[논문]500W급 마이크로 가스터빈 발전기 회전체-베어링부의 단열 및 냉각 성능에 대한 실험적 연구

박철훈; 최상규; 함상용

doi:10.5293/kfma.2014.17.3.019

500W급 마이크로 가스터빈 발전기 회전체-베어링부의 단열 및 냉각 성능에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Thermal Insulation and Cooling for Rotor/Bearing Area in 500W Class Micro Gas Turbine Generator 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.3, 2014년, pp.19 - 24

박철훈 (한국기계연구원 첨단생산장비 연구본부) , 최상규 (한국기계연구원 첨단생산장비 연구본부) , 함상용 (한국기계연구원 첨단생산장비 연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Development of long-term mobile energy sources for mobile robots or small-sized unmanned vehicles are actively increasing. The micro gas turbine generator (MTG) is a good candidate for this purpose because it has both of high energy density and high power density, and 500W class MTG is under development. The designed MTG can be divided into 2 main parts. One part consists of motor/ generator and compressor, and the other one consists of combustor, recuperator and turbine. 500W class MTG is designed to operate at ultra-high speed of 400,000 rpm in high turbine temperature over $700^{\circ}C$ to improve the efficiency. Because the magnetism of NdFeB permanent magnet for the motor/generator could be degraded if the temperature is over $150-200^{\circ}C$, MTG needs the thermal insulation to block the heat transfer from combustor/turbine side to motor/generator side. Moreover, the motor/generator is allocated to get the cooling effect from the rapid air flow by the compressor. This study presents the experimental results to verify whether the thermal insulator and air flow are effective enough to keep the motor/generator part in the low temperature less than $100^{\circ}C$. From the motoring test by using the high temperature test rig, it was confirmed that the motor/generator part could maintain the temperature less than $50^{\circ}C$ under the condition of 1.0 bar compressed air.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현 상태에서는 압축기/터빈/연소기 부분을 통합시킬 수가 없는 상태이므로 통합 MTG 시험장치를 이용한 단열 및 냉각 성능 평가가 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 전동/발전기/로터 부분을 기반으로 하여 압축기/터빈/연소기 부분을 모사하여 냉각 공기와 고온환경을 제공할 수 있는 시험장치를 제작하고, 이를 이용하여 MTG 내의 단열 및 냉각 성능을 평가하고, 전동/발전기 부분이 100℃이하의 저온을 유지할 수 있는지를 확인하고자 한다.
본 논문에서는 MTG 내부에서 터빈/연소기에서 발생하는 고온에 의한 열전달에도 불구하고 단열재와 공기유동에 의한 단열 및 냉각효과에 의해 전동/발전기 부분이 충분히 저온 상태를 유지할 수 있음을 확인하기 위해 전기로를 이용한 고온환경 실험장치를 설계하고 실험하였다. 실험을 통해 전동/발전기의 저온부는 1.

가설 설정

이 단열재가 MTG의 저온부와 고온부 사이에 장착되었다고 가정하고 열해석을 수행하였으며, 이에 관한 자세한 절차 및 결과는 MTG 열해석에 대한 이전 연구결과를 다룬 참고문헌(12)에 자세하게 제시되어있다. 열해석은 터빈/연소기 부분이 700℃이상의 고온이며, 정격 발전속도인 400,000 rpm으로 압축기와 터빈이 회전하고 있다는 가정 하에 수행되었다. 열해석 결과, 연소기 부분에서 발생한 고온은 터빈 임펠러로 부터 압축기 임펠러 부분으로 로터를 통해 전도된다.

제안 방법

다음으로 3 bar의 1/3 수준인 1.0 bar의 압축공기를 전동/발전기 하우징 내부로 주입하면서 단열 및 냉각효과 검증 실험을 진행하였다. 앞선 실험에서와 마찬가지로 1.
더미로터를 사용하면 전동기가 200,000 rpm의 속도로 로터를 회전시키는 상황에서도 압축기용 임펠러가 없기 때문에 로터 회전에 의한 공기 흐름이 발생하지 않아 대기의 공기는 저온부 쪽으로 유입되지 않는다. 대신, 압축기에 의한 공기 흐름을 모사하기 위해 저온부 전체를 실링(sealing)한 후 강제로 압축공기를 주입할 수 있는 입구(inlet port)를 설치하였다. 이상과 같이 실험장치는 터빈/연소기 부분을 모사하기 위한 고온발생 전기로, 압축기에 의한 공기 흐름을 모사하기 위한 압축공기 공급장치 등을 이용하여 단열재 및 공기 흐름에 의한 단열 및 냉각 효과를 실험적으로 검증하기 위해 필요한 구성요소가 준비되었다.
앞선 실험에서와 마찬가지로 1.0 bar 압축공기 조건에서 전기로의 온도를 200℃에서 700℃까지 상승시키는 동안 ‘A’와 ‘B’지점에서의 온도를 측정하였다.
이후 2시간 동안 전기로 온도는 700℃로, 모터링 속도는 200,000 rpm으로 유지하면서 ‘A’와 ‘B’ 지점의 온도, 모터 입력 전류, 회전체의 반경방향과 축방향전류를 모니터링 하였다.
첫 번째로 3 bar의 절반 수준인 1.5 bar의 압축공기를 전 동/발전기 하우징 내부로 주입하면서 단열 및 냉각효과 검증 실험을 진행하였다. Fig.
터빈/연소기의 고온부분을 전동/발전기의 저온부분과 결합하여 통합 실험을 진행할 수 없는 상황에서 2장에서 제시된 열해석 결과를 실험적으로 검증하기 위해, Fig. 4와 같이 고온부를 모사할 수 있는 실험장치를 설계하였다. Fig.

대상 데이터

MTG는 자가구동 속도인 200,000 rpm까지만 전동기에 의해 회전시키고 그 이상의 속도에서는 터빈에서 발생하는 토크로 발전 속도인 400,000rpm까지 속도가 상승하도록 설계가 되어있기 때문에, 실험 장치에 설치된 전동기로는 최대 200,000rpm까지만 회전시킬 수 있어, 400,000 rpm의 속도로 압축기 임펠러가 회전하면서 만들어내는 3bar 압력의 공기 흐름을 구현하기가 불가능하다. 그래서 본 실험장치에 사용되는 로터로는 Fig. 5와 같이 압축기 임펠러와 터빈 임펠러가 제거된 더미(dummy) 로터를 사용하였다. 사용된 로터의 길이 및 질량은 각각 77.
2에 MTG의 고온부와 저온부의 열 전달을 최소화하기 위해 설계된 단열재의 형상을 나타내었다. 단열재의 재료는 지르코니아(ZrO₂)이고, 두께와 외경은 각각 9.5 mm, 74 mm이다. 지르코니아는 열전도율(Thermal conductivity)이 3.
5와 같이 압축기 임펠러와 터빈 임펠러가 제거된 더미(dummy) 로터를 사용하였다. 사용된 로터의 길이 및 질량은 각각 77.6 mm와 66 g이며, 저널부 직경은 11.6 mm, 압축기와 터빈부의 배면(back plate)사이의 거리는 11 mm이다. 더미로터를 사용하면 전동기가 200,000 rpm의 속도로 로터를 회전시키는 상황에서도 압축기용 임펠러가 없기 때문에 로터 회전에 의한 공기 흐름이 발생하지 않아 대기의 공기는 저온부 쪽으로 유입되지 않는다.
이상과 같이 실험장치는 터빈/연소기 부분을 모사하기 위한 고온발생 전기로, 압축기에 의한 공기 흐름을 모사하기 위한 압축공기 공급장치 등을 이용하여 단열재 및 공기 흐름에 의한 단열 및 냉각 효과를 실험적으로 검증하기 위해 필요한 구성요소가 준비되었다. 실험 도중 실험 장치 내 고온부와 저온부의 온도 변화를 측정하기 위한 열전대(Thermocouple)가 설치되었으며, 고온 실험 도중 고온에 의해 베어링이 손상되거나 하는 문제로 로터의 진동이 변하는 것을 측정하기 위해 반경방향 진동을 측정하기 위한 갭센서 2개가 로터의 목 부분에 설치되었으며 축방향 진동을 측정하기 위한 갭센서가 로터의 좌측 끝단에 설치되었다.

성능/효과

‘A’ 지점은 계속해서 45℃를 유지하였으며, ‘A’ 지점의의 낮은 온도 측정결과로 부터 예측되는 대로, 모터 입력 전류 또한 2시간 동안 동일하게 유지되어 NdFeB 영구자석이 전기로의 고온에 의해 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
7과 같이 분할구조의 래디얼-쓰러스트 콤보베어링을 회전체 우편의 압축기와 터빈의 배면 사이에 설치하고, 래디얼 베어링을 회전체 좌편의 저널부에 설치하였다.⁽⁷⁾ 실험에 사용된 베어링은 메탈메쉬 댐퍼를 이용한 공기포일베어링으로서 베어링의 댐핑능력이 커서 초고속회전에서도 안정적으로 로터를 지지할 수 있는 장점이 있다.^(6-11) 고온 실험은 단열 및 냉각 효과를 검증하는 의미뿐만 아니라 베어링의 성능을 확인하기 위한 실험의 의미도 가진다.
3에 열해석으로 부터 얻어진 온도 분포를 나타내었다. 400,000 rpm으로 회전하는 압축기에 의해 유입되는 공기의 압력은 전동/발전기 주위의 유로에서 3 bar이상이 될 것으로 예측되었다. 단열재는 초기 기동 후 자가발전 속도를 지나 정격 발전 속도까지 압축기의 속도가 증가하는 동안 터빈/연소기 부분으로 부터 발생하는 열이 전동/발전기 부분으로 전달되는 속도를 늦추고, 적게 전달되도록 하는 역할을 한다.
본 논문에서는 MTG 내부에서 터빈/연소기에서 발생하는 고온에 의한 열전달에도 불구하고 단열재와 공기유동에 의한 단열 및 냉각효과에 의해 전동/발전기 부분이 충분히 저온 상태를 유지할 수 있음을 확인하기 위해 전기로를 이용한 고온환경 실험장치를 설계하고 실험하였다. 실험을 통해 전동/발전기의 저온부는 1.0 bar의 압축공기에 의해서도 50℃ 이하의 온도를 유지할 수 있음을 확인하였으며, 실험결과로 부터 단열재와 압축공기의 냉각효과만으로도 전동/발전기부가 정상적인 성능을 유지할 수 있는 수준으로 충분히 냉각될 수 있을 것이라는 열해석 결과를 실험적으로 검증하였다. 추후 전동/발전기부와 압축기/터빈/연소기부를 모두 통합한 통합시스템이 완성될 것이며, 그 후 단열재와 공기유동에 의한 단열 및 냉각효과를 실제 MTG 통합시스템의 운용조건에서 확인할 계획이다.
11과 12에 2시간 동안 측정된 로터의 반경방향과 축방향 진동을 나타내었다. 실험이 진행되는 동안 반경방향과 축방향 진동 모두 일정한 수준을 유지하고 있어 콤보 베어링이 전기로의 고온부의 열전달에 의해 손상을 받거나 변형되지 않고 안정적인 회전체 지지성능을 유지하고 있음을 알 수 있다.
그러나 전동/발전기 부분의 온도를 낮추는데 주된 역할을 하는 것은 압축기에 의해 빠르게 이동하는 공기의 냉각효과인 것으로 예측되었다. 열해석 결과에 의하면 전동/발전기용 NdFeB 영구자석은 정격 발전속도에서 66℃정도를 유지할 것으로 예측되어 150℃이상으로 영구자석의 온도가 상승하여 감자가 되는 상황은 발생하지 않을 것으로 예측되었다.
이후 2시간 동안 700℃ 전기로 온도, 200,000rpm 모터링을 유지하면서 관찰한 ‘A’와 ‘B’ 지점의 온도, 모터링 전류, 로터의 진동성분에서 특이한 변화는 관찰되지 않았다. 이로써 1.0 bar 조건의 압축공기만으로도 저온부는 충분히 저온을 유지할 수 있을 확인하였다. 이상의 실험으로부터 지르코니아 단열재의 단열효과 및 압축공기의 냉각효과를 검증할 수 있었으며 열해석 결과에서 예측한 바와 유사하게 회전체의 NdFeB 자석부의 온도를 100℃미만으로 유지함으로써 전동/발전용 자석의 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.
0 bar 조건의 압축공기만으로도 저온부는 충분히 저온을 유지할 수 있을 확인하였다. 이상의 실험으로부터 지르코니아 단열재의 단열효과 및 압축공기의 냉각효과를 검증할 수 있었으며 열해석 결과에서 예측한 바와 유사하게 회전체의 NdFeB 자석부의 온도를 100℃미만으로 유지함으로써 전동/발전용 자석의 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다. 실제 압축기/터빈/연소기가 통합된 후 압축기에 의해 3 bar의 압축공기가 유입될 수 있다면 압축공기에 의한 냉각 효과는 본 실험에 의해 의도적으로 낮게 주입된 압축공기에 의한 냉각효과보다도 개선된 냉각효과를 발휘할 수 있을 것으로 예상된다.
이후 2시간 동안 700℃ 전기로 온도, 200,000rpm 모터링을 유지하면서 관찰한 ‘A’와 ‘B’ 지점의 온도, 모터링 전류, 로터의 진동성분에서 특이한 변화는 관찰되지 않았다.

후속연구

이상의 실험으로부터 지르코니아 단열재의 단열효과 및 압축공기의 냉각효과를 검증할 수 있었으며 열해석 결과에서 예측한 바와 유사하게 회전체의 NdFeB 자석부의 온도를 100℃미만으로 유지함으로써 전동/발전용 자석의 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다. 실제 압축기/터빈/연소기가 통합된 후 압축기에 의해 3 bar의 압축공기가 유입될 수 있다면 압축공기에 의한 냉각 효과는 본 실험에 의해 의도적으로 낮게 주입된 압축공기에 의한 냉각효과보다도 개선된 냉각효과를 발휘할 수 있을 것으로 예상된다.
0 bar의 압축공기에 의해서도 50℃ 이하의 온도를 유지할 수 있음을 확인하였으며, 실험결과로 부터 단열재와 압축공기의 냉각효과만으로도 전동/발전기부가 정상적인 성능을 유지할 수 있는 수준으로 충분히 냉각될 수 있을 것이라는 열해석 결과를 실험적으로 검증하였다. 추후 전동/발전기부와 압축기/터빈/연소기부를 모두 통합한 통합시스템이 완성될 것이며, 그 후 단열재와 공기유동에 의한 단열 및 냉각효과를 실제 MTG 통합시스템의 운용조건에서 확인할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 가스터빈 발전기가 무인이동기에 적합한 이유는 무엇인가?	그러나 무인이동시스템에 장착되어 장시간 에너지를 공급할 수 있는 이동형 에너지원(mobile energy source)이 확보되어 있지 않아 무인이동시스템 개발의 장애가 되고 있다. 개발되고 있는 이동형 에너지원 중 마이크로 가스터빈 발전기 (Micro gas turbine generator, MTG)는 에너지 밀도와 파워 밀도가 모두 높기 때문에 무인이동시스템에 적합한 것으로 알려져있으며, 이에 따라 현재 500W급 MTG가 개발 중에 있다.(1-5) 개발 중인 MTG는 체적 1,000 cm3, 자가구동을 위한 전동(motoring) 속도 200,000 rpm, 정격 발전속도 400,000 rpm에서 동작하도록 설계되었다.
	MTG용 로터의 암축기 및 터빈용 임펠러는 어떤 형테로 가공되어 있는가?	MTG용 로터는 압축기용 임펠러, 터빈용 입펠러 뿐만 아니라 전동/발전기용 영구자석을 모두 포함하는 일체형으로 설계되어있다. 압축기 및 터빈용 임펠러는 서로 배면을 마주하는 형태로 로터에 일체형 가공되어 있으며, 이들 임펠러 배면은 쓰러스트 베어링에 의해 로터에 작용하는 축방향 하중이 지지되도록 하는 쓰러스트 면으로 사용된다. 로터는 공기포일 베어링에 의해 지지된다.
	MTG는 어떤 조건에서 동작하도록 설계되었는가?	개발되고 있는 이동형 에너지원 중 마이크로 가스터빈 발전기 (Micro gas turbine generator, MTG)는 에너지 밀도와 파워 밀도가 모두 높기 때문에 무인이동시스템에 적합한 것으로 알려져있으며, 이에 따라 현재 500W급 MTG가 개발 중에 있다.(1-5) 개발 중인 MTG는 체적 1,000 cm3, 자가구동을 위한 전동(motoring) 속도 200,000 rpm, 정격 발전속도 400,000 rpm에서 동작하도록 설계되었다. Fig.

참고문헌 (12)

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Park, J. S., Kim, S., Choi, B. S. and Cho, H. H., 2013 "Effect of the thermal insulation on generator and micro gas turbine system," Energy, Vol. 59, pp. 581-589.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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