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터빈 Vs. 디젤: 미 육군의 선택은?

DeltaForce | 조회 수 907 | 2017.10.25. 16:42

 M60_POWERPACK.jpg

 

미 육군이 전차에 쓴 마지막 디젤 엔진은 컨티넨탈 사의 AVDS-1790-2 공랭식 트윈 터보 차져 엔진이다. 750마력의 이 엔진은 48톤의 M60A3 패튼 전차에 쓰였다. 그리고 19793월 당시 미 육군의 신예 전차 M1 에이브럼스 전차 100대를 수령한다. 이 전차는 헬리콥터나 전투기에 쓰는 고출력 터보 샤프트 가스 터빈엔진을 탑재했다.  애브코 라이코밍 사의 AGT1500은 현재까지 미 육군 주력 전차의 동력원으로 쓰이고 있다.

 

 

 

 

M1 전차의 파워팩은 터빈이기에 같은 모든 회전 속도구간에서 토크가 상당히 높아 험지 주파력과 가속력이 좋고 터보 차저 디젤 엔진이 겪는 터보 랙이 없는 등 전차의 기동 성능에 기여하는 바가 상당히 크다. 또한 추력 대 중량비가 5:1 가까이 되는 터보 샤프트 엔진의 특성상 추중비 1:1의 디젤 엔진보다 더 작고 가벼운 설계를 적용할 수 있었다. 엔진자체도 단순한 모듈식 디자인이기에 일체형인 디젤 엔진들보다 정비성 면에서 탁월하다.

 

 

 

그러나 터빈은 아이들 상태에서도 연료를 소모하고 디젤 엔진들보다 주행 시 연료 소모율도 20~36퍼센트 가량 크다. 때문에 독일의 Leopard 2보다 연료는 1.37배 더 탑재하면서 항속 거리가 5퍼센트 더 낮다는 말을 듣기 까지 했다. 거기에 상당히 커다란 앨리슨 X1100-3B 변속기를 탑재했기에 파워팩 상태에선 작은 엔진의 특성을 살리지 못 해 약 7.33m3의 커다란 부피를 가져 컴팩트한 디젤 파워 팩(MB883 4.58m3)보다 60퍼센트는 큰 셈이된다. 물론 독일의 MTU MB873/RENK HSWL354같은 대형 디젤 파워팩(7.87m3)보단 작다.

 

 

 

 

미 육군은 현재 2050년까지 M1 에이브럼스 전차를 운용하기로 한 상태다.

 

 

 

때문에 장기적으로는 현 엔진의 대체제를 찾고 있다. 그게 디젤이건 연비 좋은 터빈 엔진이건 간에 말이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perkins CV-12 1500HP for XM2001Crusader

 

 

 

crusader.jpg

 

 

21세기에 접어 들며 미 육군은 차기 자주포 획득 사업을 추진한다. XM2001 크루세이더 자주포는 기존의 팰러딘 자주포에 비해 작전 역량이 비약적으로 늘어날 예정이었다. 자동 장전 장치, 신형 155mm XM297 주포, 복합 장갑은 물론 여러 최첨단 전자 장비를 탑재한 이 자주포의 중량은 43톤으로 기존 팰러딘 자주포에 비해 15톤은 무겁다.

 

 

 

 

 CV12_FOR_XM2001.png

미 육군은 크루세이더의 Shoot-and-Scoot 능력을 향상시키기 위해 이 자주포에 전차용 1500마력 엔진을 탑재하도록 지시한다. 1995년 영국 퍼킨스 사의 CV12엔진의 1500마력 사양이 선정되었다. 기존 CV12 1200TCA에 비해 높이가 1인치 낮고 중량은 70kg가량 더 나가는 이 엔진은 챌린져2의 엔진을 베이스로 만든 것이다.

 

 

 

CV12.png

CV12는 공랭식 과급기를 탑재한 터보 차져를 사용하는 수냉식 디젤 엔진이다. 실린더는 12기통이다.  CV12 엔진의 피스톤은 보어가 135mm 스트로크가 152mm인 롱 스트로크엔진 내지는 언더 스퀘어 엔진이다. 롱 스트로크 엔진의 특성상 실린더 내 피스톤의 운동이 길어 엔진의회전 속도는 늦지만 그만큼 압력에 의한 토크가 풍성하게 발생한다. 그걸 말해주듯 최대 회전율은 2400rpm으로 낮으며 피스톤 운동 속도는 초당 12.2m/sMB87315.2m/s보다 늦다. 실린더 당 평균 유효 압력도 21.4 Bar로 제법 강력하다. 스트로크가 긴 만큼 최고 토크는 1700rpm에서 나타나는 데 4989N.M에 달한다. 엔진이 최고 출력을 낼 때인 2400rpm에서는 4450NM으로 허니웰의 AGT1500과 비슷해 고속 구간에서의 이점은 확실하다. 연비는 1마력 당 한 시간에 180그램 정도로 디젤 엔진 중에선 좋지 못 한 편에 속한다.

 

 

 

미 육군은 2001, 에이브럼스 전차와 크루세이더 자주포에 동일한 파워 트레인을 적용해 보급 계통을 통일하고자 한다.

 

 

 

이를 Abrams Crusader Common Engine 내지는 ACCE 사업이라한다.

 

 

 

 

 

Abrams Crusader Common Engine

 

 

 

 

AGT1500_Decay.png

 

2000년경 에이브럼스 전차의 AGT1500엔진은 노후화가 진행 중이었다.

 

 

MeanTime Between Failure 내지는 평균 무 고장 시간이 500시간 밑으로 떨어졌다.

 

 

그래도 Mean Time Between Depot Repair 내지는 평균 창 정비 간 시간은 그나마 90년대에 진행한 Service Life Extension 사업을 통해1000시간 대를 확보했다. 그러나 당시 엔진들의 평균 MTBDR500시간 미만에 그쳤다.

 

 

 

여기엔 이유가 있었는 데 미 육군은 1992년부터 노후화된 엔진의 창정비에 드는 시간과 비용을 줄이기 위해 Direct Support Plus 내지는 DS+라는 프로그램을 추진하는 사단 내 정비 지원 대대Maintenance Support Battalion에게 창정비 시설에서 하는 수준의 작업을 하도록 맡긴다. DS+를통해 M1 파워팩은 875시간 동안 가동할 수 있을 것으로 기대됬다. 그러나 정비 지원 대대 병사들은 창 정비 시설 수준의 관리를 해낼 수 없었고 원래라면 SLE 사업으로 750시간의 평균 고장 시간MTBF를 가질 엔진의 MTBF 250시간으로떨어진다. 특히 이런 문제는 주한 미군 2사단에서 크게 발생했다. 결국 육군은 이 체제를 2006년에 중단하고 대신 창 정비 오버홀을 4단계에서 2단계로 줄이는 것으로 방침으로 바꾼다.

 

 

 

이로 인해 엔진 내구도에 심각한 타격을 받았는 데 부식된 접합부에선 오일누수가 방생하고 흡기구도 문제가 발생하는 등 상태는 심각했다.

 

 

 

 

 LV100_PP.png

 

노후화된 AGT1500 엔진을 대체하기 위한 후보로 퍼킨스 사의 CV-12 디젤엔진과 Turbine Advanced Integrated Propulsion System 내지는 TAIPS 사업에서 테스트 중이던 허니웰 사의 LV100-5 터빈 엔진이 거론되었다.

 

 

 

 

미 육군은 최종적으로 LV100-5를 선택했는 데 이유는 다음과 같다.

 

 

 


 

 

기동성

 

 

 

AGT1500_VS_AVCR1360.png

 

CV-12는 피스톤 스피드는 떨어 지지만 엔진 토크는 MTU MB873보다여러 모로 우월하며 고속 구간에선 AGT1500과 비슷하다. 하지만 디젤 엔진의 특성 상 터빈 엔진과 비교했을 때 기동성 면에서 한계가 존재한다. 디젤 엔진은 냉각 계통의 팬에 엔진 출력의 10~15퍼센트를 반드시 할애해야 한다. CV-12 173마력을 냉각에 할애하는 반면, 기존 AGT150020 ~ 30마력만을 냉각에 소모한다. 이렇게 되면 실질적으로 주행륜에 걸리는 마력은 터빈 대비 100마력 이상이 부족하게 된다.

 

 

 

과거 XM1 사업에서 컨티넨탈 사의AVCR1360 AGT1500에게 가속도 면에서 뒤지게 된 원인을 제공한 것도 여기에있다. 당시 XM-1에 탑재된 AGT1500은 에어 클리너와 배기 덕트에서 소모한 출력을 뻬고도 1280마력의출력을 낼 수 있던 반면 AVCR1360을 탑재한 전차는 엔진에 1140마력만이 남았다.  결국 AGT1500AVCR1360보다 127마력 만큼 주행륜에 더 많은 출력을 전달했다.

 

 

  

미 육군은 60톤이 넘는 M1 전차에서 0-32km/h 도달 시간 7초 이하를 달성해 Cover-to-Cover 기동을 구현하는 걸 중요시 했는 데, 그들이 판단하기에 시중에 나와있는 군용 디젤 엔진으로 이런 퍼포먼스를 뽑아 내기엔 역부족이었다.

 

 

 

LV100-5는 터빈의 이런 특성을 계승하면서도 기존보다 15-20퍼센트의 기동성 향상을 약속했다.

 

LV100_objective.png

 

 

 

 

 

연비

 

 

Fuel_Consumption.png

   

CV-12MB873(188그램/마력/시간)보단 연비가 좋은 편(178그램/마력/시간)이지만 LV100-5와 비교했을 때 나은 건 없다. 또한 허니웰은 LV100-5로 최종적으론 기존 AGT1500(220그램/마력/시간)보다 35퍼센트의 연비 향상(150그램/마력/시간)을 이룩하는 걸 목표로 삼았기에 미 육군은 LV100-5를 선택했다.

 

 

 

크기와 중량

 

CV12_2.png

 

    CV-12는 엔진 만으로 볼 때 2040kg으로 AGT1500(1,134 kg)보다 2배 가량 무겁다. 또한 부피면에선 AGT1500(1.3m3)보다 3.6세제곱미터로 2.8배 가량 크다. 반면에 LV100-5는 1043kg으로 기존 대비 중량이 줄고 길이는 AGT1500보다 33.4CM은 줄어들었을 거라고 한다. 파워팩으로 볼 때 CV12 를 탑재할경우 1.2톤 가량의 중량 증가가 생긴다. 비록 지금 M1A2 SEP v2 에이브럼스 전차의 무게는 71.2톤(숏톤으로 64.6톤)이지만당시 미 육군은 수송의 용이성 때문에 80년 대 말부터 전차의 중량을 70톤(숏톤으로 63.5톤)으로 제한했기 때문에 미 육군 입장에서 CV12의 고중량은 달갑지 않았다.

 

  정비성과 신뢰성 

 lv100.png

 

LV100-5AGT1500과 마찬가지로 모듈식이다. 때문에 일체형 디젤 엔진인 CV-12보다 정비가 용이했다. 또한 기존 AGT1500과 공유하는 부품이 41퍼센트였기에 CV-12에 비해 생산 비용을 크게 절약할 수 있었다. 무엇보다 LV100-5는 부품 수가 기존 대비 43퍼센트 적고 전반적인 신뢰성이 AGT1500과 비교했을 때 6배였다. 엄밀히 말하면 MTBF 평균 고장 시간은 5배 이상 늘어 나고 MTBDR3,000시간으로 늘어 날 예정이었다.

 

 

 

 

 

assembly_2.png

 

 

 

 

 

Honeywell AGT1500 for Current AbramsTank Fleets

 

 

 

 

그러나 이후 럼스펠드 국방장관이 2002년에 크루세이더 자주포 사업을 취소하면서 LV100-5의획득 사업은 이전보다 느슨해지다가 결국 폐기되었다.

 

 

 

 

first_TIGER.jpg

 

처음으로 TIGER 업그레이드를 받은 AGT1500 엔진

 

이후 허니웰이 AGT1500의 재생산을 담당하면서 Total InteGrated Engine Revitalization 내지는 TIGER(1년에 1000개 엔진을 대상으로 정당 100만 달러를 투자하는 큰 사업이다)를 통해 평균 창 정비 간격 MTBDR 1400시간을 확보했다. 사실상 엔진을 재생산하는 이 사업은 LV100-5에서 해소하고자 했던 문제를 대부분 해결했다. 추가로 앨리슨 X1100-3B 변속기의 수명은 21,000km에서 30,600km로 향상됬다.

 

 

PROSE_AND_TIGER.png

PROSETIGER를 진행하면서허니웰은 2009AGT1500Engine Memory Unit이 탑재된 Digital Electronic Control Unit 내지는 DECU를 장비한다. 이는 LV100-5에 탑재하려 했던 장비다. DECU는 대기 온도와 고도 등 외부 환경에 따라 엔진이 필요한 양의 출력을 내도록 제어한다. EMU는 엔진 부품의 상태를 데이터로 환산해 지속적으로 보고한다. DECUEMU 덕에 AGT1500은 아이들 상태에서 소모되는 연료를 20퍼센트 줄이고유지 필요성을 30퍼센트 줄일 수 있었다.

 

 

 

또한 DECU 덕에 연비도 기존의 220그램/마력/시간에서 200그램/마력/시간으로 소소하게 향상되었다.

 

 

 

ABRAMS_POWER_PACK.png

 

현재 허니웰은 연비 개선안Fuel Efficiency Initiative이라는 프로젝트를 미 육군에 제안 중이다. 이 사업을 통해 연비를 기존 대비 18퍼센트 향상(165그램/마력/시간)시키고 엔진과 변속기의 MTBDR 30퍼센트 향상시킬 수 있다. 전방 모듈의 부품을 673개에서 7개로 줄여 버림으로써 정비 소요가 줄고 무게도 22.7kg을 적게나가게 된다. 이 안을 체택하면 AGT1500은 이전에 제안했던 LV100-5에 한 층 더 근접하는 수준으로 개량되는 셈이다.

 

 

 

 

General Dynamics GD883 V12 1630hp diesel

 

 

 

DIESEL_BRAMS.png

 

제너럴 다이내믹스는 MTU MB883 엔진을 라이센스 생산한 뒤 수출을 통해 렝크 325 변속기와함께 이스라엘의 메르카바 Mk.4에 탑재했다. GDAUSA 2013에서 MB883 Ka 501 1630마력 사양 GD883을 탑재한 에이브럼스 섀시를 선보였다. 또한 DLT570P3라는 궤도를 선보였는 데 기존 T158 3400km의 수명을 가지는 데 비해 이 궤도는 8000km의 수명을 가진다. 이 디젤 엔진을 탑재시 항속 거리는 기존보다 170km 가량 늘어 난다.

 

 

 

 

 

 

883.png

이 엔진의 토크는 고속구간에선 AGT1500보다 높지만 MB883 240마력을 쿨링 팬에서 소모하기에 실질적인 출력은 AGT1500보다적다. 하지만 작은 크기와 적은 무게 증가는 미 육군 입장에서 반길만한 요소다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

결론

 

 

 

미 육군은 현재 M1 에이브럼스 전차를 2050년까지 운용하기로 결정한 상태다. Next Generation Combat Vehicle과 신형 전차는 2020~2030년에 프로토타이핑을 마칠 테고 2030년 이후에나 모습을 드러낼 것이다. M1 전차는 이를 위한 중간 교량 역할을 위해 33년을 더 버텨야하는 데, 파워 트레인은 계속해서 노후화될 것이다. 미 육군은GD와 허니웰 사이에서 결정을 내려야만 한다. 본인은 아무래도 현재 보급 체계가 가스 터빈에 맞춰져 있다는 점에서 허니웰의 Fuel Efficiency Initiative가 채택될 것이라 보지만 어느 쪽이 되건 현재의 문제를 해결되는 데 도움이 될 것임은 틀림 없다.

 

참고 자료

 

1. RESEARCH NEEDED FOR MORE COMPACT INTERMITTENT COMBUSTION PROPULSION SYSTEMS FOR ARMY COMBAT VEHICLES, TACOM and TARDEC

 

2. AGT1500 Turbine Technology, Honeywell

 

3. The Abrams-Crusader Common Engine, March-April 2002,Armor

 

4.XM2001 Crusader 155 mm Self-Propelled Howitzer and XM2002 Crusader Resupply Vehicle, Forecast International

 

5.INTERN EQUIVALENCY AT THE OFFICE OF THE PROGRAM MANAGER XM1 TANK SYSTEMS, Paul Michael Root

 

6.Potential for the Use of Energy Savings Performance Contracts to Reduce Energy Consumption and Provide Energy and Cost Savings in Non-Building Applications, US Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy,

Federal Energy Management Program

 

 

 

 

 

 

 





    



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야드버드 2017.10.25. 17:29
미국에서 만든 우리 K-1전차의 시제차량은 AVDS-1790 엔진의 1200마력 버전을 사용했었죠.
Profile image DeltaForce 2017.10.25. 17:43
메르카바 Mk.3와 같은 AVDS1790-9 계통이었던 걸로 기억합니다 :)
Richard 2017.10.25. 18:55
매니아 리뷰로 ㄱㄱ!
Profile image 운영자 2017.10.26. 22:55

메니아 리뷰로 이동했습니다. 감사합니다.

포탄은사랑을싣고 2017.11.17. 20:31

좋은 글 잘 봤습니다! 예전에 가스터빈과 디젤 두가지에 대해 장단점과 특성을 고려한 합리적 선택이 궁금했었는데, 더 알게 되었습니다ㅎ

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