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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이태원
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 동신대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수16
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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전 세계적 산업 발달과 인간 생활의 편리성 추구로 인하여 급격한 에너지 수요가 요구되고 있다. 따라서 석탄, 원유 기반의 에너지 사용이 급격히 증가하였으나, 이는 심각한 기후 변화와 온난화로 인해 인간생존을 위협하고 있다. 이를 해결하기 위해 태양 빛, 바람, 물과 같은 신재생에너지 기반 발전기술 개발이 이루어져 왔다. 특히 수자원은 부가적인 환경문제를 발생시키지 않는 에너지원으로서 관심이 증대하고 있으나 저수위, 저유량의 수자원에 이용에 대해서는 기술적으로 한계가 많다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위하여 저수위, 저유량의 수자원에 적합한 방사형 중력 와류터빈 모델을 개발하였다. 즉 본 연구는 저수위(0.7m∼2m 이하), 저유량(0.1 ㎡/s)에서 에너지 확보기술을 실현하기 위한 연구로서 컴퓨팅 시뮬레이션으로 실험 모델을 설계하고 제품을 구현하고 모델별 출력과 효율을 비교하여 본 연구의 타당성을 확보하였다. 특히 본 논문에선 마이크로 터빈 설계에서 방사형 와류 모델과 C-rotor 블레이드를 제안하여 설계하고 검증하였다.
본 논문에서 제안된 모델을 기존의 방법과 비교 검증하기 위하여 4개의 모델을 설계, 제작 및 실험을 통하여 평가하였다. 물탱크 모델로는 방사형 모델 S1, 나선형 모델 S2, 그리고 블레이드 모델로는 C-rotor 솔리드 블레이드 A, 쉘 블레이드 B를 대상으로 하였다. 결국 실험 모델은, 실험 모델은 방사형 물탱크 솔리드 모델 S1-A, 쉘 모델 S1-B, 나선형 물탱크 솔리드 모델 S2-A, 쉘형 모델 S2-B이다.
먼저 컴퓨팅 시뮬레이션은 와류 수(水)면 선형화, 최적 와류강도, 와류 유량과 높이, GWVPP 출력성능 표를 활용하여 구조해석 및 진동해석을 하였고, 시뮬레이션을 통해 수위, 토크, rmp 그리고 전력 및 효율을 비교하였다. 또한 제안한 방사형 와류의 와류진동이 미치는 영향과 정현파 진동시험을 통해서 안전여유를 검토하였다. 그리고 새로운 C-rotor 블레이드는 솔리드 및 쉘 형으로 구분하여 안전여유를 검토하였다. 이러한 실험을 통하여 저수위 방사형 중력 와류터빈을 최적화하였다. 모델별 컴퓨팅 시뮬레이션은 유입 유량을 80%∼120%까지 순차적으로 변경하여 와류 상태와 유량, 수위, 이론 출력을 계산했다. 4가지 모델 시뮬레이션 결과 모델 S1-B가 해석출력 135.21w 효율 64.98%로 가장 우수하다는 결과를 확인했다.
컴퓨팅 시뮬레이션을 통해 검토된 4가지 모델은 제작/구현하여 물리적 실험을 통해 검증되었다. 검증 결과는 다음과 같다.
첫째, 4가지 모델 중 방사형 물탱크 쉘 블레이드 모델(S1-B)이 출력과 효율이 우수했으며, 실험 모델 출력과 컴퓨팅 시뮬레이션 출력이 유사한 값을 보였다. 4가지 모델을 10회 반복적으로 실험한 결과 모델(S1-B)은 구현출력 122.65w, 효율 58.94%로 컴퓨팅 시뮬레이션 결과와 같은 방향임을 확인하였다.
둘째, 방사형 물탱크 모델의 출력과 효율이 우수한 것은 초기 물탱크의 물 유입구 차이이며 초기 와류형성 시점의 rpm에 기인한다. 와류 회전수가 증가할수록 수위가 올라가고 두 종류 모두 유량이 120%일 때 물 넘침이 발생하였으며, 방사형 물탱크 대비 나선형은 초기 심한 난류가 발생한다는 것은 나선형 물탱크가 완벽한 자유 소용돌이가 아님을 의미한다.
셋째, 결과적으로 저수위에서 중력 와류가 발생하기 위한 조건에서 물탱크 유입구는 방사형이 나선형으로 유입되는 것보다 안정적이며 효율이 높고 블레이드는 폐쇄형 대비 내부 개방형이 안전여유가 있고 효율도 좋다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위하여 저수위, 저유량의 수자원에 적합한 방사형 중력 와류터빈 모델을 개발하였다. 즉 본 연구는 저수위(0.7m∼2m 이하), 저유량(0.1 ㎡/s)에서 에너지 확보기술을 실현하기 위한 연구로서 컴퓨팅 시뮬레이션으로 실험 모델을 설계하고 제품을 구현하고 모델별 출력과 효율을 비교하여 본 연구의 타당성을 확보하였다. 특히 본 논문에선 마이크로 터빈 설계에서 방사형 와류 모델과 C-rotor 블레이드를 제안하여 설계하고 검증하였다.
본 논문에서 제안된 모델을 기존의 방법과 비교 검증하기 위하여 4개의 모델을 설계, 제작 및 실험을 통하여 평가하였다. 물탱크 모델로는 방사형 모델 S1, 나선형 모델 S2, 그리고 블레이드 모델로는 C-rotor 솔리드 블레이드 A, 쉘 블레이드 B를 대상으로 하였다. 결국 실험 모델은, 실험 모델은 방사형 물탱크 솔리드 모델 S1-A, 쉘 모델 S1-B, 나선형 물탱크 솔리드 모델 S2-A, 쉘형 모델 S2-B이다.
먼저 컴퓨팅 시뮬레이션은 와류 수(水)면 선형화, 최적 와류강도, 와류 유량과 높이, GWVPP 출력성능 표를 활용하여 구조해석 및 진동해석을 하였고, 시뮬레이션을 통해 수위, 토크, rmp 그리고 전력 및 효율을 비교하였다. 또한 제안한 방사형 와류의 와류진동이 미치는 영향과 정현파 진동시험을 통해서 안전여유를 검토하였다. 그리고 새로운 C-rotor 블레이드는 솔리드 및 쉘 형으로 구분하여 안전여유를 검토하였다. 이러한 실험을 통하여 저수위 방사형 중력 와류터빈을 최적화하였다. 모델별 컴퓨팅 시뮬레이션은 유입 유량을 80%∼120%까지 순차적으로 변경하여 와류 상태와 유량, 수위, 이론 출력을 계산했다. 4가지 모델 시뮬레이션 결과 모델 S1-B가 해석출력 135.21w 효율 64.98%로 가장 우수하다는 결과를 확인했다.
컴퓨팅 시뮬레이션을 통해 검토된 4가지 모델은 제작/구현하여 물리적 실험을 통해 검증되었다. 검증 결과는 다음과 같다.
첫째, 4가지 모델 중 방사형 물탱크 쉘 블레이드 모델(S1-B)이 출력과 효율이 우수했으며, 실험 모델 출력과 컴퓨팅 시뮬레이션 출력이 유사한 값을 보였다. 4가지 모델을 10회 반복적으로 실험한 결과 모델(S1-B)은 구현출력 122.65w, 효율 58.94%로 컴퓨팅 시뮬레이션 결과와 같은 방향임을 확인하였다.
둘째, 방사형 물탱크 모델의 출력과 효율이 우수한 것은 초기 물탱크의 물 유입구 차이이며 초기 와류형성 시점의 rpm에 기인한다. 와류 회전수가 증가할수록 수위가 올라가고 두 종류 모두 유량이 120%일 때 물 넘침이 발생하였으며, 방사형 물탱크 대비 나선형은 초기 심한 난류가 발생한다는 것은 나선형 물탱크가 완벽한 자유 소용돌이가 아님을 의미한다.
셋째, 결과적으로 저수위에서 중력 와류가 발생하기 위한 조건에서 물탱크 유입구는 방사형이 나선형으로 유입되는 것보다 안정적이며 효율이 높고 블레이드는 폐쇄형 대비 내부 개방형이 안전여유가 있고 효율도 좋다.
목차
목 차표 목차 ⅲ그림 목차 ⅳ초록 ⅶ제 1 장. 서론 11.1. 선행연구 및 배경 31.1.1. 연구 동향 분석 31.1.2. 연구 배경 61.2. 연구 필요성 및 목적 71.3. 연구범위 9제 2 장. 중력 와류 122.1. 중력 와류의 개념 122.2. 중력 와류의 해석적 접근법 15제 3 장. 저수위 중력 와류 마이크로 터빈의 설계 193.1. 중력 와류터빈 설계 최적화 193.2. 형상과 격자 213.2.1. 물탱크 형상 213.2.2. 블레이드 형상 223.2.3. 격자생성 233.3. 경계 및 해석조건 243.4. 컴퓨팅 시뮬레이션의 결과 253.5. 물탱크 구조해석 323.5.1. 물탱크의 규격 333.5.2. 3차원 형상 및 구조해석 모델 343.5.3. 유한요소 모델의 생성 및 검증 363.5.4. 경계 및 하중조건 393.5.5. 컴퓨팅 시뮬레이션 결과 393.6. C-rotor 블레이드 구조해석 433.6.1. 3차원 형상 및 구조해석 모델 443.6.2. 유한요소 모델 생성과 검증 463.6.3. 기계 재료 물성 493.6.4. 경계 및 하중조건 503.6.5. 컴퓨팅 시뮬레이션 결과 51제 4 장. 저수위 중력 와류 마이크로 터빈의 구현 604.1 물탱크 구현 604.1.1. 정현파 진동시험 결과 604.1.2. 와류현상 구현 614.2 C-rotor 블레이드 구현 634.3 중력 와류터빈의 구현 644.3.1. 마이크로 터빈의 실험 674.3.2. 마이크로 터빈 모델별 실험 결과 704.3.3. 마이크로 터빈 선행연구 및 실험 효율 비교 72제 5 장. 결론 74참고문헌 76ABSTRACT 83
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