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논문 상세정보

초록

본 연구에서는 소형 무인기에 사용되는 초소형 가스터빈 엔진의 연소기를 3D 프린팅으로 제작하고, 시험 설비와 리그를 제작하여 연소기 단품 성능시험을 수행하였다. 연소기 성능시험은 두 가지 부하조건에서 당량비를 조절하여 각 부하조건 별 4가지 시험조건에서 수행하였다. 성능시험 결과 연소기의 압력손실과 출구온도분포는 우수하였지만, 연소가스에서 다량의 UHC와 CO가 검출되어 연소효율은 일반적인 가스터빈 연소기에 비해 아주 낮음을 확인하였다. 성능시험을 통해 획득한 정량적 성능데이터는 향후 3D 프린팅 기술로 성능이 개선된 연소기의 설계와 제작에 활용 할 예정이다.

Abstract

In this study, a set of performance tests on 3D-printed combustor components were carried out to investigate the performance of 3D-printed component and its feasibility for micro gas turbine engines. The test were conducted for four different equivalence ratios under two different engine operating conditions. The measurement results show that the tested combustor had a low total pressure loss coefficient and a uniform exit temperature distribution. However, the combustion efficiency values are less than 93.5% owing to the large amount of UHC and CO, which is considerably lower than a typical gas turbine engine combustor. The performance data obtained from the tests will be used for combustor performance improvements using 3D-printing technology.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3D 프린팅 기술
3D 프린팅 기술을 가스터빈 엔진 제작에 사용할 시 이점은 무엇인가?
기존 가공방식으로는 제작이 어려운 복잡한 형상의 부품도 쉽고, 빠르게 설계, 제작

현재까지 개발된 초소형 가스터빈 엔진은 전통적인 기계가공방식으로 제작되기 때문에 성능은 우수하지만 구조적으로 가볍고 복잡한 형상의 부품 제작에 한계가 있다. 하지만 최근 금속분말 소재를 적층하여 형상을 제작하는 3D 프린팅 기술이 발전하고 관련 산업이 발달함에 따라 기존 가공방식으로는 제작이 어려운 복잡한 형상의 부품도 쉽고, 빠르게 설계, 제작할 수 있어 다양한 분야에 사용되고 있으며, 가스터빈 엔진의 제작 및 연구개발에 이 기술을 활용하려는 시도가 활발히 진행 중이다. 

무인기
무인기는 어떻게 분류되는가?
운용목적, 임무, 비행고도, 이륙중량, 크기, 체공 시간, 기능과 같은 항목에 따라 분류

하지만, 최근 무인기는 항공기술과 관련 산업의 발달로 농업, 수송, 소방, 교통감시와 같은 민간영역으로 활용범위가 확대되고 관련 연구개발이 활발히 수행되고 있다. 무인기는 운용목적, 임무, 비행고도, 이륙중량, 크기, 체공 시간, 기능과 같은 항목에 따라 분류되고 다양한 형태로 존재 한다. 무인기의 추진시스템은 운용목적에 따라 선정되며, 추진시스템의 성능이 무인기의 성공적인 운용에 큰 역할을 한다.

기화기방식
초소형 가스터빈 엔진에 적용되는 기화기방식의 단점은 무엇인가?
연소기내의 연소가능 영역과 길이가 짧아 연소가스의 체류 시간이 상대적으로 짧고, 연료기화기의 분무 효율도 스월 인젝터보다 낮기 때문에 상대적으로 연소효율이 낮게 나타난다

따라서 대부분의 초소형 가스터빈 엔진은 연소기가 작고, 연료 분무 방식도 구조적으로 간단한 기화기방식을 사용 한다. 이러한 방식의 연소기는 연소기내의 연소가능 영역과 길이가 짧아 연소가스의 체류 시간이 상대적으로 짧고, 연료기화기의 분무 효율도 스월 인젝터보다 낮기 때문에 상대적으로 연소효율이 낮게 나타난다. 따라서 이러한 연소기와 기화기의 단점을 연소기와 기화기의 형상 변경을 통해 성능을 개선하기 위한 연구가 시도 되고 있다[2-4].

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참고문헌 (10)

  1. 1. Jun, Y.M., Kang, J.S., Kang, Y.S. and Rhee, D.H., "Below 100KW Micro Gas Turbine Engine Modeling, "The 44th Conference of the Korean Society of Propulsion Engineers, Korea, May 28-29, 2015. 
  2. 2. Fabian F., Vitus M, Nicolas N, Thorsten R, Magnus Z and Andreas H, "Challenges in designing very small jet engines-fuel distribution and atomization," International Symposium on Teansport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Hawaii, Honolulu, April 10-15, 2016. 
  3. 3. Andre J. O., "An Experimental and numerical investigation of vaporizer tubes associated with micro gas turbine," Master thesis, Stellenbosch University. 2015. 
  4. 4. Bronwync. M "The Preliminary Design of an Annular Combustor for a Mini Gas Turbine, "The 22nd International Symposium on Air Breathing Engines, ISABE 2015-20032, 2015. 
  5. 5. Rhee, D.H. and Huh, J.S., "Study on 3D printing Based Technology for small Gas Turbine Engine of UAVs, "The Conference of Korea Society of Fluid Machinery, Korea, 2017. 
  6. 6. Jetcat products manual, "Jetcat-P300-RX ", World Wide Web Location http://www.jetcat.de/en/productdetails/, 2019. 
  7. 7. Haraldhtw, "Model R/C Turbines, "World Wide Web Location https://www.youtube.com/watch?vI3jE-PXV-68, 2011. 
  8. 8. Lefebvre A., H., "Gas Turbine Combustion, "Hemisphere publish corporation, New York, USA, 1983. 
  9. 9. Horiba Ltd., "General-Purpose Gas Analyzer unit VA-3000, "HORIBA, Ltd. 2002. 
  10. 10. Horiba Ltd., "General-Purpose Gas Analyzer unit VS-3000, "HORIBA, Ltd. 2003. 

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