신재생 에너지 중 마이크로 수력 발전은 산악 및 도서 지방과 같이 전력 공급이 원활하지 않지만 적당한 유량이 확보되는 지역에 적합한 전력 공급 장치이다. 국내에서도 저수지, 하수처리장, 양식장, 화력발전소 등에서 배출되는 방류를 활용한 마이크로 수력 발전소의 설치가 시도되고 있다. 이들 중 육상 어류 양식장의 방류를 활용한 마이크로 수력 발전은 전국에 약 600개 이상 설치가 가능하며, 이를 개발한다면 약 2,000억 원대의 시장을 형성할 수 있다. 본 논문에서는 육상 어류 양식장에 설치될 수 있는 마이크로 수력 발전소를 대상으로, 제작성을 고려한 프로펠러형 림구동 축류 터빈의 설계법에 대하여 제안하였다.
본 논문에서는 육상 어류 양식장에서 방류되는 유체의 운동에너지를 흡수하여, 림구동 발전기에 축회전 에너지를 전달하는 림구동 축류 터빈 설계법을 제안하였다. 설계한 터빈을 대상 육상 어류 양식장의 배출 관로에 적용하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 통해 유량과 회전 마력을 계산하였으며, 계산 결과를 설계시 추정한 값과 비교하였다.
설계된 터빈은 전류고정날개(pre-stator), 임펠러(impeller), 후류고정날개 (post-stator)로 구성된다. 전류고정날개는 유입류에 회전 방향 속도를 발생시키고, 임펠러는 유입류의 회전 방향 속도를 흡수하여 축회전 토크를 발생시켜 발전장치로 회전 마력을 전달한다. 후류고정날개는 구조 안정성을 유지하면서 유동 흐름에 영향이 최소화되도록 설계하였다. 전류고정날개는 제작의 용이성을 위해 균일 피치각(constant pitch-angle)을 갖는 원호(circular-arc)에 NACA 66 두께 형상을 중첩한 날개단면을 채택하였다. 임펠러 날개는 NACA 66 두께와 a=0.8 캠버 형상을 가지며, 반경별 피치 값과 캠버 값을 결정하기 위하여 날개 요소 설계법(BEM, Blade Element Method)을 사용하여 설계하였다. 후류고정날개는 대칭 단면인 NACA 0012 단면을 사용하여 설계하였다.
설계 시 추정된 성능을 확인하기 위하여 설계된 터빈에 대한 CFD 수치해석을 수행하였다. 터빈 입·출구 압력과 설계 회전수(500rpm)를 경계조건으로 설정하고 유량 및 회전 마력을 계산하여 설계 시에 추정한 값과 비교하였다. 또한 비설계점 수치해석을 수행하여 터빈 성능 곡선을 제시하였다.
따라서 본 논문에서 제안된 설계법을 이용한 프로펠러형 림구동 축류 터빈 활용이 활성화되어, 소규모 수력 발전을 통한 신재생 에너지 활용에 기여할 수 있기를 기대한다.