추진장치는 수상 또는 수중에 떠 있는 선박 또는 잠수체를 어떤 속도로 운항할 때 대상체를 밀어주는 추진력을 발생하는 장치이다. 오늘날 선박용 추진장치는 선박의 특성과 사용목적에 따라 여러가지 형태로 사용되고 있다.

선박의 추진장치에는 여러가지 종류가 있는데 그 중에 스크류 프로펠러(Screw Propeller)가 가장 보편적으로 많이 사용되고 있다. 이것은 가장 일반적인 추진장치로 바다, 강 또는 호수에서 운항하는 선박에서 쉽게 볼 수 있다. 일반적으로 추진효율도 다른 종류의 추진장치보다 비교적 높은 편이다. 선박의 특성과 목적에 따라 다른 종류의 추진기를 사용하기도 하지만, 일반적으로 스크류 프로펠러 추진장치는 소형 어선에서부터 고속 함정, 초대형 컨테이너선 또는 초대형 유조선 등 선박의 크기와 종류에 거의 무관하게 사용될 수 있다. 또한 구조적으로도 비교적 간단하고 제작비 측면에서도 다른 종류의 추진기보다는 유리하다. 이 추진기는 회전축과 연결되는 허브(Hub) 부분에 날개(Blade)들이 일체로 고정되어 있어서 고정피치 프로펠러(Fixed Pitch Propeller)라고 한다. 따라서 축이 회전하면 허브와 날개들이 일체가 되어 동시에 회전한다. 이때 회전하는 날개들의 주위유동으로 날개표면에서 압력변화 즉, 배에서 보이는 날개면(흡입면, Suction Side)에서는 압력이 낮아지고, 다른 면(압력면, Pressure Side)에서는 압력이 높아져 배의 전진 방향으로 추력이 발생한다. 배의 속도는 프로펠러 회전수를 조절하여 연속적으로 변화시킬 수 있다.

가변피치 프로펠러(Controllable Pitch Propeller)는 고정피치 프로펠러와 유사하게 추진축에 1개의 프로펠러가 장착된다. 고정피치 프로펠러는 날개가 허브에 고정되어 있는 반면 가변피치 프로펠러의 날개는 선박의 운항속도에 따라 날개들이 각각의 날개축을 중심으로 회전시켜 날개자체의 피치각을 조정할 수 있다. 따라서 CPP 허브에 연결된 축계 내부가 비교적 복잡하게 구성되고 유압장치로 날개 각도를 조절할 수 있다. 따라서 축에 연결된 엔진의 회전수를 일정하게 한 상태에서 프로펠러 날개의 피치 각도를 조절하여 추력과 선속을 조절할 수 있다. 이 추진장치의 장점은 엔진 등의 추진관련 기계장치를 가속과 감속을 하지 않고도 추력을 미세하게 조정할 수 있기 때문에 선박의 조종성능(Manoeuvrability)과 위치제어 성능을 우수하게 한다. 최근에는 유도선, 산적화물선, 컨테이너선, 중대형 어선 등에도 많이 사용되고 있다. 특히 여객선(Passenger Vessel), 페리선(Ferry), 예인선(Tug) 및 해양작업선(Offshore Vessel) 등에는 대부분 CPP를 사용한다. 앞에서 말한 바와 같이 축계의 구조가 복잡하며 초기비용이 높은 편이다.

상호반전 프로펠러(Counter- Rotating Propeller)는 동일축 상에 회전방향이 상호반대인 2개의 프로펠러가 장착되는 형태이다. 프로펠러 축은 동일축 상에 있으면서 안쪽에서 회전하는 것과 바깥쪽에서 회전하는 것으로 구성된다. 1개의 프로펠러의 경우에는 프로펠러를 통과한 물이 회전하기 때문에 물의 회전운동에너지를 바다에 버리게 되어 에너지 손실이 발생한다. 그러나 CRP 추진장치는 전방 프로펠러와 후방 프로펠러의 유체역학적인 상호작용을 이용하여 프로펠러에 유입되는 물이 2개의 프로펠러를 지나고 난 후에 회전운동에너지를 최소화 할 수 있다. 따라서 바다에 버리게 되는 에너지를 회수하므로써 일반 상선에 적용 시에는 추진효율을 약 6∼7% 정도 향상시킬 수 있다. 그리고 CRP는 더 작은 직경으로도 고정피치 스크류 프로펠러와 동일한 추진력을 얻을 수 있으므로 프로펠러와 선체와의 간격을 크게 할 수 있다. 이런 상호 간격의 증가는 프로펠러 캐비테이션으로 발생하는 변동 압력이 선체에 미치는 영향을 감소시키므로 선체의 진동을 줄일 수 있다. 또 다른 장점은 2개의 프로펠러가 서로 반대방향으로 회전하여 토오크 균형(Torque Balance)을 잡을 수 있기 때문에 직진성 요구되는 어뢰의 추진장치로 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 산적화물선 및 대형 유조선과 같은 대형선박에도 활용되고 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 이중구조로 되어있는 회전축 시스템의 복잡성과 초기 투자비가 크기 때문에 활용에 제한이 있어서 주로 특수한 목적을 갖는 선박의 추진장치에 국한되어 활용되고 있다. 이러한 단점들이 보완되면 향후 대형 초대형 선박에 많이 활용될 것이다.

앞서 서술한 프로펠러형 추진장치가 선체 외부에 돌출 되어있는 반면에 물제트 추진장치(Waterjet Propulsion)는 선체내부에 장착이 된다. 따라서 비교적 얕은 물에서 운항하는 선박에도 사용이 가능하고 어장과 같이 그물이 설치되어 있는 곳에서도 추진기가 그물에 걸리지 않고 선박의 운항이 가능하다. 물제트 추진장치는 고속으로 운항할수록 추진효율이 증가할 뿐 아니라 임펠러가 유도관 내부에서 회전하므로 고속선에서 사용되는 일반 프로펠러에서 문제가 되는 캐비테이션 제어 관점에서도 매우 유리한 추진장치이다. 따라서 선체의 진동과 소음을 감소할 수 있어서 여객선, 고속함정, 어선, 소형 고속선(High Speed Craft), 수륙양용 장갑차 등에 매우 다양하게 활용되고 있다. 최근에는 대형 선박 및 초고속선의 추진장치로 활용이 급속히 증가하고 있다. 물제트 추진장치의 구성은 그림에서 보는 바와 같이 흡입구(배 바닥면에 물을 빨아들이는 부분), 유도관(흡입구에서 펌프위치까지 이르는 관로), 펌프(축에 연결되어 회전하는 임펠러와 정지한 채로 물의 흐름을 좋게하는 스테이터로 구성), 노즐(물을 배의 뒤쪽으로 분사하는 부분), 조향장치(노즐에서 분사되는 제트유동의 방향을 바꾸어 배의 진행방향을 조절하는 장치) 그리고 이를 제어하는 각종 유압 제어장치로 구성된다.

덕트 프로펠러(Duct Propeller)는 노즐 내부에 프로펠러가 있는 형태로서 가속형 덕트 프로펠러와 감속형 덕트 프로펠러가 있다. 이 추진장치는 프로펠러의 부하가 큰 경우에 노즐을 사용해서 효율의 증가를 얻을 수 있다. 가속형 덕트 프로펠러는 덕트의 형상이 유속을 가속하도록 되어 있어서 프로펠러의 부하가 큰 경우 또는 프로펠러의 직경이 제한되는 경우에 사용된다. 가속형 덕트는 부하가 큰 프로펠러의 효율을 증가시키는 수단으로 사용된다. 감속형 덕트 프로펠러는 덕트의 형상이 유속을 감속하도록 되어 있어서 노즐 내부에서 즉, 프로펠러에서의 정적압력이 증가하도록 되어있다. 따라서 이 추진장치는 캐비테이션 발생을 지연시킬 수 있기 때문에 함정의 추진장치로 사용되고 전술상 중요한 캐비테이션 소음을 줄일 수 있다.

전류고정날개 추진장치의 모습은 고정피치 프로펠러의 바로 전방에 프로펠러와 유사하게 생겼으나 회전하지 않는 스테이터(Stator)가 장착된다. 이 스테이터의 역할은 배에 의하여 발생하는 불균일한 물의 흐름을 잘 정류하여 프로펠러로 유입되도록 함으로써 추진시스템 하류로 빠져나가는 물의 회전운동에너지를 최소화여 추진장치의 효율을 향상시킨다. 이 추진장치는 주로 대형선박에 효과적으로 적용될 수 있으며, 에너지절약 추진장치로 각광을 받고 있다. 특히 이 추진장치는 기존의 선박 추진장치에 스테이터를 추가적으로 장착이 가능하므로 적용이 비교적 용이한 편이다. 현재 해외에서는 실용화 단계에 있다.

기존의 일반적인 추진시스템의 동력전달체계 및 추진방식이 “주기관(동력원) → 감속기어 → 축계 → 프로펠러”인 반면에, 선회식 전기추진장치는 “주 기관(동력원) → 발전기(Generator) → 제어기(Driver) → 전동기(Electric Motor) → 프로펠러” 방식을 채택하고 있다. 여기에 사용되는 프로펠러는 고정피치 프로펠러와 상호반전 프로펠러로 2가지 유형이 있다. 선회식 전기추진장치는 선체외부에 설치되고 추진장치 자체가 좌우로 회전하므로 조종성능이 우수하고, 축계 및 타가 필요치 않아 기존 선박의 축계에 의한 동력전달방식의 제한에서 벗어날 수 있다. 따라서 주기관 등 선체내부 배치의 유연성 증가로 선형의 단순화가 가능하고 선박의 생산성이 유리하여진다. 또한 선체저항 및 추진기의 성능이 향상되어 운항효율이 제고되며, 조종성능과 진동 및 소음 성능이 매우 양호하여지는 장점을 갖고 있다. 반면에 시스템 전체의 중량이 커지고 제조원가가 높은 단점을 갖고 있어서 조종성능, 토오크 특성, 응답성 등의 우수한 성능과 기능을 필요로 하는 쇄빙선, 해양조사선, 해저석유 굴착선, 함정, 잠수함과 같은 특수 목적의 선박에 주로 적용되어 왔다. 요즈음에는 호화여객선, 컨테이너 피더선, LNG선, 컨테이너선, Ro-PAX, 등의 다양한 선박에 사용되고 있다.

초전도 전자추진 시스템(Superconducting Electro Magneto-Hydro-Dynamic Propulsor, 일명 ‘MHD 추진기’)은 기계적 동력을 이용하여 프로펠러 등 장치의 회전운동을 통하여 추력을 얻지 않고, 전자력을 이용하여 물의 흐름을 가속하여 추진력을 얻는다. 이 시스템의 추력발생 과정은 “기관(원동기) → 직류 발전기 → 초전도 전자석 → 전자력발생 → 추력발생” 이다. 초전도자석에 의하여 해수중에 강한 자장을 형성하여, 그 자장 중에 전류를 흘림으로 발생하는 전자유체력을 직접 추진력으로 이용하는 방법이다. 이것은 플래밍의 왼손법칙(Fleming’s Left Hand Rule)에 따르는 것으로 자장에 교차해서 전류를 흘리면 자장과 전류가 만드는 면에 수직방향으로 힘이 발생한다. 즉, 왼손의 인지를 자장으로, 중지를 전류의 방향으로 향하고, 이들에 직각방향으로 엄지를 펴면 엄지 방향이 힘의 방향이 된다. 이 힘을 ‘로렌츠 힘(Lorentz Force)’ 또는 ‘전자력’이라 부르며 배를 전진시키는 추진력이 되는 것이다. 따라서 물속에서 프로펠러를 돌려서 추진력을 얻던 기존의 방식과는 전혀 다른 추진시스템으로, 프로펠러 축계(Shaft)와 프로펠러가 필요하지 않게 된다. 이 추진시스템의 장점은 회전장치를 통하지 않고 해수에 힘을 직접 전달하므로 진동과 소음이 거의 없다. 선체반류에 의한 비정상 힘이 없고 선체저항을 감소할 수 있다. 또한 순발력이 뛰어나고 역전을 포함하여 속도제어가 용이할 뿐아니라 전자력의 작용범위를 키워 높은 효율을 얻을 수 있으며 고속화가 가능하다. 현재로서는 저속에서 시험단계에 있으나 향후 초전도재질 및 초전도 전자석 개발, 시스템 경량화, 고밀도 전류용 코일, 자기 차단시스템, 저온유지 시스템 등의 주변 핵심기술이 개발되면 초전도 전자추진선의 실용화가 이루어질 것이다. 적용 대상선박으로는 초고속 화물선, 고속여객선, 수상함, 잠수함, 어뢰 등으로 크게 활용될 것으로 기대된다.

※ 초전도 자석(超傳導磁石) 이란 ?
전자석에 보통 사용하는 동이나 알루미늄 코일은 전기저항이 크므로 고밀도 전류를 흘릴 수가 없다. 코일감는 수를 많이하여 대형화로 할지라도 자장발생율이 나쁘다. 따라서 보통 재질의 코일(Coil) 사용은 한계가 있다. 이 때문에 극저온에서 전기저항이 “0”이 되는 물질 즉, 초전도 재료를 이용한 코일로 전자석을 만들어야 한다. 이렇게 만들어진 전자석을 ‘초전도 자석’이라고 한다.





대륙간 물동량의 증가와 물자 수송시간 단축을 위하여는 선박의 대형화 및 고속화는 필수적이며 지구촌이 보유하고 있는 화석 연료량도 한정적이기 때문에 대체에너지로 원자력이용은 필연적일 것이다. 원자력 추진장치를 장착한 선박을 원자력선 이라고 부른다. 현재까지의 원자력 추진장치는 주로 미국, 영국, 프랑스, 소련, 중국에서 잠수함과 수상함정에 많이 활용하고 있으며, 상선에는 소수의 쇄빙선에 적용하고 있고 일부의 시험선을 운항하고 있다.
원자력선은 일반 선박에서 주기관으로 사용되는 디젤 또는 증기기관 대신에 원자력 기관을 주기관으로 한다. 원자력 기관은 원자로에서 가열된 1차계 냉각수를 열 교환기를 거쳐 2차계 냉각수를 증기로 하여 터어빈을 돌려 추진축의 회전력을 얻는다. 원자력선의 장점은 연료중량이 매우 작아서 대마력 선박, 장거리용 선박과 가동율이 높은 선박일수록 유리하다. 연료유 탱크, 연료유 이송계통장치의 최소화가 가능하여 선박에 화물적재량을 높일 수 있다. 그리고 연소시 공기가 필요치 않아 선박의 잠수화가 가능하여 북극점을 경유하는 신항로 개척이 가능하다. 더욱이 연소배기 가스(CO2, SOx, NOx 등)가 배출되지 않기 때문에 지구온난화 방지, 자연환경 파괴 등 환경보호 측면에서 유리하다. 반면에 방사선 및 방사성 물질이 존재하므로 원자력 기관의 안전을 확보하는데 건조비 및 운항경비가 높아지는 단점이 있다.