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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.4 pp.76-86
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.4.076

Computational Analysis of an Inverted-type Cross-flow Turbine for Ultra-low head Conditions

Sangwoo Ham*, Hojin Ha**, Jeong Wan Lee**#
*Advanced Mechanical Engineering, Graduate School, Kangwon National University
**Division of Mechanical and Biomedical, Mechatronics, and Material Sience and Engineering, Kangwon National University
Corresponding Author : jwlee@kangwon.ac.kr Tel: +82-33-250-6377, Fax: +82-33-259-5548
15/01/2019 20/02/2019 19/03/2019

Abstract


The cross-flow turbine is a key hydraulic power system that is widely due to low costs, high efficiency, and low maintenance. In particular, the cross-flow turbine considered as the most suitable turbine for low head situations as it is known to operate down to 5 m of water head. However, the conventional cross-flow turbine is unsuitable for ultra-low head situations with less than a 3 m water head. In this study, we propose an inverted-type cross-flow turbine to overcome the limitations of conventional cross-flow turbines under ultra-low head situations. First, we described the limitations of conventional turbines and suggested a new turbine for the ultra-low head circumstances. Second, we investigated the performance of the new turbine using CFD analysis. Results demonstrated the effects of the design parameters, such as number of blades and rotor diameter ratio, on the performance of the suggested turbine. As a result, we developed an inverted-type cross-flow turbine with up to 60% efficiency under low water head conditions.



전산유체역학을 이용한 초저낙차 상황에서의 도립형 횡류수차의 해석 및 설계 최적화

함 상우*, 하 호진**, 이 정완**#
*강원대학교 대학원 기계융합공학과
**강원대학교 기계의용·메카트로닉스·재료공학부

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    1986년 구소련에서 발생한 체르노빌 원전 사고, 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 등으로 원전에 대한 위험성이 증대되는 한편, 지구온난화에 대한 경각심으로 1997년 교토 의정서, 2015년 파리 기 후협약 등을 통해 세계적으로 원전 감축 및 온실 가스 감축을 위한 신재생에너지에 대한 관심과 투 자가 비약적으로 증가하고 있다[1~2]. 특히 독일과 같은 대표적 탈원전 국가의 경우, 2011년 후쿠시 마 원전 사고를 계기로 원자력법을 개정, 원전 8 기의 즉각적 폐쇄와 2022년까지 단계적 폐쇄를 결정하였으며 이의 원활한 실천을 위한 관련법 ‘2011년 에너지패키지’를 발표하였다. 독일이 이러 한 선택을 선제적으로 할 수 있던 것은 ‘2000년 재생에너지법’에 의거, 총발전량 대비 재생에너지 발전 비율을 2016년 기준 33.9%까지 확충함에 있 다[2]. 독일뿐만 아니라 2015년 11월 발간된 IEA ‘세계에너지전망 2015’에 따르면 모든 시나리오에 서 재생에너지의 비중이 증가하는 것으로 나타났 다. 발전 부문의 경우, 기준 전망은 총발전량 중 재생에너지의 비중이 2013년 22%에서 2040년 34%로 증가, 450 시나리오는 2040년 발전량 중 재생에너지 비중이 53%까지 증가할 것으로 발표 된 것을 볼 때, 세계적으로도 신재생에너지로의 전환 추세는 가속화 하고 있음을 알 수 있다[1].

    한국의 경우 2016년 기준 총발전량 561TWh 중 7.24%에 해당하는 40TWh를 신재생에너지로 생산 하였으며 이중 수력발전의 경우 총 2.8TWh를 생 산하여 전체 신재생에너지 발전량 중 약 7%, 전 체 발전량으로 따졌을 때 1.2%만을 수력발전을 통해 수급하고 있다[3]. 이에 따라 산업통산자원부 에서도 세계적 추세 대비 저조한 국내 재생에너지 발전 비율을 해결하기 위해 2030년까지 재생에너 지의 발전 비중을 기존 7%에서 20%로 상향시키 는 ‘재생에너지 3020 이행계획(안)’을 2017년 12월 발표하였다[4].

    수력발전은 물의 위치에너지를 수차를 이용해 기계적 회전에너지로 변환하고 이것을 다시 발전 기를 통해 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 낙차(H)와 유량(Q)에 의해 발전량이 결정된다. 낙 차는 상부에서 하부로 이용 가능한 최대 수직거리 이며, 이때 손실로 인해 감소한 낙차를 정격낙차 (Net Head)라 한다. 유량은 단위시간 당 수차를 통 과하는 물의 양(m3/s)을 의미한다. 수차를 회전시킬 물의 유량과 낙차가 클수록 발전설비 용량 및 전 력생산량이 증가하며 높은 경제성을 갖는다[1].

    국내 에너지 사업에서 수력발전은 양수, 일반수 력, 소수력으로 구분한다[1]. 관련법의 경우 2005년 까지는 ‘대체에너지개발 및 이용·보급촉진법’에 의 해 설비용량 1만kW 이하를 소수력으로 구분하였 으나 동년 ‘신에너지 및 재생에너지개발·이용·보급 촉진법’이 개정된 이후에는 수력설비용량 기준을 삭제하여 양수를 제외한 모든 수력설비를 일원화 하였다[1]. 이와 별개로 한국 에너지공단은 Table 1 의 발전량, 낙차 및 발전 종류에 따라 소수력 발 전을 분류한다.

    국내 소수력 연구는 1973년 발생한 제1차 석유 파동을 기점으로 발표된 1974년 박인용의 ‘소수력 발전 입지조사’를 그 시작으로 볼 수 있다[6]. 당시 국내 여건으로 볼 때 석유파동으로 인한 막대한 에너지 부족 문제를 해결하기 위해 태양열, 소수 력, 조력, 이탄, 온돌 등의 여러 대체 에너지 개발 및 실용화 가능성을 연구하였으나 현실성이 부족 하거나 당시 국내 여건상 실현하기 힘든 경우가 대부분이고 1973년 10월에 기준발전량 353GWh를 자랑하는 동양 최대 사력댐인 소양강 다목적댐을 완공하여 대수력 발전시설 개발이 사실상 종료된 상태였다[6~8]. 2016년 기준으로 ‘국내 수계별 수력 잠재량’을 보아도 이론적 잠재량은 43Mtoe/년에 달하지만, 개발 가능한 시장 잠재량은 4Mtoe/년에 그쳐 추가적인 대수력 발전의 개발은 불가능하다 [1]. 따라서 대수력 발전이 고갈된 현시점에 수력발 전을 통한 에너지 생산을 위해서는 하천, 농수로, 상·하수도 등 수력발전을 고려치 않고 구성된 기 존시설에 간이 발전설비를 설치하여 수력 에너지 를 회수할 수 있는 소수력을 적극적으로 활용할 방법이 필요하다[1].

    소수력과 함께 신재생에너지로 분류되는 태양 광 및 풍력 발전과의 경제성 평가를 실시한 결과 수력발전이 가장 높은 경제성을 갖는 것으로 나타 났다. 또한 수력발전은 기존전력 대비 약 40배 낮 은 환경 영향을 나타내는 것 또한 주목할 만 하다 [9]. 특히 앞서 비교한 두 발전방식의 경우 기선정 된 발전단지에서도 일조량이나 풍속과 등과 같이 자연현상으로 인해 발전량이 변동하는 문제를 갖 는 반면 소수력의 설치 특성상 유량과 낙차가 크 게 변하지 않는 장점이 있다.

    소수력 발전에 사용되는 수차는 크게 충동 수 차와 반동 수차로 나뉘는데, 반동 수차의 경우 수 차 로터부가 완전히 물속에 잠겨 있으므로 수밀성 이 보장되는 압력 케이스가 필요하고 로터의 블레 이드 형상이 항공기 날개와 같은 익형으로 양력을 이용한다. 충동 수차의 경우 반동 수차와 반대로 수차의 로터가 물속에 완전히 잠기지 않고 공기 중에 노출되 있으며 블레이드를 분출수로 때려 운 전한다[10]. 따라서 본 논문에서 목표로 하는 20kW 급 초저낙차 상황에 만족하는 수차는 횡류수차가 유일함을 Table 2를 통해 확인 가능하다. Fig. 1

    미셸-뱅키 수차라고도 불리는 횡류수차는 다른 수차들과는 다른 원통형 로터를 사용하며 수차에 들어온 물이 블레이드를 통과, 로터 중심부를 가 로질러 맞은편 블레이드를 통해 나가게 되므로 수 차를 지나는 물이 에너지를 두 번 전달하여 타 수 차 대비 비교적 손쉽게 높은 에너지 효율을 확보 할 수 있는 장점이 있다[11~12]. 수차의 제작에 있어 서도 타 수차의 경우 복잡한 로터, 블레이드의 형 상 특성상 높은 가공비가 필요한 반면, 횡류수차 의 경우 전동 톱, 밀링 및 보링 머신, 용접기 등의 기초적인 가공 장비만으로도 제작 가능하므로 제 작공정과 비용적 측면에서도 큰 장점이 있다[13].

    따라서 본 논문에서는 Goodarz Mehr외 3인이 제 시한 기존 횡류수차 사례를 기초로 체적유량 대비 낙차 그래프를 작성한 후 대표적인 소수력 설비용 량 별 기준선을 넣어 비교해 보았다. Fig. 2에서 확인 할 수 있듯이 초소수력의 기준이 되는 100kW 미만에서 운영되는 횡류수차는 3개 사례만 이 존재하며 초소수력에서도 최소 용량이라 일컬 어지는 20kW급에서 운영 가능한 경우는 Geiste- rmuhle의 사례만이 유일함을 확인하였다. 그러나 Geistermuhle 경우도 낙차가 3m 미만이거나 0m이 며 유속 0.5m/s 이상으로 정의된 초저낙차 상황에 서는 7.1kW의 정격발전이 불가능할 뿐 아니라 낙 차와 발전량의 관계를 선형적이라고 가정하더라도 발전량이 절반 정도로 떨어질 것이고 현실적으로 수차의 발전량이 낙차와 선형적으로 1대1 대응하 지 않는 것을 고려하면 기설정한 작동범위에서 크 게 벗어날 것으로 예상된다[12, 14].

    초저낙차 상황의 경우 댐이나 저수지와 같은 담수 설비를 통해 충분한 낙차를 확보하는 종래의 수력발전과 달리 기정비된 하천, 상하수도나 농수 로와 같은 관개시설, 각종 플랜트 설비의 입, 출수 구 등 수력발전을 고려하지 않고 건설된 기존 수 로에 추가적으로 부설되는 경우가 대부분이다. 따 라서 초소수력 발전이 가능한 설치 후보지에서는 전통적 수련 발전과 달리 담수설비 건설을 위한 대규모 토목공사가 불가능하다. 이는 담수 설비를 수차보다 높은 곳에 건설하여 손쉽게 낙차를 확보 하고 입수구가 수차의 상단에 위치한 전통적 수력 발전기의 구조를 사용할 경우 Table 2에서 확인 할 수 있듯 일반적인 1m 정도의 로터 직경을 가 지는 기존 횡류수차의 특성상 3m 이하의 초저낙 차 상황에서 주어진 낙차의 1/3 이상을 활용하지 못하고 손실하는 것을 예상할 수 있다.

    따라서 본 논문에서는 전통적 횡류수차의 구조 를 상하로 뒤집은 도립형상을 통해 로터 효율을 감소시키더라도 구조적 한계로 인한 손실낙차를 최소화하여 초저낙차 상황에서 정격발전이 가능한 20kW급 초소수력 횡류수차를 제시하고 이에 대한 최적설계 방법을 수립하며 전산유체역학 기법을 통하여 그 성능을 확인하려 한다. Fig. 3

    2. 연구방법

    2.1 20kW급 횡류수차의 설계

    도립형 횡류수차의 설계 사례가 미비한 관계로 기본적인 설계는 전통적 횡류수차의 설계 방법론 을 참조하여 실시하였다[12, 15].

    도립형 횡류수차의 블레이드에 대한 입수 상황 을 기하학적으로 단순화하면 Fig. 4와 같으며 이 때 V1은 들어온 물의 속도, U1은 V1의 로터 접선 방향 성분, W1은 V1의 블레이드 접선 방향 성분 을 나타낸다[12]. Table 3

    P [ k W ] = 9.8 × Q ( m 3 / sec ) × H ( m ) × η
    (1)

    20kW 출력, 3m 낙차, 종합효율 40%의 수차의 유량을 식(1)에 따라 계산하면 유량 가 필요하다.

    p 1 + ρ g H 1 + 1 2 ρ V 1 2 = p 2 + ρ g H 2 + 1 2 ρ V 2 2
    (2)

    V 1 = 2 g H 2
    (3)

    이때, 베르누이 방정식을 정리하면 식(3)에 따 라 V1 = 7.7 (m/sec) 임을 알 수 있다. Q = AV 이 므로 입수구 면적 A = 0.22(m2) 이다. 이하 기초 설계에 필요한 초기값들은 Table 4와 같다.

    노즐 높이(Sn)와 노즐 폭(B), 블레이드 입수각 (β1), 로터 내외경비(D2/D1), 블레이드 반경(ρb) 은 다음과 같이 표현된다.

    S n = R 1 λ sin α 1
    (4)

    B = A S n
    (5)

    tan β 1 = 2 ( tan α 1 )
    (6)

    ( D 2 D 1 ) 2 [ 1 1 ( cos β 1 ) 2 ] ( D 2 D 1 ) ( cos β 1 ) 2 = 0
    (7)

    ρ b = R 1 2 R 2 2 2 ( R 1 cos β 1 R 2 cos β 2 )
    (8)

    횡류수차의 주요 변수를 결정하기 위해 낙차, 유량 및 초기값에 따라 식(3)−(8) 값을 계산하면 식(6) 블레이드 입수각은 β1 = 29.8°, 식(7) 로터 내외경비는 D2/D1 = 0.76 로 결정된다. 이를 기초 로 20kW 출력에 해당하는 수차 주요 변수를 계산 결과 Table 5와 같다.

    Table 5의 첫번째 케이스는 선행한 낙차와 유량 계산 결과에 전통적 횡류수차의 기준 직경인 1m 로 상정한 경우로 로터의 직경과 길이가 동일한 정방형임 로터가 나왔다. 두번째와 세번째는 로터 직경을 0.2m씩 줄여봄으로서 늘어나는 블레이드 길이를 확인하였다. 네번째와 다섯번째의 경우는 세번째 경우의 로터 직경을 유지하고 낙차를 줄여 봄으로서 다른 변수가 변화하는 정도를 확인했다. 이때 다섯번째 결과는 로터 길이가 3m 이상으로 너무 긴 문제가 있고, 세번째 결과는 정격 이상의 유량 혹은 낙차에 대응하기 어려울 수 있으므로 로터길이가 조금 더 긴 네번째 계산 결과를 최종 적인 도립형 횡류수차의 기본 사양으로 설정하였 다. 이 계산을 기초로 확정한 수차의 주요 수치 및 성능은 Table 6과 같다.

    2.2 횡류수차의 전산유체역학 해석

    전산유체역학 기법을 통해 해석할 도립형 횡류 수차의 모델은 Table 6의 값을 기초로 SolidWorks (Dassault Systémes, Vélizy-Villacoublay, France)를 이용해 제작하였다. 해석용 모델은 크게 입수부, 수차부, 출수부의 세 부분으로 나누어지며, 낙차 및 유량에 따라 수차로 들어오는 물의 유량과 유 속을 조절할 수 있는 안내 날개를 추가하였다.

    해석에는 TCFD (CFD Support, Praha, Czech Republic)를 사용하였으며 최초 해석은 로터 회전 수 25−200 RPM 구간을 25 RPM 단위로 8개 케 이스, 질량 유량 200−2000kg/s 구간을 200kg/s 단 위로 10개 케이스, Guide vane은 0°−80°의 개폐 범위를 10°단위로 9개 경우를 상정하였으며 이때 0°는 Guide vane이 완전히 열려있는 상태로 정격 발전을 의미한다. 이 3가지 변수에 대한 모든 경 우를 조합한 결과 총 720개 케이스가 나왔으며 이 중 입수부에서의 에너지 총량이 50kW 미만으로 Guide vane의 가동이 필수적인 384개 케이스를 선 별하여 해석을 실시하였다. 이때 해석 조건은 Table 7과같이 설정하였으며 일반적으로 1개 케이 스 해석당 약 2−7시간이 소요되었다. 해석 결과 를 통해 Fig. 5와 같은 도립형 횡류수차의 유동장 특성 등을 확인하였다.

    첫번째 해석의 결과를 바탕으로 블레이드 개수 를 5개부터 40개까지 변화시키며 이에 따른 수차 의 출력 및 효율 해석을 하였으며 사용된 로터 모 델은 Fig. 6의 총 16개 경우이다. 이때 로터 회수 는 정격 출력구간에 해당하는 100, 125, 150 RPM 3개 경우로 총 48 케이스를 해석하였다.

    세번째 해석은 두번째 해석의 결과에 따라 선 정된 블레이드 개수 Nb = 31 경우를 Fig. 7과 같 이 로터 내외경비가 0.66부터 0.86까지 구간에 대 하여 총 11개 모델을 만든 후 두번째 경우와 마찬 가지로 3개 로터 회전수를 적용하여 총 33개 경우 를 확인하였다.

    3. 연구결과

    3.1 기존 설계 방법론에 따른 초기 모델 의 해석 결과

    기존 설계 방법론에 따라 설계한 초기 모델의 해석 결과를 Guide vane의 각도 별 RPM에 따른 효율 곡선을 그린 결과는 Fig. 8과 같았으며 정격 운행 구간은 약 52%의 효율을 가지며 로터는 125 RPM으로 회전하는 것을 확인하였다. Guide vane 의 각도 별 입수 로터 회전수 대 입구 유속비에 따른 효율 곡선을 그린 결과는 Fig. 9와 같이 나 타났으며 유량과 관계없이 가이드 베인 각도 별로 동일한 지점에서 최고 효율을 갖는 것을 확인하였 다. 이때 최고 효율은 로터 속도 대비 입구 유속 의 비가 약 0.4−0.5 범위에서 발생하였다.

    3.2 블레이드 개수 따른 해석 결과

    블레이드 개수 변화에 따른 수차의 효율 변화 는 Fig. 10과 같이 나타났다. 효율은 블레이드 개 수 30개까지 점차적으로 증가하였다. 30개보다 큰 경우, 효율의 증감이 크지 않아 대략 30개 내외에 서 최적 효율이 발생하는 것을 확인하였다.

    3.3 로터 내외경비에 따른 해석 결과

    로터의 내외경비 변화에 따른 수차의 효율 변 화는 Fig. 11과 같이 나타났으나, 효율 변화는 2% 내외로 발생하여 블레이드 개수 변화에 따른 효율 개선 효과는 미미했다.

    4. 결과분석

    4.1 기존 설계 방법론에 대한 분석

    본 연구에서 전통적 횡류수차의 설계 방법론을 이용해 도립형 횡류수차를 설계한 결과, Table 6 에 나오듯이 로터의 정격 회전수가 약 107 RPM 으로 계산되었다. 그러나 전산유체역학 기법을 이 용해 해석을 진행해 본 결과, 도립형 횡류수차의 정격 회전수는 약 125 RPM으로 나와 기존 설계 방법론을 통해 수차의 해석을 진행할 경우 약 14.4%의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

    따라서 본 연구가 제시하는 도립형 횡류수차의 최적 설계를 달성하기 위해서는 전통적 설계 방법 론뿐 아니라 전산유체역학 기법의 적극적으로 적 용을 통해 기존 방법론의 예측 이상의 고효율 수 차를 설계할 수 있다.

    4.2 블레이드 개수에 따른 효율 변화에 대한 분석

    공학적 상식으로는 블레이드 개수가 늘어날수 록 Fig. 10의 블레이드 개수 5개부터 30개까지의 구간과 같이 로터의 효율이 올라가고, 최고 효율 을 갖는 블레이드 개수를 넘어서면 반대로 개수가 늘어날수록 로터의 효율이 떨어진다고 여겨진다. 그러나 Fig. 10의 블레이드 개수 30개에서 40개 사이 구간의 해석 결과에서 보이듯이 모든 블레이 드 개수에 대해 해석을 진행한 결과 실제로 블레 이드 개수와 로터의 효율은 비례적으로 증감하지 않음을 확인하였다.

    특히 초기값인 32개의 블레이드로 구성된 로터 의 경우 대비 최고 효율을 갖는 31개의 블레이드 간의 효율 차이가 10% 정도 증가 된 것에서 볼 수 있듯이 블레이드 1개 차이로도 효율이 급격하 게 변화하기 때문에 상술한 바와 마찬가지로 기존 설계 방법론을 통한 개념설계 이후 전산유체역학 해석을 통한 최적 블레이드 개수의 도출이 매우 중요함을 알 수 있다.

    4.3 로터 내외경비에 따른 효율 변화에 대한 분석

    로터 내외경비 변화 역시 해석 구간을 촘촘히 하지 않은 양단을 보면 내외경비가 커질수록, 즉 블레이드의 크기가 작아질수록 효율이 높아지는 것과 같은 착시를 보이지만, 더 작은 내외경비 변 화량으로 초기값 주변의 해석을 실시한 결과를 보 면 미소한 내외경비의 변화로도 수차의 성능이 무 작위적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.

    그러나 Fig. 11에서 볼 수 있듯 로터 내외경비 에 따른 수차의 효율 변화는 약 2%에 불과해 해 석시간 대비 효율 증가 효과는 크지 않으며 해석 의 오차범위 안에 있어 결과의 신뢰성도 떨어짐을 확인하였다.

    4.4 Guide vane의 역할에 대한 분석

    Goodarz Mehr외 3인의 연구에서도 나타났듯이 전통적 횡류수차의 경우, 수차에 인가되는 수력 에너지가 충분하지 않을 때 Guide vane을 적절히 조절하여 유속을 최대한 확보하고 이를 통해 정격 발전 구간 밖에서도 효율적인 발전을 할 수 있었 다[12]. 본 연구에서도 Fig. 8과 Fig. 9를 통해 정격 유량에 미달한 양의 물이 수차에 인가될 때 Guide vane을 적절히 작동하면 수차에 들어오는 물의 유 속을 증가, 동일 유량에서도 수차의 효율을 증가 시킬 수 있음을 재확인하였다.

    4.5 전통적 횡류수차와의 비교

    전통적 횡류수차의 경우 일반적으로 80% 내외 의 우수한 발전 효율을 갖는 장점이 있는 반면에 발전 시스템을 구성하기 위해 담수시설과 수차까 지의 관로 등 토목공사가 필수적이다. 이런 이유 로 횡류수차를 포함한 전통적 소수력의 경우 계통 연결 시 2000−4000 $/kW, 독립 운용 시 1175− 3500 $/kW가 건설비로 소요되어 전체 비용에서 건설비가 차지하는 비율이 매우 높은 것으로 알려 져 있다[16].

    그에 반해 본 연구에서 제안하는 도립형 횡류 수차의 경우 그 특성상 수차의 최대 효율이 60% 로 전통적 횡류수차 대비 약 20−25% 정도 떨어 지지만, 전통적 횡류수차가 설치될 수 없는 기존 시설물에 설치하는 것을 가정하므로 토목 공사 비 용이 크게 절감되며 지형 조사 또한 간단하게 실 시할 수 있으므로 경제적 측면에서 큰 이득이 있 다.

    또한 토목공사가 진행되지 않은 상황하에서 전 통적 수차의 경우 구조물 또는 입수구의 높이가 곧 낙차 손실량을 의미한다. 따라서 초저낙차 상 황에서의 전통적 수차는 최소 1/3 이상의 낙차 손 실을 부담하게 된다. 이에 반하여 도립형 횡류수 차의 경우 이론적으로 로터 반경의 절반에 해당하 는 낙차만을 손실하게 되므로 기존 수차가 손실하 는 낙차의 절반 이상을 추가적으로 획득하는 효과 를 갖는다.

    4.6 본 연구의 한계

    본 연구에서 논한 도립형 횡류수차의 경우 아 직 실물 수차의 성능을 검증하지 못한 한계가 있 다. 또한 Guide vane의 형상이 효율적인 유속 조 절에만 초점이 맞춰져 있어 실수차에 적용하기 위 해서는 기구학적 개선이 필요하다.

    따라서 후속 연구를 통해 실물 혹은 실물을 상 사한 축소 모형 수차를 제작해 본 연구에서 전산 유체역학 기법을 통하여 제시한 수치들과 실물에 서의 성능과 그 차이를 실증할 필요가 있다.

    또한 본 연구에서 시도한 블레이드 개수와 로 터 내외경비의 변화 외에도 노즐, Guide vane 및 로터 내부 벽의 형상 등 다른 변수들에 대한 추가 적인 최적화 방법을 연구하여 효율을 더욱 상승시 킬 수 있을 것이다.

    5. 결 론

    본 연구를 통해 전통적 횡류수차의 설계 방법 론만으로 도립형 횡류수차의 설계를 실시한 경우 기대 효율이 40−50%대인 반면, 전산유체역학 기 법을 활용한 최적화 설계를 추가적으로 실시하면 수차의 효율을 60%까지 향상시킬 수 있음을 확인 하였다.

    또한 초저낙차 초소수력 발전에서 도립형 횡류 수차가 종래 소수력 발전 방식 대비 우수한 성능 을 보일 수 있음을 확인하였다.

    후 기

    “본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제 입니다.(No. 20173030069040)”

    “본 연구는 2015년도 강원대학교 대학회계 학술연 구조성비로 연구하였음(관리번호-520150057)”

    Figure

    KSMPE-18-4-76_F1.gif
    Structure of conventional cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F2.gif
    Volume flow rate – Head curve of conventional cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F3.gif
    Structure of inverted-type cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F4.gif
    Nomenclature of the inverted-type cross-flow turbine geometry and entering the first stage
    KSMPE-18-4-76_F5.gif
    Flow field of inverted-type cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F6.gif
    Combination of various number of blade for CFD analysis
    KSMPE-18-4-76_F7.gif
    Combination of various diameter ratio for CFD analysis
    KSMPE-18-4-76_F8.gif
    Rpm-efficiency curve under total water flow rate and guide vane angle range of inverted cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F9.gif
    Velocity ratio-efficiency curve under total water flow rate and guide vane angle range of inverted cross-flow turbine
    KSMPE-18-4-76_F10.gif
    Efficiency of Inverted-type cross-flow turbine by number of blade change
    KSMPE-18-4-76_F11.gif
    Efficiency of Inverted-type cross-flow turbine by rotor diameter ratio change

    Table

    Classification of small hydropower[5]
    Type and characteristic of water turbine[10]
    Specification of conventional cross-flow turbine[12]
    Initial value of cross-flow turbine design[12]
    Result of turbine parameter calculating
    Specific value of inverted-type cross-flow turbine
    Major setting of computation fluid dynamics

    Reference

    1. “2016 New & renewable energy white paper,” (2016) https://www.knrec.or.kr/(accessed 31, Dec., 2018).
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    11. Singh, D., Micro Hydro Power Resource Assesment Handbook, Asian and Pacific Center for Transfer of Technology, p. 21, 2009.
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    16. "Industry risk analysis report: Present condition and prospect of hydropower market,"(2013) http://www.itfind.or.kr/admin/getFile.htm?identifier=02-004-130819-000029(accessed 26, Dec., 2018).