[논문]자유수면에서 블레이드 수 변화가 마이크로 중력식 와류 수차 성능에 미치는 영향

김종우; 최인호; 정기수

doi:10.17663/jwr.2023.25.3.176

[국내논문] 자유수면에서 블레이드 수 변화가 마이크로 중력식 와류 수차 성능에 미치는 영향
Effect of Blade Number Variations on Performance of Micro Gravitational Vortex Turbine in Free Water Surface 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.25 no.3, 2023년, pp.176 - 183

김종우 (서일대학교 건설시스템공학과) , 최인호 (서일대학교 건설시스템공학과) , 정기수 (한국생산기술연구원)

초록
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본 연구는 자유수면 아래 원통형 와류발생부에서 와류 수차 성능에 대한 블레이드 수가 미치는 영향을 이해하는 것이다. 동일한 블레이드 형상을 사용하여 상대 와류 수심비(y/h_v) 0.065 ~ 0.417 범위에 설치된 2개, 3개, 4개, 5개 및 6개의 블레이드로 마이크로 와류 수차의 성능을 실험하였다. 연구 결과로서 블레이드 수가 증가함에 따라 회전수, 전압, 전류 및 출력이 유속 0.7 m/s 이하일 때 상대 와류 수심비 0.065와 0.111 지점에서 증가한다. 5개 블레이드 수차의 평균 출력은 다른 블레이드 수보다 높게 나타난다. 오리피스 근처에 설치된 직경 130 mm인 4개의 블레이드 수차의 성능이 와류발생부에서 동일한 수의 직경 220 mm인 블레이드 수차보다 높다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this paper is to understand the blade number effect on vortex turbine performance in the cylindrical vortex chamber below the free water surface. Using the same blade profile, the performance of gravitational vortex turbine is tested each with 2, 3, 4, 5 and 6 blades installed at the relative vortex height (y/hv) ranging from 0.065 to 0.417. The obtained results indicate that the rotation, voltage, current and power increase in the relative vortex height of 0.065 and 0.111 when increasing the number of blades at flow velocity of less than 0.7 m/s. The average power of the 5-blade turbine is more than others. The performance of the 4-blade turbine with a 130 mm diameter installed near the orifice is higher than that of the same number of blades with a 220 mm diameter in the vortex chamber.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Energy diagram for vortex turbine with cylindrical basin.
그림 Fig. 3. 3D schematic drawing of vortex runner with (a) 2 blades, (b) 3 blades, (c) 4 blades, (d) 5 blades and (e) 6 blades.
그림 Fig. 2. (a) Schematic diagram of vortex chamber and (b) strong vortex flow (Choi et al., 2022).
그림 Fig. 4. Experimental setup for vortex turbine with permanent magnet generator.
그림 Fig. 5. Relation rotational speed and relative vortex height with increasing number of blades.
그림 Fig. 6. Relative position of turbine runner blades in vortex chamber.
그림 Fig. 7. Relation vortex height and relative vortex height with increasing number of blades.
그림 Fig. 8. Relation voltage and relative vortex height with increasing number of blades.
그림 Fig. 9. Relation current and relative vortex height with increasing number of blades.
그림 Fig. 10. Tangential velocity for r/ro = 1.49 in vortex chamber.
그림 Fig. 11. Circulation Γ for r/ro = 1.49 in vortex chamber.
그림 Fig. 12. Power of vortex turbine at the relative vortex height ranging from 0.065 to 0.417 with increasing number of blades.
그림 Fig. 14. (a) Voltage, (b) current, (c) rotational speed and (d) power of 4-blade turbine.
그림 Fig. 13. 3D schematic drawing of 4-blade turbine with different diameter (D) and height (H).
표 Table 1. Voltage, current, power and efficiency at the relative vortex height of 0.111 with increasing the number of blades

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 러너 블레이드 수 변화가 원통형 와류 수차의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 동일한 형상으로 제작한 러너 블레이드를 와류발생부에서 실험한 기존의 연구와 달리 와류세기가 달라지는 오리피스 입구근처에 설치하였다.
본 연구는 와류수차 성능에 블레이드 크기의 영향을 분석하였다. 동일한 형상이지만 지름과 높이가 다른 두 개의 4협 블레이드를 설계 및 제작하였다.
본 연구는 와류발생부대신 오리피스 입구근처에서 러너 블레이드 수 변화에 따른 자유수면 아래 와류 수차 성능에 대해 분석하였다. 와류 수차 성능을 분석하기 위해 곡선형 블레이드를 설계 및 제작하였으며, 연직방향 4개 지점에서 실험을 하였다.

제안 방법

동일한 형상으로 제작한 러너 블레이드를 와류발생부에서 실험한 기존의 연구와 달리 와류세기가 달라지는 오리피스 입구근처에 설치하였다. 동일한 실험 조건하에 각각 2개, 3개, 4개, 5개 및 6개의 블레이드 변화에 따라 와류 수차의 회전수, 접선방향의 유속, 와류수심, 전압, 전류, 와류출력을 측정해 분석하였다.
본 연구는 와류발생부대신 오리피스 입구근처에서 러너 블레이드 수 변화에 따른 자유수면 아래 와류 수차 성능에 대해 분석하였다. 와류 수차 성능을 분석하기 위해 곡선형 블레이드를 설계 및 제작하였으며, 연직방향 4개 지점에서 실험을 하였다. 접선방향의 유속, 와류 높이, 전류, 전압, 회전수 및 출력을 측정해 분석하였다.
와류 수차 성능을 분석하기 위해 곡선형 블레이드를 설계 및 제작하였으며, 연직방향 4개 지점에서 실험을 하였다. 접선방향의 유속, 와류 높이, 전류, 전압, 회전수 및 출력을 측정해 분석하였다. 실험을 수행함으로써 얻은 결론은 다음과 같다.

성능/효과

3) 블레이드 수 증가는 발전기 출력과 효율에 영향을 주며, 수차의 성능이 오리피스 입구지점에서 블레이드 수가 증가할수록 증가하였다. 평균 출력은 5개의 블레이드까지 증가하다가 감소하였다.

후속연구

본 연구에서는 실험 조건의 제약으로 한 가지 곡선형 블레이드 형상만을 실험하였으나 블레이드 형상의 영향에 대한 정확한 검토와 최적 설계를 위해서는 블레이드 형상을 좀 더 다양하게 변경하여 효율 및 유체의 항력을 분석할 필요가 있을 것으로 사료된다.

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