워터제트

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.

1. 선박의 추진기관

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Water Jet, Pump-jet
워터제트 추진기, 또는 펌프제트 추진기라 부른다. '제트'라는 단어의 순수한 의미대로 물을 분사한다는 의미에서 붙은 이름이다. 선박의 추진기관의 종류로, 선체 내부에서 프로펠러(터빈)를 돌려 배 밑의 취수구(흡입구)에서 빨아들인 물을 뒤로 분사해서 추진한다.

1.1. 메커니즘

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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.

1.1.1. 구조도

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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)

1.1.2. 방식 차이

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물을 빨아들이거나 하는 방식에도 차이가 있는데 다음과 같다.

일반적으로 선체 자체에 취수구를 내어 바로 물을 빨아들이는 워터젯 방식. 쌍동 형태의 고속정이나 함정에 많이 쓰인다.

외부에 취수파이프를 따로 내어 물을 빨아들이는 워터젯 방식. 고속으로 물 위를 날아서 항해하는 수중익선에 자주 쓰인다.
수중익선 중에서는 미군의 페가수스급 고속정과 대한해협을 건너는 코비호/비틀호가 저 방식이다.

1.1.3. 특제 프로펠러(임펠러)

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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.

1.2. 장점과 단점

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1.2.1. 장점

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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.

• 소음이 적다. 소음은 일반 선박의 경우 주요한 문제가 아니나 군함의 경우 상당한 장점이 된다. 특히 잠수함의 경우, 소나 탐지에 걸릴 가능성을 줄일 수 있다.
• 벡터 추진을 하기 때문에 우수한 선회능력을 가지고 있고 출력 대비 크기가 작다.

1.2.2. 단점

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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.

1.3. 이런저런 활용

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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.

2. 가공법의 한 종류

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볼륨 주의!
영상의 압력은 4000 bar.[2]

Water Jet Cutter
'''낙수물이 바위를 뚫는다'''

워터젯 가공법을 이용하여 닌텐도 스위치의 디스플레이에 도형을 뚫는 장면. 단면부가 매우 매끄럽게 잘린다.
정확한 명칭은 '''워터젯 가공'''. 고도로 압축된 물을 분사해 절단하는 가공법. 열에 민감하면서 경도 높은 재료[3]를 가공할 때 주로 쓰며 매질의 수급, 관리가 다른 절단 공법에 비해 수월하다.
워터제트는 초고압의 물을 사파이어 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 가공 할 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. 절단시 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.
서브 장르 매체에 워터제트가 능력, 또는 주 무기로 나오는 경우는 꽤 적다. 그나마 좀 알려진 편이 리무르 템페스트의 수인, 메탈기어 레이와 이블 천연수.[4] 일단 '물'이라는 매질 자체가 따로 수급이 필요하며, 절단력을 가질 정도로 압축시키는데 따로 힘이 들어가고, 거리가 멀어지면 사용을 못 하니 조종 범위 역시 한계가 걸려 '''그냥 빔을 쏘고 말지''' 하고 그냥 지나치는 경우가 대다수.
단, 반대로 바다나 강과 같이 주변에 물이 넘쳐 나는 등, 제대로 능력이 발휘할 환경이 조성된다면 어지간한 절단형 무기는 저리가라 하는 위력을 낼수 있다. 물의 수급, 압력조절만 해결되면 칼 같이 충격력을 직접 전달하는 매질 자체의 손상, 소모, 교체 없이 '''그냥 계속 때려 박아서 자른다'''는 메커니즘이기 때문.

[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] 다이아몬드나 비철계 합금, 몇몇 연철이 여기 해당된다.

[4] 조금 애매한 경우로 공열안자경이 있다.눈의 각막을 뜷고나온다는 점에서 뿔도마뱀하고 섞은듯 하다.