3Dプリントジェットエンジン、マイクロタービン革命、そしてエネルギーの未来

この投稿はCoco Bearによって2023-6-23 21:14に最後に編集されました。

アンタークティック・ベアは、イスラエル工科大学のベニ・ククレル准教授率いるチームが付加製造（AM）技術を使用してマイクロガスタービンを設計し、発電と推進の未来に向けて大きな一歩を踏み出したことを知りました。この革命的な発展は、従来の製造方法に大きな挑戦をもたらしました。

△ 積層造形によるマイクロターボジェットエンジンの組み立て

Cukurel 氏のチームとターボ機械および熱伝達研究所は、付加製造の可能性を探りました。チームは、AM を単なる代替ツールとして扱うのではなく、コアリソースとして捉え、制約を満たし、AM の利点を活用するための事前設計を作成しました。彼らの研究の中心となるのは、高効率発電用に設計されたマイクロガスタービンです。ククレレル氏は、マイクロタービンを、300kW未満の電力と2キロニュートン未満の推力を生成できるシステムと定義しています。チームは、積層造形法を用いて、ドローンに300ワットの電力を供給できる5cmサイズのマイクロガスタービンを作成することから最初のプロジェクトを開始しました。従来のバッテリーと比較して、マイクロタービンはエネルギー密度が高いため、飛行時間を大幅に延ばすことができます。

ガスと燃料の経路

チームはマイクロタービンに留まらず、COVID-19危機の際に積層造形の知識を活用して、医療用人工呼吸器用の組み立て済み自立型ターボ機械設計をさらに革新し、組み立て済み自立型ターボ機械構造で開発されたノウハウをガスタービンにうまく移転しました。これらの事前に組み立てられた自立型ガスタービンは低コストで、主なコストは機械の稼働時間と電力消費のみで構成され、生産経費を大幅に削減します。

ククレル氏は、このような革新的な研究は、フォン・カルマン流体力学研究所、イズミル・カティプ・シェラビ大学、PTCとの協力によってのみ可能になったと語った。このNATO資金によるプロジェクトでは、各関係者が独自の専門知識を発揮し、フォン・カルマン研究所は空気力学と燃焼の高精度シミュレーションを提供し、イズミル・カティプ・シェラビ大学は数値流体力学を使用して静圧軸受の耐荷重能力を評価し、PTCは特に強力なCAD設計およびシミュレーションモデルを使用して、積層造形技術に関する広範な知識を提供しました。

△自立型ローター（ターボシャフトコンプレッサー）と周囲の自立型固定ケーシング（再生器、ノズルガイドベーン、ベアリングボックス、バーナー、ディフューザー）。

積層造形によるパフォーマンスの最適化
Cukurel 氏は、積層造形設計の限界に対処するために、まず低次元モデルを開発したと説明します。簡単に言えば、これは元のシステムの重要な部分を保持しながらも、分析と使用を容易にするために簡素化された最適化されたモデルです。

従来、ジェットエンジンを設計する際には、推力重量比と特定の燃料消費量、つまり出力とエネルギー密度につながる熱力学の観点から最高の性能を達成することを目標として、主に空気力学が使用されています。しかし、このアプローチは、小さなエンジンの問題に対処する場合には機能しません。「私たちは、空気力学、熱伝達、ローターダイナミクス、燃焼など、エンジンに影響を与えるすべての要素を捉えた低次元モデルを作成します」とククレル氏は説明します。「交響曲をソロ演奏に凝縮するようなものと考えてください。ソリストの能力に合わせながら、曲の本質も維持する必要があります。」

Cukurel 氏は、積層造形の限界をすべて事前に把握した多分野にわたる最適化環境をどのように作成したかについて詳しく説明しました。経験豊富な建築家が、建築材料が支えきれないほど急な角度の屋根を設計しないことを知っているのと同じように、彼らは最初から創造の限界を把握したシステムを設計し、カンチレバー角度、最小厚さ、多孔性など、積層造形の限界を順守しながら、製造プロセス中に構築される各層が自立することを保証しました。

材料に関しては、Cukurel 社は金属部品の製造に EOS M 290 印刷システムを使用し、セラミック構造の製造には Lithoz 社のプリンターを使用したと述べています。セラミック部品は製造が難しいものの、欠陥サイズが小さく、表面が滑らかで、空気力学的性能が向上し、燃料消費を節約できるなどの利点があります。したがって、特定の部品の材料としてセラミックを使用することには、一定の利点があります。

ククレレル氏は、わずか5%の偏差でも燃料節約や推力に影響を及ぼす可能性があると指摘し、コンセプト設計を達成することの重要性を強調した。ジェットエンジン設計の世界では、わずかなパーセントポイントでも大きな変化につながる可能性があり、セラミック部品は空気力学的観点からコンプレッサーの性能を 3 ～ 4 パーセントポイント向上させます。

△超小型ガスタービンの一体型積層造形シリコン窒化物ローターは、500,000 RPM の速度で動作するように設計されています。

エネルギーの未来は 3D プリントされるのか?
イスラエルの研究者による、3Dプリント技術を使ってエンジンを事前組み立てる研究は、エネルギーの未来を大きく変える可能性がある。彼らのプロジェクトは、分散型エネルギー生成におけるマイクロガスタービンの応用に重点を置いており、エネルギー効率に関する人々の従来の理解を変え、持続可能な開発の新たな可能性を生み出しています。

Cukurel は、このテクノロジーに対して 2 つの異なるアプリケーションを提供しています。
●まず、彼は軍事用途、特にドローンシステムに重点を置いていました。サプライチェーンの混乱はこの分野では重大な問題であり、ベアリングなどの重要な部品が6～9か月間供給されない状態が重要な業務に発生する可能性があります。事前組み立てエンジン技術は、このようなサプライチェーンの必要性を完全に排除することでこの問題を解決します。

●2つ目の用途は分散型エネルギー発電です。従来の集中型発電所のエネルギー効率の上限は約 65% であり、生産されるエネルギーの 35% が無駄になっています。この目的のために、Cukurel は、さまざまな場所に分散したマイクロタービンを使用して熱と電力を共同で生成するソリューションを提案しました。

△300ワットの発電が可能な5cmサイズの超小型ガスタービン。

「再生可能エネルギーは断続的です」とククレル氏は説明する。「今日風が吹いているかどうか、あるいは今日太陽が輝いているかどうかに頼りたくはありません。どんな状況でも発電所を稼働させたいのです。では、再生可能エネルギーの断続的な性質を考慮すると、柔軟で堅牢な送電網をどのように構築すればよいのでしょうか？」この場合の柔軟性とは、再生可能エネルギーの出力が予測不可能なエネルギー需要の変化に迅速に適応し対応する能力を指します。

この技術の変革の可能性は明らかですが、現在直面している主な障害は投資収益です。マイクロタービンのコストは高すぎるため、妥当な時間内に満足のいく投資収益を生み出すことはできません。研究者らは現在、研究成果の商業化も計画しており、業界関係者や戦略的投資家との協力も進行中である。ククレル氏は、特にマイクロタービンがアンモニアを燃焼できるという点において、この研究の潜在的な社会的影響に興奮を表明した。

△ シリコンカーバイド多孔質媒体バーナーは、燃料/空気比に対して広範囲の安定性を提供します。

アンモニアエンジンを使用した持続可能なエネルギー<br /> アンモニアは再生可能で環境に優しい炭素フリーの燃料として使用できます。アンモニアは、特に第二次世界大戦中のベルギーで燃料として使用されていましたが、それ以来、ガスタービン燃焼器の設計は大きく変化しました。戦時中のアンモニア駆動エンジンには、主に燃料に対する敏感さと全般的な柔軟性のなさなど、多くの課題がありました。ククレル氏と彼のチームは、アンモニアの燃焼に特に適した多孔質媒体バーナーという技術を開発した。

「ガスタービンでは、ほとんどの燃焼器設計でまったく異なる技術が使用されています」とククレレル氏は説明します。「気化プロセスを最適化し、希釈チューブを使用して燃料を計量し、高温ガスをタービンに導入します。」テクニオンチームの革新性は、特定の技術、つまり多孔質媒体バーナーを独自に応用したことにあります。アンモニア燃焼型マイクロガスタービンへの適用は初めてであり、画期的な取り組みです。

「多孔質媒体バーナー」という用語の意味を解明しましょう。これは、燃料と空気の混合物が多孔質媒体内で燃焼し、効率的で排出ガスの少ない燃焼を生み出す特殊なタイプのバーナーです。多孔質媒体バーナーは少なくとも 50 年前から存在しており、従来はフォームをセラミックスラリーに浸し、それを焼結することによって製造されています。しかし、Cukurel 氏が指摘するように、多孔性やそれが流れの方向にどのように分布するかを制御する方法はない。上記の問題に対処するため、研究者らは積層造形技術を使用して、ドーナツのような形状と内部に有機的な泡のような格子構造を持つバーナーを作成しました。構造の多孔性は流れの方向に沿って変化します。ここで 3D プリントが役立ちます。従来の製造技術では実現できない多孔性の勾配を制御できるからです。

△予混合燃料/空気混合物で作動する多孔質媒体バーナー。

Cukurel 氏は、リソグラフィーベースのセラミック製造 (LCM) 技術と選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用したモノリシックローターの設計、製造、組み立て、高速テストの包括的な分析を提供する最近発表された論文の共著者でもあります。「シアロンとインコネルからのモノリシックローターのセラミックおよび金属付加製造と 300W スケールのマイクロタービンの空力性能の比較」と題されたこの研究は、空力および製造品質保証診断を使用してマイクロターボ機械コンポーネントを直接比較した初めての研究です。サポートされていないコンプレッサーとタービンの設計の空力的影響を調査し、LCM と SLM の詳細な製造要因とプロセスパラメータを開発し、表面スキャンと CT スキャン、および SEM 顕微鏡検査を通じて部品の品質分析を実施しました。結果は、LCM ローターは SLM ローターと比較して、幾何学的精度が高く、表面仕上げが優れ、製造表面アーティファクトが少なく、多孔性が低いことを示しています。

これらの画期的な概念と将来の応用は世界を変える可能性があり、気候変動という存在の脅威に直面している今、このようなイノベーションは人類の生存にとって極めて重要となるかもしれません。

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