[논문]마이크로 프로펠러 수차의 성능 특성

김병곤

doi:10.5293/kfma.2014.17.3.025

[국내논문] 마이크로 프로펠러 수차의 성능 특성
Performance Characteristics of Micro Propeller Turbine 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.3, 2014년, pp.25 - 32

김병곤 (DSK 엔지니어링)

Abstract ▼ AI-Helper

The main objective of this study is to validate the performance characteristics of newly developed micro propeller turbine based on experimental model test. For this purpose, Measurements of efficiency and cavitation tests with variations on the guide vane opening, blade rotational speed, head and load are carried out according to the IEC standard for model testing. From the tests and scale up calculation, the maximum prototype and model efficiency of the runner blade reaches as high as 90.87 % and 90.27 % respectively. Test results show that good cavitation behavior is covered in the range of output 50kW and 100 kW.

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문제 정의

본 연구에서는 국내 최초로 마이크로급 가변속 수차 시스템의 특징인 수차의 회전수변화 및 가이드 베인 개도에 따른 최고 효율 및 출력 특성, 최적 제어용 알고리즘 코딩을 위한 기초 자료 확보, 수차의 안전운영 범위 등 기 개발된 가변속 프로펠러 수차의 성능 특성을 규명하기 위하여 수차의 원형(prototype)과 기하학적, 운동학적 그리고 역학적 상사성(레이놀즈 수)을 만족하는 모델 수차 시스템을 제작하여 국제 모델수차 성능시험 규범인 IEC60193을 준수하는 모델 시험을 수행하였다.
상기의 수차발전 시스템 중에서 가장 핵심은 최적의 수차 시스템의 개발이다. 우선적으로 고 효율의 수차 러너 블레이드를 개발하는 것이다. 최근 컴퓨터의 급속한 발달과 비지배 분류 유전자 알고리즘 등 최적화 알고리즘의 발달로 수차 블레이드 및 가이드 베인의 최적화도 슈퍼 컴퓨터가 아닌 개인 컴퓨터에서 가능하게 되었다.

제안 방법

최근 컴퓨터의 급속한 발달과 비지배 분류 유전자 알고리즘 등 최적화 알고리즘의 발달로 수차 블레이드 및 가이드 베인의 최적화도 슈퍼 컴퓨터가 아닌 개인 컴퓨터에서 가능하게 되었다. 본 연구팀은 기존의 프로펠러 러너 블레이드를 참고로 하여 개량된 비지배 분류 유전 알고리즘(NSGA-II)을 이용한 고 효율 러너 블레이드 개발을 달성하였다.⁽²⁾
사이를 2도씩 증가시켜 가면서 진행하였고, 단위 회전 속도(unit speed)는 100∼320 rpm을 약 4∼7 rpm 씩 증가시켜 가면서 실험을 진행하였다.
물이 과다일 경우 교정지나 저수지로 흘러가도록 설계되어 있다. 흡출관의 원추형(cone)부는 캐비테이션 발생을 육안 혹은 카메라로 가시적 효과를 확인할 수 있도록 아크릴로 제작하였다. 펌프는 900 kW 용량의 원심펌프로 인버터로 조절할 수 있게 되어 있다.
새롭게 개발한 마이크로 프로펠러 수차의 성능 및 캐비테이션 특성을 규명하기 위해 가이드 베인 개도 및 수차 회전수를 변화에 따른 모델 실험을 통하여 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.

이론/모형

6과 같다. 모든 모델 터빈의 수차는 IEC 60193 standard에 따라 기하학적, 운동학적, 그리고 역학적 상사법칙을 수차원형과 만족하도록 IEC코드에서 규정한 허용공차 한계범위 내에서 제작하였다.

성능/효과

이런 구조에서는 복잡한 스파이럴 케이싱이 없어 구조적으로 간단하고 수차 발전기는 물속에 항상 잠기어 있어 발전기 및 각종 베어링의 열 문제가 해소 된다. 둘째, 구동 수차 러너 블레이드와 발전기 사이에 증속 기어 박스 장치가 없이 수차의 회전력을 영구 자석 동기 발전기에 직접 구동한다. 이렇게 함으로써 기어장치의 소음, 진동뿐만 아니라 마모로 인한 교체가 필요 없어 유지보수비를 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대되며 기어간 파워 전달로 인한 효율 감소 문제도 해결할 수 있다.
본 수차의 정격 출력인 100 kW 출력선에서 고 효율을 보이고 최적 효율점은 n1’opt=119.96 r/min, Q1’opt=1113 l/s, ηopt=90.27 % 이다.
모델 수차에서 보인 결과처럼 수두가 10∼14 m정도에서 가이드 베인 개도에 따라 고 효율, 고 출력 운전을 나타내는 것을 알 수 있다.
1) 모델수차의 최고 효율점은 가이드 베인 개도 α = 30∘ 로 90.27 %(원형수차로 환산하면 최대 효율은 90.87 %), 출력은 124kW이다.
3) 원형수차 성능 등고선도로부터 가이드 베인 개도가 α = 22∘ ∼ 34∘ 범위에서 출력 150 kW까지 고 효율을 유지할 수 있다.
2) 성능 등고선도를 통해 출력 50∼100 kW(수두 6∼18 m 에 해당)로 운영하면 고 효율 유지, 안전한 캐비테이션 거동, 낮은 압력 맥동으로 장기간 안정된 운전을 할 수 있다.
모델 수차에서 보인 결과처럼 수두가 10∼14 m정도에서 가이드 베인 개도에 따라 고 효율, 고 출력 운전을 나타내는 것을 알 수 있다. 정격 출력 100 kW에서 효율은 87.9 % 이지만 본 수차의 최고 효율은 90.87 % 까지 상승 하는 것으로 기존 마이크로급 프로펠러 수차에서 보여주었던 80%초반 효율보다 월등히 성능이 개선된 점 등을 고려할 때, 본 수차 러너 블레이드에 사용된 개량된 비지배 분류 유전 알고리즘(NSGA-II)에 의한 다중 최적화가 수차 러너 블레이드 설계에 아주 유용한 수단이라는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

정부의 지원으로 마이크로급 가변속 프로펠러 수차 시스템 국산화 개발을 진행 중에 있다. 마이크로 수차 발전 시스템 국산화 개발은 수차 시스템의 핵심 기술인 터빈 블레이드뿐만 아니라 가변속 발전기, 인버터 등 전체 수차 발전 시스템을 국산화하는 것으로 마이크로급뿐만 아니라 소수력 발전 전반에 경제성을 향상시켜 풍부한 국내 소수력 자원을 최대한 활용할 뿐만 아니라 향후 해외시장에서도 경쟁력을 제고하여 산업육성에 기여할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고전적인 고정식 프로펠러 수차의 단점은 무엇인가?	고전적인 고정식 프로펠러 수차는 저낙차 저유량의 마이크로급 환경에 대표적인 수차로서 설치, 운영 면에서 마이크로급 수차 발전에 많이 사용되어 왔지만 낙차와 유량변화에 따라 효율 변화가 급격히 저하되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로서 카플란 방식이 많이 사용되어 왔지만 러너 블레이드를 피치방향으로 조정하는 서버모터 및 가이드 베인과 러너 블레이드의 최적 각도를 생성하는 장치 등이 필요하여 경제성과 유지보수에 문제점들이 노정 되어 왔다.
	고정식 프로펠러 수차의 단점을 극복하기 위해 사용되는 카플란 방식이 가지는 한계는 무엇인가?	고전적인 고정식 프로펠러 수차는 저낙차 저유량의 마이크로급 환경에 대표적인 수차로서 설치, 운영 면에서 마이크로급 수차 발전에 많이 사용되어 왔지만 낙차와 유량변화에 따라 효율 변화가 급격히 저하되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로서 카플란 방식이 많이 사용되어 왔지만 러너 블레이드를 피치방향으로 조정하는 서버모터 및 가이드 베인과 러너 블레이드의 최적 각도를 생성하는 장치 등이 필요하여 경제성과 유지보수에 문제점들이 노정 되어 왔다. 이러한 기존 고정식 프로펠러 수차 및 카플란 수차의 단점을 극복하기 위하여 중대형 수차 시스템에 대한 가변속 프로펠러 수차 개발을 진행하여 왔다.
	가변속 직접 구동 프로펠러 시스템은 무엇인가?	가변속 직접 구동 프로펠러 시스템은 고정식 프로펠러 수차 시스템의 단점인 유량 변화에 대한 효율 급변을 극복하기 위해 고정식 프로펠러 수차에 가이드 베인 개도에 의한 유량 조절과 인버터에 의한 회전 토크 제어로 최적 효율을 모색하는 시스템이다. 정격 유량에서는 고정식이나 가변 수차의 효율이 동일 하지만 과부하나 부분 부하일 경우 가변일 경우가 수차 효율이 높고 운전 시간도 연장된다(1).

참고문헌 (4)

European Commission, 2000, "Status Report on Variable Speed Operation in Small Hydropower," Energie Publication.
BK Kim, "Design of Propeller Turbine for Micro Hydro," AFORE 2012, JEJU.
IEC, 1999, "International Code for Determining Hydraulic Performance By Model Acceptance Tests On Hydraulic Turbines," IEC Publication 60193(1999, Second edition).
Li.,S.C., 2000, "Cavitation of Hydraulic Machinery," Imperial College Press.

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