[논문]2.5 kW 급 프로펠러형 마이크로 수차 개발

마상범; 김성; 최영석; 차동안; 김진혁

doi:10.7316/khnes.2020.31.3.314

2.5 kW 급 프로펠러형 마이크로 수차 개발
Development of 2.5 kW Class Propeller Type Micro Hydraulic Turbine 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.3, 2020년, pp.314 - 321

마상범 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 김성 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 최영석 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 차동안 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 김진혁 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, a preliminary design of an inlet guide vane and runner for developing a 2.5 kW hydraulic turbine was conducted by using computational fluid dynamic analysis. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with shear stress transport turbulence model were used to analyze the fluid flow in the hydraulic turbine. The hexahedral grid system was used to construct computational domain, and the grid dependency test was performed to obtain the optimal grid system. Velocity triangle diagram considering the flow angles of the inlet guide vane and runner was analyzed to obtain a basic geometry of the inlet guide vane and runner. Through modification of the preliminary design, the hydraulic performances of the turbine have improved under overall drop conditions. Especially, the efficiency and power of the turbine increased by 0.95% and 1.45%, respectively, compared to those of the reference model.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Classification of the hydraulic turbines²⁾
그림 Fig. 2. Computational domain of the reference runner model
표 Table 1. Design specifications of the reference runner
표 Table 2. Grid dependency test using grid convergence index
그림 Fig. 3. Optimal grid system of the runner
그림 Fig. 4. Performance maps of the reference runner
그림 Fig. 5. Preliminary inlet guide vane model and modified runner
그림 Fig. 6. Performance maps of the reference runner with inlet guide vane
표 Table 3. Blade angle distributions
그림 Fig. 8. Performance maps of the modified runner with inlet guide vane
그림 Fig. 7. Velocity triangle diagrams with and without inlet guide vane
표 Table 4. Inlet blade angle and flow angle distributions of the reference runner at 4.5 m drop condition
표 Table 5. Adjustment of the runner’s inlet angle
그림 Fig. 9. Pressure distributions of the runner at best efficiency point
그림 Fig. 10. Pressure distributions of the runner’s 50% span at best efficiency point. IGV, inlet guide vane.
그림 Fig. 11. Pressure and streamline distributions of the runner at 4.5 m drop condition. IGV, inlet guide vane.

AI 본문요약
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문제 정의

서론에서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 2.5 kW급 범용 마이크로 수차 개발을 목적으로 하기 때문에 IGV를 설계하여 연구 목적을 달성하고자 하였다. Fig.

제안 방법

ANSYS사(Pennsylvania Cannonsburg, USA)의 Blade-gen을 사용하여 러너와 IGV를 5개의 스팬으로 나누어 형상을 제어하였고, 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식 해석을 수행하였다.
5 kW 급 범용 마이크로 수차를 개발하기 위해 기초 설계된 러너를 사용하였다. 유동해석을 통해 러너의 수력학적 성능 분석을 수행하였고, 2.5 kW에서 최고효율점이 형성되도록 입구 가이드 베인(inlet guide vane, IGV)을 설계하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 러너는 3매로 구성되었으며, 3.0 m의 낙차 조건에서 최고효율점(best efficiency point, BEP)이 형성된다. 자세한 설계사양은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

IGV를 포함한 유동해석에 앞서 IGV에 대한 격자 의존성 시험을 러너와 동일하게 GCI 방법을 적용하여 수행하였고, 약 57만개의 격자수를 사용하였을 때 격자 의존성이 제거되는 것을 확인하였다. 아울러, 회전 도메인과 정지 도메인 사이의 경계조건으로는 frozen-rotor 방법을 적용하였다. 기초 설계된 IGV와 러너의 수력학적 성능을 계산하여 Fig.
본 연구에서는 프로펠러 수차의 성능을 예측하기 위한 삼차원 비압축성 RANS 해석을 ANSYS CFX 15.0⁶⁾을 통해 수행하였고, 난류모델로는 shear stress transport (SST) 난류 모델⁷⁾을 사용하였다.

성능/효과

BEP에서 설계 출력을 도출하기 위해 IGV의 기초 설계 및 러너 입구 각도 조정을 진행하였다. 본 연구를 통해 기초 설계된 IGV와 수정된 러너를 사용한 수차는 기존 러너를 사용한 수차와 비교하여 BEP에서 수차의 효율과 출력이 각각 0.95% 및 1.45% 향상되었고, 고낙차 조건(4.5 m)에서 효율과 출력이 각각 10.46% 및 14.95% 향상되었다.
반면, 수정된 러너를 사용하면 전체 스팬에서 전연부터 20% 코드까지 흡입면에서 압력이 증가하지만 20% 코드부터 후연(trailing edge)까지 흡입면과 압력면에서의 압력차가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 러너의 토크(torque)가 증가한 것으로 사료되며, 결과적으로 수차의 출력이 증가한 효과를 얻을 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통해 도출된 IGV와 러너는 속도 삼각형 분석을 바탕으로 한 기초설계 수준임을 고려하여 향후 연구에서는 수차의 수력학적 성능을 극대화하기 위해 최적설계가 필요하다고 사료되며, 실험을 통한 성능 검증을 위하여 형상 제작 및 실험 설비를 구축하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수력 발전의 특징은 무엇인가?	수력 발전은 공해가 없는 에너지를 생성할 수 있으며, 다른 대체에너지와 비교하여 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 소수력 발전은 일반하천, 저수지, 하수처리장 등 기존 구조물을 이용하여 개발이 가능하며, 저낙차 조건에서도 설치하여 운용할 수 있다.
	마이크로 수차에 관한 선행 연구는 무엇이 있는가?	1과 같이 마이크로 수차는 저낙차 운용 조건에 따라 프로펠러(propeller) 형태의 수차가 적합하며2), 러너(runner)와 가이드 베인(guide vane)에 의해 수력학적 성능이 좌우된다3-5). Li 등4)은 수차의 운용 조건 에 따른 수력학적 성능을 수치해석을 통해 분석하였고, 가이드 베인의 개도 각도에 따른 영향성을 연구하였다. Park 등5)은 러너의 깃 수 변화에 따른 수차의 성능을 유동해석을 통해 분석하였으며, 저유량에서 깃 수가 증가할수록 높은 효율을 얻을 수 있다고 보고하였다. 본 연구에서는 2.
	소수력 발전의 장점은 무엇인가?	수력 발전은 공해가 없는 에너지를 생성할 수 있으며, 다른 대체에너지와 비교하여 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 소수력 발전은 일반하천, 저수지, 하수처리장 등 기존 구조물을 이용하여 개발이 가능하며, 저낙차 조건에서도 설치하여 운용할 수 있다. 특히, 최근에는 저낙차 조건에서 설치하는 수차를 마이크로(micro) 수차로 분류하여 소규모 수원지 및 관로 등에 적용한 연구가 주목을 받고 있다1).

참고문헌 (9)

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I. Celik and O. Karatekin, "Numerical experiments on application of richardson extrapolation with nonuniform grids", J. Fluids Eng., Vol. 119, No. 3, 1997, pp. 584-590, doi: https://doi.org/10.1115/1.2819284.

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