초록 ▼

본 연구는 75kWe급 마이크로터빈은 비상 빛 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 발전설비 등 그 활용도가 다양하기 때문에 국제적인 각종 규제에 적극 대처해야 되며 이를 위한 차세대 기술로서 앞으로 계속 보완 및 개선되어야 할 사항이 많은 분야이다. 이러한 마이크로터빈은 그

본 연구는 75kWe급 마이크로터빈은 비상 빛 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 발전설비 등 그 활용도가 다양하기 때문에 국제적인 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 국제 사회의 영향력 증대를 위해 반드시 육성해야하는 기술집약적산업임과 동시에 국제적 규제에 능동적으로 대처할 수 있는 차세대 핵심기술이다. 본 기술개발은 시제품을 개발하여 75kW급 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 실시하여 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 목표로 하였다. 마이크로더빈의 성능을 결정하는 압축기와 연소기 및 리큐퍼레이티(recuperator)에 대한 성능평가가 우선 실시되었고, 고속발전기 및 엔진제어장치 그리고 인버터 등과 같은 시스템을 제작하였다. 인버터는 모터링에 이용되며 발전모드일 때는 발생열을 로드뱅크에서 그 열량을 수집하여 모터의 출력을 처리하였다.

Abstract ▼

This study was carried out for two years in order of develop a prototype microturbine, and produce 75 kW class electric power by KTurbo Inc. as a primary group, and KIMM(Korea Institute of Machinery & Materials) and Yonsei University as assignment research groups. In the first year's research, the s

This study was carried out for two years in order of develop a prototype microturbine, and produce 75 kW class electric power by KTurbo Inc. as a primary group, and KIMM(Korea Institute of Machinery & Materials) and Yonsei University as assignment research groups. In the first year's research, the specification of the turbine to be developed was determined, the design of basic shape and experiment for the components were carried out prior to the case of detailed system shape. Performance of components and systematic specifications were evaluated after the specifications of microturbines which were operating or to operate were analyzed and national technical levels were objectively evaluated. Basic shape was designed so as to optimize appliance of already developed components by various cycle analysis, and the components which should satisfy systematic specification were designed. The detailed design was verified by three dimensional numerical analysis. Also apparatus and components for experiment were designed and constructed. In the final second year's research, the objects were performance test of each component, modification of design, reconstruction of microturbine system with verified components, and obtaining electric power to be expected. Performance tests for the compressor, combustor, recuperator which are all the major components to determine system performance were carried out, and the other system components such as high speed generator, engme controller, and inverter, etc. were constructed. The performance test of first prototype was already carried out, and test for redesigned second prototype is in process.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...7
• CONTENTS...10
• 목차...12
• 제1장 서론...18
• 제1절 개발의 개요...18
• 1. 개발의 필요성...18
• 2. 국내외 현황...20
• 3. 기대효과 및 활용방안...23
• 제2절 개발 목표 설정...24
• 1. 연구개발 추진체계...24
• 2. 연구개발 목표설정...26
• 제2장 시스템 설계 및 해석...30
• 제1절 기본형상 설계...30
• 1. 마이크로터빈 개요...30
• 2. 시스템 layout...31
• 제2절 엔진 성능해석...32
• 1. 개발 목표...32
• 2. 사이클 성능해석...33
• 제3장 압축기와 터빈...38
• 제1절 압축기...38
• 1. 압축기 공력설계...38
• 2. 압축기 공력설계 해석 결과...39
• 3. 압축기 성능개선...51
• 4. 압축기 성능실험...62
• 제2절 터빈...66
• 1. 터빈의 개요...66
• 2. 터빈의 공력설계 해석 결과...66
• 3. 터빈의 제작...73
• 제4장 연소기...74
• 제1절 연소기의 개요...74
• 제2절 저 NOx 발생기구 및 저감법...76
• 1. 배가가스 발생기구 및 저감...76
• 2. 저 NOx 저감법...81
• 제3절 연소기 설계...84
• 1. 기본 형상 설계...84
• 2. 설계 결과...97
• 제4절 성능실험 장치 및 방법...98
• 1. 실험 연소기...98
• 2. 실험장치 구성 (상압, 고온)...100
• 3. 실험 방법...102
• 제5절 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
• 제6절 연소기 유동 및 연소특성 해석...120
• 1. 유동특성 전산해석...120
• 2. 연소특성 전산해석...133
• 제7절 결론...147
• 부록...149
• 참고문헌...151
• 제5장 Recuperator...153
• 제1절 개요...153
• 1. 연구개발의 목표 및 필요성...153
• 2. 연구개발의 내용 및 범위...154
• 제2절 연구개발 방법 및 결과...155
• 1. 문헌조사 및 기존 연구 고찰...155
• 2. Compact Heat Exchanger...159
• 3. 수치해석을 통한 설계 자료 도출...162
• 4. 열유동 해석을 통한 설계인자 도출...180
• 5. 열교환기 예비 설계...195
• 6. 열교환기 헤더 개념 설계...214
• 7. 적용 recuperator...220
• 제3절 결론...227
• 참고문헌...228
• 제6장 발전기...229
• 제1절 개요...229
• 1. 모터의 설계...229
• 2. 모터의 제작...232
• 제2절 모터의 성능실험...233
• 1. 실험 방법...233
• 2. 실험 결과...235
• 제7장 임펠러 정밀주조...239
• 제1절 임펠러 주조공정...239
• 1. 설계과정...239
• 2. 임펠러 주조...240
• 3. 임펠러 가공...250
• 4. 임펠러 밸런싱...251
• 제8장 엔진 상세설계...252
• 제1절 엔진의 외형 설계...252
• 1. 1차 설계...252
• 2. 2차 설계...254
• 3. 3차 설계...257
• 4. 외형설계 고찰...260
• 제2절 주요 부품 형상 설계...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. 형상 설계 고찰...269
• 제3절 로터의 구조 설계...269
• 1. 개요...269
• 2. 회전체 구조...270
• 3. 위험속도 해석...270
• 4. 위험속도 고찰...275
• 5. 배관 이음 설계...275
• 제4절 air foil bearing 설계 제작...276
• 1. 개요...276
• 2. 베어링 설계 및 성능실험...278
• 3. 플라즈마 코팅...280
• 4. 향후 계획...281
• 제9장 엔진실험...282
• 제1절 성능실험 장치...282
• 1. 데이터 측정장치...282
• 2. 보기류...283
• 제2절 제어기...287
• 1. 점화제어...287
• 2. 엔진제어기 및 제어로직...288
• 제3절 성능실험...291
• 1. 엔진구조...291
• 2. 성능실험용 엔진...292
• 3. 엔진성능실험 결과...298
• 4. 실험엔진 3호기...303
• 5. 실험엔진 3호기 보완 및 실험결과...304
• 제9장 결론...308
• 특정연구개발사업 연구결과 활용계획서...310
• 연구결과 활용계획서...311
• 기술 요약서...315