[기계공학실험]펠톤 충동 터빈의 성능측정

실험 목적

원판의 주위에 다수의 버킷(bucket)을 배열하고 노즐(nozzle)로부터 물이 분출되면 물의 모든 에너지는 속도에너지로 바뀌고 그것이 버킷에 부딪혀 수차를 회전시키는 기계장치를 펠톤수차라 하며, 고낙차 즉 물의 운동에너지가 크고 유량이 비교적 적은 곳에 사용되는 충동형 수차이다. 본 실험은 노즐에서 임의의 다양한 속도로 물을 분사시킬 때 분사속도가 펠톤수차의 작동 특성에 미치는 영향을 알아본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

유체에서 에너지를 얻는 여러 종류의 터빈 중에서 노즐에서 높은 수두를 고속 제트로 바꾸고 버킷에 충돌함으로써 유체에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 펠톤 충동 터빈의 구조를 이해하고, 효율을 구함으로써 터빈에 대한 특성 및 원리를 이해한다.

 

2. 실험 소개

터빈은 높은 수두를 보유하는 유체에서 에너지를 얻는다. 터빈에는 반동형과 충동형의 두 형식이 있으며, 충동형 터빈은 노즐에서 놓은 수두를 고속 제트로 바꾸고 버킷에 충돌함으로서 유체에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치이다.

Pelton impulse turbine

 

버킷은 일반적으로 타원형으로 분할된 모양으로 되어있다.

펠턴터빈에 대한 성능곡선은 펌프에 대한 방법과 동일하게 구할수 있으며 동력, 효율, 토크 그리고 노즐에서의 유출유량의 원리적 변화에 따른 수두를 취급 하는 것이 일반적이다.

Wheel and jet of pelton turbine(1.needle valve, 2.nozzle, 3.split bucket, 4.casting)

아래에 축동력(mechanical power)과 수동력(water power)에 관한 이론적인 식을 제시하였다.

축동력 (Mechanical power(Pm))

Torque meter

총 하중

Pm = Toque×Angular velocity = T∙ω [Watt]

T = force×radius[N·m]

ω = 2π/60×RPM [rad/s]

 

상기의 식에서 force항은 드럼(drum) 주위에 토크 측정용 벨트에 작용하는 하중을 가리킨다. 총 하중은 위의 그림처럼 W2 - W1의 값으로 결정할 수 있다. 드럼의 반경은 0.03m이고, 각속도 ω는 타코메타(Tachometer)를 사용하여 측정한다.

 

수동력 (Water power(Pω))

Pω =γ∙Q∙H [Watt]

여기서, γ= 비중 [N/㎥], Q = 유량 [㎥/s], H = 입구측 수두 [m]

 

비중량(specific gravity)

물의 밀도(≒1000㎏/㎥)와 중력가속도(≒9.81㎨)의 곱으로 구해지며, 터빈 입구 측의 수두는 입구 측 압력게이지(mH2O)를 사용하여 측정하고, 유량은 계량수조의 단위시간당의 체적변화량을 계산하여 구한다. 터빈의 효율은 다음과 같이 구한다.

Pressure gauge

Turbine efficiency(η) : η = (Mechanical power(Pm)/Water power(Pω))×100(%)

실험 방법

1. 실험과정

1) 상기의 실험장치를 Hydraulic bench에 설치하고 노즐의 입구측 파이프와 bench의 유량공급부분을 연결한다.

 

2) 띠로된 브레이크가 축에 일정한 마찰력이 걸릴때까지 인장기를 들어올리고 벤치의 유량조절밸브를 완전히 개방한다.

 

3) 스위치를 켜고 터빈을 회전시킨다

 

4) 터빈축의 회전수가 최대로 될 때, 보조 조절밸브(spear control valve)를 맞추어 고정시킨다.

 

5) 터빈 상부의 밴드브레이크(bend brake)를 조절하여 w1의 값을 2.0N에 맞춘다.

 

Procedure 2

Procedure 4

Procedure 5

 

6) 이때의 축의 회전수(rpm), 브레이크에서의 마찰력(w2-w1), 터빈(turbine) 입구측의 압력수두(mH2O) 그리고 계량수조에서의 시간에 따른 체적의 변화량(Q)을 기록한다.

 

7) w1의 값을 0.5N 간격으로 6.5N까지 1의 과정을 반복 실험한다.

 

8) 각 회전수에서의 토크(torque), 효율(efficiency) 그리고 축동력(mechanical power)을 구한다.

 

9) 횡축에 축의 회전속도(rpm)를 기준으로잡고 이에따른 축동력, 토크, 효율에 대한 그래프를 그린다.

실험 결과

1. 결과 data

No	1	2	3	4	5
RPM [rpm]	0	657.4	1150	1416	1533
ω[rad/sec]=rpm× 2π/60	0	69.027	120.75	148.68	160.965
W1 [N]	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
W2 [N]	7.5	7.5	7.5	7.5	7.5
Torque [Nm]= (W2-W1)×0.03	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15
Pm [W]= Torque×ω	0	10.35405	18.1125	22.302	24.14475
Volume [liter]	10	10	10	10	10
Time [sec]	40	40	30	25	20
Flow rate[㎥/s]=Vol/T	2.5×10-4	2.5×10-4	3.33×10-4	4.0×10-4	5.0×10-4
Pressure[mH20]	10	10	10	10	10
Pw [Watt] = 9810N/㎥ × Q × h	24.525	24.525	32.7	39.24	49.05
Efficiency [%]= (pm/pw)× 100	0	42.21835	55.38991	56.83486	49.22477

2. 결과 그래프

회전속도에 따른 pm	회전속도에 따른 pω
회전수에 따른 효율

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 펠톤 충동 터빈의 성능측정이 였다. 충동형 터빈을 가지고 노즐에서 뿜어져 나오는 물을 터빈의 버킷에 충돌시켜 물의 낙차에너지를 전기 에너지로 바꾸어서 그 효율을 측정하여 보는 실험 이였다. 

노즐에 물이 분출이 되면 그 수압이 버킷에 부딪쳐서 버킷은 회전을 하게 된다. pm = T*ω이 식으로 충동력의 값을 구하고, pω = rQH이 식으로 수동력의 값을 구한다. η=pm/pω×100(%)효율을 구한다.

실험값을 각각의 식에 대입 하였을 때 그래프로 나타낼 수 있는데 먼저 pm = T*ω를 구했을 때 RPM이 증가 할수록 값은 비례적으로 증가 함을 알 수 있었다. 그리고 pω = rQH를 구했을 때 또한 값은 RPM에 비례하여 대체적으로 증가 하였다.

회전수가 증가하면 증가할수록 토크가 감소 한다는 사실이 나와야하는데 올바른 실험이 못된 것 같습니다. 그 원인으로 사람이 직접 실험을 하여 아날로그적으로 측정하였기 때문인것 같습니다. 그리고 실내 온도가 상온(25℃)에서 실험을 했어야하는데 그러하지 못한 점이 있는 것 같습니다.