[논문]노즐 구경에 따른 초소수력 펠턴 터빈의 효율 및 성능 특성

조인찬; 박주훈; 신유환; 김광호; 정진택; 김동익

doi:10.5293/kfma.2015.18.3.060

노즐 구경에 따른 초소수력 펠턴 터빈의 효율 및 성능 특성
Performance Characteristics and Efficiencies of Micro-Hydro Pelton Turbine with Nozzle Diameter Variation 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.3, 2015년, pp.60 - 65

조인찬 (고려대학교 대학원 기계공학과) , 박주훈 (고려대학교 대학원 기계공학과) , 신유환 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단) , 김광호 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단) , 정진택 (고려대학교 기계공학부) , 김동익 (GS 건설)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with performance characteristics and efficiencies of Pelton turbine can be applied as one of ERDs (Energy Recovery Devices) of PRO (Pressure Retarded Osmosis) system for desalination. The objective of this study is experimentally estimating the performance of micro-scale Pelton turbine for PRO pilot plant. Especially the performance characteristics with variations of jet nozzle diameter of Pelton turbine are discussed in detail. In order to do this, lab scale test rig of Pelton turbine was made for performance test, which includes water tank, Pelton wheel with buckets, jet nozzle and torque brake and so on. The parameter effects related on Pelton turbine's efficiency were investigated and discussed on the influence of the variations of load and speed ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 펠턴 터빈의 주요 요소 중 하나인 노즐에 관한 연구는 활발히 진행되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 펠턴 터빈의 노즐의 구경 변화에 따른 유체의 압력 변화에 대해 알아보았고 또한 각 노즐 구경 별 효율 및 성능 특성을 알아보았다. 이 결과를 토대로 펠턴 터빈의 설계시 운전 작동 영역에 적합한 노즐 구경을 선정하는데 도움이 될 것이다.
본 연구는 펠턴 터빈의 노즐 구경 변화 실험을 통해 효율 및 성능특성에 대해 알아보았고 이를 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

3) 비속도와 효율 선도의 경우 속도비와 효율 선도와 동일한 양상을 나타낸다. 노즐 구경이 증가함에 따라 속도비의 범위도 증가하며 효율 또한 증가함을 확인할 수 있다.

제안 방법

2는 본 연구에 사용된 펠턴 터빈 성능 시험 장치이다. PRO 시스템의 멤브레인에서 발생된 농축수의 압력, 유량(20 Ton/day)을 모사하기 위해 피스톤 타입의 고압펌프를 사용하였다. 펌프의 출구와 노즐 직전에서의 유체 압력을 측정하기 위해 압력 측정 센서를 설치하였으며 노즐 위치 이동 장치를 이용하여 효율이 가장 높은 PCD(Pitch Circle Diameter) 지점과 일치할 수 있도록 노즐을 위치하였다.
또한 토크 브레이크를 장착하여 토크를 조절함으로서 수차의 부하를 조정할 수 있게 하였다. 근접 센서를 통해 수차의 회전수를 측정하였으며 펌프에서 토출되는 운전 유량은 터빈 유량계를 이용하여 측정하였다.
2 mm 내에서 성능 실험을 진행하였다. 노즐 구경은 2.0 mm와 4.2 mm 사이에서 제작 가능한 사이즈로 성능 시험을 진행하였다. 본 연구에서 사용되는 노즐은 구경이 작기 때문에 제작 및 가공 시 작은 오차에도 이론 압력과 큰 오차가 생길 수 있다.
Table 2는 실험을 진행한 노즐 구경을 나타낸 것으로서 총 5 가지의 노즐 구경으로 성능실험을 진행하였다. 노즐 구경이 2.0 mm 이하에서는 작동 운전 영역의 압력이 너무 높아져 버킷이 파손될 염려가 있기 때문에 노즐 구경을 2.0 mm 이상으로 진행하였고 적은 유량으로 인해 노즐 구경 4.2 mm 이후에서는 압력 변화가 미비하여 성능 시험의 목적을 확인하기 힘들기 때문에 4.2 mm 내에서 성능 실험을 진행하였다. 노즐 구경은 2.
전압 조정 후 유량, 압력, 토크, 회전수 등 동일 작동 운전 영역에서 측정 데이터들은 산술평균으로 실험 데이터를 도출하였다. 노즐의 구경에 따라 압력변화가 크므로 압력에 따른 성능특성을 알아보기 위해 유량을 고정 변수로 두고 성능 시험을 진행하였다.
수차에서 발생된 축 토크는 토크 측정 센서를 연결하여 측정하였다. 또한 토크 브레이크를 장착하여 토크를 조절함으로서 수차의 부하를 조정할 수 있게 하였다. 근접 센서를 통해 수차의 회전수를 측정하였으며 펌프에서 토출되는 운전 유량은 터빈 유량계를 이용하여 측정하였다.
펠턴 터빈의 효율을 구하기 위해 토크 브레이크에 연결된 전원 공급 장치(Power supply)의 전압을 조정하여 축 토크를 변화시키며 성능 시험을 진행하였다. 러너가 회전하지 못하는 최대 축 토크를 걸어주는 토크 브레이크의 전압부터 러너 회전 시 축 토크가 거의 걸리지 않는 무부하 상태까지의 전압(0 V)을 일정한 간격(0.5 V)으로 감소시키며 성능실험을 진행하였다. 전압 조정 후 유량, 압력, 토크, 회전수 등 동일 작동 운전 영역에서 측정 데이터들은 산술평균으로 실험 데이터를 도출하였다.
무차원 비속도(N_s)를 통해 펠턴 터빈의 운전 작동 영역을 살펴 보았다. Fig.
펠턴 터빈의 무차원 비속도를 구하는 방법으로 단위 출력을 통해 구하는 방법, 단위 유량을 통해 구하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 일정한 유량 조건으로 성능 실험을 진행하였기 때문에 단위 유량을 통해 비속도를 구하는 방법을 사용하였다. 따라서 비속도 식은 다음과 같다.
펌프의 출구와 노즐 직전에서의 유체 압력을 측정하기 위해 압력 측정 센서를 설치하였으며 노즐 위치 이동 장치를 이용하여 효율이 가장 높은 PCD(Pitch Circle Diameter) 지점과 일치할 수 있도록 노즐을 위치하였다. 수차에서 발생된 축 토크는 토크 측정 센서를 연결하여 측정하였다. 또한 토크 브레이크를 장착하여 토크를 조절함으로서 수차의 부하를 조정할 수 있게 하였다.
PRO 시스템의 멤브레인에서 발생된 농축수의 압력, 유량(20 Ton/day)을 모사하기 위해 피스톤 타입의 고압펌프를 사용하였다. 펌프의 출구와 노즐 직전에서의 유체 압력을 측정하기 위해 압력 측정 센서를 설치하였으며 노즐 위치 이동 장치를 이용하여 효율이 가장 높은 PCD(Pitch Circle Diameter) 지점과 일치할 수 있도록 노즐을 위치하였다. 수차에서 발생된 축 토크는 토크 측정 센서를 연결하여 측정하였다.
펠턴 터빈의 효율을 구하기 위해 토크 브레이크에 연결된 전원 공급 장치(Power supply)의 전압을 조정하여 축 토크를 변화시키며 성능 시험을 진행하였다. 러너가 회전하지 못하는 최대 축 토크를 걸어주는 토크 브레이크의 전압부터 러너 회전 시 축 토크가 거의 걸리지 않는 무부하 상태까지의 전압(0 V)을 일정한 간격(0.
5는 본 연구에서 사용된 노즐의 형상이다. 효율이 뛰어난 Rounded Orifice 를 사용하였으며 작동 유량이 적어 단일 노즐로 성능시험을 진행하였다.

데이터처리

5 V)으로 감소시키며 성능실험을 진행하였다. 전압 조정 후 유량, 압력, 토크, 회전수 등 동일 작동 운전 영역에서 측정 데이터들은 산술평균으로 실험 데이터를 도출하였다. 노즐의 구경에 따라 압력변화가 크므로 압력에 따른 성능특성을 알아보기 위해 유량을 고정 변수로 두고 성능 시험을 진행하였다.

성능/효과

일반적으로 속도비의 범위가 넓어질수록 최대 효율이 증가한다고 알려져 있다.⁽⁵⁾ 성능 시험을 통해 노즐 구경이 증가함에 따라 속도비의 범위가 증가하고 그에 따른 최대 효율 또한 증가함을 확인할 수 있었다.
1) 일정한 유량 조건에서 노즐의 구경이 증가할수록 노즐에서 분사되는 유체의 압력은 1/4 승에 반비례하여 감소한다. 이론 데이터와 실험 데이터 간 동일한 양상을 확인할수 있다.
2) 노즐 구경이 2.0 mm에서 4.2 mm로 증가할수록 러너 속도 감소에 비해 jet 속도의 감소비율이 더 크기 때문에 속도비의 범위는 증가하고 펠턴 터빈의 최대 효율은 증가한다. 일반적으로 속도비의 범위가 넓어질수록 최대 효율이 증가함을 확인할 수 있다.
70번 실험에 대해 2.0 mm에서는 약 2.2%, 2.3 mm에서는 0.72% 등 노즐 구경이 증가할수록 지속적으로 감소하여 4.2 mm에서는 0.5%로 최소값을 가진다. 이는 압력이 증가할수록 요동성분이 증가하고 결론적으로 오차범위가 증가함을 의미한다.
8에서 최대 속도비 값은 무부하 상태에서 결정되며 회전하지 않는 최대 축 부하 상태에서 속도비는 0이다. 노즐 구경이 2.0 mm에서 4.2 mm로 증가할수록 속도비의 범위는 증가하며 효율 또한 증가함을 알 수 있다.
3) 비속도와 효율 선도의 경우 속도비와 효율 선도와 동일한 양상을 나타낸다. 노즐 구경이 증가함에 따라 속도비의 범위도 증가하며 효율 또한 증가함을 확인할 수 있다. 유량이 적고 압력이 높은 초소수력 펠턴 터빈의 경우 일반적인 펠턴 터빈의 비속도 범위보다 더 적고 효율이 낮음을 확인할 수 있다.
8 의 속도비와 효율 선도와 비슷한 양상을 보임을 알 수 있다. 사용된 무차원 비속도 식 또한 속도비와 같이 압력과 회전수에 관계된 식으로서 노즐의 구경이 증가함에 따라(압력이 감소 함에 따라) 비속도의 범위는 증가함을 알 수 있다.

후속연구

따라서 본 논문에서는 펠턴 터빈의 노즐의 구경 변화에 따른 유체의 압력 변화에 대해 알아보았고 또한 각 노즐 구경 별 효율 및 성능 특성을 알아보았다. 이 결과를 토대로 펠턴 터빈의 설계시 운전 작동 영역에 적합한 노즐 구경을 선정하는데 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펠턴 터빈이 PRO시스템에서 원활하게 사용되는 이유는 무엇인가?	농도차이에 의해 상승한 농축수의 위치 에너지는 ERD(Energy Recovery Device)중 하나인 펠턴 터빈을 통해 전기 에너지로 회수된다. 특히 PRO시스템의 유량과 압력의 범위는 펠턴 터빈의 운전 작동 영역에 포함되기 때문에 펠턴 터빈은 PRO시스템에서 원활하게 사용 되고 있다.
	해수를 통한 발전 중 염도차를 이용하는 발전에는 어떤 방법이 있는가?	해수를 통한 발전 중 염도차를 이용하는 발전은 FO(정삼투법), RO(역삼투법), PRO(압력 지연 삼투법: Pressure Retarded Osmosis)가 있다. PRO는 염분 농도가 다른 두 용액의 농도차이에 의한 용매의 이동으로 농축수 측의 증가된 유량을 통한 발전이다.

참고문헌 (11)

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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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