선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 러너와 가이드 베인의 위치제어(Position Control)에 따른 출력 특성과 각도의 변화에 따른 출력의 특성 값을 효율 값으로의 측정 확인 목적이 아니라 단독 개도에 비하여 연동 개도가 얼마나 출력을 개선하는지에 대한 분석으로 연동 운영에 대한 특성을 알아보고자 한다.
제안 방법
- Fig. 2처럼 설계된 기본 요소를 보면 460mm의 러너 지름을 계획하고 rpm은 560에 60Hz의 데이터를 기준으로 하여 설계하였으며 수차의 배치형태는 Fig. 3과 같이 소형 Pit에 의한 수평형으로 하여 배치하고 설계 기준에 따라 방출구와 입구도 동일한 조건을 기준으로 설계 하였다.
- 러너 블레이드의 개도에 따른 출력 특성을 결정짓는 요소는 비속도와 베인의 크기결정, 흡출높이와 캐비테이션 계수 등 다분히 많은 요소로 구성되어 지는데 여기서는 카프란 수차의 특성상 많은 상관관계를 조명 할 수 없음으로 인하여 단순히 시험된 결과를 기준으로 가이드 베인과 러너의 연동실험값으로 출력 상승 차이를 알아보는 것으로 하였다.
- 발전량과 개도에 따른 수차 효율을 기록하여 적은 것이 Fig. 7과 같이 가이드 베인을 고정 후 러너 개방에 의한 출력 상승 값을 수직축의 그래프 상에 발전량의 단위인 kW로, 가로축은 유량변동을 ㎥/sec 기준으로 표기하는 것으로 하였고, 그래프 눈금을 감안하여 가이드 베인과 런너 블레이드의 개폐율은 1/10로 축소하여 나타냈다.
- 본 논문 수차의 경우에서 Fig. 4의 c와 d는 러너 및 가이드 베인의 규모가 작으므로 CNC선반을 활용한 소재를 직접 연속으로 정삭하여 제작하는 형태의 기법으로 가공하는 것이 시간적으로 유리 하므로 상황별 적정한 방법을 사용하여 제작시간 및 비용의 절감으로 경제성을 확보 하였다.
- 본 논문에서 최적화를 위한 러너 블레이드와 가이드 베인의 연동 운영장치는 기존 러너의 작동 요소에서 하나의 요소를 부가한 제어 기능으로 가이드 베인과 러너의 상호 메커니즘에 의한 제어를 활용하는 방안으로 하였다.
- 수직축과 수평축의 기준이 동일한 기준에서 러너 블레이드의 각도와 Table 4의 가이드 베인의 조정 비율에 따른 가이드 베인과 러너 블레이드의 조정 각도인 4∼32 ̊의 범위 내에서 러너의 조정값 비율 연동에 따라 1∼5%씩 분할 기준으로 하여 동시 순차적으로 각 베인의 각도를 변경하도록 제어된 프로그램으로 미세하게 순차적 조절 하였다.
- 수차를 제어하는 유압 장치(single line diagram)의 제어 흐름과 관련하여 비례제어 및 미분, 적분 하에서의 수압 변동률, 속도 수하율 등과 서브 모터(servomotor)와 서브 모터 길이(servomotor stroke 변화율과 회전속도에 따른 신호량에 따라서 반응하는 응답속도의 차이를 비교하여야하나 미세한 차이므로 응답은 동일 시간차로 간주 하였다.
- 실험에 사용된 수차의 형태는 위에서 열거한 기준으로 설계되고 제작된 Fig. 5에서와 같은 관로 형태의 소형 수차를 사용하였으며 실제 현장시험을 위한 설치 및 철거의 어려움이 있어 고정된 형태에서 각 요소들만 조정하여 기재하는 방식으로 진행 하였다.
- 여기서는 요소 중 최고 효율점에서 환산이 아닌 효율점 전후로 한 넓은 의미의 상황에 적용 할 수 있도록 되어있어 카프란 모델에 권장되는 Hutton의 환산식에 의한 제어 요소를 활용하여 수차의 출력에 적용 하였다.
- 작동방식은 고정식 베인 또는 러너 블레이드 형식은 제외하고 출력 성능에 영향을 주는 수차 형식 중 고정 범위에서 러너 하나만 조절 할 수 있는 단동식 수차(single regulating)와 러너 블레이드와 가이드 베인을 동시에 조절하는 연동식 수차(double regulating) 방식의 두 가지로 구분하여 검토하였다.
- 합성효율을 구하기 위한 수차와 발전기의 효율은 일반적으로 원형수차에서 적용되는 가중평균 효율공식을 참고로 하였으나 효율을 측정하기에는 별도의 설비와 장치들이 요구되며 관로 조건상 설치가 불가하여 별도로 효율은 표현하지 않았으며 출력으로만 확인 하였다.
이론/모형
- 이 실험에서는 출력에 대한 정량적인 달성이 목적이 아니므로 출력 경향을 검토 할 수 있는 기본적인 전, 후단 차압 방법인 관로 유량 측정 인덱스(index)법으로 적용 하였다.
성능/효과
- 1) 가이드 베인과 러너 블레이드의 상호 연동 작용에 의한 이중 제어 기술은 러너 단일 조정 발전 방법보다 전체 적으로 2% 이상의 발전 출력 증가로 정격 조건 이상에서 지속적으로 출력이 높게 나타난다.
- 2) 저낙차 소형 관로 형태에 설치되는 카프란 수차의 경우에 있어서도 피치 각 제어에 따른 연동 방식을 적용 시단동식보다 출력 증가로 경제성이 높다.
- Fig. 11에서 출력 변화에 따른 곡선을 중복하여 나타 낸 것처럼 프로펠러와 카프란의 유량변동 특성 공통 영역인 90∼110% 사이에서 일정한 구간을 두고 비교한 것으로 점선으로 표현한 단일 제어의 출력량보다 중복하여 제어를 시행한 이중 점선으로 표현한 출력량의 차이처럼 특히 정격 이상의 지점에서 효율을 2% 이상 높게 나타난 것을 출력 증가 그래프를 통하여 확인 하였다.
- Fig. 6의 표시처럼 가이드 베인 앞부분의 일시 전단 속도를 분석한 결과 관 경계면을 주위로는 마찰응력이 크게 작용하여 파란색으로 보이는 것처럼 유속이 현저히 느려졌으며 반대로 관로 중앙으로 갈수록 층류 이동 현상이 있었고 최고 2.1m/s의 속도를 변화를 보였다.
- 마이크로 카프란 수차의 발전에 있어서도 비교된 이중 점선으로 나타나는 수차 출력 곡선에서 보이는 것처럼 가이드 베인과 러너 블레이드의 피치 각도가 제어인자의 조정 값에 따라 일정구간 수차의 운영 효율을 증가하고 발전량을 증가하는 것으로 나타난 것처럼 기존의 단일 가동식 보다는 연동에 의한 방식의 출력량이 전반적으로 보다 높게 나타났다.
- 본 논문은 시험을 통하여 결론적으로 동일한 카프란 형태의 수차 일지라도 단동식 보다는 연동식이 피치 각의 다변함수 관계에 의하여 결과적으로 발전량을 일정 부분 증대시킬 수 있다는 사실을 확인 할 수 있었다.
- 순차적 순간 실험방법과 유량 검증에 한계성으로 발전량에 비하여 효율을 직접 측정 환산 비교 할 수는 없었으나 전반적으로 연동 제어선의 영역에서 발전량으로 높게 나타남을 출력 측정 시험을 통하여 확인 하였다.
- 위 Table을 바탕으로 비교해 볼 때와 최근 설치된 국내의 소수력 설비 중 카프란 수차의 운영에서도 약 2∼3%정도의 발전 효율 지속성이 나타나는 사례와 출력 시험 결과에서 나타나는 것과 마찬가지로 이 실험에서도 마이크로 수차의 경우에 있어서도 출력의 크기가 전반적으로 높게 나타났다.
- 이 출력 현상으로 미루어 볼 때 수차 블레이드의 피치각 변화에 따른 효율 변동과 발전량 증가가 있음을 확인 할 수 있었다.
- 이에 기초하여 낙차와 유량의 변동성에 따른 수차의 출력을 측정한 결과 발전 값은 낙차의 영향으로 인하여 낮은 출력을 보였으나 Fig. 8의 전 운영시간대에 발전곡선에서 보이는 것처럼 등고선이 반원 형태에 걸쳐 전반적으로 고르게 분포하였으며, 발전 출력은 기동 초기부터 전형적인 경향으로 러너와 가이드 베인의 연동성에 의한 일반적인 발전 출력 증가의 운영 값을 나타내는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
- 대부분의 마이크로 수차에서 나타나는 두 가지 장애 요소인 경제성과 성능 향상 부분의 요소를 해결할 수 있는 방안으로 제작에 대한 비용적 요소의 개선과 더불어 저낙차 형의 수차를 적용함으로 효율을 높일 수 있다면 이는 많은 생산성을 가질 것으로 기대 된다.
- 수력을 포함한 소수력의 개발은 이미 답보 상태이므로 대안으로서 비교적 개발 비용이 적고 초소형 발전설비의 규모로 환경 저해요인이 작으며 시스템 구성적으로도 간편하고 유리한 200KW 이하의 틈새를 활용 할 수 있는 검토와 연구방안이 필요하다.
- 획득된 데이터를 기준으로 도출된 최적화 결정 방법은 향후 관로 형식의 마이크로 수차의 설계 및 제작, 개도에 따른 운영과정까지 영향을 줄 수 있을 것으로 예상 된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.