1. 개요
고속용 선박의 추진기관을 지칭하는 용어와 금속을 포함한 재료들을 가공하는 금속가공기술 용어 두 가지로 나뉜다. 단 선박추진기관으로써의 워터제트는 금속가공용어로써의 워터제트와 혼동을 막기 위해서인지 최근에는 펌프제트라는 용어로 더 많이 불린다.2. 선박의 추진기관
Water Jet, Pump-jet
워터제트 추진기, 또는 펌프제트 추진기라 부른다. '제트'라는 단어의 순수한 의미대로 물을 분사한다는 의미에서 붙은 이름이다. 선박의 추진기관의 종류로, 선체 내부에 수납시킨 스크류 프로펠러(터빈)를 돌려 배 밑의 취수구(흡입구)에서 빨아들인 물을 뒤로 분사해서 추진한다.
2.1. 메커니즘
위키피디아에 실린 워터제트 내부에서의 물의 흐름도
바르질라(Wärtsilä)에서 제공한 워터제트 안에서의 물의 흐름도
단어 자체의 엄밀한 정의로써는 제트 엔진으로 분류되지만, 보통 제트 엔진이란 빨아들인 공기를 이용해 내부에서 연소가 일어나는 엔진을 의미하기 때문에 일반적으로는 제트 엔진으로 분류되지 않는다. 로켓 엔진 또한 마찬가지로, 엄밀한 정의로는 제트 엔진이지만 일반적으로는 그렇게 분류되지 않는다.
일반선박에서 쓰는 스크류 프로펠러를 선체 안으로 집어넣고, 취수구와 배수구를 마련하여 프로펠러의 회전을 통해서 지속적으로 물을 빨아들이고 내뿜게 된다. 주로 고속정 등의 소형 군함에 사용되며, 소음이 적다는 장점으로 잠수함에 사용되기도 한다. 톰 클랜시의 소설 붉은 10월에서도, 직접 언급되지는 않지만 묘사상 해당 잠수함에 장착된 것처럼 묘사된다.
2.1.1. 구조도
바르질라(Wärtsilä)에서 제작하는 중소형 워터제트 유닛의 내부구조
바르질라(Wärtsilä)에서 제작하는 중대형 모듈러 워터제트 유닛의 내부구조
- Inlet duct: 흡입구(흡수구)
- Thrust bearing block: 회전축 고정부
- Shaft seal: 회전축 연결재
- Impeller: 스크류 프로펠러(임펠러)
- Stator bowl: 고정날개부
- Jetavator: 배수 노즐(취수구)
- Reverse plate: 역추진 버켓
- Transom: 선미 보강재(모듈러 워터젯에만 적용)
- Seat ring: 방수 링(모듈러 워터젯에만 적용)
2.1.2. 방식 차이
물을 빨아들이거나 하는 방식에도 차이가 있는데 다음과 같다.일반적으로 선체 자체에 취수구를 내어 바로 물을 빨아들이는 워터젯 방식. 쌍동선 형태의 고속 연락선이나 고속 함정에 많이 쓰인다. 대표적인 예가 미해군 연안전투함 인디펜던스급과 스피어헤드급 원정고속수송함, 한국 씨스포빌의 고속선 등이 있다.
외부에 취수파이프를 따로 내어 물을 빨아들이는 워터젯 방식. 고속으로 물 위를 날아서 항해하는 수중익선에 자주 쓰인다. 미군의 페가수스급 고속정과 대한해협을 건너는 코비호/비틀호가 이 방식이다.
2.1.3. 특제 프로펠러(임펠러)
소형선에 쓰이는 워터제트 임펠러
중-대형선 이상에 쓰이는 워터제트 임펠러
워터제트 개발 초기에는 일반적 스크류를 선체 안 워터제트 부분에 수납시켰으나, 이후 워터제트 추진방식이 규격화되고 발전하면서 특수하게 제작된 스크류를 이용하기 시작한다. 워터제트에 쓰이는 특제 스크류 프로펠러는 임펠러(impeller) 또는 터빈(turbine)이라고 한다. 일반 선박들의 스크류보다 좀더 고속으로 회전할 수 있도록 특별한 모양으로 설계되기 때문에 보통의 스크류 프로펠러랑은 생김새가 약간 다르며, 모양만 놓고 보면 회오리나 태풍을 형상화한 것 처럼 기묘하게 생겼다. 이는 유체역학이나 물의 흐름 등도 고려해서 만든 결과로 고속으로 회전하여 물을 빨아들이고 내뿜기에 좋은 구조로 만들어져 있다.
2.2. 장점과 단점
2.2.1. 장점
워터제트가 일반 프로펠러 추진에 비해 좋은 점은 다음과 같다.- 압력이 높기 때문에 공동 현상[1]이 일어나기 위한 속도가 빨라진다. 이는 공동 현상으로 인한 프로펠러 손상을 줄일 수 있으며 최고 속도도 늘릴 수 있다.
- 스크류 프로펠러를 선체 내부로 수납했기 때문에 외부 물체로부터 안전하다. 즉 연안 부유물이나 양식장으로 인한 피해를 방지할 수 있다.
- 선체 하부의 흡입구에서 물을 빨아들이기만 하면 추진이 가능하기 때문에 수심이 얕아도 운항이 가능하다.
- 벡터 추진을 하기 때문에 우수한 선회능력을 가지고 있고 출력 대비 크기가 작다.
2.2.2. 단점
그러나 다음과 같은 단점 또한 있다.- 비싸다.
- 낮은 속도에서는 효율이 떨어진다.
- 프로펠러에 이물질이 걸리는 건 아니지만, 선체 하부 흡입구가 막힐 수도 있다. 이는 위의 연안 항해에서의 장점과 상충되는 부분이기도 하다. 어지간한 이물질은 갈아버리고 전진이 가능한 프로펠러에 비교해보면 약하다고 할 수 있다.
2.3. 이런저런 활용
과거에는 고속으로 움직이는 소형 함체인 제트스키나 제트보트에 주로 활용되었다.
대한민국 해군은 초계함, 고속정 운용에 있어서 까다로운 연안 환경이 발목을 잡아 왔기에 2007년에 진수된 윤영하급 미사일고속함부터 워터제트를 채택했다. 다만 원양에서 운용되는 구축함 이상의 대형함에는 비효율적이기 때문에 적용된 예는 아직 없다. 그럼에도 불구하고 조용하다는 장점 덕분에 잠수함에의 적용을 위한 연구가 꾸준히 시도되고 있는 등 대형함에서 워터제트를 사용하기 위한 연구도 계속 이루어지고 있다.
워터젯 방식의 메커니즘이 발전하면서 최근에는 모터보트용 엔진 중에도 스크류를 안으로 집어넣은 엔진들이 나오고 있다. 위와 마찬가지로 조용하게 운항할 수도 있다는 장점이 있으며, 폐그물 등이 감기는 경우도 줄어들고 야생동물이나 가끔씩 수영하다 모터보트 프로펠러에 갈려 다치는 사람들의 사고를 예방하는 효과까지 볼 수 있다. 다만 당연히 일반 스크류를 달은 모터보트 엔진에 비하면 비싸기도 비싸고 메커니즘이 일반 모터보트 엔진에 비해 복잡하므로, 한번 고장난 경우 해당 보트의 선주나 고치는 수리공까지 둘 다 울릴 수 있다.
가끔 스크류 프로펠러에 테를 두른 덕티드 프로펠러(Ducted propeller) 형태인데도 워터제트라고 부르는 형태가 있다. Voith에서 제작한 리니어 제트(Linear Jet)가 그것인데, 테 자체의 단면이 비행기 날개처럼 생기고 스크류 축 부분 선체를 움푹 들어가게 설계해서 워터제트처럼 빠르게 물을 흘려보낼수 있도록 한 것이다. 한국어 소개 이런 경우는 선체의 움푹 들어간 부분에서 스크류로 물을 빨아들이고, 스크류 프로펠러에서 나오는 출력을 집중시켜 워터제트와 비슷한 효과로 고속으로 움직이게 한 것이다. 물의 흐름이나 유체역학적으로 일반적 스크류 프로펠러에 비해 공동 현상과 저항을 줄이고 프로펠러에 이물질이 끼는 걸 방지하는 효과도 있다. 요즘 잠수함중에서 Cavitation공동현상을 일으키는 최고속도를 높여주고 소음을 줄여주기 위해 워터제트 형태와 비슷하게 프로펠러를 원통형으로 둘러싸는 케이싱을 설치는 경우가 있다.
3. 가공법의 한 종류
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| 과목 | 공업수학 · 일반물리학 · 4대역학(동역학 · 정역학 · 고체역학 · 유체역학 · 열전달) · 수치해석 · 프로그래밍 · 캡스톤 디자인 | |
| 관련 기관 | 국가과학기술연구회(과학기술분야 정부출연연구기관) | |
| 자격증 | ||
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| 기능장 및 기술사 항공기관기술사 · 항공기체기술사 | ||
| 기타 | ||
영상의 압력은 4000 bar.[2]
4000 bar~6000 bar의 압력으로 물체를 절단한다.[3]
Water Jet Cutter
워터젯 가공법을 이용하여 닌텐도 스위치의 디스플레이에 도형을 뚫는 장면.
정확한 명칭은 워터젯 가공. 초고압으로 압축된 물을 분사해 절단하는 가공법. 열에 민감하면서 경도 높은 재료[4]를 가공할 때 주로 쓰며 매질의 수급, 관리가 다른 절단 공법에 비해 수월하다.[5]
워터제트는 초고압의 물을 사파이어, 루비, 다이아몬드 등 강한 소재로 만든 아주 작은 구멍의 노즐을 통해 분사하여 소재를 가공하는 가공 방법이다. 초고압수에 연마재(GARNET)를 노즐 내부에서 혼합하여 분사하면서 절단 능력을 높일 수도 있다. 따라서 순수한 수압으로 고무, 유리 같은 연성 재질을 가공할 수도, 연마재를 사용하여 티타늄, 스텐레스, 공구강 같은 아주 강한 재질을 가공할 수도 있는 유연성을 가지고 있다. 다만 물을 이용하기 때문에 물에 쉽게 녹거나 물과 화학 반응을 일으키는 소재는 가공할 수 없다. 플라즈마보다 사거리가 길며, 레이저보다 직접적인 절단력이 잘 전달된다. 절단 시 저절로 냉각이 되며, 분진이 상당히 적은 것도 장점. 그러나 최소한의 절단력을 확보하기 위한 매질 단면적이 다른 매질보다 커서 정밀도가 다소 떨어진다는 흠도 있다. 대신 정밀도가 크게 필요하지 않고, 피 절단물을 절단 공구의 미세 금속 분진이나 윤활유로 오염시키지 않을수 있다는 점에서 치즈케이크, 웨하스, 두부, 곤약 등 연한 식품을 망가지지 않게 자르는 데는 매우 유용하다. 당연히 식품을 자를 때엔 연마제는 넣지 않고 정제수를 쓴다.
워터제트 공법은 물줄기이긴 하지만 샤워기 같은 물줄기와는 차원이 다르며 엄연한 절단가공이기에 함부로 손을 대어선 안된다. 작동중인 워터젯 밑으로 사람 손이 들어가면 다치는 정도를 넘어서 아예 뼈에서 살점이 분리된다. 위 영상의 인체모형은 아주 살짝 스치는 수준으로 잠깐 들어갔는데 살점이 뜯겨 뼈가 드러날 정도임을 알려준다. 상식적으로 생각해도 금속판을 예리하게 썰어버리는 절단기에 인체가 닿으면 멀쩡할 리가 없다.
불법 어선이나 포경선을 격침시킬 때처럼 주변에 물이 널려있고 상대의 방어력이 강하지 않은 상황이라면 꽤나 효과적인 무기가 될 수도 있다.
록맨 5에서 등장하는 웨이브맨의 무기인 워터 웨이브가 이 워터 제트 가공에서 모티브를 따왔다. 물기둥을 사용하면 피가 낮은 자코들은 모조리 관통을 당해버리는 것이 특징.
[1] Cavitation, 프로펠러의 회전으로 인해 근처 압력이 물의 증기압 이하로 떨어졌을 때 공기방울이 생겨 프로펠러를 손상시키는 현상이다. 베르누이 방정식을 참조하면 왜 프로펠러 회전 속도가 빨라지면 압력이 떨어지는지 알 수 있다.[2] 이게 어느 정도로 센 압력인가 하면, 1(bar) = 100000(pa) 이므로 4000(bar) = 400000000(pa) 대기압인 101325(pa) 의 약 4000배에 해당한다! 어마어마하게 큰 압력인 셈.[3] 마리아나 해구 수압의 4~6배.[4] 다이아몬드나 비철계 합금, 몇몇 연철이 여기 해당된다.[5] 물을 사용하는데다가 뒷처리방법도 그냥 물을 닦아내면 끝이기 때문이다