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1 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호, pp. 1207~1214, 2011 년 12 월 학술논문 유체공학부문 500W 급발전용초소형가스터빈설계 Design of 500W Class UMGT for Power Generation 서정민 * 최범석 * 박준영 * 박철훈 ** 김유일 *** JeongMin Seo Bum Seok Choi Jun Young Park Cheol Hoon Park You Il Kim Abstract Design of 500W class UMGT(Ultra Micro Gas Turbine) for power generation is conducted. Basic design parameters are obtained by cycle analysis. Off-design performances are predicted by 1D aerodynamic design and 1D performance analysis of compressor and turbine. 3D impellers are designed and 3D performance analysis is carried out to predict the performance characteristics of UMGT. 1D and 3D performance analysis show similar results. Structure analysis is conducted to select materials. Titanium Alloy is proposed for structural stability. Keywords : UMGT( 초소형가스터빈 ), Micro Gas Turbine( 마이크로가스터빈 ), Aerodynamic Design( 공력설계 ) 1. 서론최근산업및사회전반에걸쳐장시간사용이가능한휴대용동력원의필요성이크게증가하고있다. 사용가능한동력원의방식으로는연료전지, 리튬이온충전지등다양하다. 또한마이크로가공기술의급속한발전과더불어마이크로동력발생장치 (MPG : Micro or Mobile Power Generator) 의개발가능성이높아지고있다. MPG는원리, 제작방식, 에너지원의종류및출력용량에따라다양하게분류될수있다. 하지만적용처에따라서선호되는방식이나적용될수있는종류는제한적인경우가많다. 예를들면 Fig. 1에서보 는바와같이 MP3 플레이어, 무선전화기, 디지털카메라등의일반디지털기기의경우에는소비전력이 0.1~10W 영역이며, 노트북의경우에는 10~100W 수준이나, 모터등을이용한구동장치를가지는인형로보트, 전동공구, 전동스쿠터등은 100W 이상의소비전력을가진다 년 8 월 2 일접수 ~2011 년 11 월 4 일게재승인 * 한국기계연구원 (KIMM) 에너지기계연구실 ** 한국기계연구원 (KIMM) 로봇메카트로닉연구센터 *** 국방과학연구소 (ADD) 1 기술본부 5 부책임저자 : 서정민 (jmseo@kimm.re.kr) Fig. 1. 대표적인 Mobile 기기의소비전력과전력량 최근에는로봇과같이에너지밀도뿐만아니라출력밀도도높은동력원을요구하는적용처에적합한 MPG 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 ) / 1207

2 서정민 최범석 박준영 박철훈 김유일 의개발도이루어지고있는데, 그러한고에너지밀도와고출력밀도의특징을갖는대표적인마이크로동력발생장치가바로초소형가스터빈 (UMGT : Ultra Micro Gas Turbine) 이다 [1]. UMGT는로봇의동력원뿐만아니라군사용장비로의활용가치도높다. 미국 MPG 전문가들이군사용장비에적합한 MPG 후보들을비교분석한연구보고서에의하면단시간동안 20W급의동력을필요로할경우에는유력한 MPG로스터링엔진과연료전지가있으나장시간사용할경우스터링엔진과내연기관이유리하다고한다. 또한, 100W급동력을필요로할경우내연기관, 스터링엔진이동력원으로유리하나 500W급이상의군사용장비의전원공급장치로는 UMGT가유리하다고알려져있다. 500W급의마이크로터빈발전기는무기체계분야에서초소형무인항공기, 무인로봇, 분대 / 소대급전원공급및충전용발전기로활용이가능하고, 민수분야에서는민수용로봇, 휴대용발전기, 골프카트의동력원으로활용이가능하다. 중대형가스터빈은높은연소가스온도와그에부합하는냉각및열관리기술의발전에따라 40% 의효율을눈앞에두고있다. 그러나소형가스터빈의경우공간의제약으로인하여시스템의부분별온도를관리하기매우어려운구조를가지고있다. 이로인해발생하는낮은연소온도와열손실은소형가스터빈의실용화에가장큰장애물로작용하고있다. 마이크로터빈구성품열설계기술및초소형고효율열교환기기술은이러한소형가스터빈의효율및출력을향상시킬수있는핵심기술로이용될수있다. 본연구는 500W급초소형가스터빈발전기의개발을위한열역학적사이클해석, 압축기및터빈의공력설계와특성시험장치에대하여다루고자한다. 2. UMGT 사이클해석본연구에서개발하는초소형터빈발전기는출력이 500W급인휴대가능한크기의초소형터빈이다. UMGT의사이클해석은 GasTurb11 프로그램을사용하였다 [2]. 열교환기를적용한 1축터빈을모형으로하여사이클해석을수행하였다 [3]. 사이클해석을위해서는 UMGT의구성품인발전기, 압축기, 연소기, 터빈, 열교환기등에대한가정이필요하다. Table 1은 사이클해석을위한가정조건이다. 휴대성을극대화 하기위한초소형터빈이기때문에기존의터빈에비 해크기가매우작다는점을고려하여가정하였다. 일 반적으로크기가작으면작을수록유체기계즉압축 기, 터빈등의효율을낮아진다. 따라서기존의유체 기계의효율보다낮을효율값을가지도록가정하였다. 이런가정을바탕으로사이클해석을수행하였다. 그 결과 Table 2의압축기및터빈의기본설계사양을 도출하였다. Table 1. UMGT 사이클해석을위한가정조건 항목 단위 값 발전기효율 % 80 압축기효율 % 68 연소기효율 % 90 터빈효율 % 70 압축비 3.0 터빈입구온도 K 1200 연소기입구압력저하 % 2 연소기내의압력저하 % 3 터빈출구압력저하 % 4 Table 2. 압축기및터빈기본설계사양 항목 단위 값 공통 질량유량 kg/s 0.02 축직경 mm 6 회전수 rpm 400,000 압축기 입구온도 K 입구압력 Pa 101,315 압력비 (TT) 3.0 효율 (TT) % 68 터빈 입구온도 K 1,200 입구압력 Pa 286,000 압력비 (TT) rpm 2.6 효율 (TT) % / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 )

500W 급발전용초소형가스터빈설계 사이클해석결과를바탕으로기계적개략도를작성한다. 개략도작성에는압축기 3:1의초소형 diffuser -less 원심압축기를적용하고터빈입구온도 1,200 K 조건에서도사용가능한초소형구심터빈을사용한다. 사이클효율을위해원심형의열교환기를적용하고공간절약을위해원통형연소기를적용하도록구성하였다.

2에서보는바와같이발전기, 원심형압축기, 연소기, 구심형터빈, 열교환기로구성되어있다. 한다. 압축기는크기를최소화하기위하여 vaneless diffuser를채택하였다. Table 3은 1D 형상설계의결과를보여주고, Fig. 4는압축기및터빈의자오면형상을보여준다. Fig. 3. 압축기및터빈설계및해석흐름도 Table 3.

3 500W 급발전용초소형가스터빈설계 사이클해석결과를바탕으로기계적개략도를작성한다. 개략도작성에는압축기 3:1의초소형 diffuser -less 원심압축기를적용하고터빈입구온도 1,200 K 조건에서도사용가능한초소형구심터빈을사용한다. 사이클효율을위해원심형의열교환기를적용하고공간절약을위해원통형연소기를적용하도록구성하였다. 또한휴대성을높이기위해부피를최소화하는설계가적용되었고, 조립의편의성까지고려하여연소기와열교환기가터빈의뒤쪽원주방향으로배치하는설계가적용되었다. 또한연소기및터빈에의해발생하여축을따라발전기에전달되는열의영향을최소화하기위해압축기에공급될공기는발전기를통하도록설계하였다 [4]. 작성된개략도는 Fig. 2에서보는바와같이발전기, 원심형압축기, 연소기, 구심형터빈, 열교환기로구성되어있다. 한다. 압축기는크기를최소화하기위하여 vaneless diffuser를채택하였다. Table 3은 1D 형상설계의결과를보여주고, Fig. 4는압축기및터빈의자오면형상을보여준다. Fig. 3. 압축기및터빈설계및해석흐름도 Table 3. 압축기및터빈 1D 형상설계결과 항목 단위 값 압축기 날개수 7+7 출구각 deg -43 팁간격 mm 0.1 총압력비 효율 (TS Isentropic) % Fig. 2. UMGT 개략도 3. 1D 설계및성능해석결정된설계사양에대하여압축기및터빈의내부유로, 블레이드형상, 디퓨져, 출구요소부의형상등을결정하였다. 주어진설계사양을바탕으로 1D 설계및성능해석, 3D 설계및성능해석, 3D 구조해석을반복적으로수행하여최적화의과정을거친다 [5]. Fig. 3은이러한과정을도식화하여보여준다. 압축기 1D 설계는 NREC사의 COMPAL 프로그램을사용하였고터빈 1D 설계는 NREC사의 RITAL 프로그램을사용하였다 [6,7]. 이들프로그램을이용하여 1D 설계는일차원적인평균유선법으로공력설계를수행 Input Power W 2910 터빈 날개수 8 출구각 deg -43 팁간격 mm 0.1 압력비 (TT) 2.52 압력비 (TS) 2.98 효율 (TS Isentropic) % 70.0 Output Power W 4521 터빈노즐날개수 14 기준반경 mm 16 출구각 deg 73.9 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 ) / 1209

서정민 최범석 박준영 박철훈 김유일 Fig. 5는압축기의 1D 성능해석에의한탈설계점에서의성능예측곡선을보여주며, 충분히안정적인운전영역을확보하고있음을알수있다. Fig. 6은터빈의 1D 성능해석에의한탈설계점에서의성능예측곡선을보여주며, 터빈또한충분히안정적인운전영역을확보하고있음을보여준다.

5 1D, 50% Design Speed 1D, 60% Design Speed 1D, 70% Design Speed 1D, 80% Design Speed 1D, 90% Design

025 Mass Flow Rate(kg/s) 1 0.8 Efficiency 0.6 0.

Speed 1D, 100% Design Speed 0.2 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Mass Flow Rate(kg/s) Fig. 6.

5 3 1D, 50% Design Speed 1D, 60% Design Speed 1D, 70% Design Speed 1D, 80% Design Speed 1D, 90%

4 서정민 최범석 박준영 박철훈 김유일 Fig. 5는압축기의 1D 성능해석에의한탈설계점에서의성능예측곡선을보여주며, 충분히안정적인운전영역을확보하고있음을알수있다. Fig. 6은터빈의 1D 성능해석에의한탈설계점에서의성능예측곡선을보여주며, 터빈또한충분히안정적인운전영역을확보하고있음을보여준다. Fig. 4. 자오면형상 : ( 좌 ) 압축기, ( 우 ) 터빈 D, 50% Design Speed 1D, 60% Design Speed 1D, 70% Design Speed 1D, 80% Design Speed 1D, 90% Design Speed 1D, 100% Design Speed Total Pressure Ratio Mass Flow Rate(kg/s) Efficiency D, 50% Design Speed 1D, 60% Design Speed 1D, 70% Design Speed 1D, 80% Design Speed 1D, 90% Design Speed 1D, 100% Design Speed Mass Flow Rate(kg/s) Fig. 6. 터빈 1D 성능예측곡선도 : ( 상 ) 효율, ( 하 ) 부피유량 D, 50% Design Speed 1D, 60% Design Speed 1D, 70% Design Speed 1D, 80% Design Speed 1D, 90% Design Speed 1D, 100% Design Speed 4. 3D 설계및성능해석 Power(kW) Mass Flow Rate(kg/s) Fig. 5. 압축기 1D 성능예측곡선도 : ( 상 ) 전압력비, ( 중 ) 효율, ( 하 ) 출력 1D 설계를바탕으로 ANSYS사의 Bladegen을이용하여압축기및터빈임펠러의 3D 형상설계를수행하였다. 설계된형상은 Fig. 7에나타낸다. 설계된 3D 형상은 ANSYS사의 Turbogrid 12.0을이용하여전산해석용격자계를제작하였다. 사용된격자수는압축기약 100,000개, 터빈로터약 240,000개, 터빈노즐약 100,000개이다. Fig. 8은 3D 성능해석을위해사용된격자계를나타낸다 / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 )

500W 급발전용초소형가스터빈설계 Fig. 7. 블레이드 3D 형상 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 압축기 [8] 및터빈의 3D 성능해석은 ANSYS CFX 12.

압축기해석을위한경계조건으로임펠러입구에서전압과전온도를고정하였으며, 출구에서는질량유량을고정하였다.

임펠러에서부하가전반적으로균일하게작용함을알수있다. 그림에서의 x축은자오면 (meridional plane) 에서블레이드길이로무차원화한길이 (normalized M) 이다. Fig.

통로내에서박리현상거의없이블레이드를따라유동이형성되었음을보여준다. Fig. 8. 해석용격자계 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 Fig.

5 500W 급발전용초소형가스터빈설계 Fig. 7. 블레이드 3D 형상 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 압축기 [8] 및터빈의 3D 성능해석은 ANSYS CFX 12.0을사용하였다 [9]. 3D 성능해석을통하여압축기및터빈의설계건전성을평가하였다. 난류유동을계산하기위해 k-ω SST 모델을사용하였다. 압축기해석을위한경계조건으로임펠러입구에서전압과전온도를고정하였으며, 출구에서는질량유량을고정하였다. 터빈해석을위한경계조건으로입구에서의전압과전온도를고정하였고, 출구에서는정압과질량유량을고정하였다. Fig. 9는 50% span에서의임펠러에작용하는압력분포를나타낸다. 임펠러에서부하가전반적으로균일하게작용함을알수있다. 그림에서의 x축은자오면 (meridional plane) 에서블레이드길이로무차원화한길이 (normalized M) 이다. Fig. 10은자오면에서의전압분포를나타낸다. 유동방향으로전압이안정적으로상승 ( 압축기의경우 ) 또는하강 ( 터빈의경우 ) 한다. Fig. 11은 50% span에서의속도분포를나타낸다. 통로내에서박리현상거의없이블레이드를따라유동이형성되었음을보여준다. Fig. 8. 해석용격자계 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 Fig. 12는터빈노즐과터빈로터에서의마하수의변화를나타낸다. 터빈내의유동은아음속이며따라서초크가발생하지않는다. 따라서 UMGT 설계에있어초음속에따른 shock이나 chock 등에대해고려할필요가없다. Fig. 13은 1D 성능해석과 3D 성능해석결과를비교한성능곡선도이며거의유사한결과를보여준다. 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 ) / 1211

6 서정민 최범석 박준영 박철훈 김유일 Fig. 10. 자오면에서전압분포 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 Fig % span 임펠러에서압력분포 : ( 상 ) 압축기, ( 중 ) 터빈노즐, ( 하 ) 터빈로터 Fig. 11. Blade to Blade에서의속도분포 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 1212 / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 )

압축기에는최고 575MPa의응력이, 터빈에는최고 802MPa의응력이작용한다. 구조적안전성을위해마진을고려하여항복강도가 903MPa인 Titanium 합금을적용하기로한다. Fig.

7 500W 급발전용초소형가스터빈설계 5. 3D 구조해석 초소형가스터빈을제작하기위해박형의임펠러가적용되어, 구조적안전성검증이중요하다. 설계된압축기및터빈의경우블레이드의두께는 1~2mm 수준이다. 3D 성능해석을통해도출된압력분포를경계조건으로하여 ANSYS Static Structural tool을사용하여구조해석을수행하였다. Fig. 14는임펠러표면의응력값을나타낸다. 압축기에는최고 575MPa의응력이, 터빈에는최고 802MPa의응력이작용한다. 구조적안전성을위해마진을고려하여항복강도가 903MPa인 Titanium 합금을적용하기로한다. Fig. 12 마하수분포 : ( 상 ) 터빈노즐, ( 하 ) 터빈로터 Fig. 14. 응력분포 : ( 상 ) 압축기, ( 하 ) 터빈 6. 결론 Fig D & 3D 성능해석에의한성능곡선도 : ( 상 ) 전압, ( 하 ) 효율 초소형가스터빈을개발하기위한압축기및터빈을설계하였다. 사이클해석을통해기본설계사 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 ) / 1213

8 서정민 최범석 박준영 박철훈 김유일 양을도출하였다. 기본설계사양을바탕으로기계적개략도를설계하였다. 1D 형상설계및성능해석을통해탈설계점에서의성능예측곡선을도출하였고, 성능예측곡선은안정적인운전영역을확보하였음을나타내었다. 1D 설계를통해도출된결과값을바탕으로 3D 형상설계를진행하였다. CFD 해석을통해 3D 형상설계의성능해석을진행하였고임펠러에서의유동이안정적임을알수있었다. 또한 3D 성능해석을통해도출한압력분포를구조해석에적용하여설계된임펠러의구조적안정성을확보하기위해서는재질이항복강도가 802MPa 이상인재료를사용해야함을알수있었고임펠러재질로 Titanium 합금을적용해야한다는결론을도출하였다. 후기본연구는방위사업청및국방과학연구소지원으로수행되는차세대군용전원특화연구센터사업의일환으로수행되었습니다. 본논문은한국군사과학기술학회 2011년종합학술대회에서 초소형가스터빈공력설계및성능해석 으로발표 [10] 된내용을바탕으로작성되었습니다. References [1] C. B. Oh, B. S. Choi, Classification and Characteristic of Micro Power Generators, Journal of Fluid Machinery, Vol. 9, No. 6, pp. 63~66, [2] Kurzke, J., GasTurb 11 Design and Off-Design Performance of Gas Turbine, Germany, [3]S. J. Han, J. Y. Park, M. R. Park, B. S. Choi, Ultra-Micro Gas Turbine Cycle Analysis, Proceedings of the KSME 2010 Spring Annual Meeting, pp. 357~358, [4] J. S. Park, S. W. Yoon, S. J. Han, H. H. Cho, Numerical Investigation of the Heat and Flow in the Micro Gas Turbine, Proceedings of the KFMA Annual Meeting 2010, pp. 146~147, [5] Sangjo Han, et al., Design and Simulation of 500W Ultra-Micro Gas Turbine Generator, Proceedings of the 10 th Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications, pp. 247~250, [6] NREC, COMPAL, Version [7] NREC, RITAL, Version [8] J. M. Seo, J. Y. Park, M. R. Choi, E. S. Yoon, Development of Centrifugal Compressor for Micro Gas Turbine, Proceedings of the KSME 2010 Spring Annual Meeting, pp. 349~350, [9] ANSYS, CFX and TurboGrid, Version [10] J. M. Seo, B. S. Choi, J. Y. Park, C. H. Park, Y. I. Kim, Aerodynamic Design and Performance Analysis for UMGT, Proceedings of the KIMST 2011 Annual Conference, pp. 1587~1590, / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 6 호 (2011 년 12 월 )

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