[논문]마이크로 관류수차의 최적형상 및 성능향상에 관한 연구

자오린후; 이영호; 최영도

마이크로 관류수차의 최적형상 및 성능향상에 관한 연구
A Study on the Optimal Configuration and Performance Improvement of a Micro Cross-Flow Hydraulic Turbine 원문보기

자오린후 (요코하마국립대학 대학원 공학연구원) , 이영호 (한국해양대학교 기계정보공학부) , 최영도 (요코하마국립대학 대학원 공학연구원)

Recently, micro hydropower attracts attention because of its clean. renewable and abundant energy resources to develop. However, suitable turbine type is not normalized yet in the range of micro hydropower and it is necessary to study for the effective turbine type. Moreover, relatively high manufacturing cost by the complex structure of the turbine is the highest barrier for developing the micro hydropower turbine. Therefore a cross-flow turbine is proposed for micro-hydropower in this study because of its simple structure and high possibility of applying to low head. The purpose of this study Is to further optimize the turbine structure and improve the performance. A guide vane is removed and the runner chamber is made compact using a new air supply method. The results show that the efficiency of the turbine is improved in a wide operating range and the size of the turbine is remarkably reduced.

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문제 정의

따라서, 본 연구는 관류수차를 저낙차의 마이크로 수력발전에 적용하여 그 실용화에 필요불가결한 무인 발전관리 시스템 하에서 도 운용이 가능하도록 노즐부의 가동 가이드베인을 제거하고, 런너 내부로의 공기공급법에 대한 상세한 검토를 통하여 런너실의 형상과 크기를 적극적으로 간소화시켜서 최대한 수차구조를 간소화하는 것과 동시에 수차의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. '
본 연구에서는 저낙차 관류수차를 마이크로 수력발전에 도입하여 실용화하기 위하여 수차구조를 최적화하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

3(b))를 이용한 Test B의 결과를 함께 보이고 있다. Test A는 런너실 내부 공기층의 압력을 최적회전수에서 최적수위 (h/d=0.9)가 될 수 있는 압력 (Pcu/"gH=-0.38)으로 유지하면서 행하였다.
고안하게 되었다. Fig. 3(c)에 보이는 바와 같이 런너실 케이싱의 측판상에 공기공급용 구멍을 1 개 설치하고, 런너 측판상에도 축 주위로 4개의 공기공급용 구멍을 설치하여 런너 중심의 저압을 이용하여 자연흡입이 가능한 구조로 하였다.
런너실 I과 II에는 런너실 상부에 정압 Pcu의 측정점을 설치하였고, 런너실 케이싱의 상부로부터 공기를 공급할 경우에는 Pcu가 일정하도록 공기밸브를 사용하여 조절한다. 관류수차의 흡출관내의 흐름은 기액혼상류이지만, 본 연구에서 사용한 흡출관의 형상과 설치 위치는 공기혼입량 등을 고려한 연구결과(6)에 의해 가장 효율이 좋은 것으로 알려진 것을 사용하여 각 런너실에 동일하게 적용하였다.
또한, 런너의 내부를 관찰할 수 있도록 런너의 측판과 런너실 측면의 측판을 투명한 아크릴수지로 제작하였다. 런너에 대한 노즐의 설치위치는 저낙차에 적당한 형식을 적용하여 작동수를 런너 케이싱의 상부로부터 유입시켰다.
또한, 이 방법과 종래의 공기공급법을 비교하기 위하여 종래형 런너실 I을 이용하여 런너실 케이싱 상부로부터 공기를 공급하는 Test A와 런너실 측 판을 통하여 공기를 공급하는 Test C를 행하였으며, 그 결과를 Fig. 7과 8에 보이고 있다. Test C 의 경우, 런너실내부의 수위가 런너의 높이를 넘어서더라도 런너 내부로 흡기가 가능하기 때문에 흡출효과를 보다 높일 수 있으며, 최적수위는 h/d=1.
런너 내부의 압력을 이 값으로 유지하여 Test E 를 행하였으며, 그 결과를 Fig. 9와 10에 보이고 있다. 효율은 전체적으로 Test D보다 더욱 향상하였고, 최고효율은 0.
작동 유체로서는 수도수를 사용하였다. 실험은 유효낙차와 런너실내 공기층의 압력을 일정하게 유지하고, 발전기의 부하를 변경시킴에 의해 수차의 회전속도를 변화시키고 토오크, 회전속도, 오리피스 전후와 노즐출구의 압력, 런너실내 및 런너실내 공기층의 압력을 측정하였다.

대상 데이터

관류수차는 성능저하를 회피하기 위하여런너의 중심부에 공기를 공급하는 것이 중요하지만, 공기는 런너실내와 외기의 압력차에 의해 자연 공급되고, 공기량은 공기밸브에 의해 조절한다. 작동 유체로서는 수도수를 사용하였다. 실험은 유효낙차와 런너실내 공기층의 압력을 일정하게 유지하고, 발전기의 부하를 변경시킴에 의해 수차의 회전속도를 변화시키고 토오크, 회전속도, 오리피스 전후와 노즐출구의 압력, 런너실내 및 런너실내 공기층의 압력을 측정하였다.

데이터처리

런너실 Ⅲ을 이용하여 런너 내부의 압력을 Test C 와 같은 값 (Pri/pgH=-0.45) 으로 유지하여 Test D를 행하였으며, 그 결과를 Fig. 9와 10에서 Test C와 비교하였다. 효율은 최적회전수보다 저회전수에서 약간 저하하지만, 고회전수에서는 전체적으로 높게 되어 (최대 9 %), 최고효율은 1.

이론/모형

3(c)의 런너실 케이싱의 상부벽면 하단점 a와 일치하도록 하였다. 또한, 런너의 하류유로는 간소화를 위하여 흡출관과 직선으로 연결하여 접속하였으며, 공기공급법은 Test C에서 양호한 성능을 보인 측판 공기공급법만을 사용하였다.

성능/효과

1. 마이크로 수력발전에 적합한 관류수차의 런너실형상을 최적화하였으며, 재유입손실의 저감과 흡출효과의 증가에 의해 넓은 회전수 범위에서 효율이 증가하였고, 최고효율도 종래형 런너실을 이용하는 경우보다 증가하였다.
2. 본 연구에서 제안한 런너실 케이싱 측면을 통한 공기공급법은 런너실을 간소화시킬 수 있고, 또한, 런너실의 형상에 상관없이 종래의 공기공급법보다 효과가 크다.
3. 수차구조를 간소화하기 위하여 노즐 내부의 가이 드베 인을 제거 하더 라도 유로형 상을 적 절 하게 설계하면 전체성능에 영향을 미치지 않는다.
Test B의 결과로부터 효율을 저하시키지 않고 런너실을 간소화시키기 위해서는 적절한 공기공급법의 검토가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
있다. 따라서, 최적회전수에서 흐름이 런너축에 부딪히지 않고 정확하게 런너축의 아래쪽을 통과하는 정도까지 공기량을 줄였다. 이때의 런너 -0.
45이다. 또한, 런너내부의 압력을 이 값으로 유지한 경우의 속도 특성을 살펴보면 효율은 전회전수영역에 걸쳐서 약간 상승하였다 (Fig. 8).
5 %로 되었다. 이러한 흡출효과에 의한 효율증가량 0.9 % (Test E와 Test D의 차)와 재유입손실의 감소에 의한 효율증가량 1.3 % (Test D와 Test C의 차) 를 합치면, 종래형 런너실 I에 비해서 최고효율이 2.2 % 증가하였다.
9와 10에 보이고 있다. 효율은 전체적으로 Test D보다 더욱 향상하였고, 최고효율은 0.9 % 향상해서 78.5 %로 되었다. 이러한 흡출효과에 의한 효율증가량 0.
9와 10에서 Test C와 비교하였다. 효율은 최적회전수보다 저회전수에서 약간 저하하지만, 고회전수에서는 전체적으로 높게 되어 (최대 9 %), 최고효율은 1.3 % 향상하였다. Test C와O에서는 런너 내부의 압력을 동일하게 유지하기 때문에 이러한 효율향상은 런너실 형상의 차이에 의한 재유입손실의 저감효과로 볼 수 있다.

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