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발전공학

비속도 및 수차의 선정

비속도 및 수차의 선정

수력발전에서 발전기 출력과 낙차와의 관계를 식으로 나타내어 설명하고, 낙차의 종류 4가지에 대하여 설명하시오.

수차의 비속도(특유속도)를 정의하고, 수차의 종류와 비속도 및 그 사용 한계를 약술하시오.

수력발전소를 설계할 때 수차의 회전속도를 결정하는 과정을 보이시오.

수차의 회전속도의 결정방법을 설명하고, 수차의 회전수가 규정회전수 보다 저하하였을 경우에는 어떤 영향이 있는지 설명하시오.

비속도(특유속도, Ns, Specific Speed)

1) 정의

∙기하학적으로 닮은 꼴의 수차는 크기에 관계없이 동일한 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.
∙어떤 수차와 기하학적으로 닮은 수차를 가정하고, 이것을 단위 낙차에서 운전하여 단위 출력을 발생시키려고 할 때 필요한 분당 회전수를 말한다.

비속도(특유속도, Ns, Specific Speed)

2) 정의식

\[N_s=N\times\frac{P^{\frac{1}{2}}}{H^\frac{5}{4}}[m\cdot kW]\] \[N_s:비속도(특유속도)\]\[N:수차의정격회전속도[rpm]\]\[h:유효낙차[m]\]\[P:낙차(H)에서 수차의 정격출력[kW]\]\[P[kW]\to 충돌수차:노즐1개당 값\]\[반동수차\to 러너1개당값\]

3) 비속도의 특성

(1) 비속도가 크다는 것은 유수에 대한 러너(날개차, Runner)의 상대적인 속도가 크다는 것이다.

(2) 비속도의 선정
∙고낙차인 경우: 유수의 속도가 커서 비속도가 작은 형식이 경제적
∙저낙차인 경우: 유수의 속도가 작아서 비속도가 큰 형식이 경제적

∙프란시스 수차
Ns : 65~150[m·kW]
∙고낙차용
∙저속형

∙프란시스 수차
Ns : 150~250[m·kW]
∙중낙차용
∙고속형

∙프란시스 수차
∙Ns : 250~350[m·kW]
∙저낙차용
∙고속형

※ D1/D2가 작을수록 비속도가 큰 형식의 수차,
D1 : 입구직경, D2 : 출구직경

(3) 비속도 선정시 주의사항

비속도가 작은 형식의 수차를 선정하면 회전수가 작아져서 수차 및 이와 직결되어 있는 발전기의 극수가 증가하여 대형이 되어 경제성이 나빠지므로 될 수 있는 대로 수차 선정시에 “비속도가 높은 형식의 수차를 선정하는 것이 좋다.”

그러나 “비속도가 너무 높으면 캐비테이션의 위험이 증대”되므로 유효낙차에 대해서 비속도의 최고 한계치 근처에서 선정하는 것이 바람직하다.

[표] 수차의 종류에 따른 비속도 한계값

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