[論文レビュー] A Silicon-Based Micro Gas Turbine Engine for Power Generation

Xuechuan Shan, Z.-F. Wang+4 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Combustion and flame dynamics参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、シリコンベースのマイクロガスタービンエンジンを提案し、7層構造のマイクロコンバスターと強化空圧ベアリングを備えたマイクロタービンを統合している。1600 Kで安定した燃焼を達成し、圧縮空気を用いて15,000 rpmの回転を実現した。これは、圧電変換を用いたMEMSスケールのエネルギーシステムの実現可能性を示している。

ABSTRACT

This paper reports on our research in developing a micro power generation system based on gas turbine engine and piezoelectric converter. The micro gas turbine engine consists of a micro combustor, a turbine and a centrifugal compressor. Comprehensive simulation has been implemented to optimal the component design. We have successfully demonstrated a silicon-based micro combustor, which consists of seven layers of silicon structures. A hairpin-shaped design is applied to the fuel/air recirculation channel. The micro combustor can sustain a stable combustion with an exit temperature as high as 1600 K. We have also successfully developed a micro turbine device, which is equipped with enhanced micro air-bearings and driven by compressed air. A rotation speed of 15,000 rpm has been demonstrated during lab test. In this paper, we will introduce our research results major in the development of micro combustor and micro turbine test device.

研究の動機と目的

• オンチップでの電力発電を目的としたコンactで小型化されたシリコンベースのマイクロガスタービンエンジンの開発。
• シリコンマイクロマシニングを用いたマイクロスケールコンバスターで、安定した高温度燃焼を実現すること。
• 高回転動作に適した強化空圧ベアリングを備えたマイクロタービンの設計および試験。
• マイクロコンバスターとタービンの統合的性能を実証し、エネルギー変換を実現すること。
• MEMSスケールのガスタービンシステムにおける圧電エネルギー変換の実現可能性の検討。

提案手法

• ヘアピン形状の燃料・空気循環チャネルを備えた7層構造のシリコンマイクロコンバスターの設計およびプロトタイピング。
• コンponentの幾何形状および熱的性能の最適化のための計算シミュレーションの実施。
• マイクロタービンに強化マイクロ空圧ベアリングを導入し、摩擦低減と高回転動作の実現を図った。
• 圧縮空気を用いた実験により、マイクロタービンの回転速度および安定性を評価した。
• マイクロコンバスターとタービンを統合し、機能的なマイクロガスタービンシステムを構築した。
• 機械的振動からの電気エネルギー回収を想定し、圧電変換器を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンベースのマイクロコンバスターは1500 Kを超える温度で安定した燃焼を維持できるか？
• RQ2 MEMSスケールのシステムにおいて、強化空圧ベアリングを備えたマイクロタービンが達成可能な最大回転速度は何か？
• RQ3 ヘアピン形状の燃料・空気循環チャネルは、マイクロスケールでの安定燃焼を促進するのにどの程度効果的か？
• RQ4 統合されたマイクロガスタービンシステムは、実用的な電力発電に必要な十分な熱的・機械的性能を有しているか？
• RQ5 ガスタービン部品をシリコンベースのMEMSにスケーリングダウンする際の主な設計トレードオフは何か？

主な発見

• 7層構造のシリコンマイクロコンバスターは、出口温度1600 Kで安定した燃焼を達成した。
• マイクロタービンは、圧縮空気を用いた実験で15,000 rpmの回転速度に達した。
• ヘアピン形状の燃料・空気循環チャネルは、混合効果と燃焼安定性の向上に効果的であった。
• 包括的なシミュレーションにより、熱的および流体的性能の向上を図った部品の幾何形状最適化が可能になった。
• マイクロコンバスターとタービンの統合により、電力発電に適したシリコンベースのマイクロガスタービンの実現可能性が示された。
• 高回転の機械的出力のおかげで、システムは圧電エネルギー変換の可能性を示している。