프란시스 터빈 성능 실험 및 효율 분석

본 내용은 " [단국대]터빈성능 실험 레포트 A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.07

문서 내 토픽

• 1. 프란시스 터빈(Francis Turbine)

  프란시스 터빈은 반동터빈으로 분류되며, 유입된 물이 터빈 케이싱을 통해 원주방향으로 들어와 고정 안내깃을 거쳐 러너로 흐른다. 물은 거의 반지름 방향으로 러너에 유입되며 축 방향으로 유출된다. 유동형태는 원심펌프와 정반대이며, 유출된 물은 흡출관(draft tube)으로 알려진 디퓨져를 거쳐 방수로로 들어간다. 프란시스 터빈은 발전소에서 사용할 만큼 높은 효율을 자랑하는 터빈 중 하나이다.

• 2. 터빈 효율 측정 및 계산

  터빈의 효율은 기계동력(Mechanical Power)을 수력동력(Hydraulic Power)으로 나눈 값에 100을 곱하여 계산된다. 수력동력은 유량과 압력의 곱으로, 기계동력은 회전수와 토크를 이용하여 계산한다. 실험 결과 유량이 증가함에 따라 효율이 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 약 15%에서 46%까지 증가하였다. 이는 실험 조건의 유량이 터빈의 설계 유량 이하임을 의미한다.

• 3. 캐비테이션(Cavitation) 현상

  캐비테이션은 고속 유동하는 작동유체의 압력이 국부적으로 저하되어 포화 증기압에 달할 때 발생하는 기포 현상이다. 공동현상은 유체의 통로를 방해하고 유량에 영향을 미쳐 효율을 저하시킨다. 비정상적인 유동으로 전체 유동을 저하시켜 유체기계를 진동시킨다. 캐비테이션을 줄이기 위해서는 회전수를 낮춰 속도를 줄이고, 입구 배관의 직경을 크게 하여 압력손실을 감소시키며, 깃의 형상을 개선하는 방법이 있다.

• 4. 충동터빈과 반동터빈의 분류

  수력 터빈은 충동터빈(Impulse Turbine)과 반동터빈(Reaction Turbine)으로 분류된다. 충동터빈은 고속 자유제트에 의해 구동되며 유체가속과 압력강하는 노즐에서 일어난다. 반동터빈은 압력변화의 일부가 외부에서, 일부가 가동깃 내에서 일어나며, 유체가 꽉 찬 상태로 작동되어 주어진 크기에 대해 더 많은 동력을 생산할 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 프란시스 터빈(Francis Turbine)

  프란시스 터빈은 중낙차 수력발전에 가장 널리 사용되는 반동터빈으로, 뛰어난 효율성과 안정성을 제공합니다. 이 터빈은 나선형 흡입부와 방사형 임펠러 설계를 통해 광범위한 운영 조건에서 우수한 성능을 발휘합니다. 특히 50~300m의 낙차 범위에서 최적화되어 있으며, 90% 이상의 효율을 달성할 수 있습니다. 현대 수력발전소에서 프란시스 터빈의 중요성은 매우 높으며, 지속적인 설계 개선과 재료 기술 발전으로 더욱 향상되고 있습니다. 다만 고낙차 환경에서는 캐비테이션 문제가 발생할 수 있어 주의가 필요합니다.

• 2. 터빈 효율 측정 및 계산

  터빈 효율 측정은 수력발전소의 성능 평가와 최적화에 필수적인 요소입니다. 효율은 입력 수력에너지 대비 출력 기계에너지의 비율로 정의되며, 정확한 측정을 위해서는 수두, 유량, 회전속도, 토크 등 여러 매개변수의 정밀한 계측이 요구됩니다. 국제표준(ISO 9906)에 따른 체계적인 측정 방법이 존재하며, 현장 조건에서의 실제 효율은 설계 효율보다 낮을 수 있습니다. 효율 저하 원인 분석을 통해 유지보수 시기를 결정하고 운영 최적화를 도모할 수 있으므로, 정기적이고 신뢰성 있는 효율 측정이 매우 중요합니다.

• 3. 캐비테이션(Cavitation) 현상

  캐비테이션은 유체의 압력이 포화증기압 이하로 떨어질 때 발생하는 기포 형성 현상으로, 터빈의 성능 저하와 손상을 초래하는 심각한 문제입니다. 특히 고낙차 환경이나 고속 운전 조건에서 발생 위험이 높으며, 임펠러 표면의 침식, 소음 증가, 진동 발생 등의 부작용을 야기합니다. 캐비테이션 지수(σ)를 통해 발생 가능성을 예측할 수 있으며, 설계 단계에서의 적절한 형상 최적화와 운영 중 흡입수두 관리가 예방의 핵심입니다. 캐비테이션 현상의 이해와 대응은 터빈의 수명 연장과 안정적인 발전소 운영을 위해 필수적입니다.

• 4. 충동터빈과 반동터빈의 분류

  충동터빈과 반동터빈은 에너지 변환 방식에 따른 근본적인 분류로, 각각 고유한 특성과 적용 범위를 가집니다. 충동터빈(펠톤, 터고)은 고낙차에서 수압을 운동에너지로 변환하여 버킷에 충돌시키는 방식으로, 구조가 단순하고 효율이 높습니다. 반동터빈(프란시스, 카플란)은 중·저낙차에서 압력과 속도 변화를 동시에 이용하며, 광범위한 운영 조건에 적응합니다. 각 터빈 유형의 선택은 낙차, 유량, 운영 조건 등을 종합적으로 고려하여 결정되며, 올바른 분류 이해는 효율적인 수력발전소 설계와 운영의 기초가 됩니다.