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함정 전기추진시스템 글로벌 트렌드와 차세대 구축함에 대한 제언 (2편)

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이 원고는 비영리 학술단체인 (사)한국첨단기술융합학회에서 연 6회 발간하는, Navy Times 2019년 6/7월호에 게재되었습니다. 

1편에서 이어집니다


5. 함정전기추진시스템의 글로벌 트렌드

우리는 지난 수년 동안 해군 함정에 대한 전력 수요가 지속적으로 증가하는 것을 보아왔고, 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 보인다. 함정 추진 시스템은 점점 더 효율적이어야 하며, 임무를 지속 수행할 수 있도록 하여야 하겠지만, 또한 함정의 전 속도 범위에서 뛰어난 임무 수행능력을 보유하여야 한다. 이러한 변화를 통해 우리는 앞으로의 함정들이 지금보다 더 많은 것을 그리고 효율적으로 해내야 할 것이라고 예상할 수 있다. 또한 고 에너지를 사용하는 방어시스템, 전자전을 포함한 미래 임무 시스템은 향후 더 많은 전력을 필요로 하게 될 것이다.

이와 관련하여, 미 해군의 차기 구축함 요건에 관한 인터뷰에서 존 M 리처드슨 해군참모총장은 다음과 같이 언급한 바 있다.

“함정의 전력 시스템 용량을 컴퓨터의 RAM 용량과 비교할 수 있다. 즉, 전력 시스템 용량을 필요한 것보다 더 많은 것을 준비하라고 충고하고자 하며, 왜냐하면 그것은 결코 충분하지 않을 것이기 때문이다.”

최근 전기추진함정은 세계적으로 다음과 같은 방향으로 발전하고 있으며, 최근 건조된 선진해군들의 신형 구축함들은 통합전기추진방식을 채택하고 있다. 통합전기추진방식은 시스템 내에서의, 새로운 아키텍처, 통합 전력 관리 시스템 및 첨단 전기기기 등 증가하는 전력 수요에 대응할 수 있도록 한다.

a) 전압레벨의 증가 추세 – 저압에서 고압으로의 변화
b) 기존 및 지능형 에너지 관리와 더불어 고급 에너지원을 포함하기 시작한 솔루션
c) 함정 전기추진 시스템은 개별 장비로 부터가 아닌 완전한 시스템으로서 능력을 전달
d) 향후 증가 될 선내 부하에 대응하기 위한 추진부하와 함내부하의 통합
e) 펄스 무기와 같은 순간적인 고용량의 충격 부하를 수용하기 위한 전기 추진 시스템을 활용한 전력 품질 유지

이러한 전기추진 함정의 임무목표 달성은 장비단위가 아닌 시스템 통합으로만 가능하며, GE는 함정용 통합전기추진 시스템의 통합능력 및 경험을 보유한 세계적으로 유일한 회사이다.


6. 해군 전기 추진 시스템의 두가지 유형

GE가 제공하는 해군 함정용 전기 추진 시스템은 하이브리드 전기추진(HED, Hybrid Electric Drive)과 통합전기추진장치(IEP, Integrated Electric Propulsion)의 두 가지 구성으로 분류할 수 있다. 하이브리드 전기추진 시스템은 대 잠수함전(ASW, Anti-Submarine Warfare)에 중요한 우수한 소음 성능과 함께 저속에서의 효율적인 추진력을 제공한다.

하이브리드 전기추진 시스템은 만약 추진력의 일부를 전력으로 변환할 수 있는 기능을 갖추면 함내 소요전력 및 무기시스템을 위한 약간의 추가 전력을 제공할 수 있다. 다만 대부분의 경우, 하이브리드 전기추진 시스템은 추진 및 함내 부하용 발전이 구분되어 있다. 반대로, 통합전기추진장치는 추진이나 함내 부하 전력에 사용될 수 있는 전력을 동시에 생산한다. 이 구성은 레이저와 레일건, 레이더, 함정 냉각 등 첨단무기의 대량의 전력이 필요한 함정에 가장 효과적이다.

A. 통합전기추진장치(IEP) 완전 전기 추진

해군 함정 중 전력 수요가 크고 추진부하와 함내부하를 통합해야 할 때 추진 장비(기계식)와 전력(가스터빈 또는 디젤 발전기를 통한) 전용 장비 보다 통합전기추진장치방식 전기추진 시스템을 사용한다. 이 유형은 함정의 장비 배치에 더욱 다양한 옵션을 제공하므로 설계에 대한 더 많은 유연성을 가질 수 있다.





현재 운용되고 있는 전 세계 해군의 모든 통합전기추진 방식 함정은 GE의 솔루션을 채택하고 있다. 필요 전력량이 증가함에 따라 전압도 증가하며 이를 통해 전류를 제한하게 된다. GE는 690V, 4160V, 6600V, 11kV 또는 13.8kV 등 특정 시스템 전압에 관계 없이 최적의 솔루션을 제공할 수 있는 전문성을 갖춘 유일한 회사이다.

영국 해군은 Type-45급 구축함과 퀸엘리자베스급 항공모함을 통해, 미 해군은 줌왈트급 DDG 1000구축함을 통해 최첨단의 통합전기추진장치 기술을 구축하고 운용한 경험이 있다.

통합전기추진장치(IEP)의 주요 이점은 다음과 같다:

a) 통합전기추진장치(IEP)는 모든 속도 범위에서 효율적이므로 보다 넓은 속도 범위에서 상대적으로 적은 수명 유지 비용으로 운용이 가능하다.

b) 통합전기추진장치(IEP)는 구동부가 적은 매우 간단한 기계 시스템으로 구성되며, 유지 보수 부분이 적어 사후 관리에 용이하다.

c) 통합전기추진장치(IEP)는 매우 유연한 설계를 통해 전투 피해를 최소화 할 수 있다. 즉, 대 용량의 단일 대형 엔진에 의존하지 않는다.

d) 통합전기추진장치(IEP)는 이미 검증된 미래의 솔루션이며, 향후 함정에 탑재가 예상되는 모든 기기(대용량 센서, DEW, Direct Energy Weapon 등)에 대응하여 큰 가용 전력을 제공한다.

 
B. 하이브리드 전기추진

하이브리드 전기 추진은 추진 모터(기어박스 또는 샤프트)의 위치에 따라 두가지 유형으로 나눌 수 있다:
• 기어 박스 장착형: 고효율을 위한 고속 소형; 예: 미 해군 LHD 8, LHA
• 샤프트 장착형: 대 잠수함전(ASW)에 사용되는 저속 대형; 예: 영국 해군 Type 26, Type 23




샤프트 장착형의 경우 아래와 같이 CODLOG 또는 CODLAG으로 구성하는 것이 일반적이다.





7. 해군 함정의 전력 및 추진 시스템 통합의 기능

통합전기추진 방식은 추진 및 전력 시스템에 많은 양질의 전력을 생산하고 안전하게 공급해야 한다. 그러므로 개별장비의 설계는 물론, 통합 및 시험, 전체 시스템으로서의 운용등이 함정의 성공적인 운용을 위해 매우 중요하다. GE는 고부가가치 서비스와 지원 경험을 바탕으로 조선소 및 전 세계 해군을 지원할 수 있는 독보적인 위치에 있다. GE는 대량의 통합전기추진시스템, 광범위한 제어, 전력 제어 및 시스템 통합 설계 경험을 진행할 수 있는 세계적인 수준의 자체 시험 설비를 갖추고 있으므로 이러한 통합 서비스를 원활하게 수행해 낼 수 있다. 경우 아래와 같이 CODLOG 또는 CODLAG으로 구성하는 것이 일반적이다.




MPTF는 영국 웻스톤(Whetstone)에 위치한 GE파워컨버전의 전기추진 함정 육상 테스트 시설이다. 전체 면적은 약 2만 제곱 미터이고, 건물 면적은 약 2천 5백 제곱 미터에 달한다. 본 시설은 특수목적용으로 민간기업이 운용중인 유일한 설비이며, 고 성능 및 고 복잡도 전기추진시스템의 검증을 수행하고 있으며 수상 및 수중 추진에 대한 동시 대응은 물론, 단위 시스템 및 풀 스케일의 시험이 가능하다.


GE파워컨버전은 1999년 시설 설립 이후, 지속적인 운용 및 업그레이드를 진행하고 있으며, 신기술 개발 검증 용도로도 사용 중이다. 아울러 해군 승조원 요원에 대한 교육도 함께 진행하고 있다.


MPTF는 1999년 영국 국방부 프로젝트로 시작되었다. 당시 국방부는 통합전기추진장치(IEP) 솔루션을 전투함에 처음 탑재했을 때의 위험을 최소화하기 위해 사전 기술 검증을 원했다. 따라서, 영국 정부는 프랑스 정부와 공동 기금으로 MPTF를 건설하고, Type 45 완전 전기추진 시스템의 절반 크기의 동일한 시스템을 육상에 설치 및 시험했다. 특히 실제 해상 상태를 육상에서 모사할 수 있는 4-quadrant 시험이 가능하다. 다시 말하면, 해상 시운전이 육상에서 가능하다는 것이다. 현재 장비 용량은 발전기의 경우 최대 30MW, 추진 모터의 경우 20MW까지 가능하며, 필요한 시험에 따라 유연하게 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.


b) 이 설비에 연결된 장비는 꼭 GE가 공급하는 장비일 필요는 없으며 다른 장비 공급 업체에 의해서도 제공될수 있다. 궁극적으로 총 비용을 최소화하고 해상에서의 시험 기간과 위험을 줄일 수 있다. GE는 2000년 이후로 각종 프로젝트를 사전 검증해왔으며, 현재 운용중인 통합전기추진 및 하이브리드 전기추진 시스템을 검증할 수 있었다.


c) GE 파워컨버젼은 현재 혁신적인 기술의 사전 검증을 위해 이 설비를 사용한다. 최근에는 ESS(에너지 저장 장치) 및 DC 아키텍처에 대해 새로운 차원의 검증을 실시하여 시장에 출시했다.





8. 한국 해군의 차세대 구축함(KDDX)에 대한 GE 추진 시스템 제안


GE는 한국 해군의 추진 및 전력시스템 선택 결정(통합전기추진 또는 하이브리드 전기 추진)을 최대한 지원할 것이다. GE는 영국 해군의 Type 45형 통합전기추진체계가 차세대 구축함(KDDX)의 요건에 가장 적합한 시스템이라고 생각한다. 간단히 설명하면, GE의 4160V 배전시스템은 GE의 첨단 유도 모터(AIM, Advanced Induction Machine) 2대와 기 검증된 GE LM2500+(26.3MW) 또는 LM2500+G4(30.3MW) 가스터빈 발전기 세트가 적용될 수 있다.


GE Marine은 한화에어로스페이스의 파트너사로써 한국과 관련한 광범위한 경험을 쌓고 있다. 한화에어로스페이스는 GE와 가스터빈 동반제조사로서 계약을 지속적으로 유지할 것이며, 나아가 KDDX 추진 시스템 연구에 의해 결정된 전기 장비에 대한 공동 생산 계획을 개발하는데 전념하고 있다.






또한, 추가 전력 생산과 운용상의 유연성이 요구되지 않는다면, GE는 하이브리드 전기 추진시스템을 다른 실현가능한 대안으로 제안한다. 이 경우, 추진시스템은 2대의 추진용 가스터빈을 사용하며, 이는 이중화가 필요한 구축함에서의 일반적인 구성이다.


추진모터는 샤프트 구동 방식이며 현재 영국 해군이 Type-26 함정에 적용한 대잠작전에 적합한 저소음 모터가 적용될 수 있다.





9. 결론


함정의 추진과 전력 생산은 통합 전기 추진 시스템에 매우 중요한 부분이다. 그러므로 검증된 장비, 시스템 통합 그리고 관련장비의 테스트가 매우 중요하다. GE는 검증된 해군 전기 추진 장비(모터, 드라이브, 제어 시스템, 자동화 시스템, 발전기 및 가스터빈까지) 를 모두 공급하는 유일한 업체이다. 이보다 더 중요한 것은 GE가 그 동안 이루어낸 수많은 전력 및 추진장비의 통합 시스템 구축의 성공적인 경험이며 이는 타사와 비교가 불가하다.


한국해군은 곧 KDDX를 통해 새로운 함정 프로그램에 착수하게 된다. GE는 선진해군을 통해 검증된 시스템을 기반으로 해군의 추진 및 전력 요구사항에 적합한 최적의 솔루션을 제공할 것이다. 대한민국과 오랜 기간 함께 걸어온 GE의 추진시스템 설계와 제작 기술을 바탕으로, 가장 우수한 차세대 구축함의 전기추진 시스템개발을 함께하길 기대한다.


>> 1편에서 이어진 글입니다.


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