[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于硅的微型燃气轮机发动机，用于便携式发电，集成了七层微型燃烧室与具备增强气浮轴承的微型涡轮机。其在1600 K下实现稳定燃烧，并在压缩空气驱动下实现15,000 rpm的旋转，展示了利用压电转换技术实现MEMS尺度能量系统的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑的基于硅的微型燃气轮机发动机，用于片上发电。
• 通过硅微加工技术实现在微型燃烧室中稳定、高温燃烧。
• 设计并测试具备增强气浮轴承的微型涡轮机，以实现高速运转。
• 展示微型燃烧室与涡轮机集成后的能量转换性能。
• 探索在MEMS尺度燃气轮机系统中实现压电能量转换的可行性。

提出的方法

• 设计并制造具有螺旋形燃料/空气再循环通道的七层硅基微型燃烧室。
• 利用计算仿真优化部件几何结构与热性能。
• 在微型涡轮机中采用增强型微气浮轴承，以降低摩擦并实现高速旋转。
• 在压缩空气条件下测试微型涡轮机，以评估转速与稳定性。
• 将微型燃烧室与涡轮机集成，构成功能完整的微型燃气轮机系统。
• 采用压电转换器，以实现从机械振动中捕获电能的潜在可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于硅的微型燃烧室能否在超过1500 K的温度下维持稳定燃烧？
• RQ2 在MEMS尺度系统中，具备增强气浮轴承的微型涡轮机可实现的最高转速是多少？
• RQ3 螺旋形燃料/空气再循环通道在微尺度下对促进稳定燃烧的效果如何？
• RQ4 集成的微型燃气轮机系统能否实现满足实际发电需求的热力与机械性能？
• RQ5 将燃气轮机部件缩小至基于硅的MEMS尺度时，关键的设计权衡是什么？

主要发现

• 七层硅基微型燃烧室实现了稳定燃烧，出口温度达1600 K。
• 在实验室测试中，微型涡轮机在压缩空气驱动下达到15,000 rpm的转速。
• 螺旋形燃料/空气再循环通道有效提升了混合效果与燃烧稳定性。
• 全面的仿真分析实现了部件几何结构的优化，提升了热力与流体性能。
• 微型燃烧室与涡轮机的集成证明了基于硅的微型燃气轮机在发电方面的可行性。
• 由于具备高速机械输出，该系统在压电能量转换方面展现出潜在应用前景。