제 14장 터보 기계

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제 14장 터보 기계

Lecturer: Prof. Dong Jin Cha, PhD

Department of Building and Plant Engineering

Hanbat National University

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최신 여객기의 제트엔진은 매우

복잡한 터보기계로서

펌프(압축기)와 터빈

부분을 모두 포함하고

있다.

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학습 목표

• 다양한 펌프와 터빈의 식별 및 작동원리의 이해

• 기존의 펌프 또는 터빈과 기하학적 상사인 새로운 펌프 또는 터빈을 설계하기 위한

차원해석(dimensional analysis)의 응용

• 펌프와 터빈에서 유입과 유출하는 유동의 기초적인 벡터 해석(vector analysis) 수행

• 펌프와 터빈의 예비설계 및 선정을 위한

비속도(specific speed)의 이용

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펌프(Pumps):유체에 에너지를 추가하는 모든 유체기계에 대한 일반적 용어이다. 펌프를 에너지 흡수장치라고도 하는데 그 이유는 장치에 에너지가 공급되고, 이 장치는 대부분의 에너지를,

일반적으로 회전하는 축을 통하여, 유체에 전달하기 때문이다. 유체 에너지의 증가는 일반적으로 유체의 압력 증가로 나타난다.

터빈(Turbines):에너지 생성장치 이며, 유체로부터 에너지를 추출하고

그것의 대부분을 어떤 형태의

기계적 에너지 출력으로, 일반적을 회전하는 축 형태로, 전달한다.

터빈출구에서 유체는 일반적으로 압력손실의 형태로 에너지 손실을

겪는다. (a) 펌프는 유체에 에너지를 공급하는

반면 (b) 터빈은 유체로부터 에너지를 추출한다.

14–1 분류와 용어

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정상유동의 경우, 질량보존법칙에 따라 펌프에서 유출되는 질량유량은 반드시 펌프로 유입되는 질량유량과 같으며, 입구와 출구의 단면적이 동일한(Dout =

D

in) 비압축성 유동에서는 Vout

=

V

in이지만 Pout

> P

in 라고 결론짓는다.

펌프의 목적은 유체에 에너지를 추가하는 것이며, 결과적으로 유체압력을 증가시키고 이때 펌프를 통과하는 유속은 반드시 증가하지는 않는다.

터빈의 목적은 유체로부터 에너지를 추출하는 것이며, 결과적으로 유체압력을

감소시키고, 이때 터빈을 통과하는

유속은 반드시 감소하지는 않는다.

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기체를 다루는 펌프는 압력상승과

체적유량에 따라 팬(fan), 송풍기(blower) 또는 압축기(compressor)라고 부른다.

펌프(Pump): 액체를 이송하는 유체기계 팬(Fan): 상대적으로 낮은 압력상승과 높은 유량을 갖는 기체펌프.

예로 천장 팬, 주택용 팬 및 프로펠러 등이 있다.

송풍기(Blower): 일반적으로 중간에서 높은 범위의 압력상승과 유량을 갖는 기체펌프이다.

예로 자동차의 환기 시스템, 화로 및 낙엽청소용 송풍기에 있는 원심형

송풍기와 다람쥐 모양의 송풍기 등이 있다.

압축기(Compressor): 일반적으로

낮거나 중간 정도의 유량에서 매우 높은 압력상승을 갖도록 설계된 기체펌프이다.

예로 공압 공구를 구동하고

자동차정비소에서 타이어에 공기를

주입하는 공기압축기와 열펌프, 냉장고 및 공기조화기에 사용되는 냉동압축기 등이 있다.

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모든 펌프가 회전축을 갖고 있지는 않다.

(a)공기를 주입하기 위하여 사람의 손이 상하 운동을 함에 따라 에너지가 수동식 타이어 펌프로 공급된다.

(b)구식 우물펌프로 물을 퍼 올리기 위하여 비슷한 메커니즘이 사용된다.

터보기계(Turbomachines):

회전축으로 에너지가 공급되거나 추출되는 펌프와 터빈

문헌에서는 종종 회전축의 사용여부와 관계없이 모든 형태의 펌프와 터빈을 언급하기 위하여

터보기계(turbomachine)와

터보기계장치(turbomachinery)라는 용어를 사용한다.

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유체기계는 또한 에너지가 전달되는 방식에 따라 용적식(positive

displacement)기계 또는 동역학적(dynamic)기계로 넓게 분류되기도 한다.

용적식 기계( positive-displacement machines): 유체가 밀폐된 체적으로

보내진다. 밀폐된 체적의 경계를 이동시켜 유체로 에너지를 전달하여 체적을 팽창 또는 수축시키며, 이에 따라 유체가 흡입되거나 송출된다.

(a) 인간의 심장은 용적식 펌프의 예가 된다.

심실(ventricles)이라고 부르는 심장 공간의 팽창과 수축에 의해서 피가 이송된다.

(b) 일반적인 가정용

수도계량기는 용적식 터빈의 예가 된다.

출력축의 매 회전마다 정해진 체적의 공간으로 물이 들어오고 나간다.

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풍력터빈은 개방형 동역학적 기계의 좋은 예이며, 공기가 블레이드를 돌리고 출력축은 전기발전기를 구동한다.

동역학적 기계(Dynamic machines):

밀폐 체적이 없고 대신에 회전 블레이드가 에너지를 유체에 공급하거나 또는

유체로부터 추출한다.

펌프에서는 이 회전 블레이드를

임펠러 블레이드라고 부르는 반면에 터빈에서는 회전 블레이드를

러너(runner)블레이드 또는 버킷이라고 부른다.

동역학적 펌프의 예로는 밀폐형 펌프(enclosed pump)와 덕트형 펌프(ducted pump) 및 개방형 펌프(open pump) 등이 있다.

동역학적 터빈의 예로는 수력발전용 댐에서 물의 에너지를 추출하는

수력터빈과 같은 밀폐형 터빈(enclosed turbine)과 바람으로부터 에너지를

추출하는 풍력터빈과 같은 개방형 터빈(open turbine)등이 있다.

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14–2 펌프

펌프를 지나는 유체의 질량유량(mass flow rate)은 명백한 주요 펌프성능 매개변수다.

비압축성유동에서는 질량유량 보다 체적유량(volume flow rate)의 사용이 더 보편적이다.

터보기계 산업계에서는 체적유량을 용량(capacity)이라고 부르며 이는 단순히 질량유량을 유체밀도로 나눈 값이다.

또 하나의 펌프의 주요 성능은 펌프의 입구와 출구 사이의 Bernoulli 수두 변화로 정의되는, 펌프의 순수두(net head) H로 특징지어진다.

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펌프의 순수두, H는 입구에서 출구까지의 Bernoulli 수두 차이로 정의되며, 액체에서 이는 임의의 기준면에 대한 에너지구배선의 변화, H = EGLout – EGLin 과 같고

bhp는 제동마력(brake horsepower)으로, 펌프에 공급되는 외부동력이다.

액체를 펌프로 가압하는 경우, 입구의 Bernoulli 수두는 입구에서 유동의 중심에 피토관을

정렬시켜서 얻는 에너지구배선(EGLin)과 같다.

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펌프의 성능곡선(pump performance curves)과 배관 시스템의 펌프선정

자유토출(free delivery): 펌프를 통과하는 최대 체적유량은 순수두가 0, 즉 H = 0일 때 발생하며, 이 유량을 자유토출이라고 한다.

차단수두(shutoff head): 체적유량이 0일 때 발생하는 순수두이며, 이는 펌프의 출구가 막힐 때 얻어진다. 이 조건에서는 H가 크지만 체적유량은 0이며, 펌프가 아무런 유용한 일을 하지 않으므로 펌프효율은 다시 0이 된다.

최고 효율점(Best Efficiency Point, BEP): 펌프의 효율은 차단수두 조건과 자유토출 조건 사이의 어느 곳에서 최대값에 도달하며, 이 최고효율점은 별표(*) ( H*, bhp*, 등)로 나타낸다.

펌프 성능곡선(Pump Performance Curves): 체적유량의 함수로 나타낸 H,

η

pump, 과 bhp 곡선을 펌프성능곡선 또는 특성곡선(characteristic curves)이라고 부른다.

운전점 또는 작용점(Operating point or duty point of the system): 대부분의 응용에서 Hrequired 와 Havailable 은 단 하나의 유량에서 일치하며 이를 시스템의 운전점 또는 작용점이라 한다. 정상(steady) 조건에 대해 펌프는 단지 자신의 성능곡선을 따라서만 운전될 수 있다.

배관 시스템의 정상 운전점은 Hrequired = Havailable 인 체적유량에서 정해진다.

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식 (14-6)은 배관 시스템에서 펌프의 역할을 강조한다.

즉 , 이 는 정 압 , 동 압 과 유 체 의 고 도 를 증가(또는 감소)시키고, 비가역 손실을 극복하게 한다.

유용 펌프수두

(hpump,u )는 유체에 다음의 네 가지를 수행한다.

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Procedure to modify two sample ees files for Ex 14-1

•Modify “Performance data” table of the 1st file, based on your problem.

•Find a 2nd-order curve fit (no 1st-order term) Ha as a function of Vcfm; Table -> Linear regression

•Copy the Ha curve fit into Equation window of the 1st and 2nd ees files.

•If necessary, modify commands for Hr calculation in the Equation window.

•If needed, modify Vcfm in the “Calculation” table and Solve it.

•Find a 2nd-order curve fit Hr,inch as a function of Vcfm; Table -> Linear regression

•Copy the Hr,inch curve fit into Equation window of the 2nd ees file.

•Run the 2nd ees file.

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펌프 산업계에서는, 하나의 펌프 케이싱에 대해 몇 가지 임펠러 직경 선택사양을 제시하는 것이

일반적이다. 여기에는 다음의 몇 가지 이유가 있다.

(1) 생산가격을 절감

(2) 간단한 임펠러 교체로 용량 증가가 가능

(3) 설치 마운트(installation mounts)를 표준화

(4) 장치를 다른 응용분야에 재사용 가능

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생산업체의 원심 펌프군 성능 선도의 예: 각 펌프는 동일한 케이싱이지만 다른 임펠러 직경을 갖는다.

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펌프 공동(cavitation) 현상과 유효흡입수두(NPSH)

임펠러 블레이드의 흡입면에서 형성되고 붕괴하는 공동현상기포 액체를 펌핑하는 경우, 펌프 내의

국부압력이 액체의 증기압(vapor

pressure), Pv 이하로 떨어질 수 있다.

P < P

v

, 이면 공동현상기포(cavitation

bubble)라고 부르는 증기로 채워진 기포가 발생한다.

일반적으로 압력이 가장 낮은 곳인 회전하는 임펠러 블레이드의

흡입면에서 액체가 국부적으로 끓는다.

유효흡입수두 (Net positive suction

head, NPSH):

펌프입구의 정체압(stagnation pressure) 수두와 증기압 수두의 차이로 정의된다.

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순수두와 요구 유효흡입수두가 체적유량의 함수로 그려져 있는 전형적인 펌프 성능 곡선

요구 유효흡입수두 (Required net positive suction head, NPSHrequired

):

펌프의 공동현상을 피하기 위하여 필요한 최소 NPSH로 정의된다.

실제 NPSH와 요구 NPSH가 교차하는 체적유량은 펌프가 공동현상의 발생없이 공급할 수 있는 최대 유량을 나타낸다.

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Procedure to modify two sample ees files for Ex 14-3

•Modify “Performance data” table of the 1st file, based on your problem.

•Find a 2nd-order curve fit NPSHr as a function of Vgpm; Table -> Linear regression

•Copy the NPSHr curve fit into Equation window of the 1st and 2nd ees files.

•If necessary, modify commands for NPSH calculation in the Equation window.

•If needed, modify Vgpm in the “Calculation” table and Solve it.

•Find a 2nd-order curve fit NPSH as a function of Vgpm; Table -> Linear regression

•Copy the NPSH curve fit into Equation window of the 2nd ees file.

•Run the 2nd ees file.

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직렬 및 병렬 연결된 펌프

두 개의 아주 다른 펌프의 (a) 직렬 또는 (b) 병렬 배열은 종종 문제를 일으킨다.

체적유량 또는 압력상승을 약간 증가시킬 필요가 있는 경우,

작은 펌프를 원래 펌프에 직렬 또는 병렬로 추가하는 것을 생각할 수 있다.

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필요 시 큰 체적유량을 얻기 위해, 여러 개의 동일한(identical)

펌프가 종종 병렬 형태로 운전된다.

세 개의 병렬 펌프가 나타나있다.

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용적식 펌프(Positive- displacement pump)

용적식 펌프의 예. (a) 유연 튜브 연동(peristaltic) 펌프,

(b) 3 로브(lobe) 로타리 펌프, (c) 기어펌프 및 (d) 이중 스크루 펌프

유체는 확장하는 체적으로 흡입되고 체적이 수축되면서 밀려나가지만,

체적변화를 발생시키는

메커니즘들은 다양한 설계에 따라 서로 크게 다르다.

용적식 펌프는 점성액체 또는 진한 슬러리의 이송과 같은 고압 응용분야와 의료분야처럼

정확한 양의 액체를 분배 또는 계량하는 응용분야에

이상적이다.

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33 용적식 펌프형태의 2 로브 로타리 펌프가 운전되는 네 가지

위상(한 회전의 1/8 간격):

옅은 파란색 지역은 위 로터를 통해 가압되는 유체

덩어리를, 짙은 파란색 지역은 아래 로터를 통해 가압되는 유체 덩어리를 나타내며 이때 로터들은 서로 반대방향으로 회전한다. 유동은 왼쪽에서 오른쪽이다.

동일한 속도지만 다양한 점성을 갖는 유체들로 운전되는 로타리 펌프의 펌프 성능곡선 비교:

모터의 과부하를 피하기 위하여 펌프는 그림의 그늘진

지역에서는 절대로 운전되지 말아야 한다

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펌프 자체가 “비어있는” 경우에도 액체를

퍼올릴 수 있는 펌프를 자흡펌프(self-priming pump)라고 부른다.

용적식 펌프는 동역학적 펌프에 비하여 많은 장점이 있다.

예로 용적식 펌프는 비슷한 압력과 유량에서 운전되는 동역학적

펌프의 경우보다 유도되는

전단변형(induced shear)이 훨씬 적으므로 전단변형에 민감한

액체(shear sensitive liquids)를 더 잘 다룰 수 있다.

혈액은 전단 변형에 민감한 액체이며, 이것이

인공심장(artificial hearts)에

용적식 펌프가 사용되는 이유중의 하나이다.

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동역학적 펌프

세 가지 주된 부류의 동역학적 펌프 임펠러(회전하는 부분):

(a) 원심류펌프 (b) 혼류 펌프 (c) 축류 펌프

임펠러 블레이드(impeller blade) 또는

로터 블레이드(rotor blade)라고 부르는, 유체에 운동량을 전하는 회전 블레이드가 있는 동력학적 펌프는 가끔 로터다이나믹펌프(rotodynamic pump) 또는 간단히 로타리 펌프(rotary

pump)라고 부른다.

동력학적 펌프는 세가지 주된 형태가 있다.

로타리 펌프는 펌프에서 토출되는 유동방식에 따라 원심류(centrifugal or radial flow), 축류(axial flow) 및 혼류(mixed flow)로 분류된다.

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원심류 펌프(Centrifugal-flow Pump): 유체가 펌프의 중심에서 축방향(회전축의 축과 같은 방향)으로 들어오지만 펌프 케이싱의 바깥반경을 따라 반경방향으로(또는 접선방향) 토출된다 .

이 이유 때문에 원심류 펌프를 반경류(radial-flow)펌프라고도 부른다.

축류 펌프(Axial-flow Pump): 유체가 축방향으로 들어오고 나가며 이때 축, 모터, 허브 등의 장애 때문에 주로 펌프의 바깥 부분을 따라 흐른다.

혼류 펌프(Mixed-flow Pump): 원심류와 축류의 중간 형태이며, 유동은 반드시 중심일 필요는 없으나 축방향으로 들어오지만 반경방향과

축방향 사이의 각도로 나간다.

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원심(류) 펌프

전형적인 원심 송풍기와 그 특징인 달팽이 모양의 스크롤

원심 펌프와 송풍기는 스크롤(scroll)이라고 부르는 달팽이 모양의 케이싱으로 쉽게

구별할 수 있다.

이들은 식기세척기, 욕조, 세탁기와 건조기, 헤어드라이어, 진공청소기, 부엌 환기장치, 화장실 환기팬, 낙엽 청소용 송풍기, 및 화로 등, 집 근처 모든 곳에서 볼 수 있다.

이들은 엔진의 냉각수 펌프, 히터/에어컨 장치의 공기송풍기 등 자동차에서도 사용된다.

원심펌프는 또한 산업시설의 어디에나 존재하며, 빌딩의 환기 시스템, 세척공정, 냉각조와 냉각탑, 및 그 밖에 유체를

이송하는 수많은 산업공정에서 사용된다.

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전형적인 원심 펌프의 측면도와 정면도.

유체가 펌프의 가운데(눈,eye)에서 축방향으로 유입되고 회전하는 블레이드

조립체(임펠러)에 의해서 바깥쪽으로 밀려나며, 확장 디퓨저(스크롤)로 확산되어 펌프 측면 밖으로 토출된다.

임펠러 블레이드에서 입구와 출구의 반경위치를 각각 r1

과r

2 로 정의하며, b1 과 b2 각각 임펠러 블레이드 입구와 출구에서 축 블레이드 폭이다.

임펠러(impeller) or 로터(rotor) : 펌프 용어로 축, 허브, 임펠러 블레이드 및 임펠러 슈라우드(shroud)를 포함하는 회전 조립체

블레이드의 경직도(stiffness)를 증가시키기 위하여 종종 슈라우드가 임펠러 블레이드를 감싼다.

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세 가지 주된 형태의 원심펌프는 (a) 후향경사 블레이드 (b) 방사형 블레이드 (c) 전향경사 블레이드

를 갖고 있다.

(d) 세 형태의 원심펌프에 대한 순수두 및 제동마력 성능곡선의 비교

임펠러 블레이드 형상에 따라, 후향경사 블레이드(backward- inclined blades), 방사형 블레이드(radial blades), 및

전향경사 블레이드(forward-inclined blades)의 세 원심 펌프 형태가 있다.

후향경사 블레이드 원심 펌프가 가장 일반적이다. 이 펌프는 유체가 블레이드 경로로 흘러들어오고 그리고 흘러나가면서 방향전환이 가장 작으므로, 가장 높은 효율을 갖는다.

방사형 블레이드를 갖는 원심 펌프(직선 블레이드라고도 부른다)는 가장 단순한 형상을 갖고 있으며, 가장 큰

압력상승을 갖는다.

전향경사 블레이드 원심펌프는 거의 일정한 압력상승을 생성한다.

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체적유량:

속도 벡터의 기초적인 해석을 위한 단순화 된 원심 펌프 의 확대 측면도

V1, n 과 V2, n 은 각각 반경 r1 과 r2에서 속도의 평균 수직(반경방향)성분으로 정의 된다.

속도 벡터의 기초적인 해설을 위한 단순화 된 원심 펌프의 확대 정면도

유체의 절대 속도는 굵은 화살표로 나타내었다.

상대속도 벡터로 나타낸 것처럼, 블레이드와 함께 회전하는 좌표(reference frame)에서 볼 때 유동은 모든 곳에서 블레이드 표면에

접선방향이라고 가정하였다.

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42

원심 펌프의 각운동량(angular

momentum) 해석을 위해 사용되는 검사체적(그늘진 지역)

절대 접선속도 성분 V1, t 와 V2, t 표시하였다.

축 토크(shaft torque)는, 6장에서 유도된 Euler 터보기계 방정식(또는 Euler의

터빈공식)으로 주어진, 입구에서 출구까지의 사이에서의 운동량 모멘트 변화와 같게 된다.

Euler 터보기계

방정식 :

다른 형태의 Euler 터보기계 방정식 :

순수두:

블레이드와 함께 회전하는 좌표에서 볼 때, 유동은 항상 블레이드 표면에 대하여 접선 방향이라고 가정한다.

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원심 펌프의 해석에는 코사인 법칙(the law of cosines)을 적용한다.

회전하는 좌표계에서의

Bernoulli 방정식:

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비가역손실(no irreversible losses) 없이 임펠러를 지나는 유동의

근사를 위해서는 종종 임펠러와 함께 회전하는 좌표에서 다루는 것이 더 편리하다. 이 경우

Bernoulli 방정식은 식(14-22)에 나타낸 것처럼 추가 항을 갖는다.

임펠러 블레이드 입구에서 속도 벡터의 확대 정면도

절대속도는 굵은 화살표로 나타내었다.

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(a) 너무 적은 수의 블레이드를 갖는 원심 펌프 임펠러는 과도한

순환유동손실(circulatory flow loss)을 가져온다. 외부 반경 r2의 블레이드 후단에서의 접선속도 보다 블레이드 사이 간극에서의 접선속도가 더 작다(절대 접선속도 벡터를 나타내었다).

(b) 반면에 실제 임펠러 블레이드는 유한한 두께를 가지므로, 너무 많은 블레이드를 갖는 임펠러는 과도한 유동 방해와 큰 표면마찰 항력에 의해서 경로손실(passage losses)을 가져온다 (1개의 블레이드에서 속도 벡터를 임펠러와 함께 회전하는 좌표로 나타내었다). 결론적으로, 펌프 엔지니어는 블레이드 형상(shape)과 블레이드 수를 모두 최적화해야만 한다.

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예제 14-6의 펌프에서 체적유량의 함수로 나타낸 순수두.

예측된 값과 실제 성능 사이에 차이가 있는 것은 예측에서는 비가역성이 고려되지 않았기 때문이다.

설계조건(design conditions)에서는 예측된 성능이 실제성능에 가깝지만

설계조건에서 멀어지면 두 곡선은 현저하게 차이가 난다.

모든 체적유량에서 실제 순수두(net head)는 예측된 순수두보다 낮다.

이는 다음과 같은 비가역효과 때문이다;

- 블레이드 표면에서의 마찰,

- 블레이드와 그 케이싱 사이의 유체누설, - 펌프 눈(eye)에서의 예회전(선회류),

- 블레이드 선단의 유동박리(충격손실) 또는 유동통로의 확대부분에서의 유동박리, 순환유동손실,

- 경로손실 및

- 볼류트에서의 선회하는 에디의 비가역

소산(irreversible dissipation)

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축류 펌프

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축류 펌프의 블레이드는 항공기의 날개처럼 거동한다. 공기는 날개에

의해서 아래로 방향이 변하고 양력FL 생성한다.

축류 펌프(axial pump)는 소위 말하는 원심력(centrifugal forces)을

이용하지 않는다. 그 대신 임펠러 블레이드는 마치 항공기 날개처럼 거동하며, 블레이드 회전에 따른 유체 운동량의 변화로 양력을 발생시킨다.

블레이드에서의 양력은 블레이드 윗면과 아랫면의 압력차이에 의해서 발생하며, 유동방향의 변화는 로터 평면을 지나는 세류(downwash, 하강 공기의 기둥)를 일으킨다.

시간 평균의 관점에서, 로터 평면을 지나는 압력 도약(pressure jump)이 있으며 이는 아래로 향하는 공기

유동을 유발한다.

축류 펌프의 일종인 헬리콥터의 로터 평면을 지나는 세류(downwash)와 압력 상승

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축류 팬은

개방형(open) 또는 덕트형(ducted)일 수 있다.

(a)프로펠러는 개방형 팬이며, (b)컴퓨터 냉각팬은 덕트형 팬이다.

로터 평면을 수직으로 회전시켰다고 상상하면, 이는 프로펠러가 된다.

헬리콥터 로터와 항공기 프로펠러는 모두 개방형 축류 팬의 예가 되며, 이는 블레이드 끝단 주위에 덕트 또는 케이싱이 없기 때문이다.

가정용 팬 둘레의 케이싱은 또한 유동의 방향을 돕고 블레이드 끝단의 손실을 약간 줄여주는 짧은 덕트 역할도 한다.

컴퓨터 내부의 작은 냉각 팬은 전형적인 축류 팬이며, 이는 마치 작은 환풍기처럼 생겼으며 덕트형 축류 팬(ducted axial-flow fan)의 한 예가 된다.

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잘 설계된 로터 블레이드 또는 프로펠러 블레이드는, 세 블레이드 중의 하나에 파란 단면들로 보여주는 것 처럼, 비틀림을 갖는다.

블레이드 피치각 θ는 끝단에서보다 밑동에서 더 크며 그 이유는 블레이드의 접선 속도가 반경에 따라 증가하기 때문이다.

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식 (14-27)은 1차 근사식으로, 몇 가지 이유로 엄밀하지가 않다:

첫 번째로, 로터의 회전운동은 공기 유동에 어느 정도의 선회류를 유발한다. 이는

유입되는 공기에 대한 블레이드의

유효접선속도(effective tangential speed)를 감소시킨다 .

두 번째로, 로터 허브(hub)의 크기가

유한하므로, 그 주위에서는 공기가 가속되며, 이는 밑동 부분에 가까운 블레이드 단면에서 국부적으로 공기 속도를 증가시킨다.

세 번째로, 로터 또는 프로펠러의 축이

유입되는 공기에 정확히 평행이 아닐 수 있다.

마지막으로, 공기가 돌고 있는 로터에

접근함에 따라 가속되므로 공기 속도 자체를 결정하는 것이 쉽지 않다.

로터 또는 프로펠러의 회전하는 블레이드는 주변의 유체에

선회류(swirl)를 만든다.

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프로펠러(축류) 팬의 전형적인 팬 성능 곡선

원심 팬과는 달리 제동마력이 유량에 따라 감소하는 경향이 있다.

효율곡선이 원심 팬에 비해 더 오른쪽으로 치우쳐 있다.

그 결과 최고효율점(BEP)의 값보다 높은 체적유량에서는 효율이 급격히 낮아진다.

순수두 곡선 또한 유량에 따라 계속하여 감소하며(조금은 변동이 있지만) 그 형상이 원심 팬의 것과 크게 다르다.

큰 양정이 필요하지 않다면, 큰 체적유량을 얻기 위해 프로펠러 팬을 BEP 이상에서 운전할 수 있다.

높은 유량에서 bhp는 감소하므로, 높은 유량에서 팬이 운전될 경우 동력손실이 없다.

이런 이유로 약간 저용량(undersized)의 팬을 시공하고 BEP 이상에서 운전할 수 있다.

또 다른 극단적인 경우로, BEP 이하에서 운전하면 유동이 시끄럽고 불안정할 수 있으며, 이는 팬이 대용량(oversized)인 것을 나타낸다.

일반적으로 프로펠러팬은 BEP 또는 약간 상회하는 점에서 운전하는 것이 바람직하다.

(60)

60

관축류팬은 유동 유체에 (a) 선회류를 전하나, (b) 대향회전 축류 팬과 (c) 깃축류 팬은

선회류를 제거한다.

덕트 내에서 유동을 전달하는 경우 단일 임펠러(single-impeller)축류 팬은 관축류 팬(tube-axial fan)이라고 부른다.

기존의 로터에 반대방향으로 회전하는 두 번째 로터를 직렬로 추가하여 한 쌍의 대향회전 로터 블레이드를 형성할 수 있는데, 이런 팬을

대향회전 축류 팬(counter-rotating axial

fan)이라고 부른다. 상류 로터에 의해서 발생된 선회류는 하류 로터에서 발생하는 반대방향의 선회류에 의해서 상쇄된다.

대안으로, 고정자(stator) 블레이드를 회전 임펠러의 상류 또는 하류에 설치할 수 있다.

이름에서 알 수 있듯이 고정자 블레이드는 고정된(회전하지 않는) 안내 깃(guide vane)으로 단순히 유체의 방향을 바꾼다.

한 세트의 로터 블레이드와 고정자 블레이드를 갖는 축류 팬을 깃축류 팬(vane-axial fan)이라 부른다.

(61)

축류 팬. (a) 고정자 블레이드가 없는 벨트 구동(belt-driven) 관축류 팬과 (b) 선회류를 줄이고 효율을 개선하기 위한

고정자 블레이드를 갖는 직접구동(direct-drive) 깃축류 팬

2차원 블레이드 열 근사(2D blade row

approximation)를 이용한 반경 r에서의 깃축류 팬의 해석

(a) 전체모습, (b) 절대 좌표, 및 (c)회전하는 로터

블레이드(임펠러)에 대한 상대좌표

(62)

깃축류 팬의 전형적인 팬 성능곡선

둘 또는 그 이상의 로터-고정자 쌍(rotor-stator pairs)으로 구성된 다단 축류 펌프

(63)

63

Pratt & Whitney 사 PW4000 터보팬 엔진으로 다단 축류 터보기계의 예

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67

14–3 펌프 축척 법칙

무차원 펌프 매개변수 들:

차원 해석(Dimensional analysis)

펌프의 차원해석

(68)

차원해석은 두 개의 기하학적으로 상사한 펌프의 축척에 유용하다.

만약 펌프 A의 모든 무차원 펌프 매개변수가 펌프 B와동일하다면 두 펌프는 역학적으로 상사하다.

무차원 펌프 매개변수로 도시할 경우,

기하학적으로 상사한 펌프군의 모든 펌프 성능 곡선은 한 세트의 무차원 펌프 성능곡선으로 나타난다. 최고효율점(BEP)의 값은 별표(*)로 나타내었다.

(69)

69

실물크기 원형 펌프의 성능을 예측하기 위해서 소형모형을 시험할 경우 모형에서 측정된 효율은 일반적으로 원형의 효율보다 약간 낮다.

식 (14-34)와 같은 실험적 보정식이 펌프 크기에 따른 펌프효율의 개선을 고려하기 위하여 개발되었다.

(70)

70

펌프 비속도(pump specific speed)

펌프 비속도가 무차원 매개변수임에도

불구하고 일관성이 없는 단위들을 사용하여 차원이 있는 양으로 나타내는 일이 실제로 흔히 발생한다.

펌프 비속도는 펌프의 최적조건(최고효율점)에서 펌프의 운전특성을 나타내기 위하여 사용되며, 이 값은 펌프의 예비 선정 및 설계에 유용하다.

(71)

무차원, 관습적인 미국식 및 관습적인 유럽식으로 정의된 펌프 비속도의 변환

수치 값들을 유효숫자 4자리로 나타내었다.

N

Sp, US 으로의 변환 은 표준 중력가속도를

가정한다.

세 가지의 주요한 동역학적 펌프에 대하여 펌프 비속도의 함수로 나타낸 최고 효율

수평 눈금은 무차원 펌프 비속도(NSp), 미국 관습 단위의 펌프 비속도(NSp, US) 및 유럽 관습 단위의 펌프 비속도(NSp,

Eur)를 나타낸다.

(72)
(73)

73

친화 법칙(Affinity laws)

식 (14-38)은 펌프와 터빈 모두에 적용된다.

상태 A와 B는 기하학적으로 상사한 임의의 두 대의 터보기계 사이에서 임의의 두개의 상응하는(homologous) 상태가 될 수 있으며, 또는 심지어 동일한 기계에서 2개의 서로

상응하는 상태일 수도 있다.

예를 들면 동일한 펌프에서 회전속도를

변화시키거나 또는 다른 유체를 이송하는 것 등이 있다.

(74)
(75)

75

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14–4 터빈

지난 수 세기동안 무상으로 사용가능한 강과

바람의 기계 에너지를, 주로 축 회전으로 나타나는 유용한 기계일로 변환하기 위하여 터빈이 사용되어 왔다.

수력터빈의 회전부는 러너(runner)라고 부른다.

작동유체가 물인 경우 터보기계는 수력터빈(hydraulic turbine 또는 hydroturbine)이라 불린다.

작동유체가 공기이고 바람으로부터 에너지를 추출하면 이에 알맞게 이 장치를 풍력터빈(wind turbine)이라고 부른다.

대다수 사람들은 풍차(windmill)라는 단어를 제분, 물의 이송 또는 전력생산에 사용되는 모든

풍력터빈에서 사용한다.

수증기로부터의 에너지를 축 회전의 기계적

에너지로 변환하는 터보기계를 증기터빈(steam turbine)이라 부른다.

압축성 기체를 작동유체로 채택하는 터빈에 대한 보다 포괄적인 이름은 가스터빈(gas turbine)이다.

Brewster, MA의 복원된 풍차, 이는 1800년대에 제분용으로 사용되었다(기능을 발휘 하려면 블레이드가 덧씌워져야 한다는 것에 유의하라). 전력을 생산하는 현대적인 “풍차”는 좀 더 적절하게 풍력 터빈이라고 부른다.

(80)

일반적으로 , 에너지를 생산하는 터빈은 에너지를 흡수하는 펌프보다 다소 높은 총 효율을 갖는다.

수력터빈에서는 95% 이상의 총 효율을 얻을 수 있는 반면에 대형 펌프의 최대효율은 90%를 조금 상회한다.

이에는 몇 가지 이유가 있다.

첫 번째로 , 펌프는 일반적으로 터빈보다 더 높은 회전속도로 운전되며, 따라서 전단응력과 마찰손실이 더 크다.

두 번째로, 운동에너지의 유동에너지로의 변환(펌프)은 명백히 역 과정(터빈)보다 더 손실이 많다.

세 번째로, 터빈(특히, 수력터빈)은 대부분 펌프보다 훨씬 크며 크기가 증가하면 점성손실이 덜 중요하게 된다.

마지막으로, 펌프는 대개 넓은 유량범위에서 운전되는 반면에 대부분 발전용 터빈은 제한된 좁은 운전범위에서 작동하고 일정한 속도로 제어된다. 그러므로 이들은 그 조건에서 매우 효율적으로 운전되도록 설계될 수 있다.

펌프와 같이, 터빈은 용적식 터빈과 동역학적 터빈의 두 가지 넓은 범주로 분류 된다.

대부분 용적식 터빈은 체적유량 측정을 위한 소형장치인 반면, 동역학적 터빈은 초소형에서 초대형까지 범위가 넓고 유동계측과 동력생산에 모두 사용된다.

(81)

81

용적식 터빈

용적식 터빈(positive-displacement turbine)은 용적식 펌프가 역으로 작동한다고 생각할 수 있다.

즉, 유체가 밀폐된 체적으로 밀려들어가면서 축을 회전시키거나 왕복하는 막대를 움직인다. 그런 후 유체가 장치로 더 들어오면서 밀폐된 체적의

유체는 밖으로 밀려난다.

용적식 터빈을 지나면서 순수의 손실이 있다.

유동하는 유체로부터 에너지가 추출되고 기계적으로 변환된다.

그러나 용적식 터빈은 일반적으로 동력발생용 보다는 오히려 유량 또는 유동체적의 측정에 사용된다.

요동원판(nutating disc) 유체 유량계는 체적유량의 측정에 사용되는 용적식 터빈이다. (a) 단면도 (b) 요동원판의 운동을 나타내는 개략도 이 형태의 유량계는 일반적으로 가정용

수도계량기에 사용된다.

(82)

동역학적 터빈

동역학적 터빈(dynamic turbine)은 유동계측과 동력생산에 모두 사용된다.

댐을 통과하는 커다란 고도의 변화를 이용하여 전기를 생산하는 수력터빈과 바람에 의해 회전하는 블레이드로 부터 전기를 생산하는 풍력터빈이 있다.

동역학적 터빈에는 충동형(impulse)과 반동형(reaction)의 두 가지 형태가 있다.

충동 터빈은 더 높은 수두가 요구되지만 작은 체적유량으로 운전될 수 있다.

반동 터빈은 훨씬 낮은 수두로 운전될 수 있으나 큰 체적유량이 요구 된다.

동역학적 터빈의 예. (a)풍속 측정에 사용되는 전형적인 3컵 풍속계(anemometer)와 (b) 날개 끝단의 와류(wing tip vortices)로부터 에너지를 추출하도록 설계된 터빈을 장착한 Piper PA28 연구용 항공기

(83)

83

충동 터빈

충동 터빈(impulse turbine)에서 유체는 노즐을 통하여 공급되며, 따라서 대부분의 가용 기계적 에너지가 운동에너지로

변환된다.

고속제트는 에너지를 터빈 축으로 전달하는 버킷 형상 깃(bucket-shaped vane)에

충돌한다

가장 효율이 높고 현대적인 형태의 충동 터빈은 Pelton에 의해 발명되었으며, 지금은 회전 수차(wheel)는 그의 이름을 따라 Pelton수차라 불린다.

Pelton 형식 충동 터빈의 개략도 하나 또는 그 이상의 제트에서 나오는 고속 유체가 터빈 축에 장착된 버킷에 충돌할 때 터빈 축이 회전한다. (a) 측면도, 절대좌표 (b) 아래에서 본 버킷 n의 단면, 회전 좌표

(84)

Pelton 수차의 확대 사진으로 버킷의 상세 설계를 보여준다.

오른쪽 발전기이다. 이 Pelton 수차는 Bothwell, Tasmania 근처의 Waddamana 발전소 박물관에 전시되어 있다.

운전되고 있는 Pelton 수차의 아래에서 본 모습은 버킷에서 물 제트의 분할됨과 방향 전환을 나타낸다. 물 제트는 왼쪽에서 들어오고 Pelton 수차는 오른 쪽으로 회전한다.

(85)

85

(86)

반동 터빈

에너지를 생산하는 다른 주된 형태의 수력터빈은 반동터빈(reaction turbines)이며, 이는

정지깃(stay vane)이라고 부르는 고정안내깃, 쪽문(wicket gate)이라고 부르는 조절 가능한 안내깃, 그리고 러너 블레이드(runner

blade)라고 불리는 회전블레이드 들로 구성되어 있다.

접선방향으로 들어오는 고압의 유동은 나선형 케이싱 또는 볼류트(volute)를 따라서 움직이면서 정지깃에 의해서 러너를 향하여 방향이 전환되고 커다란 접선속도 성분을 가지며 쪽문을 통과한다.

반동 터빈은 충동터빈과 크게 다르다.

물제트를 사용하는 대신 볼류트가 러너를 구동하는 선회하는 물로 채워져 있다. 수력터빈 응용에서 일반적으로 축이 수직이다. 고정 안내깃과 조절 가능한 쪽문을 포함하여 위와 옆에서

본 모습을 나타내었다.

(87)

87

반동터빈에는 Francis와 Kaplan의 크게 두 가지 형태가 있다.

Francis 터빈은 원심 또는 혼류 펌프와 형상이 다소 비슷하지만 유동이 반대뱡향이다.

Kaplan 터빈은 역으로 운전되는 축류 팬과 약간 비슷하다.

반동터빈은 러너로 들어오는 유동의 방향에 따라 분류된다.

만약 유동이 러너에 반경방향으로 들어오면 Francis 반경류터빈이라고 한다.

만약 유동이 반경방향과 축방향 사이의 어떤 각도로 러너로 들어오면 Francis 혼류터빈이라고 한다. 이 형태가 보다 일반적이다.

일부 수력터빈 엔지니어는 “Francis 터빈”이라는 용어를 단지 러너에 밴드(band)가 있을 경우에만 사용하기도 한다. Francis 터빈은 Pelton 수차 터빈의 높은 수두와 Kaplan터빈의 낮은 수두 사이에 있는 수두에 가장 적합하다.

전형적인 대형 Francis 터빈은 16개 또는 그 이상의 러너 블레이드를 갖고 있으며, 90에서 95%의 터빈효율을 얻을 수가 있다.

만약 러너에 밴드가 없고 유동이 일부 방향전환을 하며 러너에 들어온다면 이는 프로펠러 혼류터빈 또는 간단히 혼류터빈(mixed-flow turbine)이라고 부른다.

마지막으로 만약 유동이 러너에 들어오기 전에 축 방향으로 완전히 전환된다면 이 터빈은 축류터빈(axial-flow turbine)이라고 불린다.

(88)

Kaplan 터빈은 유량이 쪽문을 회전시키고 그리고 러너 블레이드의 피치를 조절하는 두

가지 방법으로 조절되므로 이중조절(double regulated)이라고 부른다.

Propeller 터빈은 블레이드가 고정되었다는 것(피치를 조절 못함)을 제외하고는 Kaplan

터빈과 거의 동일하며, 유량은 단지 쪽문에 의해서만 조절된다 [단일조절(single regulated)]. Pelton 및 Francis 터빈과 비교하여 Kaplan 터빈과 프로펠러 터빈은 낮은 수두와 큰

체적유량에 가장 적합하다.

이 터빈들의 효율은 Francis 터빈에 비견되며 최고 94%에 달할 수 있다.

(89)

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발전을 위해 Francis 터빈을 사용하는 수력발전소의 전형적인 구성도 및 용어

실제 축척이 아니며, 피토관은 단지 설명을 위해 나타내었다.

터빈의 순수두(net head)는 터빈의 바로 앞 상류의 에너지구배선(EGLin)과 흡출관 출구의

에너지구배선(EGLout)의 차이로 정의된다.

이상적인 동력생산

(93)

93

정의로 부터 효율은 항상 1보다 작아야만 한다. 터빈의 효율은 펌프 효율의 역이다.

(a) Hoover 댐 주변 비행사진과 (b) Hoover 댐의 수력터빈으로 구동되는 여러 개의 병렬 발전기 의 위(보이는) 부분.

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Francis 터빈 러너의 외반경에 대한 상대 및 절대속도 벡터와 형상

절대속도 벡터는 굵게 표시

Francis 터빈 러너의 내반경에 대한 상대 및 절대속도 벡터와 형상

절대속도 벡터는 굵게 표시

러너 선단 러너 후단

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95

몇몇의 Francis 혼류

수력터빈에서는 고출력, 고유량 조건에서 때로는 역

선회류(reverse swirl)를 유발하며,

이때 그림에서 보여주는 것처럼 러너에서 유출되는 유동은 러너 자체와 반대 방향으로 선회한다.

CFD로 계산된 러너 블레이드

표면에서의 정압에 대한 등분포도이며 압력단위는 Pa이다.

여기에서 보여주는 것은 z축에 대하여 반시계 방향으로 회전하는 블레이드가 17개인 Francis 혼류터빈 러너이다.

단지 블레이드 통로 하나만을 모델링 하였지만 축대칭이므로 16번

반복하여 나타내었다.

최고압력(짙은 붉은색 지역)은 러너 압력면 선단 근처에서 나타나는 반면, 최저 압력(옅은 붉은색 지역)은 후단 근처 러너의 흡입면에서 나타난다.

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가스 및 증기 터빈

석탄 또는 원자력 발전소에서는 고압증기가 보일러에서 생성되고 증기터빈에 공급되어 전기를

생산한다.

재열, 재생 및 전체 효율을 높이기 위한 다른 노력들 때문에 이런 증기터빈들은 일반적으로 (고압 및 저압의)두 개의 단(stage)을 갖는다.

대부분의 발전소 증기터빈은 다단 축류장치이다.

터빈 블레이드(버킷이라 불리는)들의 각 세트(set) 사이에서 유동의 방향을

정해주는 것은 고정자 깃(stator

vanes; 노즐이라 불리는) 이다. 석탄화력 또는 원자력 발전소에서 사용되는 전형적인 2단 증기터빈의 터빈

블레이드(버킷이라고 불리는). 유동은 왼쪽에서 오른쪽이며, 왼쪽은 고압 단이고 오른쪽은 저압 단이다.

(101)

101

가스터빈 발전기는 추력을 제공하는 대신에 이 터보기계가 연료의 에너지를 가능한 한 많이 회전축으로 전달하도록 설계된 것을 제외하고는 제트엔진과 비슷하다

발전용 가스터빈은 지상용이기 때문에 일반적으로 제트엔진보다 훨씬 크다.

전체 터빈의 크기가 증가하면 상당한 효율의 개선을 구현할 수 있다.

MS7001F 가스 터빈의 로터 조립체를 가스 터빈 케이싱의 하단부 속으로 내려놓고 있다.

유동은 왼쪽에서 오른쪽이며, 상류의 로터 블레이드(블레이드라고 불린다) 세트로 다단 압축기를 구성하고 하류의 로터 블레이드(버킷이라고 불린다)

세트로 다단 터빈을 구성한다. 가스 터빈 케이싱 하단부에서 압축기 고정자

블레이드(깃, 베인이라고 불린다)와 터빈 고정자 블레이드(노즐이라고 불린다)를 볼 수 있다. 이 가스터빈은 3600rpm으로 회전하며 135MW 이상의 동력을

생산한다.

(102)

풍력 터빈

전 세계적으로 에너지 요구가 증가함에 따라 화석연료의 공급이 부족하게 되고 에너지 비용은 계속하여 증가하고 있다.

전 세계적 에너지 수요를 따라가기 위해서는 태양(solar), 풍력(wind),

파력(wave), 조력(tidal), 수력(hydroelectric) 및 지열(geothermal) 등과 같은 재생 에너지원에 대한 더 많은 연구가 수행되어야만 한다.

이 절에서는 발전에 사용되는 풍력 터빈을 중점적으로 다룬다.

비록 기술적으로는 두 장치가 모두 유체로부터 에너지를 얻어내는 터빈이지만, 기계적인 동력(제분, 물의 이송 등)을 얻어내기 위한 풍차(windmill)와 전력을 생산하기 위한 풍력터빈(wind turbine)으로 구별하여 서로 다른 용어를

사용하는 것에 유의하자.

비록 바람이 “무료(free)”고 재생 가능하지만, 최신 풍력 터빈들은 비싸며 대부분의 다른 동력 생산 장치와 비교하여 명백한 단점을 지니고 있다. 즉,

바람이 불 때만 전력 생산이 가능하고, 따라서 태생적으로 비정상적(unsteady) 이다.

풍력 터빈은 바람이 부는 장소에 설치되어야만 하며, 이런 장소는 대부분 전통적인 전력망으로 부터 멀리 떨어져 있어 새로운 고압 송전선로의 건설이 요구된다.

(103)

103

풍력 터빈은 일반적으로 회전축 방향에 따라 다음과 같이 분류된다:

수평축 터빈 (horizontal axis wind turbines (HAWTs)) 수직축 터빈(vertical axis wind turbines (VAWTs))

다른 분류 방법으로는 회전하는 축에 토크를 제공하는 메커니즘에 의한 구분이며, 양력(lift) 또는 항력(drag)이다.

지금까지 어떤 VAWT 또는 항력형 설계도 양력형 HAWT(lift-type HAWT) 만큼 효율적이거나 성공적이지는 못하였다.

이러한 이유로 전 세계적으로 거의 풍력터빈은 HAWT 형태로 건설되며, 종종 풍력발전단지(wind farms)라고 부르는 집단을 형성한다.

따라서 이 절에서는 단지 양력형 HAWT 만을 자세하게 설명한다.

(104)

다양한 풍력 터빈 설계와 이들의 분류

(105)

105

다양한 풍력 터빈 설계와 이들의 분류

(106)

다양한 풍력 터빈 설계와 이들의 분류

(107)

107

다양한 풍력 터빈 설계와 이들의 분류

(108)

(a) 세계적인 화석연료의 수요를 줄이기 위하여

California의 Altamont Pass에 있는 이와 같은 풍력발전단지들이 세계의 도처에서 건설되고 있다.

(b) 몇몇의 풍력 터빈은 심지어 건물에 설치되고 있다.

(109)

109

전형적인 정성적 풍력터빈 동력의 성능곡선으로

시동, 정격 및 차단 속도의 정의를 함께 나타내었다.

시동속도(Cut-in speed): 사용가능한 동력을 발생시킬 수 있는 최소풍속 정격속도(Rated speed): 보통 최대 동력인 정격 동력을 공급하는 풍속 차단 속도(Cut-out speed): 풍력 터빈이 동력을 생산하도록 설계된 최대 풍속이다. 차단속도 이상의 풍속에서는 파손을 피하고 안전을 위하여, 어떤 형태의 정지 메커니즘에 의해서 터빈 블레이드가 정지된다.

아래 그림에서 파란 쇄선의 짧은 구간은 차단이 적용되지 않는다면 얻을 수 있는 동력을 나타내고 있다.

(110)

가용풍력

디스크 면적

A: 터빈 블레이드가 회전할 때 지나치는 원형 면적

• 풍력 밀도는 공기 밀도에 선형적으로 비례하며, 즉 이 효과는 풍속처럼 중요하지는 않지만, 찬 공기는 동일한 속도로 불어오는 더운 공기보다 더 큰 풍력밀도를 갖는다.

• 풍력밀도는 풍속의 세제곱에 비례하며, 즉 풍속을 두 배로하면 풍력 밀도는 8배가 된다. 왜 풍력발전단지가 풍속이 높은 지역에

위치하는지 명백하다.

에너지 패턴 계수

100 W/m2, 불리(poor) 400 W/m2, 적합(good)

700 W/m2, 매우 적합(great) 풍력밀도

(111)

111

공기역학적 효율(Aerodynamic efficiency): 블레이드에서 얻어지는 가용 풍력의 분율(fraction)로 정의한다.

일반적으로 이 효율은 동력계수(power coefficient), CP라고 부른다.

이상적인 풍력터빈의 성능을 분석하기 위한, 축대칭 확대 유관(stream tube)으로 제한된 큰 검사체적과 작은 검사체적

(112)

풍력터빈을 통과하는 평균 유선방향 속도와 압력

분포의 정성적 개략도

이상적인 풍력터빈을 통과하는 공기의 평균 속도는 멀리 떨어진 상류 속도와 멀리 떨어진 하류 속도의 산술평균임

Betz 극한(Betz limit)

(113)

113

터빈 블레이드 끝단 속도(tip speed)와 풍속의 비의 함수로 나타낸 다양한 형태의 풍력터빈 성능(동력계수)

현재까지, 수평축 풍력터빈(HAWT)보다 더 좋은 성능을 갖는 설계는 없다.

(114)
(115)

115

2

nd

version 3

rd

version

30 ft 9 m

7 mph 11 km/h 14 mph 22 km/h 0.076 lbm/ft3 1.22 kg/m3

(116)

2.2443 m/s

Eq. (14-52)

-145 N

145 N

(117)

117

14–5 터빈 축척 법칙

터빈의 차원 해석에 사용되는 주요 변수들

특성 터빈 직경(characteristic turbine diameter) D는 일반적으로 러너 직경

D

runner

또는 토출 직경 D

discharge

이다.

(118)

차원해석은 기하학적으로 상사한 (geometrically similar) 두 터빈의 축척에 유용하다. 만약 터빈 A의 모든 무차원 터빈 매개변수가 터빈 B와 동일하다면 두 터빈은 역학적으로 상사(dynamically similar)하다.

일반적으로 모형에서 원형으로의 효율 증가는 식으로 주어지는 값의 약 2/3에 지나지 않는다.

(119)

119

(120)
(121)

121

터빈 비속도

펌프-터빈은 에너지 저장(storage)을 위하여 몇몇 발전소에서 사용된다.

(a) 전력수요가 적은 시간대에는 물이 펌프-터빈으로 양수되고 (b) 전력수요가 많은 시간대에는 펌프-터빈으로 전기를 생산한다.

(122)
(123)

123

용량 비속도

무차원 비속도와 미국의 관습적인 터빈 비속도의 정의 사이의 변환. 숫자들을 유효숫자 4자리로 나타내었다. 변환에는 표준 중력가속도와 작동유체로 물을 가정한다.

터빈 비속도는 최적조건(최고효율점)에서 터빈의 운전특성을 나타내기 위하여 사용되며 터빈의 예비선정에 유용하다.

(124)

세 가지 주요한 형태의 동역학적 터빈에 대하여 펌프 비속도의 함수로 나타낸 최고 효율

수평 눈금은 무차원 터빈 비속도(NSt)와 미국 관습 단위의 터빈 비속도(NSt,US

)를

나타낸다. 참고로 선도에 블레이드 형태의 그림도 함께 나타내었다.

(125)

125

(126)

요약

분류와 용어

펌프

펌프 성능곡선과 배관 시스템의 펌프 선정

펌프 공동현상과 유효흡입수두

직렬 및 병렬 펌프

용적식 펌프

동역학적 펌프

원심 펌프

축류 펌프

펌프의 축척 법칙

차원해석

펌프의 비속도

친화 법칙

터빈

용적식 터빈

동역학적 터빈

충동 터빈

반동 터빈

가스 및 증기터빈

풍력 터빈

터빈 축척 법칙

무차원 터빈 매개변수

터빈 비속도

수치

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참조

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