제3 편수차 제1 장개론 - contents.kocw.netcontents.kocw.net/KOCW/document/2015/chonnam/kangboseon/6.pdf · 1 제3 편수차 제1 장개론 강보선 전남대기계공학부

1

제 3 편 수 차제 1 장 개 론

강 보 선

전남대 기계공학부

전남대 강보선 2

1. 수력의 이용

• 수력원동기 : 물의 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 기계• 수차(hydraulic turbine) : 물의 위치에너지(낙차, head)를 기계적 에너지로 변환시킴• 수력을 이용하여 동력을 얻는 방식

1) 수로식 : 산간의 고낙차 (200 m 이상), 중낙차 (50 ~ 200 m)의 발전소

하천에 댐을 만들어 취수, 수로를 거쳐 물탱크에 물을 유도

수로 기울기 1/1,500 ~ 1/2,000

2) 댐식 : 저수지, 조정지, 댐 등을 설치하여 발전

저낙차 (50 m 이하) 발전소

3) 댐-수로식

4) 양수식 : 야간 여유 전력으로 양수

2


2. 유효낙차의 출력

• 자연낙차(총낙차), Hg : 취수구와 방수로와의 고저차

• 유효낙차, H : 총낙차에서 수로, 수압관, 방수로의 손실수두를 뺀 것

ΔH1 : 수로의 손실수두

ΔH2 : 수압관의 손실수두

ΔH3 : 방수로의 손실수두

• 이론출력(이론수력) :

• 발전기의 출력 :

: 수차효율 g : 발전기 효율

)ΔHΔHH(HH g 321

[PS] 75

[kW] 102

m/s][kgHQHQ

HQLth

[kW] 9.8 102

ggg HQHQ

L


• 수차의 형식• 수차에서 얻는 수두, H

Ht : 유입과 유출구의 높이차H1 : 유입하는 물이 갖는 수두H2 : 유출하는 물이 갖는 수두v1, v2 : 유입, 유출 유속p1, p2 : 유입, 유출 압력

• 물 에너지의 종류에 의한 분류- 중력수차 : Ht 에 의한 영향- 충동수차 : 속도에 의한 영향(위 식의 두 번째 항), 펠톤 수차- 반동수차 : 속도와 압력에 의한 영향(위 식의 두, 세 번째 항)

프란시스 수차, 프로펠러 수차• 물이 수차에 미치는 방향에 의한 분류- 접선수차(tangential wheel) : jet 가 수차에 접선 방향으로 작용, 펠톤 수차- 반경류수차(radial flow turbine) : 내향류형(프란시스 수차)- 혼류수차(mixed flow turbine) : 비속도가 큰 Francis 수차- 축류수차(propeller turbine) : 고정익(프로펠러 수차), 가동익(카플란 수차)

3. 수차의 분류

2122

21

21

222

21

21

1

2

2

2

pp

g

vvHHHH

p

g

vHH

p

g

vH

t

t

3


1. 수력효율

H : 유효낙차 ΔHi : 전손실수두(수력손실, 충돌손실, 배기손실)2. 체적효율

Q : 유량 ΔQ : 손실유량3. 기계효율

- 수동력 : 물이 수차의 회전차에 주는 동력

- 제동동력 : 수동력에서 기계적 손실에 상당하는 동력(Lm)을 뺀 동력- 기계효율 :

4. 전효율

4. 수차의 효율

H

HH ih

유효낙차

출력수두미치는회전차에물이내의수차

Q

QQv

유량공급되는수차에

유량지나는회전차를

)QQ)(HH(L iw

wm L

L

출력미치는회전차에물이내의수차

제동출력

이론출력

제동출력

thmvh L

L

HQ

L


• 수차의 비속도 :

- 원형의 수차와 같은 운전상태 하에서 단위낙차에 작용시켜 단위출력을 발생하게하는 상사적 모형 수차의 회전수

- 단위 : ns[kW] N (rpm), H (m), L (kW)ns[PS] N (rpm), H (m), L (PS)ns[PS] =1.166 ns[kW]

5. 수차의 비속도

45

21

/

/

sH

LNn

4

제 2 장 충동수차


1. 충동수차의 구조와 작동원리

• 충동수차(impulse turbine) : 펠톤 수차(Pelton turbine)만 실용화200 ~ 1,800 m의 고낙차지점에 적용

• 종류 :1) 횡축 단륜 단사형 (single runner, single jet)2) 횡축 단륜 2사형 (single runner, double jet)3) 횡축 이륜 2사형4) 횡축 이륜 4사형5) 입축 단륜 2사형6) 입축 단륜 사사형 또는 육사형

• 회전차 : 깃차, runner, 버킷차(bucket wheel)물과 상대운동을 하면서 물의 에너지를 흡수, 기계적 에너지로 변화disk의 바깥둘레에 다수의 버킷을 볼트로 조임, 또는 주조

• Pelton 수차의 bucket 의 수

D/d0 8 12 16 20 24

버킷의 수 18~22 20~24 22~26 24~28 26~30

1235051210d

D..~.Z

5


2. 펠톤수차의 이론

1. 압력수두와 속도수두의 변화• 유효낙차 :

p, v : 노즐 입구의 압력과 속도노즐 입구에서 위치에너지=0

2. 수압관 속의 손실• 관속으로 유입할 때 입구손실 관 속의 마찰손실 곡관에 의한 손실

• < 유효낙차 H 의 1%

3. 노즐의 효율과 유량• Cv : 노즐의 속도계수, 0.95 ~0.98

• 노즐의 효율 : 0.9 ~0.96

• 노즐의 유량 :

g

v

γ

pH

2

2

g

v.h p

a 250

2

g

v

d

lλh p

p 2

2

g

vζh p

l 2

2

lpa hhh

gHCvvvv v 2or 0.99 0101

222

1

2

22v

vn C

gH

)gH(C

H

g/vη

1204vdQ


2. 펠톤수차의 이론

4. 버킷의 형상• 버킷에 전달되는 동력 :

최대 동력을 얻기 위한최대 동력을 얻기 위한 u :

5. 버킷의 효율

))(uv(Qug

uRLb 10 cos1

20

10

20

10 cos12

21

cos1

v

))(uv(u

vQg

))(uv(Qug

b

에너지제트의

일받는버킷이

1

02

1vu

6


3. 펠톤수차의 효율

• 전효율 :

• 수력효율 : 기계효율 :

• 버킷의 수력효율 : 노즐의 수력효율 :

γHQ

L

L

Lη

th

mnhbmh ηηηηηη

g)/γQ(v

Lη bhb

221

H

g/vηn

221

bm L

Lη

수동력버킷의

제동출력

th

bh L

Lη

nhbh ηηη


4. 펠톤수차의 설계

1. 회전차의 지름 (D)• D = (10~20)d0 d0 : 제트의 지름D/d0=m 이라 하면

Cv=0.97이라하면

이므로

k : 이론상 0.5, 실제 0.42~0.48, k=0.45로 잡으면

2. 회전수 (N)

3. 비속도(ns)

gHCm

DπgHCd

πvd

πQ vv 2

42

44

22

012

0

gHπC

QmD

v 2

4 2

gHkπDN/u 260 4

15450H

Qm.D

N

Hk.

πN

gHkD

684260

N

HD

38

Qm

HN

H

Qm.

N

H 43

41

70 5450

38

2110494 0 ~CD

dkn vs

7

제 3 장 반동수차


1. 반동수차의 작용원리

• 반동수차의 종류1) Francis 수차 : 40~600 m, 고낙차 지점2) 사류 수차 : 40~180 m, 중낙차 지점3) propeller 수차 : 3~70 m, 저낙차 지점

• 원리 : 회전차 깃의 입구에서의 충동작용 (물이 부딪히는 작용 )과 출구에서의 반동작용(물이 차내버리는 작용)에 의해 수동력이 회전차에 전달

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2. 프란시스수차1. 구조와 형식

• 주요부분 : 회전차(runner ), 안내깃(guide vane), 스피드 링(speed ring, 고정날개), 스파이럴 케이싱(spiral casing), 흡출관(draft tube)

• 회전차 : 곡면의 깃을 disk에 붙인것깃수 : 소형 8~9 매, 대형 20~24 매안내깃의 수는 회전차 깃의 수보다 1매 적게 함

• 종류1) casing 유무 및 형식

open type (노출형)frontal type (전구형)spiral type (원심형)원심형 이외에는 효율이 나쁘고취급상 불편하여 현재 사용 안함

2) 구조상 : 그림 3-3횡축 단륜 단사형횡축 단륜 복사형횡축 이륜 단사형입축 단륜 단사형


2. 프란시스수차

2. 프란시스 수차의 이론(1) 압력, 속도수두의 변화

9



2. 프란시스 수차의 이론(2) 깃차의 출력• 물의 작용 : 원심펌프 경우와 같고 그 방향이 반대

• 물이 깃에 미치는 토오크 T (kg m) :

각도v : 절대속도, 1: 유입, 2:유출

깃에 미치는 동력 L (kg m/s) :

깃차의 수력효율 :

Lh=L 에서

일 때 최대의 일

)αvrαvQ(rg

γT 222111 coscos

)αvuαv(uQg

γωL=T 222111 coscos

γHQηL hh

222111 coscos αv-uαvuHgηh

902 α

)g

ωω

g

vv

g

uu(Hηh 222

22

21

22

21

22

21

111 cosαvuHgηh



2. 프란시스 수차의 이론(3) 흡출관의 작용• 회전차 유출 물의 수두 : 유효낙차 대비펠톤 수차 : 1 ~ 4 %, 프란시스 수차 : 4 ~ 25 %, 축류 수차 : 20 ~ 25 %

• 흡출관 (draft tube) : 회전차 출구와 방수면 사이를 연결하는 관• 흡출관의 효율 :

3. 프란시스 수차의 비속도

• 반지름 방향 유입 속도 :

유량 :

입구경 :

출구경 : (D3=흡출관 직경)

• 비속도 :

g/v

hη sls

21

22

gHCvv mm 2sin 11

gHBCDBvDQ mm 211

gHkN

uN

D 26060

111

1

332 ;

D

DDD

31

3494 CD

Dkns

10


3. 프로펠러 수차

1. 구조와 형식• 3~90 m의 저낙차, 유량이 큰 곳에 적용• 회전차 : 고정익

가동익- 낙차나 부하의 변동에 유리하게 한 것, Kaplan 수차• 축류펌프와 원리는 같고 에너지의 주고 받음이 반대• 주요부분 : 회전차, 안내깃, 케이싱, draft tube, 주축, 서보 모터


4. 주요부의 크기

1. 수차의 출력 :

2. 회전차의 비속도 :

회전수 :

발전기의 회전수 :

3. 회전차의 바깥지름

회전차 깃의 원주속도 :

바깥지름 :

4. 회전차 보스지름 :

5. 축류속도 :

6. 회전차 깃수 :

QH.L 89

5020

2000

H

ns

21

45

/

/

sL

HnN

p

fN g

120

gHKu aa 2

N

uD

2

260

2mDDb

22

2222 1

44

Dm

Q

DD

Qv

bm

uK/~z 11210

11

제 4 장 펌프수차


1. 펌프 수차의 내력

• 펌프 수차 : 회전차 회전을 정역으로 바꾸어 한 대로 펌프 및 수차 역할을 동시에 하는기계

• 전동발전기 (Motor/ Generator) : 전동기와 발전기 병용

• 이용 : 양수 발전소

• 펌프와 수차의 중간구조• 회전차는 펌프로서 설계 후 수차용으로서의 효율을 높이기 위한 설계 추가• 종류 :

H < 500 : 프란시스형 펌프 수차30 < H < 150 : 사류형 펌프 수차H < 20 : 프로펠러형 펌프 수차

• 구조 : 프란시스형 펌프 수차 (그림 4-1)

2. 구조와 형식

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제 5 장 수차의 특성과 제현상


1. 특성곡선

• 표시법1) x축 : 회전수

y축 : 출력, 효율, 토크, 유량, 안내깃, 니들 밸브의 개도를 변수로 표시2) x축 : 출력, y축 :효율, 유량

Kaplan 수차 : 출력이 변하여도 효율이 거의 일정하며 높은 값Propeller 수차 : 부분출력에 대한 효율이 나쁨Pelton 수차 : 부분출력에서도 효율은 저하하지 않으나, 최고 효율은 프란시스

수차보다 낮음3) x축 : 안내깃, 니들 밸브의 개도, y축 :출력, 유량, 효율

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• 무구속 속도 : 밸브의 열림 정도를 일정하게 유지하면서 무부하 운전을 할 때 도달하는최대회전수

• 정격회전속도에 대하여Pelton 수차 : 1.8~1.9 배, Francis 수차 : 1.6~2.2 배, Propeller 수차 : 2.0~2.5 배

• 발생지점1) 흡출관 상부2) Pelton 수차 :

버킷의 이면쪽, 버킷의 ridge의 선단, 노즐의 tip부분, 니들의 선단부

3) 프로펠러 및 카플란 수차 : 회전차 바깥둘레의 깃 이면쪽 부분, 날개 부근의 보스면

4) 프란시스 수차 : ns < 100 (저속도 수차) : 깃 입구쪽의 이면

100 < ns < 200 (중속도 수차) : 입구 및 출구쪽 깃의 이면

2. 무구속속도

3. 공동현상


•Thoma의 캐비테이션 계수 : 공동현상이 일어나기 시작하는 한계

• 기동이나 정지, 부하가 갑자기 변화할 경우, 유입수량이 급변함에 따라 관내에 큰압력변동이 생김

• 압력변동률 : Hr / H Hr : 상승 수압수두, H : 유효낙차

• 압력파의 전파속도• 수압상승의 근사식 : 식 (5-3)

3. 공동현상

γ

pz

γ

p

Hσ v

s01

4. 수격현상

Documents

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