우리나라는 연평균강수량 1,245 ㎜ 로서 소수력자원이 산재되어 있으나 경제성이 낮아 개발여건이 미흡하고, 핵심적인 설계제작과 성능측정 및 인증시험 분야는 선진국의 70 % 수준으로서 기술개발이 시급한 상황이다. 특히, 대부분 저낙차의 소유량의 수자원이기 때문에 마이크로급(100 ㎾이하) 수차의 국산화가 필요하다. 본 연구에서는 소수력용 횡류수차의 고성능화 및 광대역화를 위하여 비속도별 다양한 모델에 대하여 실험과 ...
우리나라는 연평균강수량 1,245 ㎜ 로서 소수력자원이 산재되어 있으나 경제성이 낮아 개발여건이 미흡하고, 핵심적인 설계제작과 성능측정 및 인증시험 분야는 선진국의 70 % 수준으로서 기술개발이 시급한 상황이다. 특히, 대부분 저낙차의 소유량의 수자원이기 때문에 마이크로급(100 ㎾이하) 수차의 국산화가 필요하다. 본 연구에서는 소수력용 횡류수차의 고성능화 및 광대역화를 위하여 비속도별 다양한 모델에 대하여 실험과 CFD 해석으로 상관관계를 도출하였으며, 새로운 공기공급방식과 횡류수차의 유출입구조 개선에 따른 성능특성을 연구하였으며, 횡류수차의 비속도별 설계효율을 제시하였다. 결과적으로 초저비속도 횡류수차(Ns=25)는 작동유체와 러너 축과의 충돌손실과 재순환손실을 감소시키는 재순환방지장치를 설치하고 러너 경로를 넓힌 모델의 에서 손실저감과 유량에 따른 접선속도가 증가하여 최고효율 62.9 % 달성하였다. 유입구 개방형 횡류수차(Ns=83)는 CFD 설계에 따라 제작된 실험에서 생산출력 2.7㎾, 효율 71%를 달성하였다. 저낙차 개방형 횡류수차의 성능향상을 위하여 흡출관을 부착한 실험결과 유량변화에 따른 낙차와 수차내부의 압력수두, 속도 수두를 합산한 값을 적용 할 수 있었으며, CFD 해석에 따른 유입구조 설계개선으로 회전수 200 rpm에서 최고효율 76 %를 달성하였다. 기본형 횡류수차(Ns=106)의 성능특성은 가이드 베인 20° 중간개도에서 공기 Hole A, B에서 공급되는 공기에 의해 최고효율 81.3 %를 달성하였다. 러너 챔버 내부의 공기층 영역에 비례하여 효율이 증가하였으며, 러너 챔버 배면의 공기 흡입 Hole B에서 공급되는 공기에 의해 성능향상 효과가 크게 나타났다. 초저낙차 횡류수차(Ns=122)는 1.5 m 낙차로서 확장된 비속도 범위에서 러너 챔버 상부 및 배면 공기공급에 따라 수차효율이 증가하였으며, 러너 바닥 수위에서 최대토크가 발생하고, 공기흡입률 0.09에서 최고효율 70 %를 유지하였다. 또한 주요부의 손실해석결과 유출입부의 압력손실은 유사하였으나 러너에서 비속도(Ns=83)은 19.6 %, 비속도(Ns=106)은 11.6 %의 손실이 발생하여 러너부에서 불필요한 압력손실을 줄여야 수차출력과 효율이 상승할 것으로 생각된다. 비속도별 성능특성을 살펴보면 유량계수와 동력계수는 비속도 90에서 최고이며, 낙차(수두)계수는 비속도 60에서 최고이다. 따라서 횡류수차 설계 시 비속도 90 이하는 사용유량을 늘리기 위하여 가이드 노즐 등 유입구조 개선에 중점을 두고, 비속도 60 이상은 흡출관을 부착하고 공기공급방식에 중점을 두는 것이 넓은 범위에서 양호한 성능을 유지할 수 있다. 또한 초저비속도 부터 카플란 수차와 프란시스 수차의 비속도 250 범위까지 추정한 횡류수차 효율곡선은 공기공급이 없는 조건에서 최고효율 77.8% 를 비속도 250 범위까지 유지할 수 있다고 생각된다. 횡류수차는 지금까지 비속도 90∼110 범위에서 적용되었으나, 다양한 모델 실험과 CFD 해석을 통하여 비속도 90에서 최고효율이며 비속도 60∼120 범위에서 양호한 수차효율을 확인하였으며, 좌우대칭형의 러너를 최대 너비로 적용하면 손실 증가 없이 유량증가에 따라 비속도 적용범위가 확장되었다. 횡류수차 모델 D의 경우 비속도 122에서 비속도 250 영역까지 2배 이상 확장되었다. 비속도 250 이하의 추정 효율곡선을 이용하면 횡류수차의 설계규격 검토 및 新소수력 개발의 경제성 검토에 사용할 수 있을 것으로 생각됩니다.
우리나라는 연평균강수량 1,245 ㎜ 로서 소수력자원이 산재되어 있으나 경제성이 낮아 개발여건이 미흡하고, 핵심적인 설계제작과 성능측정 및 인증시험 분야는 선진국의 70 % 수준으로서 기술개발이 시급한 상황이다. 특히, 대부분 저낙차의 소유량의 수자원이기 때문에 마이크로급(100 ㎾이하) 수차의 국산화가 필요하다. 본 연구에서는 소수력용 횡류수차의 고성능화 및 광대역화를 위하여 비속도별 다양한 모델에 대하여 실험과 CFD 해석으로 상관관계를 도출하였으며, 새로운 공기공급방식과 횡류수차의 유출입구조 개선에 따른 성능특성을 연구하였으며, 횡류수차의 비속도별 설계효율을 제시하였다. 결과적으로 초저비속도 횡류수차(Ns=25)는 작동유체와 러너 축과의 충돌손실과 재순환손실을 감소시키는 재순환방지장치를 설치하고 러너 경로를 넓힌 모델의 에서 손실저감과 유량에 따른 접선속도가 증가하여 최고효율 62.9 % 달성하였다. 유입구 개방형 횡류수차(Ns=83)는 CFD 설계에 따라 제작된 실험에서 생산출력 2.7㎾, 효율 71%를 달성하였다. 저낙차 개방형 횡류수차의 성능향상을 위하여 흡출관을 부착한 실험결과 유량변화에 따른 낙차와 수차내부의 압력수두, 속도 수두를 합산한 값을 적용 할 수 있었으며, CFD 해석에 따른 유입구조 설계개선으로 회전수 200 rpm에서 최고효율 76 %를 달성하였다. 기본형 횡류수차(Ns=106)의 성능특성은 가이드 베인 20° 중간개도에서 공기 Hole A, B에서 공급되는 공기에 의해 최고효율 81.3 %를 달성하였다. 러너 챔버 내부의 공기층 영역에 비례하여 효율이 증가하였으며, 러너 챔버 배면의 공기 흡입 Hole B에서 공급되는 공기에 의해 성능향상 효과가 크게 나타났다. 초저낙차 횡류수차(Ns=122)는 1.5 m 낙차로서 확장된 비속도 범위에서 러너 챔버 상부 및 배면 공기공급에 따라 수차효율이 증가하였으며, 러너 바닥 수위에서 최대토크가 발생하고, 공기흡입률 0.09에서 최고효율 70 %를 유지하였다. 또한 주요부의 손실해석결과 유출입부의 압력손실은 유사하였으나 러너에서 비속도(Ns=83)은 19.6 %, 비속도(Ns=106)은 11.6 %의 손실이 발생하여 러너부에서 불필요한 압력손실을 줄여야 수차출력과 효율이 상승할 것으로 생각된다. 비속도별 성능특성을 살펴보면 유량계수와 동력계수는 비속도 90에서 최고이며, 낙차(수두)계수는 비속도 60에서 최고이다. 따라서 횡류수차 설계 시 비속도 90 이하는 사용유량을 늘리기 위하여 가이드 노즐 등 유입구조 개선에 중점을 두고, 비속도 60 이상은 흡출관을 부착하고 공기공급방식에 중점을 두는 것이 넓은 범위에서 양호한 성능을 유지할 수 있다. 또한 초저비속도 부터 카플란 수차와 프란시스 수차의 비속도 250 범위까지 추정한 횡류수차 효율곡선은 공기공급이 없는 조건에서 최고효율 77.8% 를 비속도 250 범위까지 유지할 수 있다고 생각된다. 횡류수차는 지금까지 비속도 90∼110 범위에서 적용되었으나, 다양한 모델 실험과 CFD 해석을 통하여 비속도 90에서 최고효율이며 비속도 60∼120 범위에서 양호한 수차효율을 확인하였으며, 좌우대칭형의 러너를 최대 너비로 적용하면 손실 증가 없이 유량증가에 따라 비속도 적용범위가 확장되었다. 횡류수차 모델 D의 경우 비속도 122에서 비속도 250 영역까지 2배 이상 확장되었다. 비속도 250 이하의 추정 효율곡선을 이용하면 횡류수차의 설계규격 검토 및 新소수력 개발의 경제성 검토에 사용할 수 있을 것으로 생각됩니다.
South Korea averages 1,245mm annual rainfall, which is quite sufficient for the developing of many hydropower resources. However, economical feasibility is low because the domestic technology development rates around 70% of developed countries, hence giving researchers the urgent task of improving t...
South Korea averages 1,245mm annual rainfall, which is quite sufficient for the developing of many hydropower resources. However, economical feasibility is low because the domestic technology development rates around 70% of developed countries, hence giving researchers the urgent task of improving the domestic technology. In particular, optimized micro-class(less than 100kW) turbine design technology for domestic production is necessary for the remaining hydropower for the low head with low flow rate. In this study, new cross flow hydro turbine with various model which have different specific speed is investigated using experimental methods and CFD analysis for performance improvement and operation range expansion to deduce a relationship. Additionally, performance characteristics were studied according to new air supply method and modification to inlet and outlet structure. The design efficiency of new cross flow hydro turbine was suggested depending on the specific speed. Consequentially, very low specific speed(Ns=25) cross flow hydro turbine achieved 62.9% the maximum efficiency after installation of recirculation prevention device. This can reduce recirculation between working fluid and collisional losses from shaft of runner. At increased runner passage model the loss was reduced and tangential velocity was increased depending on flow rate. The open ducted inlet channel cross flow hydro turbine(Ns=83) achieved 2.7kW output power and efficiency of 71% from experiment which was produced by CFD design. To increase performance of open ducted inlet channel of very low head cross flow hydro turbine, experiment was conducted with addition of draft tube. The combine value from head, pressure coefficient inside of turbine and velocity coefficient according to flow rate of experimental results can be applied. The efficiency of 76% at rotational speed 200min-1 was achieved after improving the inflow structure design followed by CFD analysis. Performance and internal flow of normal type cross flow hydro turbine(Ns=106) achieved maximum efficiency of 81.3% by air supplied from the air Hole A and B at an guide vane opening of 20°. With the increase of the air layer region in the runner chamber, the efficiency is proportional to the supplied air. The largest effect of the air intake Hole B is located behind the runner chamber. For very low head cross flow hydro turbine(Ns=122), the supply of air behind the runner chamber increases the turbine efficiency. It is maintained stable at maximum efficiency of 70% in the air inhalation ratio of 0.09 and maximum efficiency showed at water level near bottom of runner where maximum torque was achieved. In addition, similar pressure loss from loss analysis result was shown at flow section of the main part. However, at the runner, loss of 19.6% for specific speed(Ns=83) and loss of 11.6% for specific speed(Ns=106) were found. So, after reducing unnecessary pressure loss at the runner part, output power of turbine and efficiency can be raised. The performance characteristic depending on the specific speed showed that flow coefficient and power coefficient is maximum at specific speed of 90 and head coefficient is maximum at specific speed of 60. Therefore, when designing the cross flow hydro turbine with specific speed lower than 90 emphasis must be on the improvement of the flow structure such as a guide nozzle in order to increase the use of flow rate. For specific speed greater than 60, attaching the draft tube and emphasis on the air supply system will maintain good performance over a wide range. In addition, performance curves of cross flow hydro turbine estimated from very low specific speed to a range of Kaplan turbine and Francis turbine specific speed of 250, maximum efficiency of 77.8% in the state where there is no supply of air can probably be maintained up to the specific speed range of 250. The cross flow hydro turbine has been applied in the range of specific speed 90~110 until now. However, the highest efficiency was confirmed at specific speed of 90 and acceptable efficiency was confirmed at specific speed range 60~120 through various model experiment and CFD analysis. When the symmetrical runner was applied to maximum width, specific speed range was expanded according to increasing flow rate without increasing the losses. In case of cross flow hydro turbine model D, specific speed range was expanded more than two times from specific speed of 122 to 250. For estimating the performance curve of specific speed lower than 250, an economical examination of design specifications of new small hydro turbine development is suggested.
South Korea averages 1,245mm annual rainfall, which is quite sufficient for the developing of many hydropower resources. However, economical feasibility is low because the domestic technology development rates around 70% of developed countries, hence giving researchers the urgent task of improving the domestic technology. In particular, optimized micro-class(less than 100kW) turbine design technology for domestic production is necessary for the remaining hydropower for the low head with low flow rate. In this study, new cross flow hydro turbine with various model which have different specific speed is investigated using experimental methods and CFD analysis for performance improvement and operation range expansion to deduce a relationship. Additionally, performance characteristics were studied according to new air supply method and modification to inlet and outlet structure. The design efficiency of new cross flow hydro turbine was suggested depending on the specific speed. Consequentially, very low specific speed(Ns=25) cross flow hydro turbine achieved 62.9% the maximum efficiency after installation of recirculation prevention device. This can reduce recirculation between working fluid and collisional losses from shaft of runner. At increased runner passage model the loss was reduced and tangential velocity was increased depending on flow rate. The open ducted inlet channel cross flow hydro turbine(Ns=83) achieved 2.7kW output power and efficiency of 71% from experiment which was produced by CFD design. To increase performance of open ducted inlet channel of very low head cross flow hydro turbine, experiment was conducted with addition of draft tube. The combine value from head, pressure coefficient inside of turbine and velocity coefficient according to flow rate of experimental results can be applied. The efficiency of 76% at rotational speed 200min-1 was achieved after improving the inflow structure design followed by CFD analysis. Performance and internal flow of normal type cross flow hydro turbine(Ns=106) achieved maximum efficiency of 81.3% by air supplied from the air Hole A and B at an guide vane opening of 20°. With the increase of the air layer region in the runner chamber, the efficiency is proportional to the supplied air. The largest effect of the air intake Hole B is located behind the runner chamber. For very low head cross flow hydro turbine(Ns=122), the supply of air behind the runner chamber increases the turbine efficiency. It is maintained stable at maximum efficiency of 70% in the air inhalation ratio of 0.09 and maximum efficiency showed at water level near bottom of runner where maximum torque was achieved. In addition, similar pressure loss from loss analysis result was shown at flow section of the main part. However, at the runner, loss of 19.6% for specific speed(Ns=83) and loss of 11.6% for specific speed(Ns=106) were found. So, after reducing unnecessary pressure loss at the runner part, output power of turbine and efficiency can be raised. The performance characteristic depending on the specific speed showed that flow coefficient and power coefficient is maximum at specific speed of 90 and head coefficient is maximum at specific speed of 60. Therefore, when designing the cross flow hydro turbine with specific speed lower than 90 emphasis must be on the improvement of the flow structure such as a guide nozzle in order to increase the use of flow rate. For specific speed greater than 60, attaching the draft tube and emphasis on the air supply system will maintain good performance over a wide range. In addition, performance curves of cross flow hydro turbine estimated from very low specific speed to a range of Kaplan turbine and Francis turbine specific speed of 250, maximum efficiency of 77.8% in the state where there is no supply of air can probably be maintained up to the specific speed range of 250. The cross flow hydro turbine has been applied in the range of specific speed 90~110 until now. However, the highest efficiency was confirmed at specific speed of 90 and acceptable efficiency was confirmed at specific speed range 60~120 through various model experiment and CFD analysis. When the symmetrical runner was applied to maximum width, specific speed range was expanded according to increasing flow rate without increasing the losses. In case of cross flow hydro turbine model D, specific speed range was expanded more than two times from specific speed of 122 to 250. For estimating the performance curve of specific speed lower than 250, an economical examination of design specifications of new small hydro turbine development is suggested.
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