KR100695644B1 - 배출가스터보과급기의축류터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 간단하면서 경제적인 배출가스 터보과급기의 축류 터빈에 대한 내부 파단 보호를 제공하는 동시에, 배출가스 터보과급기의 기능적 신뢰성을 높이는데 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따르면, 파단 보호 링 (8) 이, 가스출구 케이싱 (2) 의 가스입구측의 벽(5) 과 일체로 구성되어 실질적으로 반경방향으로 신장하고, 또한, 파단 보호 링 (8) 이, 가스입구 케이싱 (1) 에, 직접 연결되거나 또는 상류측에 설치된 축방향 신장부 (6) 를 통해 연결됨으로써 달성된다.

Description

배출가스 터보과급기의 축류터빈{AXIAL TURBINE OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}
본 발명은, 청구범위 제1항에 따른, 내연기관에 연결된 배출가스 터보과급기의 축류터빈에 관한 것이다.
배출가스 터보과급기에 연결된 내연기관의 출력을 증가시키기 위한 중요한 기준은, 배출가스 터보과급기의 압축기에 의해 제공되는 부스터 압력이다. 부스터 압력이 증가되면, 보다 많은 공기가 실린더 내에 압송되고, 따라서 내연기관의 출력이 증가될 수 있다. 높은 부스트 압력을 얻기 위하여, 오늘날 사용되는 배출가스 터보과급기는 매우 고속의 원주속도로 회전한다. 이 결과, 특히 비교적 대형의 배출가스 터보과급기인 경우에는, 파단된 가동 블레이드의 파편들은 정교한 구성 수단에 의해서만 터빈케이싱 내에유지될 수 있다. 터빈 디스크와 가동 블레이드가 일체로 제조되기 때문에, 비교적 큰 파편들이 발생할 수 있게 되어, 상기 문제는 소위 일체식 터빈내에서 더 증가된다.
축류 터빈을 갖는 기존의 배출가스 터보과급기에 있어서, 터빈 디스크는 가스출구 케이싱내에서 축방향으로 배열되고, 그 가동 블레이드는 커버 링 / 디퓨저에 의해 반경방향 외측이 경계지어진다. 극단적인 경우에, 축류터빈 의 터빈 디스크는 가스출구 케이싱의 중간에 배열된다 (MTZ 54(1993)6, 도면페이지 288 에서, M.Appe1 등이 "Turbolader hoher spezifischer Leistung…" [ 고 비출력의 터보과급기] 의 주제의 논문 참조). 상기 해결책에서는, 가스출구 케이싱 또는 연도 (flue) 의 외벽이 얇은 커버링 / 디퓨저 다음에 축방향으로 직접 배열되기 때문에, 가동 블레이드 또는 터빈디스크가 파열되는 경우에, 외부에 고속으로 내던져지는 파편들에 대해 실질적으로 어떠한 저항도 제공하지 못한다. 따라서, 터보과급기의 외벽은 구멍이 날 수 있으며, 그 결과 사람들이 다치거나 주위의 기계부품들이 손상될 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 배출가스 터보과급기에는, 종종 외부 파단 보호부가 제공된다. 그러나, 축류터빈의 외벽에 부착되는 크래딩 (cladding) 은매우 정교하여 고가이다. 또한, 독일 특허공개공보 제 42 23 496 호에는, 축류터빈용 내부 파단 보호부가 개시되어 있다. 상기 목적을 위해, 터빈 케이싱에는 터빈 디스크의 영역내에서 축방향으로 신장하는 보호 링이 고정된다. 이 보호 링은, 케이싱벽과 터빈 디스크 사이에서 터빈 디스크의 회전면으로부터 약간 거리를 두고서 반경방향으로 설치된다. 그러나, 이와 같은 별체의 보호 링은, 수고스러운 조립은 차치하고라도, 추가적인 제조비용을 필요로 하고, 따라서 배출가스 터보과급기의 전체비용이 증가한다.
부가하여, MAN B&W NA 터보과급기 계열 (회사 팜플렛 D366002/2E "축류 터빈을 구비한 NA형 터보과급기"의 제5면 도4참조)은, 가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽과 일체로 구성되어 실질적으로 반경방향으로 신장하는 파단 보호 링을 개시하고 있다. 이 파단 보호 링은 하류측에 설치된 축방향 신장부를 통하여 가스입구 케이싱과 가스출구 케이싱 양자에 연결된다. 상기 목적을 위하여, 신장부와 가스입구 케이싱 사이에 복잡한, 즉 정교한 연결부가 비교적 기다란 플랜지에 의해 실현된다. 그러나, 터빈을 통해 흐르는 내연기관의 고온의 배출가스에 바로 근접하여 설치되는 상기의 연결부는, 높은 열응력을 받으며, 따라서 균열이 발생할 우려가 높다. 그 결과, 상기의 배출가스 터보과급기의 기능적인 신뢰성이 위험상태에 처하게 되어, 그 수명이 단축될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은, 상기 모든 단점들을 회피하도록, 배출가스 터보과급기의 축류터빈에 대하여 간단하면서 경제적인 내부 파단 보호부를 제공하는 동시에, 배출가스 터보과급기의 기능적인 신뢰성을 높이는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, 파단 보호 링이, 가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽과 일체로 구성되어 실질적으로 반경방향으로 신장하도록 구성됨으로써 달성된다. 이를 위하여, 파단 보호 링은, 가스입구 케이싱에, 직접 연결되거나 또는 상류측에 설치된 축방향 신장부를 통해서 연결된다.
상기 구성의 결과로서, 가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽은 터빈 디스크에 대하여 파열 보호 기능을 수행한다. 따라서, 상기 목적을 위한 별도의 부품을 전혀 필요로 하지 않아, 비용과 조립시간 양자를 절감시킨다. 부가하여, 파단 보호 링과 가스입구 케이싱 사이의 연결부는 매우 짧게 그리고 조밀하게 유지될 수 있다. 즉, 간단하면서 응력에 대해 최적한 방식으로 실현될 수 있다. 결국, 배출가스 터보과급기의 비용을 줄이고 기능적인 신뢰성을 증가시킨다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 가스입구측의 벽은, 적어도, 가스입구 케이싱에 연결되는 축방향 신장부와, 이 신장부에 대해 주로 반경방향으로 신장하는 가스출구 연결부와, 파단 보호 링을 포함한다. 파단 보호 링은 신장부를 가스출구 연결부에 연결시킨다.
가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽을 세 개의 부분으로 된 벽으로 구성하면, 비교적 짧은 축류 터빈과 비교적 간단한 가스입구 케이싱을 얻을 수 있다.
파단 보호 링은, 가동 블레이드의 폭에 적어도 거의 상당하고 높이의 절반에 적어도 거의 상당하는 축방향 길이와 반경방향 높이를 갖는 경우에, 특히 유리하다. 따라서, 터빈 디스크의 외측영역에서 회전하도록 설치된 파단 보호 링은 비교적 튼튼하다. 사고가 발생한 경우에는, 파단되는 가동 블레이드의 파편들이 축방향에 있어 가동 블레이드의 영역범위내에 설치된 파단 보호 링을 강타함으로써, 파편의 대부분의 운동에너지가 상기 파단 보호 링에 방출된다. 이 때문에, 터보과급기의 외벽에 구멍이 뚫리는 것이 방지되고, 따라서 사람들을 다치게 하거나 주위의 기계부품을 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 있어서, 파단 보호 링은 각각 가동 블레이드의 폭과 높이에 거의 상당하는 축방향 길이와 반경방향 높이를 갖는다. 이와 같이 확대된 파단 보호 링은 개선된 보호효과를 갖는다. 따라서, 파단 보호 링은, 파단되는 가동 블레이드의 파편뿐만 아니라, 터빈디스크의 파편도 받아낼 수 있다. 파단 보호 링의 축방향 길이 또는 반경방향 높이를 더 증가시키면, 사고 발생시의 안전성을 높일 수 있다.
가스출구 연결부는 파단 보호 링에 대하여 반경방향 외측으로 원뿔형으로 넓어질 수도 있으며, 그 결과 균일하게 확대된 유동단면을 얻는다. 따라서, 가스출구 연결부는 디퓨저로 기능하고, 그 결과 터빈효율이 개선된다.
본 발명의 제 1 실시예에 대한 대안으로서, 가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽은 축방향 신장부와 파단 보호 링만을 포함하고, 파단 보호 링은 신장부의 하류측에 설치될 수도 있다. 끝으로, 가스출구 케이싱의 가스입구측의 벽은 또한, 파단 보호 링과, 주로 반경방향으로 신장하는 가스출구 연결부에 의해 형성될 수도 있다. 이 경우, 가스출구 케이싱의 구성이 상당히 간단해진다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명한다. 도면에는, 본 발명을 이해하는데 필수적인 요소만을 도시하였다. 장치의 일부 요소, 예컨대, 배출가스 터보과급기의 압축기는 도시하지 않았다. 작동매체의 유동방향은 화살표로 나타내었다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 다수의 부수적 이점들은, 다음의 상세한 설명을 참조하여 배출가스 터보과급기의 축류터빈의 첨부도면과 함께 고려함으로써 용이하게 이루어 질 것이다.
여러 도면에 걸쳐서 동일하거나 또는 대응하는 부위에 대해서는 동일 도면부호를 사용한다. 터보과급기의 축류 터빈은, 가스입구 케이싱과 가스출구 케이싱 (1,2) 으로 형성되어 나사로서 구성된 연결요소(4) 에 의해 함께 고정된 터빈 케이싱 (3) 을 가진다. 가스출구 케이싱 (2) 은 가스입구측의 벽 (5) 을 가진다. 가스입구측의 벽 (5) 은 세 개의 부분으로 구성된다. 가스입구측의 벽 (5) 은, 가스입구 케이싱 (1) 과 결합한 축방향 신장부 (6) 와, 이 신장부 (6) 에 대하여 주로 반경방향으로 신장하는 가스출구연결부 (7) 와, 파단 보호 링 (8) 을 포함한다. 신장부 (6) 와 가스출구 연결부 (7) 는 파단 보호 링 (8) 에 의해 서로가 연결된다. 가스출구 연결부(7) 는 파단 보호 링 (8) 에 대하여 반경방향 외측으로 원뿔형으로 넓어진다 (도 1 참조).
터빈 케이싱 (3) 내에는, 축 (9) 에 의해 지지되고 가동 블레이드 (11) 를 갖는 터빈 디스크 (10) 가 설치된다. 터빈 디스크 (10) 는 디퓨저로서 구성된 커버 링 (12) 에 의해 그 외측이 경계지어지고, 상기 커버 링은 차례로 플랜지 (13) 를 통해서 그리고 나사 (14) 에 의해 가스출구 케이싱 (2) 의 가스입구측의 벽 (5) 에 또는 파단 보호 링 (8) 에 체결된다. 터빈 디스크 (10) 와 터빈케이싱 (3) 사이에는 유동통로 (15) 가 형성된다. 이 유동통로 (15) 는 터보과급기에 연결된 디젤엔진 (도시되지 않음) 으로부터 배출가스를 받아서 이 배출가스를 터빈 디스크 (10) 의 가동 블레이드 (11) 에 통과시킨다. 터보과급기에는 다른 내연기관이 연결될 수 있음은 물론이다. 가동 블레이드 (11) 의 상류에 있는 유동통로 (15) 에는 노즐 링 (16) 이 설치되고, 이 노즐 링은 커버 링 (12) 과 가스입구 케이싱 (1) 사이에서 축방향으로 구속된다.
가스출구 케이싱 (2) 의 가스입구측의 벽 (5) 과 일체로 구성된 파단 보호 링 (8) 은, 터빈 디스크 (10) 의 영역에서 축방향으로 신장되고, 그 가동 블레이드 (11) 의 회전면으로부터 약간의 반경방향 거리를 두고서 설치된다. 파단 보호 링 (8) 은, 각각 가동 블레이드 (11) 의 폭과 높이 보다도 큰 축방향 길이 (17) 와 반경방향 높이 (18) 를 가진다.
배출가스 터보과급기의 운전시에 가동 블레이드 (11) 가 파단되면, 그 파편들은 파단 보호 링 (8) 에 대하여 내던져진다. 파단 보호 링은 파편의 운동에너지의 대부분을 흡수한다. 파단 보호 링 (8) 은 단단하게 구성되어 있으므로 상기의 과정에서 약간의 변형만을 일으키며, 그 결과 가스출구 케이싱 (2) 을 교체할 필요가 없다. 반경방향 높이 (18) 를 확대시킨 파단 보호 링 (8)을 사용하는 경우에는, 심지어는 파단된 터빈 디스크 (10) 의 파편도 사람이나 주위의 기계부품을 손상시키지 않고서 받아낼 수 있다.
가스출구 연결부 (7) 가 파단 보호 링 (8) 에 대하여 반경방향 외측으로원뿔형으로 넓어지기 때문에, 이에 대응하여, 터보과급기에 연결된 디젤엔진으로부터의, 축류터빈에서 팽창된 배출가스에 대하여, 확대된 유동 단면이 얻어진다. 그 결과, 가스출구 연결부 (7) 는 디퓨저로서 작용하며, 따라서 터빈효율이 개선된다.
제 2 및 제 3 실시예에서는, 가스출구 케이싱 (2) 의 가스입구측의 벽 (5) 이 간단하게, 즉 두 개의 부분만으로 구성된다. 이러한 목적을 위해, 가스출구 연결부 (7)를 형성하지 않거나 (도 2 참조) 또는 신장부 (6) 를 형성하지 않으며 (도 3 참조), 도 3 의 경우에는, 가스입구 케이싱 (1) 이 그 만큼 신장된다. 이들 양 구성의 작용은 제 1 실시예와 본질적으로 유사하다. 가스입구 연결부 (7) 와 신장부 (6) 를 모두 제거함으로써, 가스 출구 케이싱 (2) 의 일체로 된 가스입구측의 벽 (5)을 구현할 수 있다 (도시되지 않음).
본 발명의 많은 수정예과 변경예가 전술한 설명에 비추어 가능함은 자명하다. 따라서, 첨부된 청구범위내에서 본 발명은 여기에 특별히 기술된 것과 다른 방식으로도 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 간단하면서 경제적인 배출가스 터보과급기의 축류 터빈에 대한 내부 파단 보호가 제공됨과 동시에, 배출가스 터보과급기의 기능적 신뢰성이 높아진다.
또한, 본 발명에 따른 파단 보호 링은 파단되는 가동 블레이드의 파편뿐만 아니라 터빈 디스크의 파편을 받아내는 효과도 뛰어나며, 가스출구 연결부가 디퓨저로서 기능하여, 터빈효율이 개선된다.
도 1 은 축류터빈 영역에 있는 배출가스 터보과급기를 도시하는 부분 종단면도이다.
도 2 는 도 1 에 대응하는 제 2 실시예를 도시하는 부분종단면도이다.
도 3 은 도 1 에 대응하는 제 3 실시예를 도시하는 부분종단면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한부호의 설명 ※
1: 가스입구 케이싱 2 : 가스출구 케이싱
3: 터빈 케이싱 4 : 연결부, 나사
5 : 가스입구측의 벽 6 : 신장부
7 : 가스출구 연결부 8 : 파단 보호 링
9 : 축 10 : 터빈 디스크
11 : 가동 블레이드 12 : 커버링, 디퓨저
13 : 플랜지 14 : 나사
15 : 유동통로 16 : 노즐 링
17 : 축방향 길이 18 : 반경방향 높이

Claims (7)

  1. 주로, 가스 입구 케이싱 (1) 과, 가스 입구측의 벽 (5) 을 갖는 가스 출구 케이싱 (2) 과, 다수의 가동 블레이드 (11) 를 갖는 회전하는 터빈 디스크 (10) 와, 상기 가동 블레이드 (11) 의 반경방향 외측에 당해 가동 블레이드의 회전면으로부터 반경방향으로 약간 거리를 두고 배치되어 상기 터빈 디스크(10) 의 축방향 영역내에서 신장하는 파단 보호 링 (8) 을 포함하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈에 있어서,
    상기 파단 보호 링 (8) 은, 상기 가스 출구 케이싱 (2) 의 상기 가스 입구측의 벽(5) 과 일체로 구성되어 실질적으로 반경방향으로 신장하고, 또한, 상기 파단 보호 링 (8) 은, 상기 가스 입구 케이싱 (1) 에, 직접 연결되거나 또는 상류측에 설치된 축방향 신장부 (6) 를 통해 연결되고, 상기 파단 보호 링 (8) 의 축방향 길이 (17) 와 반경방향 높이 (18) 는, 각각, 상기 가동 블레이드 (11) 의 폭과 높이에 상당하는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 출구 케이싱 (2) 의 상기 가스 입구측의 벽 (5) 은, 적어도, 상기 축방향 신장부 (6), 상기 축방향 신장부에 대해 주로 반경방향으로 신장하는 가스 출구 연결부 (7), 및 상기 파단 보호 링 (8) 을 포함하고, 상기 파단 보호 링 (8) 은 상기 축방향 신장부 (6) 를 상기 가스 출구 연결부 (7) 에 연결시키는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가스 출구 연결부 (7) 는, 상기 파단 보호 링 (8) 에 대하여 반경방향 외측으로 원뿔형으로 넓어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 출구 케이싱 (2) 의 상기 가스 입구측의 벽 (5) 은, 적어도, 상기 축방향 신장부 (6) 및 상기 파단 보호 링 (8) 을 포함하고, 상기 파단 보호 링 (8) 은 상기 축방향 신장부 (6) 의 하류측에 설치되는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 출구 케이싱 (2) 의 상기 가스 입구측의 벽 (5) 은, 적어도, 상기 파단 보호 링 (8), 및 주로 반경방향으로 신장하는 가스 출구 연결부 (7) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파단 보호 링 (8) 은, 각각 가동 블레이드 (11) 의 폭과, 가동 블레이드의 높이의 절반에 적어도 상당하는 축방향 길이 (17) 와 반경방향 높이 (18) 를 갖는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 파단 보호 링 (8) 의 상기 축방향 길이 (17) 와 상기 반경방향 높이 (18) 는, 각각 상기 가동 블레이드 (11) 의 폭과 높이보다도 더 크게 구성되는 것을 특징으로 하는 배출가스 터보과급기의 축류 터빈.
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