The Rankine micro-turbine is a miniaturized energy harvester for converting waste heat into mechanical and electrical energy by implementing the closed-loop Rankine cycle with water as the working fluid. The device is a five-layer structurewith the geometry of a rectangular cuboid with overall dimensions of 1.5cm x 1.5cm x 1.75mm. The central layer contains two critical components, namely, a disc-shaped rotor with a diameter of 4mm and a thermal insulator. The titanium alloy Ti-6Al-4V has been identified as the optimal material for both components. By combining a detailed literature survey with experimental studies, it was concluded that laser micro-machining is unsuitable for achieving the size, geometry, and tolerance required for these components. In contrast, a 5-axis CNC micro-machining station was able to machine the thermal insulator using a 4mm thick plate of the titanium alloy. In parallel, a thermal test station was designed and assembled to establish a large temperature gradient on the order of 100◦Cmm−1across the Rankine micro-turbine. During testing, the hot side of the micro-turbine is placed in contact with a copper block containing embedded cartridge heaters, and the cold side with a water-cooled cold plate. This station can enable detailed experimental characterization of the rotor, pumps and seals during the operation of the device. Taken together, this thesis makes a contribution to the machining and characterization of the structural components of the Rankine micro-turbine. / La microturbine Rankine est un microsystème de récupération d'énergie qui convertie un surplus de chaleur en énergie mécanique et électrique à l'aide d'un cycle fermé Rankine qui utilise de l'eau comme fluide. L'appareille est une structure rectangulaire à 5 couches, les dimensions de l'ensemble sont de 1.5 cm x 1.5cm x 1.75 mm. La couche centrale contient deux structures : un rotor qui a un diamètre de 4 mm et un isolant thermique. L'alliage de titan Ti-6Al-4V a été identifié comme un matériel idéal pour les deux composantes. À l'aide d'une revue de la littérature et des essais d'usinages il peut être conclu que l'usinage par laser ne permet pas d'atteindre les géométries, dimensions et tolérances requises. De son côté, l'usinage 5-axes CNC a été capable d'usiner un isolant thermique provenant d'une plaque de Ti-6Al-4V avec une épaisseur de 0.4 mm. En parallèle, une station de test thermique a été conceptualisée et bâtie pour maintenir des gradients de température de l'ordre de 100 oC/mm. Des cartouches chauffantes encrées dans un bloc de cuivre on servies comme plaque chauffante et une plaque refroidissante à base de cuivre a permis de maintenir les gradients de température élevés. Ce mécanisme peut être intégré au système existant qui permet de caractériser les pompes, les joints d'étanchéité et le rotor de la microturbine. Le tout de cette thèse réussit à contribuer à l'avancement de l'usinage et de la caractérisation structurale des composantes de la microturbine.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117131 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Neill, Denten |
| Contributors | Srikar Vengallatore (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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