수력 터빈은 물의 흐름 에너지를 회전 기계의 에너지로 변환하는 동력 기계입니다. 유체 기계의 터빈 기계류에 속합니다. 기원전 100년경 중국에서 수력 터빈의 초기 형태가 등장했으며, 관개용수를 끌어올리거나 곡물 가공 장비를 구동하는 데 사용되었습니다. 현대의 대부분의 수력 터빈은 수력 발전소에 설치되어 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다. 수력 발전소에서 상류 저수지의 물은 수로를 통해 수력 터빈으로 유입되어 터빈 회전축을 회전시키고 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다. 생산된 물은 하류의 방수로를 통해 방류됩니다. 수두가 높을수록, 방류량이 많을수록 수력 터빈의 출력은 커집니다.
수력 발전소의 관형 터빈 장치에서 터빈의 러너 챔버에 캐비테이션 문제가 발생하는데, 주로 동일한 블레이드의 물 유입구와 유출구 부근 러너 챔버에 폭 200mm, 깊이 1~6mm의 캐비테이션이 형성되어 원주 전체에 걸쳐 캐비테이션 띠가 나타난다. 특히, 러너 챔버 상부에서 캐비테이션이 더욱 두드러지게 발생하며, 깊이는 10~20mm에 달한다. 터빈 러너 챔버에서 캐비테이션이 발생하는 원인은 다음과 같이 분석된다.
수력 발전소의 러너와 블레이드는 스테인리스강으로 제작되었으며, 러너 챔버의 주재료는 Q235입니다. 이 재질은 인성과 캐비테이션 저항성이 떨어집니다. 저수지의 저수 용량이 제한적이기 때문에 장기간 초고수두로 운전되어 왔으며, 이로 인해 하류수에 다량의 증기 기포가 발생합니다. 운전 중 수력 터빈 내부로 흐르는 물은 기화압보다 낮은 압력 영역을 통과합니다. 블레이드 틈새를 통과하는 물은 기화 및 비등하여 증기 기포를 생성하고, 이 기포는 국부적인 충격 압력을 발생시켜 금속에 주기적인 충격과 수격압을 가합니다. 이러한 충격은 금속 표면에 반복적인 충격 하중을 가하여 재료 손상을 초래하고, 결과적으로 금속 결정의 캐비테이션 박리를 일으킵니다. 캐비테이션은 동일한 블레이드의 입구와 출구에서 러너 챔버에 반복적으로 발생합니다. 따라서 초고수두로 장기간 운전할 경우 캐비테이션 발생 빈도가 점차 증가하고 심화됩니다.
터빈 러너 챔버의 캐비테이션 문제를 해결하기 위해 초기에는 용접 보수 작업을 진행했으나, 이후 정비 과정에서 러너 챔버에서 심각한 캐비테이션 문제가 다시 발생했습니다. 이에 해당 기업 담당자는 저희에게 연락하여 터빈 러너 챔버의 캐비테이션 문제 해결을 요청했습니다. 저희 엔지니어들은 해당 기업 설비에 대한 상세 분석을 바탕으로 맞춤형 정비 계획을 수립했습니다. 수리 규모를 최소화하는 동시에, 현장 작업 환경에서 장기 작동 요구 사항을 충족할 수 있도록 설비의 작동 환경에 적합한 탄소 나노 폴리머 소재를 선정했습니다. 현장 정비 단계는 다음과 같습니다.
1. 터빈 러너 챔버의 캐비테이션 부품에 대한 표면 탈지 처리를 실시합니다.
2. 모래 분사를 이용한 녹 제거;
3. 소레쿤 나노 폴리머 소재를 혼합하여 수리할 부위에 도포합니다.
4. 재료를 굳힌 후 수리면을 확인합니다.
게시 시간: 2022년 10월 14일
