추진기의 작용, 배가 저절로 옆으로 밀리는 이유
단추진기선이 부두를 떠나기 위해 후진기관을 걸었다고 생각해 보겠습니다. 조타는 중앙에 두었는데도 선미가 서서히 한쪽으로 돌아가기 시작합니다. 키를 아무리 만져도 원하는 방향으로 잘 붙지 않습니다. 이런 상황을 처음 겪은 항해사라면 당황하기 쉽습니다. 하지만 이것은 고장이 아니라 추진기 자체가 가진 물리적인 성질입니다. 추진기는 단순히 배를 앞뒤로 밀어주는 장치가 아니라, 회전 방향과 배치에 따라 선체를 옆으로도 밀어내는 힘을 만들어냅니다. 이 원리를 이해하지 못하면 협수로나 접안 조종에서 매번 예상치 못한 움직임에 당황하게 됩니다.
기관 종류에 따라 조종 감각이 달라진다
대형선에 쓰이는 추진기관은 크게 디젤기관(Diesel engine), 스팀터빈(Steam turbine), 가스터빈(Gas turbine)으로 나뉘는데, 현재 대형 상선에서는 디젤기관이 압도적으로 많이 사용됩니다. 실제로 고속선급 포스트-파나막스 컨테이너선에 장착되는 Sulzer 기관은 93,360마력, 94RPM 수준의 출력을 내는 반면, LNG선에 쓰이는 스팀터빈은 39,500마력에 90RPM 정도로 세팅되는 경우가 많습니다.
흥미로운 점은 두 기관이 조종 성능 면에서 정반대에 가까운 특성을 보인다는 것입니다. 디젤기관은 추진기를 빠르게 정지시키고 다시 기동할 수 있으며, 전진 출력 대비 70~90% 수준의 준수한 후진력을 낼 수 있습니다. 반면 스팀터빈은 저속에서 고속까지 회전수를 원활하게 조절할 수 있다는 장점이 있지만, 회전수를 올리거나 내리는 데 시간이 걸리고 후진력도 전진력의 30~40% 수준에 그칩니다. 여기서 한 가지 생각해 볼 부분이 있습니다. 스팀터빈 선박은 항내조선처럼 순간적으로 기관 출력을 바꿔야 하는 이른바 "Kick engine" 조작이 구조적으로 어렵다는 점입니다. 같은 항구, 같은 상황이라도 어떤 기관을 단 배인지에 따라 접안 계획 자체를 다르게 세워야 하는 이유가 여기에 있습니다.
| 구분 | 디젤기관 | 스팀터빈 |
|---|---|---|
| 정지·기동 반응 | 신속함 | 회전수 증감속에 시간 지연 발생 |
| 후진력 수준 | 전진력의 약 70~90% | 전진력의 약 30~40%로 제한적 |
| 순간 출력 조정(Kick engine) | 비교적 용이 | 항내조선 시 사용이 곤란 |
| 실무에서 주의할 점 | 시동용 압축공기 사용 횟수 제한 고려 | 급감속·급정지 상황 대비 여유 거리 확보 |
나선추진기, 회전 방향과 피치로 구분한다
나선추진기(Screw propeller)는 선박이 전진할 때 선미에서 바라본 회전 방향에 따라 두 가지로 나뉩니다. 시계방향으로 회전하면 우선회 추진기(Right-handed screw propeller, RHP)이고, 반시계방향이면 좌선회 추진기(Left-handed screw propeller, LHP)입니다. 또한 추진기 날개의 각도, 즉 피치(Pitch)를 고정해둔 것을 고정피치(Fixed Pitch, FP)라 하고, 운항 중에도 각도를 조절할 수 있는 것을 가변피치(Controllable Pitch, CP)라 부릅니다.
[원리 개념도] 선미에서 바라본 나선추진기의 회전 방향 구분
실무적으로 생각해 보면, 이 회전 방향과 피치 방식의 조합이 그 배의 조종 습성을 상당 부분 결정짓습니다. 단추진기선박은 대부분 우선회 고정피치추진기(RH-FPP)를 장착하고 있어서, 후진기관을 걸었을 때 선미가 특정 방향으로 밀리는 경향이 일정하게 나타납니다. 이 성질을 미리 알고 있는 항해사와 모르는 항해사는 접안 조종에서 확연히 다른 결과를 만들어냅니다.
단추진기선에서 쌍추진기선, 그리고 특수 추진기까지
추진기의 축수(軸數)에 따라서도 선박 조종 성능은 크게 달라집니다. 좌우현에 각각 한 개씩 추진기를 단 쌍추진기선(Twin-screw ship) 중에서도, 두 추진기의 크기와 피치가 완전히 동일한 고정피치 방식은 보통 외선식(Out-turning) 배치를 쓰고, 가변피치 방식은 내선식(In-turning) 배치를 쓰는 경우가 많습니다. 여기서 실무적으로 꼭 기억해야 할 부분은, 이 배치 방향이 후진 조작 시 선체가 어느 쪽으로 밀리는지를 결정하는 핵심 요소가 된다는 점입니다.
대형선 중에서도 다축추진기선(Multi-screw propeller ship)은 3축이나 4축 추진기를 장착한 선박을 가리키며, 이보다 더 특수한 목적을 가진 선박은 보이스-슈나이더(Voith-Schneider) 익차추진기, 360도 선회식 아지머스 추진기(Azipeller), 워터제트(Water jet), 노즐러더(Nozzle rudder), 2중반전 추진기(Contra-rotating propeller, CRP) 같은 특수 추진기를 채택하기도 합니다. 초고속선이나 접이안 성능이 특히 중요한 선박에는 선수부나 선미부에 스러스터(Thruster)를 추가로 설치해 옆으로 미는 힘을 직접 만들어내기도 합니다.
추진기가 배를 옆으로 미는 네 가지 원리
협수로에서든 접안 상황에서든, 항해사가 가장 어려워하는 부분은 "왜 배가 조타 방향과 다르게 움직이는가"입니다. 이 현상은 우연이 아니라 추진기의 구조적 특성에서 비롯됩니다. 크게 네 가지 원리로 설명할 수 있습니다.
외륜력(Paddle-wheel effect)과 배수류 측압력(Lateral-wash effect)
나선추진기는 물속 깊이에 따라 저항이 다르게 걸리기 때문에, 특히 공선(짐을 싣지 않은) 상태에서 추진기 날개 일부가 수면 위로 드러나면 마치 외륜선의 물레바퀴처럼 작동하는 효과가 생깁니다. 이 효과를 횡압작용(Sidewise pressure) 또는 추진기 침수영향(Submergence effect)이라고도 부르는데, 우선회 단추진기선이 전진 혹은 후진기관을 걸면 이 힘 때문에 선미가 우현 또는 좌현으로 밀리게 됩니다.
여기에 더해 배가 저속으로 전진하거나 제자리에서 크게 회두하려고 후진기관을 걸면, 추진기에서 나오는 배수류(Quickwater)가 선미 측면을 때리면서 측압작용을 일으킵니다. 일반적으로 저속 전진 중인 단추진기선박에서 외륜력과 측압력을 합한 총횡방향분력은 사용 중인 후진기관 추력의 약 5~10% 수준이지만, 선체가 완전히 정지한 상태에서 갑자기 후진기관을 걸면 배수류측압작용이 강하게 작용해 총횡방향분력이 후진추력의 약 10% 수준까지 커집니다.
[원리 개념도] 추진기 침수 깊이 차이로 인한 선미 횡방향 이동
압력-흡인 작용과 옵센터토크 작용
쌍추진기선이 좌현으로 대각도 변침을 하려고 좌현 추진기는 후진, 우현 추진기는 전진으로 발령하면, 좌현 추진기에서 나오는 배출류가 선체 좌현의 측면수압을 높이는 반면 우현 추진기의 배출류는 우현의 측면수압을 낮춥니다. 이 압력 차이가 선미를 우현 쪽으로 이동시키면서 결과적으로 선수부가 좌회두하게 만듭니다. 이것을 압력-흡인 작용이라고 부릅니다. 또한 쌍추진기선의 두 추진기는 선체 중심선에서 좌우로 떨어진 위치에 배치되어 있는데, 이 옵센터 배치 때문에 좌우현 추진기를 각각 전진과 후진으로 반대로 걸면 추진기 자체의 추력이 선체를 회전시키는 토크로 작용합니다. 이는 쌍추진기선이 제자리에서도 비교적 쉽게 회두할 수 있는 이유이기도 합니다.
[원리 개념도] 고정피치(외선식)와 가변피치(내선식) 쌍추진기의 회전 배치 차이
워터제트 추진, 완전히 다른 방식의 조종 개념
최근 초고속선에는 나선추진기 대신 워터제트(Water jet) 방식을 채택하는 경우도 늘고 있습니다. 워터제트는 선체 내부로 빨아들인 바닷물을 강하게 분사해 추력을 얻는 방식으로, 조종 개념 자체가 기존 나선추진기와는 다릅니다. 조타(HELM)는 선수부 스트러트의 조종 방향과 조타변류기(Steering Deflector) 각도를 함께 조정하는 방식으로 이루어지고, 쓰로틀(Throttle)로 전진·후진 추력을 조절하며, 접이안 시에는 별도의 도킹 시스템으로 워터제트의 분사구를 미세하게 조정합니다.
특히 리버서 버킷(Reverser Bucket)이라는 장치가 핵심적인 역할을 하는데, 좌현과 우현 각각의 버킷 각도를 전진, 정지(중립), 후진 상태에 맞춰 서로 다르게 설정함으로써 물의 분사 방향 자체를 바꿔 추력의 방향을 조절합니다.
[원리 개념도] 좌·우 리버서 버킷 각도 조절을 통한 분사 방향 제어
처음 접하는 분들이 흔히 생각하는 것과는 조금 다르게, 워터제트선은 프로펠러가 없기 때문에 얕은 수심에서도 상대적으로 자유롭게 운항할 수 있다는 장점이 있지만, 조종 원리 자체를 새로 익히지 않으면 나선추진기 선박의 감각으로는 오히려 혼란스러울 수 있습니다.
초보 항해사가 자주 놓치는 부분
추진기의 횡방향분력을 이론적으로는 이해하고 있어도, 실제 조종에서 이를 활용하지 못하는 경우가 많습니다. 예를 들어 우선회 단추진기선이 좌현으로 접안해야 하는 상황이라면, 후진기관을 걸었을 때 선미가 어느 쪽으로 밀리는 경향이 있는지를 미리 계산에 넣고 접근 각도를 잡아야 합니다. 이 습성을 무시하고 이론적인 직선 접근만 고집하면, 마지막 순간에 예상치 못한 힘에 밀려 접안이 어그러지는 상황을 맞을 수 있습니다. 실무적으로 생각해 보면, 자신이 타고 있는 배가 어떤 추진기 배치와 회전 방향을 가졌는지를 정확히 숙지하는 것이 조종 이론을 배우는 것 못지않게 중요합니다.
마무리하며
추진기의 작용은 단순히 "앞으로 밀거나 뒤로 민다"는 개념을 넘어섭니다. 기관의 종류, 추진기의 회전 방향과 배치, 선체가 물속에 얼마나 잠겨 있는지에 따라 선박은 매번 조금씩 다른 방식으로 반응합니다. 이 반응을 정확히 예측하고 활용할 수 있을 때, 비로소 협수로 통항과 접이안이라는 까다로운 조종 상황에서도 여유를 가지고 배를 다룰 수 있게 됩니다.
※ 본문의 개념도는 원자료의 도표를 그대로 옮긴 것이 아니라 이해를 돕기 위해 새로 구성한 도식이며, 실제 수치와 세부 설계는 선박과 제작사에 따라 다를 수 있으므로 해당 선박의 조타실 파일럿카드 및 제작사 사양서를 확인할 필요가 있습니다.
참고자료
- 선박조종 관련 전문서적(4장. 선박조종 - 추진기 및 타 작용 부분)
- 선박조종학 관련 교육자료 및 워터제트 추진시스템 자료(Shiphandling, KIMFT)