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문제 정의
- Xiao 등(10)은 최고 효율점을 벗어난 운전지점에서의 수력에 의한 동적 응력이 피로현상의 주요한 원인임을 CFD를 이용하여 입증하였다. 본 연구에서는 국내에서는 최초로 비 속도 115m-kW의 노후 중수력 프란시스 수차를 현대화하기 위하여 모델수차를 설계, 제작한 후 모델수차 시험과정에서 낙차와 유량을 변경시켜 가면서 수압과 축동력의 맥동 측정하였다. 아울러 최대 수압맥동 발생 운전 지점에서 급기 실험을 시행하여 그 효과를 분석하고 최적의 급기량을 결정하였다.
제안 방법
- N11과 Q11을 변경해가면서 모델수차 드래프트 튜브에서의 유동을 해석하였다. 모델수차는 실물수차에 대해 3.
- 수압맥동이 최대로 나타나는 낙차와 유량 지점에서 급기 실험을 시행하였으며, 그림 3과 같이 드래프트 튜브 콘으로 두 개의 밸브를 통하여 공기량을 조절해가면서 공급하였다. 급기량은 정격유량에 대하여 7개의 비율(0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)로 공급하였다. 그림 4는 볼텍스 로우프가 발생한 상태에서의 급기 실험을 보여주고 있다.
- 노후화된 15MW 프란시스 수차를 대상으로 새롭게 설계한 후 수치해석을 통하여 낙차와 유량을 변경해 가면서 유동특성을 분석하고 모델수차를 제작, 시험을 통하여 수압과 축동력의 맥동을 측정하고 추가의 급기실험을 통하여 급기가 수압맥동에 미치는 영향을 분석하였다.
- 모델수차 시험은 로잔공대 수력기계실험실(EPFL LMH)에서 수행하였으며, 수압맥동을 측정을 위해 총 5개의 PCB 압전 센서를 사용하였다. 한 개는 스파이럴 캐이싱 입구에, 나머지 4개는 그림 1과 같이 러너 출구 디푸져 콘에 설치하였다.
- 증폭기(B)는 정전용량을 전압신호로 변환하고, FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘을 갖춘 신호취득시스템(C)는 시간 및 타임 도메인으로 데이터를 제공한다. 수압 및 축동력 맥동 측정은 정격 최고, 기준, 최소 낙차(Hmax, Hnor, Hmin)에서 각각의 플랜트 시그마 조건에서 11개의 유량 지점에서 측정하였다.
- 한 개는 스파이럴 캐이싱 입구에, 나머지 4개는 그림 1과 같이 러너 출구 디푸져 콘에 설치하였다. 수압맥동 측정 센서는 1 bar/V 게인으로 0.2에서 500Hz 밴드에서 측정하며, 축동력 맥동은 발전기 축에 HBM T10 토오크 미터를 설치, 분석하였다. 데이터 취득 페라미터는 표 1에 나타나 있고 데이터 취득 장치의 연결은 그림 2와 같다.
- 190%이다. 수압맥동이 최대로 나타나는 낙차와 유량 지점에서 급기 실험을 시행하였으며, 그림 3과 같이 드래프트 튜브 콘으로 두 개의 밸브를 통하여 공기량을 조절해가면서 공급하였다. 급기량은 정격유량에 대하여 7개의 비율(0, 0.
- 난류모델은 역압력 구배에서 박리의 시작과 크기를 정확히 예측하는 sst k-ω모델을 사용하였다. 스파이럴 캐이싱, 스테이베인, 가이드베인, 런너 및 드래프트 튜브의 수차 전체 형상에 대하여 메시작업을 하였고, 유체-유체 간, 즉 스파이럴 캐이싱과 스테이베인, 스테인 베인괴 가이드 베인, 가이드 베인과 런너, 런너와 드패프트 튜브 간에는 In-place 옵션을 적용하였다. 런너 해석에 적용된 격자는 표 2와 같으며, 경계조건은 표 3에 나타나 있고 그림 5는 수치해석을 위하여 수차를 모델링한 형상을 보여준다.
- 아울러 최대 수압맥동 발생 운전 지점에서 급기 실험을 시행하여 그 효과를 분석하고 최적의 급기량을 결정하였다. 아울러 상용 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 수차 런너 출구에서의 유동 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 국내에서는 최초로 비 속도 115m-kW의 노후 중수력 프란시스 수차를 현대화하기 위하여 모델수차를 설계, 제작한 후 모델수차 시험과정에서 낙차와 유량을 변경시켜 가면서 수압과 축동력의 맥동 측정하였다. 아울러 최대 수압맥동 발생 운전 지점에서 급기 실험을 시행하여 그 효과를 분석하고 최적의 급기량을 결정하였다. 아울러 상용 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 수차 런너 출구에서의 유동 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 을 변경해가면서 모델수차 드래프트 튜브에서의 유동을 해석하였다. 모델수차는 실물수차에 대해 3.43배 축소하였으며, 스테인 베인, 가이드 베인, 런 블래이드 매수는 각각 10, 20, 17매이고, 정격낙차와 유량은 각각 30m, 0.405m3/s이다.
데이터처리
- 모델수차 런너 출구에서의 유동해석을 위하여 STAR-CCM+ Version 8 CFD 소프트웨어를 사용하여 격자생성, 해석 및 후처리를 수행하였다. 난류모델은 역압력 구배에서 박리의 시작과 크기를 정확히 예측하는 sst k-ω모델을 사용하였다.
이론/모형
- 난류모델은 역압력 구배에서 박리의 시작과 크기를 정확히 예측하는 sst k-ω모델을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 프란시스 수차 드래프트 튜브에서의 손실은 낙차 및 유량의 변화 따른 런너 출구에서의 볼텍스 로우프 발생에 기인하는 것으로 나타났고, 저유량, 저낙차에서는 볼텍스 로우프가 런너 회전방향과 반대로, 고유량, 고낙차에서는 같은 방향으로 발생한다.
- 2) 낙차별로 유량을 변경해 가면서 런너 출구 4개소에서 측정한 수압맥동 값들이 비슷한 경향을 보이고 있으며 Q11이 약 0.32정도(정격유량의 약 55%)에서 정격회전수의 약 1/4 주파수로 최대값을 보이고 낙차가 커질수록 그 값이 커진다.
- 4) 최초 급기유량, 5%에서 수압맥동 진폭이 급격히 감소하였으며, 이후 급기량을 증가시켜도 거의 일정하게 유지되어, 수차 효율 감소를 고려 최적 급기량을 정격유량의 5%로 결정할 수 있었다.
- 낙차별로 비슷한 경향을 보이고 있으며 유량이 감소할수록 축동력 맥동은 증가한다. 실물수차에서 축동력 맥동의 원인은 런너 블래이드에 작용하는 수압의 변동이나 발전기에 작용하는 전자기력의 변동이 원인으로 알려져 있으며, 유량이 감소할수록 그 영향이 크게 작용한 것으로 판단되나 본 실험에서는 축동력 맥동의 최대값이 정격운전지점에서 축동력의 약 0.01% 정도로서 매우 작은 값을 보이므로 수차의 설계가 잘 진행된 것으로 판단된다.
- 25(f/n)로 나타났다. 정격기준낙차보다 수압맥동이 증가하였으며, 낙차 증가에 의한 수력에너지의 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
- 32)에서 급기유량을 변경해 가면서 시행한 급기실험 결과를 보여주고 있으며, 최초 급기유량 5%에서 수압맥동 진폭이 급격히 감소하였으며, 이후 급기량을 증가시켜도 거의 일정하게 유지되는 것으로 나타났으며, 수압맥동의 감소는 급기에 의한 볼텍스 로우프의 선회속도 감소에 기인한 것으로 판단된다. 최대 수압백동이 나타났던 Cone Left 지점에서는 수압맥동 값이 급기량 5%에서 1.55%에서 0.21% 정도까지 약 86%가 감소되었다. 그림 13은 급기에 따른 수차 효율의 변화를 보여주고 있으며, 수차 효율은 급기량의 증가에 따라 감소하는 나타났다.
후속연구
- 3) 수압맥동의 최대값 발생은 드래프트 튜브에서 손실 발생과는 달리 저유량 영역에서 볼텍스 로우프의 코어부가 드래프트 튜브 하부로 진행하는 과정에서의 압력 회복이 수압맥동에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
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