[배 이야기] 선박을 움직이는 날개 ‘프로펠러’

통상 10~20t, 최대 100t도 넘어
엔진효율·속도 따라 크기 결정

지난 2월 27일 오전 경남 통영시 성동조선해양 조선소에서 육상건조방식으로 건조된 100번째 선박이 안벽에서 플로팅 도크로 이동하고 있다.

[아시아경제 채명석 기자] 선박을 움직이기 위한 핵심 기관은 엔진이다.

하지만 엔진 못지않게 엔진에서 나온 동력을 실행할 기관도 매우 중요하다. 자동차도 엔진에서 나온 동력을 추진시킬 4개의 바퀴가 없다면 움직일 수 없듯이 선박이 엔진의 힘을 이용해 거친 파도를 가로 지르며 운항할 수 있도록 하는 기관이 바로 ‘프로펠러’다.

◆소형차 10~20대 무게= 프로펠러는 엔진에서 구동축을 통해 전달된 힘을 회전시켜 선박을 움직이는 역할을 한다. 항공기에 사용되는 프로펠러가 기압을 이용한다면, 선박에 쓰이는 프로펠러는 수압을 통해 선박을 추진시킨다는 점에서 차이가 있다. 엔진과 연결된 축계를 통해 전달된 동력을 물과 작용해 추력으로 변화시켜 주기 때문에 프로펠러는 엔진과 단짝이다.

프로펠러는 회전운동을 하면서 물을 밀어낼 때 휘어지지 않아야 하기 때문에 단단한 것은 물론 무게 또한 상당하다. 보통 한 선박당 선미에 하나씩 설치되는데 통상 프로펠러의 크기는 큰 선박에 비례해 커진다. 니켈, 알루미늄, 청동합금으로 구성되며 무게(현대미포조선이 건조하는 선박에 쓰이는 기준)는 10~20t에 달하는데 이는 소형 자동차 10대에서 20대 무게와 맞먹는다. 대우조선해양이 건조한 1만4000TEU(20피트 길이 컨테이너 1만4000개를 실을 수 있는 크기)의 컨테이너선에 쓰인 프로펠러는 101t에 달하며 가격은 t단위로 책정되므로 대당 14억~17억원에 달한다. 세계에서 가장 큰 선박에 사용된 프로펠러의 경우 106t이 넘었다는 기록도 있다. 현대미포조선의 경우 사용하는 프로펠러 대부분은 현대중공업에서 6개월 정도 걸쳐 제작했다.

이밖에도 액화석유가스(LPG) 운반선이나 액화천연가스(LNG) 운반선은 프로펠러가 2개, 구축함 같은 특수선의 경우에는 4개가 달리는 경우도 있다.

화물을 싣지 않아 가벼워진 선박이 물위에 뜨면서 프로펠러가 수면 위로 노출됐다.

◆연료 효율, 속도에 따라 달라= 선박에 적용될 추력 값이 나오면, 거기에 맞춰 날개각도, 날개 수, 두께 등을 종합적으로 고려해 프로펠러를 설계한다. 따라서 선종에 따라 선택하는 것이 아닌 연료 효율과 선박의 속도를 고려해 사양이 결정된다.

선박에는 나선형 프로펠러가 주로 쓰이며, 종류에는 ‘고정피치프로펠러(FPP)’와 ‘가변피치프로펠러(CPP)’가 있다.

고정피치프로펠러는 석유화학제품운반선(PC선) 등 현대미포조선이 건조하는 대부분의 선박에 적용되며 통상 4개의 날개가 고정돼 있다. 가격은 25만달러 정도이며, 피치가 고정돼 있어 후진을 할시에는 엔진 가동 자체를 역전해야 한다. 따라서 연료가 많이 드는 것은 물론 기관의 수명이 짧아지는 단점이 있다.

반면 가변피치프로펠러는 조정실에서 단순한 조작만으로 전진·후진·저속·정지 등 자유롭게 운항할 수 있다. 원격 조정이 가능하고 역전장치가 필요 없어 연료 절감은 물론 단시간에 속도를 올릴 수 있는 장점이 있다. 다양한 기능을 갖추고 있는 만큼 가격은 약 50만달러로 고정피치형에 두 배다.

속도를 고려해야 하고 연료 효율을 높이길 원하는 선주사의 경우 가변피치프로펠러를 선택하게 된다. 현대미포조선에서도 로로선(RO-RO), 컨로선(CON-RO), 자동차전용운반선(PCTC) 등 고부가가치선에 주로 가변피치프로펠러가 적용됐다.

지난달 26일 경남 통영시 성동조선해양 조선소에서 육상 건조 선박으로는 세계최대이자 땅위에서 100번째 건조한 18만t급 벌커가 안벽에서 플로팅 도크로 이동시키는 '로드 아웃(Load-Out)'을 하고 위해 대기하고 있다.

◆날개모양은 나선형= 선박에 사용되는 프로펠러는 날개가 나선형(스크류)으로 된 것을 확인할 수 있다. 비단 선박뿐 아니라 환풍기에 쓰이는 프로펠러 모양도, 아이들이 갖고 노는 바람개비 모양도 크기 차이는 있지만 나선형이다. 선박의 경우 거센 유압에 날개가 부러지지 않도록 나선형 모양을 취하고 있다. 또 물 흐름과 맞춰 더욱 큰 추진력을 내기 위해 오랜 연구 끝에 스크류 모양이 탄생하게 된 것이다.

만일 날개 모양을 뾰족하게 삼각형으로 만들면 어떨까? 유압을 견뎌내지 못해 심한 소음과 진동을 동반한다. 유압, 떨림, 추진력, 소음 등 여러 복합적인 환경을 고려해 탄생한 모양이 바로 지금 사용되고 있는 나선형인 것이다.

그렇다면, 프로펠러의 회전 방향은 어느 쪽일까? 엔진회사의 설계 방식에 따라 차이가 있으나 전 세계 선박엔진의 대부분을 차지하는 MAN B&W의 MC 및 ME/MC-C타입 엔진이나 바르질라의 RTA 및 RT-flex 같은 저속 대형엔진은 선박이 전진할 경우 후미에서 봤을 때 시계방향(Clockwise)으로 회전한다.

메인엔진을 2대 사용하는 LNG선일 때에는 MAN B&W ME-C타입 엔진의 경우에 좌측엔진(P1)은 시계방향, 우측엔진(P2)은 반시계방향으로 회전해 전진 시 후미에서 봤을 때 안으로 모이는 인워드(Inward) 방향으로 보인다.

후진 방법은 위에서 살펴본 데로 고정피치프로펠러는 선박의 역전이나 추진력 조정이 엔진에 의해 조정되기 때문에 후진할 때에는 엔진을 정지한 후 역방향 재시동 해야한다.

반면 가변피치 프로펠러는 선박의 역전이나 추진력 조정이 프로펠러의 피치각(날개각도) 조정에 의해 조정되기 때문에 엔진은 계속 같은 방향으로 일정 속도로 회전하면서 후진이 가능하다. 이밖에 중·소형 선박에서는 감속기어장치(Gear Box)를 사용해 역전을 시키는데, 후진을 하더라도 엔진은 항상 같은 방향으로 회전한다.

선박의 진동과 소음을 획기적으로 줄인 STX조선해양의 신개념 저진동 추진기 프로펠러

◆효율성 고려해 선미에 설치= 프로펠러 탑재는 블록을 거의 다 쌓은 시점에 도크에서 이뤄진다. 엔진과 연결되는 추진축을 내부에 설치한 후 외부에서 유압을 이용해 프로펠러를 끼워 맞춘다.

항공기는 맨 앞부분 혹은 중간에도 프로펠러가 달려 있지만, 선박은 거의 대부분의 프로펠러가 선미에 위치한다. 이유는 안전성과 효율성 두 가지 측면에서 볼 수 있다. 선수에 프로펠러가 위치한다면, 암초 등 바다 속에 있는 딱딱한 것에 걸려 파손될 수 있다.

효율성 측면에서는 프로펠러가 선미 쪽에 위치한다면 유선형의 선박 몸체로 인해 스쳐 나오는 물을 프로펠러로 집중시켜 보다 큰 추력을 낸다. 따라서 원활한 동력 전달이 이뤄져 선박이 내는 속도에 도움이 된다. 또, 선수에 위치한다면 프로펠러를 지나간 물이 선체에 부딪히면서 추진 성능을 저해할 우려도 있다.
<자료: 현대미포조선·현대중공업·삼성중공업·대우조선해양·STX조선해양·한진중공업·성동조선해양>

채명석 기자 oricms@