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데이터베이스 기반 프란시스 수차 러너 두께 설계 및 수치해석적 연구
노민수(Min-Su Roh),모하메드 아부 사져(Mohammad Abu Shahzer),김진혁(Jin-Hyuk Kim) 한국에너지학회 2024 에너지공학 Vol.33 No.1
본 연구에서는 30MW급 비속도 170급 고효율 프란시스 수차를 설계하기 위하여 데이터베이스 기반으로 러너 두께를 설계하고 수치해석적 연구를 통해 수력학적 성능 및 내부유동 특성 분석을 수행하였다. 러너 블레이드 두께 데이터베이스는 비속도 150, 210 및 270급 모델의 데이터를 정규화하여 구축되었으며 보간법을 적용하여 전 비속도 구간의 두께 분포 데이터를 획득하였다. 두께 분포는 허브, 중간 및 쉬라우드 스팬에서 러너 입구부터 출구까지의 정보로 구성된다. 이후 프란시스 수차의 수력학적 성능 및 내부 유동장 내 유동 특성의 정밀 분석을 위해 Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식 기반의 수치해석을 수행하였다. 격자 의존성 시험 중 하나인 Grid Convergence Index(GCI) 기법을 시행함으로써 최적의 격자계를 선정하였고 이를 통해 수치해석의 정확성과 경제성을 확보하였다. 수치해석 결과, 수력학적 효율 93.63% 및 출력 30.71MW로 데이터베이스 기반 설계 방법을 사용하여 높은 수력학적 성능으로 작동하는 프란시스 수차 형상을 도출할 수 있음을 확인하였다. 내부 유동장 분석 결과, 러너 자오면 내 유동이 다소 쉬라우드 스팬에 집중되었으나 비교적 균일한 속도 성분이 분포하였으며, 러너 입출구 영역의 경우 유동 박리 등과 같은 불안정한 유동 특성이 관찰되지 않았다. 또한 러너 내부 유동 영역에서 유동 흐름을 방해하는 차폐 현상(Blockage effect) 등이 관찰되지 않았다. 러너 후단에 위치하는 드래프트 튜브의 유동장을 분석한 결과 내부 유선 분포 및 압력 분포가 안정적이므로 본 연구에서 제안된 데이터베이스 기반 비속도 170급 프란시스 수차의 러너 블레이드 두께 설계 방법에 대한 타당성을 입증하였다. 해당 연구 결과는 추후 다른 비속도 구간을 설계함에 활용될 수 있다. In this study, a high-efficiency Francis turbine was designed using a database-driven approach for the runner thickness of a prototype Francis turbine with a specific speed in the 170-class. Numerical analysis was carried out to investigate the hydraulic performance and internal flow characteristics of the turbine. The runner blade thickness database was constructed by normalizing data from models with specific speeds of 150, 210, and 270-classes. The thickness distribution data was obtained through interpolation and encompasses information from the runner inlet to the outlet at the hub, mid, and shroud spans. Subsequently, Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations were employed in numerical simulations to accurately analyze the hydraulic performance and characteristics of the internal flow field of the Francis turbine. The Grid Convergence Index (GCI) method, utilized as a grid independence test, was used to select the optimal grid system, ensuring both the accuracy and cost effectiveness of the numerical analysis. The numerical results confirmed the feasibility of designing a Francis turbine operating at an efficiency of 93.63% and an output of 30.71MW. The internal flow analysis revealed that the runner exhibited a uniform velocity component across all span regions, without any observed unstable flow characteristics, such as flow separation at the runner inlet and outlet areas. Additionally, there was no blockage effect disrupting the flow within the runner, and uniform flow characteristics were confirmed throughout all spans. The analysis of the flow field in the draft tube downstream of the runner indicated a stable flow distribution and pressure profiles, thereby establishing the reliability of the database-driven approach for designing the runner thickness of the Francis turbine with a specific speed in the 170-class, as utilized in this study. The findings of this research can be applied in the future design of turbines across different specific speed ranges.