[단독] HD현대, ‘프로펠러 허브’ 15% 다운 사이징 기술 확보…선박 연비 극대화

▲프로펠러 직경 대비 허브 직경의 비율(H/D)을 기존 CPP의 0.206에서 0.185 수준까지 약 10% 이상 줄일 수 있도록 한 HD한국조선해양·HD현대중공업·HD현대삼호 등 HD현대 조선 부문 계열사들의 특허 개념도. 사진=특허청 제공

HD현대가 선박 프로펠러의 중심부인 허브 크기를 대폭 줄인 신기술로 특허권을 획득했다.

기존 체계 대비 추진 효율을 높이고 연료 소모를 줄였고, 운항 안정성과 효율을 모두 잡아 향후 친환경 선박 시장에서 글로벌 경쟁력 우위가 기대된다.

1일 본지 취재 결과, HD현대는 '최적의 허브 직경비를 갖는 가변 피치 프로펠러' 기술 특허를 확보한 것으로 확인됐다. 출원인은 HD한국조선해양·HD현대중공업·HD현대삼호 등 조선 부문 3사이며, 원출원일자는 지난 2022년 8월 23일이다. 특허청은 해당 특허를 지난달 25일 공개했다.

해당 특허는 고정 피치 프로펠러(FPP, Fixed Pitch Propeller)에 버금가는 높은 추진 효율을 유지함과 동시에 운항 조건에 따라 최적의 성능을 낼 수 있도록 날개 각도를 조절하는 신개념 '가변 피치 프로펠러(CPP, Controllable Pitch Propeller)' 기술을 골자로 한다.

선체·엔진과 더불어 선박의 3대 요소인 프로펠러는 연비와 운항 속도에 따라 날개의 각도·수·두께 등을 종합 고려해 제작해야 한다.

대형 상선이나 유조선 등 저속 비대선에는 구조가 간단하고 특정 운항 조건에서 효율이 높은 FPP가 주로 사용돼 왔다. 하지만 국제해사기구(IMO)의 선박 에너지 효율 지수(EEXI, Existing Energy Efficiency Index)나 탄소 집약도 지수(CII, Carbon Intensity Index) 등 환경 규제가 강화됨에 따라 다양한 속도와 환경에서 효율적으로 운항해야 할 필요성이 커졌다.

그 대안으로 프로펠러 날개를 자유롭게 움직여 선박의 전진·후진·저속·정지 등을 손쉽게 할 수 있는 CPP가 있었지만, 구조적 한계 탓에 FPP 대비 연료 효율이 4~8% 가량 낮다는 단점이 존재했다. 날개 각도 조절을 위한 복잡한 유압 장치를 프로펠러 중심부인 '허브(Hub)'에 내장해야 하기 때문에 허브가 커질 수밖에 없었고, 이는 추진 효율 저하의 주된 원인으로 작용했다.

기존 CPP가 수직 방향으로 움직이는 구동 장치를 사용한 것과 달리 HD현대는 이와 같은 문제를 '사선(斜線) 방향 가이드 슬롯' 메커니즘을 도입하는 등 독창적인 설계 변경으로 해결했다.

이 새로운 방식은 더 작은 유압으로도 날개 각도를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 결과적으로 유압 시스템과 내부 부품인 '크로스 헤드'의 크기를 줄여 허브 자체를 대폭 소형화하는 데 성공했다.

특허에 따르면 HD현대의 신기술을 적용할 경우 프로펠러 직경 대비 허브 직경의 비율(H/D)을 기존 CPP의 0.206에서 0.185 수준까지 약 10% 이상 줄일 수 있다. 안전율 마진을 감안하면 허브 크기를 기존 대비 5~15%까지 감축 가능하다는 설명이다.

HD한국조선해양 관계자는 “프로펠러의 재질을 바꾸면 크기를 약 25%까지 줄일 수 있다"고 말했다.

허브가 작아지면 소재비·가공비가 절감되고, 유압 계통 단순화로 유지 보수 비용도 낮아진다. 이는 선주사에 투자 회수 기간을 단축시키는 기대효과를 가져다준다.

이밖에 이번 특허 기술은 단순 허브 크기를 작게 만드는 데에 그치지 않고 선박 종류에 따른 최적화와 운항 안정성까지 고려했다는 점에서 주목받는다. 탱커 선박에는 H/D 비율 0.170~0.190을, 벌크선에는 0.185~0.20을 적용하는 등 선종별 최적화된 설계 기준을 제시했다

또한, 가장 빈번하게 사용되는 2개의 운항 조건에 맞춰 최적의 피치를 제공하는 '2피치 시스템'을 채택해 시스템을 단순화하고 효율을 극대화했다. 아울러 운항 중 외부 저항이나 충격으로 날개 각도가 변하는 것을 막기 위해 △엔드 슬롯 △슬라이딩 슈 △유압 잠금부 등 다중의 기계적·유압식 잠금 장치를 고안해 안정성과 신뢰도를 제고했다는 특징도 있다.

HD현대의 이번 기술 개발은 친환경 선박 시장에서 기술적 우위를 선점하려는 전략적 행보로 풀이된다. 고유가와 환경 규제 이중고에 시달리는 글로벌 선사들에게 매력적인 대안이 될 것으로 보이며, 향후 친환경 선박 시장의 기술 표준을 선도할 중요한 발판이 될 전망이다.

따라서, 연료 효율과 운항 유연성이라는 '두 마리 토끼'를 모두 잡은 HD현대의 신기술이 향후 건조될 친환경 선박의 표준으로 자리 잡을 수 있을 지 주목하고 있다.

동시에 지난해 450억 달러로 평가된 글로벌 CPP 시장이 오는 2032년까지 847억 달러로 연평균 8.3% 성장률을 기록할 것이라는 전망이 나온 만큼 HD현대 조선 3사가 특허기술을 앞세워 향후 펼쳐질 일본·중국과 '조선 빅3 경쟁'에서 확실한 우위를 확보할 가능성이 높은 것으로 분석한다.

박규빈 기자 kevinpark@ekn.kr