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초소형 가스터빈엔진 열전달 현상의 수치적 및 실험적 연구
Numerical and Experimental Analysis of Micro Gas Turbine Heat Transfer Effect 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.2 = no.353, 2015년, pp.153 - 159  

서준혁 (포항공과대학교 기계공학과) ,  권길성 (서강대학교 기계공학과) ,  최주찬 (경북대학교 전자컴퓨터공학과) ,  백제현 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 MEMS기술을 적용한 2W급 초소형 가스터빈엔진의 개발과 실제 연소 환경에서의 발전 가능성을 해석적, 실험적으로 입증하였다. 초소형 가스터빈엔진은 터보차저, 연소기, 발전기로 이루어져 있다. 터보차저는 각각 직경 10mm와 9mm의 MEMS 공정 압축기와 터빈으로 구성되어 있으며 발전코일 또한 MEMS공정으로 설계되었다. 제작된 압축기와 터빈은 정밀 기계 가공된 축과 공기 베어링으로 지지되고 회전하며, 회전축 끝단에 영구자석을 설치하여 발전을 하게 된다. 공기 베어링과 압축기를 통한 냉각 효과를 해석하여 연소기에서 발생한 열을 충분히 차단할 수 있는 것으로 분석되었고, 이를 실험을 통해 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a 2-W micro-gas turbine engine was designed using micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology, and analytical and experimental investigations of its potential under actual combustion conditions were performed. An ultra-micro-gas turbine contains a turbo-charger, combustor, and ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 개선하기 위한 방법으로 본 연구에서는 MEMS공정과 정밀 기계가공공정을 혼합하여 제작의 용이성을 개선하고, 압축기와 터빈 사이의 열차폐를 개선하기 위해 축을 삽입한 새로운 초소형 가스터빈 엔진을 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 초소형 가스터빈의 초기 설계 및 열 차폐효과의 수치적 해석과 함께 실험적으로 초소형 가스터빈의 작동여부를 검증하는 연구를 수행하였다.
  • 기존의 초소형 가스터빈은 소형화에 적합한 MEMS기술을 기반으로 하여 연구되었으나(3~5) 제작상의 어려움과 열 차폐 문제 등으로 인하여 가스터빈 전체 자립운전을 구현하는데 어려움을 겪었다. 이를 개선하기 위한 방법으로 본 연구에서는 MEMS공정과 정밀 기계가공공정을 혼합하여 제작의 용이성을 개선하고, 압축기와 터빈 사이의 열차폐를 개선하기 위해 축을 삽입한 새로운 초소형 가스터빈 엔진을 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 초소형 가스터빈의 초기 설계 및 열 차폐효과의 수치적 해석과 함께 실험적으로 초소형 가스터빈의 작동여부를 검증하는 연구를 수행하였다.

가설 설정

  • 11에 전체 해석 영역과 해석 조건을 표시하였다. 사면체 격자로 996,242개의 격자로 구성하였으며, 터빈에 입사되는 공기의 온도는 1100K, 압축기에 입사되는 공기의 온도는 300K로 가정하였다. 터빈과 압축기는 실리콘으로, 축은 SUS304재질로 지정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초소형 가스터빈엔진의 터보차저는 어떻게 구성되어 있는가? 초소형 가스터빈엔진은 터보차저, 연소기, 발전기로 이루어져 있다. 터보차저는 각각 직경 10mm와 9mm의 MEMS 공정 압축기와 터빈으로 구성되어 있으며 발전코일 또한 MEMS공정으로 설계되었다. 제작된 압축기와 터빈은 정밀 기계 가공된 축과 공기 베어링으로 지지되고 회전하며, 회전축 끝단에 영구자석을 설치하여 발전을 하게 된다.
마이크로 가스터빈엔진의 특징은? (1) 그러나 전지의 기술은 이러한 모바일 기기들이 요구하는 에너지양을 충족시키지 못하고 있어 새로운 출력원의 필요가 대두되고 있다. 마이크로 가스터빈엔진(UMGT)는 최근 활발히 개발되고 있는 배터리를 대체할 수 있는 다양한 종류의 마이크로 전력원 중 하나로(2) 부피대비 에너지 출력과 효율이 배터리보다 월등히 높아 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 초소형 가스터빈은 소형화에 적합한 MEMS기술을 기반으로 하여 연구되었으나(3~5) 제작상의 어려움과 열 차폐 문제 등으로 인하여 가스터빈 전체 자립운전을 구현하는데 어려움을 겪었다.
기존의 초소형 가스터빈의 제작상의 어려움과 열 차폐 문제 등을 개선하기 위한 방법으로 본 논문에서 제안한 것은? 기존의 초소형 가스터빈은 소형화에 적합한 MEMS기술을 기반으로 하여 연구되었으나(3~5) 제작상의 어려움과 열 차폐 문제 등으로 인하여 가스터빈 전체 자립운전을 구현하는데 어려움을 겪었다. 이를 개선하기 위한 방법으로 본 연구에서는 MEMS공정과 정밀 기계가공공정을 혼합하여 제작의 용이성을 개선하고, 압축기와 터빈 사이의 열차폐를 개선하기 위해 축을 삽입한 새로운 초소형 가스터빈 엔진을 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 초소형 가스터빈의 초기 설계 및 열 차폐효과의 수치적 해석과 함께 실험적으로 초소형 가스터빈의 작동여부를 검증하는 연구를 수행하였다.
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참고문헌 (6)

  1. Dunn-Rankin, D., Leal, E. M. and Walter, D. C., 2005, "Personal Power Systems," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 31, No. 5-6, pp. 422-465 

  2. Epstein, A. H., 2003, "Milimeter-Scale, Micro-Electro-Mechanical Systems Gas Turbine Engines," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 126, No. 2, pp. 205-206 

  3. Mehra, A., Zhang, X., Ayon, A. A., Waitz, I. A., Schmidt, M. A. and Spadaccini, C. M., 2000, "A Six Wager Combustion System for a Silicon Micro Gas Turbine Engine," Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 517-527 

  4. Shan,X.C., Wang, Z. F., Jin, Y. F., Wu, M., Hua, J., Wong, C. K. and Maead, R., 2005, "Studies on a Micro Combustor for Gas Turbine Engines," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 15, No. 9, pp. S215-S221 

  5. Iiduka, A., Ishigaki, K., Takikawa, Y., Ohse, T., Saito, K. and Uchikoba, F., 2011, "Development of Electromagnetic Induction Type Micro Air Turbine Generator Using MEMS and Multilayer Ceramic Technology," IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 18, 0902035 

  6. Kwon, K., Hwang, Y. H., Kang, H. and Kim, D., 2013, "Numerical Study of Hydrogen/Air Combustion in Combustion Chamber of Ultra Micro Gas Turbine by Change of Flow Rate and Equivalence Ratio," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 2, pp. 103-109 

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