for Marine Environmental Engineering
Vol. 13, No. 4. pp. 241-248, November 2010241
파라메트릭 스터디를 통한 조류발전용 다리우스 터빈의 설계연구
한준선1· 현범수2,†·최다혜2· 모장오3·김문찬4· 이신형5
1한국해양대학교 수중운동체특화연구센터
2한국해양대학교 조선해양시스템공학부
3한국해양대학교해양에너지전문인력양성사업단
4부산대학교 조선
· 해양
공학과5서울대학교 조선해양공학과
Study on Design of Darrieus-type Tidal Stream Turbine Using Parametric Study
Jun Sun Han1, Beom-Soo Hyun2,† , Da-Hye Choi2, Jang-Oh Mo3, Moon-Chan Kim4, and Shin-Hyung Rhee5
1Underwater Vehicle Research Center, Korea Maritime Univ., Busan 606-792, Korea
2Div. of Naval Architecture & Ocean Engineering, Korea Maritime Univ., Busan 606-792, Korea
3Human Resouces Development Center for Ocean Energy Korea Maritime Univ., Busan 606-792, Korea
4Department of Naval Architecture & Ocean Eng., Pusan National Univ., Busan 609-735, Korea
5Department of Naval Architecture & Ocean Eng., Seoul National Univ., Seoul 151-742, Korea
요 약
본 논문은 조류발전을 위하여 가장 보편적으로 사용되는 수직축 조류발전 터빈의 하나인 다리우스 터빈의 효 율에 미치는 다양한 설계변수의 영향을 살펴보기 위하여 수행하였다. 날개 수, 코드 길이, 피치 및 캠버를 설 계변수로 채택하였으며, 2차원 및 3차원 비정상 난류유동해석을 위하여 FLUENT의 RANS방정식과 k-e 난류 모델을, 격자계 모델링을 위하여 GAMBIT을 이용하였다. 기본적인 수치해석방법은 정현주 등(2009)을 참조 하였다. 설계변수 변경에 따른 방대한 계산 량을 감안하여 수치해석의 신뢰도가 허락하는 범위에서 대부분 2 차원 해석으로 결과를 도출하였다. 본 연구에서 제시한 설계변수의 최적화를 통하여 기준모형보다 월등한 성 능을 보이는 고효율 수직축 터빈 모델을 제시할 수 있었다.
Abstract − This paper deals with the performance analysis and design of the Darrieus-type vertical axis turbine to evaluate the effect of key design parameters such as number of blade, blade chord, pitch and camber. The commercial CFD software FLUENT was employed as an unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) solver with k-e turbulent model. Grid system was modelled by GAMBIT. Basic numerical methodology of the present study is appeared in Jung et al. (2009). Two-dimensional analysis was mostly adopted to avoid the bar- rier of massive calculation required for parametric study. It was found that the highly efficient turbine model could be designed through the optimization of design parametrrs.
Keywords: Vertical Axis Tidal Stream Turbine(수직축 조류발전 터빈), Computational Fluid Dynamics(전 산유체역학), Parametric Study (파라메트릭 스터디) Tip-Speed Ratio(끝단속도비), Optimum turbine efficiency(최적효율)
†
Corresponding author: [email protected]
1. 서 론
국내의 조류에너지는 매우 풍부하며, 인천을 비롯한 서해안과 남해안에 조류속도가 4노트 이상이 되는 지역이 산재해 있어 영 국, 노르웨이, 캐나다, 미국 등과 함께 조류발전 개발의 최적지 중 하나로 꼽히고 있다(에너지관리공단[2008]). 조류발전은 해수의 유 동에 의한 운동에너지를 이용하여 수차를 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로서, 날씨 변화나 계절 에 관계없이 발전량이 예측 가능하며 신뢰성 있는 에너지원으로 적용이 가능하고, 해수유동이 자유롭고 해양 환경에 미치는 영향 이 거의 없어 환경 친화적이다. 조류발전터빈은 터빈의 회전 방향 에 따라 수직축 터빈(VAT: Vertical Axis Turbine)과 수평축 터빈 (HAT: Horizontal Axis Turbine) 으로 분류 된다.
본 연구에서 채택한 수직축 터빈은 다리우스 타입 터빈(Darrieus Type Turbine) 으로서, 초기 구동과 효율 측면에서 다소 약점이 있 지만, 유동의 방향에 무관하게 항상 작동이 가능하다는 점과 형상 의 단순함으로 인하여 중소형 터빈의 경우 아직도 널리 채택되는 방식이다. 또한 성능향상을 위하여 헬리컬 터빈이나, 가변피치 방 식인 Cycloidal blade system 터빈 방식 같은 특수 터빈으로의 응 용 설계가 가능하다는 것이 장점이다. 수평축 터빈의 성능 및 설 계에 대한 연구는 풍력발전의 터빈 방식과 흡사하고 국내외 연구 논문이 많으나 수직축 터빈의 성능 및 설계에 대한 연구는 아직 부족한 실정이며, 수직축터빈의 성능 최적화를 위한 체계적인 수 치연구는 찾아보기 어렵다. 이는 준정상 상태로 가정하고 해석이 가능한 수평축 터빈 방식과 달리 수직축 터빈 방식은 비정상상태 의 유동과 VIV(Vortex Induced Vibration) 현상에 대한 해석상의 어려움이 있기 때문이라 할 수 있겠다.
본 논문은 조류발전용 수직축 터빈의 다양한 터빈 설계변수를 체계적으로 변화시키면서 수치해석을 수행하여 터빈의 성능향상 과 설계변수의 최적화를 도모하였다. 최적화의 대상 터빈날개로는 실험치가 존재하는 Klaptocz et al.(2007)의 NACA63
4-021 을 기 준으로 하였고, 고려한 설계변수로는 터빈의 날개수와 코드 길이 로 표시되는 솔리디티(Solidity), 날개의 피치와 캠버를 대상으로 하였다. 격자 계와 난류모델 등의 수치해석방법은 기존의 연구인
정현주 등(2009)을 참조하였다. 설계변수를 변화시키면서 최적의 값을 도출하는 파라메트릭 스터디는 방대한 계산 량을 요구하기 때문에 현재의 계산용량으로는 다양한 3차원 비정상 유동해석을 실시하는 것이 비현실적이기 때문에 대부분의 계산은 상대적으로 간단한 2차원 해석을 통하여 수행하였다. 대신 실험치가 존재하는 계산조건에서 3차원 계산결과와의 비교를 통하여 2차원해석의 타 당성을 일부 검증하였다.
2. 모형, 수치해석 방법 및 계산조건 2.1 대상모형
본 연구에서 선정한 기준 날개모델은 실험 및 수치해석 결과가 존재하는 Klaptocz et al.(2007)의 NACA63
4-021 을 사용하였다.
(Fig. 1) NACA63
4-021 익형은 상하 대칭익형이며, 풍력발전의 날 개로 많이 사용되는 단면으로 알려져 있다. 기준 설계변수로는 날 개수가 3개이며, 직경 D=0.91 m, 코드길이 c=0.068 m, 스팬 H=0.68 m 이며, 피치 p=0
o이다.
2.2 수치해석
해석은 ANSYS 사의 GAMBIT과 FLUENT 6.3을 사용하여 수 치해석을 수행하였다. 최적의 유동적 해석영역 설정을 위한 선행 연구를 수행하여 해석상의 경계가 터빈출력에 미치는 영향을 최 소화하는 해석영역을 확보하였다. Fig. 2는 날개 주위의 격자를 나 타내고 있으며, 로터의 격자 계는 모두 정렬 격자로 구성을 하였 다. Fig. 3은 본 연구에 수행된 해석영역을 나타내고 있다. 전체적 인 격자 계는 Klaptocz et al.(2007)과 같이 구성하였으며, 터빈 지 름 D를 기준으로 유입방향으로 5D, 유출방향으로 15D, 상하 방 향으로 5D의 해석영역을 설정하였다. 해석 모델의 격자는 2개의 도메인으로 나누어져 있다. 로터 도메인은 유동의 속도 및 압력 변화가 큰 도메인이므로 가장 조밀한 격자 구성을 가진다. 가장 바깥쪽에 위치한 외곽 도메인은 직사각형 형상이며 로터의 회전 에 의한 유동의 변화를 상쇄시켜 줄 수 있을 정도로 큰 크기를 가 진다. 로터 도메인을 회전시키기 위하여 슬라이딩 메쉬(sliding mesh) 기법을 사용하여 회전 유동장을 구현하였다. 계산 시 터빈
Fig. 1. Schematics of model system.
의 회전 없이 정상상태에서 먼저 수렴을 시킨 다음 터빈의 회전 속도를 가하여 비정상 해석을 수행하였다. 기타 상세한 격자 계와 수치해법은 정현주 등(2009)을 참고하면 된다.
2.3 계산조건
TSR 은 끝단속도비로서 터빈의 무차원 운용속도를 의미하는데, 유체가 흐르는 속도에 대한 로터 블레이드 끝단의 회전에 의한 선 속도 비로 나타낸다.
TSR = = (1)
여기서 R은 터빈 반지름, V는 조류속도를 나타낸다. 본 논문에서 는 이 값을 기존 실험 논문에서 수행한 값과 동일한 TSR 2.25와 3.5 에서 해석을 수행하였다. 이때, 레이놀즈수(Re)는 TSR=2.25일 때 약 1.54×10
5, TSR=3.5 일 때 약 2.38×10
5이 된다. 유동해석 조 건은 아래의 Table 1과 같다.
매 시간간격마다 모든 블레이드들의 토크 합을 구하였고, 이 값 들을 시간에 대한 평균을 하여 토크 T를 계산하였다. 여기서 구해 진 토크에 각속도 Ω로 곱하여 유체공학적 축동력 P
w을 계산한다.
(2) 끝으로 동력계수(Power Coefficient) C
p는 로터에 유입되는 유 체가 갖는 단위시간당 동적에너지에 대한 로터의 기계적 출력 에 너지의 비(즉, 로터의 에너지 변화율)를 나타내는 무차원 계수로 서 출력계수라고도 한다.
(3)
3. 해석코드의 적용가능성 검증 3.1 Klaptocz et al.(2007)과의 비교
파라메트릭 스터디에 앞서 본 수치해석의 검증을 위하여 몇 가지 사전 계산을 실시하였다. 기준모형에 대한 2차원 계산결과의 검증 을 위하여 끝단속도비(TSR)가 2.25 일 때 Klaptocz et al.(2007) 의 2차원 계산결과 및 실험결과와 비교하였다. 이때 유속은 1 m/s, 직경은 0.91 m이며, 각속도는 47.22 rpm(4.95 rad/s)이다, 먼저 Fig. 4 는 각 날개별로 로터 1회전시의 동력계수를 나타내고 있다.
각 날개의 한 회전 중 20% 정도의 구간에서만 토크 발생에 기여 하는 양력성분이 발생하며 나머지 구간에서는 터빈의 회전에 기 여하는 성분이 거의 존재하지 않음을 알 수 있다. 따라서 다리우 스 터빈은 어떤 방법으로 양의 토크 발생구간을 넓히면서 동력의 최대값을 상승시킬 수 있느냐에 따라 성능이 결정될 것이다.
Fig. 5 는 TSR=2.25일 때의 동력계수 2차원 계산 값을 Klaptocz
tip speed of rotor blade flow speed
R Ω ⋅ --- V
P
w= Ω T ⋅
C
pP
wρV
3RH ---
=
Fig. 2. Grid system around the blade.
Fig. 3. Computational domain and boundary conditions.
Table 1. Test conditions TSR Current Speed
(m/s)
Turbine Angular Speed (rad/s)
Reynolds number
2.25 1 4.95 1.54e+05
3.5 1 7.69 2.38e+05
Fig. 4. Comparison of each blade.
Fig. 5. Comparison of power coefficient at TSR=2.25 (Klaptocz et
al.[2007]).
et al.(2007)의 2차원 수치해석 및 실험결과와 비교한 그래프이다.
수치해석 결과 기존 실험 논문의 수치해석 결과 값과 실험값이 유 사한 동력계수 값을 가짐을 알 수 있다.
Table 2 는 기존 실험 논문과 본 연구에서 수행한 효율을 평균 한 값이다. 본 연구의 계산이 2차원임을 감안할 때 계산 값이 실 험값보다 작게 예측된 것은 다소 아쉬운 대목이지만, 전반적으로 비교적 우수한 결과를 보이고 있다고 판단된다.
Fig. 6 과 Table 3은 유속이 1 m/s이며, 반경은 0.455 m, 각속도 는 73.45 rpm(7.69 rad/s)일 때의 결과이다. Fig. 6는 TSR=3.5일 때의 동력계수를 비교한 그래프이고, Table 3은 시간평균 동력계 수의 값이다. 이 경우 역시 수치해석 값이 실험값과 매우 유사한 동력계수가 나오는 것을 알 수 있다. 기존의 수치 해석과 실험의 오차보다 이번 연구에서 수행한 수치해석 값이 실험값에 대한 오 차가 적었으며, TSR=2.25일 때 보다 효율이 크게 감소하여 거의 마이너스 값이 도출 되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 해석 코드의 적용가능성을 검증한 결과 수치해석 이 실험값과 유사한 동력계수를 나타내었고, 기존의 수치해석과도 유사한 값을 도출하고 있음을 알 수 있었다.
3.3 2차원과 3차원 해석 비교
본 수직축 터빈은 스팬-코드비가 H/c=10으로서 2차원 날개로 근사할 수는 있겠으나, 스팬의 유한성으로 인하여 2차원 해석에는 분명 한계가 존재하는 게 사실이다. 3차원 해석은 2차원 해석보다
날개 끝에서 발생하는 복잡한 유동현상의 해석을 통하여 보다 신 뢰성 있는 결과를 제공할 수 있겠으나 수치해석에 막대한 시간을 초래하는 현실적인 장벽이 있다. 예를 들어 2차원 해석이 본 연구 에서 사용한 병렬 컴퓨터(Core2Duo 2.88GHz)로 4시간 이내에 결 과를 주는데 반하여 3차원의 해석시간은 거의 일주일을 소비하였 다. 따라서 수직축 터빈은 2차원 해석이 최소한의 신뢰성을 준다 는 전제하에 파라메트릭 스터디를 수행하는 것이 현실적이라 할 수 있다. 설계를 위하여 정량적 측면보다는 정성적인 측면에서 설 계변수의 변화에 따른 효율의 우열을 가리는 것도 중요하기 때문이다.
끝단속도비 2.25와 3.5에서 2차원과 3차원 해석결과는 Fig. 7, Fig. 8 및 Table 4와 같이 비교된다.
2 차원과 3차원 그리고 실험과의 비교 결과 본 계산결과가 2차 원, 3차원 해석 공히 실험값보다 약간 작게 예측하는 것을 알 수 있다. 수직축 터빈의 3차원성은 이 경우 그다지 크게 예측되지 않 았다. 실험값과 3차원 수치 해석을 비교하면 3차원 수치해석 값이 실험값에 비해 약 89%정도의 값이 나온 것을 알 수 있으며, 2차 원과 비교했을 때 약 91%정도의 값이 나온 것을 알 수 있었다. 이 Table 2. Mean Cp at TSR = 2.25
구분 Calculation
(Klaptocz et al.) Experiment
(Klaptocz et al.) Present Result
평균 0.149 0.138 0.134
Fig. 6. Comparison of power coefficient at TSR=3.5 (Klaptocz et al.[2007]).
Table 3. Mean Cp at TSR = 3.5 구 분 Calculation
(Klaptocz et al.) Experiment
(Klaptocz et al.) Present Result
평균 -0.0019 0.0106 -0.016
Table 4. Comparison of mean Cp at NACA63
4-021
TSR Klaptocz et al. (2007) Calculation (Present Result)
Exp. Cal. 2-D 3-D
2.25 0.138 0.149 0.134 0.123 3.5 0.0106 -0.0019 -0.016 -0.016 Fig. 7. Comparison between 2-D & 3-D calculations at TSR=2.25.
Fig. 8. Comparison between 2-D & 3-D calculations at TSR=3.5.
상으로 볼 때 파라메트릭 스터디에서와 같은 대량 수치해석 시에 는 2차원 해석으로 설계 파라메터의 정성적인 우열을 가리는 것 이 가능할 것으로 보인다.
4. 설계변수에 변경에 따른 해석결과 4.1 끝단속도비(TSR)의 변화
NACA63
4-021 익형의 로터 시스템에 대한 최적의 끝단속도비 값을 도출하였다. 유속과 직경은 모두 동일하며, 각속도만 변화시 켜 수치해석을 수행하였다. 1회전 시의 동력계수(Cp)를 평균하여 비교를 하였으며, 기존 논문의 실험값과 수치해석 값을 비교하였다.
해석 수행 결과 Fig. 9에 보이는 것과 같이 기존 논문에서 수행 한 끝단속도비 2.25와 3.5의 평균 동력계수(Cp)보다 끝단속도비 2.75 일 때 동력계수가 더욱 높은 것을 확인하였고, 추후에 수치해 석을 수행 시에 최상의 동력계수가 도출된 끝단속도비 2.75를 사 용하여 수치해석을 수행하였다. 참고로 TSR=2.75 일 때의 최대 평균동력계수는 0.19이다.
4.2 날개 수, 코드길이, 솔리디티의 변화
로터의 설계변수로는 날개 수 N, 직경 D, 날개 형상, 코드길이 c, 피치각 p, 캠버 f 등 여러 파라미터가 존재한다. 이 중 날개 수, 직 경 및 코드를 대표적인 형상 설계변수인 솔리디티로 무차원화 하 기로 한다. 솔리디티는 로터에서 날개가 회전함에 의해 생기는 궤 적의 면적에 대해 전체 날개가 차지하는 면적의 비로서 식 (4)과 같이 나타낼 수 있다(이윤한[2008]). 이는 로터의 시스템의 형상 을 구성하는 하나의 통일된 기준으로서, 로터의 설계 및 해석을 위한 중요한 파라미터가 된다.
(4)
Table 5 는 통해 블레이드 개수를 3개, 4개, 6개로, 코드길이를 각각 0.068 m, 0.1 m, 0.12 m로 각각 변화시키면서 얻은 솔리디 티의 변화 양상이다.
솔리디티의 영향을 보기 전에 먼저 날개수와 코드길이의 영향
을 보기 위하여 Fig. 10, 11, 12와 같이 계산을 수행하였다. 날개 수가 적을수록, 그리고 코드길이가 작을수록 효율이 좋아짐을 명 확하게 볼 수 있다. 또한 본 터빈의 경우 코드길이가 0.1 m 이상이 되면 효율이 아주 나빠지고 있다. 다만 날개수가 적을 경우 효율은 좋지만 순간동력의 변동 폭이 커서 안정적인 동력을 얻는 데는 불 리한 측면이 있음도 볼 수 있다. 날개수가 증가하면 각 날개들 사 이에 발생하는 상호작용에 영향에 의하여 효율이 저하되는 것으로 파악되고 있다.
Fig. 13 은 날개 수에 따른 평균동력계수이고, Fig. 14는 솔리디 S Nc
2πR ---
=
Fig. 9. Mean power coefficient with TSR.
Table 5. Solidity as a design variable
No. of blades Chord length (m) Solidity Re 3 0.068 0.072 1.54*10
53 0.1 0.105 2.24*10
53 0.12 0.126 2.69*10
53 0.14 0.147 3.14*10
54 0.068 0.096 1.54*10
54 0.1 0.140 2.24*10
54 0.12 0.168 2.69*10
56 0.068 0.144 1.54*10
56 0.1 0.210 2.24*10
56 0.12 0.22 2.69*10
5Fig. 10. Power coefficient with various chord lengths (3 blades).
Fig. 11. Power coefficient with various chord lengths (4 blades).
티에 따른 평균동력계수이다. 날개 수 3개와 4개 사이에 평균 Cp 의 차이는 그리 크지 않았으며 날개수가 6개로 증가되었을 때는 아주 열약한 성능을 확인할 수 있었다. 즉 날개수가 적어질수록 효율은 높아지지만 동력계수의 변화가 커지며, 날개수가 많아지면 반대의 경향이 분명히 예측되었다. 시스템 구조적인 측면이나 생 산하는 전기의 질적인 측면에서 Cp의 변동폭이 큰 것은 바람직하 지 않은 결과를 야기할 것이므로 효율이 최소한도로 확보된다는 전제하에 날개수가 많은 쪽으로 결정을 하는 것이 타당할 수도 있
지만 본 연구에서는 효율의 절대 값이 큰 날개수 3개인 경우를 최 적값으로 판단하였다. 한편 Fig. 14에서 보는 바와 같이 솔리디티 의 증가가 효율감소를 야기하는 경향이 분명하게 예측되고 있으며, 이로부터 솔리디티가 수직축 터빈의 시간평균 성능 측면에서 매우 중요한 설계변수 임을 확인하였다. 본 수직축 터빈은 솔리디티가 0.1 이상이 되면 더 이상 터빈으로서의 역할을 보여주지 못하였다.
4.3 날개 피치의 변화
터빈 날개는 회전축을 중심으로 회전하고, 기계적 장치 등에 의 해 피치를 변화시키면 유체의 입사각이 바뀌게 된다. 그에 따른 양력과 항력이 변화하게 되며, 이는 효율에 영향을 주게 된다. 즉 회전방향으로 각 위치마다 최적의 피치를 주게 되면 효율이 증가 하고, 고정피치 보다 가변피치가 더욱 효율이 놓은 것을 여러 논 문을 통하여 확인 할 수 있다(이윤한[2008]). 본 연구는 가변피치 터빈의 해석에 앞서 날개의 피치(p)를 몇 개의 상수로 고정하고 동일한 해석 조건으로 계산을 수행하였다. 이때 날개 수는 3개, 직 경은 0.455 m, 코드길이는 0.068 m이며, 유속과 TSR은 각각 1 m/s 와 2.75에서 피치를 -5
o에서 +5° 범위에서 1
o씩 변화하면서 계산을 수행하였다. 피치변화에 따른 순간효율 Cp는 Fig. 14에, 시간 평 균한 평균효율은 Fig. 15와 같다.
Fig. 12. Power coefficient with various chord lengths (6 blades).
Fig. 13. Power coefficient vs number of blade.
Fig. 14. Power coefficient vs solidity.
Fig. 14. Power coefficients with various pitch angles.
Fig. 15 에서 보는 바와 같이 전반적으로 음의 피치의 경우에는 효율이 감소하지만, 양의 피치에서는 효율이 증가하는 경향을 보 이고 있다. 피치 각이 4도에서 가장 좋은 효율을 나타 내었으나 그 이후에는 다소 감소하는 경향을 보였다.
4.4 날개 캠버의 변화
캠버 f는 대칭익형(Symmetric Blade)의 양항력 특성을 조절하기 위해 흔히 사용되는 설계변수로서 코드길이 기준으로 -10%에서 10%
까지 2.5%시 변화시키면서 해석을 수행하였다. 기존 설계변수 해석 과 동일하게 날개 수는 3개, 직경은 0.455 m, 코드길이는 0.068 m 이며, 유속과 TSR은 각각 1 m/s, 2.75 일 때 해석을 수행하였다.
Fig. 16 은 캠버가 양일 때와 음일 때, 1회전 시 동력계수의 변화 를 나타내고 있다. 캠버의 영향을 확인해 본 결과 캠버가 없을 때 효율이 가장 높으며 캠버가 작아 질 때와 커질 때 최대 값의 감소가 나타난다. 그러나 설계범위에서 캠버의 영향은 그리 크지 않으며, 최 적화를 위해 각각의 설계조건에서 캠버의 수치를 미소하게 조정하 여 효율을 높일 수 있지만, 최적의 수치를 찾지 않으면 효율이 극도 로 저하될 위험이 있음을 Fig. 17을 통해 알 수 있다.
4.5 최적 로터의 도출
최적의 TSR인 TSR=2.75에서 솔리디티의 변화, 날개의 피치 및 캠버 변화에 따른 성능을 비교한 결과 본 수직축 터빈의 설계변
수는 Table 6과 같이 얻어짐을 알 수 있었다.
Fig. 18 은 Klaptocz et al.(2007)의 수치해석 및 실험값과 본 연 구에서 수행한 수치해석 및 최적 설계시의 동력계수를 비교한 것 이다. 로터가 1회전 할 때 그래프의 경향은 크게 차이가 없는 것 처럼 보이나 Fig. 19와 같이 평균 동력계수를 보면 실선으로 표시 된 최적 설계 값이 점선으로 표시된 기준 설계 값에 비하여 크게 Fig. 15. Mean power coefficient with various pitches.
Fig. 16. Power coefficient with respect to camber.
Fig. 17. Mean power coefficient with camber.
Table 6. Optimum parameters selected at V=1 m/s
TSR No. of Blade Solidity Pitch Camber Cp 2.75 3 0.072 +4 deg 0% 0.217
Fig. 18. Power coefficient at optimum design condition.
차이가 있는 것을 확인 할 수 있다. 성능 개선은 특별히 TSR이 큰 영역에서 두드러지게 나타났다.
본 연구는 수직축 터빈 설계를 위한 상용 CFD 코드의 실용적 인 이용에 대하여 검토하였는데, 본 연구결과로 도출한 최적 파라 메터는 제한적이기는 하지만 2차원 해석 만으로도 우수하게 설계 에 응용될 수 있음을 보여준다 하겠다.
5. 결론 및 고찰
본 논문은 다리우스형 수직축 조류발전 장치의 설계를 위하여 CFD 를 이용한 파라메트릭 스터디 기법으로 설계변수를 최적화하 는 연구를 수행하였다. 먼저 해석결과의 신뢰도를 확인하고 관련 된 수치 파라미터들의 결정을 위해 간단한 검증을 수행하였고, 기 존의 실험값이 존재하는 Klaptocz et al.(2007)의 NACA63
4-021 날개를 기준모형으로 하여 터빈의 성능 개선을 시도하였다. 얻어 진 결론을 정리하면 다음과 같다.
(1) FLUENT 를 사용한 2차원 및 3차원 수치해석 결과 정량적, 정성적으로 본 수치해법의 신뢰성을 확보하였으며, 검증한 조건하 에서 2차원 해석으로도 충분히 설계변수의 향상을 꾀할 수 있음 을 확인하였다.
(2) 기준모형으로부터 날개 수, 코드길이, 피치 및 캠버를 변화시 켜 가면서 터빈의 성능 변화를 조사하였다. 그 결과 솔리디티에 따 른 효율은 날개수가 3개일 때 가장 높지만 효율의 변화량이 매우 큰 것을 알 수 있었다. 날개 수 6개의 경우 안정성은 좋지만 효율이 거 의 (-) 동력효율에 수렴하는 열악한 성능을 보여 주었다. 또한 코드 길이와 Solidity가 증가하면 효율은 공히 감소하는 것을 확인하였다.
(3) 피치의 경우 받음각이 2.5
o~5
o일 때 효율이 우수했으며 더 커지게 되면 효율은 떨어짐을 알 수 있었다. 받음각이 음일 때는 피치가 낮아질수록 효율은 지속적으로 떨어짐을 알 수 있었다. 캠 버의 변화에 따른 효율은 기대할 수 없었다.
(4) 도출된 최적의 설계 값으로 수치해석을 수행한 결과 작동조 건에 따라 Fig. 19와 같이 기존의 실험값 대비 최대 60%가 증가 한 효율을 볼 수 있었다(TSR=2.75에서 Cp=0.134에서 Cp=0.210
으로 증가). 이로부터 수직축 터빈 설계 시 2차원 파라메트릭 스 터디를 통한 설계변수의 최적화가 충분히 가능할 것으로 파악하였다.
향후 보다 정밀한 검증을 위하여 실험모형을 제작하여 실험을 통한 보다 엄밀한 검증을 실시할 필요가 있으며, 또한 가변피치 터빈이나 헬리컬 터빈에 대한 연구, 날개 스팬의 영향이나 자유수 면의 영향, 날개 끝 효율향상장치 등의 연구가 계속된다면 보다 높은 효율의 터빈을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
후 기
본 연구는 2009년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지기술평 가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제(NO. 20093021070010 및 NO.20093020070020)입니다.
참고문헌
![Fig. 6. Comparison of power coefficient at TSR=3.5 (Klaptocz et al.[2007]).](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5180791.349360/4.892.73.433.173.478/fig-comparison-power-coefficient-tsr-klaptocz-et-al.webp)
