펠톤수차 유체기계 결과 보고서

소개글

펠톤수차 유체기계 결과 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목적
2. 실험 장치 설명
3. 실험 결과 및 과정
4. 고찰

본문내용

입사 속도와 회전차의 속도 관계를 구하시오.
오일러의 터빈방정식으로부터 W/m = (U1Cx1-U2Cx2) 이고, Cx2가 음의 x방향을 향하므로 다음과 같이 정리할 수 있다.
W/m = U{(U+W1)+[W2cos(180-α)-U]}
버킷 표면에서 마찰 손실이 없다고 가정하면 W1=W2 가 성립하므로
W/m = U(W1 - W1cosα) 이 된다. 속도삼각형에서 W1 = C1 - U 이므로 따라서,
E=U(C1-U)(1-cosα)/g 이다.
위 식을 U에 대해 미분한 뒤 그 값을 0으로 놓으면 다음과 같다.
dE/dU = (1-cosα)(C1-2U)/g =0
cosα는 1이 아니므로 C1= 2U 또는 U=C1/2 일때 E가 최대가 되고 이때 최대 효율을 얻을 수 있다.
② 일반적으로 수차는 발전기와 직접 연결되어있다. 따라서 일정한 회전속도를 유지해야만 한다. 수차의 부하가 변했을 경우 어떻게 대처해야 하는가?
수차가 발전기와 직접 연결되어 있고, 발전기가 항상 일정한 속도로 회전해야 하기 때문에 수차의 원주속도 U는 부하에 관계없이 일정하게 유지되어야 한다. 또한 가능한 최대 효율로 작동되어야 하기 때문에 U/C1도 일정하게 하는 것이 필요하기 때문에 제트 속도가 일정하게 유지되어야 한다고 할 수 있다. 수차의 부하가 변할 때 이 값들을 일정하게 유지시키기 위해서는 입력 수동력을 조정해야 한다.
입력 수동력은 ρgQH′로 주어진다. H′값은 일정하기 때문에, Q를 조정하여야 입력 수동력을 조정할 수 있다. 유량은 면적과 속도의 곱(Q=C1A)으로 표현할 수 있는데, C1이 일정하므로 Q를 변화시키기 위해서는 노즐 단면적 A를 변화시켜야 한다. 노즐의 단면적은 스피어 밸브를 사용하여 조정한다.
스피어 밸브의 위치는 부하의 변화를 감지하는 Servo-mechanism에 의해 제어된다. 부하가 갑자기 떨어지면 편향판이 움직여서 제트가 버킷에 전혀 충돌하지 않도록 하여 스피어 밸브가 새로운 위치로 이동할 때까지 여유시간을 준다. 이렇게 함으로써 수차의 과속을 방지할 수가 있다.
③ 수차의 종류와 각각의 특징에 대해서 조사하시오
수차는 크게 충동수차와 반동수차로 나눌 수 있다. 충동 수차는 충동력을 이용하는수차이며 가장 흔히 사용되는 형태는 펠톤 수차로 150~2000m의 낙차 범위에 걸쳐 사용된다. 반동수차는 반경류형 혹은 혼류형과 축류형의 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 반경류형 중에는 프란시스 수차가 가장 많이 사용되고 있고, 축류 수차에는 카플란 수차가 사용되고 있다. 프란시스 수차는 고정익을 사용하고, 카플란 수차는가동익을사용한다. 각수차의 작동범위는 다음과 같다.
④어떤 펠톤 수차에서 제트가 버킷에 부딪혀 170도 만큼 방향이 바뀐다. 그리고 버킷으로부터의 마찰에 의해 상대 속도는 12% 만큼 줄어든다. 버킷 속도/제트 속도의 비가 0.47 일때, 속도삼각형으로부터 이론 수력 효율을 계산하라. 총낙차(gross head)가 600m이고 상수원과 노즐 사이에서 관마찰로 인한손실 수두가 48m 일 때 회전 차는 1250kW 의 출력을 낸다. 버킷의 회전 직경은 900mm 이고 제트는 두 개 있다. 노즐의 속도 계수를 0.98로 하고, 또 실제의 수력 효율이 위에서 계산한 것의 0.9배라고 했을 때, 회전차의 속도와 노즐의 직경을 계산하라.
그림과 같이 버킷 전후의 속도 삼각형은 다음과 갔다. 식(3.4)에서
그림 입구의 속도 삼각형
으로 쓸 수 있다. 노즐 내의 수두는 H = 600-48
= 552m
이다. 노즐의 속도 계수는
에 의해 제트 속도는
이다. 오일러의 터빈 방정식은
이 된다. 여기서 으로 두었다. 주어진 수치들을 대입하면 아래와 같이 계산할 수 있다.
버킷의 속도가
U = 0.47*102m/s
이므로 회전차의 회전 속도는
이다. 수력효율의 식은
이다. 의 수치를 대입하고 질량유량을 구하면
이 된다. 따라서 노즐 한 개에서는
m = 143.5kg/s
이 된다. 연속방정식에 의해
이므로 노즐 직경을 아래와 같이 구할 수 있다.
5. 성능향상 및 실 험 개 선 사 항
펠톤 수차의 가장 큰 장점은 load를 변화시킬 수 있다는 것이다. 이 load를 변화시키는 방법은 크게 spear valve를 이용하는 것과 deflector plate를 이용하는 것이 있다. 이 2가지 측면에서 성능을 향상시킬 방법을 생각해보았다.
여러 생각을 하던 중 spear valve와 deflector plate를 결합시키면 어떨까라는 생각을 하게 되었다. 교과서를 보니 spear valve은 노즐의 내부에 deflector plate는 노즐의 외부에 위치하는 것을 확인하였다. spear valve에 deflector plate의 기능을 부가하면 좀 더 단순한 펠톤 수차가 될 것으로 생각하였다.
기존의 spear valve를 4등분한다. 각 부분은 축과 연결되어 독립적으로 왕복운동을 할 수 있도록 설계한다. 이렇게 되면 a,b,c,d를 독립적으로 움직여 spear valve 모양을 대칭 및 비대칭 형태로 변환할 수 있다. 이런 변화를 통해 기존의 단면적 변화는 a,b,c,d를 동일한 거리로 이동시켜서 만족할 수 있다.
deflector plate의 기능은 a,b,c,d를 이동 거리를 다르게 조절하여 spear valve를 비대칭 형태로 변화시켜 a,b,c,d 쪽으로 흐르는 유량을 변화시켜 nozzle 출구에서 유체 방향을 변화시킬 수 있을 것으로 생각된다.
이 방법에서 문제되는 것이 nozzle 출구에서의 유체 방향 변화가 제한적일 것이라는 점이다. 이는 실험적으로 분석할 필요가 있는 부분이다. 더불어 비대칭 형태로 발생하는 손실이 어느 정도인지도 파악할 필요가 있다.
6. 참고 문헌
- 터보유체기계 : A.T.Sayers | 경문사 | 2000.09.01
- 기계공학실험(열유체) : 심우건, 윤천석 |한남대학교 출판부 |
- 유체역학(한글판) : 윤순현, 김광선 옮김 | 교보문고 |
- Fluid Mechanics : yunus a. cengel | McGRAW-HILL|
- 유체기계공업학회 http://www.kfma.or.kr/ 학회 > 공학회 > 기계공학회

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