KR101711630B1 - An optimal design method of counter-rotating type pump-turbine, a counter-rotating type pump-turbine and self generating system designed by the method - Google Patents

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Abstract

역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계방법이 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 제1 날개를 포함하는 제1 임펠러 및 상기 제1 임펠러와 소정의 거리만큼 이격 배치되고, 복수개의 제2 날개를 포함하는 제2 임펠러를 포함하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 있어서, 제1 날개 및 상기 제2 날개의 형상을 고려한 역회전형 펌프 터빈의 반응 변수 및 반응 변수에 영향을 미치는 설계 변수 선택 단계, 설계 변수에 대해 직교 배열표 작성 단계, 직교 배열표에서 수치해석을 통해 반응 변수의 값 도출 단계, 반응 변수 값에서 최적의 반응 변수 값을 갖는 설계 변수의 값 산출 단계를 포함한다.An optimized design method of a reverse pump turbine is provided. A method of optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first impeller including a first impeller and a second impeller disposed apart from the first impeller by a predetermined distance, A method of optimizing design of a reverse rotation type pump turbine including an impeller, comprising the steps of: selecting design variables affecting response and response parameters of a reverse rotation type pump turbine considering the shapes of the first and second wings; The step of generating the orthogonal array table, the step of deriving the value of the response variable through the numerical analysis in the orthogonal array table, and the step of calculating the value of the design variable having the optimum reaction variable value in the response variable value.

Description

역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈 및 자가 발전 시스템{An optimal design method of counter-rotating type pump-turbine, a counter-rotating type pump-turbine and self generating system designed by the method}[0001] The present invention relates to an optimized design method for a reverse rotation type pump turbine, and a reverse rotation type pump turbine and an electric power generation system designed thereby, }

본 발명은 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈 및 자가 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine, and to a reverse rotation type pump turbine and an electric power generation system designed thereby.

지난 몇 년 동안 수력, 풍력, 태양 광, 해양 등의 자연에서 재생 가능 에너지 자원을 효율적으로 추출하려는 자가 발전 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. Over the past several years, there has been an increasing interest in self-generating systems that efficiently extract renewable energy resources from natural sources such as hydro, wind, solar, and ocean.

그러나, 천연 자원으로부터 추출하여 안정된 전력을 공급하는 것은 날씨의 급격한 변화 등으로 인한 요인으로 인해 어렵다.However, it is difficult to extract stable electric power from natural resources due to factors such as sudden change of weather.

자가 발전 시스템은 상기와 같은 문제를 효과적으로 해결하기 위해 양수 발전용 역회전 펌프 터빈 장치를 사용하여 전력 안정화를 꾀하고 있다.In order to effectively solve the above-mentioned problems, the self-power generation system uses a reverse-rotation pump turbine device for pumped-power generation to stabilize power.

다만, 종래의 양수 발전용 역회전 펌프 터빈 장치는 역류에 의해 유체역학적 성능이 떨어지는 문제가 있었다.However, the conventional reverse rotation pump turbine device for pumping water has a problem that the hydrodynamic performance deteriorates due to the reverse flow.

본 발명의 일 실시예는 유체역학적 성능을 개선할 수 있는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈 및 자가 발전 시스템을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention seeks to provide a method of optimizing a reverse rotation type pump turbine capable of improving hydrodynamic performance, a reverse rotation type pump turbine and a self generation system designed thereby.

본 발명의 일측면에 따르면 원형 단면의 케이싱의 외주면에 회전 가능하게 결합되는 복수개의 제1 날개를 포함하는 제1 임펠러 및 상기 케이싱의 외주면에 상기 복수개의 제1 날개의 회전방향과 반대방향으로 회전 가능하게 결합되고 상기 제1 임펠러와 소정의 거리만큼 이격 배치되는 복수개의 제2 날개를 구비하는 제2 임펠러를 포함하되, 상기 제1 날개 및 상기 제2 날개는 NACA에어포일로 정의되는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법으로서, 펌프 효율 및 터빈 효율로 반응변수 선택 및 상기 반응변수에 영향을 미치고 상기 제1 날개의 최대 캠버의 높이(h)에 의한 NACA에어포일의 제1 코드값, 상기 제1 날개의 최대 캠버의 거리(d)에 의한 NACA에어포일의 제2 코드값, 상기 제2 날개의 최대 캠버의 높이(h)에 의한 NACA에어포일의 제3 코드값 및 상기 제2 날개의 최대 캠버의 거리(d)에 의한 NACA에어포일의 제4 코드값으로 설계 변수 선택 단계; 상기 설계 변수인 상기 제1 코드값 내지 상기 제4 코드값으로 직교 배열표 작성 단계; 상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계 및 상기 반응 변수 값에서 최적의 반응 변수 값을 갖는 상기 설계 변수의 값 산출 단계를 포함하되, 상기 직교 배열표 작성 단계에서 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값이 서로 다른 두 개의 값일 때, 상기 제4 코드값은 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값 중 개수가 적은 값으로 결정하고, 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값이 동일한 값일 때, 상기 제4 코드값은 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값과 동일한 값으로 결정하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an air conditioner, comprising: a first impeller including a plurality of first blades rotatably coupled to an outer circumferential surface of a casing having a circular cross section; and a second impeller rotatably mounted on an outer circumferential surface of the casing, And a second impeller coupled to the first impeller and having a plurality of second blades spaced a predetermined distance from the first impeller, the first blades and the second blades being connected to a reverse rotation type pump defined by a NACA airfoil A method of optimizing a turbine, the method comprising the steps of: selecting a response variable with pump efficiency and turbine efficiency and influencing the response variable and determining a first code value of the NACA airfoil by the height (h) of the maximum camber of the first vane, The second code value of the NACA airfoil by the distance (d) of the maximum camber of the wing, the third code value of the NACA airfoil by the height (h) of the maximum camber of the second wing, Selecting a design parameter with a fourth code value of the NACA airfoil by the distance (d) of the maximum camber; Generating an orthogonal array table from the first code value to the fourth code value which are the design variables; Calculating a value of the design variable having an optimal response variable value from the response variable value and calculating the response variable value through a numerical analysis in the orthogonal array table, Value to the third code value are different from each other, the fourth code value is determined to be a small number among the first code value to the third code value, and the first code value to the third code value And the fourth code value is determined to be the same value as the first code value to the third code value when the code value is the same value.

이때, 상기 제1 임펠러 및 상기 제2 임펠러의 소정의 거리는 상기 케이싱의 직경의 15 내지 16 %로 결정할 수 있다.At this time, the predetermined distance between the first impeller and the second impeller may be determined to be 15 to 16% of the diameter of the casing.

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이때, 상기 제1 날개 및 상기 제2 날개는 최대 두께(t)를 고정하여 NACA에어포일의 값을 결정할 수 있다. At this time, the first wing and the second wing can determine the value of the NACA airfoil by fixing the maximum thickness t.

이때, 상기 설계 변수에 대해 직교 배열표를 작성하는 단계는 2n요인 계획법을 포함할 수 있다.At this time, the step of creating an orthogonal array table for the design variables may include 2 n factorial programming.

이때, 상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계는 전산 유체 역학을 이용하고, 양정(H) 및 유량(Q)를 일정하게 고정시키고 상기 반응 변수 값을 도출할 수 있다.At this time, through the numerical analysis in the orthogonal array table, it is possible to derive the response variable value using the computational fluid dynamics and fix the head H and the flow Q constant.

이때, 상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계는 상기 반응 변수 값으로 분산 분석을 하여 주된 효과가 있는 설계 변수를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this case, the step of deriving the response variable value through the numerical analysis in the orthogonal array table may further include a step of deciding a design variable having a main effect by performing an analysis of variance with the response variable value.

이때, 상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 반응 변수 값 도출 단계는 상기 수치해석을 통해 도출된 반응 변수 값의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this case, the step of deriving the response variable value through the numerical analysis in the orthogonal array table may further include verifying the validity of the response variable value derived through the numerical analysis.

이때, 상기 반응 변수 값으로 최적의 설계 변수 값을 산출하는 단계는 양정(H) 및 유량(Q)을 일정하게 고정시키고 상기 펌프 효율 및 터빈 효율이 동시에 최대값을 갖는 상기 설계 변수의 값 산출 단계를 포함할 수 있다.At this time, the step of calculating the optimum design parameter value as the reaction variable value may be performed by fixing the head H and the flow rate Q at a constant value and calculating the value of the design variable having the maximum value of the pump efficiency and the turbine efficiency at the same time . ≪ / RTI >

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 제1 임펠러 및 제2 임펠러를 포함하는 역회전형 펌프 터빈이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a reverse rotation type pump turbine including a first impeller and a second impeller designed by the above-described optimization design method for a reverse rotation type pump turbine.

한편 다른 측면에 따르면 전술한 역회전형 펌프 터빈, 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력 발전기, 상기 풍력 발전기와 연결되어 상기 생산된 전기가 저장되는 전기 축전기, 상기 전기 축전기와 일단은 연결되고 타단은 상기 역회전형 펌프 터빈과 연결되어 상기 생산된 전기를 조절하는 전력 조절 장치, 상기 역회전형 펌프 터빈과 연결되어 유체를 저장하는 하부 저장 탱크 및 상기 하부 저장 탱크보다 높게 설치되어 유체를 저장하는 상부 저장 탱크를 포함하는 자가 발전 시스템이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a wind turbine generator comprising: a reciprocating type pump turbine, a wind turbine generator for generating electricity using wind, an electric capacitor connected to the wind turbine generator for storing the produced electricity, A power regulating device connected to the reverse rotation type pump turbine to regulate the produced electricity, a lower storage tank connected to the reverse rotation type pump turbine to store the fluid, and an upper storage tank installed higher than the lower storage tank to store the fluid. Is provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈은 제1 날개 및 제2 날개의 최대 캠버의 높이 및 최대 캠버의 거리를 조절하여 펌프 모드 및 터빈 모드에서 작동할 때 펌프 효율 및 터빈 효율을 동시에 최적화 할 수 있다.The reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention simultaneously optimizes the pump efficiency and the turbine efficiency when operating in the pump mode and the turbine mode by adjusting the height of the maximum camber of the first and second blades and the distance of the maximum camber can do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의해 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 것을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 것을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 내부 회전자 및 외부 회전자를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 펌프 모드와 터빈 모드로 작동할 때 제1 임펠러 및 제2 임펠러를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 터빈 효율의 분산 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 펌프 효율의 분산 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 터빈 출력의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 터빈 효율의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 펌프 출력의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 펌프 효율의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 펌프 및 터빈 효율을 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈을 구비한 자가 발전 시스템에서 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈을 구비한 자력 발전 시스템에서 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 출력을 도시한 그래프이다. FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a schematic diagram illustrating the operation of a reverse rotation type pump turbine designed by a method of optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention in a pump mode.
3 is a schematic diagram illustrating the operation of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention in a turbine mode.
4 is a perspective view illustrating an inner rotor and an outer rotor of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a first impeller and a second impeller when operating in a pump mode and a turbine mode of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic view showing first and second blades of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the results of the analysis of variance of turbine efficiency when the first and second blades are a NACA airfoil 3 and 5 series when the reciprocating pump turbine operates in turbine mode according to an embodiment of the present invention .
8 is a cross-sectional view illustrating first and second vanes when the reciprocating pump turbine operates in a turbine mode according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the NACA airfoils 3 and 5 series when the first and second wings are operated in the pump mode, the reverse rotation type pump turbine designed by the method of optimizing the reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph showing a result of analysis of dispersion of pump efficiency. FIG.
10 is a cross-sectional view illustrating a first wing and a second wing when the reverse rotation type pump turbine designed by the method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a pump mode.
11 is a graph for verifying the validity of a numerical analysis result of a turbine output when a reverse rotation type pump turbine designed by an optimization design method of a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a turbine mode.
12 is a graph for verifying the validity of the numerical analysis results of the turbine efficiency when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the turbine mode.
13 is a graph for verifying the validity of a numerical analysis result of a pump output when a reverse rotation type pump turbine designed by an optimization design method of a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a pump mode.
FIG. 14 is a graph for verifying the validity of numerical analysis results of the pump efficiency when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the pump mode.
15 is a graph showing pump and turbine efficiency of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.
16 is a schematic view showing a state in which a pump turbine operates in a pump mode in a self-power generation system having a reversely-regulated pump turbine designed by a method of optimizing a reversely-rotatable pump turbine according to an embodiment of the present invention.
17 is a schematic view showing a state in which a pump turbine operates in a turbine mode in a magnetically power generation system having a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.
18 is a graph showing the output of a reciprocating pump turbine according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈 및 이의 최적화 설계 방법을 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a reverse rotation type pump turbine and an optimum designing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법을 도시한 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 반응 변수 및 상기 반응 변수 값에 영향을 미치는 설계 변수 선택 단계(S10), 설계 변수에 대해 직교 배열표 작성 단계(S20), 직교 배열표에서 수치해석을 통해 반응 변수 값 도출 단계(S30) 및 반응 변수 값들로 최적의 설계 변수 값 산출 단계(S40)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention includes a design parameter selection step (S10) that affects a response variable and a response variable value, an orthogonal array table Step S20, deriving a response variable value S30 through a numerical analysis in the orthogonal array table, and calculating an optimum design variable value S40 using the response variable values.

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 역회전형 펌프 터빈이 펌프 및 터빈 모드로 작동할 때 펌프 및 터빈 효율을 동시에 최적화 시킬 수 있다.The optimized design method of a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention can simultaneously optimize the pump and turbine efficiency when the reverse rotation type pump turbine operates in a pump and turbine mode.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의해 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 것을 도시한 개략도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 것을 도시한 개략도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 내부 회전자 및 외부 회전자를 도시한 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 펌프 모드와 터빈 모드로 작동할 때 제1 임펠러 및 제2 임펠러를 도시한 사시도이다.2 is a schematic diagram illustrating the operation of a reverse rotation type pump turbine designed by a method of optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention in a pump mode. 3 is a schematic diagram illustrating the operation of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention in a turbine mode. 4 is a perspective view illustrating an inner rotor and an outer rotor of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a perspective view illustrating a first impeller and a second impeller when operating in a pump mode and a turbine mode of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.

도 2, 도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈(10)은 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17)를 포함할 수 있다. 2, 3 and 5, the reverse rotation type pump turbine 10 designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention includes the first impeller 13 and the second impeller 17).

본 발명의 일 실시예에서 흐르는 유체가 처음 만나는 프론트 임펠러는 “제1 임펠러(13)”로 그 이후 유체가 만나는 리어 임펠러는 “제2 임펠러(17)”로 규정하여 설명한다. In the embodiment of the present invention, the front impeller at which the flowing fluid first meets is referred to as " the first impeller 13 ", and the rear impeller at which the fluid afterwards meets is referred to as " second impeller 17 ".

도 2를 참조하면, 역회전형 펌프 터빈(10)이 펌프 모드로 작동할 때 유체가 좌측에서 우측방향으로 흐르는데 이때에는 유체가 처음 만나는 프론트(front) 임펠러는 제1 임펠러(13)이고, 제1 임펠러(13)와 소정의 거리만큼 우측방향으로 이격되게 배치되는 리어(rear) 임펠러는 제2 임펠러(17)이다. Referring to FIG. 2, when the reverse rotation type pump turbine 10 operates in the pump mode, the fluid flows from left to right, wherein the front impeller at which fluid first contacts is the first impeller 13, The rear impeller disposed at a predetermined distance from the impeller 13 in the rightward direction is a second impeller 17.

이때, 제1 임펠러(13) 및 제2 임페러(17)가 이격된 소정의 거리는 예를 들어 23.2㎜일 수 있으나, 이는 케이싱(11) 직경이 150㎜일 때 이다. 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17)가 이격된 소정의 거리는 케이싱(11) 직경의 15~16%일 수 있다. At this time, the predetermined distance between the first impeller 13 and the second impeller 17 may be, for example, 23.2 mm, which is when the diameter of the casing 11 is 150 mm. The predetermined distance at which the first impeller 13 and the second impeller 17 are spaced apart may be 15 to 16% of the diameter of the casing 11. [

또한, 도 3을 참조하면 역회전형 펌프 터빈(10)이 터빈 모드로 작동할 때 유체가 우측에서 좌측방향으로 흐르는데 터빈 모드에서 유체가 처음 만나는 프론트(front) 임펠러는 제2 임펠러(17)이고, 리어(rear) 임펠러는 제1 임펠러(13)이다.3, when the reverse rotation type pump turbine 10 is operated in the turbine mode, the fluid flows from right to left. In the turbine mode, the front impeller at which fluid first contacts is the second impeller 17, The rear impeller is the first impeller 13.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈(10)의 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17)의 상대적인 회전 속도는 1,800rpm일 수 있고, 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17) 사이의 팁 클리어런스(tip clearance)는 0.2㎜일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 2 and 3, the relative rotational speeds of the first impeller 13 and the second impeller 17 of the reciprocating pump turbine 10 according to an embodiment of the present invention may be 1,800 rpm, The tip clearance between the first impeller 13 and the second impeller 17 may be 0.2 mm, but is not limited thereto.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 내부 회전자(21)는 제1 임펠러(13)를 회전시키고, 외부 회전자(23)는 제2 임펠러(17)를 회전시킨다. 내부 회전자(21) 및 외부 회전자(23) 사이에는 상대적인 회전속도가 일정하게 유지되어 양 임펠러(13, 17) 및 회전자(21, 23) 사이에서 회전 토크가 상쇄된다. 이때, 제1 임펠러(13)를 통한 각 운동량 변화는 제2 임펠러(17)를 통한 각 운동량과 같다. 2 to 4, the inner rotor 21 rotates the first impeller 13 and the outer rotor 23 rotates the second impeller 17. The relative rotational speed is held constant between the inner rotor 21 and the outer rotor 23 so that the rotational torque is canceled between the impellers 13 and 17 and the rotors 21 and 23. [ At this time, the angular momentum change through the first impeller 13 is equal to the angular momentum through the second impeller 17.

이러한 작동 조건은 방전에 대응하도록 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17)를 자동적으로 조절하고, 낮은 방전에서 불안정한 작동을 억제하며, 높은 방전에서 공동 현상을 억제할 수 있다.This operating condition can automatically adjust the first impeller 13 and the second impeller 17 to correspond to the discharge, suppress the unstable operation at the low discharge, and suppress the cavitation at the high discharge.

이때, 공동 현상이란 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져 나와 압력이 낮은 곳으로 모이는데 이로 인해 물이 없는 빈 공간이 생기는 것을 말하고, 이로 인해 효율은 떨어진다. At this time, cavitation is a phenomenon in which a gas having low pressure in a fluid comes out of the water and collects in a low-pressure region, which results in an empty space without water, which results in inefficiency.

또한, 이러한 작동 조건은 기어 박스와 같은 보조 장치 없이도 유도 전류를 충분히 높게 하고, 회전 토크가 회전자(21, 23) 및 임펠러(13, 17) 사이에서 상쇄되어 회전 모멘트가 발생하지 않도록 한다. This operating condition also ensures that the induction current is sufficiently high without an auxiliary device such as a gearbox, and the rotational torque is canceled between the rotors 21, 23 and the impellers 13, 17, so that no rotational moment is generated.

도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈(10)의 제1 임펠러(13) 및 제2 임펠러(17)는 복수개의 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)를 각각 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the first impeller 13 and the second impeller 17 of the reverse rotation type pump turbine 10 designed by the method for optimizing the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention, And may include a wing 15 and a second wing 19, respectively.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 임펠러(13)는 5개의 제1 날개(15)로 구성되고, 제2 임펠러(17)는 4개의 제2 날개(19)로 구성될 수 있으나 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다. 5, the first impeller 13 may be composed of five first blades 15 and the second impeller 17 may be composed of four second blades 19. However, An embodiment of the invention is not limited thereto.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 개략도이다.6 is a schematic view showing first and second blades of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 제1 날개(15) 및 제2 날개(17)의 전연에서부터 후연까지 연장되는 가상의 실선은 “익현선(L1)”으로 규정하여 설명한다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 중앙에 점선으로 표시된 선은 캠버선(L2)이다.Referring to Fig. 6, a virtual solid line extending from the leading edge to the trailing edge of the first blade 15 and the second blade 17 in the embodiment of the present invention is defined as " chord line L1 ". 6, a line indicated by a dotted line at the center of the first wing 15 and the second wing 19 is a camber line L2.

이때, 익현선(L1)부터 캠버선(L2)까지 거리는 캠버의 높이이고, 높이가 최대인 지점에서의 높이가 최대 캠버의 높이(h=h1, h2, h3, h4)이다. 또한, 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 전연에서부터 최대 캠버의 높이(h)인 곳까지의 거리는 최대 캠버의 거리(d=d1, d2, d3, d4)이다. 또한 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 두께가 최대인 지점에서의 두께는 최대 두께(t)이다.In this case, the distance from the chord line L1 to the camber line L2 is the height of the camber, and the height at the point where the height is maximum is the height of the maximum camber (h = h1, h2, h3, h4). The distance from the leading edge of the first wing 15 and the second wing 19 to the height h of the maximum camber is the distance (d = d1, d2, d3, d4) of the maximum camber. In addition, the thickness at the point where the thickness of the first blade 15 and the second blade 19 is maximum is the maximum thickness t.

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)는 NACA에어포일에 의해 정의될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다만 본 발명의 일 실시예에서는 제1 날개 및 제2 날개는 NACA에어포일 3과 5시리즈를 적용하여 이하 설명한다.In the method for optimizing the design of a reciprocating pump turbine according to an embodiment of the present invention, the first wing 15 and the second wing 19 may be defined by a NACA airfoil, but are not limited thereto. However, in an embodiment of the present invention, the first wing and the second wing are described below by applying the NACA airfoils 3 and 5 series.

이때, 에어포일이란 날개의 익형이고, NACA란 National Advisory Committee for Aeronautics로서 미국 국립항공자문위원회에서 개발한 비행기 날개의 일종이다. 보통 NACAoooo 이런식으로 NACA뒤에 4자리의 코드가 붙는데 첫 번째 숫자는 최대 캠버의 높이를 백분율로 표시한 값이고, 두 번째 숫자는 최대 캠버의 거리를 백분율로 표시한 값이며, 세 번째와 네 번째 숫자는 최대 두께를 백분율로 표시한 값이다.At this time, the airfoil is the airfoil of the wing, and the NACA is a type of airplane wing developed by the National Advisory Committee for Aeronautics as the National Advisory Committee for Aeronautics. Normally NACAoooo In this way, NACA is followed by a 4-digit code, where the first number is the percentage of the maximum camber height, the second is the percentage of the maximum camber distance, and the third and fourth The number is the maximum thickness expressed as a percentage.

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 최대 두께(t), 최대 캠버의 높이(h) 및 최대 캠버의 거리(d)를 조절하여 역회전형 펌프 터빈의 효율 및 출력을 동시에 최적화 시킬 수 있다.The maximum thickness t of the first wing 15 and the second wing 19, the height h of the maximum camber and the distance of the maximum camber in the method of optimizing the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention d) can be adjusted to optimize the efficiency and output of the reciprocating pump turbine at the same time.

이때, 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 중간 스팬의 최대 두께(t)는 일정한 값으로 예를 들어 중간 스팬에서 “NACA에어포일 09”로 규정하여 설명하나 이에 한정되지 않는다. 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 최대 두께(t)가 너무 두꺼우면 제작 비용이 증가될 수 있으나, 반대로 너무 얇으면 회전시 날개가 파손될 수 있다.At this time, the maximum thickness t of the intermediate span of the first wing 15 and the second wing 19 is defined to be a constant value, for example, "NACA airfoil 09" in the middle span, but is not limited thereto. If the maximum thickness t of the first wing 15 and the second wing 19 is too large, the manufacturing cost may increase. On the other hand, if the maximum thickness t is too thin, the wing may be damaged during rotation.

한편, 도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 반응 변수 및 설계 변수 선택 단계(S10)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 6, a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention may include a reaction variable and a design parameter selection step (S10).

먼저, 반응 변수 및 상기 반응 변수 값에 영향을 미치는 설계 변수 선택 단계(S10)에서는 반응 변수 값을 최적화하기 위한 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 형상을 결정하기 위하여 설계 변수를 선정한다.First, in a design parameter selection step (S10) for influencing the reaction variables and the reaction variable values, a design parameter is set to determine the shapes of the first and second wings (15, 19) .

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 형상들에 관련된 기하학적 설계 변수는 최대 두께(t), 최대 캠버의 높이(h) 및 최대 캠버의 거리(d)일 수 있다. Therefore, in the method of optimizing the design of the reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention, the geometric design parameters related to the shapes of the first and second vanes 15 and 19 are the maximum thickness t, The height h and the distance d of the maximum camber.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 형상을 최적화시켜 펌프 효율 및 터빈 효율을 동시에 최적화하는 목적이 있으므로 반응 변수는 펌프 효율 및 터빈 효율로 설정될 수 있다.Also, since the purpose of optimizing the shape of the first blade 15 and the second blade 19 according to the embodiment of the present invention is to simultaneously optimize the pump efficiency and the turbine efficiency, the reaction variable is set to the pump efficiency and the turbine efficiency .

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서는 양정(H) 및 유량(Q)을 만족시키기 위하여 허브와 쉬라우드에서의 날개 익형에 대한 설계 변수는 중간 스팬에서의 날개 익형에 대한 설계 변수와 동일 수준으로 변경될 수 있다.In this case, in order to satisfy the head H and the flow rate Q, the design parameters for the wing airfoil in the hub and the shroud are expressed by the wings in the middle span It can be changed to the same level as the design variable for the airfoil.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 변수 및 설계 변수 선택단계(S10)에서는 NACA에어포일로 정의되는 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)는 최대 두께(t)를 고정하고, 최대 캠버의 높이(h) 및 최대 캠버의 거리(d)를 제1 날개 및 제2 날개의 전연에서부터 후연까지 길이(S)로 나누고 백분율로 표시하여 NACA에어포일을 결정할 수 있다.Meanwhile, in the response variable and the design parameter selection step (S10) according to the embodiment of the present invention, the first blade 15 and the second blade 19 defined as NACA airfoils fix the maximum thickness t, The NACA airfoil can be determined by dividing the height (h) of the maximum camber and the distance (d) of the maximum camber by the length (S) from the leading edge to the trailing edge of the first and second wings and expressed as a percentage.

한편, 도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 설계 변수에 대해 직교 배열표 작성 단계(S20)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 6, a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention may include an orthogonal array table creation step (S20) for design parameters.

본 발명의 일 실시예에 따른 설계 변수에 대해 직교 배열표 작성 단계(S20)에서는 전체적인 특성을 파악하기 위해 효과적으로 실험을 수행하고 그 결과를 합리적으로 분석하기 위해 적절한 실험계획법인 직교 배열법에 의해 실험을 수행한다.In the orthogonal array table creation step (S20) of the design parameters according to the embodiment of the present invention, experiments are performed to grasp the overall characteristics, and in order to analyze the results reasonably, an experiment is performed by the orthogonal array method .

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 설계 변수에 대해 직교 배열표를 작성하는 단계(S20)에서는 2n요인 계획법을 포함할 수 있다. 이때, 2n요인 계획법이란 n개의 인자에 대해 각각의 인자의 수준을 2가지 즉 예를 들어 NACA에어포일의 3과 5시리즈를 나타내고 실험을 수행하여 각 인자의 유의성을 판정하는 방식이다. Meanwhile, in step S20 of creating an orthogonal array table with respect to a design variable according to an embodiment of the present invention, 2 n factorial programming may be included. At this time, 2 n factorial design is a method of determining the significance of each factor by performing two experiments with two factors, for example, 3 and 5 series of NACA airfoil, for n factors.

이때, 4가지의 인자의 모든 효과를 구하려면 실험의 크기를 24=16회로 하여 인자들의 주효과와 교호작용을 구해야 한다. 하지만, 교호작용의 경우 무시할 수 있는 경우가 많으며 이러한 경우에 사용되는 것이 일부 실시법이다. At this time, to obtain all the effects of the four factors, the size of the experiment should be 2 4 = 16 and the interaction of the main effects of the factors should be obtained. However, in the case of interactions, there are many cases that can be ignored, and in some cases this is the case.

또한, 일부 실시법은 무시할 수 있는 효과를 배제하고 실험하여 같은 인자수의 요인 계획법에 비해 실험의 회수를 줄일 수 있다. 직교 배열법은 일부 실시법의 한 종류로서, 본 발명의 일 실시예에서 각 설계 변수는 2 수준을 가지도록 설정되는 2 수준계의 직교 배열표로서 하기의 표 1과 같다.In addition, some implementations can reduce the number of experiments compared to the same factorial factor design method by excluding and ignoring the negligible effects. The orthogonal array method is a kind of some embodiments. In the embodiment of the present invention, each design variable is set to have two levels, and the orthogonal array table of the two-level system is shown in Table 1 below.

Figure 112014090255123-pat00001
Figure 112014090255123-pat00001

즉, 본 발명의 일 실시예에서 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)의 형상을 조절하기 위한 설계 변수는 터빈 모드에서 제1 날개 및 제2 날개의 최대 캠버의 높이(h1, h2) 및 최대 캠버의 거리(d1, d2)로서 4개이고, 펌프 모드에서 제1 날개 및 제2 날개의 최대 캠버의 높이(h3, h4) 및 최대 캠버의 거리(d3, d4)로서 4개이다.That is, in one embodiment of the present invention, the design parameters for adjusting the shape of the first and second blades 15 and 19 are the height (h1, h2) of the maximum camber of the first and second blades in the turbine mode And the maximum camber distances d1 and d2 in the pump mode and the maximum camber heights h3 and h4 and the maximum camber distances d3 and d4 of the first and second blades in the pump mode.

이때, 4개의 설계 변수의 모든 효과를 구하려면 실험의 회수를 24=16회로 하여 설계 변수들의 주효과와 교호작용을 구해야한다.In this case, to obtain all the effects of the four design variables, the number of experiments should be 2 4 = 16, and the main effect of the design variables should be obtained.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서는 설계 변수가 4개인 것에 대해 실험 회수를 8회로 생성하기 위해 4번째 (“제2 날개_d”) 변수 배열은 (제1 날개_h*제1 날개_d*제2 날개_h)가 된다. 즉, 예를 들어, NACA에어포일 3시리즈가 (-)이고 5시리즈가 (+)일 때 실험 번호 2에서는 “(+) * (-) * (-) = (+)”로서 4번째 변수 배열은 (+)로서 NACA에어포일은 5이다.However, in the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention, the fourth ("second wing_d") variable array is designed to generate eight 1 wing_h * first wing_d * second wing_h). That is, for example, when the NACA airfoil 3 series is (-) and the 5 series is (+), in Experiment No. 2, the fourth variable array is set as "(+) * (-) * (+) And the NACA airfoil is 5.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 직교 배열표 중 L8을 선택하여 8회의 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. Therefore, the optimum design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention is performed by selecting L8 in the orthogonal array table 8 times and analyzing the results.

도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 직교 배열표에서 수치해석을 통해 반응 변수 값을 도출하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 6, a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention may include deriving a response variable value through a numerical analysis in an orthogonal array table (S30).

이때, 직교 배열표에서 반응 변수 값을 도출하는 단계(S30)에서는 전산 유체 역학을 이용하고, 양정(H) 및 유량(Q)을 일정하게 고정시키고 반응 변수 값인 터빈 효율(η1) 및 펌프 효율(η2)을 도출한다.At this time, in step S30 of deriving the response variable value from the orthogonal array table, computational fluid dynamics is used, the head H and the flow rate Q are fixed constantly, and the turbine efficiency η 1 and the pump efficiency (? 2 ).

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 터빈 효율(η1)은 하기 표 2와 같다. 다만, 이때 양정(H)은 거의 2m로, 유량(Q)은 112.734㎥/s로 고정시킨다.The first wing 15 and the second wing 19 are positioned between the NACA airfoils 3 and 5 and the second wing 19 when the reversed-flow pump turbine designed by the method of optimizing the reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in the turbine mode. The turbine efficiency (? 1 ) at the time of the series is shown in Table 2 below. However, at this time, the head (H) is almost fixed to 2m and the flow rate (Q) is fixed to 112.734m3 / s.

Figure 112014090255123-pat00002
Figure 112014090255123-pat00002

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전헝 펌프 터빈의 최적화 방법에서 터빈 효율(η1)을 비교하면 실험 번호 4의 반응 변수 값인 터빈 효율(η1)은 0.796121로 최대값을 갖는다. That is, when the turbine efficiency? 1 in the optimization method of the reverse rotation pump turbine according to the embodiment of the present invention is compared, the turbine efficiency? 1 , which is the reaction parameter value of Experiment No. 4, has a maximum value of 0.796121.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개(15) 및 제2 날개(19)가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 펌프 효율(η2)은 하기 표 3과 같다. 다만, 이때 양정(H)은 거의 2m로, 유량(Q)은 82,75㎥/s로 고정시킨다.Meanwhile, when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention is operated in the pump mode, the first wing 15 and the second wing 19 are rotated in the NACA airfoil 3 And the pump efficiency (η 2 ) for the 5 series are shown in Table 3 below. However, at this time, the head (H) is fixed to approximately 2m and the flow rate (Q) to 82,75m3 / s.

Figure 112014090255123-pat00003
Figure 112014090255123-pat00003

즉 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에서 펌프 효율(η2)을 비교하면 실험 번호 3의 반응 변수 값인 펌프 효율(η2)은 0.624651로 최대값을 갖는다. That is the pump efficiency in the design optimization process of reverse rotation type turbine pump according to one embodiment of the present invention (η 2) when compared to Experiment No. 3 pump efficiency value of the response variable (η 2) to have a maximum value of 0.624651.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 터빈 효율의 분산 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 단면도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 펌프 효율의 분산 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개 및 제2 날개를 도시한 단면도이다.Figure 7 is a graph showing the results of the analysis of variance of turbine efficiency when the first and second blades are a NACA airfoil 3 and 5 series when the reciprocating pump turbine operates in turbine mode according to an embodiment of the present invention . 8 is a cross-sectional view illustrating first and second vanes when the reciprocating pump turbine operates in a turbine mode according to one embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the NACA airfoils 3 and 5 series when the first and second wings are operated in the pump mode, the reverse rotation type pump turbine designed by the method of optimizing the reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph showing a result of analysis of dispersion of pump efficiency. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a first wing and a second wing when the reverse rotation type pump turbine designed by the method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a pump mode.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계(S30)는 반응 변수 값으로 분산 분석을 하여 주된 효과가 있는 설계 변수를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 7 to 10, in the step S30 of deriving the response variable values through a numerical analysis in the orthogonal array table according to an embodiment of the present invention, And a step of judging.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1)가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 터빈 효율(η1)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.720525이고 5일 때는 0.7419이다. 따라서, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1)가 NACA에어포일 5일 때 터빈 효율(η1)이 크므로 더욱 적합하다. Referring to FIG. 7, when the reciprocating pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in the turbine mode, when the height h1 of the maximum camber of the first vane 15 is NACA airfoils 3 and 5 series, The average of the efficiency (η 1 ) is 0.720525 for the NACA airfoil at 3 and 0.7419 at 5. Therefore, the turbine efficiency? 1 is more suitable when the height h1 of the maximum camber of the first blade 15 is the NACA airfoil 5, which is more suitable.

다만, 이때 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 터빈 효율(η1)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 완만하므로 터빈 효율의 주된 효과는 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1)는 아니다.However, at this time, when the height h1 of the maximum camber of the first blade 15 is NACA airfoil 3 and when the turbine efficiency η 1 is 5 at the NACA airfoil 3, since the slope of the straight line is slow, The effect is not the height h1 of the maximum camber of the first wing 15.

도 7을 참조하면, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d1)가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 터빈 효율(η1)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.737087이고, 5일 때는 0.725338이다. 따라서, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d1)가 NACA에어포일 3일 때 터빈 효율(η1)이 크므로 더욱 적합하다. 7, when the distance d1 of the maximum camber of the first impeller 15 is NACA airfoils 3 and 5 series, the average turbine efficiency (eta 1 ) is 0.737087 when the NACA airfoil is 3, Lt; / RTI > Therefore, the turbine efficiency (? 1 ) is more suitable when the distance d1 of the maximum camber of the first vane 15 is NACA airfoil 3, which is more suitable.

다만, 이때 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d1)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 터빈 효율(η1)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 완만하므로 터빈 효율의 주된 효과는 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d1)는 아니다.At this time, when the distance d1 of the maximum camber of the first blade 15 is NACA airfoil 3 and when the turbine efficiency (eta 1 ) is 5 at the NACA airfoil 3, the slope of the straight line is gradual, The effect is not the distance d 1 of the maximum camber of the first wing 15.

도 8을 참조하면, 따라서 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1) 및 최대 캠버의 거리(d1)는 NACA에어포일 5 및 3일 때 효율적이다. 다만 이때, 제1 날개(15)의 최대 두께(t)는 고정된다.8, the height h 1 of the maximum camber of the first wing 15 and the distance d 1 of the maximum camber are effective when the NACA airfoils 5 and 3 are used. At this time, however, the maximum thickness t of the first blade 15 is fixed.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2)는 NACA에어포일이 3과 5시리즈일 때 터빈 효율(η1)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.788442이고, 5일 때는 0.673983이다. Referring to FIG. 7, when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the turbine mode, the height of the maximum camber of the second blade 19 (h 2 ) Is the average of turbine efficiency (η 1 ) when the NACA airfoil is 3 and 5 series is 0.788442 when the NACA airfoil is 3 and 0.673983 when it is 5.

따라서, 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2)가 NACA에어포일 3일 때 터빈 효율(η1)이 크므로 더욱 적합하다. Therefore, the turbine efficiency (? 1 ) is more suitable when the height (h 2 ) of the maximum camber of the second blade (19) is NACA airfoil (3).

다만, 이때 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 터빈 효율(η1)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 크므로 터빈 효율의 주된 효과는 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2)이다.At this time, when the height (h 2 ) of the maximum camber of the second blade 19 is NACA airfoil 3 and when the turbine efficiency (η 1 ) is 5 at the NACA airfoil 3, the slope of the straight line is large. The main effect is the height (h 2 ) of the maximum camber of the second blade 19.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d2)는 NACA에어포일이 3과 5시리즈일 때 터빈 효율(η1)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.680482이고, 5일 때는 0.781943이다. Referring to FIG. 7, the distance d2 of the maximum camber of the second vane 19 when the inverted-type pump turbine designed by the optimized design method of the inverted-type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in the turbine mode, The average turbine efficiency (η 1 ) when the NACA airfoil is 3 and 5 series is 0.680482 when the NACA airfoil is 3 and 0.781943 when it is 5.

따라서, 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d2)가 NACA에어포일 5일 때 터빈 효율(η1)이 크므로 더욱 적합하다. Therefore, the turbine efficiency? 1 is more suitable when the distance d2 between the maximum camber of the second blade 19 and the NACA airfoil 5 is larger.

다만, 이때 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d2)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 터빈 효율(η1)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 크므로 터빈 효율의 주된 효과는 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d2)이다.At this time, when the distance d2 of the maximum camber of the second blade 19 is NACA airfoil 3 and when the turbine efficiency (eta 1 ) is 5 at the NACA airfoil 3, since the slope of the straight line is large, The effect is the distance d2 of the maximum camber of the second wing 19.

도 7 및 도 8을 참조하면, 따라서 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2) 및 최대 캠버의 거리(d2)는 NACA에어포일 3 및 5일 때 효율적이다. 다만 이때, 제2 날개(19)의 최대 두께(t)는 고정시킨다.7 and 8, therefore, the height h2 of the maximum camber of the second wing 19 and the distance d2 of the maximum camber are effective when the NACA airfoils 3 and 5 are used. At this time, however, the maximum thickness t of the second blade 19 is fixed.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 터빈 효율(η1)은 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h1) 및 최대 캠버의 거리(d1)는 큰 영향을 미치지 않고, 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2) 및 최대 캠버의 거리(d2)가 주된 효과를 가지므로 제2 날개의 최대 캠버의 높이(h2) 및 최대 캠버의 거리(d2)는 NACA에어포일이 3 및 5가 효과적이다.Therefore, when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention is operated in the turbine mode, the turbine efficiency (η 1 ) is the height of the maximum camber of the first blade the maximum camber height h2 and the maximum camber distance d2 of the second wing 19 have a major effect and the maximum distance d2 of the maximum camber The height (h2) of the camber and the distance (d2) of the maximum camber are NACA airfoils 3 and 5 effective.

한편, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3)는 NACA에어포일이 3과 5시리즈일 때 펌프 효율(η2)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.611792이고, 5일 때는 0.595401이다. 9, when the reverse rotation type pump turbine designed by the method for optimizing the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the pump mode, the height of the maximum camber of the first blade 15 h3) is the average of the pump efficiency (η 2 ) when the NACA airfoil is 3 and 5 series, 0.611792 when the NACA airfoil is 3, and 0.595401 when it is 5.

따라서, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3)가 NACA에어포일 3일 때 펌프 효율(η2)이 크므로 더욱 적합하다. Therefore, the pump efficiency (eta 2 ) is more suitable when the height h3 of the maximum camber of the first vane 15 is the NACA airfoil 3, which is more suitable.

다만, 이때 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 펌프 효율(η2)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 크므로 펌프 효율의 주된 효과는 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3)이다.At this time, when the height (h3) of the maximum camber of the first wing 15 is 3 and the pump efficiency (η 2 ) is 5 at the NACA airfoil 3, the slope of the straight line is large, The effect is the height (h3) of the maximum camber of the first vane 15.

도 9를 참조하면, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d3)가 NACA에어포일 3과 5시리즈일 때 펌프 효율(η2)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.59982이고, 5일 때는 0.607311이다. 따라서, 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d3)가 NACA에어포일 5일 때 펌프 효율(η2)이 크므로 더욱 적합하다. 9, when the distance d3 of the maximum camber of the first vane 15 is NACA airfoils 3 and 5 series, the average pump efficiency (eta 2 ) is 0.59982 when the NACA airfoil is 3, Lt; / RTI > Therefore, the pump efficiency? 2 is more suitable when the distance d3 between the maximum camber of the first vane 15 and the NACA airfoil 5 is greater.

다만, 이때 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d3)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 펌프 효율(η2)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 완만하므로 터빈 효율의 주된 효과는 제1 날개(15)의 최대 캠버의 거리(d3)는 아니다.However, at this time, when the distance d3 of the maximum camber of the first blade 15 is NACA airfoil 3 and when the pump efficiency (eta 2 ) is 5 at the time of the NACA airfoil 3, the slope of the straight line is gradual, The effect is not the distance d3 of the maximum camber of the first wing 15.

도 9 및 도 10을 참조하면, 따라서 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3) 및 최대 캠버의 거리(d3)는 NACA에어포일 3 및 5일 때 효율적이다. 다만 이때, 제1 날개(15)의 최대 두께(t)는 고정시킨다.9 and 10, the height h3 of the maximum camber of the first wing 15 and the distance d3 of the maximum camber are effective when the NACA airfoils 3 and 5 are used. At this time, however, the maximum thickness t of the first blade 15 is fixed.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4)는 NACA에어포일이 3과 5시리즈일 때 펌프 효율(η2)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.605353이고, 5일 때는 0.60184이다.9, the height h4 of the maximum camber of the second vane 19 when the inverted-type pump turbine designed by the optimized design method of the inverted-type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in the pump mode, The average pump efficiency (η 2 ) when the NACA airfoil is 3 and 5 series is 0.605353 when the NACA airfoil is 3 and 0.60184 when it is 5.

따라서, 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4)가 NACA에어포일 3일 때 펌프 효율(η2)이 크므로 더욱 적합하다. Therefore, the pump efficiency (eta 2 ) is more suitable when the height h4 of the maximum camber of the second vane 19 is the NACA airfoil 3, which is more suitable.

다만, 이때 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 펌프 효율(η2)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 완만하므로 펌프 효율의 주된 효과는 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4)는 아니다.However, at this time, when the height h4 of the maximum camber of the second wing 19 is NACA airfoil 3 and when the pump efficiency (eta 2 ) is 5 at the time of 5, the slope of the straight line becomes smooth, The effect is not the height h4 of the maximum camber of the second wing 19.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d4)는 NACA에어포일이 3과 5시리즈일 때 펌프 효율(η2)의 평균은 NACA에어포일이 3일 때는 0.600766이고, 5일 때는 0.606427이다.Referring to FIG. 9, when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the pump mode, the distance d4 between the maximum camber of the second blade 19, The average pump efficiency (η 2 ) when the NACA airfoil is 3 and 5 series is 0.600766 for the NACA airfoil and 0.606427 for the 5th series.

따라서, 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d4)가 NACA에어포일 5일 때 펌프 효율(η2)이 크므로 더욱 적합하다. Therefore, the pump efficiency? 2 is more suitable when the distance d4 of the maximum camber of the second blade 19 is the NACA airfoil 5, which is more suitable.

다만, 이때 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d4)가 NACA에어포일 3일 때와 5일 때 펌프 효율(η2)을 두 점으로 했을 때 직선의 기울기가 완만하므로 터빈 효율의 주된 효과는 제2 날개(19)의 최대 캠버의 거리(d4)는 아니다.However, at this time, when the distance d4 of the maximum camber of the second blade 19 is NACA airfoil 3 and when the pump efficiency (eta 2 ) is 5 at the time of the NACA airfoil 3, the slope of the straight line is gradual, The effect is not the distance d4 of the maximum camber of the second wing 19.

도 9 및 도 10을 참조하면, 따라서 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4) 및 최대 캠버의 거리(d4)는 NACA에어포일 3 및 5일 때 효율적이다. 다만 이때, 제2 날개(19)의 최대 두께(t)는 고정시킨다.9 and 10, the height h4 of the maximum camber of the second wing 19 and the distance d4 of the maximum camber are effective when the NACA airfoils 3 and 5 are used. At this time, however, the maximum thickness t of the second blade 19 is fixed.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 펌프 효율(η2)은 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h4) 및 최대 캠버의 거리(d4)는 큰 영향을 미치지 않고 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3)가 주된 효과를 가지므로 제1 날개의 최대 캠버의 높이(h3) 및 최대 캠버의 거리(d3)는 NACA에어포일이 3 및 5가 효과적이다.When 9 and 10, when the reverse rotation type pump turbine designed according to the optimization method of designing a reverse rotation type pump turbine in accordance with one embodiment of the present invention act as a pump mode, the pump efficiency (η 2) is a second wing ( The maximum camber height h4 of the first wing 15 and the maximum camber distance d4 of the first wing 15 do not have a large effect and the height h3 of the maximum camber of the first wing 15 has the main effect. The height h3 of the maximum camber and the distance d3 of the maximum camber NACA airfoils 3 and 5 are effective.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 터빈 출력의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 터빈 효율의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 펌프 출력의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 펌프 효율의 수치해석결과의 타당성을 검증하기 위한 그래프이다.11 is a graph for verifying the validity of a numerical analysis result of a turbine output when a reverse rotation type pump turbine designed by an optimization design method of a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a turbine mode. 12 is a graph for verifying the validity of the numerical analysis results of the turbine efficiency when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the turbine mode. 13 is a graph for verifying the validity of a numerical analysis result of a pump output when a reverse rotation type pump turbine designed by an optimization design method of a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in a pump mode. FIG. 14 is a graph for verifying the validity of numerical analysis results of the pump efficiency when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the pump mode.

도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계(S30)는 수치해석 결과의 타당성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 11 to 14, the step S30 of deriving the response variable values through a numerical analysis in the orthogonal array table according to an embodiment of the present invention may include a step of verifying the validity of the numerical analysis results.

도 11 내지 도 14에서 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드 및 펌프 모드로 작동하는 경우 실선은 수치 해석을 수행하여 예측한 출력 및 효율 값이고, 사각형은 성능 시험을 수행하여 나온 출력 및 효율 값이다.11 to 14, when the reciprocating type pump turbine according to an embodiment of the present invention operates in the turbine mode and the pump mode, the solid line is the output and efficiency value predicted by performing the numerical analysis, and the square is subjected to the performance test Output and efficiency values.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 경우 수치 해석을 통해 예측한 분당(N) 터빈 출력(P1) 및 효율(η1)은 성능 시험 결과보다는 다소 높게 예측을 하고 있으나, 전 영역에서 터빈 출력(P1) 및 효율(η1)의 분포는 수치 해석 결과와 동일한 경향을 나타내고 있으므로 본 발명에 따른 수치 해석 결과는 타당하다고 판단될 수 있다.As shown in FIGS. 11 and 12, in the case where the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the turbine mode, ) the distribution of the turbine output (P1) and the efficiency (η 1) is a performance test. However a slightly higher prediction than, turbine output (P1) and the efficiency (η 1) the entire region, so indicate the same tendency, and numerical analysis results The numerical analysis result according to the present invention can be judged to be valid.

도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 경우 수치 해석을 통해 예측한 때 분당(N) 펌프 출력(P2)은 성능 시험 결과보다는 다소 낮게 예측을 하고 있다. As shown in FIGS. 13 and 14, when the reverse rotation type pump turbine designed by the optimization design method of the reverse rotation type pump turbine according to the embodiment of the present invention operates in the pump mode, N) The pump output (P2) is predicted somewhat lower than the performance test result.

또한, 펌프 효율(η2)은 성능 시험 결과보다는 다소 높게 예측을 하고 있으나, 전 영역에서 펌프 출력(P2) 및 효율(η2)의 분포는 수치 해석 결과와 동일한 경향을 나타내고 있으므로 본 발명에 따른 수치 해석 결과는 타당하다고 판단될 수 있다.In addition, although the pump efficiency (η 2 ) is predicted somewhat higher than the performance test results, the distribution of pump output (P2) and efficiency (η 2 ) The numerical analysis results can be judged to be valid.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈의 펌프 및 터빈 효율을 도시한 그래프이다.15 is a graph showing pump and turbine efficiency of a reverse rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 반응 변수 값들로 최적의 설계 변수 값을 산출하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 15, a method of optimizing a reverse rotation type pump turbine according to an exemplary embodiment of the present invention may include calculating an optimum design parameter value with response variable values (S40).

한편, 반응 변수 값들로 최적이 설계 변수 값을 산출하는 단계는 양정(H) 및 유량(Q)를 일정하게 고정시키고 반응 변수 값을 동시에 고려하여 최적의 설계 변수 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating optimum design variable values with the reaction variable values may include a step of calculating optimum design variable values by simultaneously fixing the head H and the flow rate Q and constantly considering the reaction variable values have.

본 발명의 일 실시예에서 반응 변수 값들로 최적의 설계 변수 값을 산출하는 단계(S40)에서는 터빈 모드에서 터빈 효율(η1)을 비교하면 실험 번호 4의 반응 변수 값인 터빈 효율(η1)은 0.796121로 최대값을 갖고, 펌프 모드에서 실험 번호 4의 반응 변수 값인 펌프 효율(η2)은 0.58413이다.Step (S40) in the turbine efficiency (η 1) to when the experiment number response variable value, the turbine efficiency of a 4 compared in the turbine mode (η 1) to calculate the optimum design value of the variable to the response variable values in one embodiment of the present invention 0.796121, and the pump efficiency (eta 2 ), which is the reaction parameter value of Experiment No. 4 in the pump mode, is 0.58413.

또한, 실험 번호 3의 반응 변수 값인 터빈 모드에서 터빈 효율(η1)은 0.777239이고 펌프 모드에서 펌프 효율(η2)은 0.624651로 최대값을 갖는다. 따라서 펌프 및 터빈 효율을 동시에 고려한 최적화 설계가 가능하다.The turbine efficiency (η 1 ) in the turbine mode is 0.777239, and the pump efficiency (η 2 ) in the pump mode has the maximum value of 0.624651. Therefore, it is possible to optimize the design considering the pump and turbine efficiency at the same time.

따라서, 터빈 효율 및 펌프 효율을 고려했을 때 제1 날개(15)의 최대 캠버의 높이(h3) 및 최대 캠버의 거리(d3)는 NACA에어포일이 3 및 5인 것이 제2 날개(19)의 최대 캠버의 높이(h2) 및 최대 캠버의 거리(d2)는 NACA에어포일이 3 및 5인 것이 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 펌프 및 터빈 효율에 효과적이다.Therefore, considering the turbine efficiency and the pump efficiency, the height h3 of the maximum camber and the distance d3 of the maximum camber of the first vane 15 are set such that the NACA airfoils are 3 and 5, The height (h2) of the maximum camber and the distance (d2) of the maximum camber are effective for the pump and turbine efficiency of the reciprocating pump turbine according to one embodiment of the present invention, with NACA airfoils of 3 and 5, respectively.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈을 구비한 자가 발전 시스템에서 펌프 터빈이 펌프 모드로 작동하는 상태를 도시한 개략도이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 역회전형 펌프 터빈을 구비한 자가 발전 시스템에서 펌프 터빈이 터빈 모드로 작동하는 상태를 도시한 개략도이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 출력을 도시한 그래프이다. 16 is a schematic view showing a state in which a pump turbine operates in a pump mode in a self-power generation system having a reversely-regulated pump turbine designed by a method of optimizing a reversely-rotatable pump turbine according to an embodiment of the present invention. 17 is a schematic view showing a state in which a pump turbine operates in a turbine mode in a self-power generation system having a reverse-rotation type pump turbine designed by a method for optimizing a reverse-rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention. 18 is a graph showing the output of a reciprocating pump turbine according to an embodiment of the present invention.

도 16 및 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 시스템(1)은 풍력 발전기(31), 전기 축전기(33), 전력 조절 장치(35), 역회전형 펌프 터빈(10), 상부 저장 탱크(45), 하부 저장 탱크(47), 마그네틱 밸브(37), 인버터(39) 및 모터(41)를 포함할 수 있다. 16 and 17, the self-power generation system 1 according to the embodiment of the present invention includes a wind power generator 31, an electric capacitor 33, a power regulator 35, a reverse rotation type pump turbine 10, An upper storage tank 45, a lower storage tank 47, a magnetic valve 37, an inverter 39 and a motor 41. [

이때, 자가 발전시스템(1)은 신 재생 에너지원인 풍력 발전기(31) 및 양수 발전을 하는 역회전형 펌프 터빈(10), 상부 저장 탱크(45), 하부 저장 탱크(47) 및 마그네틱 밸브(37)를 포함하여 안정적인 전력을 만들어 낸다. At this time, the self-power generation system 1 includes a wind turbine generator 31 for generating renewable energy, a reverse rotation type pump turbine 10 for pumping water, an upper storage tank 45, a lower storage tank 47, and a magnetic valve 37, To produce stable power.

이때, 풍력 발전기(31)는 자가 발전 시스템(1)이 설치되는 지역의 바람을 이용하여 전기를 생산한다. 풍력 발전기(31)에서 생산된 전기는 전기 축전기(33)에 저장된다. 도 16을 참조하면, 전기 축전기(33)는 일단이 인버터(39)와 연결되고 타단이 전력 조절 장치(35)와 연결된다. At this time, the wind power generator 31 generates electricity using the wind in the area where the self power generation system 1 is installed. Electricity produced by the wind power generator 31 is stored in the electric capacitor 33. 16, one end of the electric capacitor 33 is connected to the inverter 39, and the other end thereof is connected to the power regulating device 35.

도 16에 도시된 바와 같이, 전기 축전기(33)는 직류 전력을 저장하고, 인버터(39)에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 역회전형 펌프 터빈(10)과 연결된 모터(41)에 공급한다. 16, the electric capacitor 33 stores the DC power, converts the DC power into AC power by the inverter 39, and supplies it to the motor 41 connected to the reverse rotation type pump turbine 10 .

도 17에 도시된 바와 같이, 역회전형 펌프 터빈(10)에 의해 생산된 터빈 출력은 교류 전력으로서 인버터(39)에 의해 직류 전력으로 변환되어 전기 축전기(33)에 저장된다. As shown in FIG. 17, the turbine output produced by the reverse rotation type pump turbine 10 is converted into direct current power by the inverter 39 as AC power, and is stored in the electric capacitor 33.

또한, 전기 축전기(33)는 일정한 전력(PG)을 공급하는데, 풍속이 빨라짐에 따라 풍력 발전기(31) 출력이 커짐으로써 전력이 과잉으로 공급되는 경우 펌프 모드로서 역회전형 펌프 터빈(10)을 작동시킨다. The electric capacitor 33 is supplied with a constant power P G and the output of the wind turbine generator 31 increases as the wind speed increases. When the power is excessively supplied, the reciprocating pump turbine 10 .

이때, 펌프 모드로서 역회전형 펌프 터빈(10)을 작동시켜서 하부 저장 탱크(47)에 저장된 유체를 상부 저장 탱크(45)로 이동시켜 전력이 필요할 때 상부 저장 탱크(45)에 저장된 유체를 방류시켜서 전력을 생산한다. 이처럼, 과잉 전력은 펌프 모드에 의해 잠재 에너지로 저장된다.At this time, as the pump mode, the reverse rotation type pump turbine 10 is operated to move the fluid stored in the lower storage tank 47 to the upper storage tank 45 to discharge the fluid stored in the upper storage tank 45 when power is required It produces electricity. As such, the excess power is stored as potential energy by the pump mode.

도 18을 참조하면, 전기 축전기(33)는 자가 발전 시스템(1)이 작동하는 동안 예를 들어, 24㎾까지 용량을 요구하는데 도시되지는 아니하였으나 전기 축전기(33)에는 전력계가 설치되어 이를 측정할 수 있다.18, the electric capacitor 33 is not shown to require a capacity of, for example, 24 kW during the operation of the self-generating system 1, but a power meter is installed in the electric capacitor 33 to measure can do.

도 17 및 도 18을 참조하면, 전력 조절 장치(35)는 일단은 마그네틱 밸브(37)와 연결되고 타단은 전기 축전기(33)와 연결되어 출력이 일정한 전력(PG)보다 높은지 낮은지를 알아낼 수 있다. 17 and 18, the power regulating device 35 is connected at one end to the magnetic valve 37 and at the other end to the electric capacitor 33 to find out whether the output is higher or lower than the constant power P G have.

이때, 전력 조절 장치(35)는 풍력 장치로부터 부족한 출력을 수반하는 전력(PG)이 공급될 때 저장된 잠재 에너지를 수력 출력으로 변환하기 위해 역회전형 펌프 터빈을 터빈 모드로 작동시킨다.At this time, the power regulator 35 operates the reciprocating pump turbine in the turbine mode to convert the stored potential energy into the hydraulic output when the power (P G ) accompanying the insufficient output is supplied from the wind turbine.

한편, 상부 저장 탱크(45) 및 하부 저장 탱크(47)에 유체가 저장되고 상부 저장 탱크(45) 및 하부 저장 탱크(47)는 오버플로우 관(43)으로 연결될 수 있다. 이때, 상부 저장 탱크(45)는 하부 저장 탱크(47)보다 높게 배치된다.The upper storage tank 45 and the lower storage tank 47 may be filled with fluid and the upper storage tank 45 and the lower storage tank 47 may be connected by an overflow pipe 43. At this time, the upper storage tank 45 is disposed higher than the lower storage tank 47.

따라서, 도 16 내지 도 18을 참조하면, 하부 저장 탱크(47)에 저장된 유체를 상부 저장 탱크(45)로 이동시킬 때에는 전기 축전기(33)는 역회전형 펌프 터빈(10)에 입력을 공급하여 역회전형 펌프 터빈을 펌프 모드로 작동시킬 수 있다. 16 to 18, when the fluid stored in the lower storage tank 47 is moved to the upper storage tank 45, the electric capacitor 33 supplies the input to the reverse rotation type pump turbine 10, The typical pump turbine can be operated in pump mode.

이와 달리, 상부 저장 탱크(45)에 저장된 유체가 하부 저장 탱크(47)로 이동할 때는 상부 저장 탱크(45)와 하부 저장 탱크(47)가 배치된 높이 차이로 인하여 역회전형 펌프 터빈(10)은 터빈 모드로 작동하여 출력을 배출한다. When the fluid stored in the upper reservoir tank 45 moves to the lower reservoir tank 47 due to the difference in height in which the upper reservoir tank 45 and the lower reservoir tank 47 are disposed, Operates in turbine mode to discharge the output.

한편, 상부 저장 탱크(45)와 역회전형 펌프 터빈(10) 사이에는 마그네틱 밸브(37)가 연결되어 유량을 조절한다. 하부 저장 탱크(47)는 역회전형 펌프 터빈(10)과 연결된다. Meanwhile, a magnetic valve 37 is connected between the upper storage tank 45 and the reverse rotation type pump turbine 10 to regulate the flow rate. The lower storage tank 47 is connected to the reverse rotation type pump turbine 10.

이때, 펌프 터빈의 양정(H)은 15m이고 펌프 모드에서 입력은 625㎾일 수 있다. 이에 따라, 자가 발전시스템(1)은 풍력 장치에 의한 출력에 대응하는 일정한 전력(PG=1㎿)을 보장한다.At this time, the head H of the pump turbine is 15 m and the input in the pump mode may be 625 kW. Accordingly, the self power generation system 1 ensures a constant power (P G = 1 MW) corresponding to the output by the wind power system.

본 발명의 일 실시예에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법은 제1 날개 및 제2 날개의 최대 캠버의 높이 및 최대 캠버의 거리를 설계 변수로 하여 터빈 효율 및 펌프 효율인 반응 변수를 동시에 최적화할 수 있다.The optimized design method of the reverse rotation type pump turbine according to an embodiment of the present invention optimizes design of the maximum camber height of the first and second blades and the distance of the maximum camber, can do.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

1 : 자가 발전 시스템 10 : 역회전형 펌프 터빈
11 : 케이싱 13 : 제1 임펠러
15 : 제1 날개 17 : 제2 임펠러
19 : 제2 날개 21 : 내부 회전자
23 : 외부 회전자 31 : 풍력 발전기
33 : 전기 축전기 35 : 전력 조절 장치
37 : 마그네틱 밸브 39 : 인버터(INV)
41 : 모터 43 : 오버플로우 관
45 : 상부 저장 탱크 47 : 하부 저장 탱크1: Self propulsion system 10: Reverse rotation type pump turbine
11: casing 13: first impeller
15: first impeller 17: second impeller
19: second blade 21: inner rotor
23: outer rotor 31: wind power generator
33: electric capacitor 35: power regulator
37: Magnetic valve 39: Inverter (INV)
41: motor 43: overflow pipe
45: upper storage tank 47: lower storage tank

Claims (11)

원형 단면의 케이싱의 외주면에 회전 가능하게 결합되는 복수개의 제1 날개를 포함하는 제1 임펠러 및 상기 케이싱의 외주면에 상기 복수개의 제1 날개의 회전방향과 반대방향으로 회전 가능하게 결합되고 상기 제1 임펠러와 소정의 거리만큼 이격 배치되는 복수개의 제2 날개를 구비하는 제2 임펠러를 포함하되, 상기 제1 날개 및 상기 제2 날개는 NACA에어포일로 정의되는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법으로서,
펌프 효율 및 터빈 효율로 반응변수 선택 및 상기 반응변수에 영향을 미치고 상기 제1 날개의 최대 캠버의 높이(h)에 의한 NACA에어포일의 제1 코드값, 상기 제1 날개의 최대 캠버의 거리(d)에 의한 NACA에어포일의 제2 코드값, 상기 제2 날개의 최대 캠버의 높이(h)에 의한 NACA에어포일의 제3 코드값 및 상기 제2 날개의 최대 캠버의 거리(d)에 의한 NACA에어포일의 제4 코드값으로 설계 변수 선택 단계;
상기 설계 변수인 상기 제1 코드값 내지 상기 제4 코드값으로 직교 배열표 작성 단계;
상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계 및
상기 반응 변수 값에서 최적의 반응 변수 값을 갖는 상기 설계 변수의 값 산출 단계를 포함하되,
상기 직교 배열표 작성 단계에서 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값이 서로 다른 두 개의 값일 때, 상기 제4 코드값은 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값 중 개수가 적은 값으로 결정하고, 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값이 동일한 값일 때, 상기 제4 코드값은 상기 제1 코드값 내지 상기 제3 코드값과 동일한 값으로 결정하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.A first impeller including a plurality of first blades rotatably coupled to an outer circumferential surface of a casing having a circular cross section, and a second impeller rotatably coupled to an outer circumferential surface of the casing in a direction opposite to a rotation direction of the plurality of first blades, And a second impeller having a plurality of second blades spaced apart from the impeller by a predetermined distance, wherein the first blades and the second blades are defined as NACA airfoils,
Pump efficiency and turbine efficiency, and the first code value of the NACA airfoil due to the height (h) of the maximum camber of the first vane, the distance between the first code value of the first vane and the maximum camber distance (d) of the NACA airfoil by the second code value of the NACA airfoil by the first wing, the third code value of the NACA airfoil by the height (h) of the maximum camber of the second wing, Selecting a design variable with a fourth code value of the NACA airfoil;
Generating an orthogonal array table from the first code value to the fourth code value which are the design variables;
Deriving the response variable value through numerical analysis in the orthogonal array table and
Calculating a value of the design variable having an optimum response variable value from the response variable value,
When the first code value to the third code value are two different values in the orthogonal array table creation step, the fourth code value is determined to be a small value among the first code value to the third code value And the fourth code value is determined to be the same value as the first code value to the third code value when the first code value to the third code value are the same value. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 제1 임펠러 및 상기 제2 임펠러의 소정의 거리는 상기 케이싱의 직경의 15 내지 16 %로 결정하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined distance between the first impeller and the second impeller is determined to be 15 to 16% of the diameter of the casing. 제1 항에 있어서,
상기 제1 날개 및 상기 제2 날개는 최대 두께(t)를 고정하여 NACA에어포일의 값을 결정하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.The method according to claim 1,
Wherein the first wing and the second wing fix the maximum thickness t to determine the value of the NACA airfoil. 제4 항에 있어서,
상기 설계 변수에 대해 직교 배열표를 작성하는 단계는 2n요인 계획법을 포함하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the step of creating an orthogonal array table for the design variables includes a 2n factorial design method. 제5 항에 있어서,
상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계는 전산 유체 역학을 이용하고, 양정(H) 및 유량(Q)을 일정하게 고정시키고 상기 반응 변수 값을 도출하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.6. The method of claim 5,
The step of deriving the response variable value through a numerical analysis in the orthogonal array table may include optimizing the reciprocating pump turbine using computational fluid dynamics and fixing the head (H) and the flow rate (Q) Design method. 제6 항에 있어서,
상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 상기 반응 변수 값 도출 단계는 상기 반응 변수 값으로 분산 분석을 하여 주된 효과가 있는 설계 변수를 판단하는 단계를 더 포함하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.The method according to claim 6,
Wherein the step of deriving the response variable value through a numerical analysis in the orthogonal array table further includes a step of performing a dispersion analysis on the response variable value to determine a design variable having a main effect. 제7 항에 있어서,
상기 직교 배열표에서 수치해석을 통해 반응 변수 값 도출 단계는 상기 수치해석을 통해 도출된 반응 변수 값의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the step of deriving a response variable value through numerical analysis in the orthogonal array table further includes the step of verifying the validity of the response variable value derived through the numerical analysis. 제1 항에 있어서,
상기 반응 변수 값으로 최적의 설계 변수 값을 산출하는 단계는 양정(H) 및 유량(Q)을 일정하게 고정시키고 상기 펌프 효율 및 터빈 효율이 동시에 최대값을 갖는 상기 설계 변수의 값 산출 단계를 포함하는 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법.The method according to claim 1,
The step of calculating the optimal design parameter value as the reaction variable value includes a step of calculating the value of the design variable in which the head H and the flow rate Q are constantly fixed and the pump efficiency and the turbine efficiency simultaneously have the maximum value Optimized Design Method for Reverse Rotating Pump Turbine. 제1 항, 제3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 역회전형 펌프 터빈의 최적화 설계 방법에 의하여 설계된 제1 임펠러 및 제2 임펠러를 포함하는 역회전형 펌프 터빈.A reciprocating pump turbine comprising a first impeller and a second impeller designed by an optimized design method of a reciprocating type pump turbine according to any one of claims 1 to 9. 제10 항에 따른 역회전형 펌프 터빈;
바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력 발전기;
상기 풍력 발전기와 연결되어 상기 생산된 전기가 저장되는 전기 축전기;
상기 전기 축전기와 일단은 연결되고 타단은 상기 역회전형 펌프 터빈과 연결되어 상기 생산된 전기를 조절하는 전력 조절 장치 및
상기 역회전형 펌프 터빈과 연결되어 유체를 저장하는 하부 저장 탱크 및 상기 하부 저장 탱크보다 높게 설치되어 유체를 저장하는 상부 저장 탱크를 포함하는 자가 발전 시스템.

A reciprocating pump turbine according to claim 10;
Wind turbines that produce electricity using wind;
An electric capacitor connected to the wind power generator and storing the generated electricity;
A power regulator connected at one end to the electric capacitor and at the other end to the reverse rotation type pump turbine to regulate the produced electricity;
A lower storage tank connected to the reverse rotation type pump turbine to store the fluid, and an upper storage tank installed above the lower storage tank to store the fluid.

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