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함정의 통합 전력시스템 구성에 관한 연구
A study on the arrangement of integrated power system for warship 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.9, 2014년, pp.1070 - 1074  

백현민 (Graduate school, Korea Maritime and Ocean University) ,  정균식 (Ship Training Center, Korea Maritime and Ocean University) ,  이명호 (Department of Offshore Plant Management, Korea Maritime and Ocean University) ,  최재성 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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IEEE 1662(2009)에 따르면 통합 전력 시스템(이하 IPS)은 함정의 모든 동력기관(Prime mover)이 전력만을 생산하고 생산된 전력을 통합하여 추진과 무기체계, 함정 내 소요처에 공급하는 체계를 말한다. IPS의 특징은 원동기 배치의 유연성, 원동기와 추진기의 기계적인 분리, 에너지전환 및 전달의 여유 증가 그리고 미래 전자무기의 사용을 위하여 재분배가 가능한 전력의 유연성들이다. IPS는 동력기관이 최적부하에서 운전될 수 있도록 전력생산단계를 다양하게 가질 수 있다. 본 연구는 IPS의 원동기 구성 방식에 따른 적합성을 정량적으로 평가할 수 있는 평가 인자와 평가 방법에 대한 연구이다. 즉, 구축함급 함정에 발전용 디젤 기관과 발전용 가스터빈 기관으로 구성되는 IPS를 운용할 경우를 가상하여, IPS 동력 시스템의 다양한 구성 방법들의 특징을 비교 분석하여 평가함으로써 IPS를 최적화할 수 있는 방안에 관하여 연구하였다. 평가 인자는 동력 시스템의 최적화 대상인 전투 능력과 경제성 두 요소를 고려하여 검토하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

According to IEEE 1662(2009), IPS is a power system where all prime movers produce electrical power that is shared among propulsion, mission, and ship service loads. Discriminating attributes of integrated power systems are flexibility of movers' arrangements, mechanical decoupling between prime mov...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만, 정박 시의 소요 전력을 생산할 경우 중형 발전용 디젤 기관을 운용하기 때문에 저부하에서의 운전으로 인한 높은 연료 소비율과 장시간 저부하 운전에 따른 오손 등의 문제점으로 인해 발전용 소형 디젤 기관의 필요성이 인식되고 있다. 따라서 본 연구에서는 TYPE-45 함정과 구성이 동일한 IPS 동력 시스템을 바탕으로 발전용 소형 디젤 기관의 유무와 중형 발전용 디젤 기관의 최적 수량에 관하여 고찰하고자 한다. TYPE-45 함정의 IPS 동력 시스템 구성은 Figure 3과 같으며 이것은 Figure 4에서 분류한 A-2-N 구성과 같다.
  • 이러한 변화에 따라, 영국 해군의 TYPE-45급 구축함과 미국 해군의 DDG-1000 급 구축함은 통합 전기추진 체계(Integrated Power System, IPS)를 운용하고 있으며 DDG-1000급 구축함은 4대의 가스터빈 발전기에서 생산되는 78MW의 전력을, Type-45 구축함은 가스터빈 발전기, 디젤 발전기 각 2대에서 총 46MW의 전력을 생산하여 함정의 추진과 무기체계의 사용, 함정 내 승조원의 생활 전력에 모두 사용하고 있다[2]. 본 연구는 IPS 동력 시스템의 구성 방식을 검토하고, 동력 시스템의 구성 방식에 따른 적합성을 정량적으로 평가할 수 있는 평가 인자와 평가 방법에 관한 연구이다. 즉, 구축함(DD, Destroyer) 급 함정에 발전용 디젤 기관과 발전용 가스터빈 기관으로 구성되는 IPS를 운용할 경우를 가상하여, IPS 동력 시스템의 다양한 구성 방법들의 특징을 비교 분석하여 평가함으로써 IPS를 최적화할 수 있는 방안에 관하여 연구하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 IPS 동력 시스템의 최적화 평가 요소로서 그 중요도에 따라 전투능력, 운용성, 경제성 및 환경친화성의 네 요소를 고려하고자 하였다. 각 요소를 정량화함에 있어서 함정의 전투능력에는 많은 인자가 포함되겠지만 대표적으로는 함정의 기동성을 중요인자로 고려하여 이에 관계하는 함정의 중량변화를 정량화하여 나타낼 수 있다고 가정하였다.
  • 본 연구는 IPS 동력 시스템의 구성 방식을 검토하고, 동력 시스템의 구성 방식에 따른 적합성을 정량적으로 평가할 수 있는 평가 인자와 평가 방법에 관한 연구이다. 즉, 구축함(DD, Destroyer) 급 함정에 발전용 디젤 기관과 발전용 가스터빈 기관으로 구성되는 IPS를 운용할 경우를 가상하여, IPS 동력 시스템의 다양한 구성 방법들의 특징을 비교 분석하여 평가함으로써 IPS를 최적화할 수 있는 방안에 관하여 연구하고자 하였다. 최적화를 위한 평가 인자는 함정의 전투 능력과 운용-경제성의 두 인자를 고려하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 IPS 동력 시스템의 최적화 평가 요소로서 그 중요도에 따라 전투능력, 운용성, 경제성 및 환경친화성의 네 요소를 고려하고자 하였다. 각 요소를 정량화함에 있어서 함정의 전투능력에는 많은 인자가 포함되겠지만 대표적으로는 함정의 기동성을 중요인자로 고려하여 이에 관계하는 함정의 중량변화를 정량화하여 나타낼 수 있다고 가정하였다. 따라서 기계식 추진체계를 기준대상으로 하여 각 동력시스템과의 중량비를 평가인자로 하였다.
  • 또한, 운용성, 경제성 및 환경 친화성의 요소들은 공통적으로 연료소비량과 밀접한 관계를 가진다. 따라서 각 동력 시스템의 년간 연료 소비량(SFC)을 정량화하여 함정의 경제성을 대표할 수 있다고 가정하였다. 결과적으로 함정의 전투능력과 경제성을 최적화를 위한 평가인자로 선택하여 동력 시스템의 최적화 평가를 수행하였다.
  • 현재 우리 해군에서 운용 중인 전투함의 추진 방식은 모두 기계식 추진 방식으로 전기 추진 방식을 적용 중인 전투함정은 없다. 따라서 현재 해군에서 운용 중인 OO급 구축함과 유사한 제원을 갖는 가상의 함정을 가정하였으며, 이 가상 함정의 추진체계를 CODOG에서 IPS로 전환하는 과정을 가상하여 동력 시스템의 최적 선택과정을 고찰하였다. Table 2는 가상함정의 제원이다.
  • 즉, 총 소요전력이 동일한 경우라도 고속에서 소수의 무기체계를 사용할 경우는 저속에서 다수의 무기체계를 사용하는 경우보다 손실동력이 증가할 것이다. 여기서 함정내 생활에 사용되는 전력은 무기체계의 운용전력에 포함시키기로 하며, 본 연구의 가상함정의 경우 5.0MW로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
통합 전력 시스템은 무엇인가? IEEE 1662(2009)에 따르면 통합 전력 시스템(이하 IPS)은 함정의 모든 동력기관(Prime mover)이 전력만을 생산하고 생산된 전력을 통합하여 추진과 무기체계, 함정 내 소요처에 공급하는 체계를 말한다. IPS의 특징은 원동기 배치의 유연성, 원동기와 추진기의 기계적인 분리, 에너지전환 및 전달의 여유 증가 그리고 미래 전자무기의 사용을 위하여 재분배가 가능한 전력의 유연성들이다.
복합식 추진체계는 무엇인가? 복합식 추진체계는 순항 속력 이하에서는 발전기에서 생산한 전력을 이용하여 전동기로 추진기를 작동하고, 순항 속력 이상에서는 기계식 추진체계와 같이 추진축이 연결된 원동기만으로 추진력을 얻거나 전동기의 추진력을 함께 병렬로 추진에 사용하는 추진체계이다.
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참고문헌 (5)

  1. D. H. Kie, and C. Usn, A Vision For Directed Energy and Electric Weapons in the Current and Future Navy, NAVSEA (Naval Sea Systems Command), 2007. 

  2. http://www.janes.com, Accessed May 19, 2012. 

  3. C. G. Hodge, The Electric Warship Then, Now and Later, Paper on Electric Propulsion and Advances Over the Last 30 Years Presented at International Nano-electronics Conference in Hamburg, Germany, 2008. 

  4. J. D. Lee and D. H. Oh, Data Envelopment Analysis (DEA), iB Book, p. 15, 2010 (in Korean). 

  5. MAN B&W, Diesel-electric Propulsion Plants, Diesel Electric Propulsion Plants Engineering Guideline, p. 4, 2012. 

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