카플란수차

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1. 개요

카플란 수차는 조정 가능한 날개 프로펠러 터빈으로, 1912년 빅토르 카플란이 특허를 받았다. 물의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하여 수차를 회전시키는 반동 수차의 일종으로, 가이드 베인과 수차 날개의 형상을 변화시켜 효율적인 운전이 가능하다. 낮은 낙차의 수력 발전소에 적합하며, 프로펠러 수차, 벌브 수차, 피트 수차, 스트라플로 수차, S-수차, VLH 수차, DIVE-수차, 타이슨 수차 등 다양한 종류가 있다.

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카플란수차
개요
종류	반동 수차
작동 방식	프로펠러형
날개 조절	가능
용도	낮은 낙차
개발자	빅토르 카플란
개발 연도	1913년
작동 원리
작동 원리	카플란 수차는 물의 흐름을 이용하여 회전력을 발생시키는 수력 터빈의 한 종류이다. 물은 나선형 케이싱을 통해 러너로 유입되며, 러너의 날개는 물의 흐름 방향을 따라 회전한다.
장점	카플란 수차는 낮은 낙차에서도 높은 효율을 유지하며, 유량 변화에 대한 적응성이 뛰어나다. 또한, 날개 각도 조절을 통해 다양한 운전 조건에 맞춰 효율을 최적화할 수 있다.
단점	카플란 수차는 다른 종류의 수차에 비해 상대적으로 구조가 복잡하고 제작 비용이 높다. 또한, 높은 낙차에는 적합하지 않다.
구조 및 설계
주요 구성 요소	나선형 케이싱 가이드 베인 러너 드래프트 튜브
설계 고려 사항	카플란 수차의 설계는 낙차, 유량, 회전 속도 등의 요소를 고려하여 최적화되어야 한다. 특히, 러너의 날개 형상과 각도, 가이드 베인의 배열 등이 효율에 큰 영향을 미친다.
활용
활용 분야	카플란 수차는 주로 낮은 낙차의 수력 발전소에서 사용된다. 특히, 댐이나 보 등에 설치되어 안정적인 전력 공급에 기여한다.
적용 사례	카플란 수차는 전 세계적으로 다양한 수력 발전소에서 활용되고 있다. 예를 들어, 유럽의 다뉴브 강이나 라인 강 등의 하천에 설치된 수력 발전소에서 카플란 수차를 찾아볼 수 있다.
장점 및 단점
장점	낮은 낙차에서 높은 효율 유량 변화에 대한 뛰어난 적응성 날개 각도 조절을 통한 효율 최적화
단점	복잡한 구조 및 높은 제작 비용 높은 낙차에는 부적합
참고 문헌
참고 문헌	Smil, Vaclav (2004). Creating the twentieth century: technical innovations of 1867-1914 and their lasting impact. Oxford University Press. p. 90. 0-19-516874-7. IMPSA (Hydropower project Tocoma).

2. 역사

카플란 수차는 오스트리아-헝가리 제국 출신의 공학자 빅토르 카플란에 의해 발명되었다. 그는 1912년 날개 각도 조절이 가능한 프로펠러 수차에 대한 특허를 얻었으나, 상업적으로 성공하기까지는 약 10년의 시간이 더 필요했다. 개발 과정에서 캐비테이션 문제 해결에 어려움을 겪었으며, 1922년 건강 문제로 연구를 중단했다.

1919년 체코 포제브라디에 시연용 수차가 설치되었고, 1922년 독일의 포이트 사가 초기 모델(1,100 마력, 약 800 킬로와트)을 도입했다. 본격적인 상업적 성공은 1925년 스웨덴 릴라 에데트에 설치된 8,000킬로와트 규모의 수차가 성공적으로 가동되면서 시작되었으며, 이후 카플란 수차는 전 세계적으로 널리 보급되었다.

2. 1. 빅토르 카플란의 개발

오스트리아-헝가리 제국(현재의 체코) 브르노 출신인 빅토르 카플란은 1912년에 날개의 각도를 조절할 수 있는 프로펠러 수차에 대한 첫 특허를 취득했다. 그러나 상업적으로 성공할 만한 수차를 개발하기까지는 10년이라는 시간이 더 필요했다. 개발 과정에서 카플란은 수차 운전 시 발생하는 캐비테이션 문제로 어려움을 겪었으며, 1922년 건강상의 이유로 연구를 중단해야 했다.

1919년 카플란은 체코의 포데브라디에 시연용 카플란 수차를 설치했다. 이후 1922년 독일의 포이트(Voith) 사가 주로 강에서 사용하기 위해 1,100 마력 (약 800 킬로와트)급 카플란 수차를 도입했다. 결정적으로 1925년 스웨덴의 릴라 에데트에서 8 메가와트 (8,000 킬로와트) 규모의 수차가 성공적으로 가동되면서 카플란 수차는 상업적인 성공을 거두고 널리 보급되기 시작했다.

2. 2. 초기 상용화 및 보급

오스트리아-헝가리 제국 (현재 체코) 브르노 출신의 빅토르 카플란은 1912년 조정 가능한 날개를 가진 프로펠러 수차에 대한 첫 특허를 취득했다. 그러나 상업적으로 성공적인 설비를 개발하기까지는 10년 이상이 걸렸다. 개발 과정에서 카플란은 캐비테이션 문제로 어려움을 겪었으며, 1922년 건강상의 이유로 연구를 중단해야 했다.

1919년, 카플란은 체코의 포데브라디에 시연용 수차를 설치했다. 1922년에는 독일의 포이트(Voith) 사가 주로 강에서 사용하기 위한 1,100 마력(약 800 킬로와트) 규모의 카플란 수차를 처음으로 도입했다. 이후 1925년, 스웨덴의 릴라 에데트에서 8,000킬로와트 규모의 수차가 성공적으로 가동되면서 카플란 수차의 상업적 성공과 광범위한 보급이 시작되었다.

3. 작동 원리

(포이트-지멘스 제공)]]

카플란 수차는 안쪽으로 흐르는 물을 이용하는 반동 수차이다. 이는 물이 수차를 통과하면서 압력이 변하고, 이 과정에서 에너지를 방출하여 동력을 얻는 방식이다. 물의 위치 에너지(정수두)와 운동 에너지 모두를 활용하며, 방사상 흐름과 축상 흐름 수차의 특징을 결합한 설계이다.

수차 입구에는 와류 모양의 수관인 '''케이싱'''(와형실)이 있다. 물은 케이싱을 통해 안내 날개로 접선 방향으로 유입되어 와류를 형성하고, 프로펠러 모양의 러너로 나선형으로 흘러 들어가 러너를 회전시킨다.

수차 출구에는 특수한 모양의 흡출관이 연결되어 있어, 물의 속도를 늦추고 남은 운동 에너지를 회수하는 데 도움을 준다.

흡출관이 물로 가득 차 있다면 수차는 반드시 물 흐름의 가장 낮은 지점에 위치할 필요는 없다. 그러나 수차의 설치 높이가 높아질수록 흡출관이 수차 날개에 가하는 흡입력이 커지는데, 이로 인해 압력이 낮아져 캐비테이션이 발생할 수 있다.

안내 날개와 수차 날개의 각도를 조절할 수 있는 가변 구조 덕분에 다양한 유량 조건에서도 효율적으로 작동할 수 있다. 카플란 수차의 효율은 일반적으로 90% 이상이지만, 낙차가 매우 낮은 경우에는 이보다 낮아질 수 있다.^[4]

최근에는 전산 유체 역학 기술을 활용하여 효율을 개선하고, 수차를 통과하는 어류와 같은 수생 생물의 생존율을 높이는 새로운 설계에 대한 연구가 진행되고 있다.

카플란 수차는 날개가 고압의 유압 오일 베어링 위에서 회전하기 때문에, 오일이 수로로 누출되는 것을 막는 것이 설계의 중요한 과제이다. 오일이 강으로 유출되면 자원 낭비일 뿐만 아니라 심각한 환경 오염을 유발할 수 있다.

4. 구성 요소

(포이트-지멘스 제공)]]

카플란 수차는 안쪽으로 흐르는 물을 이용하는 반동 수차이다. 즉, 물의 운동 에너지가 수차를 회전시키는 압력 에너지로 변환된다. 이 방식은 방사상 흐름과 축상 흐름 터빈의 특징을 결합한 설계이다.

주요 구성 요소는 다음과 같다.

'''케이싱 (Casing)''': 수차 입구 주위를 감싸는 와권 모양의 수관이다. 물은 케이싱을 통해 접선 방향으로 유입되어 안내 날개로 향한다.
'''안내 날개 (Guide Vanes)''': 케이싱을 통해 들어온 물이 통과하는 날개이다. 물을 프로펠러 모양의 러너로 나선형으로 유도하는 역할을 한다. 안내 날개의 각도를 조절하여 유량을 제어할 수 있다.
'''러너 (Runner)''': 프로펠러 모양의 회전 날개이다. 물의 힘을 받아 회전하며 발전기와 연결된 주축을 돌려 동력을 생산한다. 러너 날개의 각도 역시 조절이 가능하여 다양한 유량 조건에서도 높은 효율을 유지할 수 있다.
'''흡출관 (Draft Tube)''': 수차 출구에 연결되는 특수한 형태의 관이다. 물의 속도를 점차 줄여 운동 에너지를 압력 에너지로 회수함으로써 수차의 전체 효율을 높인다. 흡출관이 물로 채워져 있는 한, 수차는 반드시 물 흐름의 가장 낮은 지점에 위치할 필요는 없다.

수직축 카플란 수차 구성 요소 명칭
번호	명칭	번호	명칭
1a	러너 콘	9	주축
1f	러너 베인 (날개)	10	주축 베어링
3	안내 날개 베어링	11	안내 날개용 서보 모터
4	케이싱	13	가이드 링
5	스테이터 베인 (고정 날개)	14・15	안내 날개 암
6	안내 날개 (가이드 베인)	17	상부 커버
7	흡출관	18	러너 베인용 서보 모터
8	디스차지 링

안내 날개와 러너 날개의 각도를 조절할 수 있는 가변 형상 덕분에, 카플란 수차는 다양한 유량 조건에서도 효율적인 운전이 가능하다. 일반적으로 효율은 90% 이상이지만, 수두가 매우 낮은 경우에는 이보다 낮아질 수 있다.^[4]

그러나 수차의 설치 위치가 높을수록 흡출관 내부의 압력이 낮아져 캐비테이션이 발생할 위험이 커진다. 캐비테이션은 수차 날개에 손상을 입힐 수 있다.

또한, 러너 날개는 고압의 유압 오일 베어링 위에서 회전하기 때문에, 오일이 수로로 누출되지 않도록 막는 것이 매우 중요하다. 오일 누출은 자원을 낭비할 뿐만 아니라 하천 생태계를 오염시키는 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있다.

최근에는 전산 유체 역학(CFD) 기술을 활용하여 수차의 효율을 더욱 높이고, 수차를 통과하는 어류 등 수생 생물의 생존율을 개선하기 위한 새로운 설계 연구가 활발히 진행되고 있다.

5. 기술 발전 및 환경 문제

카플란 수차는 가이드 베인(안내 날개)과 수차 날개의 형상을 유량 조건에 따라 조절할 수 있는 가변 형상 구조를 통해 다양한 환경에서 효율적인 작동이 가능하다. 일반적으로 90% 이상의 높은 효율을 보이지만, 수두가 매우 낮은 경우에는 효율이 다소 낮아질 수 있다.^[4] 이러한 기술적 장점에도 불구하고, 지속적인 기술 개발과 함께 수차 운영 과정에서 발생할 수 있는 환경 문제에 대한 고려가 중요하다. 특히 전산 유체 역학(CFD) 등을 활용한 효율 개선 및 어류 생존율 향상, 오일 유출 방지 등이 주요 과제로 다루어진다.

5. 1. 기술 발전

현재 전산 유체 역학 등 고급 기술을 활용하여 카플란 수차의 성능을 개선하려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 운전 효율 개선뿐만 아니라, 수차를 통과하는 어류 등 수생 생물의 생존율을 높이는 방향으로도 이루어지고 있다. 이는 수력 발전의 환경 영향을 줄이기 위한 노력의 일환이다.

5. 2. 환경 문제

카플란 수차의 날개는 고압의 유압 오일 베어링 위에서 회전한다. 따라서 설계 시 오일이 수로로 새어 나가지 않도록 밀봉하는 것이 매우 중요하다. 만약 오일이 하천으로 유출될 경우, 이는 자원의 낭비일 뿐만 아니라 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있다.

6. 활용 분야

일정 유효 낙차 이상의 높이에 카플란 수차를 적용할 경우, 날개 각도 조절 장치가 있는 러너 앞부분이 커져 물의 저항이 강해지고 에너지 손실이 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 가동 날개 펠턴 수차(데리아 수차)가 대신 사용되기도 한다.

6. 1. 다양한 활용 예시

카플란 수차는 수력 발전을 통한 전력 생산에 전 세계적으로 널리 사용된다. 특히 유효 낙차가 낮고 유량이 많은 발전소 조건에 적합하다.

대형 카플란 수차는 각 수력 발전소의 특성에 맞춰 90% 이상의 높은 효율을 내도록 개별적으로 설계된다. 초기 설계, 제조, 설치 비용은 많이 들지만, 한번 설치하면 수십 년 동안 운용할 수 있다.

개인이나 소규모 전력 생산을 위해, 카플란 수차 모델을 기반으로 한 저렴한 마이크로 터빈이 제조된다. 이 터빈은 3m 정도의 낙차를 기준으로 설계되지만, 물의 흐름이 충분하다면 성능 저하를 감수하고 최저 0.3m의 낙차에서도 작동할 수 있다.^[5] 또한, 불과 60cm의 낙차에서도 이용 가능한 소형화된 제품도 있다.

최근에는 웨이브 드래곤과 같은 파력 발전 시스템에 적용되는 등 새로운 활용 가능성을 보여주고 있다.

7. 종류

프로펠러 수차 중 가장 널리 사용되는 카플란 수차는 다양한 변형이 존재한다. 각 변형은 특정 환경이나 요구 조건에 맞춰 개발되었다. 주요 종류는 다음과 같다.

'''프로펠러 수차''': 날개 각도 조절이 불가능한 기본적인 형태이다.
'''벌브 수차 또는 관형 수차''': 발전기와 수차 주요 부품이 물 공급관 내부에 위치하는 형태이다.
'''피트 수차''': 기어박스를 사용하여 발전기 크기를 줄인 관형 수차이다.
'''스트라플로 수차''': 발전기가 수로 외부에 위치하며 수차 날개 주변부에 연결된 형태이다.
'''S-수차''': 발전기를 수로 외부에 배치하고 S자 형태의 통로를 사용하는 형태이다.
'''VLH 수차''': 매우 낮은 낙차에서 사용되며 물고기에게 안전한 개방형 흐름 수차이다.
'''DIVE-수차''': 안내 날개와 속도 조절이 모두 가능하며 물고기 친화적인 수직 프로펠러 수차이다.
'''타이슨 수차''': 강물 속에 잠겨 작동하는 고정식 프로펠러 수차이다.

7. 1. 프로펠러 수차

프로펠러 수차는 카플란 수차의 한 종류로, 각도를 조절할 수 없는 프로펠러 모양의 날개를 가진 것이 특징이다. 주로 유량이나 출력의 변동 폭이 크지 않은 곳에 설치된다. 비교적 적은 비용으로 설치할 수 있어 소규모 발전소에서 활용되며, 1m 정도의 낙차에서도 수백 와트의 전력을 생산할 수 있다. 규모가 큰 프로펠러 수차는 100MW 이상의 전력을 생산하기도 한다. 예를 들어, 캐나다 퀘벡 북부의 라 그랑드-1 발전소에서는 12개의 프로펠러 수차가 총 1368MW라는 상당한 전력을 생산하고 있다.

7. 2. 벌브(Bulb) 수차 또는 관형(Tubular) 수차

벌브(Bulb) 수차 또는 관형(Tubular) 수차는 물이 흐르는 길(수로 또는 물 공급관) 안에 설치되도록 설계된 카플란 수차의 한 종류이다. 이름처럼 전구(bulb) 모양의 큰 구조물 안에 발전기, 안내 날개(가이드 베인), 그리고 수차 날개(러너)가 모두 들어 있으며, 이 구조물은 물길의 중앙에 위치한다.

일반적인 카플란 수차는 물이 방사형으로 들어오는 안내 날개를 가지지만, 벌브 수차와 관형 수차는 물이 흐르는 방향과 수차 축이 평행한 완전 축 방향(axial-flow) 구조를 가진다는 특징이 있다. 즉, 물의 흐름과 주요 부품들이 일직선상에 놓이는 설계이다.

7. 3. 피트(Pit) 수차

피트 수차는 기어박스가 장착된 관형 수차(벌브 수차)의 한 종류이다.^[1]^[2] 기어박스를 통해 더 작은 발전기와 벌브(수차 본체)를 사용할 수 있게 된다.^[1] 이는 더 작은 규모의 수관과 발전기에 적용된다.^[2]

7. 4. 스트라플로(Straflo) 수차

스트라플로 수차는 축 방향 수차의 한 종류로, 발전기가 물이 흐르는 통로인 수로 외부에 위치하는 독특한 구조를 가진다. 발전기는 수차 러너의 주변부에 직접 연결되며, 보통 속이 빈 원통형 모양으로 수로를 감싸듯 설치된다.

이 방식은 벌브 수차 등과 달리 수로 내부에 발전기를 넣기 위한 별도의 공간(하우징)이 필요 없다는 장점이 있다. 따라서 수로의 단면적을 더 크게 설계할 수 있어 대형화에 유리하다.

7. 5. S-수차

S-수차는 수로 외부에 발전기를 배치하여 벌브 하우징의 필요성을 없앤 카플란 수차의 한 종류이다. 이는 수로의 꺾임과 러너와 발전기를 연결하는 샤프트를 사용하여 구현된다.

7. 6. VLH 수차

카플란 수차의 한 종류로, 물의 흐름에 대해 각도를 이루는 개방형 흐름 방식을 사용한다. 매우 낮은 낙차에서 작동하도록 설계되었다. 직경이 3.55m를 초과할 정도로 크고, 회전 속도는 낮다. 직접 연결된 샤프트에 장착된 영구 자석 교류 발전기를 사용하며, 전자식 전력 조절 장치를 갖추고 있다. 물고기에 대한 영향이 적어 물고기 친화적인 수차로 평가받는다 (사망률 5% 미만).

7. 7. DIVE-수차

DIVE-수차는 카플란수차의 한 종류로, 안내 날개와 속도 변화를 통해 이중 조절이 가능한 수직 프로펠러 수차이다. 최대 4MW 범위의 응용 분야에 사용될 수 있으며, 표준 카플란 수차와 비슷한 효율을 가진다. 고정된 날개를 사용하는 프로펠러 설계를 채택하여 물고기에게 비교적 안전한, 즉 물고기 친화적인(fish-friendly) 터빈으로 여겨진다.

7. 8. 타이슨(Tyson) 수차

타이슨 수차는 흐름이 빠른 강에 잠기도록 설계된 고정 프로펠러 수차이다. 강바닥에 영구적으로 고정하거나 보트 또는 바지선에 부착하여 사용한다.

참조

_[1] 뉴스 New Austrian Stamps http://nla.gov.au/nl[...] National Library of Australia 1937-01-24
_[2] 서적 Creating the twentieth century: technical innovations of 1867-1914 and their lasting impact Oxford University Press 2004
_[3] 간행물 Hydropower project Tocoma http://www.impsa.com[...]
_[4] 웹사이트 Very Simple Kaplan Turbine Design http://www.dur.ac.uk[...] 2007-01-30
_[5] 웹사이트 1000W Low-Head Kaplan Hydro Turbine https://www.aurorapo[...] Aurora Power & Design 2015-09-15
_[6] 서적 Le complexe hydroélectrique de la Grande Rivière : Réalisation de la deuxième phase Société d'énergie de la Baie James
_[7] 웹사이트 VLH Turbine http://www.vlh-turbi[...]
_[8] 웹사이트 DIVE-Turbine http://www.dive-turb[...]

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