펠턴 터빈(펠턴 수차 또는 부르댕 터빈으로도 번역됨, 영어: 펠턴 휠 또는 펠턴 터빈)은 미국의 발명가 레스터 W. 앨런 펠턴이 개발한 충격식 터빈의 일종입니다. 펠턴 터빈은 물의 흐름과 수차를 충돌시켜 에너지를 얻는 방식으로, 물 자체의 무게를 이용해 회전하는 기존의 상향식 수차와는 다릅니다. 펠턴의 설계가 발표되기 전에도 여러 가지 형태의 충격식 터빈이 존재했지만, 펠턴의 설계보다 효율이 떨어졌습니다. 기존 터빈에서는 물이 수차를 통과한 후에도 여전히 속도를 유지하고 있어 운동 에너지의 상당 부분을 낭비했습니다. 펠턴 터빈의 날개 형상은 물의 제트 속도의 절반으로 회전한 후 매우 낮은 속도로 수차를 통과하도록 설계되었습니다. 따라서 펠턴의 설계는 물의 충격 에너지를 거의 완벽하게 활용하여 고효율 수차 터빈을 구현할 수 있었습니다.
고효율 고속의 물 흐름이 파이프라인으로 유입되면, 강력한 수압은 니들 밸브를 통해 구동 휠의 양동이 모양 팬 블레이드로 향하게 되어 구동 휠을 회전시킵니다. 이 블레이드는 충돌 팬 블레이드라고도 하며, 구동 휠의 둘레를 둘러싸고 있으며, 이를 통틀어 구동 휠이라고 합니다. (자세한 내용은 빈티지 펠턴 터빈 사진을 참조하십시오.) 물줄기가 팬 블레이드에 충돌하면 양동이 모양 때문에 물의 흐름 방향이 바뀝니다. 물의 충격력은 물 양동이와 구동 휠 시스템에 모멘트를 발생시키고, 이를 이용하여 구동 휠을 회전시킵니다. 물의 흐름 방향 자체는 "비가역적"이며, 물 배출구는 물 양동이 외부에 설치되어 있어 물의 유속이 매우 느려집니다. 이 과정에서 유체의 운동량은 구동 휠로 전달되고, 거기에서 수력 터빈으로 전달됩니다. 따라서 이러한 "충격"이 실제로 터빈을 작동시키는 데 사용될 수 있습니다. 터빈의 출력과 효율을 극대화하기 위해 로터와 터빈 시스템은 버킷으로 분사되는 유체 제트의 속도를 두 배로 높이도록 설계되었습니다. 유체 제트의 원래 운동 에너지 중 극히 일부만 물에 남아 있게 되므로 버킷이 비워지고 채워지는 속도가 동일해집니다(질량 보존 법칙 참조). 따라서 고압의 유체를 중단 없이 지속적으로 주입할 수 있습니다. 에너지가 낭비되지 않는 것입니다. 일반적으로 두 개의 버킷이 로터에 나란히 장착되어 물의 흐름이 두 개의 동일한 분사관으로 나뉘게 됩니다(그림 참조). 이러한 구성은 로터에 작용하는 측면 하중의 균형을 유지하고 원활한 작동을 보장하는 동시에 유체 제트의 운동 에너지를 수력 터빈 로터로 전달합니다.
물을 비롯한 대부분의 액체는 거의 비압축성이기 때문에 유체가 터빈으로 유입된 후 첫 번째 단계에서 거의 모든 에너지가 포착됩니다. 반면 펠턴 터빈은 압축성 유체를 사용하는 가스 터빈과는 달리 회전하는 바퀴 부분이 하나뿐입니다.
펠턴 터빈은 수력 발전에 가장 적합한 터빈 유형 중 하나이며, 수두가 매우 높고 유량이 적은 환경에 가장 적합한 터빈입니다. 따라서 높은 낙차와 적은 유량 환경에서 펠턴 터빈은 가장 효율적이며, 이론적으로는 두 갈래로 나누어 물을 공급하더라도 동일한 에너지를 생산할 수 있습니다. 또한, 두 개의 주입구는 동일한 품질을 가져야 하며, 하나는 길고 가는 관, 다른 하나는 짧고 넓은 관이 필요합니다. 펠턴 터빈은 모든 규모의 부지에 설치할 수 있습니다. 이미 톤급 수력 수직축 펠턴 터빈을 사용하는 수력 발전소가 있으며, 가장 큰 설치 용량은 최대 200MW에 달합니다. 반면, 가장 작은 펠턴 터빈은 폭이 불과 몇 인치에 불과하여 분당 몇 갤런의 유량만 흐르는 물에서도 에너지를 추출할 수 있습니다. 일부 가정용 배관 시스템에서는 펠턴식 수차를 이용하여 물을 공급하기도 합니다. 이 소형 펠턴 터빈은 상당한 전력을 생산하기 위해 9.1m(30피트) 이상의 낙차에서 사용하는 것이 권장됩니다. 현재 수류 및 설계에 따라 펠턴 터빈 설치 장소의 낙차는 14.9m에서 1,799.8m(49~5,905피트) 범위가 바람직하지만, 현재 이론적인 제한은 없습니다.
게시 시간: 2022년 4월 2일
