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문제 정의
- 선행 연구로 프로펠러 수차의 실증 및 개발에 앞서 상용 CFD 코드를 이용하여 다양한 변수에 대한 해석을 수행하였으며,(4),(5) 본 연구에서는 Tip clearance 유무, 러너 베인 깃수 및 유량 변화에 따른 10kW급 모델 실험용 프로펠러 수차의 성능해석 및 내부유동을 검토하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 36m이고, 가이드 베인 20매, 러너 베인 6매로 구성되어 있다. 초기의 기초성능해석을 통하여 상부 수조의 유무에 따라 계산 결과에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였으며, 본 논문에서는 상부수조를 제외한 가이드 베인 및 러너 베인, 그리고 흡출관만을 고려한 계산을 수행하였다.
- 2와 3은 본 연구에 적용한 프로펠러 수차의 러너부의 계산 격자 모습을 보이고 있다. 격자는 ICEM CFD Ver. 12를 사용하여 생성하였으며 tip clearance 유무 및 러너 베인 깃 수 변화에 따른 성능해석을 위하여 tetra-prism mesh를 사용하여 약 4,800,000 노드로 전체 도메인을 구성하였으며 이때의 tip clearance는 실제 수차와 동일하게 고려하여 격자를 생성하였다. 그리고 CFD 해석 결과에 대한 러너에서의 압력분포를 알아보기 위하여 Fig.
데이터처리
- 본 연구에서 프로펠러 수차의 성능과 내부유동을 상세히 검토하기 위하여 상용코드인 ANSYS-CFX Ver. 12를 사용하여 수치해석을 위한 계산을 수행하였다.
이론/모형
- Table 1에서 보이듯이 모든 계산은 정상상태 계산을 수행하였으며, 계산 수행에 사용된 난류모델로서는 k-ω SST 모델을 적용하였다.
- 계산경계조건으로서는 입구에는 질량유입 조건을 부여하였고 출구에는 대기압에 해당하는 압력조건을 부여하였다. 또한, 러너부 주위에서 포화증기압 이하의 압력 분포를 보이는 경우에는 보다 정확한 성능해석을 위하여 ANSYS-CFX에서 제공하는 Cavitation model인 Rayleigh Plesset model을 적용하여 계산을 수행하였다. 러너부의 회전수는 설계회전수인 750rev/min으로 모두 동일하게 설정하였으며, 회전부와 정지부 사이의 경계면 처리를 위하여 interface 조건으로 frozen rotor 모델을 적용하였다.
- 또한, 러너부 주위에서 포화증기압 이하의 압력 분포를 보이는 경우에는 보다 정확한 성능해석을 위하여 ANSYS-CFX에서 제공하는 Cavitation model인 Rayleigh Plesset model을 적용하여 계산을 수행하였다. 러너부의 회전수는 설계회전수인 750rev/min으로 모두 동일하게 설정하였으며, 회전부와 정지부 사이의 경계면 처리를 위하여 interface 조건으로 frozen rotor 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 고정 회전수 및 가이드 베인 각도를 유지하였기 때문에 유량이 증가함에 따라서 유효 낙차 및 출력이 증가함을 보인다. Tip clearance 유무에 따라서 tip clearance가 고려되지 않았을 때 성능치가 더 높았으며 평균적으로 효율 4%, 출력 7%, 낙차 2%의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 최고 효율점은 동일하게 90% 유량인 0.
- Tip clearance 유무에 따라서 tip clearance가 고려되지 않았을 때 성능치가 더 높았으며 평균적으로 효율 4%, 출력 7%, 낙차 2%의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 최고 효율점은 동일하게 90% 유량인 0.311m3/s에서 보이며, tip clearance를 고려하였을 때에는 88%의 효율을 고려하지 않았을 경우에는 91%의 효율을 보인다.
- 6에서는 tip clearance를 고려하였을 때 러너 베인 표면에서의 유량 변화에 따른 압력분포를 보인다. 왼쪽 그림인 러너 베인의 압력면에서는 유량이 증가할수록 고압부의 위치가 후연부 부근에서 전연부쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있으며, 90% 유량에서부터 전연부부터 후연부까지의 고른 압력분포를 보이며 유량이 증가할수록 압력면에 작용하는 압력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 오른쪽 그림인 부압면에서는 유량이 작은 경우에는 이상고압부가 러너 베인의 전연부에서 발생하였으나 유량이 증가함에 따라서 이상고압부가 사라지며, 설계 유량 이상의 고유량에서는 전연부에서 포화증기압 이하의 압력분포가 발생하였으며 유량이 증가할수록 그 영역이 점차 확대됨을 보인다.
- 7에서 보인다. 유량 변화가 증가함에 따라서 압력계수 분포는 음의 방향으로 향하며 압력면과 부압면의 압력계수 차가 점차 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig.
- 유량 변화가 증가함에 따라서 압력계수 분포는 음의 방향으로 향하며 압력면과 부압면의 압력계수 차가 점차 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 6에서 보았듯이 압력면과 부압면의 압력 차이가 크게 발생하는 러너 베인의 tip부근인 90% 단면에서 압력계수 차가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 8에서 보인다. 러너 베인 깃 수가 원래 형태인 6매보다 줄어들수록 유효 낙차 및 출력은 감소함을 보인다. 효율의 경우, 설계유량 이상의 유량에서는 차이를 보이지 않으나 이하의 유량에서는 러너 베인 깃수에 따라서 상당한 효율 차이를 보이며 특히 70% 유량에서 러너 베인 깃 수가 줄어들수록 약 15% 정도의 효율이 감소함을 보인다.
- 러너 베인 깃 수가 원래 형태인 6매보다 줄어들수록 유효 낙차 및 출력은 감소함을 보인다. 효율의 경우, 설계유량 이상의 유량에서는 차이를 보이지 않으나 이하의 유량에서는 러너 베인 깃수에 따라서 상당한 효율 차이를 보이며 특히 70% 유량에서 러너 베인 깃 수가 줄어들수록 약 15% 정도의 효율이 감소함을 보인다. 각 러너 베인 깃 수에서의 성능비교곡선에서 최고 효율이 발생하는 유량은 달랐으나 약 90% 정도로 비슷한 효율을 보였으며, 4매 및 5매에 비하여 6매일 때 전체 유량 구간에서 비교적 안정적인 효율을 보인다.
- 효율의 경우, 설계유량 이상의 유량에서는 차이를 보이지 않으나 이하의 유량에서는 러너 베인 깃수에 따라서 상당한 효율 차이를 보이며 특히 70% 유량에서 러너 베인 깃 수가 줄어들수록 약 15% 정도의 효율이 감소함을 보인다. 각 러너 베인 깃 수에서의 성능비교곡선에서 최고 효율이 발생하는 유량은 달랐으나 약 90% 정도로 비슷한 효율을 보였으며, 4매 및 5매에 비하여 6매일 때 전체 유량 구간에서 비교적 안정적인 효율을 보인다.
- 9, 10에서는 러너 베인 깃 수 변화에 따른 설계 유량인 100% 유량에서의 러너 표면 압력분포 및 압력계수 그래프를 보인다. 러너 베인 깃 수가 증가할수록 압력면에 작용하는 압력분포가 고압부와 저압부의 영역이 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있으며, 부압면의 압력분포 및 압력계수 그래프를 통하여 전연부에서 발생하는 저압부가 러너 베인 깃 수가 증가함에 따라서 영역이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 13, 14에서는 러너 베인 깃 수 변화에 따른 최고 유량에서의 러너 표면 압력분포 및 압력계수 그래프를 보인다. 러너 베인 압력면에 작용하는 고압 분포가 러너 베인 깃 수가 증가할수록 영역이 확대되는 것을 확인할 수 있으며, 설계 유량인 100% 유량일 때와 마찬가지로 부압면의 전연부에서 발생하는 저압부가 러너 베인 깃 수가 증가함에 따라서 영역이 축소되는 것을 확인할 수 있다. 압력계수 그래프에서 확인할 수 있듯이 깃 수가 많을수록 전연부에서의 압력 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 깃 수가 적을 때에는 전연부에서의 압력 차이는 줄어드나 저압부의 영역이 넓게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
- 러너 베인 압력면에 작용하는 고압 분포가 러너 베인 깃 수가 증가할수록 영역이 확대되는 것을 확인할 수 있으며, 설계 유량인 100% 유량일 때와 마찬가지로 부압면의 전연부에서 발생하는 저압부가 러너 베인 깃 수가 증가함에 따라서 영역이 축소되는 것을 확인할 수 있다. 압력계수 그래프에서 확인할 수 있듯이 깃 수가 많을수록 전연부에서의 압력 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 깃 수가 적을 때에는 전연부에서의 압력 차이는 줄어드나 저압부의 영역이 넓게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
- 1) Tip clearance 유무에 따라 효율 4%, 출력 7%, 유효낙차 2%의 성능 차이를 보였으며, 최고 효율점은 유량 0.311m3/s에서 보였다.
- 2) 고유량에서는 러너 베인 깃 수의 영향이 거의 없었으며, 저유량에서는 깃 수가 증가할수록 높은 효율을 보였다.
- 3) 러너 베인 표면에서의 압력 분포 및 성능비교곡선을 통하여 러너 베인 6깃일 때 전체 유량에서 비교적 안정적인 효율 및 내부유동을 보였다.
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