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선박의 복원력 또는 복원성이란 선박이 어떤 위치로부터 경사하려고 할 때의 저항, 또는 경사한 위치에서 그 원인을 제거하였을 때 원위치로 돌아오려고 하는 능력이다.
복원력은 선박의 안전성을 판단하는데 중요한 기준이 된다. 아무리 구조가 튼튼하게 설비되어 있는 선박이라도 그 복원력이 부족하면 선박으로서 의미를 상실하게 된다.
복원력이 과대하면 횡요가 심해져서 선체나 기관등이 손상을 입을 우려가 있고, 화물이 이동할 위험이 있으며, 승조원에게 불쾌감을 주어 작업을 곤란하게 한다.
반대로 복원력이 너무 작으면 외력에 의하여 선박이 경사되기 쉽고, 또 빨리 일어서지 않으므로 풍랑이 심할때에는 전복의 위험이 크다.

선박의 복원성에 영향을 주는 요인은 여러가지가 있으나 어떠한 선박의 주어진 흘수에서 그 복원력을 판단하는 가장 중요한 요소는 GM 값이다

복원력을 판단하는 가장 중요한 요소는 GM 값이다.

GM값을 크기를 좌우하는 것은 부력과 무게중심이다. 부력은 물의 밀도에 따라 변하며, 무게중심은 선형의 변경 또는 화물의 이동에 따라 변할 수 있다.
GM값이 커질 경우 복원성이 과대해져 횡요가 심해지며, GM값이 작아질경우 복원성이 작아져서 전복의 위험이 커질 수 있다.

1. 엔진

<디젤엔진>

선박의 추진장치는 엔진, 추진축(shaft), 프로펠러로 이루어진다. 선박에서 추진 목적으로 사용되는 엔진을 주기관(main engine) 이라 하고 하역장치나 닻을 끌어올리는 보조 기계를 움직이기 위하여 설치되는 것을 보조기관(auxiliary engine) 이라 한다.

18세기초 산업혁명을 통해 증기기관이 발명되었는데 최초로 선박에 증기기관을 설치하고 운항에 성공한 것은 1807년 로버트 풀턴 이었다. 증기기관과 외륜수차를 장치한 Clement호는 뉴욕의 허드슨강에서 150마일을 32시간에 운항하였다. 1836년 나선 스크루 프로펠러의 사용과 함께 선박의 추진방식은 놀랄만하게 기계화되었는데 20세기초까지 많은 업적이 이루어졌는데 그중 증기터빈과 디젤기관의 발명은 아주 획기적인 것이었다. 제2차 세계대전을 계기로 가스터빈이 실용화하였고 원자력을 이용한 추진장치도 선박에 적용되기에 이르렀다.

오늘날 주기관으로 가장 많이 사용하는 것은 디젤기관이다. 육상에서 자동차에 많이 사용되는 가솔린기관은 연료 경제성이 나쁘고 대당 출력도 적어서 스포츠, 레저용의 소형 선박에 주로 사용된다.

연료로는 석유계 액체연료인 경유나 중유를 사용하며 특히 2차대전 이후 선박용 디젤기관에 벙커C유와 같은 저질연료를 사용할 수 있게 된 것은 연료 경제성 면에서 매우 중요한 일이었다. 초기에 비해 디젤기관의 출력은 엄청나게 향상되어 대당 4만5천 마력(실린더당 1천 마력 이상)을 넘게 되었고 근래에는 7만 마력 규모의 디젤기관도 국내에서 만들어지고 있다.

주기관에서 얻어진 회전동력은 추진축계를 통해 프로펠러에 전달된다. 프로펠러가 수중에서 회전하는 동안 유체역학에 따른 추진력을 발생시키며 이 추진력은 다시 추진축계를 통해 선체에 전달되어 배를 움직이게 한다. 주기관의 효율은 분당 회전수가 높아야 경제성이 좋지만 프로펠러는 낮은 회전수에서 효율이 좋기 때문에 동력이 전달되는 추진축계에 감속기어를 설치해야 한다. 오늘날 주기관과 프로펠러를 직접 연결하는 경우는 주기관이 대형 저속 디젤기관인 경우에 한한다. 감속기어의 비는 중,고속 디젤기관에서 1~3:1 이고 증기터빈이나 가스터빈에서는 2단 감속을 거쳐 약 50:1 정도로 감속한다.

디젤기관은 분당 회전수(rpm)에 따라 고속, 중속, 저속으로 분류하는데 고속기관은 1200-2400 rpm 정도로 대체로 대당 출력 3500 마력이 상한이다. 중속기관은 400-1000 rpm 정도로 대당 출력은 1만 마력이 상한이다. 저속기관은 처음부터 그 회전속도가 프로펠러의 최적 회전속도와 일치하도록 설계된 것인데 대형 디젤기관은 모두 저속기관으로서 120rpm 이하의 회전수를 가진다. 대당 출력은 5천~4만5천 마력이 보통이며 이런 규모에서 경제성은 다른 어떤 추진기관보다 우수하다.

선박의 정지 및 후진을 위하여 프로펠러를 거꾸로 돌릴 필요가 있는데 일반적으로 디젤기관은 엔진 자체의 역전이 가능한데 이 조작은 일단 엔진을 멈추어야 하는 번거로움이 있다. 주기관이 역전식이 아닌 경우나, 역전이 가능하더라도 역전 조작이 빈번히 요구되는 경우에는 추진축계에 역전이 가능한 기어장치를 설치하거나 가변피치 프로펠러를 사용한다. 보통의 프로펠러는 고정 피치(fixed pitch)이다.

출력이 3만 마력 이상이 필요한 대형 고속상선에서는 디젤기관 대신 증기터빈이나 가스터빈을 사용하는 경우가 있는데 일반적으로 디젤기관이 대형화되면 중량이 무거워지고 장치가 복잡해지기 때문에 터빈 동력장치가 유리한 편이다. 증기터빈 동력장치는 축당 마력이 7만 마력에 달하는 것이 보통이고 저속 디젤기관에 비해 대당 출력의 상한이 두 배 이상이다. 터빈 동력장치는 일반적으로 회전속도가 클수록 효율이 좋아지기 때문에 터빈의 회전속도가 5000-8000 rpm 에 이른다. 따라서 프로펠러와 연결시키기 전에 2단 감속기어를 거쳐야 한다.

<저속 디젤엔진>

증기터빈은 우선 보일러에서 물을 끓여 수증기를 만든 다음 가열하여 과열증기(super heated steam)를 만든다. 과열증기는 터빈에서 팽창되어 운동량의 변화에 의해 회전동력을 발생시키며 사용된 증기는 복수기(condenser)에서 냉각되어 다시 물로 바뀌어 진다. 이렇게 고온, 고압의 증기가 노즐 혹은 고정익(固定翼)을 통과, 팽창되어 열에너지가 운동에너지로 바꾼다. 가스터빈은 작동원리가 증기터빈과 같고 다만 작동유체가 수증기가 아니라 연료와 혼합된 공기일 뿐이다. 가스터빈에서 동력변환의 기본 구성 요소는 공기압축기, 연소실 및 가스터빈이다.

우선 공기를 필요한 압력비 만큼 압축하고 난 뒤 연소실을 통과시키는 데, 이 때 연료를 분사한다. 공기는 그 연소열을 받아 가열되고 여기서 나오는 고온, 고압의 공기를 터빈으로 보내게 되는데, 다음 과정은 증기터빈에서와 같은 원리에 의해 회전동력이 얻어진다.

<가스터빈>

증기터빈이나 가스터빈은 디젤기관에 비해 가볍고 출력이 크며 회전속도가 매우 빠르기 때문에 고속선에 주로 사용되고 있는데, 반면 열효율이 나쁘고 터빈을 역전시킬 수 없기 때문에 감속장치와 가변피치 프로펠러를 반드시 장착해야 하는 단점이 있다. 가스터빈을 달고 최초로 운항한 선박은 영국의 오리스(Auris)호였다. 요즘은 경량화가 요구되는 고속정 특히 활주정(滑走艇), 수중익선(水中翼船) 등에 보급되고 있다.
핵연료를 사용하는 원자력추진기관의 경우 보일러 대신 핵반응로를 이용하는 증기발생장치로 대체된다. 나머지는 증기터빈 장치와 유사하다. 원자력추진의 장점은 열에너지의 공급이 핵분열반응에 의하므로 연소용 공기가 필요 없다는 것이다. 대신 가격이 비싸고 방사선 노출에 대비한 안전시설을 설치해야 하는 어려움이 있다. 원자력추진기관을 사용하여 처음으로 운항을 한 선박은 미 해군의 잠수함 노틸러스(Nautilus)호였고 상선으로는 역시 미국의 사반나(Savanna)호가 최초였다. 현재는 잠수함이나 항공모함 등 군용으로 더 많이 활용되고 있다. 상선에 장착할 경우 경제성이 떨어진다는 것이 그 이유이다.

Tip. 프로펠러

프로펠러(추진기)라 하면 보통 나선 스크루 프로펠러를 생각하는데 그 외에도 몇 가지 특수 프로펠러가 있다. 분사 프로펠러(jet propeller)는 선체 내부에 설치한 펌프로 물을 흡입하여 그 물을 노즐을 통해 선외로 방출하면 반동으로 추진력을 얻는 것이다. 워터제트 추진방식이라고 부른다. 노즐의 방향을 바꾸면 전진, 후진, 선회가 가능하고 선체 외부에 특별한 장치가 돌출하지 않아서 손상의 염려가 없다. 그러나 현재로서는 효율이 나빠서 수중익선(hydrofoil ship) 과 같은 고속선 외에는 그다지 사용되지 않는다.

Schneider 프로펠러는 선미부에 설치된 수직원통 주위에 방향을 조절할 수 있는 날개를 박고 각각의 날개가 미는 물의 합력의 방향을 조절할 수 있게 되어 있다. 이 프로펠러를 사용하면 키나 조타장치가 필요 없고 선회성능이 우수한 장점을 가진다. 그러나 진동이 심하고 기계효율이 워낙 낮아 결과적으로 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 높은 조정성능이 요구되는 예인선이나 작업선 등에 간혹 사용될 뿐이다.

나선 스크루 프로펠러는 주기관에서 연결된 추진축계의 끝에 선풍기 날개와 같은 날개를 나선형으로 2-7개 부착한 것이다. 이 프로펠러 날개가 수중에서 회전하면 선풍기에서 바람이 불어오는 것과 같은 원리로 물을 밀어내고 그 반동으로 추진력을 얻어 배가 움직이게 되는 것이다. 프로펠러의 효율을 결정하는 요소로 날개의 지름과 투영면적, 날개수 및 프로펠러의 피치가 중요하다. 피치는 날개가 360도 1회전하는 동안에 전진하는 거리를 말한다. 어떤 날개에서 측정해도 같은 피치가 얻어지면 이것을 일정피치라 부른다.