[インタビュー] ベニ・ククレル教授: 3D プリントされたジェット エンジン、マイクロ ガス タービン革命、そしてエネルギーの未来

発電と推進の未来に向けた大きな一歩として、イスラエル工科大学テクニオンのベニ・ククレル准教授率いるチームは、3D プリンティングとも呼ばれる積層造形 (AM) を使用してマイクロ ガス タービンを設計しました。 この革新的な開発は、「積層造形のための設計」原理に対する独創的なアプローチを提示し、従来の製造パラダイムに大きく挑戦します。

従来の製造技術とは異なり、Cukurel のチームとターボ機械および伝熱研究室は、AM の可能性を最も純粋な形で活用しました。 彼の言葉を借りると、「[AM] を単なる別の製造技術として使用している場合、積層造形の利点を十分に活用できていないのです。」 チームは AM を単に代替ツールとして統合するのではなく、AM をコア リソースとして再考し、制約を満たし、AM の利点を活用するアプリオリな設計を作成しました。

彼らの研究の中心となるのは、比例した発電を行うように設計されたマイクロ ガス タービンです。 Cukurel 氏は、マイクロ ガス タービンを、300 キロワット未満の電力と 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。 AM アプローチを採用して、チームは最初のプロジェクト、つまりドローンに 300 ワットを供給できる可能性がある 5 cm スケールのマイクロ ガス タービンを開始しました。 マイクロタービンは、従来のバッテリーと比較してエネルギー密度が高いため、飛行時間が大幅に長くなります。

チームはマイクロガスタービンにとどまりませんでした。 彼らは、新型コロナウイルス感染症危機の間に、AM の知識をさらに活用しました。 彼らは、医療用人工呼吸器用に、事前に組み立てられた自立型ターボ機械の設計を革新しました。 「私たちは、事前に組み立てられた自立型ターボ機械アーキテクチャで開発したこのノウハウをガス タービンに移行しました」と Cukurel 氏は述べています。

これらの組み立て済みの自立型マイクロ ガス タービンがもたらす画期的な進歩は、オンデマンドの可用性と費用対効果にかかっています。 主なコストは加工時間と電力消費に限定され、生産コストが大幅に削減されます。

Cukurel 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 セレビ大学、および PTC との実りある協力によってのみ可能になったことを認めました。 NATO の資金提供を受けたこのプロジェクトでは、各当事者が独自の専門知識を持ち寄りました。 フォン カルマン研究所は空気力学と燃焼に関する高忠実度のシミュレーションを提供し、イズミール カティプ セレビ大学は静圧ベアリングの耐荷重能力を評価するための数値流体力学のスキルを活用し、PTC は特に強力な CAD を通じて AM テクノロジーに関する広範な知識を提供しました。設計およびシミュレーションのフレームワーク、Creo。

積層造形によるパフォーマンスの最適化

積層造形のための設計の制約に対処するために、Cukurel 氏は、次数削減モデルの開発から始めたと説明します。 簡単に言えば、これは元のシステムの重要な側面を維持しながら、分析と使用を容易にするために単純化した最適化されたモデルです。

ジェット エンジンの設計では、伝統的に空気力学が中心的な役割を果たします。 目標は、推力重量比と燃料消費量、言い換えれば出力とエネルギー密度に変換される熱力学の観点から最高のパフォーマンスを達成することです。 しかし、エンジンの小型化となると、このアプローチは行き詰まります。

「私たちが作成したのは、エンジン内に存在するすべての分野を捉えた低次数モデルです。 これらには、空気力学、熱伝達、ローターのダイナミクス、燃焼などが含まれます」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だと考えてください。曲の本質を維持しながら、一人の演奏者の能力にも対応する必要があります。

同氏は、積層造形のすべての制約をアプリオリに把握した学際的な最適化環境をどのように構築したかについて詳しく説明し続けています。 これは基本的に、最初から作成できるものの限界を理解したシステムを設計したことを意味します。 それは、建材が支えられないほど急な角度の屋根を設計してはいけないことを知っている経験豊富な建築家のようなものです。