전 세계적으로 연료비 절감, 환경오염에 대한 문제가 야기되면서 선진 해군에서는 이와 관련된 다양한 분야에 대한 연구가 활성화되고 있다. 미군의 경우 해군 연료 소모량 중 40%를 함정에서 소모하고 있으며, 특히 COGAG 추진체계를 채택한 DDG-51급 이지스 구축함은 전체 함정의 연료소모량 중 40%를 차지하고 있을 정도로 많은 연료를 소모한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 미 해군에서는 DDG-51급 이지스 구축함의 COGAG 추진체계에 전동기를 추가하여 연료 소모량과 수중 소음을 감소시킬 수 있는 HED System에 대한 연구를 수행하고 있다[1][2].

우리나라 해군은 현재 총 3대의 이지스 구축함을 가지고 있다 (세종대왕함, 서애 류성룡함, 율곡 이이함). 위 함정은 미국의 DDG-51급 이지스 구축함의 Flight 2A 설계를 바탕으로 건조되었으며, COGAG 추진체계를 사용하고 있다. 또한, 앞으로 3대의 이지스 구축함을 추가로 건조할 예정이기 때문에, 우리나라 해군도 HED System에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다.

본 논문은 우리나라 해군의 HED System 기반 기술을 확보하기 위하여 HED System에 대해 분석하고, LabVIEW를 기반으로 한 HED System 시뮬레이션을 통하여 HED를 발전기 모드로 사용하였을 때 시스템의 최적 운용 알고리즘을 제안하고자 한다.

2장에서는 COGAG 추진체계와 HED System, 그리고 제어 알고리즘에 대해 분석하였으며, 3장에서는 LabVIEW를 이용한 모델링 및 신뢰성 확보, 4장에서는 시뮬레이션 및 결과 분석에 대해 기술하였다.

컴퓨터를 이용한 모델링 기법이 발달하면서 과거 뉴턴 역학을 이용한 단순한 모델링에서 최근 열역학적 이론을 통하여 각 장비의 세부적인 부분들 모두 모델링을 함으로써 시뮬레이션의 정밀도를 높여가고 있다. 이러한 모델링 기법은 각 장비를 모델링하기 위해서 세부적인 구조 및 특성에 대한 자료를 확보해야한다는 특징이 있다. 그러나, 군에 관련된 시스템은 각 나라마다 높은 보안수준을 요구하기 때문에, 위와 같은 방식으로 모델링하기 위한 자료 확보가 거의 불가능하다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 단편적으로 나와 있는 각 장비에 대한 데이터를 확보하고, 보간법을 이용하여 가장 유사한 그래프로 나타내어 모델링을 하였다. HED System은 함속에 따라 HED를 사용하였을 때 연료 소모량을 구할 수 있도록 모델링을 진행한다.

우선 COGAG 추진체계에서 발생한 추력이 함속으로 전환되기 위해서는 속력에 따른 소요마력에 대한 데이터를 확보해야 한다. 따라서 함속에 따른 필요 추력 모델을 구한다. 다음 Figure 6은 DDG-51급 이지스 구축함의 함속에 따른 소요마력에 대해 나타내고 있다.

Figure 6: 
Total required shaft propulsion power by ship speed

Figure 6을 바탕으로 구한 추력 모델은 식 (4)와 같다.

다음은 HED　system에서 추력에 따른 가스터빈과 발전기 연료 소모량을 구해야 한다. 이를 위해 Figure 2의 LM2500 가스터빈의 연료 효율을 보간법을 이용하며 모델링한 수식은 식 (5)와 같다.

Figure 3의 AG9140 연료 효율 곡선을 기반으로 모델링된 발전기의 수식은 식 (6)와 같다.

가스터빈 엔진과 발전기는 운용 모드에 따라 사용되는 대수가 변화함으로 이와 같은 시스템 특성을 고려하여 프로그래밍을 수행해야 한다.

또한 함속에 따른 이지스함의 항해 모드 변화를 고려해야 한다. 13knot에서 요구 추력이 약 3,269kW가 나오므로 13knot 까지를 전동기 모드로 한다. 따라서 13knot 이상에서 EM(Electric Machine)을 발전기 모드로 사용하였을 때를 시뮬레이션 한다. 항해 모드는 가스터빈 2대를 사용하여 추진하는 Split mode부터 시작하며 가스터빈의 부하율이 최대가 되는 27knots에서 가스터빈 4대를 사용하여 추진하는 Full power mode로 변경하여 31knots까지의 시뮬레이션 값을 구한다.

Figure 7: 
Total simulation program by LabVIEW

EM은 한 대에 약 1,500kW로 2대를 사용한다고 하였을 시 이론상으로 3,000kW의 전력을 생산할 수 있다. 이 때 EM의 발전량은 가스터빈에서는 부하로 작용한다. 가스터빈에서 출력의 변동 및 발전기에서 출력의 변동에 따른 SFC와 변화를 비교하였을 때 연료소모량이 감소하였는지를 알 수 있다.

발전기는 3대가 전투시를 제외했을 때 최대 전력을 요구하는 상태인 4,570.9.kW를 동일하게 부하를 분담하고 있다고 가정하며 위 부하에서 EM 발전량을 0에서 최대로 변화시킬 때 가장 많은 연료를 절감하는 발전량 및 최대 연료절감량을 함속에 따라 산출하였다. 가스터빈 및 발전기의 출력에 따른 연료 효율 모델을 바탕으로 함속에 따라 EM이 0~3,000kW 까지 발전량이 변동한다고 하였을 때 최소 연료소모량을 가지는 EM 발전량은 Figure 8과 같다.

Figure 8: 
EM generation with a minimum fuel consumption

Figure 8에 표시된 바와 같이 EM은 13knot 이상에서 모든 함속에서 최대 발전량(3,000kW)를 사용하였을 때 가장 많은 연료 절감량을 보였다. EM의 발전량을 최대로 하였을 때 함속에 따른 연료절감량은 Figure 9와 같다.

Figure 12: 
Fuel savings according to EM generation

그래프에서 볼 수 있듯이 EM 발전기 모드를 사용하였을 경우 모든 구간에서 연료를 절감 할 수 있으며 평균적으로 700kg/h 이상의 연료가 절감된다. 연료 절감량은 가스터빈의 부하가 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 함속 27knots에서 항해 모드가 변경되었을 때 연료절감량이 증가하였다가 부하가 증가함이 따라 다시 감소한다.

위와 같은 연료 절감량이 나오는 이유를 특정 함속 일 때 연료소모량을 비교해 봄으로서 분석할 수 있다. Figure 10과 11은 함속 31knots에서 EM 발전량에 따른 발전기와 가스터빈의 연료 소모량 변화를 나타낸 그래프 이다.

Figure 13: 
Generators fuel consumption in 31 knots

Figure 14: 
Gas turbines fuel consumption in 31 knots

Figure 10과 11을 보면 31knots에서 EM 발전량에 따른 발전기와 가스터빈의 연료 소모량 변화를 알 수 있다. 그래프에서 보는 바와 같이 발전기는 2차 곡선형태로 연료소모량이 감소하는 반면 가스터빈은 1차 곡선 형태로 연료소모량이 증가한다. 따라서 EM발전량이 증가할수록 총 연료소모량은 더 작아지며 EM 발전량이 3000kW일 때 약 520kg/h 정도의 연료가 절감됨을 알 수 있다.

본 연구에서는 DDG-51급 이지스 구축함에서 HED를 사용하였을 때 EM의 발전기 모드 사용에 따른 연료절감량을 구하였다. 시뮬레이션 결과, 모든 항속에서 연료를 절감할 수 있으며 EM의 발전효율이 좋다면 상당한 연료를 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 EM의 발전 효율이나 발전량 제어 등의 기술적인 구현에 있어서는 많은 연구가 필요할 것으로 보인다. 추후 EM 발전 효율이 개선되거나 전력 소자의 향상을 바탕으로 발전량을 빠르게 제어 할 수 있다면 연료절감량을 바탕으로 이지스 함의 작전 범위가 넓어 질 수 있을 것이라 기대된다.