유효 낙차 70m, 유량 95m³/s인 하천에서 수차를 이용하여 발생한 동력이 58600kW일 때 이 수차의 효율은 약 몇 % 인가?
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정답과 해설 보기
정답 ③ · 유효 낙차와 유량으로 구한 수력 출력 대비 실제 수차 출력의 비율로 효율을 구하는 문제이다. 이론 출력은 P = ρgQH = 1000 × 9.81 × 95 × 70 = 65236500W, 즉 약 65236.5kW가 된다.
개념 한 쪽
건설기계설비기사 수차의 개론 — 수차 형식과 흡출관·효율
수차는 물의 에너지를 이용해 회전력을 얻는 장치로, 낙차와 유량 조건에 따라 여러 형식으로 구분한다. 대표적인 분류는 충동(펠턴)·반동(프란시스, 프로펠러, 카플란)과 유입 방향(축류·흔류)으로 이루어진다. 반동수차에서는 회전차 출구에 남은 운동에너지를 회수하는 흡출관이 중요하고, 수차의 성능 평가는 수력 출력과 실제 출력의 비로 나타내는 효율로 판단한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「수차의 개론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 펌프·수차 효율 계산 | 1 | 주어진 낙차와 유량으로 수력 출력을 계산하고 효율을 구하기 |
| 수차 형식의 특징 판별 | 1 | 충동·반동·중력수차 등 형식별 에너지 이용 원리를 가리기 |
| 흡출관의 설치 목적 | 1 | 반동수차 출구 에너지 회수와 유효낙차 확보 기능을 묻기 |
뜻
프란시스 수차는 물이 회전차를 통과하면서 압력에너지와 속도에너지가 모두 감소하며 그 반동으로 회전차를 구동하는 반동식 수차이다. 이때 압력 에너지의 감소가 반동력 발생의 핵심 원리이며, 반동수차의 특징으로 분류한다. 펠턴 수차는 물줄기가 날개에 충격을 주는 충동식 수차로 압력 변화가 거의 없고 주로 고낙차에 사용한다.
프로펠러 수차는 축과 평행한 흐름을 갖는 축류형 수차로 주로 저낙차·대유량 조건에 적합하며, 고정익인 프로펠러와 가동익인 카플란 수차의 구분이 성능과 운전특성에서 중요하다. 카플란과 프로펠러는 반동식 축류 수차 계열로 비속도가 높은 편이다.
흡출관은 반동수차의 출구에서 방수면까지 연결되어 출구의 속도수두를 회수하고 하류 수면과의 위치수두차를 이용해 유효 낙차를 증가시키는 장치이다. 흡출관의 목적은 회전차 출구의 운동에너지를 정압으로 변환하여 손실을 줄이고 수차의 전체 효율을 높이는 데 있다.
수차의 성능 평가를 위해 수력 출력 P는 물의 밀도 ρ, 중력가속도 g, 유량 Q, 유효낙차 H의 곱으로 나타내며 P = ρ g Q H 공식을 사용한다. 실제로 얻은 정미 출력과 수력 출력을 비교하여 효율 η를 구하며, 효율은 정미 출력 ÷ 수력 출력으로 계산하여 백분율로 표시한다.
예제
유효 낙차가 40 m이고 유량이 초당 50 m³인 상태에서 정미 출력이 1.5×10⁴ kW인 경우 수력 출력을 P = ρ g Q H로 계산한다. 물의 밀도 1000 kg/m³과 중력가속도 9.81 m/s²를 대입하면 P = 1000×9.81×50×40 ≒ 19,620 kW이다. 이때 효율 η = (정미 출력 / 수력 출력)×100 = (15,000 / 19,620)×100 ≒ 76.5%로 계산한다.
반동수차에서 회전차 출구의 속도수두를 회수하기 위해 설치하는 장치로 흡출관을 선택하는 문제는 '출구 에너지 회수'와 '낙차 이용'이라는 키워드로 풀이한다. 흡출관은 속도수두를 정압으로 변환하고 유효 낙차를 확보하므로 정답 도출 시 이 둘을 확인한다.
대표 기출 3문항
다음 각 수차들에 관한 설명 중 옳지 않는 것은?
- 펠턴 수차는 비속도가 가장 높은 형식의 수차이다.
- 프란시스 수차는 반동형으로서 흔류수차에 해당한다.
- 프로펠러 수차는 저낙차 대유량인 곳에 주로 사용된다.
- 카플란 수차는 반동형으로서 축류수차에 해당한다.
정답과 해설 보기
정답 ① · 각 수차에 관한 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 펠턴 수차는 충격식 수차로 고낙차 소유량에 쓰이며 비속도가 가장 낮은 수차이다.
펠턴 수차는 충격식 수차로 비속도가 가장 높지만, 일반적으로 비속도가 가장 높은 수차는 프로펠러나 카플란 수차 등 반동식 축류 수차이다.
반동수차에 설치되는 흡출관의 사용목적으로 가장 옳은 것은?
- 회전차 출구와 방수면 사이의 낙차 및 회전차에서 유출되는 물의 속도수두를 유효하게 이용하기 위하여 설치한다.
- 상부 수면에서 회전차 입구까지의 위치수두를 최대한 이용하여 회전차 출구의 속도수두를 높이기 위해서 설치한다.
- 반동수차는 낙차가 커서 반동력이 매우 크므로 수차의 출구에 견고하게 설치하여 수차를 보호하기 위하여 설치한다.
- 반동수차는 낙차가 커서 회전차 출구와 방수면사이의 낙차를 최소화하여 반동력을 줄이기 위하여 설치한다.
정답과 해설 보기
정답 ① · 반동수차의 흡출관 설치 목적을 묻는 문제이다. 흡출관은 회전차 출구를 하류 수면 아래까지 연결함으로써 회전차 출구와 방수면 사이의 낙차를 유효 낙차로 활용하고, 회전차에서 유출되는 물이 지니는 속도수두를 회수하여 수차 효율을 높이는 역할을 한다.
흡출관은 수차 출구의 속도수두를 회수하고 하류 수면과의 낙차를 이용해 추가 동력을 얻기 위해 설치된다.
자주 묻는 물음
- 프란시스 수차의 주요 특징은 무엇인가?
- 프란시스 수차는 물이 회전차를 통과하면서 압력과 속도가 모두 줄어드는 반동식 수차로, 압력 에너지 감소에 의한 반동력으로 회전차를 구동한다.
- 흡출관은 어떤 목적으로 설치하나요?
- 흡출관은 회전차 출구의 속도수두를 회수하여 정압으로 변환하고 하류 수면과의 위치수두차를 이용하여 유효 낙차를 증가시켜 수차 효율을 높이는 목적으로 설치한다.
- 수력 출력과 수차 효율은 어떻게 계산하나요?
- 수력 출력은 P = ρ g Q H로 구하고, 수차 효율은 실제로 얻은 정미 출력을 이 수력 출력으로 나누어 백분율로 나타낸다.
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