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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- Dr. Jin-Hyuk Kim
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2021
2019
Parametric Study on the Influence of Inlet and Outlet Pipe Geometry on the Pulsating Flow Characteristics of a Positive Displacement Hydraulic Turbine
A
,
ihant Sonawat
,
Hyeon-Mo Yang
외 3명
AFORE
2019.11
학술대회자료
Cause of Flow Pulsations in the Positive Displacement Hydraulic Turbine Used for Heat Pipeline
A
,
ihant Sonawat
,
Seung-Jun Kim
외 5명
한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집
2019.05
학술대회자료
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재생 에너지는 안정적인 에너지 수급을 가능하게 하고, 화석 연료 의존성을 줄이는데 기여한다. 수력발전은 발전단가가 낮고, 신뢰할 수 있는 재생 에너지원 중 하나이다. 마이크로 수력 터빈은 상수도 파이프 라인, 하수 처리 및 운송 플랜트, 화학 및 정유공장 등과 같은 시스템에서 버려지는 에너지를 회수하여 지속 가능한 발전을 위한 연구 주제로 각광을 받고 있다. 현수준의 연구는 온수 수송용 파이프의 미사용 에너지를 차압 제어 밸브를 통해 회수하는 방법을 다루고 있다. 하지만 차압 밸브는 내부에서 캐비테이션이 발생하여 에너지 손실을 야기하고, 파손되는 문제가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 차압 밸브를 대체할 수 있는 용적형 수력 터빈을 개발하였다. 용적형 수력 터빈은 유량이 매우 작고, 고양정이 요구되는 장소에 적합하다. 전산유체역학을 통하여 용적형 수력 터빈의 설계와 성능 예측을 수행하였고, 경제성 분석을 통해 차압 밸브를 용적형 수력 터빈으로 교체할 경우 에너지 절약과 CO2 배출 감소에 도움이 된다는 결론을 얻었다.
용적형 유체기기에서는 간극에서 발생하는 누설 유량이 수력학적 성능에 매우 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 용적형 수력 터빈의 수력학적 성능에 대한 축 및 반경 방향 간극 효과를 분석하였고, 서로 다른 축 및 반경 방향 간극의 용적형 수력 터빈을 제작하여 성능 실험을 수행하였다. 또한 전산유체역학을 통해 간극의 크기 (0.025-0.6mm)에 대한 매개변수 연구를 수행하였고, 반경 방향 간극은 0.025-0.6mm 의 범위에서 수력학적 성능에 민감한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 간극이 0.6mm 이상일 때 간극의 부피는 용적형 수력 터빈 부피의 4% 밖에 되지 않지만, 간극에서 발생하는 누설 유량은 터빈 전체 유량의 1/3에 달했다.
아울러, 로터 비틀림 효과의 영향을 분석하기 위해 전산유체역학을 사용하여 유동 맥동, 누설 손실 및 수력학적 성능에 대한 매개변수 연구를 수행하였고, 누설 손실을 정성적 및 정량적으로 분석하기 위한 메커니즘을 개발하였다. 로터 형상이 비틀리게 되면 유동 맥동과 캐비테이션이 크게 감소하는 것을 발견하였다. 그러나, 로터 사이의 간극에서 누설 유동이 증가하여 수력학적 성능이 약간 감소하였다. 유동 맥동, 캐비테이션 및 수력학적 성능을 고려하였을 때 최적 비틀림 각도는 45°로 밝혀졌다.
본 연구에서 개발된 용적형 수력 터빈의 입·출구 관 단면적 형상이 유동 맥동과 수력학적 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 기존의 단면적 형상은 원형으로 제작되었다. 사각형 및 평행사변형 단면 형상의 입·출구 관을 사용하여 영향성을 분석하였고, 매개변수 연구를 수행하였다. 매개변수 연구 결과, 평행사변형 단면의 관을 사용할 때 유동 맥동이 현저히 감소하는 것이 발견되었고, 기존의 원형 단면적 관과 비교하여 수력 효율이 0.824% 향상되었다. 비틀어진 로터형상과 원형 입·출구 관을 가진 용적형 수력 터빈이 최종형상으로 선정되었고, 정격 조건에서 66.2%의 수력 효율과 7.15kW 출력 성능이 실험을 통해 검증되었다.
용적형 유체기기에서는 간극에서 발생하는 누설 유량이 수력학적 성능에 매우 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 용적형 수력 터빈의 수력학적 성능에 대한 축 및 반경 방향 간극 효과를 분석하였고, 서로 다른 축 및 반경 방향 간극의 용적형 수력 터빈을 제작하여 성능 실험을 수행하였다. 또한 전산유체역학을 통해 간극의 크기 (0.025-0.6mm)에 대한 매개변수 연구를 수행하였고, 반경 방향 간극은 0.025-0.6mm 의 범위에서 수력학적 성능에 민감한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 간극이 0.6mm 이상일 때 간극의 부피는 용적형 수력 터빈 부피의 4% 밖에 되지 않지만, 간극에서 발생하는 누설 유량은 터빈 전체 유량의 1/3에 달했다.
아울러, 로터 비틀림 효과의 영향을 분석하기 위해 전산유체역학을 사용하여 유동 맥동, 누설 손실 및 수력학적 성능에 대한 매개변수 연구를 수행하였고, 누설 손실을 정성적 및 정량적으로 분석하기 위한 메커니즘을 개발하였다. 로터 형상이 비틀리게 되면 유동 맥동과 캐비테이션이 크게 감소하는 것을 발견하였다. 그러나, 로터 사이의 간극에서 누설 유동이 증가하여 수력학적 성능이 약간 감소하였다. 유동 맥동, 캐비테이션 및 수력학적 성능을 고려하였을 때 최적 비틀림 각도는 45°로 밝혀졌다.
본 연구에서 개발된 용적형 수력 터빈의 입·출구 관 단면적 형상이 유동 맥동과 수력학적 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 기존의 단면적 형상은 원형으로 제작되었다. 사각형 및 평행사변형 단면 형상의 입·출구 관을 사용하여 영향성을 분석하였고, 매개변수 연구를 수행하였다. 매개변수 연구 결과, 평행사변형 단면의 관을 사용할 때 유동 맥동이 현저히 감소하는 것이 발견되었고, 기존의 원형 단면적 관과 비교하여 수력 효율이 0.824% 향상되었다. 비틀어진 로터형상과 원형 입·출구 관을 가진 용적형 수력 터빈이 최종형상으로 선정되었고, 정격 조건에서 66.2%의 수력 효율과 7.15kW 출력 성능이 실험을 통해 검증되었다.
목차
List of Figures ·························································· ⅰList of Tables ···························································· vAbbreviation ···························································· vi1. Introduction ··························································· 11.1 Background and application of the present work ············· 11.2 Scope and objective of present work ··························· 31.3 Literature review ················································· 71.4 Outline of the thesis ··············································· 102. Conceptual Design of PDT & Numerical Modeling Strategy.. 123. Experimental study ···················································· 214. Results and Discussion ················································ 254.1 Grid Independency test and validation ························· 254.2 Parametric study on the effect of twist in the rotors··········· 314.3 Leakage loss estimation for different clearances ·············· 454.4 Cavitation and its elimination ···································· 514.5 Sensitivity and influence of axial and radial clearance ······· 574.5.1 Experimental investigation of the influence of clearance gap on the performance of PDT ·············574.5.2 Parametric study on the sensitivity of the axial and radial clearance ·············································· 614.5.3 Effect of reduction in clearance ··························· 654.6 Effect of Inlet and Outlet pipe’s shapes ························· 764.6.1 Effect of inlet and outlet pipe’s cross-sectional shape 784.6.2 Parametric study on Rectangular pipe geometry ······ 924.6.3 Parametric study on variable cross-sectional inlet and outlet pipe shape ········································ 944.7 Socio-Economic analysis ········································· 1035 Summary and conclusions ··········································· 1056 Scope for future work ················································ 111Bibliography ································································ 113Published paper list ······················································· 122Acknowledgement ························································· 127
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