수력 발전에는 어떤 종류의 터빈이 사용되나요?

수력 발전 터빈에는 크게 반응 터빈과 충동 터빈의 두 가지 유형이 있습니다.

프로젝트에 선택되는 수력 발전 터빈의 유형은 "수두"라고 하는 정수면의 높이와 현장의 유량 또는 시간당 물의 양에 따라 결정됩니다. 기타 결정 요인으로는 터빈을 얼마나 깊게 설치해야 하는지, 터빈 효율, 비용 등이 있습니다.

오늘날 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 터빈 중 일부를 소개합니다.

• 반응 터빈

반응 터빈은 압력과 흐르는 물의 복합적인 힘으로 발전합니다. 러너가 물 흐름에 직접 배치되어 물이 개별 블레이드를 치는 대신 블레이드 위로 흐르게 됩니다. 반응 터빈은 일반적으로 수두가 낮고 유량이 높은 현장에 사용되며 현재 수력 발전 프로젝트에서 가장 일반적인 유형입니다.

가장 일반적인 두 가지 반응 터빈 유형은 프로펠러(카플란 포함)와 프란시스입니다. 운동 에너지 터빈도 반응 터빈의 한 유형입니다.

프로펠러 터빈: 프로펠러 터빈은 일반적으로 3~6개의 블레이드를 가진 러너를 가지고 있습니다. 물은 모든 블레이드와 지속적으로 접촉합니다. 파이프 안에서 작동하는 보트 프로펠러를 상상해 보세요. 파이프를 통과하는 동안 압력은 일정합니다. 일정하지 않으면 러너가 균형을 잃게 됩니다. 블레이드의 피치는 고정되거나 조절될 수 있습니다. 러너 외의 주요 구성 요소는 스크롤 케이스, 위켓 게이트, 드래프트 튜브입니다. 프로펠러 터빈에는 몇 가지 다른 유형이 있습니다:

벌브 터빈: 터빈과 발전기는 물 흐름에 직접 배치된 밀봉된 장치입니다.

카플란 터빈: 블레이드와 위켓 게이트 모두 조절 가능하여 더 넓은 범위의 작동이 가능합니다.

프란시스 터빈: 프란시스 터빈은 최초의 현대식 수력 발전 터빈으로, 1849년 영국계 미국인 엔지니어 제임스 프란시스가 발명했습니다. 프란시스 터빈은 일반적으로 9개 이상의 고정된 블레이드를 가진 러너를 가지고 있습니다. 물은 러너 바로 위와 주변으로 유입된 후 통과하면서 블레이드를 회전시킵니다. 러너 외에 스크롤 케이스, 위켓 게이트, 드래프트 튜브가 주요 구성 요소입니다. 프란시스 터빈은 일반적으로 중간에서 높은 수두(130~2,000피트) 상황에 사용되지만 낮은 수두에도 사용되었습니다. 프란시스 터빈은 수평 및 수직 방향 모두에서 잘 작동합니다.

• 충동 터빈

충동 터빈은 일반적으로 물의 속도를 이용하여 러너를 움직이며 대기압에서 배출됩니다. 물 흐름이 러너의 각 버킷을 때립니다. 터빈의 아래쪽에 흡입이 없으므로 물은 러너를 때린 후 터빈 하우징 바닥으로 흘러 나갑니다. 충동 터빈은 일반적으로 높은 수두, 낮은 유량 응용 분야에 적합합니다. 충동 터빈의 두 가지 주요 유형은 펠턴과 크로스플로우 터빈입니다.

펠턴 터빈: 펠턴 터빈은 1870년대 미국 발명가 레스터 앨런 펠턴이 발명했습니다. 펠턴 휠은 하나 이상의 자유 제트가 공기 중에 물을 분사하고 러너의 버킷을 때립니다. 펠턴 터빈은 일반적으로 매우 높은 수두와 낮은 유량에 사용됩니다. 러너가 대기압에서 작동하도록 최대 수면 위에 위치해야 하므로 충동 터빈에는 드래프트 튜브가 필요하지 않습니다.

터고 터빈: 충동 터빈의 일종으로, 50m-250m의 수두에 적합하며 프란시스 터빈과 펠턴 터빈 사이에 위치합니다.
노즐 제트의 중심선과 러너의 회전 평면 사이에 22.5도의 각도가 형성되는 것이 특징입니다. 수압관에서 나오는 물은 노즐을 통해 고속 제트로 변환됩니다. 물은 러너의 한쪽 측면으로 비스듬히 향하고 다른 쪽으로 배출됩니다. 물 흐름의 동적 힘으로 인해 러너가 빠르게 회전합니다.

크로스플로우 터빈: 원래 크로스플로우 터빈은 1900년대 초 오스트리아 엔지니어 안토니 미첼이 설계했습니다. 이후 헝가리 엔지니어 도나트 반키가 개선했으며, 독일 엔지니어 프리츠 오스버거가 더욱 개선했습니다. 크로스플로우 터빈은 드럼 모양이며 원통형 러너의 곡선 베인에 대해 직사각형 모양의 길쭉한 노즐을 사용합니다. "다람쥐 통" 송풍기와 유사합니다. 크로스플로우 터빈은 물이 블레이드를 두 번 통과하도록 합니다. 첫 번째 통과 시 물은 블레이드 외부에서 내부로 흐르고, 두 번째 통과 시에는 내부에서 다시 외부로 흐릅니다. 터빈 입구의 가이드 베인은 물 흐름을 러너의 제한된 부분으로 유도합니다. 크로스플로우 터빈은 펠턴 터빈보다 더 큰 유량과 낮은 수두를 처리하기 위해 개발되었습니다.