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발전공학

캐비테이션(Cavitation)

캐비테이션(Cavitation)

수력발전에서 캐비테이션 현상에 대해서 기술하시오.

수력발전소에 대하여 아래 사항을 설명하시오.
가) 흡출관의 정의 및 종류, 사용개소
나) 토마계수와 캐비테이션과의 관계(베르누이 정리를 이용하여 설명)

케비테이션 계수와 케비테이션 방지대책에 대하여 설명하시오.

캐비테이션

수차 및 펌프 수차의 어느 부분에서 압력이 포화증기압 이하로 저하(급격한 부하의 변동이 주요 원인)되면 물이 증발하여 기포가 발생되고, 이 기포가 압력이 높은 곳에 도달하여 터지면서 부근의 물이 러너나 버킷 등에 충격을 주는 현상이다.

캐비테이션

장해

1) 러너나 버킷의 침식
2) 진동과 소음 발생
3) 흡출관 입구에서 수압변동이 심하다.
4) 수차의 효율, 낙차, 출력의 저하

방지 대책

1) 수차의 비속도를 너무 크게 잡지 않을 것.
2) 흡출관의 높이를 너무 높게 취하지 않는다. 일반적으로 6~7m, 비속도가 큰 수차(대용량 수차)는 2~3m 정도로 제한한다.
3) 과도한 부분부하, 과부하 운전하지 않는다.
4) 침식에 강한 재료(스테인레스 강)으로 러너를 제작한다.
5) 러너의 표면을 매끄럽게 제작한다.

흡출관

1) 사용 목적

펠톤수차는 고낙차로 손실낙차(노즐출구~방수면)의 영향을 고려할 필요가 없으나, 프란시스 수차와 같은 반동수차에서는 낙차가 적어서 러너출구에서 방수면의 낙차를 버리는 것은 비경제적이므로, 이를 유효하게 이용하기 위해서 러너출구로부터 방수면까지 사이를 관으로 연결하고 여기에 물을 충만시켜서 흘려 줌으로써 낙차를 조금이라도 더 유효하게 사용되는 것이 흡출관이다.

흡출관

[펠톤 수차] [프란시스 수차]

2) 토마계수(케이테이션 계수)

\[\sigma=\frac{H_a-H_v-H_s}{H}≃\frac{H_a-H_s}{H}\] \[H:유효낙차[m]\]\[H_v:물의 증기압에 상당하는 수두[m]\]\[H_a:대기압에 상당하는 수두[m]\]\[H_s:흡출고[m]\]

토마계수가 작을수록 캐비태이션이 잘 발생한다. 즉, 흡출고 가 클수록 캐비테이션이 잘 발생하므로 흡출고를 지나치게 높게 잡지 않고, 토마계수를 크게 한다. 이론적으로는 10[m]까지 가능하지만 캐비테이션을 고려하여 6~7[m] 이하로 하며, 대용량 수차의 경우는 2~3[m]로 제한한다.

[참고]

토마계수는 수차의 비속도와 관련이 있으며, 그 한계값( )이 설계시에 고려하여야 된다. 프란시스수차에서 토마계수의 한계값은 다음과 같다.

\[\sigma_c=0.625\times(\frac{N_s}{380.78})^2\]
토마계수
\[\frac{p_2}{\omega}+H_s+\frac{v_2^2}{2g}=\frac{p_a}{\omega}+\frac{v_4^2}{2g}+\zeta\frac{v_2^2}{2g}\]\[베르누이 정리,\zeta\frac{v_2^2}{2g}:손실수두\] \[\frac{p_2}{\omega}=\frac{p_a}{\omega}-H_s-(\frac{v_2^2}{2g}-\frac{v_4^2}{2g}-\zeta\frac{v_2^2}{2g})\]\[우변(괄호안)이 흡출관이 회수한 에너지\]
\[\frac{p_2}{\omega}가 너무 작으면 캐비테이션을 일으킨다\]\[이를 막기 위해서 흡출고의 높이를 6-7[m]이하로 하고, \]\[비속도가 큰 수차(대용량 수차)에는 2-3[m]이하로 한다.\]
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