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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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터빈의 효율을 평가하는 것은 재생 에너지의 경제성 및 엔지니어링의 적용에 있어 매우 중요하다. 이는 유체의 속도, 밀도, 터빈의 재료 및 기하학적 특성과 같은 다양한 요소에 영향을 받으며, 그동안 터빈을 흐름의 반대방향으로 일정한 추력을 작용하는 단일 디스크로 가정함으로써 단순화 하여 해석하는 LMADT (Linear Momentum Actuator Disc Theory)가 축류 터빈을 분석하기 위해 채택되었다.
한편 많은 조류 터빈들 중에서 옥스포드 대학에서 최근에 개발 된 Transverse Horizontal Axis Water Turbine (THAWT)은 조류 터빈으로 많은 이점을 가진 교차류 터빈이다. 이는 양방향 흐름에서 일정한 효율을 가지며 축 방향으로 쉽게 연장 될 수 있으며 구조적으로 안정하다. 그러나 교차류 터빈은 축류 터빈보다 복잡한 메커니즘을 가지고 있기 때문에 LMADT 를 THAWT 에 직접 적용하는 것은 어렵다. 또한, 교차류 터빈의 경우, 블레이드의 절반이 유동 방향과 반대 방향으로 회전하기 때문에 유속 분포의 존재가 터빈의 동력 계수에 영향을 미칠 것으로 보인다.
본 연구에서는 유속 분포를 갖는 THAWT 의 동력 계수를 얻기 위해 일반적인 LMADT 를 직접 적용하는 대신에 블레이드에 작용하는 물리적 특성을 분석하는 방법 인 블레이드 요소 모멘텀 이론(BEMT)을 적용한다. 이를 이용하는 것은 교차류 터빈을 분석 할 때 두 가지 이점이 있다. 하나는 LMADT 접근법의 한계를 극복하고 다른 하나는 BEMT 를 통해 양력 및 항력을 얻어 터빈에 직접 작용하는 힘을 고려하기 때문에 속도 프로파일을 고려할 수 있다는 것이다. 이를 기반으로 간단한
해석 형식을 통한 모델을 구성한 후 터빈의 출력 계수를 수치 적으로 얻는다. 이후 모델의 조정 계수로 LMADT이론을 기반으로 도입한 속도 감소 계수 및 수직 항력과 마찰 요소를 고려한 마찰 계수를 두어 3D 프린터를 통해 제작한 모형 터빈 실험과 비교해 검증한다.
구축한 수치 모델 및 실험 결과를 통해 터빈의 끝단속도비에 영향을 주는 요소를 수심, 터빈의 지름, 상류의 시간 평균 유속 및 중력가속도를 바탕으로 한 무차원수들의 조합으로 나타내었다. 이 관계를 통해 속도 감소 계수 및 마찰 계수로 표현한 조정 계수를 경험식을 통해 나타낼 수 있고, 실험 결과와 비교하여 R2= 0.8340 의 정확도를 보였다. 본 연구를 통해 수심 및 유속 정보를 얻을 수 있는 연안 지역에 최적 터빈 설치 위치 및 잠재량 등을 평가함에 있어 간단하고 빠른 결과를 제공할 수 있을 것이다.
한편 많은 조류 터빈들 중에서 옥스포드 대학에서 최근에 개발 된 Transverse Horizontal Axis Water Turbine (THAWT)은 조류 터빈으로 많은 이점을 가진 교차류 터빈이다. 이는 양방향 흐름에서 일정한 효율을 가지며 축 방향으로 쉽게 연장 될 수 있으며 구조적으로 안정하다. 그러나 교차류 터빈은 축류 터빈보다 복잡한 메커니즘을 가지고 있기 때문에 LMADT 를 THAWT 에 직접 적용하는 것은 어렵다. 또한, 교차류 터빈의 경우, 블레이드의 절반이 유동 방향과 반대 방향으로 회전하기 때문에 유속 분포의 존재가 터빈의 동력 계수에 영향을 미칠 것으로 보인다.
본 연구에서는 유속 분포를 갖는 THAWT 의 동력 계수를 얻기 위해 일반적인 LMADT 를 직접 적용하는 대신에 블레이드에 작용하는 물리적 특성을 분석하는 방법 인 블레이드 요소 모멘텀 이론(BEMT)을 적용한다. 이를 이용하는 것은 교차류 터빈을 분석 할 때 두 가지 이점이 있다. 하나는 LMADT 접근법의 한계를 극복하고 다른 하나는 BEMT 를 통해 양력 및 항력을 얻어 터빈에 직접 작용하는 힘을 고려하기 때문에 속도 프로파일을 고려할 수 있다는 것이다. 이를 기반으로 간단한
해석 형식을 통한 모델을 구성한 후 터빈의 출력 계수를 수치 적으로 얻는다. 이후 모델의 조정 계수로 LMADT이론을 기반으로 도입한 속도 감소 계수 및 수직 항력과 마찰 요소를 고려한 마찰 계수를 두어 3D 프린터를 통해 제작한 모형 터빈 실험과 비교해 검증한다.
구축한 수치 모델 및 실험 결과를 통해 터빈의 끝단속도비에 영향을 주는 요소를 수심, 터빈의 지름, 상류의 시간 평균 유속 및 중력가속도를 바탕으로 한 무차원수들의 조합으로 나타내었다. 이 관계를 통해 속도 감소 계수 및 마찰 계수로 표현한 조정 계수를 경험식을 통해 나타낼 수 있고, 실험 결과와 비교하여 R2= 0.8340 의 정확도를 보였다. 본 연구를 통해 수심 및 유속 정보를 얻을 수 있는 연안 지역에 최적 터빈 설치 위치 및 잠재량 등을 평가함에 있어 간단하고 빠른 결과를 제공할 수 있을 것이다.
목차
1. Introduction 11.1. Research background 11.2. Research objectives 51.3. Outline 72. Background theories 82.1. Types of turbine 82.1.1. Axial-flow turbine 92.1.2. Cross-flow turbine 112.2. Models for axial-flow turbine 142.2.1. Linear Momentum Actuator Disc Theory (LMADT) 142.2.2. LMADT in open channel flow 192.3. Models for cross-flow turbine 242.3.1. Blade Element Momentum Theory (BEMT) 242.3.2. LMADT for cross-flow turbine 293. Turbine modeling 323.1. Dimensional analysis 323.2. Derivation of simplified model 363.3. Calculation procedure 413.4. Numerical results 444. Experimental setup 504.1. Similitude and flow conditions 504.2. Velocity measurement 544.3. Making small-scale turbine 594.4. Measuring motion of turbine 615. Results and discussion 665.1. Experimental results 665.2. Model calibration and discussion 686. Conclusion 72References 74국문초록 78
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