박유신
(Yoo-Sin Park)
1*
김기중
(Ki-Jung Kim)
2
윤병돈
(Byong-Don Youn)
3
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved.
키워드
블레이드 타공, 전산 유체 동역학, 수차, 소수력, 유속 변화
Key words
Blade hole, CFD, Hydraulic turbine, Small hydro power, Variable flow velocity
1. 서 론
국내의 에너지 확보에 대한 대외적 환경은 유가 변동에 따른 에너지 시장의 수급 불안과 세계 각국의 에너지 자원 확보 경쟁 으로 인해 날로 척박해지고
있다. 현재 국내의 에너지 대외 의존 도는 약 97%에 육박하는 실정이며, 따라서 에너지 해외 의존도 를 경감시키고 에너지의 수급을 안정시키기 위하여
부존 대체에 너지를 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(Park, 2004; Kim, 2008; Na, 2010).
소수력 발전을 통한 에너지는 공해가 없는 청정에너지로서 다 른 대체에너지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 개발 가 치가 충분한 것으로 평가받고
있다. 소수력 발전은 일반하천, 농 업용저수지, 하수처리장, 정수장 등의 기존 시설물을 이용하여 저비용으로 개발이 가능한 장점이 있다. 특히, 기존
공공시설물 로서 발전시설 설치에 따른 추가 민원발생의 우려가 없는 하수 처리장이나 정수장 등을 활용한 소수력 발전 연구가 더욱 필요 한 실정이다.
이와 같은 시설물의 방류수는 대부분 2.0 m 이하의 저낙차 조건과 3.0 m/s 미만의 저유속 유수 특성을 지니고 있으 며, 따라서 효율적인 소수력
발전을 위해서는 유량 및 유속에 적 합한 수차의 개발이 필수적이다.
기존의 신재생에너지로서 풍력, 조력, 소수력 발전의 효율을 증진시키기 위한 일환으로 터빈의 블레이드 수, 블레이드폭 비, 블레이드 각도 및 유속,
풍속 변화 등에 대한 매개변수 연구가 수 행되었다(Kum, 2005; Park et al., 2014; Park et al., 2007). 또한 터빈의 블레이드 체결부에 대한 구조안정성 확보를 위한 수치해 석이 수행되었다(Kim et al., 2011; Kim et al., 2012).
본 연구에서는 소수력 에너지 효율 증진을 위한 차세대 소수 력 발전 시스템 개발의 일환으로서 항력식 수직축 수차의 형상 특성에 따른 모의축소 수치해석을
수행하였다. 즉, 전산 유체 동 역학(CFD) 기법을 이용하여 유속 변화 및 블레이드 타공 유무에 따른 수차 블레이드의 압력 변화와 내부유동을 분석하고
수차의 블레이드 체결부 설계를 위한 기초자료를 확보하였다.
2. 본 론
2.1. 수차 형상 및 수치해석 방법
2.1.1. 수차 모델의 형상
모의축소 수차 모델의 개략도는 Fig. 1과 같다. 수조의 좌측에 서 유체가 유입되어 러너 블레이드를 구동시키고 우측 흡출관을 통해서 배출되는 구조이다.
Fig. 1.
Schematic View of Hydraulic Turbine Model
러너 블레이드의 직경은 0.01 m이고, 러너 블레이드 12매로 구성되어 있다. 본 연구에서는 수조와 러너 블레이드, 그리고 흡 출관을 대상으로 해석을
수행하였다.
2.1.2. 수치해석 방법
유속 변화 및 블레이드 타공 유무에 따른 수차 블레이드의 압 력변화와 내부유동을 검토하기 위하여 ANSYS-CFX Ver. 14.5 를 사용하여 수치해석을
수행하였다. Figs. 2와 3은 각각 본 연구 에 적용한 수차 블레이드의 타공 유무에 따른 3D 모델링과 메쉬 (Mesh)모델링을 나타낸 것이다.
Fig. 2.
3D Modelling of Hydraulic Turbine and Blade Holes
Fig. 3.
Mesh Modeling of Turbine Blade
메쉬는 ICEM CFD Ver. 14.5를 사용하여 생성하였으며, 유 속 변화 및 블레이드 타공 유무에 따른 수차의 수치해석을 위하 여 Tetrahedra
Mesh 13,570개의 절점(Node)과 60,552개의 요 소(Element)로 전체 도메인을 구성하였다. 수차의 타공 크기는 0.005 m2으로서 블레이드 한 개당 타공 15개씩 모델링하였다.
Table 1에서와 같이 모든 해석은 Transient CFD를 수행하였 으며, 해석에 필요한 난류모델 선정시 수차 내 블레이드의 회전 운동으로 인하여 유선의
휨, 와류, 회전 등과 같은 유동 상태에 적합한 k-ω SST 모델을 적용하였다.
Table 1
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Property
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Condition
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Simulation Type
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Transient
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Turbulence Model
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SST Model
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Rotational Speed
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100[rev/s]
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Fluid
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Water at 25°C
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Inlet
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1.0 m/s
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2.0 m/s
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3.0 m/s
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Outlet
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Average Static Pressure 1[atm]
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해석 경계조건으로서 수조 입구에는 유속에 따른 조건을 부여 하였고 출구에는 대기압에 해당하는 압력조건을 설정하였다. 러 너부의 회전수는 100 rev/s으로
모두 동일하게 적용하였다.
수조의 고정 도메인과 블레이드 영역의 회전도메인 경계면에 정확한 처리를 위하여 Interface 조건으로 Frozen Rotor 모델을 적용하였다.
2.2. 결과 및 고찰
2.2.1. 타공이 없는 수차의 특성 분석
타공을 포함하지 않은 수차 러너부의 유체속도에 따른 압력분 포는 Fig. 4와 같다. 고정 회전수 및 블레이드 각도를 유지하였기 때문에 유속이 증가함에 따라 블레이드 수차의 압력은 점점 증 가한다. 1.0 m/s의 유속일
때 최대 2.43 MPa의 압력을 2.0 m/s의 유속일 때는 약 2.50 MPa의 압력, 그리고 3.0 m/s의 유속에는 최 대 5.93 MPa의
압력을 받고 있는 것으로 나타났다.
Fig. 4.
Pressure Distributions on Blade Surface with No Holes
Fig. 5는 유속이 증가함에 따라 수조의 이동거리에 대한 유체 압력의 구간별 그래프를 나타낸 것이다. 블레이드 수차에 의한 유동장의 속도 변화를 파악하기 위해
수차 주변의 이동경로 4곳 을 선정해 유속의 변화를 분석하였다. 유체의 유입부분부터 블 레이드 수차가 위치한 곳까지는 유속의 크기와 관계없이 압력이
일정하게 진행되는 것으로 나타났으며, 수차의 회전에 따라 급 격히 감소되었다가 다시 상승하였고 다시 일정한 압력이 진행되 는 것으로 나타났다.
Fig. 5.
Pressure Profiles Along Flow Direction with No Holes
Fig. 6에 유속 변화에 따른 유동장의 유체 이동방향과 속도를 벡터로 표현하였다. 1.0 m/s일 때 최대 속도는 4.067 m/s, 2.0 m/s 일 때의
최대속도는 3.823 m/s, 3.0 m/s일 때는 최대속도 5.078 m/s로 나타났다.
Fig. 6.
Flow Velocity Distributions with No Holes
2.2.2. 타공이 있는 수차의 특성 분석
타공을 포함한 수차 러너부의 유체속도에 따른 압력분포는 Fig. 7과 같다. 유체속도가 점점 증가할수록 미세하게 압력분포 의 최대값이 증가하였지만 전체적으로 동일하다고 볼 수 있다. 1.0 m/s의 유속일 때 최대
2.34 MPa의 압력을 2.0 m/s의 유속일 때는 약 2.37 MPa의 압력, 3.0 m/s의 유속에는 2.39 MPa의 압 력을 받고 있는 것으로
나타났으며, 타공을 포함한 블레이드 표 면에 작용하는 압력은 전체적으로 고르게 분포하는 것으로 나 타났다.
Fig. 7.
Pressure Distributions on Blade Surface with Holes
Fig. 8은 수조의 이동거리에 대한 유체 압력의 구간별 비교 그 래프를 나타낸 것이다. 블레이드 수차에 의한 유동장의 속도 변 화를 파악하기 위해 Fig.
5와 같이 수차 주변의 이동경로 4곳에 유동장의 변화를 분석하였다.
Fig. 8.
Pressure Profiles Along Flow Direction with Holes
분석결과 유체의 유입부분부터 블레이드 수차가 위치한 곳까 지는 유속의 크기와 관계없이 압력이 일정하게 진행되는 것으로 나타났으며, 수차의 회전에 따라
급격히 감소하다 다시 상승하 였고 다시 일정하게 압력이 발생되는 것으로 나타났다.
Fig. 9에서는 유체속도 변화에 따른 유동장의 유체 이동방향 과 속도를 벡터로 나타낸 것이다. 1.0 m/s일 때 최대 속도는 4.341 m/s, 2.0 m/s일
때의 최대속도는 4.356 m/s, 3.0 m/s일 때 는 최대속도 4.312 m/s로 확인되었다. 타공이 포함된 블레이드 의 유동장 속도 분포가
타공이 포함되지 않은 블레이드의 유동 장보다 비교적 빠른 속도로 이동하는 것으로 나타났다.
Fig. 9.
Flow Velocity Distributions with Holes
3. 결 론
본 연구는 3.0 m/s 미만의 저유속 특성을 지닌 하수처리장 방 류수를 활용한 차세대 소수력 발전시스템 개발의 일환으로 수행 되었다. 항력식 수직축
수차에 대한 유속 변화 및 블레이드의 타 공 유무에 따른 수차 블레이드의 압력 변화와 내부유동을 CFD 를 이용하여 축소모의 수치해석을 수행함으로써
얻은 결론은 다 음과 같다.
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1) 수차 러너부의 유체속도에 압력분포를 분석한 결과 수차 블 레이드에 타공이 없는 경우 유속 1.0 m/s일 때 최대 2.43 MPa, 2.0 m/s일
때 2.50 MPa, 3.0 m/s일 때는 5.93 MPa이며 블레이드에 타공이 있는 경우 유속 1.0 m/s일 때 최대 2.34 MPa, 2.0
m/s일 때 2.37 MPa, 3.0 m/s일 때는 2.39 MPa의 압 력을 받고 있는 것으로 분석되어 타공을 포함한 블레이드 표 면에 작용하는
압력은 유속 변화에 크게 영향을 받지 않고 전 체적으로 고르게 분포하는 것으로 나타났다.
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2) 유체속도 변화에 따른 유동장의 유체 이동방향과 속도를 분 석한 결과 수차 블레이드에 타공이 없는 경우 유속 1.0 m/s일 때 최대속도 4.067
m/s, 2.0 m/s일 때 최대속도 3.823 m/s, 3.0 m/s일 때는 최대속도 5.078 m/s이며 수차 블레이드에 타공이 있는 경우 유속
1.0 m/s일 때 최대속도는 4.341 m/s, 2.0 m/s 일 때 최대속도는 4.356 m/s, 3.0 m/s일 때는 최대속도 4.312 m/s로
확인되어 유속 2.0 m/s 이하의 조건에서 타공이 포함 된 블레이드의 유동장 속도 분포가 타공이 포함되지 않은 블 레이드의 유동장보다 비교적 빠른
속도로 이동하는 것으로 나타났다.
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3) 따라서 본 연구에서 가정한 해석조건과 유사한 수리환경에 서 운영되는 수차는 블레이드에 타공을 형성하는 것이 구조 안전성 측면에서 도움이 될 것으로
판단된다.
감사의 글
이 논문은 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비 지원(과제번호 14CTAP-C078605-01)에 의해 수행되었습니다.
(2004), Small Hydropower Development Practices, of Existing Structures Using, Korean
Solar Energy Society, 3(4)
(2008), Framework of Feasibility Study for Small Hydropower Development, Inha University,
M. S. Thesis
(2010), 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
(2005), Structure Design and Experimental Appraisal of the Drag Force Type Vertical
Axis Wind Turbine, Busan National University, M. S. Thesis
(2014), Performance Analysis of 10kW Class Propeller Hydro Turbine by the Change
of Flow Rates and the Number of Runner Vane Using CFD., Korean Society for Fluid Machinery
Collection of Dissertations, 17(2), 5-11.
(2007), CFD Analysis of a Micro Propeller-Type Hydro Turbine by Varying the Number
of Runner and Guide Vanes, AFORE 2012
(2011), Full Scale Structural Testing of Small Wind Turbine Composite Blade., Trans.
Korean Soc. Mech. Eng. A, 35(11), 1407-1413.
(2012), Stress Analysis of the Blade Joint for a Small Wind Turbine., Trans. Korean
Soc. Mech. Eng. A, 36(1), 117-124.