가역 펌프‑터빈의 와류 전달 및 블레이드 상호작용 분석

초록

본 연구는 속도‑무부하 조건에서 가역 펌프‑터빈 내부의 비정상적인 와류 현상을 대규모 LES(120 백만 격자)로 조사한다. 고압면에 형성되는 종축 와류가 블레이드 통로로 이동해 ‘소용돌이 열’(string of swirls)을 만들고, 드래프트 튜브에서도 유사한 와류가 발생한다. 이러한 불안정은 블레이드 피로 손상의 위험을 크게 증가시킨다. 시뮬레이션은 SAS‑SST, DES, W‑ALE 모델을 단계적으로 적용하고, 실험 데이터와 GCI 기반 검증을 수행해 신뢰성을 확보하였다.

상세 분석

이 논문은 가역 펌프‑터빈이 실운전에서 자주 마주하는 속도‑무부하(9 % 가이드 베인 개방) 상황을 대상으로, 터빈 모드와 펌프 모드 모두에서 비정상적인 와류 현상을 정량적으로 규명한다. 먼저, 전체 유동 경로(스파이럴 케이싱, 스테이 베인, 가이드 베인, 러너, 드래프트 튜브)를 포함한 3‑D 모델을 120 백만 6‑면체 격자로 구축하였다. 격자 품질은 Choi‑Moin 기준에 따라 러너 블레이드 근처를 고밀도로 재분할했으며, GCI(그리드 수렴 지수) 분석을 통해 전반적인 수치 불확실성을 3.5 % 수준으로 제한하였다.

난류 모델링은 단계적 접근을 취한다. 초기 정상 상태 해석에는 SST‑RANS을 사용해 평균 흐름을 확보하고, 이를 기반으로 SAS‑SST와 DES를 적용해 중간 규모 와류를 포착한다. 최종적으로는 W‑ALE 기반 LES를 수행해 대규모 와류와 소용돌이 구조를 직접 해석한다. LES는 필터링을 통해 𝛥 이하 스케일을 서브그리드 모델에 위임하고, 벽면 근처에서는 W‑ALE가 거의 무점도(eddy‑viscosity)를 부여하지 않아 전이층을 정확히 재현한다. 시간 단계는 0.5° 회전(≈3.2 × 10⁻⁴ s)에서 0.01° 회전(≈6.4 × 10⁻⁶ s)까지 점진적으로 감소시켜 수렴성을 확보하였다.

결과적으로, 고압면(블레이드의 외측)에서 강한 종축 와류가 발생하고, 이 와류가 블레이드 통로를 따라 하강하면서 연속적인 ‘소용돌이 열’(string of swirls)을 형성한다. 와류는 블레이드 앞면과 후면 사이의 압력 차를 증폭시키며, 국부적인 양력·모멘트 변동을 야기한다. 또한, 드래프트 튜브 중앙부에서도 유사한 와류가 역류(pumping) 흐름과 결합해 복합적인 회전‑진동 모드를 만든다. 이러한 와류는 주파수가 러너 회전수의 60‑65 %에 해당하는 서브싱크로너스(sub‑synchronous) 영역에 머무르며, 블레이드 피로에 직접적인 위험을 초래한다.

피로 위험 평가는 와류가 유발하는 압력 펄스와 구조적 응답을 비교함으로써, 기존 설계 기준(최대 94 % 효율, 정상 부하)에서는 간과되던 고주파 진동이 속도‑무부하 시에 급격히 증가함을 확인한다. 실험과의 비교에서는 토크값이 5.6 %(터빈)·9.1 %(펌프) 오차를 보였으며, 전체 오차는 7.7 % 이하로, 모델링 신뢰도가 충분히 확보되었다.

이러한 분석은 가역 펌프‑터빈 설계·운전 시, 속도‑무부하와 같은 극한 조건에서 발생 가능한 와류‑유발 피로를 사전에 예측하고, 블레이드 형상 최적화·감시 센서 배치 등에 활용할 수 있는 근거를 제공한다.