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.
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.
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 ...
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 generator. A compressor, turbine blade, and generator coil were manufactured using MEMS technology. The shaft was supported by a precision computer numerical control machined air bearing, and a permanent magnet was attached to the end of the shaft for generation. An analysis found that the cooling effect of the air bearing and compressor was sufficient to cover the combustor heat, which was verified in an actual experiment.
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 generator. A compressor, turbine blade, and generator coil were manufactured using MEMS technology. The shaft was supported by a precision computer numerical control machined air bearing, and a permanent magnet was attached to the end of the shaft for generation. An analysis found that the cooling effect of the air bearing and compressor was sufficient to cover the combustor heat, which was verified in an actual experiment.
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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.
제안 방법
본격적인 실험에 앞서 제안된 가스터빈 구조의 열전달 특성을 예측하기 위한 수치해석을 수행하였다. 먼저, ANSYS CFX 13.
작고 고효율의 전력원을 위한 MEMS 기술을 사용한 2W급 초소형 가스터빈 엔진의 개발을 위하여 터보차저와 연소기 및 발전기의 설계를 수행하여 이를 제작하여 발전 실험을 통하여 개발 가능성을 실험으로 검증하였다. 실험에 앞서 베어링 및 터빈, 압축기 블레이드를 통한 열전달효과를 예측하기 위해 유동 수치해석을 사용하여 각 부분에서의 열전달 계수를 계산하였으며 각 부품에서의 열전달 특성을 분석하였다. 수행 결과 터빈에 1100K의 고온 공기가 유입되더라도 베어링에서의 충분한 열전달 효과로 인해 영구자석 부분의 온도가 400K 이하로 영구자석의 한계온도보다 낮게 감소하는 것을 예측하였다.
작고 고효율의 전력원을 위한 MEMS 기술을 사용한 2W급 초소형 가스터빈 엔진의 개발을 위하여 터보차저와 연소기 및 발전기의 설계를 수행하여 이를 제작하여 발전 실험을 통하여 개발 가능성을 실험으로 검증하였다. 실험에 앞서 베어링 및 터빈, 압축기 블레이드를 통한 열전달효과를 예측하기 위해 유동 수치해석을 사용하여 각 부분에서의 열전달 계수를 계산하였으며 각 부품에서의 열전달 특성을 분석하였다.
데이터처리
본격적인 실험에 앞서 제안된 가스터빈 구조의 열전달 특성을 예측하기 위한 수치해석을 수행하였다. 먼저, ANSYS CFX 13.0을 사용하여 베어링, 터빈, 압축기 부분의 유동해석을 수행하여 각부의 열전달계수 h를 계산하였다. Fig.
성능/효과
5, 압력 2기압에서 설계 유량의 60%조건까지 연소를 진행하여 터빈 출구온도 366℃ , 발전코일 케이스의 온도 170℃ 로 증가하는 결과를 얻었으며, 발전 코일에서 출력되는 첨두치 전압이 150mV에서 55mV까지 감소하는 결과를 얻었다. 그러나 잔류 자속밀도가 감소하여 발전량이 감소하였음에도 불구하고 높은 터빈 입사 온도에서도 안정적인 발전이 지속되었으며 이는 마이크로 터빈의 발전이 가능함을 보여주는 것이다.
실험에 앞서 베어링 및 터빈, 압축기 블레이드를 통한 열전달효과를 예측하기 위해 유동 수치해석을 사용하여 각 부분에서의 열전달 계수를 계산하였으며 각 부품에서의 열전달 특성을 분석하였다. 수행 결과 터빈에 1100K의 고온 공기가 유입되더라도 베어링에서의 충분한 열전달 효과로 인해 영구자석 부분의 온도가 400K 이하로 영구자석의 한계온도보다 낮게 감소하는 것을 예측하였다. 실험 결과 또한 당량비 0.
수행 결과 터빈에 1100K의 고온 공기가 유입되더라도 베어링에서의 충분한 열전달 효과로 인해 영구자석 부분의 온도가 400K 이하로 영구자석의 한계온도보다 낮게 감소하는 것을 예측하였다. 실험 결과 또한 당량비 0.5, 압력 2기압에서 설계 유량의 60%조건까지 연소를 진행하여 터빈 출구온도 366℃ , 발전코일 케이스의 온도 170℃ 로 증가하는 결과를 얻었으며, 발전 코일에서 출력되는 첨두치 전압이 150mV에서 55mV까지 감소하는 결과를 얻었다. 그러나 잔류 자속밀도가 감소하여 발전량이 감소하였음에도 불구하고 높은 터빈 입사 온도에서도 안정적인 발전이 지속되었으며 이는 마이크로 터빈의 발전이 가능함을 보여주는 것이다.
후속연구
그러나 실험 조건이 아직 설계 유량에 도달하지 못하였고, 유량에 비해 회전수가 낮은 문제는 아직 존재한다. 이는 주로 베어링 및 축에서의 편심 문제로 인해 회전 불안정성이 회전수가 증가함에 따라 크게 증가하여 생긴 것으로 예상되며 밸런스 향상 및 유량증가에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다.
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.
참고문헌 (6)
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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
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