전기공사기사 수력학의 개요 — 베르누이 방정식과 수차의 종류

베르누이 방정식은 마찰이 없는 이상적인 유체가 흐를 때 단위 중량당 위치수두 z, 압력수두 p/γ, 속도수두 v²/2g의 합이 흐름의 어느 단면에서나 일정하다는 뜻이다. 실제 유체는 관 벽과의 마찰로 에너지 곧 수두가 손실되므로 총수두가 흐를수록 감소한다. 관이 좁아지면 유속이 커지고 압력이 낮아지며, 위치에너지를 수두로 환산한 것이 위치수두다. 이상과 실제를 가르는 말은 일정과 감소 두 가지다.

출력의 기본식은 P[kW] = 9.8×Q×H×η다. 9.8×Q×H가 물이 가진 이론적인 힘이고, 여기에 수차와 발전기의 종합효율 η를 곱해야 발전기 단자 출력이 된다. 효율은 곱하는 값이므로 나누면 이론값보다 커져 모순이 된다. 이 출력에 1년의 시간 8,760시간을 곱하면 연간 발전전력량이 된다. 유효낙차가 낮아지면 흐르는 물의 양도 함께 줄어 출력이 낙차보다 더 크게 떨어지고, 수차의 효율까지 낮아지면 손실이 겹친다.

수차는 물을 받는 방식으로 충동수차와 반동수차로 나뉜다. 충동수차는 노즐에서 뿜어진 물의 운동에너지로 버킷을 치는 방식이고, 반동수차는 물이 날개를 통과하며 압력과 속도가 바뀌어 회전하는 방식이다. 펠톤수차는 충동수차로 낙차가 크고 유량이 적은 곳에, 프란시스수차는 반동수차로 중낙차·중유량에, 카플란수차는 축류식 반동수차로 낙차가 낮고 유량이 많은 곳에 쓴다. 카플란수차는 발전기 부하가 변할 때 러너의 피치각을 가변해 효율 저하를 막고 넓은 출력 범위에서 고효율을 유지한다. 프란시스수차는 러너가 고정이고 가이드베인만 조절하며, 프로펠러수차는 날개가 고정된 반동수차다.

흡출관은 수차를 지나 빠져나가는 물의 속도에너지를 압력으로 바꾸어 주는 관이다. 이렇게 하면 수차 뒤쪽의 압력이 낮아져 수차가 더 큰 힘을 낼 수 있고, 물이 더 낮은 곳으로 떨어지는 것처럼 일을 하므로 발전에 쓸 수 있는 낙차가 커진다. 같은 낙차와 유량이라도 흡출관이 있으면 회수하는 에너지가 달라진다.