카플란 수력 터빈

1. 카플란 러너의 구조 및 작동 원리

카플란 터빈은 반응 터빈에 속하며 주로 러너, 러너 챔버, 위켓 게이트 어셈블리 및 나선형 케이싱으로 구성됩니다.

카플란 터빈의 러너 블레이드는 팬과 유사하며, 아래 그림은 4개의 블레이드를 가진 러너를 보여줍니다.

러너는 러너 챔버에 설치되며, 물 흐름은 아래 그림과 같이 러너로 축 방향으로 들어가고 나갑니다.

카플란 수력 터빈의 블레이드 섹션은 에어포일 모양이며, 뿌리 부분은 두껍고 가장자리는 얇으며, 물은 러너 블레이드를 통해 축 방향으로 흐르고, 작동 원리는 풍력 터빈과 유사합니다. 아래 그림은 블레이드의 힘 다이어그램을 보여주며, 블레이드에 가해지는 힘은 하나의 블레이드 섹션을 사용하여 간단하게 분석됩니다. 러너의 축은 지면에 수직이며, 그림의 화살표 선은 크기와 방향을 모두 나타내는 벡터 선입니다.

먼저 왼쪽 다이어그램을 살펴보겠습니다. 점 m은 블레이드 근처의 물 입자입니다. 명확성을 위해 위쪽 왼쪽으로 이동했습니다. 물 입자의 속도는 V입니다. 러너 영역으로 물이 들어갈 때의 순환으로 인해 다이어그램에서의 방향은 수직으로 아래쪽이 아니라 왼쪽으로 기울어져 있습니다. 블레이드는 샤프트를 중심으로 회전하며, 단면의 접선 속도는 U입니다. 블레이드에 상대적으로 물 입자 m은 -U의 속도로 오른쪽으로 이동합니다. 따라서 블레이드에 대한 물 입자 m의 상대 속도는 W이며, 이는 블레이드에 작용하는 물 흐름의 방향이 W임을 의미합니다. 다음으로 오른쪽 다이어그램을 살펴보겠습니다. 블레이드는 W 방향의 물 흐름을 받습니다. W가 에어포일 코드 c와 α의 각도를 형성하므로, W에 수직인 양력 L과 항력 D(W와 같은 방향)가 생성됩니다. 이 두 힘의 결과력 R은 블레이드에 작용하는 힘입니다. R의 수평 성분은 F이며, 이는 블레이드를 회전시키는 힘입니다.

   

• 고정 블레이드 카플란 터빈

축류 고정 블레이드 터빈의 러너 블레이드는 허브에 고정되어 있으며, 구조가 간단하고 비용이 저렴합니다. 그러나 출력은 위켓 게이트를 조정하여만 제어할 수 있으며, 수두 및 부하의 상당한 변화가 있을 때 터빈 효율이 크게 떨어집니다. 축류 고정 블레이드 터빈은 일반적으로 25미터 미만의 수두와 50,000킬로와트 이하의 출력에서 적용됩니다.

• 조절식 블레이드 카플란 터빈

축류 카플란 터빈의 러너 블레이드는 수두 및 부하의 변화에 따라 해당하게 회전하여 블레이드의 공격 각도 α를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 수두 및 부하가 상당히 변동하더라도 터빈은 우수한 작동 성능을 유지할 수 있습니다. 블레이드 회전을 제어하는 메커니즘은 허브 내부에 있으며, 주로 블레이드를 구동하는 유압 실린더로 구성됩니다. 실린더 내부의 피스톤은 피스톤 로드, 커넥팅 로드, 블레이드 암 및 기타 부품을 통해 블레이드 회전을 작동시킵니다.

아래 그림은 카플란 터빈의 러너 블레이드 회전의 개략도입니다. 왼쪽 그림은 닫힌 위치의 블레이드를 보여주고, 중간 그림은 정상 작동 중 설계 위치인 계산 위치이며, 오른쪽 그림은 완전히 열린 위치입니다.

3. 카플란 터빈의 구조

카플란 터빈은 주로 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 회전 부품에는 러너와 주축이 포함됩니다. 고정 부품에는 주로 나선형 케이싱, 스테이 링, 하부 링, 헤드 커버, 상부 브래킷, 콘, 러너 챔버 및 드래프트 튜브가 포함됩니다. 위켓 게이트 어셈블리에는 이동식 가이드 베인, 가이드 베인 레버, 가이드 베인 링크, 제어 링 및 서보 모터가 포함됩니다. 또한 가이드 베어링, 샤프트 씰 등의 부품도 있습니다.

아래 그림은 스테이 링, 하부 링, 헤드 커버, 상부 브래킷, 콘 및 드래프트 튜브 라이너의 단면도로, 기본 구조를 보여줍니다. 스테이 링은 전체 수력 터빈의 기초 역할을 하며 가장 중요한 구성 요소입니다.

헤드 커버는 스테이 링의 상부에 설치되고, 하부 링과 러너 챔버는 스테이 링 아래에 장착됩니다. 나선형 케이싱은 스테이 링의 외부 둘레에 장착됩니다. 드래프트 튜브는 러너 챔버 아래에 설치됩니다. 헤드 커버는 스테이 링의 내부 상부에 장착되고, 지지 커버는 헤드 커버 내부에 설치되며, 콘(가이드 콘)은 지지 커버의 내부 하부에 장착됩니다. 아래 그림은 위 구성 요소들이 조립된 개략도를 보여줍니다.

4. 카플란 터빈의 작동 조건

아래 그림은 축류 수력 터빈의 물 흐름 방향의 개략도로, 파란색 화살표 선은 물 흐름 방향을 나타냅니다.