[논문]삼투압발전용 마이크로 펠턴터빈의 성능해석

오형우

doi:10.5293/kfma.2011.14.3.018

삼투압발전용 마이크로 펠턴터빈의 성능해석
Performance Analysis of a Micro-Hydro Pelton Turbine for the Osmotic Power Generation 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.3 = no.66, 2011년, pp.18 - 22

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This paper presents the transient performance analysis of a micro-hydro Pelton turbine for the osmotic power generation using the commercially available computational fluid dynamics (CFD) code, ANSYS CFX. The detailed flow field in the micro Pelton turbine with a single-jet is investigated by the CFD code adopted in the present study. Predicted characteristic curves agree fairly well with measured data for a prototype Pelton turbine over the normal operating conditions. The computational analysis method presented herein can be effectively applied to the hydraulic design optimization process of general purpose Pelton turbine runners.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제시하는 성능해석방법의 타당성을 검증하기 위해 모델터빈의 수력성능시험결과⁽⁶⁾와 예측성능을 비교하고자 한다. 이를 수행하기 위해 모델터빈에 대한 성능시험결과 중, 유량이 최대로 발생하는 노즐 위치에 대해서 러너회전수의 변화에 따른 펠턴터빈의 수력성능특성을 검토한다.
본 논문에서는 그동안 연구수행과정에서 도출된 마이크로급(100 kW급 미만의 터빈) 펠턴터빈(micro-hydro Pelton turbine)에 대한 비정상 CFD 해석방법을 제시하고 이에 대한 예측성능 신뢰도를 검증하고자 한다. 본 연구를 통해 신뢰성이 확보된 성능해석방법은 향후 펠턴터빈의 효율향상을 위한 상세설계과정에 활용될 예정이다.
본 논문에서는 삼투압발전용 마이크로급 펠턴터빈의 성능 특성을 분석하기 위해 노즐을 포함한 고정영역과 러너 전체를 포함한 회전영역을 고려한 비정상 전산해석방법을 제시하였다. 모델터빈의 수력성능시험결과와 2상 균질 유동모델에 근거한 예측성능결과를 비교함으로써 본 연구에서 제시한 성능해석방법의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 상용 CFD코드⁽⁸⁾를 도입하여 펠턴터빈 내부의 3차원 비정상 난류유동에 대한 수치해석을 수행하였다. 펠턴터빈 내의 유동은 2상유체(물ㆍ공기)가 동일한 속도장(velocity field)을 공유하고, 자유표면에 의해 서로 분리되어 있다(two-phase homogeneous model with freesurface)고 가정한다.
4에 나타낸 바와 같이 비 정렬 격자계⁽⁷⁾로 구성하였다. 본 논문에서는 터빈러너에 작용하는 토크(torque)에 대한 수치해를 비교함으로써, 격자 수에 따른 격자의존도검사(grid dependency test)를 수행하였다. 즉, 격자수 2,461,603; 3,459,322; 3,973,493; 4,112,166 노드(node)에 따른 러너토크를 비교한 결과, 3,973,493 노드 이상에서 일정수준의 토크를 예측하였다.
한편, 본 논문에서는 펠턴터빈의 성능특성곡선에 대한 분석과 더불어 러너버킷과 워터제트 사이의 유체역학적 상호작용에 대해서 고찰하고자 한다. Fig.
현재 기본설계를 통해 도출된 삼투압발전용 마이크로 펠턴터빈(러너평균지름 237 mm)에 대한 축소모델(러너평균지름 92 mm)을 선정⁽⁶⁾하고 이에 대한 CFD 성능해석을 수행하고자 한다. Fig.

가설 설정

를 도입하여 펠턴터빈 내부의 3차원 비정상 난류유동에 대한 수치해석을 수행하였다. 펠턴터빈 내의 유동은 2상유체(물ㆍ공기)가 동일한 속도장(velocity field)을 공유하고, 자유표면에 의해 서로 분리되어 있다(two-phase homogeneous model with freesurface)고 가정한다. 그리고 2상유체 사이의 밀도차이에 기인한 부력(buoyancy)을 고려하기 위해 중력을 포함시킨다.

제안 방법

한편, 펠턴터빈의 케이싱은 터빈의 수력성능에 영향을 주지 않기 때문에 해석영역에서 배제할 수 있다. 그리고 수치해석의 효율성을 고려하여 유동의 대칭면 조건(symmetry condition for simulating half of the runner)을 적용하기로 한다. Fig.
본 논문에서는 삼투압발전용 마이크로급 펠턴터빈의 성능 특성을 분석하기 위해 노즐을 포함한 고정영역과 러너 전체를 포함한 회전영역을 고려한 비정상 전산해석방법을 제시하였다. 모델터빈의 수력성능시험결과와 2상 균질 유동모델에 근거한 예측성능결과를 비교함으로써 본 연구에서 제시한 성능해석방법의 타당성을 검증하였다. 한편, 워터제트와 러너버킷 사이의 유체역학적 상호작용에 대한 검토와 러너의 토크특성에 대한 분석 등을 통해 펠턴터빈의 비정상 유동 특성을 도출할 수 있었고 그 결과, 최적설계단계에서 고려되어야 할 대표적인 설계변수들을 제안하였다.
한편, 비정상해석을 수행하는데 필요한 시간간격(time step size for transient analysis)은 각 계산단계별 펠턴러너의 주기적 토크특성과 Courant 수(2∼10 범위 내의 값을 권장⁽⁸⁾)를 검토하여 결정한다. 비정상해석의 특성상, 수치해의 수렴성 여부는 이산화방정식에 대한 상대잔차량(residual)만으로는 결정될 수 없고, 각 계산영역에서 수치해의 imbalance 검토, 질량유량의 보존성 그리고 펠턴러너의 토크에 대한 주기적 특성이 나타나는 시점 등을 확인하여 결정한다.
즉, 격자수 2,461,603; 3,459,322; 3,973,493; 4,112,166 노드(node)에 따른 러너토크를 비교한 결과, 3,973,493 노드 이상에서 일정수준의 토크를 예측하였다. 이것을 바탕으로 3,973,493 노드(사면체 4,580,924; 프리즘 5,868,620;피라미드 1,240 요소)로 구성된 격자계를 CFD 성능해석에 사용하기로 한다. 한편, 벽면 근처의 급격한 속도구배에 대한 수치해의 정확성을 높이기 위해 벽면에서 1번째 격자점까지의 무차원 거리(y⁺)가 1 이하가 되도록 벽면에 프리즘 격자를 삽입하였다.
와 예측성능을 비교하고자 한다. 이를 수행하기 위해 모델터빈에 대한 성능시험결과 중, 유량이 최대로 발생하는 노즐 위치에 대해서 러너회전수의 변화에 따른 펠턴터빈의 수력성능특성을 검토한다.
본 논문에서는 터빈러너에 작용하는 토크(torque)에 대한 수치해를 비교함으로써, 격자 수에 따른 격자의존도검사(grid dependency test)를 수행하였다. 즉, 격자수 2,461,603; 3,459,322; 3,973,493; 4,112,166 노드(node)에 따른 러너토크를 비교한 결과, 3,973,493 노드 이상에서 일정수준의 토크를 예측하였다. 이것을 바탕으로 3,973,493 노드(사면체 4,580,924; 프리즘 5,868,620;피라미드 1,240 요소)로 구성된 격자계를 CFD 성능해석에 사용하기로 한다.
아래첨자 max는 러너회전속도의 변화에 따라 러너토크가 선형적으로 분포한다는 이상적인 펠턴터빈의 성능특성으로부터 도출한 최대성능으로서, 최대러너토크는 러너가 회전하지 않는 경우에 발생하고 최대터빈출력은 U= V_j/2 인 조건에서 얻을 수 있다. 한편, V_j의 경우 워터제트가 국부적으로 가속되는 지점(vena contracta)에서 유동해석을 통해 도출하였다. Fig.
이것을 바탕으로 3,973,493 노드(사면체 4,580,924; 프리즘 5,868,620;피라미드 1,240 요소)로 구성된 격자계를 CFD 성능해석에 사용하기로 한다. 한편, 벽면 근처의 급격한 속도구배에 대한 수치해의 정확성을 높이기 위해 벽면에서 1번째 격자점까지의 무차원 거리(y⁺)가 1 이하가 되도록 벽면에 프리즘 격자를 삽입하였다.
모델터빈의 수력성능시험결과와 2상 균질 유동모델에 근거한 예측성능결과를 비교함으로써 본 연구에서 제시한 성능해석방법의 타당성을 검증하였다. 한편, 워터제트와 러너버킷 사이의 유체역학적 상호작용에 대한 검토와 러너의 토크특성에 대한 분석 등을 통해 펠턴터빈의 비정상 유동 특성을 도출할 수 있었고 그 결과, 최적설계단계에서 고려되어야 할 대표적인 설계변수들을 제안하였다.

이론/모형

그리고 2상유체 사이의 밀도차이에 기인한 부력(buoyancy)을 고려하기 위해 중력을 포함시킨다. 난류모델의 경우, 유동박리현상 해석에 적합한 전단응력이송(shear stress transport, SST)모델을 사용하였다.

성능/효과

Fig. 5의 성능특성곡선을 살펴보면, 본 논문에서 제시한 CFD 성능해석방법에 의해 예측된 성능곡선은 효율(η)이 급격히 감소하는 고(저)속의 러너회전 속도 영역을 제외한 대부분의 운전범위에서 모델터빈의 시험결과를 정성적ㆍ정량적으로 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서 도입한 모델터빈의 경우, Fig. 5의 결과를 살펴보면 ‘0.45’의 속도비를 기준으로 설계(즉, 최적의 속도비 0.45에서 최고효율 71.5% 발생)된 것임을 알 수 있다.

후속연구

본 연구를 통해 도출된 성능해석방법은 향후 삼투압발전용 마이크로 펠턴터빈의 효율향상을 위한 상세설계과정 뿐만 아니라, 고낙차의 전통적인 수력발전용 펠턴터빈의 최적 설계에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
본 논문에서는 그동안 연구수행과정에서 도출된 마이크로급(100 kW급 미만의 터빈) 펠턴터빈(micro-hydro Pelton turbine)에 대한 비정상 CFD 해석방법을 제시하고 이에 대한 예측성능 신뢰도를 검증하고자 한다. 본 연구를 통해 신뢰성이 확보된 성능해석방법은 향후 펠턴터빈의 효율향상을 위한 상세설계과정에 활용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펠턴터빈의 작동원리는?	4)을 고려할 때, 저유량ㆍ중낙차 조건에서 효율이 높은 ‘충동형 펠턴터빈(Pelton turbine)’으로 결정된다. 펠턴터빈은 노즐(nozzle)에서 분출되는 고속의 워터제트(water jet)를 러너버킷(runner bucket)에 충돌시켜 얻게 되는 기계적 에너지(터빈러너의 각운동량 변화에 기인)를 이용하는 비교적 간단한 작동원리를 가지고 있다. 그러나 케이싱 내부에 단상(single-phase)의 작동유체가 충만한 상태로 운전되는 대부분의 유체기계와는 달리 펠턴터빈의 경우, 노즐에서 분출된 워터제트(물)가 케이싱 내부에서 공기와 자유표면(free-surface)을 형성하고 러너 일부의 버킷에 충돌한다.
	워터제트와 러너버킷 사이에 발생하는 비대칭 유동구조를 파악하기 위해서 러너버킷 전체를 고려해야 하는 이유는?	삼투압발전용 마이크로 펠턴터빈의 경우, 작동유량범위를 고려할 때, 대부분 1개의 노즐(a single-jet Pelton turbine)이 장착된다. 이에 따라 워터제트와 러너버킷 사이에 발생하는 비대칭 유동구조를 파악하기 위해서는 러너버킷 전체(모델 터빈의 경우, 16개의 러너버킷)를 고려한 해석이 필요하다.
	삼투압발전은 어떻게 에너지를 만드는가?	최근 친환경 에너지원의 활용방안으로 수력발전에 대한 관심이 높아지면서 고낙차 혹은 고유량의 수자원을 이용하는 수력발전 시스템뿐만 아니라, 발전설비 구축비용이 비교적 저렴하고 지역단위 소규모 발전이 가능한 ‘소수력발전’과 ‘삼투압 발전(osmotic power generation)’에 대한 연구가 주목 받고 있다. 전통적인 수력발전방식과 달리 삼투압발전의 경우, 서로 다른 염도구배(salt gradient)를 갖는 담수(fresh water)와 염수(brine)가 분리막(membrane)을 사이에 두고 있을 때, 삼투현상(osmosis)으로 인해 염수측 압력양정(∼120 m 정도의 터빈유효양정에 해당하는 전압)이 상승하게 되고 이것을 터빈러너(turbine runner)의 기계적 에너지로 변환한다.

참고문헌 (8)

Perrig, A., Avellan, F., Kueny, J.-L., Farhat, M., and Parkinson, E., 2006, "Flow in a Pelton Turbine Bucket: Numerical and Experimental Investigations," Trans. ASME J. Fluids Engineering, Vol. 128, pp. 350-358.

상세보기
Zoppe, B., Pellone, C., Maitre, T., and Leroy, P., 2006, "Flow Analysis Inside a Pelton Turbine Bucket," Trans. ASME J. Turbomachinery, Vol. 128, pp. 500-511.

상세보기
Santolin, A., Cavazzini, G., Ardizzon, G., and Pavesi, G., 2009, "Numerical Investigation of the Interaction Between Jet and Bucket in a Pelton Turbine," IMechE J. Power and Energy, Vol. 223, pp. 721-728.

상세보기
오형우, 이상훈, 박노현, 유진승, 2010, "마이크로펠톤터빈의 버켓에 관한 설계," 제4회 유체기계 핵심기술강습회, pp. 45-54.
http://www.statkraft.com
TQ H19 Pelton Wheel, TecQuipment Ltd.
ANSYS ICEM CFD 12.1, 2009.
ANSYS CFX 12.1, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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