[논문]실험 및 CFD에 의한 가이드베인 개도에 따른 소형 튜블러 수차의 성능특성

남상현; 김유택; 최영도; 이영호

doi:10.5293/kfma.2008.11.5.044

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As the alternative energy, renewable energy should have been developing by many techniques, in order to substitute the fossil fuel which will be disappeared in the near future. One of the small hydropower generator, main concept of tubular turbine is based on using the different water pressure level...

As the alternative energy, renewable energy should have been developing by many techniques, in order to substitute the fossil fuel which will be disappeared in the near future. One of the small hydropower generator, main concept of tubular turbine is based on using the different water pressure levels in pipe lines, energy which was initially wasted by using a reducing valve at the end of the pipeline, is collected by turbine in the hydro power generator. A propeller shaped hydro turbine has been used in order to use this renewable pressure energy in order to acquire basic design data of tubular type hydraulic turbine, output power, head, efficiency characteristics due to the guide vane opening angle are examined in detail. First, it ensures the reliance of CFD by that of compared with experiment data. After all, the results of performance characteristics of the CFD and experiment show to confirm the data that power, head and efficiency of less than 4%, 2% and 5% respectively. Moreover influences of pressure, tangential and axial velocity distributions on turbine performance are investigated.

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문제 정의

저자들은 수도관 차압을 이용한 튜블러 수차를 대상으로 러너베인의 개도 및 러너베인 깃 수에 따른 수차성능해석을 연구(2)也하였다. 본 논문에서는 가이드베인의 개도를 변수로 하여 유량 및 낙차의 변화에 따른 수차의 수력학적 성능특성을 분석하였다. 그리고 그 결과를 CFD를 통한 유동해석과 비교 분석하여 수차의 설계를 위한 최적 파라미터를 도출하고 효율향상을 도모하는데 그 목적이 있다.
본 논문에서는 가이드베인의 개도를 변수로 하여 유량 및 낙차의 변화에 따른 수차의 수력학적 성능특성을 분석하였다. 그리고 그 결과를 CFD를 통한 유동해석과 비교 분석하여 수차의 설계를 위한 최적 파라미터를 도출하고 효율향상을 도모하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

유량은 유량제어밸브를 통해 조절가능하다. 정류장치는 50A 6개를 설치하여 곡관의 영향을 완화하였으며, 전자유량계의 오차범위를 줄이도록 하였다. 전자유량계를 통과한 후의 匸자형 곡관 다음에도 정류장치 100A 5개를 설치하였다.
모델을 이용하였다. 또한 회전체인 러너베인에 대한 interface조건으로 frozen rotor를 적용하였으며 경계조건으로 입구는 낙차, 출구는 유량으로 설정하였다. Fig.

대상 데이터

정류장치는 50A 6개를 설치하여 곡관의 영향을 완화하였으며, 전자유량계의 오차범위를 줄이도록 하였다. 전자유량계를 통과한 후의 匸자형 곡관 다음에도 정류장치 100A 5개를 설치하였다. 배관을 따라 흐르는 물은 튜블러 수차내부를 통과하여 펌프의 압송에 의한 힘으로 러너를 회전시키게 된다.
Fig. 2에 보이는 바와 같이 CFD을 위한 튜블러 수차의 계산 도메인은 길이가 1.5m이며, 러너베인의 블레이드 직경은 0.197m이다. 또한, 수차 내부에 러너와 연결 되는 구동축 또는 그 외 부품들이 설치되어 있는 케이스가 장착되어있다.
또한 회전체인 러너베인에 대한 interface조건으로 frozen rotor를 적용하였으며 경계조건으로 입구는 낙차, 출구는 유량으로 설정하였다. Fig. 4에 계산에 사용한 튜블러 수차 형상의 격자를 보이고 있으며, 본 격자는 ICEM-CFD를 이용하였다.

이론/모형

본 수차의 CFD 성능해석을 위해 core2쿼드 q6600 4GB사양의 병렬 컴퓨터2대를 이용하였으며, 상용코드로는 유체기계의 해석에 우수한 성능을 보이는 CFX-lOi- 사용하였으며, 난류모델은 수렴성이 강한, k-e 모델을 이용하였다. 또한 회전체인 러너베인에 대한 interface조건으로 frozen rotor를 적용하였으며 경계조건으로 입구는 낙차, 출구는 유량으로 설정하였다.

성능/효과

5에 보인다. CFD해석은 실험수행을 통하여 가이드베인개도에 따른 경계조건을 토대로 계산하였다’ 爲广40°를 전후로 출력 및 유효낙차는 각각 4%, 2%이내, 효율은 5%이내로 거의 일치하였으며 이 결과를 CFD의 성능해석 신뢰성을 확보할 수 있었다.
9에 보인다. 組가 증가할수록 가이드베인 줄구로부터 속도벡터가 증가하는 경향을 볼 수 있으며, 압력차가 증가하는 것을 알 수 있다.
10의 (a)와 (b)에 보인다. 원주방향 속도분포 모두 12매 깃의 영향이 뚜렷하게 나타나고 있으며, 가이드베인 입구부에서는 月 에 관계없이 일정한 반면 가이드베인 출구에서는 /九, 가 증가할수록 접선 방향의 속도성분이 증가함을 알 수 있다. 또한 Fig.
있었다. (1) CFD 및 실험결과는 출력 및 낙차는 각각 약 4%, 2%이내, 효율은 5%이내로 잘 일치하여 CFD 신뢰성검증을 확인하였다.
(2) 주어진 조건에서 최고효율점은 0, 户35°으로 약 77%이며 출력은 9&W이다.
(4) 내부유동에 미치는 passageway의 영향은 guide vane 출납부에서는 거의 나타나지 않는다.
(3) Cp는: 러너베인 부압면에서 目俨에 관계없이 거의 일정한 압력계수를 보이는 반면, 압력면에서는 爲*가 증가할수록 증가한다.

참고문헌 (4)

윤석윤, 2006, "신재생에너지 정책과 동향", 2006년도 하계학술발표대회 대한설비공학회 논문집 pp.36-45
You-Taek Kim, Sang-Hyun Nam, Young-Do Choi, Young-Cheol Hwang, Chung-Do Nam, Young-Ho Lee, "Tubular-type Hydroturbine Performance for Variable Guide Vane Openingby CFD", the Fifth International Conference on Fluid Mechanics, Aug.15-19, 2007, Shanghai, China pp. 424-427
남상현, 김유택, 최영도, 남청도, 이영호, 2007, "소형 하이드로터빈의 깃 수의 영향", 2007년도 전기학술대회 한국마린엔지니어링학회 논문집, pp. 211-212
You-Taek Kim, Sang-Hyun Nam, Young-Jin Cho, Young-Do Choi, Chung-Do Nam, Young-Ho Lee, "Internal Flow Characteristics of Tubular-type Hydroturbine for variable Runner Vane Opening", The 9th Asian International Conference on Fluid Machinery, October 16-19, 2007, Jeju, Korea pp. 198

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