소형 프랜시스 수차 러너의 형상변화를 통한 유동특성 및 효율에 관한 연구

Abstract

수력에너지는 신재생에너지원 중 에너지 밀도가 가장 높은 순환형 에너지 자원이다. 프랜시스수차의 경우 다른 종류의 수차보다 효율, 설치 및 운영관리면에서 많은 장점을 가지고 있으며 표준화를 통화여 가격을 낮출 수 있기 때문에 우리나라의 소수력발전입지에 적용하기 매우 좋은 수차라 할 수 있다. 수차설계데이터 및 경험부족으로 수차설계기술이 확립되지 않은 국내 여건을 고려할 때 국내 환경에 적합한 프랜시스수차 러너의 국산화 기술 확보가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 50kW 소형프랜시스 수차 러너의 내부유동특성 고찰을 위해 유동해석방법을 결정하고, 유체기계 해석에 우수한 성능을 보이는 상용코드인 ANSYS CFX-14 유동해석 코드를 이용하여 수치해석 모델이 실제 수차 내부의 유동을 적절히 모사한다는 가정 하에 기본 및 개선 러너 설계안에 대하여 동일한 해석조건(수두 및 러너 각속도)으로 유동해석을 수행한 후, 수차 축에 작용하는 토크를 수치적으로 계산하여 예측된 효율을 비교하는 방식으로 수력성능을 검토하였다. 또한 수차발전기 성능시험 장비를 활용하여 수차발전기와 시험배관을 설치하고 개선된 러너가 설치 된 수차발전기를 시험장에 설치함으로서 이론과 실제가 어느 정도 같은지를 시험을 통해 확인하였다. 이번 연구를 통해 우리나라 수차러너의 설계기술 확보에 기여할 뿐만 아니라 수차러너 설계․제작부터 성능시험까지 피드백 하여 예상문제점을 보완함으로써 수차설계 및 제작기술에 기여할 수 있는 계기가 될 것으로 사료된다.