[인터뷰] Beni Cukurel 교수: 3D 프린팅 제트 엔진, 마이크로 가스 터빈 혁명, 그리고 에너지의 미래

발전 및 추진의 미래를 향한 큰 발걸음으로 Technion – Israel Institute of Technology의 Beni Cukurel 부교수가 이끄는 팀은 3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조(AM)를 사용하여 마이크로 가스 터빈을 설계했습니다. 이 혁신적인 개발은 '적층 제조를 위한 설계' 원리에 대한 독창적인 접근 방식을 제시하며 기존 제조 패러다임에 크게 도전합니다.

기존 제조 기술과 달리 Cukurel 팀과 Turbomachinery 및 Heat Transfer 연구소는 가장 순수한 형태의 AM의 잠재력을 활용했습니다. 그의 말에 따르면, "[AM]을 또 다른 제조 기술로 사용하는 경우 적층 제조의 이점을 완전히 활용하지 못하는 것입니다." 팀은 AM을 단순히 대체 도구로 통합하는 대신 AM을 핵심 리소스로 재구성하여 제약 조건을 충족하고 AM의 이점을 활용할 수 있는 선험적 설계를 만들었습니다.

연구의 중심에는 비례 발전용으로 설계된 마이크로 가스 터빈이 있습니다. Cukurel은 마이크로 가스 터빈을 300킬로와트 미만의 전력을 생산하고 2킬로뉴턴 미만의 추력을 낼 수 있는 시스템으로 정의합니다. AM 접근 방식을 취하여 팀은 드론에 잠재적으로 300와트를 제공할 수 있는 5cm 크기의 마이크로 가스 터빈이라는 첫 번째 프로젝트를 시작했습니다. 마이크로 터빈은 기존 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 비행 시간이 크게 늘어납니다.

팀은 마이크로 가스 터빈에서 멈추지 않았습니다. 그들은 코로나19 위기 동안 AM 지식을 더욱 활용했습니다. 그들은 의료용 인공호흡기를 위한 사전 조립된 자체 지원 터보 기계 설계를 혁신했습니다. Cukurel은 "우리는 사전 조립된 자체 지원 터보 기계 아키텍처에서 개발한 노하우를 가스 터빈으로 전환했습니다."라고 말했습니다.

사전 조립된 자체 지지형 마이크로 가스 터빈이 제공하는 혁신은 주문형 가용성과 비용 효율성에 달려 있습니다. 1차 비용은 기계 시간과 전력 소비로 제한되어 생산 비용을 상당히 절감합니다.

Cukurel은 이러한 혁신적인 작업이 von Karman Institute for Fluid Dynamics, Izmir Katip Celebi University 및 PTC와의 유익한 협력 덕분에 가능했음을 인정했습니다. NATO가 자금을 지원하는 프로젝트를 통해 각 당사자는 고유한 전문 지식을 테이블에 가져왔습니다. Von Karman Institute는 공기역학 및 연소에 대한 충실도 높은 시뮬레이션을 제공했고, Izmir Katip Celebi University는 유체정역학 베어링의 하중 지지력을 평가하기 위한 전산 유체 역학 기술을 제공했으며, PTC는 특히 강력한 CAD를 통해 AM 기술에 대한 광범위한 지식을 제공했습니다. 설계 및 시뮬레이션 프레임워크, Creo.

적층 제조를 통한 성능 최적화

Cukurel은 적층 제조 설계의 제약 문제를 해결하기 위해 주문 감소 모델 개발부터 시작했다고 설명합니다. 간단히 말해서 이는 원래 시스템의 중요한 측면을 유지하면서도 더 쉽게 분석하고 사용할 수 있도록 단순화한 최적화된 모델입니다.

제트 엔진을 설계할 때 전통적으로 공기역학이 중심이 되었습니다. 목표는 열역학 측면에서 추력 대 중량 비율과 특정 연료 소비, 즉 출력과 에너지 밀도로 해석되는 최고의 성능을 달성하는 것입니다. 그러나 이러한 접근 방식은 소형 엔진의 경우에는 흔들립니다.

“우리가 만든 것은 엔진에 존재하는 모든 분야를 포착하는 축소된 주문 모델입니다. 여기에는 공기역학, 열 전달, 로터 동역학, 연소 등이 포함됩니다.”라고 Cukurel은 설명합니다. 교향곡을 솔로 연주로 압축하는 것과 같다고 생각하세요. 곡의 본질을 유지하는 동시에 단독 연주자의 역량도 수용해야 합니다.

그는 적층 제조의 모든 제약을 선험적으로 알고 있는 다분야 최적화 환경을 어떻게 구축했는지 자세히 설명합니다. 이는 기본적으로 그들이 생성할 수 있는 것의 한계를 처음부터 이해하는 시스템을 설계했음을 의미합니다. 이는 건축 자재가 지탱하기에 너무 가파른 각도로 지붕을 설계하지 않는 것을 아는 숙련된 건축가와 같습니다.