초록 ▼

본 연구는 75kWe급 마이크로터빈은 비상 및 분산발전을 목적으로 개발되었으며, 산간도서나 기존의 시스템과 연계하여 전력의 유연성을 확보하여 안정적인 전력공급을 실시하고자 하며, 이러한 개발을 통해 기존의 설계기술을 한 단계 올리고 관련기술을 구축하는 것이다.
마이크로터빈은 고부가가치의 기술집약적 산업으로 그 효용성이 크며 산업구조의 고도화를 달성하고 국가 경쟁력을 높이는데 반드시 필요한 핵심기술이다. 마이크로터빈 기술은 소형 발전설비 등 그 활용도가 다양하기 때문에 국제저인 각종 규제에 적극 대처해야 되며 이를 위한 차세대

본 연구는 75kWe급 마이크로터빈은 비상 및 분산발전을 목적으로 개발되었으며, 산간도서나 기존의 시스템과 연계하여 전력의 유연성을 확보하여 안정적인 전력공급을 실시하고자 하며, 이러한 개발을 통해 기존의 설계기술을 한 단계 올리고 관련기술을 구축하는 것이다.
마이크로터빈은 고부가가치의 기술집약적 산업으로 그 효용성이 크며 산업구조의 고도화를 달성하고 국가 경쟁력을 높이는데 반드시 필요한 핵심기술이다. 마이크로터빈 기술은 소형 발전설비 등 그 활용도가 다양하기 때문에 국제저인 각종 규제에 적극 대처해야 되며 이를 위한 차세대 기술로서 앞으로 계속 보완 및 개선되어야 할 사항이 많은 분야이다. 이러한 마이크로터빈은 그 파급효과가 매우 크기 때문에 국가기술력 및 국제사회의 영향력 증대를 위해 반드시 육성해야하는 기술집약적산업임과 동시에 국제적 규제에 능동적으로 대처할 수 있는 차세대 핵심 기술이다.
본 기술개발은 시제품을 개발하여 75㎾급 전력을 생산하는 것을 최종목표로 한국터보기계(주)가 주관이 되어 위탁연구기관인 한국기계연구원과 연세대학교를 구성된 산학연 개발추진체계를 구성하고 총 2년도에 걸쳐 개발을 수행하였다, 현재 국내외에 보급되거나 활용예정인 마이크로터빈의 사양들을 정리하고 국내 기술수준 등을 객관적으로 평가하여 구성품의 성능 및 시스템 사양을 도출하였다. 기본 형상설계는 우선 시스템에 대한 사이클 해석을 다각도로 실실하여 개발된 제품의 활용도를 극대화시켰으며 시스템 사양을 만족할 수 있는 구성품에 대한 설계를 수행하였다. 또한 상세설계는 3차원 전산해석을 병행하여 설계를 검증함으로써 각 구성품에 대한 설계를 확정하였다. 2차년도에서는 구성품에 대한 성능실험을 실시하여 설계를 보완하고 성능검증된 구성품을 조립하여 마이크로터빈 시스템을 구동하여 출력을 얻는 것을 목표를 하였다. 마이크로터빈의 성능을 결정하는 압축기와 연소기 및 리큐퍼레이티(recuperator)매 대한 성능-평가가 우선 실시되었고, 고속발전기 및 엔진제어장치 그리고 인버터 등과 같은 시스템을 제작하였다. 인버터는 모터링에 이용되며 발전모드일 때는 발생열을 로드뱅크에서 그 열량을 수집하여 모터의 출력을 처리하였다.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...18
• 제 1 절 개발의 개요...18
• 1. 개발의 필요성...18
• 2. 국내외 현황...20
• 3. 기대효과 및 활용방안...23
• 제 2 절 개발 목표 설정...24
• 1. 연구개발 추진체계...24
• 2. 연구개발 목표설정...26
• 제 2 장 시스템 설계 및 해석...30
• 제 1 절 기본형상 설계...30
• 1. 마이크로터빈 개요...30
• 2. 시스템 layout...31
• 제 2 절 엔진 성능해석...32
• 1. 개발 목표...32
• 2. 사이클 성능해석...33
• 제 3 장 압축기와 터빈...38
• 제 1 절 압축기...38
• 1. 압축기 공력설계...38
• 2. 압축기 공력설계 해석결과...39
• 3. 압축기 성능개선...51
• 4. 압축기 성능실험...62
• 제 2 절 터빈...66
• 1. 터빈의 개요...66
• 2. 터빈의 공력설계 해석결과...66
• 3. 터빈의 제작...73
• 제 4 장 연소기...74
• 제 1 절 연소기의 개요...74
• 제 2 절 저 NOx 발생기구 및 저감법...76
• 1. 배기가스 발생기구 및 저감...76
• 2. 저 NOx 저감법...81
• 제 3 절 연소기 설계...84
• 1. 기본형상 설계...84
• 2. 설계결과...97
• 제 4 절 성능실험 장치 및 방법...98
• 1. 실험 연소기...98
• 2. 실험 장치 구성 (상압고온)...100
• 3. 실험 방법...102
• 제 5 절 연소기 성능실험 및 결과...102
• 1. 기존 연소기와 저 NOx 연소기의 비교...102
• 2. 주연소 영역에서의 연소특성...104
• 3. 저 NOx 연소기의 연소특성...110
• 4. 연료 스케줄 관련 화염안정성 실험...118
• 제 6 절 연소기 유동 및 연소특성 해석...120
• 1. 유동특성 전산해석...120
• 2. 연소특성 전산해석...133
• 제 7 절 결론...147
• 부록...149
• 참고문헌...151
• 제 5 장 Recuperator...153
• 제 1 절 개요...153
• 1. 연구개발의 목표 및 필요성...153
• 2. 연구개발의 내용 및 범위...154
• 제 2 절 연구개발 방법 및 결과...155
• 1. 문헌조사 및 기존 연구고찰...155
• 2. Compact Heat Exchanger...159
• 3. 수치해석을 통한 설계자료 도출...162
• 4. 열유동 해석을 통한 설계인자 도출...180
• 5. 열교환기 예비설계...195
• 6. 열교환기 헤더 개념설계...214
• 7. 적용 recuperator...220
• 제 3 절 결론...227
• 참고문헌...228
• 제 6 장 발전기...229
• 제 1 절 개요...229
• 1. 모터의 설계...229
• 2. 모터의 제작...232
• 제 2 절 모터의 성능실험...233
• 1. 실험 방법...233
• 2. 실험 결과...235
• 제 7 장 임펠러 정밀주조...239
• 제 1 절 임펠러 주조공정...239
• 1. 설계과정...239
• 2. 주조...240
• 3. 가공...250
• 4. 밸런싱...251
• 제 8 장 엔진 상세설계...252
• 제 1 절 엔진 외형설계...252
• 1. 1차 설계...252
• 2. 2차 설계...254
• 3. 3차 설계...257
• 4. 외형설계 고찰...260
• 제 2 절 주요 부품 형상설계...260
• 1. 개요...260
• 2. 압축기 임펠러...261
• 3. 터빈 임펠러...262
• 4. 엔진 디스크...265
• 5. 엔진 샤프트...266
• 6. 엔진 로터 디스크...267
• 7. 형상설계 고찰...269
• 제 3 절 로터의 구조설계...269
• 1. 개요...269
• 2. 회전체 구조...270
• 3. 위험속도 해석...270
• 4. 위험속도 고찰...275
• 5. 배관이음 설계...275
• 제 4 절 air foil bearing 설계 제작...276
• 1. 개요...276
• 2. 베어링 설계 및 성능실험...278
• 3. 플라즈마 코팅...280
• 4. 향후 계획...281
• 제 9 장 엔진실험...282
• 제 1 절 성능실험 장치...282
• 1. 데이터 측정 장치...282
• 2. 보기류...283
• 제 2 절 제어기...287
• 1. 점화제어...287
• 2. 엔진제어기 및 제어로직...288
• 제 3 절 성능실험...291
• 1. 엔진구조...291
• 2. 성능실험용 엔진...292
• 3. 엔진성능실험 결과...298
• 4. 실험엔진 3호기...303
• 5. 실험엔진 3호기 보완 및 실험결과...304
• 제 9 장 결론...308
• 연구결과 활용계획서...310
• 기술 요약서...315