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  Comet supports the design of Pelton turbines   
    Reiner Mack, Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH & Co. KG, Heidenheim, Germany

                                     
Fig. 1: A view of the grid on the surface of buckets of a Pelton turbine.
Fig. 2 (above): Predicted water jet deformation as it interacts with three buckets, showing thin water sheets leaving buckets.
수력발전은 – 설치 용량이 약 650,000MW – 가장 큰 재생가능한 에너지원입니다. 이 에너지의 31%가 Voith Siemens Hydropower Generation에서 설치한 Turbine 및 40,000개 이상의 동작중인 Power Unit에 의해 생산됩니다. Voith Siemens hydropower Generation은 고성능 수력발전설비의 선도적 제공자입니다.

지난 10년간, CFD는 Voith Siemens Hydropower Generation에서 Reaction Turbine의 개발에 필수적인 도구가 되어왔습니다. CFD를 사용하여 Francis, Kaplan 및 Pump Turbine에 대한 수많은 개발 테스트들이 상당히 감소되었습니다. 품질의 향상 및 설계 혁신이 이러한 Turbine에서 매우 빠르게 달성되어가고 있습니다. 더욱이 CFD는 작동범위를 넓혀주고 박리의 운동 및 Turbine 효율의 안정성을 향상시켜 고객들에게 향상된 제품을 제공하는데 도움을 주어왔습니다.

그러나 다수의 특정 유동 특성을 포함한 작은 특정 속도에 적합한(높은 수두와 낮은 유량) Pelton Turbine은 시뮬레이션하기 지극히 어렵습니다. 우선 Pelton Runner를 가진 Free Jet의 상호작용은 Fully Transient이며 Bucket의 움직이는 형상에 의존합니다. Reaction Turbine과 같은 Quasi Steady-State 문제에서의 타당한 감소는 Jet-Bucket의 상호작용의 필수 미케니즘을 잃어버리지 않은 Pelton Turbine에서는 가능하지 않습니다. 더욱이 Free Jet의 형성 및 Bucket을 지나는 유동을 지배하는 공기와 물간 Multiphase System은 계속 연구되어지고 있습니다. 수년 동안 이러한 현상에 대한 실제 해석이 가능한 유동 시뮬레이션을 개발하는 것은 어려운 일로 여겨졌습니다.

2000년에 우리는 필요한 모델링 특징에 관한 다른 다목적 CFD 코드에 집중적인 투자를 실시하였습니다. 다수의 상용 코드 중 Comet을 선택하였는데, 그 이유는 Moving Grid 및 Free Surface Modeling을 포함한 Transient 계산에 있어서 많은 경험이 있었기 때문입니다. Pelton Turbine의 실제 모델링에 필수적인 이러한 특징들의 조합이 대부분의 상용 코드들의 약점 중 하나였습니다. 부가적으로, Comet은 병렬계산에 관해 좋은 효율을 보여주는 코드를 제공합니다. 이는 특히 계산시간을 줄이는데 가치가 있으며 개발 주기를 단축시키는데 있어서 중요한 역할을 합니다.

Jet Bucket의 상호작용을 시뮬레이션하기 전에, Comet은 필수적인 유동에 대한 코드의 특징을 각각 조합한 여러가지의 테스트에서 유용성을 증명하여야만 했습니다 : Volume Of Fluid, Transient Flow 및 Moving Grid. 테스트 내에서의 복잡성이 점점 증가되었으며, 최종적으로 Free Jet을 가진 Three Rotating Bucket이 시뮬레이션될 때까지 2D Water Wheel로부터 시작하여 3D로 확장되었습니다.

반전되고 회전된 Bucket 주위의 표면 격자의 이미지는 그림 1에 나와 있습니다. Runner에서 각 Bucket은 다른 시간에 동일한 조건으로 동작하므로, 문제는 단순히 Stationary Jet이 상호작용하는 Three Rotation Bucket으로 단순화할 수 있습니다. 앞과 뒷면의 Middle Bucket(Bucket 2)은 전체 Runner에서의 효율을 예측하는데 사용될 대표적인 표면입니다. Transient 계산의 초기에서 전체 계산영역은 공기로 차 있습니다.  각 단계에서 Water Jet은 Jet의 방향에서의 Grid 및 Bucket의 회전부와 미끄러지는 경계면 위로 전진합니다.

Fig. 3: A stroboscopic photograph of water distribution in a Pelton wheel, showing water sheets leaving buckets.

Fig. 4: Efficiency of a Pelton turbine: comparison of simulation and experiment

그림 2는 첫번째 2개의 Bucket에서의 Jet의 상호작용 동안 계산된 “Snapshot”을 보여줍니다. 이 예시에서 Water Concerntration에 대한 Iso-surface는 물과 공기간의 경계면을 나타내는데 사용됩니다. 어떻게 Jet가 Cutout에서 출구로부터 Bucket의 작은 반경 부위로 흘러가는지를 명백히 알 수 잇습니다. 이는 Water Sheet가 Bucket으로 제일 처음 나가는 곳입니다. 점차적으로, 이 출구 영역은 Bucket Mouth의 방향에서 Inner Bucket Edge 뒤쪽을 따라서 움직입니다. Stroboscopic Light에서의 Test에 대한 Snapshot(그림 3)은 수치적으로 예측된 유동 패턴이 실제 Pelton Turbine에서 만들어진 유동의 결과와 유사함을 보여줍니다.

시뮬레이션의 결과를 정량화하기 위해, Bucket 2의 Wall에 작용하는 압력에 의해 생성된 각운동량이 유도되었습니다. Single Bucket에서의 시간에 종속적인 경향은 전체 Runner의 운동량을 보여주는 데 사용됩니다. 이러한 결과들을 이용하여 Bucket Profile의 효율성을 계산될 수 있습니다. 그림 4는 일반적인 수두 범위에서의 실험 결과를 가진 시뮬레이션으로부터 얻어진 효율을 Normalized시킨 비교결과를 보여줍니다. 예측된 효율이 실험에서의 결과와 매우 유사한 경향을 보인다는 것이 명백합니다. 시뮬레이션과 실험간 2~3% 정도의 차이를 보이는 것을 알 수 있습니다.

이러한 결과들은 미래의 Felton Turbine의 개발을 위한 큰 발전입니다. Comet은 상세한 질적, 양적 해석에 의해 Bucket Flow의 미케니즘을 분석할 수 있게 해 줍니다. 더욱이 압력 부하는 Bucket의 구조적인 Integrity를 평가하는데 직접적으로 사용됩니다. 과거에 가정이 만들어져야만 했던 반면에, 지금은 좀 더 사실적인 구조적인 FEM을 이용하여 해석상세하고 시간에 종속적인 압력 분포가 얻어질 수 있습니다.

요약하면, Comet의 해석 능력을 이용함으로써, 설계자들은 향상된 Bucket Profile을 설계하고 고객들에게 더 좋은 제품을 제공하는데 필요한 지식을 얻을 수 있습니다.

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