Figure 33 Vertical axis turbine operating characteristics
수직축 터빈의 구동 특성 관련 선행 연구에서 수직축 터빈은 위 FIG 33 과 같 은 구동 특성을 가지고 있음을 확인하게 되었다. 터빈이 유입 유동에 의해 회전 하기 시작하면 곧바로 1차 가속이 시작되며 1차 가속이 끝난 후 아주 천천히 가 속되는 안정기에 들어가게 된다. 상대적으로 긴 안정기가 끝나면 2차 가속이 시 작되며 2차 가속이 끝난 후 다시 안정기에 들어가는 구동 특성을 보인다. (Hill et al., 2008)
이와 같은 수직축 터빈의 구동 특성이 이번 실험 결과에서 역시 나타나는지 여부에 따라 실험 재현의 적설성을 판단하였으며 판단 근거는 1차 가속, 1차가속 이후 안정기, 그리고 2차 가속 구간의 유무로 삼았다. 또한, 자가 구동되었는지의 판단 여부는 주속비가 1에 도달한 경우 자가 구동되었다고 판단하였으며(Lunt, 2005) 자가 구동을 판별할 주속비는 앞의 식 (2)에 의해서 계산되었다.
Figure 34 Turbine self starting characteristics by solidity
FIG 34는 2개의 솔리디티를 가지고있는 1, 2단 터빈이 주속비 1에 달성한 유 속에서의 측정 rpm 그래프이다. FIG 34 그래프에서 FIG 33의 수직축 터빈의 구 동 특성인 1차가속, 안정기, 그리고 2차가속을 확인 할 수 있었다. 그러므로 이번 실험에서는 수직축 터빈의 구동 특성 선행 연구와 유사한 재현성을 가지는 것으 로 판단하였다.
FIG 34를 통해 작은 솔리디티를 가지고 있는 터빈인 경우(파랑, 빨강, ■) 큰 솔리디티를 가지고 있는 터빈(노랑, 보라, ━ ━)보다 더 높은 유속에서 주속비 1 도달 즉, 자가 구동이 되었음을 확인하였다. 상대적으로 높은 유속에서 자가 구 동되었기 때문에 작은 솔리디티의 1차 가속 구간 (0-40초) 기울기가 큰 솔리디티 의 경우보다 가파르며 2차 가속 구간 에서 역시 큰 솔리디티의 터빈 과 비교 하
였을 때 상대적 기울기가 가파름을 확인하였다. 또한 작은 솔리디티 의 경우가
Table 5 1-Stage turbine self starting characteristics
솔리디티 유속(m/s) 자가 구동 달성
시간(sec) 터빈 rpm 자가 구동 여부
0.181 18 - 295 △
0.281 13.24 112 1265 O
0.372 8.87 80 847 O
Table 6 2-Stage turbine self starting characteristics
솔리디티 유속(m/s) 자가 구동 달성
시간(sec) 터빈 rpm 자가 구동 여부
0.181 18 - 200 △
0.281 14.67 200 1401 O
0.372 10.03 134 955 O
0.181의 솔리디티를 가지고 있는 터빈의 경우 임계 속도로 지정한 18m/s에서 작동하지 않아 미작동으로 표기 하였으며 유속을 더 높여 실험을 진행할 경우 주속비 1 이 되기 위한 터빈의 rpm이 2,000rpm에 다다르며 PLA 강도 역시 크 지 않아 더 이상의 높은 유속에서는 진행하지 않았다. 유입 유속에 따른 rpm 증 가는 확인하였지만, 자가 구동이 가능한지 여부는 이번 실험을 통해 확인할 수 없었다.
결과적으로 1단 터빈에서 큰 솔리디티(0.372)를 가지는 조건에서 작은 솔리디 티(0.281) 조건보다 약 4.4m/s 낮은 유속에서 주속비 1 에 달성하였으며, 주속비 1에 도달 하는 시간이 32초 정도 더 빠른 것으로 확인되었다.
2단 터빈에서 역시 큰 솔리디티를 가지는 조건에서 작은 솔리디티 조건보다 약 4.6m/s 낮은 유속에서 주속비 1에 도달 하였으며 66초 일찍 주속비 1에 도달 하였다.
이번 실험을 통해 큰 솔리디티를 가지고 있는 터빈이 주속비 1 에 도달하는 시간, 주속비 1에 도달 할 수 있는 유속 두 가지 측면에서 자가 구동에 유리하는 결과를 얻게 되었다. 또한, 이번 실험은 솔리디티가 커짐에 따라 자가 구동 특성 이 좋아진다는 선행 연구 결과(주성준, 이주희, 2016) 일치한 것을 확인 할 수 있 었다.
Figure 35 Turbine self starting characteristics by multi stage
1, 2단 터빈에 따른 자가 구동 특성을 FIG 35로 나타내었다. FIG 35를 1, 2단 터빈 차이에 따른 특성 변화 관점에서 보게 되면 2단 터빈(보라, 빨강, ━)의 경 우 1단 터빈(파랑, 노랑, ●)보다 주속비 1 도달에 시간이 오래 걸리는 것을 확인 할 수 있다. 큰 솔리디티 1, 2단 터빈의(노랑 보라) 경우 유속 조건이 다름에도 1 차 가속 기울기와 2차 가속 기울기가 매우 유사함을 확인 할 수 있었으며 차이 점은 안정기 구간의 길이였다. 이를 통해 안정기 구간이 짧을수록 자가 구동에 도달하는 시간이 짧아질 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또 다른 특성으로는 1단 터빈(노랑, 파랑) 주속비 1에 도달 할 수 있는 유속이 2단 터빈에 비해 낮았으며 그에 따라 주속비 1 이 되기 위한 rpm 역시 작아지게 되었다.
역시 1, 2단 터빈에 따른 자가 구동 특성 비교를 위해 구체적인 수치를 Table 7, 8, 그리고 9에 나타내었다.
Table 7 0.181 Solidity turbine self starting characteristics
Table 8 0.281 Solidity turbine self starting characteristics
솔리디티 터빈
Table 9 0.372 Solidity turbine self starting characteristics
솔리디티 터빈
1단 터빈이 주속비 1 에 도달하는 시간, 주속비 1에 도달 할 수 있는 유속 두 희, 2016),(Worasinchai, et al., 2016)
위 설명을 보다 쉽게 설명하기 위해 팽이에 예를 들어 설명한다면 큰 힘으로 가끔 때리는 팽이와 약한 힘으로 자주 때리는 팽이를 비교가 가능하며 큰 힘으 로 가끔 때리는 팽이 즉 1단 터빈 이 2차 가속 즉 주속비가 1에 도달 하는 시간 까지 걸리는 시간이 짧아진다는 결과를 통해 1단 터빈이 더 자가 구동 특성에 유리함을 알게 되었다.
Figure 36 Self starting characteristics according to load
다음으로는 자가 구동 특성이 가장 좋으며 1, 2단 터빈에서의 자가 구동 특성 도 가장 유사한 0.372 솔리디티를 가지고 있는 터빈으로, 부하 여부에 따른 구동 특성에 대해 알아보았다. 이를 위해 파티클 브레이크로 터빈 회전축에 일정한 부 하를 가하였을 때 (0.0255 Nm) 터빈의 자가 구동 특성 변화에 대해 실험하였다.
FIG 36 를 통해 예상대로 축에 일정한 부하가 있는 경우(노랑, 보라, ┿) 부하 가 없는 경우(파랑, 빨강, ◇)보다 더 높은 유속에서 주속비 1을 달성함을 확인하 였다. 1단 터빈의 경우(노랑 파랑) 부하가 있는 1단 터빈(노랑)이 1차 가속 기울 기가 상대적으로 매우 낮으며 부하를 극복하는 시간이 걸리는 것을 확인 할 수 있었다. 반면, 부하가 있는 1단 터빈이 주속비 1에 더 빨리 도달함을 확인하였으 며 구동 특성 중 하나인 안정기 구간이 거의 없음을 확인 할 수 있었다. 2차 가
속 기울기의 경우 부하가 있는 터빈이 더 가파른 것을 확인하였다.
2단 터빈(빨강, 보라)에서는 부하가 있는 2단 터빈(보라)이 더 높은 유속에서 주속비 1 에 달성하였으며 달성하는 시간도 가장 길었다. 주의하여 봐야 할 요소 로는 부하가 있는 터빈이 2차 가속 경사가 더 가팔랐으나 1차 가속 구간(0-40초) 에서 부하가 있는 터빈과 없는 터빈의 기울기가 매우 유사함을 확인할 수 있었 다. 이를 설명하기 위해 유속에 따른 1차 가속 경향을 확인하였으며 유속을 세분 화 하여 FIG 37에 나타내었다.
Figure 37 1st Acceleration inclination according to flow velocity
FIG 37 에서는 터빈이 회전하기 시작한 이후 1차 가속 까지의 특성을 나타내 었다. 유속 변화에 따른 1차 가속 경향을 파악하기 위하여 회전은 하였지만 주속 비 1에 도달 하지 못한 유속 조건에서의(16.1m/s 이하의 조건) 실험 결과들을 비 교 하였다. FIG 37을 통하여 유속이 높아짐에 따라 1차 가속 경사도가 높아짐을 확인하였으며 FIG 36에서 부하를 가지고 있는 2단 터빈(보라)의 1차 가속 기울 기가 부하가 없는 2단 터빈(빨강)의 1차 가속 기울기가 유사한 원인이 높은 유속
에 의한 것이었음을 알 수 있게 해주었다.