빠른 응답 속도를 가진 재생 에너지원인 수력 발전은 일반적으로 전력망에서 피크 부하 조절 및 주파수 조절 역할을 수행하므로, 수력 발전 설비는 설계 조건에서 벗어난 환경에서 운전해야 하는 경우가 많습니다. 다수의 시험 데이터를 분석한 결과, 터빈이 설계 조건 외의 조건, 특히 부분 부하 조건에서 작동할 때 터빈의 드래프트 튜브에서 강한 압력 맥동이 발생하는 것으로 나타났습니다. 이러한 저주파 압력 맥동은 터빈의 안정적인 운전과 설비 및 작업장의 안전에 악영향을 미칩니다. 따라서 드래프트 튜브의 압력 맥동은 산업계와 학계에서 널리 주목받는 문제입니다.
터빈 드래프트 튜브의 압력 맥동 문제는 1940년 처음 제기된 이후 많은 학자들이 그 원인을 규명하기 위해 연구해 왔습니다. 현재 학자들은 일반적으로 부분 부하 조건에서 드래프트 튜브의 압력 맥동이 드래프트 튜브 내 나선형 와류 운동에 의해 발생한다고 보고 있습니다. 와류의 존재는 드래프트 튜브 단면의 압력 분포를 불균일하게 만들고, 와류대가 회전함에 따라 비대칭적인 압력장 또한 회전하여 시간에 따라 주기적으로 압력이 변화하면서 압력 맥동을 발생시킨다는 것입니다. 나선형 와류는 부분 부하 조건(즉, 접선 방향 속도 성분)에서 드래프트 튜브 입구의 회전 흐름에 의해 발생합니다. 미국 국토개간국(US Bureau of Reclamation)은 드래프트 튜브 내 회전에 대한 실험 연구를 수행하고, 다양한 회전 정도에 따른 와류의 형상과 거동을 분석했습니다. 그 결과, 회전 정도가 특정 수준에 도달했을 때에만 드래프트 튜브 내에 나선형 와류대가 나타나는 것을 확인했습니다. 나선형 와류는 부분 부하 조건에서 발생하므로, 터빈 운전 시 상대 유량(Q/Qd, Qd는 설계점 유량)이 0.5~0.85 사이일 때만 드래프트 튜브에서 심한 압력 맥동이 나타납니다. 와류대에 의해 유발되는 압력 맥동의 주요 성분 주파수는 비교적 낮으며, 러너 회전 주파수의 0.2~0.4배에 해당합니다. Q/Qd 값이 작을수록 압력 맥동 주파수는 높아집니다. 또한, 캐비테이션이 발생하면 와류 내에서 생성된 기포가 와류의 크기를 증가시켜 압력 맥동을 더욱 강하게 만들고, 압력 맥동 주파수 또한 변화합니다.
부분 부하 조건에서 드래프트 튜브의 압력 맥동은 수력 발전 장치의 안정적이고 안전한 운전에 큰 위협이 될 수 있습니다. 이러한 압력 맥동을 억제하기 위해 드래프트 튜브 벽에 핀을 설치하거나 드래프트 튜브 내부로 환기하는 등 다양한 아이디어와 방법이 제안되었으며, 이는 효과적인 조치 중 두 가지입니다. 니시(Nishi) 등은 실험 및 수치 해석 방법을 사용하여 다양한 종류의 핀, 핀의 개수, 설치 위치가 드래프트 튜브의 압력 맥동에 미치는 영향을 연구했습니다. 연구 결과, 핀 설치는 와류의 편심을 크게 줄여 압력 맥동을 감소시킬 수 있음을 보여주었습니다. 드미트리(Dmitry) 등도 핀 설치를 통해 압력 맥동의 진폭을 30~40% 감소시킬 수 있음을 발견했습니다. 주축 중앙 구멍을 통해 드래프트 튜브로 환기하는 것 또한 압력 맥동을 억제하는 효과적인 방법입니다. 또한, 니시 외 연구진은 핀 표면의 작은 구멍을 통해 드래프트 튜브에 공기를 주입하는 방법을 시도했으며, 이 방법이 압력 맥동을 억제할 수 있고 핀이 작동하지 않을 때 필요한 공기량이 매우 적다는 것을 발견했습니다.
게시 시간: 2022년 8월 9일
