Euler(1707∼1783), Bernoulli(1700∼1790) 등이 평판, 곡면판, 쐐기, 피라미드 등 단순한 형태의 물체에 대한 저항을 이론적, 실험적으로 연구하기 시작하였다. 1775년경 프랑스에서는 d’Alembert, Condorcet, Bossut 등이 여러가지 모형선에 대한 저항 비교실험을 수행하여 배의 저항은 대개 속도의 제곱에 비례하여 증가하며, 고속에서는 그 비율이 더 커지는 것을 발견하였다.


이렇게 프랑스에서 시작된 선형 연구는 19세기에 접어들면서 유럽 각국으로 퍼져나갔고 모형시험 결과를 실제 선박에 적용하고자 하였으나 대부분의 결과가 실제와는 다르게 나타나곤 하였다. 그때까지 두 가지 제한조건이 모형시험 결과에 불신을 가져오고 있었는데, 하나는 모형선이 실제선박 보다 상대적으로 큰 파도를 일으킨다는 점이고, 다음은 물의 점성이 모형선에서 실제 배와는 다르게 작용한다는 점이었다.


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영국의 William Froude(1810∼ 1879)는 영국 남부지방 Torquay에 중력식 모형선 실험수조를 지어 모형시험을 수행하기 시작하였다. 그는 1867년에 두가지 선형, 세가지 축척비의 모형선 예인시험을 정밀하게 수행하여 “기하학적으로 상사한 실선과 모형선에서 속도가 치수의 제곱근에 비례한다면, 잉여저항은 치수의 세제곱에 비례한다”라는 비교법칙을 완성하였다. 따라서 이 Froude수에 맞추어 모형시험을 할 것을 제안하였고, 또한 모형시험으로부터 얻은 전체저항에서 모형선과 길이와 평균폭이 같은 평판의 마찰저항을 뺀 치수의 세제곱을 곱하고, 다시 실선의 마찰저항을 더함으로써 실선 저항을 추정할 것을 제안하였다.


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W. Froude는 1868년 재래식 예인수조에 한계를 느껴 새로운 방식의 예인수조 건설을 계획하고 시험수조 건설과 일련의 실험에 대한 계획을 제안하였다.


이 계획서에는 비교법칙과 대응속도 그리고 저항성분의 분리와 실선 저항성능 추정방법까지 포함되어 있었다. 당시 조선계에서는 그 계획에 대해 거의 모두 부정적인 견해를 보였으나 다행히 해군의 지원으로 1870년 6월에 수조건설을 시작하여 다음해 수조가 완성되었으며, 첫 모형시험은 1872년 4월에 수행되었다. W. Froude는 이를 Experiment Tank(시험수조)라 부르기 시작하였다. 이 수조에는 기계식 예인차가 있었고, 수조의 길이는 278피트, 수면에서의 폭은 36피트, 중심선에서의 깊이는 10피트이었다. 이 시험수조는 1886년까지 15년동안 해군 수조로서 그 역할을 계속하였다.


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수조 건설 후 첫 번째로 모형시험을 수행한 배는 Greyhound호이다. 모형선 축척비는 1/16이었다. W. Froude가 모형선 저항시험을 하면서 함께 해결해야 하는 것은 마찰저항을 아는 일이었다. 그는 이 수조에서 평판에 대한 예인시험을 통해 여러 가지 경우의 마찰저항 값을 얻어 1872년과 1874년 두차례에 걸쳐 발표하였다.


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아울러 그가 중심이 되어 해군 측의 지원으로 실선 예인시험을 수행하였는데, 이 실험은 길이 172.5피트의 Greyhound 호를 이보다 큰 배로 끌면서 그 힘을 계측하는 실험이었다. 이 실선 실험은 바람, 조류, 수심, 속도 등을 정확히 계측한 것으로 실선 시운전2)의 고전이라 불리울 정도로 의미 있는 계측이었으며, 실선의 마찰저항계수를 얻고 비교법칙을 확인하는 좋은 기회가 되었다. 이 Greyhound 호는 나무로 만들고 그 위에 동판을 씌운 배였다. 일련의 모형시험과 실선시험의 결과는 1874년 영국조선학회에 발표되었다.



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W. Froude는 잉여저항의 법칙을 알아낸 바 있으며 선박의 저항을 두가지 성분으로 나눠야만 모형선으로부터 실선의 저항을 추정할 수 있게 될 것이라고 결론 내리고 그의 실험수조에서 매끄러운 평판의 마찰저항에 관한 기초적 연구를 실시하였다.



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평판 예인시험을 하면서 변수로 삼았던 것은 전진속도, 표면 거칠기 상태, 평판의 길이의 세가지 였다. 평판의 길이는 1, 1.5, 2.5, 5, 16, 28, 50피트이었고, 폭은 19인치, 두께는 3/16인치로 동일하였다. 판의 전후는 금속으로 만들었고 한쪽 옆에는 납판으로 용골을 만들었다. 최대 예인속도는 짧은 평판의 경우 820 ft/min (=4.17m/sec), 긴 평판의 경우 650ft/min (=3.30m/sec)이었다. 표면 거칠기는 수치화된 계수로 표시하지 않고 재질의 종류로 구분하였는데 니스칠, 파라핀 왁스, 양철, 헝겊 및 세가지 종류의 모래표면에 대해 실험을 하였다. 그는 실험을 수행한 것보다 긴 배의 마찰저항 값은 Greyhound호의 실선 시험 결과로부터 얻은 값을 사용하였다. 그는 마찰저항은 다음과 같은 실험식으로 나타내어진다고 생각하였다.


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f 값과 n 값은 길이와 표면의 상태에 따라 달라지는 값이다. 이 결과를 실선에 적용하기 위하여서는 얻어진 마찰저항계수들을 보다 긴 길이와 높은 속도에서 쓰일 수 있도록 확장할 수 있어야 한다. W. Froude는 그의 보고서에 그와 같이 확장된 형태는 제시하지 않았으나 확장에 쓰일 수 있는 방법을 제안하였다. 이후 이 곡선은 그의 아들인 R. E. Froude에 의하여 보완되어 366m까지 쓰여지게 되었으나 1872년에 시험된 15.2m 길이의 평판에 대한 실험결과 이상의 실험적 근거는 마련되지 못하였다. 그럼에도 불구하고 그 결과를 오늘날까지도 사용하고 있는 수조가 있다.


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O. Reynolds(1842∼1912)는 1883년에 관 내부에서 흐르는 유체의 유속을 관찰함으로써 마찰저항에 대하여 W. Froude가 평판 실험을 통해 얻은 것보다 일반적이고 논리적인 설명을 할 수 있었다. 그는 관 내부의 유체의 점성계수와 관 직경의 비율이 유속에 대응한다는 것을 발견하였다. 이 레이놀드수는 그 이후 모든 종류의 유체와 기체에 대해 적용되었고, 표면마찰을 다루는 논문들은 모두 레이놀드수를 사용하여 나타내게 되었다.


W. Froude가 평판의 마찰저항을 계측한 것은 1872년이며, O. Reynolds가 파이프 내의 유체흐름을 통해 마찰저항의 법칙을 처음 밝힌 것은 그 11년 후인 1883년이다. 이 둘은 모두 영국조선학회 회원이었고, 마찰저항을 연구하였으나 두 연구의 접목은 이루어지지 않았다. 그 이후 몇몇 사람들이 파이프내의 문제를 평판의 문제로 확대시켜 다룬 바 있으나, 모두들 그 유용성을 깨닫지 못한 채 W. Froude가 틀을 잡고 R. E. Froude가 수정을 한 단순한 마찰저항식을 불편없이 받아들이고 있었다. 1900년대 초 까지만 하더라도 R. E. Froude의 마찰저항 값이 잘 맞았기에 별 문제가 없었으나, 배의 길이가 커지면서 평판시험을 수행할 수 없는 길이의 배에 대해서는 문제가 생기기 시작하였다.


E. V. Telfer는 1927년부터 Froude 수에 맞는 모형시험 결과에 Reynolds 수에 따른 마찰저항을 더해주는 방법을 제시함으로써 모형시험 결과 해석에 새 장을 열어주었으며, 1929년에 파이프 내의 마찰실험 결과로부터 평판의 마찰저항계수를 도출하여 한척의 저항시험 값으로부터 실선의 값을 추정하는 현재와 같은 방법의 첫 문을 열게 되었다.



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H. Blasius(1908), L. Prandtl(1921), H. Schlichting(1932), K. E. Schoenherr(1932) 등의 많은 학자들은 이론적, 실험적 연구에 기초를 두고 평판에 대한 마찰저항계수(CF)를 Reynolds수의 함수로 표현한 마찰저항 곡선식을 도출하였다. 1957년에 국제수조협회(ITTC, International Towing Tank Conference)는 이상의 결과들을 정리하여 다음과 같은 ‘ITTC 1957 Model-Ship Correlation Line’을 정의하게 되었는데, 이를 마찰저항곡선이라 부르지 않고 모형선-실선 상관곡선이라고 한 것은 이 식이 평판이나 곡면판의 실험으로부터 나온 것이 아니고 모형선 실험결과를 실선으로 확장하기 위한 공학적인 목적을 위해 임의로 수정하여 만든 것이기 때문이다.


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G. Hughes는 1954년 영국조선학회에 발표한 논문에서 앞에서 언급한 평판마찰곡선 외에 형상계수를 이용하는 3차원 해석법(Hughes 해석법)을 제시하여 W. Froude가 제안한 이래 전세계가 함께 써오던 2차원 해석법(Froude 해석법)이 새로운 전환기를 맞게 되었다. 모형선 결과를 실선의 값으로 확장할 때 2차원 해석법은 전저항이 평판마찰저항과 잉여저항으로 나뉜다는 가정에서 시작한데 반해, 3차원 해석법은 전저항이 점성저항과 조파저항으로 나뉜다는 가정에서 시작하였고 점성저항은 다시 평판마찰저항과 형상저항으로 나뉜다고 본 것이다. 이 형상저항의 평판마찰저항에 대한 비를 형상계수 k로 나타내었다.


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처음 3차원 해석법이 발표되었을 때 보다 논리적이라는 장점은 있으나 형상계수를 선정하는 것이 어려워 활용을 꺼려 했었다. 그러나 시험정도가 향상되고, 선체 표면이 매끄럽게 만들어지고, 저속비대선을 짓기 시작하면서 2차원 해석법에 문제점이 발생되기 시작하였다. 1978년 ITTC는 드디어 3차원 해석법을 채택하였고 이제는 대부분의 수조가 이 방법을 사용하게 되었다.

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최초로 선박의 파계가 어떻게 형성되게 되는지를 설명하고자 한 것은 Kelvin경이었다고 추정되고 있다. 그는 수면상에 놓여진 직선을 따라서 움직이고 있는 단일 압력점을 생각하였으며 그것으로부터 형성되어진 파도들이 결합되어 특성적 형태의 파도를 형성하게 되는 것으로 생각하였다. 이 파형에는 압력점 뒤를 따르는 가로파계와 압력점으로부터 퍼져나가는 발산파계로 이루어지며 모든 파계는 압력점을 지나며 압력점의 진행선에 대하여 19。28、을 이루는 두 개의 직선사이에 놓여지게 된다. 파계의 중심선을 따라서 압력점으로부터 뒤쪽으로 이어지는 가로파의 파정의 높이는 뒤쪽으로 갈수록 줄어들게 된다. 이 가로파는 중심선으로부터 어느 정도 벗어나게 되면 뒤로 굽어지게 되고 발산파와 만나 교차점을 이루게 되고 이들 교차점들은 파계에서는 가장 높은 점들이 된다. 이 교차점들의 높이는 압력점으로부터 뒤쪽으로 갈수록 줄어들지만 가로파가 줄어드는 것보다는 느리게 줄어들기 때문에 압력점의 뒤쪽으로 갈수록 발산파가 더욱 두드러지게 된다. Kelvin 파형은 선형파계의 여러 가지 특성을 잘 설명해 주고 있다. 선박의 선수 근처에서 가장 두드러지게 나타나는 파들은 발산파 계열의 파들로써 선수에서 큰 파도로 시작되고 비스듬한 편대를 이루게 된다. 양현 쪽으로 놓여진 발산파들 사이에는 가로파가 형성되게 되고 이들 가로파는 선체에 가까운 곳에서는 선박의 진행방향에 대하여 수직한 방향으로 놓이게 되나 발산파에 접근함에 따라 뒤로 굽어지면서 발산파와 합쳐지게 된다. 가로파들은 중앙 평행부가 있는 선박이나 모형선의 선체평행부 또는 고속으로 항주하는 선박의 선미 뒤쪽에서 가장 잘 관측된다.


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낮은 속도에서는 선박으로 인하여 만들어지는 파도는 매우 작고 저항은 거의 점성적 특성을 가지게 된다. 마찰저항은 속도의 제곱보다는 작은 비율로 변하기 때문에 수평축에 Froude수를 잡고, 수직축에 전저항계수(CT)를 잡아서 나타내면 처음에는 CT값이 속도가 증가함에 따라 줄어들게 된다. 속도가 어느 이상 증가하게 되면 CT값은 점점 급하게 증가하게 되고 Froude수가 0.45에 접근하게 되면 전체저항은 속도의 6승이상으로 급하게 변화하게 된다. 그러나 CT가 이와 같이 일반적으로 변화하더라도 저항계수곡선에는 몇 개의 봉우리와 골이 동반되어 나타난다. 선박의 속도가 증가하면 파장이 증가되고 파정과 파저의 상대적인 위치도 바뀌므로 파형 자체도 바뀌게 된다. 이러한 과정에서 두가지 파계 파정이 서로 중첩되는 속도와 별도로 두가지 파계의 파정과 파저가 서로 상쇄시켜 주려고 하는 속도가 반복해서 나타난다. 파계가 서로 중첩되는 상태에서는 파계가 높아지게 되고 그 반대일 때에는 낮아지게 되며 또 파계의 에너지는 파고의 제곱에 비례하기 때문에 속도가 변화함에 따라서 평균저항계수보다 높은 저항계수를 보일 때와 낮은 저항계수를 보일 때가 있다. 곡선에서 나타나는 봉우리와 골은 파계들 사이의 간섭효과에 의한 것이며 훌륭한 설계에서는 운항상태로 운항할 때 골에 도달하여 적합한 저항을 가지도록 속도가 선정되었음을 분명하게 강조할 수 있다. 이러한 봉우리와 골들은 Froude수와 관계를 가지고 있어서 선박의 길이와 경제속도 사이에 밀접한 관계가 있음을 짐작케 하고 있다.


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선박의 마찰저항을 감소시키기 위하여서는 일차적으로 침수 표면적을 줄여주는 방법이 생각될 수 있으며 이러한 방법 이외에는 유효한 감소방법이 알려져 있지 않다. 유체와 고체벽 사이에 일어나는 마찰저항은 선박 이외의 수송기계나 유체기계, 파이프를 이용한 유체수송 등에 있어서도 에너지 손실의 주요한 원인이 되고 있다. 따라서 마찰저항을 유효하게 감소시킬 수 있는 방법이 실용화된다면 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 것은 물론이고 나아가서는 지구의 온난화 방지에도 기여하게 될 것이다. 유체마찰을 감소시킴으로써 많은 경우에 있어서 유체소음을 감소시키는 효과를 가지게 되며 열 수송효율을 높여주는 등 부가적인 효과를 얻을 수 있다.




1) 탄성피막법(compliant wall)


1936년 영국의 생리학자 James Gray는 15knots로 항주하고 있는 선박을 쫓아오고 또 쫓아서 추월하기도 하는 돌고래의 무리를 보고 놀랐다. 그래서 돌고래와 같은 크기의 모형을 제작하여 실험으로 저항을 계측하였다. 그리고 그 속도에서 돌고래가 수영에 필요한 단위중량당의 근육에서 발생하는 추력을 추정하여보니 사람이나 육상의 포유동물의 약 7배의 출력을 내고 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 것은 생물학적으로 불가능에 가까운 현상이므로 의문을 품게 되었다. 그후 Kramer는 돌고래의 고속유영을 가능하게 하는 비밀이 피부조직에 있다고 생각하여 얇은 고무 막을 사용하여 돌고래의 피부를 모의시킨 인공피부를 만들고 세장체의 표면에 씌우고 저항을 계측하였다. 그 결과 강체 모형보다도 최대 60%의 저항 감소가 얻어지는 것을 확인하였다. 이것이 탄성피막에 대한 연구가 시작된 계기가 되었다. 그러나 Kramer의 생각을 이어받은 연구들에서는 그의 고찰을 뒷받침하는 결과가 얻어지지 못하였기 때문에 이 분야의 연구는 침체되어 있는 상황이다.




2) 공기주입법(air injection)


Micro bubble이라고 불리어지는 미소기포를 물체표면 가까이에 주입하면 마찰저항이 줄어드는 것은 알려져있다. 최근의 연구 결과에 의하면 주입하는 기포의 양이 증가함에 따라서 마찰저항의 감소량도 커지게 되고, 최대 80%의 저항감소가 이루어지는 것으로 보고되고 있어 매우 주목받고 있다.


Micro bubble에 의하여 큰 폭의 마찰저항의 감소가 가능하다는 것이 수많은 실험 결과에서 입증되었으나 실제 선박에 실용화하기 위하여서는 효율적인 즉 적은 기포 공급으로도 보다 큰 마찰저항 감소효과가 있는 방법을 개발할 필요가 있다.




3) Riblet


유동의 조직적인 구조를 바꾸어 줌으로서 마찰저항의 감소를 꾀하려는 장치로써 Riblet은 벽면 상에 흐름의 방향으로 작은 홈을 나란히 파준 것이다. 홈의 깊이나 폭이 일정크기 이하로 작아야지만 저항의 감소에 유효하며 그보다 큰 경우에는 역으로 저항의 증가가 나타난다. 마찰저항의 감소량은 최대 8%가 얻어지고 있다.


실제 항공기나 선박에 적용하기 위해서는 홈의 배치방법, 표면의 오손의 영향 등에 관하여 보다 깊은 검토가 필요하다. 특히 선박의 경우에는 최적한 홈의 깊이나 폭은 약 0.1㎜ 정도가 되고 있어 제작상의 문제점과 해양 미생물의 부착 등에 대한 방오 대책이 현재의 기술로서는 매우 어려운 상황에 있다.


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4) 기타의 방법


고분자 폴리머(Polymer) 용액은 수∼수백 ppm의 희박농도 수용액에서 커다란 마찰저항 감소가 이루어지는 것으로 알려지고 있다. 이것은 발견자인 Toms의 이름을 따서 Toms 효과로 불려진다. 마찬가지의 효과가 계면활성제나 미세섬유의 첨가로도 얻어지고 있다. 고분자 폴리머는 체인형상의 고분자가 끊어지기 쉬우며 일단 끊기게 되면 효과가 두드러지게 줄어들기 때문에 실용화에 어려움을 가지고 있다. 현재 알라스카의 파이프라인에 이용되고 있다.


물고기의 근육에서 발생되는 동력으로부터 추측했을 때, 물고기의 저항이 아주 작은 것으로 나타나고 있으며 그 원인 중 하나는 물고기의 표피에 점액이 덮여있기 때문인 것으로 알려져 있다. 1970년경부터 물고기의 점액이 조사되기 시작하였는데 마찰저항을 감속시키는 효과가 있음이 밝혀지게 되었다. 그 후 이러한 종류의 연구는 끊어진 바 있으나 최근 식물의 점액에서 Toms 효과를 가지는 것이 확인되고 최대 약 50%의 관내 마찰저항 감소가 보고된 바 있다.


수중에서 운동성능이 우수한 동물의 체형, 표피구조, 비늘, 지느러미, 깃털 등이 저항의 관점에서 주목을 받고 있으며 이와 같이 동식물의 생태구조는 배울 점이 많이 있으므로 앞으로도 이들 분야의 연구가 지속되어 질 것이다.


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D. W. Taylor는 돌출된 선수모양에 의해 이차적으로 발생된 선수파가 일차적으로 발생된 파도를 상쇄시킬 수 있을 것이라는 생각으로 돌출형 선수를 수면 아래로 보다 더 잠기게 만들고 보다 부풀린 형태로 만들어 줌으로써 최초의 구상선수선형을 설계하였다. 이와같은 구상선수가 1907년에 전함 USS Delaware에 붙여져서 뛰어난 성능을 나타나게 하였다.


1928년에 Havelock은 일정한 유속을 가지는 흐름속에 잠겨있는 구주위에서 나타나는 자유수면파를 계산하였다. 이 파형의 가장 중요한 특성은 구의 바로 뒤쪽에서 골이 나타나게 된다는 것으로서 그러한 사실은 구를 선수근처 수면 아래쪽에 달아주게 되면 선체에 의하여 나타나는 선수파를 줄여줄 수 있는 가능성이 있음을 보여주었다. Wigley는 1935~1936년에 걸쳐 Havelock의 방법에 따라 선측파형과 조파저항에 관련된 계산을 하게 되었으며 구상선수에 관련된 구체적 이론을 발표하게 되었다.


낮은 속도에서는 마찰저항과 형상저항의 증가로 인하여 전저항을 증가시키게 된다는 것을 Wigley는 발견하게 되었다. 고속에 이르게되면 선체와 구의 파계가 상호간섭을 일으켜서 조파저항을 줄여줄 수 있게 되고 적당하게 배치되어 있다면 구로 인하여 나타나게 되는 마찰저항이나 형상저항의 증가를 극복할 수 있게 되어 궁극적으로는 전저항의 감소를 가져오게 된다.


최근 대형 유조선이나 산적화물선과 같이 낮은 Froude수에서 운항하게 되어 조파저항이 상대적으로 적은 선박에 구상선수가 적용되고 있다. 저항감소는 근사적으로 만재상태일 때 5%정도이고 밸러스트상태일 때 15%정도에 이르는 것이 실험에서 확인되고 있다. 이와 같은 결과는 실선 시운전에서도 확인되어지며, 일반적으로 약 1노트의 속도증가가 밸러스트에서 확인되고 있다.




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전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)은 유체의 물리적 움직임을 수학식으로 표현한 편미분방정식 또는 적분방정식들을 컴퓨터를 이용하여 수치적 방법으로 풀어 해를 얻는 학문이다.


우리의 생활주변을 포함해서 자연에서 일어나는 모든 물리적 현상을 해석하는 데는 관찰 또는 현상을 재현하는 실험적 방법과 수학적 언어를 사용하여 그 현상을 표현하는 방정식을 만들어 해석하는 방법과 사람의 수작업 등으로 간단히 구해지지 않는 복잡한 유동현상에 대한 유체운동 방정식을 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션하는 방법으로 나눌 수 있다. CFD는 이 마지막에 속하며, 물리현상을 해석하는 이러한 세 가지 방법은 서로 밀접한 관계를 가지고 있다. 유체 움직임에 대한 수학 방정식을 만들기 위해서는 탁월한 물리적 직관을 가져야 하며, 실험을 통해서 나타난 유체운동 현상에 대한 물리적 법칙을 발견하고 이해할 수 있는 바탕이 있어야 한다. 지금 현재 사용하고 있는 유체 운동 방정식들은 지난 역사속의 물리학자, 수학자, 공학자들의 끊임없는 실험적, 이론적 노력과 발견에서 나온 산물들이라고 할 수 있다.


모형제작, 측정기술의 어려움과 함께 비용과 시간에 의해 제약을 받는 실험적 방법과 고전적인 수학적 유체 운동 방정식 해석법으로 풀기 어려운 실제적 문제들의 해답을 컴퓨터가 발달하면서 CFD를 통해서 구할 수 있게 되었다. CFD는 실제로 우리가 알고 싶은 선박, 자동차, 항공기 주위와 내부 그리고 다양한 기계, 화학공업장치, 전자기기 내부에 대한 복잡한 유동현상에 대한 시뮬레이션이 가능하다. 이러한 점에서 CFD는 시간을 절감할 수 있는 경제적인 방법이고 시뮬레이션 과정에서 대부분의 유체 운동정보를 모두 얻을 수 있어서 효과적인 방법이라고 할 수 있다.


최근에는 수학자들에 의해 유체 운동방정식을 보다 효과적이고 정확하게 수치적으로 풀 수 있는 방법과 수학적 모델링들에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 그리고 난류유동과 같이 아직 완전하게 밝혀지지 않은 유체 운동 현상에 대해서도 수치해석이 가능하게 해주는 물리적 모델링들이 많이 개발되고 있어서 CFD발달에 깊이를 더해가고 있다.


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CFD 해석법을 적용하고 있는 여러 분야의 연구들을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.


에너지 절감 선박을 개발하기 위해 선박주위에서 일어나는 파형 및 난류유동 해석과 고효율의 선박추진기 개발을 위해 프로펠러 주위, 워터제트 추진기의 유체운동 현상을 해석하는데 사용되고 있다. 잠수함의 경우 잠수함 설계 전반에 걸친 유동해석 뿐만 아니라, 유체에 의해 발생하는 소음을 예측하여 소음에 의한 추적의 원인을 제거하는 데 적용되고 있다. 거친 파랑 중에 운항하는 선박에 대해 CFD 시뮬레이션하여 선박의 운동형태와 파도에 의해 작용하는 매우 큰 유체력 등을 예측하여 안정적이고 구조적으로 신뢰할 수 있는 선박을 설계하는 데 사용되고 있다.


자동차의 경우 엔진소음분야의 소음수준이 많이 감소함에 따라 고속에서의 발생하는 주요 공력소음에 대한 연구, 연소해석, 자동차 엔진 실린더 헤드 내의 회전유동 해석 등에 CFD가 적용되고 있다.


전자제품에 CFD가 적용된 예로서 잉크젯을 설계하는데 부품이 작아서 실험이 어려운 잉크 액적의 생성, 크기, 형상해석과 컴퓨터의 냉각장치해석 등이 있다.


항공분야에서는 무중력 상태에서의 연소특징 해석에 CFD를 이용하고 있으며, 연료 탱크에서 연료 흐름과 항공기와 우주선이 받는 추진력과 토크의 크기해석과 연료혼합 문제해석 등에도 적용되고 있다. 이외 자연과학분야 등 여러 분야에서 다양하게 CFD해석법이 이용되고 있다.


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2999007576.bmp한국해양연구원에서 개발한 수치해석시스템(WAVIS)을 적용하여 실제 선박의 조파현상을 계산한 예를 소개한다.


미 해군에서 공개한 군함(DTMB 5415)은 선수부 아래에 소나(sonar)가 부착되기 때문에 특이한 모양을 하고 있다.


실제로 이 선박이 운항할 때 받는 저항과 선박이 물위에 만드는 파형을 조사하기 위해 모형시험을 수행하였으며, 해석된 실험자료가 공개되어 있다.


모형시험과 달리 CFD해석법은 정확한 선박의 형상 데이터를 컴퓨터에 입력하여 이 문제에 적합한 유동 방정식을 풀 수 있도록 선체와 유동 영역을 수치적분 또는 미분하기 좋은 형태로 수치 격자계를 만들어 방정식을 풀게 된다.


이러한 과정을 통하여 짧은 시간 내에 얻어진 수치해석 결과를 모형시험결과와 비교하였다.


위쪽그림에서는 모형시험에서 계측된 파형과 CFD의 결과를 함께 볼 수 있는 데 수치해석의 결과가 물리현상을 매우 잘 묘사하고 있음을 볼 수 있다. 아래쪽 2차원 그림은 선체의 표면에서 측정한 파형과 수치해석으로 구한 파형을 서로 비교하고 있는데 역시 잘 일치하고 있어 CFD의 유용한 면을 확인할 수 있다.


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서두에 밝힌 바와 같이 선박이 일정속도로 움직이려면 물과 공기로부터 받게 되는 저항을 어떤 추진력 발생 장치로부터 공급되는 추력으로 극복해 낼 수 있어야 한다. 초기단계에서 이 추진력은 사람이 젓는 노에 의하여 이루어졌으나 그 역할을 돛에 넘겨주게 되었고 다시금 제트, 수차(Paddle Wheel), 프로펠러 등과 같은 여러 가지 추진장치들에게 넘겨주게 되었다.


기계력을 이용한 최초의 추진장치는 영국에서 1661년에 Toogood와 Hayes에게 특 허가 주어졌던 것으로서, 원동기(Prime-mover)와 펌프를 연결하여 제트를 만들어 내는 형식의 것이었다. 물을 펌프로 빨아들여 선미 쪽으로 높은 속도의 제트를 내뿜고 그 반동력으로부터 추력을 얻고 있다. 그러나 이러한 분사장치는 그 당시 선박이 얻을 수 있는 속도범위에서는 다른 형식의 프로펠러 보다 효율이 떨어졌으므로 특수한 형식의 선박에서만 사용되었다3).


1801년에 증기력을 이용한 최초의 현측 외륜선 Charlotte Dundas호가 출현하였으며 이는 Symington이 스코트랜드지방의 Forth Clyde운하에 취역시키기 위하여 건조한 것이었다. 6년후에는 뉴욕의 허드슨강에서 여객운송에 쓰이기 위하여 유명한 Clermont 호를 Robert Fulton이 건조하였다.


이 때로부터 1850년 경까지는 외륜을 단 증기선의 전성기였다. 증기원동기를 보조장치로 가지고 있던 미국의 범장선 Savannah호는 대서양을 횡단하게 된 최초의 외륜기선이 되었으며 뒤를 이어 수많은 선박이 건조되었다.


그러나 이들 현측 외륜선들은 대양 항로에서 운항하기에는 부적합한 것이었다. 즉, 선박의 배수량이 변화하면 잠기는 깊이가 변화되었으며 선박이 횡동요를 일으키면 외륜이 물 밖으로 나오기도 하여 항로유지를 어렵게 만들었고 또한 거친 바다에서는 외륜이 쉽사리 파손되기도 하였다. 또한 외륜의 회전이 너무 느리기 때문에 크고 무거운 엔진을 사용해야하는 단점이 있었다. 외륜은 회전이 느리기 때문에 추진장치로써 적합할 만한 효율을 얻을 수는 있었으나 보수 유지 등의 운영상 어려움 때문에 스크류 프로펠러(Screw Propeller)가 대체 추진방식이 될 수 있다는 것이 입증되자마자 급속히 숫자가 줄어들게 되었다. 외륜선 들은 강이나 잔잔한 물에서 운항하는 유람선이나 예인선으로서는 쓸모가 있었다. 이런 배들에서는 흘수의 변화가 크지 않으며 커다란 프로펠러를 사용하기에는 수심이 얕아서 흘수에 제약을 받고 있기 때문이다. 현측 외륜선은 우수한 조종성능을 가지고 있으나 동등한 성능이 다른 추진장치를 사용하더라도 얻어질 수 있어서 외륜선의 결점을 보상할 수는 없었다.


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1680년에 영국의 Hooke는 스크류 프로펠러를 추진장치로 사용할 것을 최초로 제안한 바 있으며, 1804년에는 뉴욕에서 Stevens 대령이 처음으로 한 증기선에 사용했었다고 알려져 있다. 1828년에는 Ressel에 의해 설계된 스크류 프로펠러를 장비한 길이 60피트의 배가 트리에스테(Trieste)에서 6knots의 속력을 내는데 성공하였고 최초의 실질적 응용은 1836년에 미국의 Ericsson과 영국의 Pettit Smith에 의하여 이루어졌다.


사용자 삽입 이미지스크류 프로펠러는 외륜에 비하여 많은 장점을 가지고 있다. 즉, 운항중의 흘수변화에 대하여 거의 영향을 받지 않으며, 거친 해상상태나 충돌 등으로부터 잘 보호되고, 선박의 폭을 키워줄 필요가 없을 뿐만 아니라 외륜보다 빠른 속도로 회전되도록 만들어져 있으면서 효율이 같거나 더 좋아지기 때문에 작고 가볍고 빠른 기관을 사용 할 수 있다. 이러한 장점때문에 대양을 항해하는 선박에서 외륜은 급속히 스크류 프로펠러로 바뀌게 되었으며, 1845년에는 스크류 프로펠러를 장비한 기선 Great Britain 호가 최초로 대서양을 횡단하였다.


이 때부터 스크류 프로펠러는 선박추진분야에서 왕좌를 차지하게 되었다. 특히 스크류 프로펠러는 보다 어려운 환경에서 보다 큰 추력을 낼 수 있는 추진장치로 적합하다는 것이 입증되었다. 특별한 선형이나 운항조건에 따라 다른 형식의 추진장치가 쓰여지기는 하였으나 선박의 추진분야에서 스크류 프로펠러의 경쟁대상이 되지는 못하였다.


흔히 알려진 프로펠러의 변형 중에서 높은 추력이 요구되는 사용조건에 적용하였을 때 상당한 효과가 있는 것으로 알려진 것은 보호환(Shroud Ring)이나 노즐이 붙여진 프로펠러를 들 수 있다. 보호환이나 노즐의 모양은 선체에 전진 추력을 전달하기 좋게 만들어져 있으므로, 큰 추력을 내어야 할 프로펠러에 사용하면 상당한 이점이 있다는 것이 알려졌다. 주로 이와 같은 이점은 예인선(Tug Boat)에서 잘 나타나며 말뚝에 매어진 상태에서 예인하면 기관출력에 따라서는 보호링이나 노즐이 적용되지 않은 프로펠러에 비하여 40%이상의 예인력 증가를 얻을 수 있음이 입증되었다. 이러한 장치는 낮은 예인속도에서는 상당한 이점이 있지만 속도가 증가함에 따라서 이점은 줄어들게 되고 다른 배를 예인하지 않는 자유항주(Free Running)상태에서는 오히려 노즐의 저항이 증가되어 속도 손실이 나타나게 된다. 예인선이 아닌 경우에는 노즐을 얇게 만들고 선미형상을 특별하게 설계하여 높은 속도에서도 추진효율을 좋게 할 수 있다. 이러한 선박에서 노즐을 회전시킬 수 있도록 만들어 주어 프로펠러 후류의 방향을 바꾸어 줌으로서 성능이 우수한 타의 역할을 하게 하여 조종성능이 향상될 수 있다.


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사용자 삽입 이미지1910년경까지는 선박추진분야에서 실린더가 2개, 3개 또는 4개인 증기왕복동기관이 주종을 이루어 왔다. 그 이후에는 중간 출력으로부터 고출력의 범위에서는 증기 터빈으로, 중간출력과 작은 출력범위에서는 디젤기관으로 대부분 대체되었다.


증기왕복동기관은 모든 부하상태에서 우수한 운전성을 가지며 선박운항에서 중요하게 생각되는 역회전이 가능하고 무엇보다도 효율이 높은 분당회전수(RPM)의 범위가 나선 추진기의 회전과 맞아 떨어진다는 장점이있다. 다른 한편으로는 전체 기계장치가 상대적으로 무겁고 장소를 많이 차지하며 실린더당의 출력이 제한된다는 단점이 있다. 또한 증기는 현대식 복수장치에서 얻어지는 낮은 압력까지 효과적으로 팽창되지 못하기 때문에 연료소비율이 높아져서 3단팽창식 기관에서 과열증기를 사용할 때 1kw·hr를 내는데 700g 정도의 연료를 소모한다.




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최초의 선박용 터빈은 Charles Parsons 경에 의하여 1894년에 어뢰정 Turbinia 호에 설치된 것으로서 이 배는 34knots까지 속력을 낼 수 있었다. 그 이후 터빈은 급속히 발전되어 1906년에는 신기원을 이룩하였다고 불리워지는 전함 HMS Dreadnought 호와 대서양 정기선 Mauretania 호의 주기관으로 채택되었다.


터빈은 균일한 회전동력을 얻을 수 있으며 높은 출력을 얻는데 아주 적합하며 넓은 출력범위에 걸쳐 높은 압력의 입구증기를 매우 낮은 배기압력으로 배출시킬 수 있다. 열효율은 그 때문에 상당히 높아지고 대형터빈에서의 연료유소모율은 1kw·hr를 내는데 300g에 불과하다. 과부하상태에서 터빈은 스로틀을 조정하여준 상태에서 거의 일정한 출력을 내게 된다.


반면에 증기터빈은 역회전이 되지 않으며 터빈의 가장 경제적 회전속도는 보편적인 프로펠러의 최상의 효율을 내는 회전수보다 훨씬 높다. 이와 같은 결점으로 인하여 별도의 역전 터빈을 설치해야 하고 터빈과 프로펠러 축사이에 감속기를 두어서 터빈의 회전수를 프로펠러에 적합한 회전수로 감속시켜 주어야 한다.


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기계적인 감속기어장치가 현재까지 가장 널리 쓰여지고 있다. 감속기를 사용하면 동력장치와 프로펠러를 가장 경제적인 회전수로 각각 운전할 수 있으며 기어장치에서의 동력손실은 단지 2∼4%에 지나지 않는다. 그러나 이때에도 후진용터빈은 계속 필요하게 되고 그 때문에 비용, 복잡성, 동력손실 등이 늘어나게 된다.


터빈과 프로펠러 사이의 회전속도(RPM)를 줄여주는 장치로써 전기적인 방법을 이용할 수도 있다. 전기적 감속방식에서는 터빈이 발전기에 직결되고 두 기기가 모두 같은 고속상태에서 효율적으로 작동되게 된다. 발전기는 프로펠러 축에 직결된 전동기에 전기를 공급하며 프로펠러의 효율이 높아지는 가장 바람직한 회전속도로 추진기를 회전시키게 된다. 이와 같은 방식에서는 터빈과 프로펠러 사이를 직접 연결하는 축이 없어지므로 선박설계자가 가장 유리하도록 선박의 일반배치를 결정함에 있어서 선택의 폭이 넓어지게 된다. 쌍추진기선에서 두벌의 터빈과 발전기를 붙여주어 여객선이 순항상태에 있을 때 하나의 터빈으로부터 두 개의 전동기에 동력을 공급하여줌으로써 상당한 경제성을 얻을 수 있다. 터빈-전기 구동방식에서는 역전 터빈이 필요없게 되어 적응성이 좋아지고 조종시간이 단축되며 프로펠러의 공전을 방지할수 있다.


이와 같은 장점을 얻을 수 있는반면 초기투자비용이 상당히 높으며 동력전달 손실이 다소 높아지는 단점이 있다.


배에 사용되는 내연기관으로서는, 처음으로 개발하여 실용화한 사람의 이름을 딴 디이젤 원리(압축점화)를 이용한 왕복동 기관이 일반적이다. 이 기관은 작은 유람선에 설치되는 소형기관으로부터 현대의 초대형 유조선이나 정기 여객선에 설치되는 대형기관에 이르는 여러가지 크기로 제작되고 있다. 대형 기관에서는 실린더마다의 출력이 5,700kw를 넘으며, 14실린더의 경우에는 전체 출력이 80,000kw (109,000bhp)에 이른다. 이 기관은 직접 역회전이 가능하며, 비교적 작은 공간을 차지하고, 연료 소비율이 매우 낮아서 그 평균값이 130g/kw·hr 정도에 불과하다. 디이젤 엔진을 채택하는 배에서는 1대의 큰 기관을 프로펠러와 직결하여 사용할 수도 있고, 여러대의 작은 기관들을 전기나 기어 전달 장치를 통하여 프로펠러와 연결하여 사용할 수도 있다.


각 실린더에서 발생시킬 수 있는 최대 압력의 한계 때문에 디젤 엔진이 낼 수 있는 토크에는 한계가 있다. 따라서 엔진이 최대 토크를 발생할 때는 최대 회전수에서 최대 출력을 내고 있는 것이 된다. 즉, 디젤 엔진은 RPM에 비례하는 출력을 내게된다.


이 한계는 프로펠러와 디젤 엔진을 일치(matching)시키는데 문제를 발생시킨다. 선저 오손으로 선박의 저항이 커지고 같은 이유로 프로펠러 추력이 떨어지게 된다. 따라서 같은 속력을 유지하려면 주기관의 부하가 커지게 된다. 때문에 설계자는 적합한 프로펠러 제원을 선택해야한다. 그렇지 않으면 시간이 경과한 후에 엔진에 과부하가 걸리게되고 선박이 자신의 성능을 다 낼 수가 없게 된다.


최근에 이르러 압축 공기속에서 연료를 연소시켜 생성된 뜨거운 기체로 터빈을 돌리는 가스 터빈이 개발되었다. 가스 터빈은 원래 항공기용 기관에서부터 연유한 것이며, 고온과 고압에 견디는 금속의 개발에 따라 발전하기 시작하였다. 이 기관은 보일러가 없기 때문에 중량이 가볍고, 회전이 원활하고 연속적이라는 특징을 가지고 있다. 그러나, 연료 소비량이 많기 때문에 비경제적이다. 이 기관이 좋은 점은 최대 부하 운전에 들어가기까지에 긴 예열 시간이 필요하지 않으며, 시동 명령으로부터 대략 15분 뒤에는 완전 정지 상태로부터 정상 운전에 들어갈 수 있다. 선박용 가스터빈은 적은 수의 상선에 설치되어 왔지만 함정에서는 점점 널리 쓰이고 있으며 때로는 디젤, 증기터빈 또는 작은 가스 터빈과 결합해서 사용되고 있다. 보통 순항속도에서는 이러한 기관을 쓰고 최고 속도가 필요할 때는 클러치를 써서 프로펠러 축에 주 가스터어빈을 연결해서 쓰게 된다. 지금까지는 주로 구축함이나 프리깃트함, 소형 고속정이나 수중익선에 쓰여왔다.


원자핵 반응로는 많은 군함과 수척의 상선, 그리고 쇄빙선에 쓰이고 있다. 이들 반응로는 보일러 대신에 사용되며, 열교환기를 거쳐 증기를 발생시켜 통상적인 터빈에 공급한다. 이러한 배에서는 연료가 차지하는 중량과 용적이 거의 없다. 이들 기관은 핵연료의 수명이 계속되는 동안 최대 부하로 제한 없이 운전할 수 있으므로, 다량의 연료를 적재하지 않고도 고속을 유지할 수 있다. 그러나 이러한 배에서는 핵반응로와 보호벽을 합한 중량이 재래식 배의 보일러와 연료를 합한 중량과 같거나 오히려 무겁기 때문에, 연료에서 얻는 중량 절감이 운임을 위한 재화 능력(Deadweight Earning Capacity)을 증가시키지 못하는 것이 보통이다. 그러나, 이러한 단점은 핵반응 장치의 설계가 발전됨에 따라 개선될 수 있다.


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서진우

서진우

슈퍼컴퓨팅 전문 기업 클루닉스/ 상무(기술이사)/ 정보시스템감리사/ 시스존 블로그 운영자

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