퇴적물 침식 방지를 위한 횡류수차의 CFD 해석 및 모델 실험에 관한 연구

Abstract

In the hydropower development in hilly terrains or countries, the damage to the turbine due to sediment erosions is becoming a big problem. The turbine erosion and wear caused by these sediments lead to performance degradation and shortened life span, ultimately resulting in an economic loss due to the difficulty in producing electricity.

In this study, various materials were selected and tested for the development of the runner blades of a cross-flow turbine with improved hardness and the wear rates of sediments were compared by the Rotating Disc Apparatus (RDA) test. Based on these results, prediction was made on the life of runner blades of each material.

Also, analysis was conducted though CFD and Fluid Structure Interaction (FSI) techniques by designing a 5kW cross-flow turbine. Based on these results, a performance experiment was carried out.

In addition, on the bassis of the data of the 5kW cross-flow turbine, a 20kW cross flow turbine was designed and CFD analysis was performed. Based on these results, another performance experiment was also conducted.

The results are summarized as follows.

1. The weight of single runner blade of the 5kW cross-flow turbine is about 250g. The point at which 100g of loss, about 40%, occurred was the replacement point of the runner blade. The point at which 100g was lost was calculated through the RDA experiment. As a result, the runner blade loss time point was about 2.9 months for SUS304 and about 7.7 months for Cr27. Thus, it is expected that the life of the runner blade will be about 3 times higher than that of SUS304. And the runner blade loss time point was about 11.5 months for Ni-Cr27. Thus, it is also predicted that Ni-Cr27 have about four times longer life.

2. Single runner blade of the 20kW cross-flow turbine weighs about 625g. The point at which 187.5g is lost, about 30%, is the replacement point of the runner blade. Except for the materials vulnerable to corrosion resistant out of the materials considered, the materials suitable for corrosion and erosion prevention turned out SUS630 and WC-SUS630. As a result, thew loss point of the runner blade was about 3 months for SUS304 and about 8 months for SUS630. This suggests that the life of runner blade has a life of about 2.7 times longer than SUS304. And WC-SUS304 was about 5.8 months and WC-SUS630 was about 10 months. Thus, it is have that the life of the blade life is about 1.7 times longer than WC-SUS304.

3. CFD analysis results of the 5kW cross-flow turbine showed that the turbine efficiency at a flow rate of 0.1m3/s was 71.5%. The experimental results were found 69.5%, which is close to the target efficiency of 70%. The outputs were 6.62kW and 5.92kW, respectively, more than 5kW as the target output. In addition, the efficiency error between the CFD analysis results and the experimental results was about 6.8% and the output error between the two results was about 10% Thus, the mean error turned out about 7%.

4. CFD analysis results of the 20kW cross-flow turbine showed that the turbine efficiency at a flow rate of 0.3m3/s was 77.6%. The experimental results in the same conditions were found 75.19%, which is close to the target efficiency of 72%. The outputs were 31.17kW and 33.29kW, respectively, more than 5kW as the target output. In addition, the efficiency error between the CFD analysis results and the experimental results was about 6.8% and the output error between the two results was about 3.2% Thus, the mean error turned out about 5%.

5. It is judged that Cr27, Ni-Cr27, SUS630 and WC-SUS630 should be selected to prevent sediment erosions of runner blades. However, in order to determine the degree of the erosion caused by sediments, further studies such as empirical studies are needed by installing runner blades in the areas where these problems occur a lot.

|지형이 험한 지역 또는 국가에서의 수력발전 개발은 퇴적물 침식으로 인한 수차의 손상이 큰 문제로 대두되고 있다. 이러한 퇴적물에 인해 발생하는 수차의 침식과 마모는 성능 저하 및 수명 단축을 야기하며, 궁극적으로는 전기 생산에 어려움이 있어 경제적 손실을 일으킨다.

본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 보다 향상된 경도의 횡류수차의 러너 블레이드 개발을 위하여 다양한 재질을 선정하여 Rotating Disc Apparatus(RDA) 실험을 통해 퇴적물에 의한 마모도를 비교하였으며, 이 결과를 바탕으로 각 재질의 러너 블레이드 수명을 예측하였다.

또한, 5kW 횡류수차를 설계하여 CFD 및 Fluid Structure Interaction(FSI) 기법으로 해석을 진행하였고, 이 결과를 바탕으로 성능 실험을 진행하였다.

그리고 5kW 횡류수차의 자료를 바탕으로 개발 목표인 20kW 횡류수차를 설계하여 CFD 해석을 진행하였고, 이 결과를 바탕으로 성능 실험을 진행하였다.

그 결과는 다음과 같이 요약된다.

1. 5kW 러너 블레이드의 한 개 무게는 약 250g이며 약 40%인 100g이 손실되는 시점이 러너 블레이드의 교체 시점으로써 RDA 실험을 통하여 100g이 손실되는 시점을 계산하였다. 그 결과 러너 블레이드 손실 시점이 SUS304는 약 2.9개월, Cr27은 약 7.7개월로 러너 블레이드의 수명이 SUS304보다 약 3배, Ni-Cr27은 약 11.5개월로 약 4배 더 긴 수명을 가진다.

2. 20kW 러너 블레이드의 한 개 무게는 약 625g이며 약 30%인 187.5g이 손실되는 시점이 러너 블레이드의 교체 시점이다. 그리고 고려된 재질 중 부식에 취약한 재질을 배제하면 부식과 침식 방지에 적합한 재질은 SUS630과 WC-SUS630이다. 그 결과 러너 블레이드 손실 시점이 SUS304 약 3개월, SUS630은 약 8개월로 러너 블레이드의 수명이 SUS304보다 약 2.9배 긴 수명을 가진다. 그리고 WC-SUS304는 약 5.8개월, WC-SUS630은 약 10개월로 블레이드 수명이 WC-SUS304보다 약 1.7배 더 긴 수명을 가진다.

3. 5kW 횡류수차의 CFD 해석 결과 유량 0.1㎥/s에서 터빈효율은 71.5%, 실험 결과는 69.5%로 목표 효율인 70%에 근접하였고, 출력은 각각 6.62kW, 5.92kW로 목표 출력인 5kW 이상으로 발전되었음을 확인하였다. 또한 CFD 해석 결과와 실험 결과에서의 효율 오차는 약 4%, 출력 오차는 약 10%, 평균오차는 약 7%이다.

4. 20kW 횡류수차는 CFD 해석 결과 유량 0.3㎥/s에서 터빈효율은 77.6%, 실험 결과는 75.19%로 목표 효율인 72%에 부합하였다. 그리고 출력은 각각 31.17kW, 33.29kW로 목표 출력인 20kW 이상으로 발전되었음을 확인하였다. 또한 CFD 해석 결과와 실험 결과의 효율 오차는 약 6.8%, 출력 오차는 약 3.2%, 평균오차는 약 5%이다.

5. 러너 블레이드의 퇴적물 침식 방지를 위해서는 Cr27, Ni-Cr27, SUS630, WC-SUS630로 선정하는 것이 좋다고 판단된다. 그러나 퇴적물에 의한 침식 정도를 판단하기 위해서는 이러한 문제가 많이 발생하는 지역에 설치하여 실증 등의 후속 연구가 필요하다.