LIGA-like 공정으로 제작된 마이크로 터빈의 유한 요소 해석

The Finite Element Analysis for a Micro Turbine Fabricated by LIGA-like Process

LIGA-like 공정을 이용하여 고종횡비를 갖는 초소형 니켈 터빈을 제작하기 위하여 블레이드에 대한 유한 요소 해석을 수행하여 안전한 운전 조건을 연구하였다. 이 해석으로부터 터빈의 입구와 출구의 압력 차이가 44kPa 정도일 때에 항복강도를 넘지 않도록 해야 하며 축의 외경과 터빈 날개의 내경 사이의 접촉에 의한 마찰계수와 최대 응력 사이의 관계는 약간 반비례하는 경향을 보였다. 즉, 터빈이 회전하는 상태에서 최대 응력은 접촉 마찰이 증가함에 따라 감소했다. 터빈과 같이 반복하중을 받는 부분은 취성이 강한 실리콘보다는 금속으로 제작해야 하며 이를 위해서는 표면 미세 가공 보다 LTGA-like 공정으로 제작되어야 한다. 본 연구는 초소형 구조물에서 움직이는 부분과 고정된 부분의 접촉 문제를 갖는 여러 종류의 문제를 다루는 데에 이용될 수 있다.

The finite element analysis of a micro turbine was made to investigate safety margin of its operating condition for the high aspect ratio nickel micro turbine blades fabricated by conventional LIGA-like method. From our study, we found that the fabricated turbine could not exceed its yield strength even if the pressure difference between inlet and outlet of turbine blade was about 44kPa, and the correlation of friction coefficient and the maximum stress, caused by contact friction between outer diameter of shaft and inner diameter of turbine blade, was somewhat reciprocal. The maximum stress was decreased with the increasing contact friction, when turbine blade was in its state of rotation. By the results of our study, we conclude that it is possible to fabricate metal micro turbine more easily han surface micromachining technology and to operate with no risk of metal structure's damage, which is caused by yield strength, if the operating condition with the design of micro turbine itself are optimized. It is useful to adopt other applications which have the contact problems between a moving part and the fixed one in micro structures.