[논문 리뷰] A Silicon-Based Micro Gas Turbine Engine for Power Generation

Xuechuan Shan, Z.-F. Wang외 4명|ArXiv.org|2007. 11. 21.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 휴대용 전력 생성을 위한 실리콘 기반 마이크로 가스 터빈 엔진을 제시하며, 일곱 층으로 구성된 마이크로 연소기와 향상된 공기 베어링을 갖춘 마이크로 터빈을 통합하였다. 1600 K에서 안정적인 연소를 달성하고 압축 공기 조건에서 15,000 rpm의 회전을 구현하여, 편광 전환을 이용한 MEMS 척도 에너지 시스템의 실현 가능성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 전력 생성을 위한 소형 실리콘 기반 마이크로 가스 터빈 엔진 개발.
• 실리콘 마이크로머킨 기반 기술을 활용해 마이크로 척도 연소기에서 안정적이고 고온의 연소를 실현.
• 고속 작동을 위한 향상된 공기 베어링을 갖춘 마이크로 터빈의 설계 및 시험.
• 마이크로 연소기와 터빈의 통합 성능을 통해 에너지 변환 성능을 입증.
• MEMS 척도 가스 터빈 시스템에서 편광 전환을 통한 에너지 수확의 실현 가능성 탐색.

제안 방법

• 헤어핀형 연료/공기 순환 채널을 갖춘 일곱 층 실리콘 마이크로 연소기의 설계 및 제작.
• 컴ponent 기하학적 구조와 열성능 최적화를 위한 수치 시뮬레이션 활용.
• 마이크로 터빈에 향상된 마이크로 공기 베어링을 구현하여 마찰을 감소시키고 고속 회전 가능성을 확보.
• 압축 공기를 이용해 마이크로 터빈의 회전 속도와 안정성을 평가하기 위한 시험.
• 마이크로 연소기와 터빈을 통합해 기능성 마이크로 가스 터빈 시스템 제작.
• 기계적 진동에서 전기 에너지 수확을 위한 가능성을 고려해 편광 전환기 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반 마이크로 연소기는 1500 K를 초과하는 온도에서 안정적인 연소를 유지할 수 있는가?
• RQ2 MEMS 척도 시스템에서 향상된 공기 베어링을 갖춘 마이크로 터빈이 도달할 수 있는 최대 회전 속도는 얼마인가?
• RQ3 헤어핀형 연료/공기 순환 채널은 마이크로 척도에서 연소 안정성을 향상시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 통합된 마이크로 가스 터빈 시스템은 실용적인 전력 생성을 위해 충분한 열적 및 기계적 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ5 실리콘 기반 MEMS로 가스 터빈 구성 요소를 축소 설계할 때의 주요 설계 상충 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 일곱 층 실리콘 마이크로 연소기는 배기 온도 1600 K에서 안정적인 연소를 달성하였다.
• 마이크로 터빈은 실험실 조건에서 압축 공기를 이용해 15,000 rpm의 회전 속도를 도달하였다.
• 헤어핀형 연료/공기 순환 채널은 혼합성과 연소 안정성을 효과적으로 향상시켰다.
• 종합적인 시뮬레이션을 통해 열 및 유체 역학 성능 향상을 위한 구성 요소 기하학적 최적화가 가능해졌다.
• 마이크로 연소기와 터빈의 통합은 실리콘 기반 마이크로 가스 터빈의 전력 생성 실현 가능성을 입증하였다.
• 고속 기계적 출력 덕분에 시스템은 편광 전환 에너지 수확의 잠재력을 보였다.