터빈에는 회전날개(블레이드)가 부착된 회전축이 있는데, 이를 로터(rotor) 어셈블리라고 한다. 움직이는 유체가 회전날개에 힘을 작용하여 회전날개가 움직임으로써 로터에 운동에너지를 전달하게 된다. 로터 어셈블리 주위에는 덮개가 있어서 유체의 흐름을 제어한다. 풍차, 물레바퀴 등이 가장 초기의 터빈이라 할 수 있고, 가스터빈, 증기터빈 등 현재에도 터빈이 널리 쓰이고 있다. 터빈에 의해 생성된 에너지는 전력을 생성하거나(발전기), 추력을 발생시키는(제트기관) 데 널리 사용되고 있다.
증기터빈의 발명가는 반동식 터빈(reaction turbine)을 발명한 영국의 파슨스(Charles Parsons, 1854–1931)와 충동식 터빈(impulse turbine)을 발명한 스웨덴의 데 라발(Gustaf de Laval, 1845-1913)이다.
움직이는 유체는 포텐셜에너지(압력)와 운동에너지(속도)를 갖고 있다. 터빈은 이 에너지를 반동력이나 충동력 등의 물리적인 원리로 일로 변환시킨다. 충동식 터빈은 고속으로 움직이는 유체가 회전날개에 충돌할 때의 충격력에 의한 돌림힘으로 회전날개에 운동에너지를 제공한다 (그림 1). 이 때 유체의 운동에너지가 회전날개로 전달되므로 유체의 속도는 줄지만 압력은 일정하다. 유체가 배출되는 노즐에서는 유체가 팽창하여 압력이 낮아지고 속도는 증가한다. 반동식 터빈은 움직이는 유체가 회전날개에서 팽창할 때 반동력을 이용하여 로터를 회전시킨다 (그림 1). 즉 유체의 포텐셜에너지(압력)가 회전날개의 운동에너지(속도)로 변화된다.
3.수력터빈
수력 발전 부문에서 수력 터빈은 주로 떨어지는 물의 에너지를 회전하는 기계 에너지로 변환하여 결과적으로 전기 에너지로 변환하는 데 사용된다. 프랜시스 터빈 또는 리액션 터빈은 최대 800MW의 출력 범위에서 나타나는 수력 터빈의 종류에 속한다. 이 터빈은 방사형 유입, 입구 베인, 러너 및 드래프트 튜브를 통한 축 방향 유출이 특징이다. 광범위한 시간 규모에 걸친 모든 부하 변화에 신속하게 대응할 수 있다.
최고 효율 지점의 약 50~70% 부하에서 프랜시스 터빈은 압력 서지로 이어질 수 있는 캐비테이션 와류 로프(vortex rope)의 발생을 경험한다. 이 부분 부하 서지를 Rheinganz frequency라고도 한다. 여기서 생성되는 주파수는 터빈 회전 속도의 약 1/3이다. 이러한 불안정한 작동 동작은 부분 부하뿐만 아니라 공칭 최대 부하 및 과부하에서도 관찰된다.
외류 로프에 관한 도전 과제
와류 로프는 프랜시스 터빈의 드래프트 튜브 원뿔에서 높은 레이놀즈 수에서 발생하는 불안정한 현상이다. 이러한 터빈의 드래프트 튜브에는 두 가지 유형의 와류 흐름이 관찰된다.
최대 부하에서 맥동 와류 로프
부분 부하에서 헬리컬 와류 로프
설계 외 조건에서 작동하는 유압 터빈의 드래프트 튜브 내부의 흐름은 종종 캐비테이션 현상을 유발할 수 있는 복잡하고 소용돌이치는 흐름이 특징이다. 와류 로프의 주파수는 일반적으로 러너 회전 속도의 30~50% 범위이다.
<그림 2>에서 볼 수 있듯이 와류 로프는 드래프트 튜브에 압력 맥동을 일으켜 구조 진동, 전력 변동 및 맥동 압력 회복을 유발할 수 있으며, 이는 시스템 성능 저하 또는 터빈의 작동 범위 제한으로 이어질 수 있어 수력 발전 부문에서 주요 관심사이다. 따라서 와류 로프를 정확하게 모델링하고 그에 따른 압력 변동을 분석하는 것이 중요하다.
솔루션
CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션을 사용하면 설계 및 설계 외 조건에서 터빈 성능을 분석하는 것이 훨씬 쉬워진다. 첫 번째 단계로 터빈 설계를 정상 상태 조건에서 시뮬레이션하여 효율 포인트를 연구해야 한다. 그런 다음 설계 외 조건에서 시뮬레이션하여 흐름의 와류를 시각화한다. 드래프트 튜브의 와류 흐름은 저압 영역이 특징이며 속도 유선(그림 3) 또는 정압의 등면으로 시각화할 수 있다. 사용자 입력의 정확도와 난류 모델 선택에 따라 와류 로프를 문헌 값에 가까운 주파수로 모델링할 수 있다. 와류 로프 모델링의 결과를 개선하려면, 특히 강한 소용돌이 흐름을 포착하려면 레이놀즈 응력 방정식 모델(RSM : Reynolds Stress Equation Model)을 사용하는 것이 좋다.