전기공사기사 유량과 낙차 — 수차의 선택과 연속방정식

수차는 낙차와 유량의 조합에 맞추어 고른다. 펠톤수차는 노즐에서 물을 뿜어 버킷을 치는 충동식으로 고낙차·소유량 조건에 적합하다. 프란시스수차는 물이 날개 사이를 지나며 압력과 속도가 바뀌는 반동식으로 중낙차·중유량에 적합하고, 가이드베인은 조절되지만 러너는 고정식이다. 카플란수차는 축류식 반동수차로 저낙차·대유량에 적합하며, 러너의 날개 각도를 부하에 따라 가변해 넓은 부하 범위에서도 고효율을 유지한다. 프로펠러수차는 날개가 고정되어 있어 부하가 변하면 효율이 크게 떨어진다. 중낙차·대유량의 대규모 발전에 가장 많이 쓰는 것은 프란시스수차다.

출력은 유효낙차로 계산한다. 총낙차에서 수로와 수압철관의 손실낙차를 뺀 것이 유효낙차이고, 여기에 유량과 종합효율을 곱해 P = ρgQHη 또는 P = 9.8QHη로 출력을 구한다. 총낙차에서 수로와 수압철관의 손실낙차를 빼서 유효낙차를 먼저 구한다. 평균유효낙차와 저수량이 주어지면 물의 위치에너지에 종합효율을 곱하고 3.6×10^6으로 나누어 전력량[kWh]을 구한다.

관 속을 흐르는 비압축성 유체는 어느 단면에서나 유량이 같다. 유량 Q는 단면적 A와 유속 V의 곱이므로 A₁V₁ = A₂V₂가 성립한다. 단면적이 2 m²에서 1 m²로 절반이 되면 유속은 3 m/s에서 6 m/s로 두 배가 된다. 면적과 유속이 반비례한다는 것만 알면 나머지 선지는 소거된다.

비속도는 수차의 형식과 기종을 고르는 기준이 되는 값이다. 비속도가 크면 고속으로 회전하며 물을 많이 흘려보내는 수차여서 저수두·대유량에 적합하고, 비속도가 작으면 고수두·소유량에 적합하다. 그래서 펠톤수차에서 프란시스수차를 거쳐 카플란수차로 갈수록 비속도가 커진다. 비속도는 수차의 재질만을 결정하는 값이 아니다.

물의 압력이 급변할 때 설비를 지키는 장치도 이 세트에 들어 있다. 서지탱크는 물이 갑자기 멈추거나 급하게 흐를 때 생기는 충격압을 흡수해 배관과 설비를 보호하고 순간적인 유량 변화를 보조한다. 다만 흡출관을 직접 보호하기 위해 설치하는 장치는 아니다. 흡출관은 수차를 지난 물의 속도에너지를 압력으로 바꾸어 수차가 더 큰 일을 하게 하는 관이다.