[논문]소수력발전용 횡류수차의 러너 블레이드 깃수에 따른 성능해석

최영도; 김창복; 임재익; 김유택; 이영호

doi:10.5916/jkosme.2008.32.5.698

[국내논문] 소수력발전용 횡류수차의 러너 블레이드 깃수에 따른 성능해석
Performance Analysis of a Cross Flow Hydro Turbine by Runner Blade Number 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.32 no.5, 2008년, pp.698 - 706

최영도 (한국해양대학교 산학협력단) , 김창복 ((재)한국조선기자재연구원) , 임재익 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 김유택 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 이영호 (한국해양대학교 기계.정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Performance improvement of Small hydro turbine is a very important subject to solve in the stage of introduction and development of the turbine. Cross-flow hydro turbine should be also studied more in detail for the turbine performance in order to extend the sites of application. In order to improve the turbine performance, the effect of the turbine shape on the turbine performance should be examined. Therefore, the effect of runner blade number on the turbine performance is investigated by use of a commercial CFD code. The results show that runner blade number gives remarkable effect on the efficiency and output power of the turbine. Pressure on the surface of the runner blade changes considerably by the blade number at Stage 1, but relatively small change of velocity distribution occurs in the flow passage.

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문제 정의

본 연구에서는 횡류수차의 내부구조 형상이 성능에 미치는 영향. 특히 러너 블레이드의 깃수에 따른 수차의 성능 및 내부유동에 대해서 CFD해석을 통하여 자세하게 검토하였다.
본 연구에서는 러너 블레이드 깃수에 따른 수차의 성능과 내부유동을 해석하는 것이 목적이기 때문에 수차모델의 러너 이외의 부분에 대해서는 가능한 간소화시켰으며. 수차 노즐에 설치된 가이드 베인도 제거하였다.
최 등⑻의 실험에서는 횡류수차모델의 러너에 공기증을 형성시키기 위하여 공기유입관을 통하여 러너챔버 내부로 공기를 자연유입시켰지만. 본 연구의 목적은 러너 블레이드 깃수에 따른 횡류수차의 수력학적인 성능을 검토하기 위한 것이므로, 작 동유체로서 물을 단일유체로 적용하여 수차 내부유 동 및 성능을 검토하였다.

제안 방법

본 연구에서는 횡류수차의 내부구조 형상이 성능에 미치는 영향. 특히 러너 블레이드의 깃수에 따른 수차의 성능 및 내부유동에 대해서 CFD해석을 통하여 자세하게 검토하였다.
수차 노즐에 설치된 가이드 베인도 제거하였다. 수차의 내부유로는 Fig. 2와 같이 러너를 통과하는 흐름의 유로를 기준으로 하여 노즐출구 및 러너 입구부에서 Stage 1의 유로 영역과 러너 출구부에서 Stage 2의 유로영역으로 구분하였다.
횡류수차의 러너 블레이드 깃수의 영향에 따른 성능 및 내부유동 해석을 위해서 Fig. 1의 수차형 상에 대해서 Table 1에서와 같은 3종류의 블레이드 깃수를 적용하여 수치해석을 수행하였으며, 러 너블레이드 깃수 이외의 수차 형상은 고정하였다.
러너내부와 그 주위의 해석결과가 전체 유동장 에 대한 해석결과에 큰 영향을 미치기 때문에 러너 와 러너챔버 영역의 격자를 나누어서 작성하였으며. 러너 영역의 격자는 계산결과의 신뢰성을 향상 시키기 위하여 격자의 종횡비와 밀도를 적절하게 적용하여 벽면으로부터의 무차원 거리인 러너내부와 그 주위의 해석결과가 전체 유동장 에 대한 해석결과에 큰 영향을 미치기 때문에 러너 와 러너챔버 영역의 격자를 나누어서 작성하였으며. 러너 영역의 격자는 계산결과의 신뢰성을 향상 시키기 위하여 격자의 종횡비와 밀도를 적절하게 적용하여 벽면으로부터의 무차원 거리인 y
⁺의 최 고값을 y* <10로 설정하여 Hexahedral-grid로 구성하였고, 러너챔버 영역은 Tetrahedral- prism grid로 구성하였다.
계산영역의 유입 및 유출 경계조건으로서는 수차 유입구에 압력일정. 흡출관 출구에 유량평균의 조건을 설정하여, 정상계산을 통하여 해석결과를 얻었다.
5은 단위회전수에 따른 횡류수차모델의 성능 곡선을 보이고 있다. 참고를 위하여 최 등⑻의 실험결과도 함께 포함시켰으며, 실험에서는 작동유 체로서 물과 공기를 함께 유입시킨 이상류의 조건에서 실험을 수행하였다.
한편. 러너 블레이드 깃수에 따라서 수차의 효율과 출력에서 차이를 보이는 원인을 검토하기 위해서 러너 블레이드의 유로를 Fig. 2에서와 같이 국소 구간으로 구분을 하고. 각 영역의 블레이드에서 발생하는 출력을 영역별로 평균하여 Fig.
2에서와 같이 국소 구간으로 구분을 하고. 각 영역의 블레이드에서 발생하는 출력을 영역별로 평균하여 Fig. 11과 12 와같이 각 영역에서의 평균출력을 러너 블레이드 깃수에 따라서 비교하였다.
횡류수차의 러너 블레이드 깃수 변화에 따른 성능과 내부유동을 수치해석을 통해서 검토하였으며. 다음과 같은 결론을 얻었다.
러너 블레이드 깃수가 수차 내부유동에 미치는 영향을 상세하게 확인하기 위하여 내부유동장의 속 도벡터와 러너 블레이드 유로에서의 유속분포를 검 토하였다.

데이터처리

본 연구에서 횡류수차의 성능과 내부유동을 상세히 검토하기 위하여 상용코드인 ANSYS-CFX Ver.11⑼을 사용하여 계산을 수행하였다.

이론/모형

난류모델로서는 비교적 넓은 범위의 무차원 벽 면거리에 대하여 양호한 해석결과를 나타내는 것으로 알려진 I SST 모델을 적용하였으며. 벽면 경계 조건으로서는 No Slip 경계조건을 적용하였다.
난류모델로서는 비교적 넓은 범위의 무차원 벽 면거리에 대하여 양호한 해석결과를 나타내는 것으로 알려진 I SST 모델을 적용하였으며. 벽면 경계 조건으로서는 No Slip 경계조건을 적용하였다. 계산영역의 유입 및 유출 경계조건으로서는 수차 유입구에 압력일정.

성능/효과

러너 블레이드 유로의 각 영역별 유속분포 및 압 력분포를 살펴본 결과 Stage 1과 2에서의 속도변화 및 압력변화가 각 영역별로 크게 차이가 발생함을 알 수 있었다. 이러한 차이에 대해서 러너 블레이드 깃수 변화에 따른 각 영역별 출력변화를 정량적으로 검토하기 위하여 Fig.
(1) 러너 블레이드 깃수에 의해 횡류수차의 효율과 출력은 회전수 변화에 대하여 일정하게 변화하며, 러너 블레이드의 깃수가 26매인 Case Ⅱ에 서는 최고효율점에서 물만을 작동유체로 적용할 경우 러너내부의 재순환흐름에 의한 출력손실이 전체 출력의 약 14%를 차지하였다. 출력을 향상시키기 위해서는 러너 내부로 적당한 공기량을 주입하여 공기층 형성에 의한 재순환흐름의 억제가 필요하다.
(2) 러너 블레이드의 깃수가 증가하면 Stage 1과 2에서의 출력의 합도 증가하지만. 일정한 깃수 이상이 되면 러너 내부에서 형성되는 재순환흐름에 의한 손실이 증가하여 전체 출력이 오히려 감소하 게 된다.
(3) 러너 블레이드 유로의 각 영역에서 러너 블레이드 깃수에 상관없이 유로 중앙에서의 유속은 거의 일정한 분포를 나타내며. 각운동량과 밀접한 관계를 가진 원주방향속도는 Stage 1에서 약 2/3 정도 저하한 후 러너 중앙의 유로에서 1/3 정도 유속을 회복하여 Stage 2를 통과하면서 거의 0에 가깝게 감소한다.
(4) 러너 블레이드 깃수가 감소하면 동일한 유입 유량 및 유입압력에 대하여 단위 블레이드 깃수 당 흡수하는 토크가 증가하지만, 블레이드 유로에서 박리 또는 2차흐름의 증가로 인하여 전체 출력 이 감소할 수 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Fukutomi, J., Nakase, Y., Ichimiya, M. and Ebisu, H., 'Unsteady Fluid Forces on a Blade in a Cross-Flow Turbine,' JSME International Journal, Series B, Vol. 38, No. 3, pp. 404-410, 1995

상세보기
최영도, 자오린후, 이영호, '마이크로 관류수차의 최적형상 및 성능향상에 관한 연구,' 한국마린엔지니어링학회지, 제30권, 제2호, pp. 296-303, 2006
ANSYS Inc., 'ANSYS CFX Documenta- tion,' Ver. 11, http://www.ansys.com, 2007

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