선박용 프로펠러는 쉽게 말해 자동차의 타이어와 같은 역할을 합니다. 엔진의 동력을 배가 나아가는 힘으로 바꾸며, 선박에서 가장 널리 사용되는 추진 장치이기도 합니다.
프로펠러의 역사
1776년, 영국의 제임스 와트는 증기기관을 발명했습니다. 이 발명은 인류 역사상 최초의 산업혁명을 크게 촉진했을 뿐 아니라, 기계 동력을 선박의 동력으로 활용하는 길을 열었습니다. 또한 영국이 해상 패권국으로 성장할 수 있는 기술적 토대를 마련했습니다. 당시에는 아직 프로펠러가 발명되지 않았기 때문에, 엔지니어들은 프로펠러의 원리를 바탕으로 외륜을 고안했습니다. 배 양쪽에 노가 달린 바퀴를 설치하고, 바퀴의 일부가 물에 잠기도록 한 형태였습니다. 이런 배를 외륜선이라고 부릅니다. 하지만 외륜선은 조종성이 매우 나쁘고 동력 전달 효율이 낮으며, 부두에 접안하기 어렵다는 단점이 있었습니다.
1836년, 영국의 선박 ‘아르키메데스’에 스크루 프로펠러가 사용됐습니다. 이는 나사처럼 생긴 긴 나무 조각이었습니다. 시험 운항 초기에 배는 4노트의 속도로 나아갔습니다. 이후 배가 물속 장애물에 부딪혀 나사가 부러졌고, 짧은 조각만 남았는데도 배의 속도는 13노트로 올라갔습니다. 이 작은 사고를 계기로 엔지니어들은 긴 나사를 짧게 만들고, 다시 짧은 나사를 날개 모양으로 바꾸었습니다. 이렇게 여러 차례 실험을 거쳐 프로펠러가 탄생했습니다. 물론 수중 프로펠러의 축 밀봉과 수중 진동 등 해결해야 할 문제도 많았습니다. 하지만 기술이 조금씩 발전하면서 프로펠러는 뛰어난 장점 덕분에 전 세계 조선소에서 널리 사용되기 시작했습니다.
프로펠러의 주요 제원 알아보기
1. 피치 P:
프로펠러가 한 바퀴 회전할 때 축 방향으로 이동하는 거리입니다. 나사가 나무 속에서 한 바퀴 돌며 나아가는 거리와 같습니다. 다만 이는 이론적인 값이며, 실제로는 프로펠러 날개가 물속에서 미끄러져 효율이 떨어집니다. 여기에는 슬립 문제도 관련됩니다.
날개의 피치가 클수록 프로펠러 면에 대한 날개의 피치각도 커집니다. 하지만 특정 속도에서는 최적의 피치각이 존재합니다. 고정피치 프로펠러는 날개 각도를 바꿀 수 없으므로 설계 속도에서 가장 효율적입니다. 가변피치 프로펠러는 다릅니다. 날개 각도를 조절할 수 있어 피치도 바꿀 수 있습니다. 따라서 속도를 다양하게 조절해야 하는 선박에 가변피치 프로펠러를 사용하면 효율을 크게 높이고 연료를 절약할 수 있습니다.
2. 프로펠러 직경 D:
날개의 가장 바깥쪽 끝을 따라 그린 원의 지름입니다. 프로펠러를 설계할 때는 추진력을 높이기 위해 가능한 한 큰 직경을 사용하는 것이 바람직합니다. 하지만 요트는 흘수와 설치 위치에 제약이 있어, 지나치게 큰 프로펠러는 선체로 보호하기 어렵고 물체에 부딪히기 쉽습니다. 따라서 적절한 크기를 선택해야 합니다.
3. 확장 면적비 EAR:
먼저 원판 면적은 프로펠러 직경을 지름으로 하는 원의 면적, 즉 S=π(D/2)²라는 점을 알아야 합니다. 프로펠러의 모든 날개가 이 평면에서 차지하는 면적의 합을 S2라고 하면 EAR=S2/S입니다. 따라서 확장 면적비가 클수록 날개 면적이 넓어지고 날개 단위 면적당 부하가 줄어 공동현상 발생을 억제하는 데 유리합니다. 그러나 확장 면적비를 높이면 프로펠러 효율은 낮아집니다. 그러므로 공동현상을 방지할 수 있는 범위에서 확장 면적비를 가능한 한 작게 해야 프로펠러 효율을 높일 수 있습니다. 대부분의 프로펠러는 확장 면적비가 1 미만이지만, 일부 고속 선박용 프로펠러는 1을 초과합니다.
요트에 흔히 사용되는 프로펠러 종류
고정피치 프로펠러:
피치가 고정된 프로펠러입니다. 구조가 단순해 소형 및 중형 요트에 가장 흔히 사용됩니다. 날개는 3~4개입니다. 장점은 구조가 단순하고 내구성이 좋으며 유지보수가 쉽다는 것입니다. 단점은 피치를 바꿀 수 없어 특정 속도에서만 가장 효율적이라는 점입니다. 따라서 효율을 높이기 위해 프로펠러 날개는 일반적으로 직경을 크게 하고 회전수를 낮게 설계합니다. 물론 범선에 사용하는 접이식 프로펠러에도 고정피치 방식이 있습니다.
가변피치 프로펠러:
피치를 조절할 수 있는 프로펠러입니다. 속도에 맞춰 피치를 바꾸어 높은 동력 전달 효율을 유지하고 연료를 최대한 절약할 수 있습니다. 하지만 구조가 복잡하고 가격이 비싸며 유지보수가 불편하다는 단점도 뚜렷합니다. 주로 대형 요트에 사용됩니다.
대향 회전 프로펠러:
같은 축에 서로 반대 방향으로 회전하는 프로펠러 두 개를 설치합니다. VOLVO와 ZF의 회전식 프로펠러가 그 예입니다. 대향 회전 프로펠러를 사용하면 앞쪽 프로펠러가 만들어 낸 회전 물살을 뒤쪽 프로펠러가 흡수하고, 회전 에너지의 일부도 활용해 추진 효율을 더욱 높입니다. 단점은 구조가 복잡하고 소재의 추력 한계로 인해 대형 선박에는 잘 사용되지 않는다는 것입니다.
물론 다른 종류의 프로펠러도 있지만, 사용 빈도는 비교적 낮습니다.
