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함정 전기추진시스템 글로벌 트렌드와 차세대 구축함에 대한 제언 (1편)

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

자동차 및 항공 부문 등에서는 미래에 점점 더 깨끗한 운송 및 원거리 연결을 위한 플랫폼을 도입하거나 평가하기 위해 전동화 즉, 전기추진 또는 하이브리드추진 플랫폼을 적극적으로 고려하고 있다. 그러나 전동화는 조선해양 분야에서는 그리 새로운 것은 아니며 이미 약 100년 전에 처음 선박용으로 전기 및 하이브리드 추진시스템이 소개되었다. GE는 해군 함정의 추진 부문, 특히 전기 및 하이브리드 추진 기술과 관련해서 매우 초기단계 부터 혁신적인 기술을 도입해왔던 선구자로써 각 추진방식에 대한 장/단점, 앞으로의 방향에 대하여 기술하고자 한다.


1. 한국해군은 왜 차기 한국형 구축함 사업(KDDX)에서 완전 전기추진을 고려해야 하는가?

완전한 전기 또는 통합전기추진(IEP, Integrated Electric Propulsion)은 운용 유연성, 생존성 및 충분한 탑재전력이 필요한 구축함과 대형 수상 전투함에 더욱 보편적으로 적용되고 있다.

GE의 파워컨버젼 사업부(GE’s Power Conversion Business)는 전기 추진 장비 및 통합 솔루션을 통해 주로 영국과 미 해군이 통합전기추진장치를 적용하는데 핵심 역할을 수행해 오고 있다. 그 예로, 영국해군의 Type-45 구축함, 퀸 엘리자베스급 항공모함, 미 해군의 줌왈트급 DDG 1000 구축함 등을 들 수 있다.

통합전기추진장치 시스템을 도입해야 할 필요성의 예로 최근 미 해군의 두 가지 사례를 소개하고자 한다.

a) 최근 미 해군은 DDG-51(Arleigh Burke-class destroyer)급 구축함의 보조 발전기엔진의 용량증대를 결정하였다. 주요 업그레이드 사항은 함내 보조 발전기의 발전용량을 기존 9MW에서 12MW로 늘리는 내용이었으며 이는 새로운 SPY-6 레이더의 전력 수요를 수용하기 위한 것으로, 함 운용이 지속됨에 따라 함내 전력 수요가 지속적으로 증가하여 기존에 설치된 발전용량으로는 더 이상 새롭게 발전된 무기체계를 탑재할 수 없었기 때문이다. 통합전기추진 장치는 초기 건조 시 향후 발전량 업그레이드에 대한 대응이 가능하다.

b) 또한 미 해군의 차세대 구축함인 LSC(Large Surface Combatant) 프로그램(DDG 51 클래스의 후속 모델)에서는 전력 및 추진 아키텍처가 통합전기추진장치로 바뀔 것으로 예상된다. 이에 따라 LSC는 기존 DDG 51이 운용했던 별도의 방식 즉, 기계추진방식 및 함내 부하용 발전기 대신에 통합전기추진을 위한 훨씬 더 많은 발전용량을 가짐은 물론 레이저, 레일 건, 레이더 및 냉각 시스템과 같은 첨단 무기 적용에 따른 끊임없이 증가하는 전력 수요를 충족시키기 위해 더 많은 함내 발전용량을 가질 것으로 예상된다.


2. GE and Naval Electric Drive Leadership

GE의 두 사업부문인 GE파워컨버젼 사업부와 GE Marine은 세계 해군에 최고의 솔루션과 통합 기능을 제공하기 위해 협력하고 있다.

GE 파워컨버젼 사업부는 통합전기추진장치 또는 하이브리드 추진 방식을 탑재한 해군 함정 전기 추진 시스템의 글로벌 리더다. 주요 통합전기추진장치(IEP) 실적으로는 미 해군의 줌왈트급 DDG 1000 구축함에 탑재된 첨단 유도 모터(AIM, Advanced Induction Machine), 모터 드라이브, 고전압 시스템, 영국 해군의 Type-45 구축함과 퀸 엘리자베스급 항공모함에 탑재된 첨단 유도 모터, 모터 드라이브, 발전기, 고전압 시스템 및 시스템 통합 서비스가 포함된다. 하이브리드 추진 방식의 주요 실적으로는 영국해군의 Type-23형과 Type-26형 호위함, 그리고 미 해군 LHD-8, LHA 강습상륙함 등이 포함된다.

GE Marine은 가스터빈 추진 분야의 세계적인 선두업체로서 해군, 상업용, 해양 및 산업용 가스 터빈 발전기 세트를 통해 고객에게 폭넓은 경험 선사한다. 실제로 전 세계 35개국 해군의 600척 이상의 함정과 100여개의 해군 프로그램이 1,450대의 GE Marine의 가스터빈 엔진을 사용하고 있다. 이 신뢰성 높은 가스터빈 엔진은 해양부문에서만 1,600만 시간 이상의 누적 운전시간기록을 보유 중이다 GE Marine의 LM계열 가스터빈은 넓은 범위에서 전력밀도가 높은 설계를 제공하며 4.6 ~ 52MW범위(ISO 조건 기준)의 다양한 가스터빈을 통해 통합전기추진장치 요구사항에 가장 적합한 가장 유연한 발전기 옵션을 제공한다.

GE 파워컨버젼 사업부와 GE Marine은 공동으로 관련된 기술 및 프로그램 즉, 가스터빈 발전기 세트, 모터 및 드라이브, 고전압 시스템 통합, 발전 트랜스미션 보호, 동적 성능 제어, 복원력/고장 분석등을 조선소와 해군에 제공할 것이다. 이와 같은 풀 패키지 형태의 접근방식은 GE를 전기추진 함정의 통합을 위한 이상적인 솔루션 제공자로 고려하게 할 것이며 이는 그간의 탁월한 경험으로 뒷받침되는 대부분의 시스템 구성 요소와 통합 기능을 기반으로 한다.

따라서 GE는 한국해군의 KDDX 프로그램과 전기추진에 관심이 있는 다른 세계 해군에 전기추진 관련 전문 지식을 제공할 수 있는 이상적인 파트너이다.

“GE Marine은 그간 대한민국 해군 55척 함정에 82대 이상의 가스 터빈을 공급해 오며 함께 일해온 오랜 역사를 가지고 있다. 실제로 우리는 올해 말 KDX III B2용 GE LM2500 가스터빈 키트를 한국의 파트너인 한화에어로스페이스에 납품할 예정이다. KDX III는 배수량 8천 톤의 이지스 방공 구축함(세종대왕함)으로, 2008년 선도함이 인도되었다. 이 키트를 통해 한화에어로스페이스는 가스터빈 조립을 완료하고, 엔진을 최대 부하로 시험한 다음, 모듈 통합을 완료한다. GE의 가스터빈을 탑재한 다른 최신 프로그램으로는 한화에어로스페이스에서 조립하여 시험한 GE LM500 가스 터빈 추진 장치뿐만 아니라 ATX 훈련선이 있다. 나는 한국 해군의 차세대 구축함 KDDX의 요구사항을 충족시키기 위한 완전한 장비 보완과 함께 통합전기추진방식을 위한 통합된 GE 가스터빈 발전기를 제공하기 위해 GE 파워컨버젼 사업부의 앤디 쿠퍼(Andy Cooper) 및 그의 팀과 협력하게 되어 기쁘다.”
– 마이크 레알리, Acting General Manager, GE Marine


“한국 해군은 현재 차세대 구축함인 KDDX의 하이브리드 또는 완전 전기 추진 옵션을 검토중이다. 이 차세대 프로그램은 세계 해군이 함정에 충분한 전력을 공급하기 위해 전동화로 이동하는 추세에 주목하고 있다. 이 분야 글로벌 리더로서 GE는 저 위험의 해군 전력 드라이브 솔루션으로 검증된 여러 가지 실적 및 제품을 보유하고 있다. 예를 들어, 고객은 우리가 영국과 미국에서의 경험을 통해 검증한 모터, 드라이브, 발전기, 스위치 기어 및 전력 관리 솔루션을 포함한 다양한 제품을 선택할 수 있다. 따라서, GE는 GE Marine의 가스터빈과 더불어 잘 확립된 국내 파트너쉽과 협력하여, 모든 전력 및 추진 요구사항을 충족할 것이다.”
– 앤디 쿠퍼, CEO of UK P&L, GE Power Conversion

 
3. GE 파워컨버젼 사업부

GE 파워컨버젼 사업부는, 에디슨이 1892년 설립한 이후 127년 이상 혁신을 선도해온 세계적인 하이테크 기업 GE의 전력변환사업 부문이다. GE는 특히 추진 분야에서 지난 100여년간 중요한 최초의 기술혁신을 여러 건 이루었는데 예를 들어, 1920년에는 세계 최초 선박용 하이브리드 전기추진시스템을 개발했으며, 1936년에는 제트엔진을 세계 최초로 시험한 바 있다. 이러한 기술혁신을 기반으로 오늘날 GE 파워컨버젼 사업부는 에너지, 조선해양, 석유 및 가스, 광산업 등 주요 산업 전반에 걸쳐 폭넓은 전력변환 솔루션을 제공하고 있다.

GE 파워컨버젼 사업부는 또한 시스템 통합(System Integration)에 있어서 차별화된 능력을 가지고 있으며 함정의 경우 단일 고성능 전력 네트워크를 통해 모든 함정의 추진과 임무에 소요되는 전력을 제공할 수 있는 강력한 마이크로 그리드를 만들어 낸다.

최근에는 영국 해군 역사상 가장 큰 함정인 퀸 엘리자베스급 항공모함에 통합전기추진장치를 공급하고 있으며, 현재 20MW급 추진용 첨단 유도 모터(AIM : Advanced Induction Machine) 4대, 총 추진용량 80MW를 탑재해 총 110MW의 전력으로 운용되고 있다. 영국 해군 전체로는 90%이상 주요 함정이 GE의 전기추진 솔루션을 채택하였다.





GE 파워컨버젼 사업부의 경우 108척의 해군 및 특수선 관련 통합전기추진장치(IEP) 및 하이브리드 전기추진 시스템 공급실적을 가지고 있으며, 주요 실적은 아래와 같다.




4. GE Marine, A GE Aviation Business

GE Marine은 6개의 가스터빈 제품군을 제공하며 4.6MW ~ 52.7MW(ISO조건 기준) 사이에 있는 어떠한 요구사항도 만족할 수 있다. 각 엔진별 출력은 아래와 같다.
• LM500 (4.6MW)
• LM2500 Base (25.1MW)
• LM2500+ (30.2MW)
• LM2500+G4 (35.3MW)
• LM6000PC (46.1MW)
• LM6000PG (52.7MW)



GE Marine의 가스 터빈은 동급 최강의 전력 밀도를 향상시키는 내 충격성을 지닌 경량 복합 인클로저를 사용한다. 새로운 인클로저를 통해 기존 대비 무게를 50%(2,500 kg), 공기소음을 40%~60% 감소시키고 외부 벽의 온도를 화씨기준 25~50도 감소시키는 기술혁신을 이루어 냈다.

GE Marine은 가스터빈 발전기 세트 경험이 풍부하다. GE의 LM2500 해군용 가스터빈 발전기는 경쟁사 대비 높은 누적 운영 및 가동시간을 자랑한다. GE의 가스터빈 발전기 세트는 2010년부터 운용중인 스페인 및 호주해군의 후안 카를로스급 LHD 함정에서 운용되어 왔다. 또한, 베이스로드 및 피킹 애플리케이션에는 2,300개 이상의 산업용 LM2500 가스 터빈 발전기가 운용되고 있다.

한국 해군을 포함해 GE 가스터빈은 전 세계 35개국 해군에서 사용되고 있다. 특히 전세계 9개 거점을 통해 제공되는 GE만의 차별화된 서비스 공급능력은 육상 및 해상에서의 서비스 제공을 통해 해군 함정의 중단 없는 운용에 기여하고 있다. GE의 가스터빈은 최소한의 유지보수를 필요로 하며, 대부분의 작업이 가스터빈 제거 없이 현장에서 수행될 수 있도록 설계되었다.

한국 해군은 미 해군 다음으로 가장 많은 55척의 함정에 82대 이상의 가스 터빈을 운용하고 있어 GE와 오랜 협력관계를 맺고 있다. GE LM2500 가스 터빈은 대한민국 해군의 동해와 포항 초계함(corvette), KDX구축함들과 FFX B-1호위함에 사용된다. GE의 전략적 파트너인 한화에어로스페이스는 한국에서 가스 터빈을 직접 조립하고 시험한다.

GE의 가스터빈은 기계식 추진, 하이브리드 전기 추진 및 통합전기추진장치를 포함한 다양한 구성에서 사용될 수 있다.



>>> 2편으로 이어집니다


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