[논문]블레이드 타공에 따른 수차의 유동해석

박유신; 김기중

doi:10.5762/kais.2017.18.10.675

초록
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국내 대다수의 하수처리장 방류수로는 2.0 m 미만의 낙차를 형성하고 있고 유량이 지속적이며 변동이 크지 않다는 점을 고려할 때, 저낙차 조건에서도 안정적인 전력 생산과 효율을 유지할 수 있는 소수력 발전장치 개발이 시급히 요구된다. 본 연구에서는 저유속 조건에서 소수력 에너지 생산 효율 증진을 위한 항력식 수직축 수차를 개발하기 위하여 전산 유체 동역학(CFD) 기법을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 즉, 2.0 m/s 미만의 유속 조건에서 수차 블레이드의 타공 유무에 따른 블레이드 압력변화와 내부유동을 분석하였다. 수치해석 결과, 수차 블레이드의 타공 유무에 따른 압력분포는 타공이 있는 수차 블레이드에 발생하는 압력이 타공이 없는 수차 블레이드보다 약 5.1 % 감소되는 것으로 나타났다. 수조와 수차 블레이드 주변의 내부유동을 분석한 결과, 벡터의 분포로부터 유동속도가 변화하는 것을 알 수 있었으며, 타공이 있는 수차 블레이드의 유속이 타공이 없는 수차 블레이드의 유속보다 5.6 % 감소하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 수차 블레이드에 타공을 형성하는 것이 구조안전성 측면에서 도움이 될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Considering that most sewage treatment facilities have a water head of less than 2.0 m and a constant flow rate, the development of a small hydro power generation device capable of maintaining stable power generation and efficiency is urgently needed. In this study, a numerical analysis using the CF...

Considering that most sewage treatment facilities have a water head of less than 2.0 m and a constant flow rate, the development of a small hydro power generation device capable of maintaining stable power generation and efficiency is urgently needed. In this study, a numerical analysis using the CFD code was carried out to develop a drag force type vertical axis hydro turbine for the improvement of the production efficiency of small-scale hydro energy underlow flow velocity conditions. The blade pressure changes and internal flows were analyzed in the presence or absence of hydro turbine blade holes at a flow velocity of less than 2.0 m/s. The pressure distribution of the hydro turbine blades with holes was found to be about 5.1 % lower than that of the hydro turbine blades without holes. The analysis of the internal flow around the water tank and hydro turbine blade revealed that the flow velocity varied with the vector distribution and that the flow velocity of the hydro turbine blades with holes was 5.6 % less than that of the hydro turbine blades without holes. It is believed that forming a hole in the blade may be helpful for its structural safety.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2.0 m/s 미만의 저유속 조건에서 소수 력 에너지 생산효율 증진을 위한 차세대 소수력 발전시스템 설계 및 개발의 일환으로서 항력식 수직축 수차의 제작에 앞서 형상 특성에 따른 모의축소 수치해석을 수행하였다. 즉, 전산 유체 동역학(CFD) 기법을 이용하여 수차의 블레이드 타공 유무에 따른 블레이드 압력변화와 내부유동을 분석하고 수차의 블레이드 체결부 설계를 위한 기초자료를 확보하였다.
본 연구에서는 2.0 m/s의 저유속 조건에서 소수력 에너지 생산효율 증진을 위한 차세대 소수력 발전시스템 설계 및 개발의 일환으로서 항력식 수직축 수차의 제작에 앞서 형상 특성에 따른 수치해석을 수행하였다. 전산 유체 동역학(CFD) 기법을 이용하여 수차의 블레이드 타 공 유무에 따른 블레이드 압력변화 및 내부유동을 분석 한 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다
본 연구에서는 수차의 블레이드 체결부 설계를 위한 기초자료를 확보하기 위하여 수치해석을 통해 수차 블레 이드의 타공 유무에 따른 압력분포를 분석하였다. Fig.

제안 방법

기존의 신재생에너지로서 풍력, 조력, 소수력 발전의 효율을 증진시키기 위한 일환으로 터빈의 블레이드 수, 블레이드폭 비, 블레이드 각도 및 유량, 풍속 변화 등의 매개변수 연구가 수행되었다[4-6]. 또한 터빈의 블레이드 체결부에 대한 구조안정성 확보를 위한 수치해석이 수행되었다[7-8].
4는 각각 본 연구에 적용한 터빈 블레이드의 타공 유무에 따른 수차의 3D 모델링과 메쉬(Mesh) 모델링을 나타낸 것이다. 메쉬는 ANSYS CFD Ver. 14.5를 사용하여 생성하였으며, 블레이드 타공 유무에 따른 수치해석을 위하여 Tetrahedra Mesh 16,005개의 절점(Node)과 70,921개의 요소(Elements)로 전체 도메인을 구성하였 다. 수차의 타공 크기는 0.
수차의 타공 크기는 0.025 m2 으로 적용하였으며, 블레이드 한 개당 타공을 15개씩 모델링하였다.
0 m/s의 저유속 조건에서 소수력 에너지 생산효율 증진을 위한 차세대 소수력 발전시스템 설계 및 개발의 일환으로서 항력식 수직축 수차의 제작에 앞서 형상 특성에 따른 수치해석을 수행하였다. 전산 유체 동역학(CFD) 기법을 이용하여 수차의 블레이드 타 공 유무에 따른 블레이드 압력변화 및 내부유동을 분석 한 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다
0 m/s 미만의 저유속 조건에서 소수 력 에너지 생산효율 증진을 위한 차세대 소수력 발전시스템 설계 및 개발의 일환으로서 항력식 수직축 수차의 제작에 앞서 형상 특성에 따른 모의축소 수치해석을 수행하였다. 즉, 전산 유체 동역학(CFD) 기법을 이용하여 수차의 블레이드 타공 유무에 따른 블레이드 압력변화와 내부유동을 분석하고 수차의 블레이드 체결부 설계를 위한 기초자료를 확보하였다.
Table 1에서와 같이 모든 해석은 Steady state 수행하 였으며, 사용된 난류모델로서는 k-ω SST 모델을 적용하였다. 해석 경계조건으로서 입구에는 유속에 따른 조건을 부여하였고 출구에는 대기압에 해당하는 압력조건을 설정하였다.

대상 데이터

6 m이고 블레이드 12매로 구성되어 있다. 본 연구에서는 수조와 러너 베인, 그리고 흡출관을 대상으로 해석을 수행하였다.
수조 Inlet과 Outlet 면적은 0.7 m2 으로 동일하며 러너 베인의 직경은 0.6 m이고 블레이드 12매로 구성되어 있다.

데이터처리

블레이드 타공 유무에 따른 수차 블레이드 압력변화와 내부유동을 상세히 검토하기 위하여 ANSYS-CFX Ver. 14.5를 사용하여 수치해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

Table 1에서와 같이 모든 해석은 Steady state 수행하 였으며, 사용된 난류모델로서는 k-ω SST 모델을 적용하였다.
러너부의 회전수는 60 rev/m으로 모두 동일하게 적용하였으며, 수조의 고정 도메인과 블레이드 영역의 회전 도메인 경계면에 정확한 처리를 위하여 Interface 조건으로 Frozen Rotor 모델을 적용하였다.
해석에 필요한 난류모델 선정 시 수차 내 블레이드의 회전 운동으로 인하여 유선의 휨, 와류, 회전 등과 같은 유동 상태에 적합한 SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였으며, SST 모델에서 사용하는 난류운동에너지와 난류소산율 k-ω 방정식은 각각 식(3), 식(4)와 같다.

성능/효과

1) 수차 블레이드의 타공 유무에 따른 압력분포의 경우, 타공이 있는 수차 블레이드에 발생하는 압력이 타공이 없는 수차 블레이드보다 약 5.1 % 감소되는 것으로 나타났다.
2) 수조와 수차 블레이드 주변의 내부유동을 분석한 결과, 벡터의 분포로부터 유동속도가 변화하는 것을 알 수 있었으며 타공이 있는 수차 블레이드의 유속이 타공이 없는 수차 블레이드의 유속보다 약 5.6 % 감소하는 것으로 밝혀졌다.
3) 수차의 블레이드 타공 유무에 따른 블레이드 압력 변화와 내부유동 분석결과로부터 본 연구에서 가정한 해석조건과 유사한 수리환경에서 운영되는 수차는 블레이드에 타공을 형성하는 것이 구조안전성 측면에서 도움이 될 것으로 판단된다.
271e+005 Pa의 표면 압력이 발생되는 것으로 나타났다. 이와 같은 해석결과로부터 타공이 있는 수차 블레이드에 발생하는 압력이 타공이 없는 수차 블레이드의 압력보다 약 5.1 % 감소 되는 것으로 분석되었다.
6 m/s로 분석 되었다. 이와 같은 해석결과로부터 타공이 있는 수차 블레이드의 유속이 타공이 없는 수차 블레이드의 유속보다 약 5.6 % 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

4) 본 연구에서는 수차의 블레이드 체결부 제작시 구조설계를 위한 기초자료를 확보하였으며, 향후 수차의 발전 성능과 효율을 증진시키기 위한 블레이드 타공 최적화 연구를 수행할 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수차 블레 이드의 타공 유무에 따른 압력분포를 분석한 결과 포면 압력의 수치는 어떠한가?	Fig. 5에서와 같이 타공이 있는 수차 블레이드는 최대 1.339e+005 Pa의 표면 압력이 발생하였으며, 타공이 없는수차 블레이드의 경우 최대 1.271e+005 Pa의 표면 압력이 발생되는 것으로 나타났다. 이와 같은 해석결과로부터 타공이 있는 수차 블레이드에 발생하는 압력이 타공이 없는 수차 블레이드의 압력보다 약 5.
	자연 에너지원의 종류에는 무엇이 있는가?	현재 국내의 에너지 대외 의존도는 약 97 %에 육박하며, 따라서 에너지 해외 의존도를 경감시키고 에너지의 수급을 안정 시키기 위하여 부존 대체에너지를 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 태양열, 지열, 풍력, 조력, 소수력 등의 자연 에너지원을 이용하여 새로운 에너지를 생산하는 연구가 수행되어 일부는 실용 단계에 이르고 있다[1-3]. 그 중에서 소수력 발전에 의한 에너지는 공해가 없는 청정에너지로서 다른 대체에너지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 개발 가치가 충분한 것으로 평가받고 있다.
	소수력 발전의 장점은?	특히 태양열, 지열, 풍력, 조력, 소수력 등의 자연 에너지원을 이용하여 새로운 에너지를 생산하는 연구가 수행되어 일부는 실용 단계에 이르고 있다[1-3]. 그 중에서 소수력 발전에 의한 에너지는 공해가 없는 청정에너지로서 다른 대체에너지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 개발 가치가 충분한 것으로 평가받고 있다. 소수력 발전은 일반하천, 농업용저수지, 하수처리장, 정수장 등의 기존 시설물을 이용하여 저비용으로 개발이 가능한 장점이 있다.

참고문헌 (9)

W. S. Park, Small Hydropower Development Practices, of Existing Structures Using, Korean Solar Energy Society, vol. 3, no. 4, 2004.
K. H. Kim, Framework of Feasibility Study for Small Hydropower Development, Inha University, Master's Thesis, 2008.
D. H. Na, Feasibility Study on the Construction of Small Hydro-Power Plants at the Discharge Point of Gumi Sewage Treatment plant, Kumoh National Institute of Technology, doctorate thesis, 2010.
J. Y. Kum, Structure Design and Experimental Appraisal of the Drag Force Type Vertical Axis Wind Turbine, Busan National University, M. S. Thesis, 2005.
J. H. Park, Y. T. Kim, Y. Cho, B. K. Kim and Y. H. Lee, Performance Analysis of 10kW Class Propeller Hydro Turbine by the Change of Flow Rates and the Number of Runner Vane Using CFD, The KSFM Journal of Fluid Machinery: vol. 17, no. 2, pp.05-11, 2014. DOI: https://doi.org/10.5293/kfma.2014.17.2.005

원문보기 상세보기
J. H. Park, Y. T. Kim, B. G. Kim and Y. H. Lee, CFD Analysis of a Micro Propeller-Type Hydro Turbine by Varying the Number of Runner and Guide Vanes, AFORE 2012, JEJU.(HPFRCC5), pp. 3-12, 2007.
H. K. Kim, T. S. Kim, J. H. Lee, B. Y. Moon and K. W. Kang, Full Scale Structural Testing of Small Wind Turbine Composite Blade, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, vol. 35, no. 11, pp. 1407-1413, 2011. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2011.35.11.1407

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D. S. Kim, W. Y. Jung and J. Jung, Stress Analysis of the Blade Joint for a Small Wind Turbine, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, vol. 36, no. 1, pp. 117-124. 2012. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2012.36.1.117

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S. Y. Jeong and K. B. Lee, Flow characteristics analysis and test in the Pelton turbine for pico hydro power using surplus water, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 4, pp. 325-331, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.4.325

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