1) 논문 Original Paper DOI: http://dx.doi.org/10.293/kfma.2014.17.3.02 ISSN (Print): 2287-9706 마이크로프로펠러수차의성능특성 김병곤 * Performance Characteristics of Micro Propeller Turbine Byung-Kon Kim * Key Words : Micro Propeller turbine( 마이크로프로펠러수차 ), Performance Test( 성능시험 ), Efficiency( 효율 ), Cavitation( 캐비테이션 ), Hill Chart( 등고선도 ) ABSTRACT The main objective of this study is to validate the performance characteristics of newly developed micro propeller turbine based on experimental model test. For this purpose, Measurements of efficiency and cavitation tests with variations on the guide vane opening, blade rotational speed, head and load are carried out according to the IEC standard for model testing. From the tests and scale up calculation, the maximum prototype and model efficiency of the runner blade reaches as high as 90.87 % and 90.27 % respectively. Test results show that good cavitation behavior is covered in the range of output 0kW and 100 kw. 기호설명 P V 1 V 2 Q g : 고압측정부와저압측정부의압력차 (Pa) : 모델터빈의입구부의평균속도 (, m/s) : 모델터빈출구부의평균속도 (, m/s) : 작동유체의유량 ( ) : 중력가속도 (9.8066 ) : 국소중력가속도 (9.7929 ) : 물의밀도 (k ) A 2 : 모델터빈출구부의흡출관의단면적 (m 2 ) E : 비수력에너지 (, J/kg) H : 수두 (, m) p m : 흡출관출구에서의압력 (Pa) p amb : 주위압력 (Pa) p va : 물의증기압 (Pa) Z r : 가이드베인중심선과가이드베인기준면고도 (m) Z m : 출구저압측정부에서의흡출헤드의고도 (m) n : 터빈의회전수 (r/min) T P K 1 L 1 : 토크 (N-m) : 수차출력 (kw) : 로드변환기계수 (N) : 다이나모미터팔길이 (m) : 비속도 ( ) : 가이드베인개도각 : 수차효율 (%) : 모델수차효율 (%) : 원형 (prototype) 수차효율 (%) : 최적점에서의수차효율 (%) : 최적점에서의단위회전속도 (%) : 최적점에서의단위유량 ( ) : 기포가발생되기시작하는캐비테이션계수값 : 임계캐비테이션계수 * DSK 엔지니어링 (DSK Engineering Co.) 교신저자 (Corresponding Author), E-mail : sealaunch@dskeng.com The KSFM Journal of Fluid Machinery: Vol. 17, No. 3, June, 2014, pp.2~32(received 12 Mar. 2014; revised 1(1) Apr. 2014, 13(2) May. 2014; accepted for publication 20 May. 2014) 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, pp.2~32, 2014( 논문접수일자 : 2014.03.12, 논문수정일자 : 2014.04.1(1 차 ), 2014.0.13(2 차 ), 심사완료일자 : 2014.0.20) 2
김병곤 1. 서론 마이크로급소수력발전은국내뿐만아니라세계적으로가장개발잠재력이큰소수력발전원중의하나로단위출력당경제성이높은소수력발전시스템개발에관심이집중되고있다. 고전적인고정식프로펠러수차는저낙차저유량의마이크로급환경에대표적인수차로서설치, 운영면에서마이크로급수차발전에많이사용되어왔지만낙차와유량변화에따라효율변화가급격히저하되는단점이있다. 이러한단점을극복하기위한방안으로서카플란방식이많이사용되어왔지만러너블레이드를피치방향으로조정하는서버모터및가이드베인과러너블레이드의최적각도를생성하는장치등이필요하여경제성과유지보수에문제점들이노정되어왔다. 이러한기존고정식프로펠러수차및카플란수차의단점을극복하기위하여중대형수차시스템에대한가변속프로펠러수차개발을진행하여왔다. 국내설치된수차발전기는해외기술에의해설계제작된것이대부분이며저낙차, 저유량에해당하는마이크로급가변속수차개발은거의찾아볼수없다. 정부의지원으로마이크로급가변속프로펠러수차시스템국산화개발을진행중에있다. 마이크로수차발전시스템국산화개발은수차시스템의핵심기술인터빈블레이드뿐만아니라가변속발전기, 인버터등전체수차발전시스템을국산화하는것으로마이크로급뿐만아니라소수력발전전반에경제성을향상시켜풍부한국내소수력자원을최대한활용할뿐만아니라향후해외시장에서도경쟁력을제고하여산업육성에기여할것이다. 본연구에서는국내최초로마이크로급가변속수차시스템의특징인수차의회전수변화및가이드베인개도에따른최고효율및출력특성, 최적제어용알고리즘코딩을위한기초자료확보, 수차의안전운영범위등기개발된가변속프로펠러수차의성능특성을규명하기위하여수차의원형 (prototype) 과기하학적, 운동학적그리고역학적상사성 ( 레이놀즈수 ) 을만족하는모델수차시스템을제작하여국제모델수차성능시험규범인 IEC60193 을준수하는모델시험을수행하였다. 는시스템이다. 정격유량에서는고정식이나가변수차의효율이동일하지만과부하나부분부하일경우가변일경우가수차효율이높고운전시간도연장된다. 현재개발중인가변속직접구동마이크로프로펠러수차발전시스템구성은 Fig. 1과같다. 상기의수차발전시스템중에서가장핵심은최적의수차시스템의개발이다. 우선적으로고효율의수차러너블레이드를개발하는것이다. 최근컴퓨터의급속한발달과비지배분류유전자알고리즘등최적화알고리즘의발달로수차블레이드및가이드베인의최적화도슈퍼컴퓨터가아닌개인컴퓨터에서가능하게되었다. 본연구팀은기존의프로펠러러너블레이드를참고로하여개량된비지배분류유전알고리즘 (NSGA-II) 을이용한고효율러너블레이드개발을달성하였다. 본수차발전시스템은 Fig. 2와같이압력수조, 가이드베인, 가이드베인지지대, 가이드베인개폐유압장치, 러너블레이드, 흡출관, 발전기, 인버터, 감시제어시스템등으로구성되어있어기존의수차발전시스템과는많은구조적차이를보인다. 첫째, 본수차시스템은스파이럴케이싱 (spiral casing) 이없이외부에서물이관로및도수관을통하여압력수조 (pressure tank) 로바로인입된다. 일정높이로압력수조에물이채워지면수조바닥에설치된가이드베인-수차-흡출관을통하여외부로배출되면서물이가지고있는위치에너지로수차를구동시키는구조이다. 이런구조에서는복잡한스파이럴케이싱이없어구조적으로간단하고수차발전기는물속에항상잠기어있어발전기및각종베어링의열문제가해소된다. 둘째, 구동수차러너블레이드와발전기사이에증속기어박스장치가없이수차의회전력을영구자석동기발전기에직접구동한다. 이렇게함으로써기어장치의소음, 진동뿐만아니라마모로인한교체가필요없어유지보수비를대폭줄일수있을것으로기대되며기어간파워전달로인한효율감소문제도해결할수있다. 2. 가변속직접구동마이크로프로펠러수차발전시스템 가변속직접구동프로펠러시스템은고정식프로펠러수차시스템의단점인유량변화에대한효율급변을극복하기 위해고정식프로펠러수차에가이드베인개도에의한유량조절과인버터에의한회전토크제어로최적효율을모색하 Fig. 1 Variable speed drive propeller turbine system as an alternative solution for a micro-hydro power plant 26 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, 2014
마이크로프로펠러수차의성능특성 Table 2 Test stand specification Name Value Maximum test head 80 m Maximum test discharge 1.2 m 3 /s Model runner diameter 30 00 mm Maximum speed of dynamometer 200 rpm Output of dynamometer 00 kw Uncertainty of efficiency measurement ± 0.2% Fig. 2 Propeller turbine system Table 1 Design specifications of propeller turbine system Name Effective Head (H) Value 11.2 m Fig. 3 Test Facility Discharge (Q) 1.12 m 3 /s Rated Power (P) Rated Speed (n) Turbine runner blade Diameter (D) Hub Diameter (D h) Number of blade (Z) Number of guide vane (N) 100 kw 900 rpm 00 mm 24mm 6 ea 16 ea Table 1에는개발중인가변속프로펠러수차시스템의설계수두와유량조건을나타낸다. 3. 모델시험 3.1. 시험장치및방법 모델시험용수력기계시험설비는수차, 펌프및펌프터빈의모델인수시험 (acceptance test) 의국제적인규범인 IEC60193 코드및표준에따라서제작되었으며수차는물론펌프및펌프터빈에대한전반적인성능시험이가능하다. Table 2와 Fig. 3에시험장비사양및시험장치를나타낸다. Fig. 4에물의순환및시험루프 (test loop) 를나타낸다. 외부에서인입된물은정화장치를거쳐서저장조에저장되고주펌프 (main pump) 를통하여수두탱크 (water-head tank) 로펌핑되며, 물의흐름을안정하게유지하고정확한유량측정을위해먼저정상상태탱크 (steady flow tank) B 를거쳐안정화시킨뒤유량계를통과하면서유량을측정하고다시정상상태탱크 (steady flow tank) A를지나서수두탱크로인입되고스테핑모터 (stepping motor) 를통해서가이드베인의개폐각을조절하면접선방향으로가속된후러너블레이드와흡출관을통해서방수탱크 (tail-water tank) 로배출된다. 수두탱크내의수두가안정되면물은저장조밸브를닫고폐회로를선회한다. 중간에물을보충할때는저수조옆에있는정수장치를통해서다시주펌프를통해순환시킨다. 러너상부탱크와하부탱크사이에 Fig. 와같이차압변환계를설치하여압력차로인한수두를확인할수있다. 물이상류에서하류탱크사이에순환하면서물이가지고있는위치에너지를수차에의해서기계에너지로변환된다. 러너블레이드가회전하면축으로연결된다이나모미터를통해서토크를측정한다. 일정한수두가되면다이나모미터내에있는 DC모터로수차의회전수를가변시켜가면서수차의수력학적인특성을측정할수있도록되어있다. 방수탱크에는진공펌프를설치하여수차러너하단부에저압환경을모사하여캐비테이션실험이가능하게되어있 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, 2014 27
김병곤 Table 3 Major measuring instruments Fig. 4 Diagram of the test loop No Measuring item Type Manufacturer Uncertainty 1 Discharge OPTIFLUX2000 Krohne 0.18 2 Speed E6B2-CWZ1X OMRON 0.02 3 Head 301 ROSEMOUNT 0.0 4 Load Z6F3C HBM 0.07 Absolute pressure CS200 Zhong Yang VHEMDU 6 Fluctuation 112A22 PCB 0.1 7 Air temp W302C Xi an 0.1 8 Water temp WZB-120 Xi an 0.1 9 Angle RVIT1-120 Kang Yu 0.1 10 Ambient pressure 0.1 MT110 YOKOGAWA 0.1 Table 4 Standard prime instruments No Name Measuring range Uncertainty 1 Calibration tank 0 10 m 3 0.047 2 DP1610 Pressure Calibrator DP1610-70 00 kpa 0.02 3 Weight 1*20 kg 0.002 Fig. Differential pressure transducer 다. 물이과다일경우교정지나저수지로흘러가도록설계되어있다. 흡출관의원추형 (cone) 부는캐비테이션발생을육안혹은카메라로가시적효과를확인할수있도록아크릴로제작하였다. 펌프는 900 kw 용량의원심펌프로인버터로조절할수있게되어있다. 캐비테이션시험전에시험장치내에있는물의공기를약 1시간동안진공펌프로제거한다. 수차러너의캐비테이션거동을분석하기위하여수차러너에서캐비테이션이완전히발달할때까지방수탱크의압력을진공펌프를통해서충분한저압환경을만드는캐비테이션시험을행하고 Thomas 계수로정의한다. 캐비테이션시험은효율시험결과에근거하여정한다. 모든시험은원형수차의운전범위인가이드베인개도를 18 60 사이를 2도씩증가시켜가면서진행하였고, 단위회전속도 (unit speed) 는 100 320 rpm 을약 4 7rpm 씩증가시켜가면서실험을진행하였다. 단위회전속도 (Unit speed) 는수두를일정하게유지하면서모델터빈의회전수를변화시키면서조절하였고, 물의최고온도는시험기간중에 3 를초과하지않도록유지하였다. 3.2. 측정장치본실험에서사용된주요한계측장비및교정 (calibration) 범위는 Table 3 및 Table 4와같다. 대부분계측장비의불확실성이 0.1 이상이며주요한장비는 0.047 이상이다. 3.3. 모델터빈 본실험에서사용된모델수차블레이드제원, DM-80 장비의인터페이스 (interface) 허브제원및주요상수값은 Table 와 Fig. 6과같다. 모든모델터빈의수차는 IEC 60193 standard 에따라기하학적, 운동학적, 그리고역학적상사법칙을수차원형과만족하도록 IEC코드에서규정한허용공차한계범위내에서제작하였다. No Definition Symbol Value Unit Note 1 Gravity acceleration g 9.8066 m/s 2 2 Local gravity acceleration g L 9.7929 m/s 2 3 2π/60000 1.0472 10-4 4 6 Table Major constants and dimensions Length of dynamometer s arm ρg (based on standard gravity acceleration) Diameter of model runner L1 1.3 m ρg 9.796 kn/m 3 At 20 D 1 0.4 m 28 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, 2014
마이크로프로펠러수차의성능특성 4.3. 이론출력 (P h) (6) 4.4. 터빈출력 (P ) (7) (8) 4.. 효율 (9) Fig. 6 Test stand interface hub and blade dimension 4. 파라미터정의 4.1. 수두 4.6. 단위파라미터 Unit discharge : (10) (1) Unit speed : (11) (2) 4.2. 토마캐비테이션계수 (σ) Unit power : (12) IEC standard 규정에따라 NPSE(Net Positive Suction Specific Energy) 의정의는 Fig. 7과같다. (3). 결과및고찰 수차의효율에대한수차의회전수의효과를가이드베인개도에따라서 Fig. 8에나타내었다. (4) () Fig. 7 Definition of NPSE Fig. 8 Efficiency characteristics vs unit speed 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, 2014 29
김병곤 최적 효율은 unit speed가 약 130정도에서 90 %를 조금 나타내었다. 수두 H=11 20 m사이에 4개의 시험지점의 실 상회하고 가이드 베인 개도가 28 30, unit speed 와 제 출력 값을 연결하다 보니 직선이 아닌 약간 곡선 형태를 가이드 베인 개도가 커지면서 효율 곡선은 일반적인 프로펠 띠고 있다. 러 수차의 특성처럼 급격히 하강하는 형태를 보인다. Fig. 9 Fig. 11의 모델 터빈의 성능 등고선도를 보면, 유량에 따 와 Fig. 10에 설계 수두인 H=11 m에서의 파워 및 유량 특성 른 가변속을 적절하게 운행하면 고정속 보다도 높은 효율과 을 나타내었다. 설계 출력 100 kw는 정격 회전수인 900 rpm 부분 부하나 과부하에서의 효율 증가 효과 및 운전 연장 효 보다도 약간 큰 1000 rpm정도에서 발생하며 이 수차의 최대 과도 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 출력은 1400 1600 rpm에서 나타난다. 이것은 회전수가 빠 본 수차의 정격 출력인 100 kw 출력선에서 고 효율을 보 를수록 가이드 베인 개도가 클수록 유량이 많아지기 때문이 이고 최적 효율점은 n1 opt=119.96 r/min, Q1 opt=1113 l/s, η 다. 또한 수차 최적화 과정에서 효율과 캐비테이션의 다중 opt=90.27 % 최적화 과정에서 발생된 요인이라고 사료된다. 따라 원형 수차로 변환한 결과가 Fig. 12이다. 이다. 모델 수차의 성능 등고선도를 ICE code에 모델 수차의 성능 등고선도(performance hill chart)는 모델 수차에서 보인 결과처럼 수두가 10 14 m정도에서 Fig. 11에 나타내었다. Unit discharge가 80 1400 l/s사 가이드 베인 개도에 따라 고 효율, 고 출력 운전을 나타내는 이에 높은 효율 등고선이 밀집한 곳으로 수두가 10 11 m 사 것을 알 수 있다. 정격 출력 100 kw에서 효율은 87.9 % 이지 이가 고 출력, 고 효율 영역인 것을 알 수 있다. 점선은 수두 만 본 수차의 최고 효율은 90.87 % 까지 상승 하는 것으로 H=2 20 m 에서의 출력 값과 그 사이 예상 출력선을 나타낸 기존 마이크로급 프로펠러 수차에서 보여주었던 80%초반 효 다. 별표는 각 수두에서의 출력 값을 나타낸다. 최소 수두인 율보다 월등히 성능이 개선된 점 등을 고려할 때, 본 수차 러 H=2 m에서 P= kw, H= m에서 P=40 kw, H=10 m에서 너 블레이드에 사용된 개량된 비지배 분류 유전 알고리즘 P=94 kw, 최대 수두인 H=20 m에서 최대 출력 P=100 kw를 (NSGA-II)에 의한 다중 최적화가 수차 러너 블레이드 설계 Fig. 9 Power characteristics at H=11 m Fig. 11 Model performance hill chart Fig. 10 Flowrate characteristics at H=11 m Fig. 12 Prototype performance hill chart 30 한국유체기계학회 논문집: 제17권, 제3호, 2014
마이크로 프로펠러 수차의 성능 특성 에 아주 유용한 수단이라는 것을 확인할 수 있다. 터빈 효율에 영향을 미치는 가장 중요한 인자 중 하나가 캐비테이션 발생이다. IEC-60193 standard에 의하면 캐비 테이션 특성을 캐비테이션 성능 보다는 에너지 성능에 근거 하여 효율 변화로서 sigma0( ) 와 sigma1( )을 Fig. 13 처럼 정의한다. 수두가 m 와 10 m의 경우 가이드 베인 개도각이 28 2 사이의 값을 Table 6 및 Fig. 14 와 Fig. 1에 나타 내었다. Table 6에서처럼 sigma1( )의 값은 unit discharge값이 증가함에 따라 증가한다는 것을 알 수 있다. 즉 비속도 값에 의존성을 보여준다. 일반적인 프로펠러 터빈의 임계 캐 Fig. 14 Model performance hill chart with sigma1 (σ1) 비테이션은 0.487로서 본 수차의 경우 2번째 경우의 결과와 비슷하지만, 수두 H= m의 경우 sigma1( )값은 상당히 증 하여 유량을 충분히 주입하면 블레이드 사이에 수력학적인 가 한다는 것을 알 수 있다. 불안정성이 커지면서 유속이 급증가하여 러너 블레이드 흡 Fig. 14에서처럼 출력 0 100 kw와 수두 16 m 범위 에서 고 효율을 유지하고 안전한 캐비테이션 거동을 보인다. 출부에서 조기에 캐비테이션의 발생과 더불어 효율 및 유량 감소가 현저하게 나타나는 것을 볼 수 있다. Fig. 1에서처럼 캐비테이션 거동은 블레이드 표면에서 물속 에 용해되어 있던 가스가 분리되고 이것을 핵으로 하여 캐비 티(cavity)가 성장하면서 기포가 터지면서 순간적으로 수중 기압의 상승으로 에너지 상태가 활발해져 효율이 순간 상승 하다 떨어지는 낙타 혹 같은 에너지 변위가 나타나는 수차의 일반적인 캐비테이션 특성을 보인다. 유량과 출력선도에서 도 보는 바와 같이 블레이드 면에 국소적으로 캐비테이션이 발생하면서 수력학적인 불안정성(hydraulic instability)으 로 국소 압력이 감소하고 유량도 감소하여 효율과 유량과의 상관관계에 의해 출력도 떨어지는 것을 볼 수 있다. 수두가 m인 경우는 가이드 베인 개도를 아주 크게( ) (a) Cavitation curve for prototype at H=10 m, Fig. 13 Characteristic Thoma number Table 6 Sigma1( ) at H=m and 10m No Hp(m) Open( ) n11 (r/min) Q11(l/s) Sigma1 1 10 28 142.3 1171 0.311 2 10 34 142.3 1308 0.498 3 10 40 142.3 1407 0.81 4 44 201.3 1797 0.737 2 201.3 1920 0.834 한국유체기계학회 논문집: 제17권, 제3호, 2014 (e) Cavitation curve for prototype at H= m, 31
김병곤 6. 결론 새롭게개발한마이크로프로펠러수차의성능및캐비테이션특성을규명하기위해가이드베인개도및수차회전수를변화에따른모델실험을통하여다음과같은내용을알수있었다. (b) Cavitation curve for prototype at H=10 m, 1) 모델수차의최고효율점은가이드베인개도 로 90.27 %( 원형수차로환산하면최대효율은 90.87 %), 출력은 124kW 이다. 2) 성능등고선도를통해출력 0 100 kw( 수두 6 18 m 에해당 ) 로운영하면고효율유지, 안전한캐비테이션거동, 낮은압력맥동으로장기간안정된운전을할수있다. 3) 원형수차성능등고선도로부터가이드베인개도가 범위에서출력 10 kw까지고효율을유지할수있다. 후기 본연구는 2013 년도산업통상자원부 (MOTIE) 의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의연구과제 ( 과제명 : 마이크로수차발전시스템개발, No:2011T100200136) 의지원을받아수행한연구과제의결과입니다. (c) Cavitation curve for prototype at H=10 m, References (1) European Commission, 2000, Status Report on Variable Speed Operation in Small Hydropower, Energie Publication. (2) BK Kim, Design of Propeller Turbine for Micro Hydro, AFORE 2012, JEJU. (3) IEC, 1999, International Code for Determining Hydraulic Performance By Model Acceptance Tests On Hydraulic Turbines, IEC Publication 60193(1999, Second edition). (4) Li.,S.C., 2000, Cavitation of Hydraulic Machinery, Imperial College Press. (d) Cavitation curve for prototype at H= m, Fig. 1 Cavitation curve for prototype 32 한국유체기계학회논문집 : 제 17 권, 제 3 호, 2014