[논문]300 W급 브레이튼 냉동기용 극저온 터보 팽창기 구동축 설계

김만렬; 이창형; 김동민; 양형석; 김석호

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.6.129

300 W급 브레이튼 냉동기용 극저온 터보 팽창기 구동축 설계
Design of a Cryogenic Turbo Expander Drive Shaft for 300 W Class Brayton Refrigerators 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.6, 2016년, pp.129 - 135

김만렬 (창원대학교 기계공학부) , 이창형 (창원대학교 기계공학부) , 김동민 (창원대학교 기계공학부) , 양형석 (한전 전력연구원) , 김석호 (창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

There have been many types of development and commercialization efforts for superconducting power applications with the continuous development of High Temperature Superconducting (HTS) conductors. In particular, HTS power cables are going to be commercialized in real power grids. A cryogenic refrigeration system should be used to keep it below 77 K, and its required cooling capacity continuously increases as the unit length of the HTS power cable increases. Among the many kinds of cryogenic refrigerator, a reverse Brayton refrigerator that uses turbo expanders is a promising refrigerator due to its efficiency and reliability. Among the various components in refrigerators, the cryogenic turbo-expander is the most important part for increasing efficiency and assuring reliability. The design of a 300 W class turbo-expander is described in this paper prior to the development of a 10 kW class turbo expander, which is the required capability for the commercialization of a HTS power cable. The impeller shape and rotation speed are determined based on the cycle analysis. The Eigen frequency and harmonic analysis are conducted with gas bearings at cryogenic temperatures to determine the operational stability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 극저온 터보 팽창기의 구동축부 설계를 위해 초전도 전력 케이블의 냉각에 요구되는 10kW급역 브레이튼 냉동기의 축소모델인 300W급 역 브레이튼 냉동기의 설계 기준^[5]을 바탕으로 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 초전도 전력 케이블의 냉각에 요구되는 10kW급 역 브레이튼 냉동기의 축소모델인 300W급 역 브레이튼 냉동기의 설계 기준^[5]을 바탕으로 극저온 터보 팽창기의 구동 축부 설계 및 동특성 해석을 수행하였다. 이를 통해 실제 운전속도에서의 안정성을 확립하고자 한다.
을 바탕으로 극저온 터보 팽창기의 구동 축부 설계 및 동특성 해석을 수행하였다. 이를 통해 실제 운전속도에서의 안정성을 확립하고자 한다.
해석을 바탕으로 고효율의 극저온 터보 팽창기를 설계하여 향후 대용량의 역 브레이튼 냉동기용 터보 팽창기의 구동축 설계에 기여하고자 한다.

가설 설정

80%의 압축·팽창 효율을 가정하여 압력비는 1.5 bar, 저압부에서의 압력은 3bar, 고압부 압력은 4.5bar 적용하였을 때의 역 브레이튼 냉동사이클은 Fig. 1(와) 같다.

제안 방법

Gas Bearing은 비접촉식 베어링이므로 해석상에서는 강성만 적용하여 해석을 수행하였다.
구동축부 운전영역을 0 ~ 90000rpm이며, 구동축 동특성 해석을 위하여 Gas Bearing적용 되는 양단에 스프링 조건을 추가하여 베어링 강성을 적용하였다 해석에 사용된 재료의 상수는 Table 2와 같다. Rotor의 경우 밀도를 실제 Rotor의 중량을 부피로 나누어 계산한 값을 적용하였다.
구동축의 회전영역으로 0 ~ 90,000rpm이며, 축계 동특성 해석과 동일하게 Journal-Thrust bearing의 가스압력에 따른 강성을 적용하였다.
또한 Journal-Thrust Bearing의 가스 압력에 따른 강성을 적용하여 해석을 수행하였다.
22 kg이다. 이를 바탕으로 극저온 터보 팽창기의 구동축의 동특성 해석을 수행하였다.

대상 데이터

Gas Bearing의 경우 LNK 사의 특수 제작품을 사용하였으며, Journal 방향 강성은 가스 압력에 따라 최소 7 kN/mm 최대, 12 kN/mm이다. Thrust 방향 강성은 가스압력에 따라 최소 17 kN/mm, 최대 22 kN/mm까지 사용이 가능하다.
그 외의 부분에는 소재가 모두 스테인리스 강 304이므로, 304 강의 재료 상수를 적용하였다. 구동축의 운전영역을 0rpm에서 로터의 최대 회전수인 90,000rpm으로 선정하였다. 또한 Journal-Thrust Bearing의 가스 압력에 따른 강성을 적용하여 해석을 수행하였다.
그 외의 부분에는 소재가 모두 스테인리스 강 304이므로, 304 강의 재료 상수를 적용하였다. 구동축의 운전영역을 0rpm에서 로터의 최대 회전수인 90,000rpm으로 선정하였다.
극저온 터보 팽창기의 전제 조립 형태는 Fig. 3과 같이 설계되었으며 전체 구동축의 총 길이는 205.5 mm이며, 중량은, 0.22 kg이다.
로터는 Gem-motor사의 A2P-S40 type CU/LD V90 모델을 적용하여 최대 90,000rpm까지 사용이 가능한 Rotor를 적용하였다.
초전도 전력 케이블의 냉각에 요구되는 10kW급 역브레이튼 냉동기의 축소모델인 300W급 역 브레이튼 냉동기의 설계 기준을 바탕으로 설계하였다 설계된 극저온 터보 팽창기의 임펠러 형상은 Fig. 2과 같으며, 임펠러 깃은 총 7개로 설계 하였다.^[5]

데이터처리

구동축의 동특성 해석을 알아보기 위해 3D 해석 프로그램인 ANSYS Workbench의 modal 모듈을 사용하여 해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

본 연구모델의 불평형 응답의 경우 국제 규격 ISO1940^[6]을 따르며 회전체의 종류에 따라 밸런싱 정도의 등급이 달라진다 극저온 터보 팽창기의 경우 G2.5의 등급이며 밸런싱 정도의 상한은 최대 2.5 mm이다 규격에 제시된 방법에 따라 정적 처짐이 가장 심한 부분인 임펠러에 식 (1), (2)을 통해 계산한 불평형량(U_m)을 적용하였다.

후속연구

본 연구에서 설계한 300W급 역 브레이튼 냉동기용 극저온 터보 팽창기의 구동축 설계 방법을 바탕으로 향후 10kW급 역 브레이튼 냉동기용 극저온 터보 팽창기의 설계에 활용할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	역 브레이튼 사이클 설계 시 필요 요구 조건은 무엇인가?	초전도 전력 케이블의 운전 시 냉각에 대한 안정성을 위해서는 냉각부의 최대 온도가 액체질소의 비등점보다 낮아야 하며 냉매 누설 등의 긴급한 상황에서도 시스템을 보호하기 위해 대기압보다 높은 압력에서 운전해야 한다 또한 시스템의 손상 또는 파괴가 일어나지 않기 위해 유속이 느린 것이 유리하므로 움직이는 부피유량을 줄여야 한다.
	대용량 극저온 냉동기는 어떤 것들이 있는가?	대용량 극저온 냉동기로는 역 브레이튼, Claude, Joule-Thomson, 등의 냉동기가 있다 이 중에서는 시스템의 신뢰성과 효율 유지보수 측면에서 가장 유리한 시스템은 역 브레이튼 냉동기이다.[1]
	역 브레이튼 냉동기는 어떻게 구성되는가?	역 브레이튼 냉동기의 구성은 대항류 열교환기 압축기 극저온 팽창기로 이루어져 있으며 , , 이 중 시스템의 효율을 결정하는 핵심 부품은 극저온 터보 팽창기이다.[2] 극저온 터보 팽창기를 설계를 위해서 역 브레이튼 냉동 사이클을 기체의 팽창을 이용하는 것으로 등엔트로피 과정을 통하여 외부와 열을 교환하지 않는 단열 과정으로 외부에 일을 하여 더 낮은 온도를 얻게 된다.

참고문헌 (6)

Kim, T. M., Yim, S. W., Sohn, S. H., Lim, J. H., Han, S. C., Ryu, K. W., & Yang, H. S. , "Investigation on Effective Operational Temperature of HTS Cable System considering Critical Current and AC loss.", KEPCO Journal on Electric Power and Energy, 2(2), pp.307-310, 2016.

원문보기 상세보기
Zhang, H., & Wang, Y. "A Self-shielding DC HTS Cable Using Co-axial Configuration with Large Current Capacity.", IEEE transactions on applied superconductivity, Vol.26 no.3, pp.1-4, 2016
Dhara, S., Shrivastav, A. K., Sadhu, P. K., & Ganguly, A. . "A Fault Current Limiter Circuit to Improve Transient Stability in Power System. International Journal of Power Electronics and Drive Systems", International Journal of Power Electronics and Drive Systems, 7(3), 2016
Lee, C. H., Kim, D. M., Yang, H. S., & Kim, S., "Conceptual design of cryogenic turbo expander for 10 kW class reverse Brayton refrigerator.", Progress in Superconductivity and Cryogenics, Vol.17, No.3, pp.41-46. 2015

원문보기 상세보기
Lee, C., Kim, D., Yang, H., & Kim, S., "Design and Analysis of Cryogenic Turb Expander for HTS Power Cable Refrigeration System.", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14, No.3, pp.141-148, June, 2015

원문보기 상세보기
ISO-1940, 1973, Balance Quality of Rotating Rigid Bodies (JUS B 0905, KS B 0612)

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