1.5 해양 분야

2023.03.07 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1.4 차량 분야에서의 응용

 

1.5 해양 분야

해양 추진은 디젤 엔진, 가스 터빈, 석유 또는 원자력 발전소를 사용합니다. 디젤 엔진은 두 가지 주요 그룹으로 나뉩니다. 더 작은 고속 및 중속(750rpm ~ 1500rpm) 종류의 엔진은 해양 가스 터빈에 따라 고도로 정제된 경질 디젤 연료를 연소합니다. 더 큰 저속 또는 Cathedral 디젤은 훨씬 더 무거운 디젤 오일을 저속(120rpm) 및 연소를 위해 빠른 연료 기화가 필요하지 않은 간접 분사를 통해서 연소합니다. 대부분의 해양 추진기관은 디젤 엔진을 사용하지만, 특정 응용 분야에서는 가스 터빈이 널리 사용됩니다. 가스 터빈을 사용한 해군 추진기관의 첫 번째 사례는 1947년 영국에서 수정된 건 보트에 Metrovick 'Gatric' 엔진을 사용한 것이었습니다. 이것은 F2 제트 엔진을 기반으로 하지만 테일 파이프에 자유 동력 터빈이 있고 이를 통해 디젤을 연소하는 엔진이었습니다. 해상 시험은 4년 동안 지속되었고 의구심을 갖던 사람들은 해상에서 간단한 사이클 경량 엔진의 작동이 실용적이라고 확신하게 되었습니다. Metopolitan Vickers는 나중에 Rolls-Royce에 인수되었습니다. 또 다른 초기 개발은 4.0MW의 Rolls-Royce RM60 이중 인터쿨링 및 재생 엔진이었습니다. 이것은 평평한 SFC 곡선을 가지고 있으며 소형 선박용 단일 엔진과 대형 선박용 순항 엔진으로 설계되었습니다. 1953년 HMS Gray Goose에 장착되어 세계 최초의 가스 터빈 추진 선박이 되었고 바다에서 4년을 보냈습니다. 대부분 기술적으로 성공했지만, 해당 엔진은 순찰선 역할에 너무 복잡하고 순항 엔진으로서 디젤보다 부족하여 생산에 이르진 못했습니다. 첫 번째 운영 사례로, 1958년 고속 순찰선에 3개의 Bristol Engine Company(나중에 다시 Rolls-Royce에서 인수함) Proteus 엔진을 사용한 것이었습니다. 해양 추진 시스템 요구 사항은 지상 운용을 기반으로 하는 장치와 크게 다릅니다. 선박 운용의 관성이 크기 때문에 엔진의 가속시간은 일반적으로 중요하지 않습니다. 또한 현재 배출 관련 법안의 영향은 무시할 수 있는 수준이며, 오염 농도가 낮은 바다에서의 경우에는 해당 영향의 정도가 특히 낮습니다. 국제해사기구(IMO)는 가스 터빈은 충족할 수 있지만 디젤 엔진은 충족할 수 없는 엄격한 법률 도입을 꺼리고 있습니다.

1.5.1 선박의 주요 선급

가스터빈 엔진이 후보가 되는 선박의 주요 선급은 그림 1.9에 요약되어 있습니다. 해당 그림에서는 실제 선박과 사용된 엔진의 예가 나타나 있습니다. 가스 터빈은 보일러와 증기 터빈을 사용하는 디젤 엔진 및 원자력 발전용 엔진과 경쟁합니다. 이 글을 쓰는 시점에 석유 연소 증기 플랜트는 새로운 선박에서 거의 사용되지 않고 있지만 여전히 사용 중에 있습니다. 차트 1.6은 이러한 선박 등급의 주요 특성을 그림으로 보여주고 있습니다.

 

1.5.2 해양 선박 추진 요건

그림 1.10은 선박의 전진 운동에 필요한 총 동력을 구성하는 요소를 보여주고 정량화한 내용입니다. 잔잔한 물을 항해하는 선박은 두 가지 파형을 생성합니다. 하나는 뱃머리에 높은 수압이 있고 다른 하나는 선미에 감소한 수압입니다. 이 파동 시스템을 생성하는 에너지는 조파 저항을 통해 선박에서 파생됩니다. 고속에서는 파동 저항이 지배적입니다. 실제로 주어진 선체 설계의 경우, 조파 저항을 위한 임계 선체 속도에 도달합니다. 여기서 선박은 말 그대로 물 언덕을 오르고 추진 추력은 위쪽으로 기울어지며, 이 속도를 초과하는 것은 비경제적입니다. 조파 저항 곡선에 중첩된 사인파 효과는 선수 및 선미파 시스템의 상호 작용으로 인한 것입니다. 표면 마찰 저항 또는 마찰 형태의 저항도 전체 저항의 주요 원인입니다. 이러한 마찰은 선체와 물 사이의 마찰을 의미합니다. 압력 저항, 유체 역학적 항력 또는 형상 항력은 선체 주변의 물의 흐름 분리로 인해 불리한 역압력장을 생성합니다. 그에 대한 결과로 발생하는 소용돌이 또는 와류는 저항을 만드는 파장에 의해 생성된 파장에 더해지게 됩니다. 흘수선(Water line) 위의 선박 항력으로 인해 발생하는 공기 저항은 총저항의 5% 미만입니다. 종종 저속 선박의 경우 공기역학적 형상에 거의 노력을 기울이지 않습니다. 위의 네 가지 저항은 Naked Resistance를 구성합니다. 전체 저항을 평가하려면 부속물 저항을 추가해야 합니다. 이는 러더, 돌출 종통재(bilge keels), 프로펠러 등에 의해 발생하는 손실에 해당하며, 전체 저항의 10% 미만입니다. 전통적으로 선체 설계에 대한 이러한 저항은 물탱크에서 모델 테스트를 한 다음, 무차원 그룹을 사용하여 결과 공식 및 계수를 실제 선체 크기로 확장하여 평가합니다. 이러한 과정은 복잡합니다. 동력 요구 사항은 단순 부력으로 무게를 지탱하는 변위 선체에 대한 선체 속도 대한 세제곱 법칙으로 근사할 수 있습니다. 이와 관련하여 저항이 용기 변위(예: 중량)에도 의존함을 확인할 수 있습니다. 동력은 유체역학적으로 양력을 생성하는 반평패 선체(semi planning hulls)에 대한 제곱 법칙으로 구할 수 있습니다.

 

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