수차 중 물의 송출 방향이 축방향이 아닌 것은?
- 펠턴 수차
- 프란시스 수차
- 사류 수차
- 프로펠러 수차
정답과 해설 보기
정답 ① · 수차에서 물의 송출 방향이 축방향이 아닌 것을 고르는 문제이다. 펠턴 수차는 노즐에서 분사된 물이 버킷에 접선 방향으로 작용하고 방수는 반경 방향으로 배출되는 충동수차이다.
물의 송출 방향이 축방향이 아닌 수차는 펠턴 수차입니다.
개념 한 쪽
건설기계설비기사 수차의 제현상 — 수차 분류와 수격현상
수차의 기본 원리와 운전 현상은 수차의 종류 분류, 유효 낙차와 이론출력 계산, 수격현상 및 방지 대책으로 정리된다. 이들 개념을 바탕으로 수차 선택과 운전 안전성을 판단한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「수차의 제현상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 수차 종류 판별 | 1 | 제시된 수차가 충격형인지 반동형인지 구분하기 |
| 수격현상 설명 판단 | 1 | 수격현상 및 서지탱크 기능의 옳고 그름을 판정하기 |
| 회전차 적용 분야 | 1 | 펌프-수차의 이용 분야를 고르기 |
뜻
수차는 물의 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치로, 작동 원리에 따라 충격 수차(Impulse turbine)와 반동 수차(Reaction turbine)로 구분된다. 충격 수차는 노즐로부터 고속 분사된 물줄기가 터빈 날개에 충격을 가하여 회전시키는 방식이며, 펠톤 수차가 대표적이다. 반동 수차는 물이 날개 사이를 흐르면서 압력 강하와 반동력을 동시에 이용하여 회전시키는 방식이며, 프란시스 수차와 프로펠러 수차(카플란 포함)가 해당된다.
프란시스 수차는 안내깃과 회전차로 구성되며, 안내깃은 고정자로서 회전하지 않는다. 안내깃은 유체의 유입 각도를 조절하고 부하 변화에 따라 유량을 제어하기 위해 열림각이 변할 수 있다. 회전요소와 고정요소를 구분하여 문제를 풀어야 한다.
실제 터빈 입구에서 이용되는 낙차(유효 낙차)는 총 낙차에서 도수로·수압관·방수로 등 흐르는 경로에서 발생하는 모든 수두 손실을 차감한 값으로 정의한다. 터빈 내부 손실은 유효 낙차 정의에 포함되지 않으므로 낙차 계산 시 유로에서의 손실을 모두 고려해야 한다.
수차의 비속도와 낙차는 반비례 관계를 보인다. 고낙차에는 펠톤 수차가 적합하여 비속도가 작고, 중낙차에는 프란시스, 저낙차에는 프로펠러 수차가 적합하여 비속도가 큰 순서를 가진다. 이 관계를 통해 수차 형식을 선택하는 기준을 잡을 수 있다.
수격현상은 수문의 급격한 개폐 등으로 유속 변화가 급격할 때 발생하는 압력 충격으로서 관과 설비에 손상을 줄 수 있다. 이를 완화하기 위해 서지탱크를 설치하여 압력 변동을 흡수하고 진동과 파손을 방지하며, 방출유량을 조절하는 압력조절기 등도 사용한다.
또한 회전차는 정·역방향으로 작동하여 펌프와 수차 역할을 동시에 수행할 수 있으며, 이러한 펌프-수차 양방향 장치는 양수식 발전에서 전력 저장용으로 주로 이용된다.
예제
유효 낙차가 93 m이고 유량이 200 m³/s일 때 수차의 이론출력을 구하는 문제는 P=γQH 공식을 적용한다. 물의 비중량 γ=9800 N/m³, Q=200 m³/s, H=93 m을 대입하면 P=9800×200×93=182,280,000 W가 된다. 이를 MW로 환산하면 182.28 MW이므로 약 182 MW가 된다.
또한 수차 유형 판별 문제에서는 펠톤을 충격 수차로 분리하고, 프란시스·프로펠러·카플란을 반동 수차로 분류하여 펠톤을 제외하는 방식으로 정답을 찾는다.
대표 기출 3문항
수차의 수격현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
- 기동이나 정지 또는 부하가 갑자기 변화할 경우 유입수량이 급변함에 따라 수격현상이 발생하게 된다.
- 수격현상은 진동의 원인이 되고 경우에 따라서는 수관을 파괴시키기도 한다.
- 수차 케이싱에 압력조절기를 설치하여 부하가 급변할 경우 방출유량을 조절하여 수격현상을 방지한다.
- 수차에 서지탱크를 설치하여 관내 압력변화를 크게 하여 수격현상을 방지할 수 있다.
정답과 해설 보기
정답 ④ · 수차의 수격현상에 대한 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 수격현상은 밸브의 급격한 개폐나 부하 변화로 관내 유속이 급변할 때 발생하는 압력파로, 진동과 수관 파괴의 원인이 된다.
수격현상을 방지하려면 관내 압력 변화를 완화해야 하므로, 압력 변화를 크게 하는 서지탱크 설치 설명은 옳지 않다.
회전차를 정방향과 역방향으로 자유롭게 변경하여 펌프의 작용도 하고, 수차의 역할도 하는 펌프 수차(pump-turbine)가 주로 이용되는 발전 분야는?
- 댐 발전
- 수로식 발전
- 양수식 발전
- 저수식 발전
정답과 해설 보기
정답 ③ · 펌프 수차가 주로 이용되는 발전 분야를 묻는 문제이다. 펌프 수차는 하나의 회전차를 정방향으로 회전시키면 펌프로, 역방향으로 회전시키면 수차로 작동하는 기기이다.
펌프와 수차 역할을 모두 하는 회전차는 양수식 발전에서 전력 저장용으로 사용되므로 양수식 발전이 정답이다.
자주 묻는 물음
- 충격 수차와 반동 수차의 차이는 무엇인가?
- 충격 수차는 노즐에서 고속 분사된 물의 충격력으로 회전시키고, 펠톤이 대표적인 예이다. 반동 수차는 날개를 지나는 동안 압력강하와 반동력을 이용하여 회전시키며 프란시스·프로펠러·카플란이 해당한다.
- 유효 낙차는 어떻게 정의하나?
- 유효 낙차는 총 낙차에서 도수로·수압관·방수로 등 유로에서 발생하는 모든 수두 손실을 차감한 값으로서, 터빈 입구에서 실제로 이용되는 낙차를 말한다.
- 수격현상이 발생하면 어떻게 대처하나?
- 수격현상은 관내 압력의 급격한 변동으로 발생하므로 서지탱크 등 압력 변동을 흡수하는 장치를 설치하여 압력 변화를 완화하고, 필요 시 방출유량을 조절하는 장치를 이용하여 진동과 파손을 방지한다.
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