KR101406180B1 - 개선된 흡출관을 구비한 수력기계 - Google Patents

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Abstract

흡출관의 구조가 개선된 수력기계가 개시된다. 개시된 수력기계는 유체가 유입되는 유입관; 상기 유입관으로부터 유입되는 유체에 의해 회전되는 러너; 상기 러너를 경유한 유체가 배출되는 흡출관; 및 상기 흡출관의 내벽에는 유체가 흐르는 방향으로 길게 연장되어 형성되는 복수의 홈들;을 포함한다.

Description

개선된 흡출관을 구비한 수력기계{Hydrodynamic machine having improved draft tube}
본 개시는 수력기계에 관한 것으로 더욱 상세하게는 수차 및 펌프수차에서의 흡출관의 내벽면의 구조를 개선하여 흡출관에서 발생하는 캐비테이션 서어지 및 선회류의 발생을 억제한 수력기계에 관한 것이다.
일반적으로 수력발전은 육상에 존재하는 물의 유량과 낙차를 이용한 위치에너지를 기계에너지로 변환시켜 발전하는 것이다. 이러한 수력발전을 위한 수력기계는 물이 많은 장소에 댐이나 저수조를 설치하여 상기 물을 유입함은 물론 유입된 물의 유량과 낙차를 이용하여 터빈을 회전시켜 동력 및 전기가 발생되도록 장치를 구성한 것이다.
수력기계에 사용되는 수차는 그 형식에 따라서 물의 운동에너지를 주로 사용하는 충동형 수차와 물의 압력에너지를 주로 사용하는 반동형 수차가 있다. 또한, 물을 저장하기 위한 댐을 상부와 하부에 설치하여 전기가 부족할 경우에는 상부댐에서 하부댐으로 물을 방수하여 수차 기능으로 발전하는 것과 전기가 남을 경우에 하부댐의 물을 상부댐으로 양수하는 펌프 기능을 동시에 할 수 있는 펌프수차가 있다.
이러한 수차 및 펌프수차는 설계 시 정해진 일정한 유량과 낙차에서 최고의 효율과 성능을 나타낼 수 있으나, 실제 운전 시에는 댐의 유량 및 낙차 변동에 따라서 최적의 성능을 확보할 수 없을 때도 있다.
따라서, 비설계점 운전 시에는 수차 내부의 러너 및 흡출관에서 캐비테이션 및 서어지가 발생하여 수차 본체의 구조물에 손상을 가하거나 진동 및 소음의 매우 크게 되어 안정된 수차의 운전을 확보할 수 없다.
특히, 수차의 저유량 운전 시에는 흡출관에서 캐비테이션 서어지가 발생하여 소음 및 진동이 심할 경우 수력발전소의 발전량 및 수차발전기의 운전조건에 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 펌프수차를 이용한 양수 기능의 펌프 운전시 저유량 영역에서는 펌프 유입관(수차 흡출관)에서 입구 선회류가 발생하여 펌프의 효율과 성능을 크게 저하시키는 원인이 되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 수차 및 펌프수차의 흡출관의 구조를 개선하여 수차 및 펌프수차의 흡출관에서 발생하는 캐비테이션 서어지 및 선회류의 발생을 억제하며, 이에 의해 수차의 운전성능을 개선할 수 있는 수력기계를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 수력기계는 유체가 유입되는 유입관; 상기 유입관으로부터 유입되는 유체에 의해 회전되는 러너; 상기 러너를 경유한 유체가 배출되는 흡출관; 및 상기 흡출관의 내벽에는 유체가 흐르는 방향으로 길게 연장되어 형성되는 복수의 홈들;을 포함한다.
상기 홈들은 상기 흡출관의 입구에 인접하거나 상기 흡출관의 입구와 출구 사이의 영역에 형성될 수 있다.
상기 홈은 길이 및 폭에 비해 깊이가 상대적으로 작은 얕은 홈일 수 있다.
상기 홈의 깊이는 상기 홈의 폭의 10% 내지 50%의 크기를 가질 수 있다. 또는 상기 홈의 깊이는 상기 홈의 길이의 1% 내지 10%의 크기를 갖는 수력기계.
상기 복수의 홈들은 상기 흡출관의 내벽 둘레를 따라 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 수력기계는 수차 또는 펌프수차일 수 있다. 가령, 상기 수력기계는 프란시스 수차일 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 수력기계는 흡출관 벽면에 얕은 홈들을 마련하여 저유량 운전 시에 발생하는 캐비테이션 서어지 및 흡출관 선회류 등의 불안정 유동현상에 대하여 흡출관 내부의 선회속도를 감소시켜서 압력상승에 따른 캐비테이션 발생을 억제하여 안정된 수차발전기 운전조건을 확보하여 결과적으로 수차 발전기 및 펌프수차 발전기의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 수력기계의 측단면도이다.
도 3은 도 2의 수력기계에서 A-A선에서 본 횡단면도이다.
도 4와 도 5는 도 1의 흡출관 내부의 속도벡터분포에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서 흡출관 내부의 선회속도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 7은 비교예의 수력기계에서 흡출관 내부의 선회속도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서 흡출관 내부의 정압 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 9는 비교예의 수력기계에서 흡출관 내부의 정압 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서의 흡출관 내부의 와류강도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
도 11은 비교예의 수력기계에서의 흡출관 내부의 와류강도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계(100)의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 수력기계(100)의 측단면도이다. 도 3은 도 2의 수려기계(100)에서 A-A선에서 본 횡단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 수력기계(100)는 스파이럴 케이싱(spiral casing)(120), 스테이베인(stay vane)(130), 가이드베인(guide vane)(140), 러너(runner)(150), 및 흡출관(draft tube)(170)을 포함하는 프란시스 수차이다. 수원으로부터 도입된 유체(예를 들어 물)는, 수차 유입관(110)을 통해 스파이럴 케이싱(120)에 유입되면, 스파이럴 케이싱(120)을 한 바퀴 도는 동안에 스테이베인(130)을 거쳐 가이드베인(140) 사이를 지난다. 스테인베인(130)은 스파이럴 케이싱(120)의 내주에 마련된 유로이다. 가이드베인(140)은 가변 날개를 가져 유량을 조절할 수 있다. 가이드베인(140)을 거친 유체는 러너(150)의 둘레에 흘러들어 러너(150)의 날개 사이를 안쪽으로 흐른다. 유체는 러너(150)의 날개 사이를 흐르면서 날개에 반동을 주어 러너(150)에 회전력을 주고, 흡출관(170)을 통해 방수로로 배출되도록 되어 있다. 러너(150)는 수차 주축(190)의 하단부에 연결되어 있고, 러너(150)의 회전토크는 수차 주축(190)을 거쳐 발전기에 전달되어 발전되도록 되어 있다.
흡출관(150)은 상류측에 비해 하류측이 넓게 만들어져, 러너(150)를 거쳐 나온 유체가 하류로 흐르기 쉽게 하고, 흐름에 대한 저항을 적게 함으로써 유체의 흡출효과를 크게 하고 있다. 화살표 F는 흡출관(170)을 통해 방출되는 유체의 흐름 방향을 나타낸다.
흡출관(170)의 내벽면(170a)에는 홈(180)들이 형성된다. 홈(180)들은 흡출관(170)의 입구에 인접하거나, 흡출관(170)의 입구와 출구 사이의 영역에 형성될 수 있다. 즉, 홈(180)들은 흡출관(170)의 상류에 인접하거나 혹은 상류와 하류 사이의 위치에 형성될 수 있다. 홈(180) 각각은 상류측에서 하류측 방향으로 길게 연장되는 장홈(groove)일 수 있다. 나아가, 홈(180)은 길이 및 폭에 비해 깊이가 상대적으로 작은 얕은 홈(swallow groove)일 수 있다. 일예로, 홈(100)의 깊이 D는 폭 W의 10% 내지 50%의 크기를 가지거나, 또는 길이 L의 1% 내지 10%의 크기를 가질 수 있다. 이러한 홈(180)의 길이, 폭, 및 깊이와 홈(180)들의 배열간격의 구체적인 수치는 흡출관(170)의 크기나 흡출관(170)에 흐르는 유체의 유속에 따라 달라질 수 있다. 구체적인 예로서, 흡출관(170)의 입구의 직경이 350mm인 경우, 홈(180)의 크기는 대략 280mm × 45.8mm × 14mm× (길이 L × 폭 W × 깊이 D)일 수 있다. 홈(180)들은 흡출관(170)의 내벽면(170a)의 둘레를 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 홈(180)들이 서로 다른 간격으로 배치될 수 있음은 물론이다. 이러한 홈(180)들은 후술하는 바와 같이 흡출관(170) 내부에서 발생되는 소용돌이 흐름으로 인한 서어지(surge)를 억제하는 기능을 수행한다.
도 4는 도 1의 흡출관 내부의 홈(180) 근방에서의 속도벡터분포에 대한 전산유동해석 결과를 흡출관의 횡단면에서 도시하며, 도 5는 도 1의 흡출관 내부의 홈(180) 근방에서의 속도벡터분포에 대한 전산유동해석 결과를 흡출관의 종단면에서 도시한다. 흡출관(170)은 입구의 직경이 350mm이고, 홈(180)의 크기는 대략 280mm × 45.8mm × 14mm (길이 L × 폭 W × 깊이 D)인 경우에 대하여, 상용화된 프로그램인 ANSYS CFX ver.12.0을 이용한 CFD 분석을 통해 전산유동해석이 수행되었다.
도 4를 참조하면, 흡출관(170)을 통과하는 유체는 커다란 주 소용돌이를 형성하면서 흐르고 있으며, 흡출관(170)의 내벽면(170a)에 형성된 홈(180)들에서는 주 소용돌이의 역방향의 작은 소용돌이를 형성하고 있음을 볼 수 있다. 또한, 도 5을 참조하면, 흡출관(170)의 내벽면(170a)에 인접한 유체는 홈(180)에서 유체의 주 흐름 방향(도 2의 F 방향)의 역방향으로 흐른 뒤에 다시 흡출관(170) 유체의 주 흐름 방향(F 방향)으로 합류함을 보여준다. 이와 같은 홈(180)에서의 역류는 홈(180)이 흡출관(170)의 내벽면(170a)에서 주흐름에 역류하는 방향으로 강한 제트 흐름을 발생시킴으로써 흡출관(170)의 중심 지역에서의 원주 속도 성분을 감소시키는 역할을 하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서 흡출관(170)의 홈(180)들이 형성된 높이에서의 횡단면에서 흡출관(170) 내부의 선회속도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다. 한편, 본 실시예에서의 흡출관(170) 내부의 선회속도의 감소를 보여주기 위하여, 홈들이 흡출관의 내벽면에 형성되지 않은 비교예에서의 흡출관(170') 내부의 선회속도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도 7에 도시한다.
먼저 도 7을 참조하면, 비교예에서는 흡출관(170')의 중심부분의 속도벡터와 외곽의 속도 벡터는 서로 반대방향을 가지게 된다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 흡출관(170')의 반지름을 R이라 하고, 흡출관(170') 중심으로부터의 거리를 r이라 할 때, r/R > 0.6에 해당되는 외곽영역에서의 속도벡터는 r/R < 0.4에 해당되는 축 인근 영역에서의 속도벡터는 서로 반대이다. 이때, 축 인근 영역에서는, 속도벡터가 빨간색으로 표시된 것처럼, 강한 소용돌이의 흐름 형태가 나타나고 있다.
이와 반대로, 도 6을 참조하면, 본 실시예의 수력기계에서는, 흡출관(170)의 외곽부분에서, 특히 홈(180)들이 마련된 내벽면(170a) 근방에서는, 속도벡터가 녹색으로 표시된 것처럼, 대폭적으로 선회속도가 감소되고, 이에 따라 흡출관(170)의 축 인근 영역에서의 소용돌이가 실질적으로 소멸되고 있음을 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서 흡출관(170)의 홈(180)들이 형성된 높이에서의 횡단면에서 흡출관(170) 내부의 정압 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시하며, 도 9는 비교예의 수력기계에서 흡출관 내부의 정압 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
먼저 도 9를 참조하면, 비교예에서는 흡출관(170')의 내부의 압력이 횡단면에서 보았을 때 중심부분과 외곽부분의 압력차가 크며, 특히 중심부분에서 급격한 압력차가 발생되고 있을 볼 수 있다. 이는 소용돌이 흐름을 갖는 유체가 흡출관(170')에 유입되면, 유체의 소용돌이에 의하여 중심부 인근영역에서 압력강하가 발생하고, 지름 방향으로 점차 압력이 높아지기 때문이다. 이와 같은 흡출관(170')의 내부의 높은 압력차는 유체 유동을 불안정하게 하고 서어지(surge)가 발생될 위험이 높아진다.
반면에, 도 8을 참조하면, 본 실시예의 수력기계에서는, 흡출관(170)의 횡단면에서 보았을 때, 중심부분에서 압력변화가 거의 발생되지 않으며, 전체적으로 보더라도 압력차가 크지 않음을 볼 수 있다. 이와 같이 본 실시예의 수력기계는 흡출관(170) 내부에서 횡단면상에서 압력차가 크지 않으므로, 서어지등을 억제하고 유체 유동의 안정성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력기계에서의 흡출관 내부의 와류강도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시하며, 도 11은 비교예의 수력기계에서의 흡출관 내부의 와류강도 변화에 대한 전산유동해석 결과를 도시한다.
먼저 도 11을 참조하면, 비교예에서는 흡출관(170')의 내부에서 강한 소용돌이(S)가 발생되고 있음을 보여준다. 반면에, 도 10을 참조하면, 본 실시예의 수력기계에서는, 같은 조건하에서 흡출관(170)의 내벽면에 마련된 홈(180)들에 의하여 소용돌이(R1)들이 억제되고 있음을 보여준다.
도 6 내지 도 11을 참조하여 설명하듯이, 본 실시예의 수력기계는 흡출관(170)에 홈(180)들을 마련함으로써 소용돌이 속도를 감소시키고 이에 따라 서어지등을 억제하고 유체 유동의 안정성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
전술한 실시예에서 수력기계는 프라시스 수차를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 흡출관의 상류쪽에 위치하는 수차의 구체적 구조와는 독립적으로, 흡출관에 유체가 와류 형태로 유입되는 경우에 흡출관의 내벽면에 홈(180)들을 마련함으로써 서어지등을 억제하고 유체 유동의 안정성을 향상시킬 수 있음은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 나아가, 본 발명의 수력기계는 유체 흐름을 이용하여 회전력을 발생시키는 수차에 한정되지 아니하며, 양수 기능을 구비한 펌프수차의 펌프 유입관(즉, 흡출관)에도 그대로 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 가령, 프란시스 수차의 구조와 실질적으로 동일하면서, 수차 주축(도 2의 190)에 외부 동력이 맞물려 회전가능한 펌프 수차에 있어서, 펌프 유입관(즉, 흡출관)의 내벽면에 홈들을 마련함으로서 펌프 유입관에서의 입구 선회류를 억제하여 펌프수차의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명인 수력기계는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 수력기계 110 : 수차 유입관
120 : 스파이럴 케이스 130 : 스테이베인
140 : 가이드베인 150 : 러너
170 : 흡출관 180 : 홈

Claims (7)

  1. 유체가 유입되는 유입관;
    상기 유입관으로부터 유입되는 유체에 의해 회전되는 러너;
    상기 러너를 경유한 유체가 배출되는 흡출관; 및
    상기 흡출관의 내벽에 유체가 흐르는 방향으로 길게 연장되어 형성되는 복수의 홈들;을 포함하며,
    상기 홈은 길이 및 폭에 비해 깊이가 상대적으로 작은 얕은 홈인 것을 특징으로 하는 수력기계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 홈들은 상기 흡출관의 입구에 인접하거나 상기 흡출관의 입구와 출구 사이의 영역에 형성되는 수력기계.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 상기 홈의 폭의 10% 내지 50%의 크기를 갖는 수력기계.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 상기 홈의 길이의 1% 내지 10%의 크기를 갖는 수력기계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 홈들은 상기 흡출관의 내벽 둘레를 따라 등간격으로 배치되는 수력기계.
  7. 제1 항, 제2 항, 및 제4 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수력기계는 수차 또는 펌프수차인 수력기계.
KR1020120138552A 2012-11-30 2012-11-30 개선된 흡출관을 구비한 수력기계 KR101406180B1 (ko)

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