MEMS를 이용한 초소형 가스터빈엔진 원심압축기의 최적화

Abstract

휴대폰, 태블릿, 노트북 등의 다양한 모바일 기기들은 최근 소형화 및 다기능화 되고 있으며, 이를 구동하기 위한 에너지양은 점차 증가하고 있다. 위와 같은 모바일 기기들의 에너지 공급원으로 현재는 일차 및 이차 전지가 사용되고 있다. 그러나 전지의 기술은 이러한 모바일 기기들이 요구하는 에너지양을 충족시키지 못하고 있어 새로운 출력원의 필요가 대두되고 있다. 마이크로 가스터빈엔진(MGT)은 최근 활발히 개발되고 있는 배터리를 대체할 수 있는 다양한 종류의 마이크로 전력원 중 하나로(2) 부피대비 에너지 출력과 효율이 배터리보다 월등히 높아 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 초소형 가스터빈은 소형화에 적합한 MEMS기술을 기반으로 하여 연구되었으나 제작상의 어려움과 열 차폐 문제 등으로 인하여 가스터빈 전체 자립운전을 구현하는데 어려움을 겪었다. 이를 개선하기 위한 방법으로 본 논문에서는 MEMS공정과 정밀 기계가공 공정을 혼합하여 제작의 용이성을 개선하고, 압축기와 터빈 사이의 열차폐를 개선하기 위해 축을 삽입한 새로운 하이브리드 타입의 초소형 가스터빈 엔진을 제안하였다. 먼저 가스터빈 전체의 사이클 해석을 통해 2W급 초소형 가스터빈 엔진의 요구 사양을 결정하였고, 이를 만족시키는 압축기, 터빈 각 부품의 1차원 설계를 수행하였다. 압축기와 터빈의 2차원 형상 설계를 수행하고 이를 상용 소프트웨어 ANSYS CFX를 통해 성능을 예측한 결과 1차원 설계 값과 일치하였다. CFX를 통해 압축기의 경우 팁 간극의 변화와 압축기 날개 표면 온도에 따른 성능 변화를 예측한 결과, 팁 간극이 증가할 경우 특이점 없이 선형적으로 성능이 감소하였고, 날개 표면 온도에 따라 압축기의 압력비 및 효율이 감소하였다. 이에 통해 가스터빈의 고열을 차단할 수 있는 차폐 수단이나 냉각 수단의 도입이 필수적임을 알 수 있다. 연소기 및 터빈에서 발생하는 열원이 압축기에 도달하는 열전달 경로는 크게 두 군데로 나뉜다. 첫 번째는 터빈 날개를 통해 전달된 열원이 축을 통해 전도되어 압축기 날개로 도달하는 것이다. 두 번째는 연소기 외벽을 통해 압축기 케이스로 열이 전도되고 벽면에서 대류를 통해 압축기 내부 온도가 상승하는 경우이다. 두 번째 열전달 경로는 연소기 외벽을 통해 전도되는 열이 가스터빈 외부의 공기와 닿아 상당 부분이 외벽으로 빠져나가 실질적인 영향은 미미할 것으로 예측하였다. 따라서 본 논문에서는 첫 번째 열전달 경로에 대한 열전달 해석을 수행하였다. 본 논문의 가스터빈의 축에는 공기 정적 베어링이 축과 압축기 및 터빈 날개 아래쪽에 설치되어 있어 이 베어링을 통해 공급되는 공기로 인해 축이 냉각되는 효과를 얻을 수 있다. 축 및 압축기와 터빈날개에서의 열전달 계수를 CFD 해석 결과를 통해 계산한 후 이를 이용하여 다중물리해석 프로그램 COMSOL을 사용하여 열전달 현상을 해석하였다. 그 결과 터빈날개를 통해 전달되는 고 열원이 축을 통해 전도되는 과정에서 공기 베어링을 통해 냉각이 효과적으로 이루어져 압축기 날개 끝에서의 온도가 150도 이하로 감소하는 것으로 분석하였다. 따라서 압축기 날개의 온도상승으로 인한 압축기 전체의 성능 감소가 미미할 것으로 분석하였고, 또한 가스터빈을 통해 발전이 가능할 것으로 예측하였다. 압축기의 단일 성능을 평가하기 위해 별도의 모터를 사용하여 압축기를 구동, 성능을 측정하였다. 모터를 사용하여 기준 회전속도인 50만 RPM의 80%까지 구동하여 유량에 따른 전압력비를 측정한 결과 CFX 해석결과와 유사한 결과를 나타내었다. 통합 마이크로 가스터빈의 발전가능성을 검증하기 위해 성능실험을 수행하였다. 압축기에 압축공기를 주입하여 작동 후, 수소를 수입하여 연소시켜 최초 점화하여 설계유량까지 유량을 증가시켜 발전이 이루어짐을 보았다. 압축기의 성능을 향상시키기 위해 최적화를 수행하였다. 압축기 날개의 camber line을 따라 각도와 두께를 Bezier curve로 표현하고 총 5개의 설계변수를 선정하였다. Box-Behnken의 DOE를 사용하여 총 46개의 실험점을 구해 CFX를 사용하여 성능을 해석하였다. 해석결과를 바탕으로 2차 다항식 기반의 반응면을 전효율과 전압력비에 대해 각각 생성하였다. 이를 유전 알고리즘으로 최적화 하여 총 200세대의 진화 끝에 전효율과 전압력비에 대한 상관관계를 밝히고 최종 최적화 압축기 형상을 도출하였다. 또한 최적화 압축기 형상을 실제 제작하여 기존 압축기와 동일한 성능실험을 수행한 결과, 수치해석결과와 동일하게 전 유량영역에서 압력비가 상승하였다.

A new concept of a hybrid type micro gas turbine was designed, fabricated, and tested. It contained an MEMS based turbine, a compressor, a generator, and a CNC based air bearing. An overall cycle analysis was carried out to determine baseline system parameters. One dimensional design and two dimensional impeller design of a turbocharger were carried out. Both turbine and compressor performance were predicted using ANSYS CFX 13. Effects of tip clearance and compressor wall temperature were analysed. A heat transfer analysis was carried out using COMSOL Multiphysics software: a sufficient cooling effect was predicted. The performance test of a compressor was carried out to verify the CFD analysis. A final ignition test for a micro gas turbine is carried out to verify that electric power was achieved. A centrifugal compressor was optimized using a multi-objective genetic algorithm (MOGA). Five variables were selected through the sensitivity analysis. To reduce the optimization time, a response surface method was coupled to MOGA. Second-order regression surrogate models for efficiency and pressure ratio were computed using the design-of-experiment method (DOE). An optimization procedure selected an equal combination of efficiency and pressure ratio as the objective function. An optimized solution predicted 4.12% and 0.43% improvement of efficiency and pressure ratio, respectively; the difference between predicted and measured values was < 5%. The optimized compressor was verified through performance test.