KR100754257B1 - 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매우 간단한 구조로 터빈 케이싱을 대형화하지 않고, 스크롤 챔버 단면적 A와 스크롤반경 R와의 비(A/R)를 크게하여 배기터빈용량을 증대시키는 가변용량형 배기 터보 과급기 제공을 목적으로 한다.

복수의 노즐 베인이 환상의 노즐 마운트에 회전 가능하도록 지지되고, 환상 노즐 플레이트가 노즐 베인을 사이에 두고 복수의 노즐 서포트를 통해 노즐 마운트에 연결되도록 이루어진 노즐 조립품을 제작하여, 노즐 플레이트가 환상 유동 통로의 벽면과 스크롤 챔버의 내측벽면의 일부를 형성하도록 터빈 케이싱에 노즐 조립품을 부착한 가변용량형 배기 터보 과급기에 관한 것이다.

Description

가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조 및 그 제조방법{STRUCTURE OF SCROLL OF VARIABLE-THROAT EXHAUST TURBOCHARGER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE TURBOCHARGER}

도 1 은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 중요부 종단면도.

도 2 은 상기 제1실시예에 있어서 노즐 플레이트와 노즐 서포트와의 결합부를 나타내고, 2a 는 정면도, 2b 는 2a 에 있어서의 E-E 선 단면도.

도 3 은 본 발명의 제2실시예를 도시하는 도 1의 대응도.

도 4 은 본 발명의 제3실시예를 도시하는 도 1의 대응도.

도 5 은 본 발명의 제4실시예를 도시하는 도 1의 대응도.

도 6 은 본 발명의 제5실시예를 도시하는 도 1의 대응도.

도 7 은 본 발명의 제6실시예를 도시하는 도 1의 대응도.

도 8 은 본 발명이 적용되는 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 종단면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
02 : 노즐축 2 : 노즐 베인
4 : 노즐 마운트 5 : 노즐 서포트
6 : 노즐 플레이트 6a, 6b : 배기 가스 가이드부
10 : 터빈 케이싱 10e : 환상 유동 통로
11 : 스크롤 챔버 12 : 터빈 로터
20 : 시일 링 61 : 관통 구멍
100 : 가변 노즐 기구 100a : 회전 중심선

본 발명은, 내연기관의 배기 터보 과급기에 사용되고, 엔진(내연기관)으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱에 형성된 스크롤 챔버 내부 및 복수의 노즐 베인을 통해서 터보 과급기의 터빈 로터에 유입되어 터빈 로터를 회전시킴과 동시에, 상기 환상 유동 통로에 배치된 복수의 노즐 베인의 날개각을 변환시키도록 구성된 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

차량용 내연기관등에 사용되는 비교적 소형의 배기 터보 과급기에 있어서, 가변 노즐 기구를 장착한 반경유동타입의 가변용량형 배기 터보 과급기가 대부분 사용되고 있다. 예를 들어 일본 공개특허공보 JP2001-207858A 에 개시되어 있는것 같이, 터보 과급기 내부에서 엔진으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱에 형성된 스크롤 챔버로 인도하여 노즐베인의 날개각이 변화할 수 있게 설치된 다수의 노즐 베인이 장착된 환상 유동 통로에 흐르게 한다. 그리고 상기 배기 가스는 터빈 로터를 회전시킨다.

일본 공개특허공보 JP2001-207858A 에 기재된 과급기에 있어서, 엔진으로부터의 배기 가스는 터빈 케이싱에 형성된 스크롤 챔버에 들어가, 터빈 케이싱 내부 스크롤 챔버의 컨볼루트 통로를 따라 흐르면서 배기 터빈에 들어가도록 노즐 베인 사이의 공간을 따라 흐른다. 배기 가스는 반경 내부로 흘러 외주측으로부터 터빈에 유입되고, 터빈내에서 팽창한후 밖으로 배출되도록 터빈의 축선방향으로 외부로 흐르게된다.

배기 가스의 유량을 적절하게 하도록, 노즐 베인의 날개각을 설정함으로써 터보 과급기의 배기유량 제어가 수행된다. 또한 노즐 베인이 적정 각도로 회전하도록 드라이브링, 드라이브핀, 레버플레이트를 이용하여 적정 날개각도에 대응하는 액츄에이터의 선형 변위를 노즐축을 회전시키는 변위로 바꿈으로서, 그 결과 날개각이 액츄에이터에 의해 변경된다.

또한, 이러한 가변 노즐 기구를 구비한 반경유동타입 가변용량형 배기 터보 과급기의 다른 예로서, 일본 공개특허공보 JP2004-132367A 에 기술이 개시되어 있다.

이것은 소형이며, 구조가 간단하고 조립이 용이한 가변 노즐 기구의 노즐조립체를 개시하고 있다.

더욱 일본 공개특허공보 JP2004-138005A 에는, 상대부재와 접촉하여 상대부재 위에서 미끄러지는 일부재, 상대부재와 미소 간극으로 인접아여 상대 운동이 발생하는 일부재를 탄소계 건성피막을 형성하도록 탄소미분를 자일렌등의 용액에 침식한다. 이를 통해 슬라이딩 마찰을 줄이고, 미소간극을 항상 적정히 유지되도록 하고 있다.

가변 노즐 기구를 구비한 반경유동타입 가변용량형 배기 터보 과급기에 있어서, 설계요소로서 스크롤 챔버의 컨볼루트 통로면적 A, 터빈 로터의 회전축으로부터 컨볼루트통로 단면 중심까지의 거리인 스크롤반경 R이 중요하다. A/R는, 터빈의 공기역학적 성능, 유동특성을 결정하는 중요요소이다. 상기 A/R를 크게 하려는 경우, 단면적 A를 크게하거나, 스크롤반경 R를 작게 할 필요가 있다.

상기 일본 공개특허공보 JP2001-207858A 에 개시되어 있는 배기 터빈에 있어 서 컨볼루트 통로 단면적 A를 크게하려는 경우, 통로가 반경방향 및 축방향에 확대되어야 하므로, 그 결과 터빈 케이싱이 대형화된다. 특히 스크롤 챔버가 반경방향 외부로 확대된 경우 스크롤반경 R도 증가하기 때문에 A/R는 크게 증가하지 않는다.

스크롤반경 R을 줄이고자 하는경우, 스크롤 챔버를 반경방향 내부로 변경되어야 하지만, 노즐 베인이 위치한 환상 유동 통로를 스크롤 챔버 내부면에 반경방향으로 하는것이 어렵다.

스크롤 챔버를 평면화 시킴으로서 스크롤반경 R을 줄일 수 있지만 스크롤 챔버는 축방향으로 확장되고 터빈 케이싱은 더 커지게된다.

또한, 상기 스크롤 챔버에 있어서의 A/R를 증가시키기위해 스크롤 챔버를 축방향 안쪽에 크게 넓히는 수단도 제안되어 있지만, 이 경우 주조시 스크롤 챔버 중심자를 제작하는데 어려움이 많고 생산성도 나쁘다.

또한 상기 일본 공개특허공보 JP2004-132367A 도 1에는, 원판/체결링(29)이 스크롤 챔버의 일부를 구성하고 있는 가변용량형 배기 터보 과급기가 나타내여지고 있다. 그러나, 원판/체결링(29)의 외주가 스크롤 챔버의 안쪽면의 일부를 구성하고 있고, 터빈 케이싱의 외경 또는 폭을 크게하지 않고 스크롤 챔버의 단면적을 증가시킬 수 없다.

일본 공개특허공보 JP2004-138005A 에 개시된 기술은, 슬라이딩 마찰력을 감소시키거나 각 부재면 사이 미소간극을 항상 적절히 유지하는 효과는 있지만, 처리공정 추가에 의한 비용상승은 면할수 없다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여, 매우 간단한 구조로 터빈 케이싱을 대형화하지 않고, 스크롤 챔버 단면적 A와 스크롤반경 R와의 비(A/R)를 크게하여 배기터빈용량을 증대시키는 가변용량형 배기 터보 과급기 제공을 목적으로 한다. 상기 터보 과급기는 과급기효율을 향상시켜 엔진출력을 향상시킨다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해, 엔진으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱의 스크롤 챔버에 도입시키고 상기 스크롤 챔버의 내부측에 형성된 환상 유동 통로에 통과시켜 반경류형 터빈에 주입시키고 상기 환상 유동 통로에 배치된 복수의 노즐 베인의 날개각을 변화시키기 위한 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기에 있어서,

상기 가변 노즐 기구의 노즐 조립품은, 복수의 노즐 베인이 환상 노즐 마운트에 회전가능하도록 지지되고, 환상 노즐 플레이트가 상기 노즐 베인을 사이에 두고 복수의 노즐 서포트를 통해 상기 노즐 마운트에 연결되도록 이루어지고,

상기 노즐 조립품은 상기 터빈 케이싱에 착탈가능하게 부착되고,

상기 노즐 조립품이 터빈 케이싱에 부착됨으로써 노즐 플레이트가 스크롤 챔버 내부벽면의 일부와 환상 유동 통로의 벽면을 형성하도록 상기 노즐 플레이트가 스크롤 챔버 안에 설치되는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조를 제공한다.

가변용량형 배기 터보 과급기에 있어서, 상기 노즐 플레이트와 터빈 케이싱과의 사이에, 상기 스크롤 챔버와 상기 환상 유동 통로의 하류측 사이에서 가스누출을 막는 시일부재를 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 엔진으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱의 스크롤 챔버에 도입시키고 상기 스크롤 챔버의 내부측에 형성된 환상 유동 통로에 통과시켜 반경류형 터빈에 주입시키고 상기 환상 유동 통로에 배치된 복수의 노즐 베인의 날개각을 변화시키기 위한 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 제조방법에 있어서, 복수의 노즐 베인이 환상의 노즐 마운트에 회전 가능하도록 지지되고, 환상노즐 플레이트가 상기 노즐 베인을 사이에 두고 복수의 노즐 서포트를 통해 상기 노즐 마운트에 연결되도록 이루어진 카트리지형 노즐 조립품을 제작하는 단계, 스크롤 챔버와 환상 유동 통로의 하류측 사이에서 가스누출을 막기 위한 시일부재를 상기 환상 노즐 플레이트의 내면이 끼워지는 터빈 케이싱의 지지부에 부착하는 단계 및 상기 노즐 플레이트가 상기 환상 유동 통로의 벽면과 스크롤 챔버의 내측벽면의 일부를 형성하도록 상기 터빈 케이싱에 카트리지형 노즐 조립품을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 제조방법을 제공한다.

이러한 발명에 의하면, 가변 노즐 기구의 노즐 플레이트를 스크롤 챔버에 위치시켜 노즐 플레이트가 그 스크롤 챔버의 내부 측벽면의 일부를 형성하도록하여, 터빈 케이싱에서 노즐 플레이트를 수용하는 부분이 불필요하게 되고, 상기 터빈 케이싱을 크게하지 않고도 스크롤 통로의 단면적 A와 스크롤반경 R와의 비(A/R)를 크게 할 수 있다.

상기 방법으로, 터보 과급기를 대형화하지 않고, 스크롤 챔버의 단면적 A를 크게 하여 배기터빈 용량을 크게 할 수 있고, 일정압력에 가까운 과급상태가 되어 과급효율이 향상된다.

또한, 터빈 케이싱 자체의 경량화가 가능해짐과 동시에, 터빈 케이싱 내부의 스크롤 챔버의 내부형상이 간단해지고, 터빈 케이싱의 주조시에 스크롤 챔버를 형성하기 위한 코어의 형상의 단순화가 가능하고, 터빈 케이싱의 생산성을 향상할 수 있다.

또한, 노즐 플레이트가 스크롤 챔버 내부형상의 일부를 구성함으로써 상기 노즐 플레이트와 터빈 케이싱과의 결합면에서의 배기 가스누출이 문제되지만, 이는 노즐 플레이트와 터빈 케이싱 사이에 시일 링을 제공하여 해결된다. 상기 시일 링은 스크롤 챔버와 환상 유동 통로의 하류측통로 사이의 가스실링을 수행한다.

본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 원주방향을 따라 배열된 복수개의 관통구멍에 각 노즐 서포트가 느슨하게 끼워지고, 상기 노즐 서포트의 단부외주와 상기 관통구멍의 내주 사이에는 일정한 간극이 유지되도록 하는것이 바람직하다.

이와 같이 구성하면, 노즐 플레이트의 관통구멍과 노즐 서포트의 단부와의 사이에 일정 간극을 갖고 노즐 서포트가 노즐 플레이트과 결합하고 있기때문에, 노즐 마운트와 노즐 플레이트와의 사이에 온도차가 생겨 노즐 마운트에 고정된 노즐 서포트의 중심과 노즐 서포트와 결합하는 관통구멍의 중심이 위치가 어긋나더라도, 이 어긋남이 상기 일정 간극에서 흡수됨으로써, 적절치 않는 응력이 생기는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 외주 코너부가 상기 환상 유동 통로 입구측을 향하여 테이퍼 형상 또는 곡면 형상으로 되어 있어, 상기 스크롤 챔버내의 배기 가스가 환상 유동 통로 안으로 원활하게 유입하도록 하는 안내부가 제공되어 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하면, 환상 유동 통로 입구측을 마주하는 노즐 플레이트의 외주부를 테이퍼 형상 또는 곡면 형상 중 어느 하나의 형상으로 하여, 상기 스크롤 챔버측에서 입구측 환상 유동 통로를 향하여 배기 가스 유동면적이 원활하게 축소되는 배기 가스 도입부를 형성함으로써, 스크롤 챔버로부터 환상 유동 통로에 들어가는 배기 가스의 헤드손실이 감소하고, 공기역학적 성능이 향상하여 터빈효율이 향상한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트는 스크롤 챔버와 마주하는 그의 후면이 스크롤 챔버의 원형내면에 매끈하게 이어진 회전곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 노즐 플레이트를 구성하면, 노즐 플레이트의 스크롤 챔버측 면을 스크롤 챔버의 배기 가스 유동에 이상적으로 합치 시킬수 있으므로, 스크롤 챔버 형상설계의 자유도가 증가하고, 공기역학적 성능을 개선하여 터빈효율을 향상시키게 된다.

또한, 노즐 플레이트의 온도분포가 균일하지 않아 열응력이 높은 경우에 필요한 강도를 확보하기위해서 노즐 플레이트를 두껍게 할 필요가 있더라도, 스크롤 챔버가 확보할 수 있는 공간을 작게하지 않고, 상기 노즐 플레이트의 일부를 스크롤 챔버 형상으로 하면서 노즐 플레이트가 두껍게 될 수 있다. 이를 통해 노즐 플레이트의 강도와 터빈 케이싱 단순구조화를 동시에 만족시킬수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 환상 유동 통로 입구에 마주하는 부분이 환상 유동 통로가 입구쪽으로 매끈하게 축소되는 곡면으로 되도록 노즐 플레이트의 외주부가 굴곡되어 있고, 이리하여 스크롤 챔버내의 배기 가스를 원활하게 도입시키는 안내부가 형성된다.

이와 같은 노즐 플레이트 구성을 통해, 환상 유동 통로 입구쪽은 세미벨마우스(semi-bell mouth) 형상을 하게 되고, 곡면부는 기계가공, 프레스, 단조등으로 비교적 간단히 가공할 수 있다.

상기 안내부의 곡률반경을 크게할 수 있어, 헤드의 유입손실을 줄이고 공기역학적 성능이 개선되고 터빈효율을 향상할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트는 터빈 로터의 회전축에 평행하게 신장되는 원통형부와 이 원통형부와 수직으로 이어진 환상 판부를 포함하고, 노즐 플레이트의 환상 판부와 상기 노즐 마운트 사이에 환상 유동 통로가 형성되며, 원통형부의 내주는 상기 환상 판부의 환상 유동 통로측 표면에 이어지며, 터빈 입구에서 출구까지 이르는 터빈날개의 곡면외주를 덮는 곡면이 형성된다.

본 발명에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 원통형부는 그의 단부에서 터빈 케이싱에 소켓과 스피곳 조인트 방식으로 연결되고, 상기 노즐 플레이트의 원통형부의 외면이 스크롤 챔버의 원형내면의 일부를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 노즐 플레이트 원통형부가 터빈 로터의 축방향으로 신장되고, 노즐 플레이트의 환상 판부가 스크롤 챔버 내측벽면의 일부와 환상 유동 통로의 벽면을 형성하기 때문에, 종래 기술에서 터빈 케이싱의 배기통로와 터빈날개를 덮는 부분이 주조로 터빈 케이싱의 일부로 형성되는데 반하여, 노즐 플레이트를 오스테나이트계열 스테인리스와 같은 고온강도가 높고 연성이 있는 재료를 사용함으로써 상기 터빈의 덮개부를 형성하는 상기 원통형부의 두께를 엷게 할 수 있다.

또한, 터빈 케이싱의 소형화가 가능해져, 터빈의 출구직경을 크게하려는 때에는, 상기 스크롤통로의 단면적(A)을 줄이지않고, 상기 덮개면의 직경을 크게할 수 있다. 따라서, 노즐 플레이트가 배기통로와 터빈날개의 덮개로서의 기능을 갖게 함으로써, 터빈 케이싱의 스크롤부가 간소화되고, 상기 터빈 케이싱의 주조시 스크롤 챔버를 형성하는 코어의 형상이 간단해지고, 터빈 케이싱의 경량화가 가능해진다.

원통형부의 단부는 터빈 케이싱의 상대 보어의 끝면과 원통형부의 끝면 사이에 간극을 가지고 터빈 케이싱의 상대 구멍에 끼워지고, 열팽창에 의한 노즐 조립품의 축방향이동은 상기 간극에 의해 허용된다.

본 발명에 의하면, 노즐 플레이트가 스크롤 챔버의 내측 벽면 일부를 형성하도록 가변 노즐 기구의 노즐 플레이트를 스크롤 챔버에 설치하기 때문에, 터빈 케이싱에서 노즐 플레이트를 수용하는 부분이 불필요하게 되어, 터빈 케이싱을 크게하지 않고, 스크롤통로 단면적 A와 스크롤반경 R와의 비(A/R)를 크게할 수 있다.

이것에 의해, 터보 과급기를 대형화하지 않고,스크롤 챔버 단면적 A를 크게하여 배기터빈용량을 크게할 수 있고, 일정압력에 가까운 과급상태가 되고 과급기효율이 향상하여, 엔진성능이 향상된다.

또한, 터빈 케이싱내에 형성되는 스크롤 챔버 형상은 주조로 형성가능하며 구조가 간단해지기 때문에, 터빈 케이싱의 경량화가 가능할 뿐만 아니라 주조를 이용하여 스크롤 챔버를 형성하기 위한 코어의 형상이 간단해지고, 과급기의 생산성을 향상할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 노즐 플레이트의 원통형부가 터빈 로터 축방향으로 신장되고 노즐 플레이트 환상 판부가 환상 유동 통로를 형성하는 일 벽을 구성하기 때문에, 상기 노즐 플레이트는 고온강도가 높고 연성이 있는 재료로 만들어질 수 있고 터빈 출구 덮개 역할을 하는 원통형부의 두께를 줄일 수 있다.

이리하여, 터빈 케이싱의 소형화가 가능해지고, 스크롤통로 단면적 A을 줄이지 않고 덮개부의 내경을 줄일수 있다. 그 결과 노즐 플레이트가 터빈날개의 덮개와 배기통로의 기능을 수행함으로써 터빈 케이싱의 스크롤부가 간단해지고, 주조시 스크롤 챔버를 형성하기 위한 코어의 형상이 간단해진다. 또한 터빈 케이싱의 경량화가 가능해진다.

본 발명을 도면에 나타낸 실시예를 사용하여 상세히 설명한다. 다만, 이 실시예에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 그 상대배치등의 특정적인 기재들은 본 발명의 범위를 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지않는다.

도 8 은 본 발명을 사용하는 가변 노즐 기구를 구비한 종래의 가변용량형 배기 터보 과급기의 종단면도이다. 도 8에 있어서, 10은 터빈 케이싱, 11은 상기 터빈 케이싱(10)내에 형성된 스크롤 챔버이다. 12는 반경류형의 터빈 로터로, 압축기 (8)에 동축으로 연결되고, 그의 터빈샤프트(12a)는 베어링하우징(13)에 베어링(16)에 의해 회전 지지되어 있다. 7은 상기 압축기(8)가 수납되는 압축기하우징, 9는 압축기하우징(7)의 공기입구, 7a는 컨볼루트형 공기통로(스크롤 통로)이다.

또한 100a는 상기 배기 터보 과급기의 회전중심이다.

2는 노즐 베인으로, 상기 스크롤 챔버(11)의 내부측에 형성된 배기 가스용 환상 유동 통로에 복수의 노즐 베인이 원주방향으로 등간격 배열되어 있다. 각 노즐 베인의 노즐축(02)이 상기 터빈 케이싱(10)에 고정된 노즐 마운트(4)에 의해 회전운동가능하도록 지지되어, 가변 노즐 기구(100)에 의해 노즐 베인(2)의 날개각이 변할 수 있다.

상기 가변 노즐 기구(100)에 있어서, 상기 노즐 베인은 다수의 노즐 서포트(5)에 의해 상기 노즐 마운트(4)에 연결된 환상노즐 플레이트(6)와 노즐 마운트(4) 사이에 형성된 환상 유동 통로에 배열되어 있다. 그리고 노즐 플레이트(6)는 노즐 플레이트(6)를 지지하기 위해 터빈 케이싱(10)에 제공된 환상 홈에 수용된다.

3은 환상플레이트에 형성된 드라이브링으로, 상기 노즐 마운트(4)의 외주부에 회전가능하도록 지지된다. 원주방향으로 등간격 배열된 다수의 드라이브핀(32)이 드라이브링(3)에 설치되어 있다. 1은 이들 각 드라이브핀(32)에 결합되는 레버플레이트로, 입력측(외측단부)에 형성된 홈이 상기 드라이브핀(32)에 결합되고, 출력측 (중심측단부)에는 상기노즐축(02)이 고정되어 있다.

15는 상기 노즐 베인(2)을 구동시키는 액츄에이터(도시생략)에 연결되는 링크이고, 14는 상기 링크(15)에 연결되는 핀이다. 상기 핀(14)이 상기 드라이브링 (3)에 결합되어 그 드라이브링(3)을 회전운동시킨다.

가변 노즐 기구를 갖는 가변용량형 배기 터보 과급기에 있어서, 내연기관(도시생략)의 배기 가스는 상기 스크롤 챔버(11)로 들어가고, 그 스크롤 챔버(11)의 컨볼루트를 따라 선회하면서 환상 유동 통로에 유입한다. 그리고, 배기 가스는 상기 노즐 베인 사이를 지나 상기 터빈 로터(12)에 그 외주측부터 중심으로 반경방향으로 유입되고, 상기 터빈 로터(12)에서 팽창하면서 축방향으로 유출된다. 터빈 로터에서 유출된 배기 가스는 터빈 케이싱의 유출통로(10b)를 통해 외부로 배기된다.

이러한 배기터빈을 지나는 배기 가스 유동을 제어하는데 있어서, 상기 노즐 베인(2) 사이를 지나가는 배기 가스의 유량이 소망하는 유량으로 되도록 상기 노즐 베인(2)의 날개각이 날개각제어수단(도시생략)에 의해 설정된다. 액츄에이터(도시생략)는 링크(15), 핀(14)를 통해 상기 날개각제어수단에 의해 결정된 각도로 노즐 베인(2)을 회전시키기 위해 드라이브링(3)을 회전시킨다.

상기 드라이브링(3)의 회전운동시, 상기 드라이브링(3)에 원주방향으로 등간격으로 부착되어 있는 각 드라이브핀(32)에 의해 각 레버플레이트(1)는 노즐 마운트에 회전가능하게 지지된 각 노즐축(02)의 중심축을 중심으로 선회하며, 이에 의해 각 레버플레이트(1)에 고정된 각 노즐축(02)이 회전하게 되고 각 노즐축(02)과 일체로된 노즐 베인(2)도 회전하게되고, 이렇게 해서 상기 노즐 베인 날개각이 변한다.

본 발명은, 이상과 같이 구성된 가변 노즐 기구(100)를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기에 있어서의 스크롤 구조의 개선에 관한 것이다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명에 따른 제1실시예로서 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 중요부의 종단면도이고, 도 2a, 도 2b 는 상기 제1실시예에 있어서의 노즐 플레이트와 노즐 서포트와의 결합을 나타내고, 2a 는 정면도, 2b 는 2a 에 있어서의 E-E 선 단면도이다.

도 1에 있어서, 10은 터빈 케이싱, 11은 상기 터빈 케이싱(10)의 내부에 형성된 스크롤 챔버이다. 100a는 배기 터보 과급기의 회전중심이다. 터빈 로터(12)는 도 8 에 나타나있다.

2는 노즐 베인으로, 다수의 노즐 베인이 상기 스크롤 챔버(11)의 내부측에 형성된 환상 유동 통로에 원주방향으로 등간격 배열되어 있으며, 가변 노즐 기구에 의해 노즐 베인(2)의 날개각이 변할 수 있도록 각각의 노즐 베인의 노즐축(02)이 터빈 케이싱(10)에 부착된 노즐 마운트(4)에 회전가능하게 지지되어 있다.

상기 가변 노즐 기구(100)에 있어서, 노즐 조립품은 카트리지형 구조로 되어 있으며, 노즐축(02)에 의해 노즐 마운트(4)에 회전가능하게 지지된 노즐 베인(2)이 복수의 노즐 서포트(5)를 통해 노즐 마운트(4)에 연결된 환상 노즐 플레이트(6)와 노즐 마운트(4) 사이에 형성된 환상 유동 통로에 배치되어 있다. 상기 노즐 조립품의 상기 노즐 마운트(4)는 터빈 케이싱(10)에 볼트(도시생략)에 의해서 연결되고, 상기 환상 노즐 플레이트(6)의 내주는 스크롤 챔버(11)의 내부벽을 형성하는 원형벽 단부에 설치된 지지부의 외주(10c)에 고정됨으로써, 상기 노즐 조립품은 상기 터빈 케이싱(10)에 착탈이 자유로운 조립유닛으로서 결합된다.

이러한 방법으로, 상기 가변 노즐 기구(100)의 노즐 플레이트(6)는 상기 스크롤 챔버(11)의 내측벽 일부를 형성하도록 상기 스크롤 챔버(11)에 위치하여, 상기 스크롤 챔버(11)의 내부측면이 스크롤챔버 내면(11a)(직경 D1)와 상기 노즐 플레이트(6)의 스크롤 챔버측 면에 의해 규정되게 된다.

도 1에 있어서, Y는 스크롤 통로의 단면 중심을 나타내고, R은 스크롤 반경, 즉 회전중심선(100a)으로부터의 거리를 나타낸다.

도 1 (b)에 나타나는 바와 같이, 시일 링(20)은 노즐플레이트(6)의 측면, 외주(10c)의 일부, 직경이 D1 인 내부벽의 단차형부의 어깨면에 의해 형성된 환상 홈에 수용되어 있다. 상기 시일 링(20)에 의해 상기 스크롤 챔버와 환상 유동 통로의 하류측통로 사이의 실링이 이루어진다.

도 2a, 도 2b 에 있어서, 각 관통구멍(61)에 각 노즐 서포트(5)의 단부 (5a)가 느슨하게 결합하는 방식으로 다수의 노즐 서포트(5)(이 예에서는 4개 서포트)가 노즐 플레이트(6)에 결합되어 있다. 상기 관통구멍(61)은 노즐 플레이트(6)에 원주방향으로 등간격 배열로 형성되어 있으며 노즐 서포트(5)의 단부(5a) 의 외주와 관통구멍(61) 내주 사이에 일정한 간극을 갖게 위치되어 있다. 그리고, 각 노즐 서포트(5)의 단부는 노즐 플레이트(5b는 코킹부) 뒤에 위치한 와셔(5c)를 통해 코킹되어 있다.

이와 같이 구성하면, 노즐 플레이트(6)의 관통구멍(61)과 노즐 서포트(5)의 단부(5a)와의 사이에 일정 간극을 갖고 노즐 서포트(5)가 노즐 플레이트(6)와 결합하고 있기 때문에, 노즐 마운트(4)와 노즐 플레이트(6)와의 사이에 온도차가 생겨 노즐 마운트(4)에 고정된 노즐 서포트(5)의 중심과 노즐 서포트(5)와 결합하는 관통구멍의 중심의 위치가 어긋나더라도, 이 어긋남이 상기 일정 간극에서 흡수됨으로써, 적절치 않는 응력이 생기는 것을 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 가변용량형 배기 터보 과급기를 제조할 때는, 노즐 조립품은 카트리지형의 구조로 제작되는데, 복수의 노즐 서포트(5)를 통해 노즐 마운트(4)에 연결된 환상의 노즐 플레이트(6)와 노즐 마운트(4) 사이에 배치되는 복수의 노즐 베인(2)은 노즐축에 의해 환상 노즐 마운트(4)에 회전가능하게 지지된다.(도 8 참조)

이어서, 상기 카트리지형 노즐 조립품을, 상기 노즐 플레이트(6)가 상기 스크롤 챔버(11)에 위치하고 또한 상기 스크롤 챔버(11)의 내부측벽면의 일부를 구성하도록 상기 터빈 케이싱(10)에 결합한다.

노즐 조립품을 결합하기 앞서, 시일 링(20)이 노즐 플레이트(6) 측면과 단차형부의 어깨면 사이에 고정되도록, 스크롤 챔버(11)의 내부벽을 구성하는 원형벽 단부의 지지부의 외주(10c)에 배치된다. 상기 시일 링(20)에 의해 상기 스크롤 챔버(11)와 환상 유동 통로의 하류측통로(10d)의 사이에 실링이 이루어진다.

이러한 제1실시예에 의하면, 스크롤 챔버(11)내에 가변 노즐 기구(100)의 노즐 플레이트(6)를 위치시켜 노즐 플레이트(6)의 표면과 내부면(11a)에 의해 스크롤 챔버의 내벽면이 형성되므로, 종래의 터보 과급기에 있어 노즐 플레이트(6)(도8참조)를 둘러싸고 있는 스크롤 챔버의 원형내벽부가 필요없게 된다. 따라서, 스크롤 챔버를 외방으로 크게하지 않고 스크롤통로의 단면적(A)과 상기 스크롤 챔버의 비(A/R)를 크게 할 수 있다.

이것에 의해, 과급기를 대형화하지 않고, 상기 스크롤 챔버의 단면적(A)을 크게하여 배기터빈용량을 크게할 수 있어, 과급상태가 일정압력에 가까운 과급상태가 되어, 과급효율이 향상되고, 또한 엔진 성능이 향상될 수 있다.

또한 , 노즐 플레이트 주위의 터빈 케이싱(10)의 원형 내벽부가 제거되므로, 상기 터빈 케이싱(10)자체의 경량화가 가능해진다. 또한, 터빈 케이싱(10)의 내형이 단순해져, 터빈 케이싱 주조시 스크롤 챔버를 형성하는 코어의 형상의 단순화가 가능하고, 터빈 케이싱의 생산성이 향상된다.

노즐 플레이트(6)가 스크롤 챔버(11)의 내측벽 일부를 구성하여 상기 노즐 플레이트와 터빈 케이싱(10)과의 결합으로부터 발생하는 배기가스누출에 대해서는, 노즐 플레이트(6)와 터빈 케이싱(10)과의 사이에 시일 링(20)을 부착하여, 이러한 가스누출을 방지할 수 있다. 상기 시일 링(20)에 의해서 스크롤 챔버(11)와 환상 유동 통로의 하류측통로(10d)의 사이에 가스실링이 이루어진다.

[실시예 2]

도 3은 본 발명의 제2실시예를 도시하는 도 1의 대응도이다.

이러한 제2실시예에 있어서는, 상기 노즐 플레이트(6) 의 외주가 상기 노즐 베인(2)이 배열된 환상 유동 통로(10e)의 입구를 향해 테이퍼져있다. 이러한 방식으로 배기가스 가이드부(6a)는 배기 가스 유동 면적이 스크롤 챔버(11)로부터 입구측의 상기 환상 유동 통로(10e)로 매끄럽게 감소되도록 형성되어 있다.

그 밖의 구성은 도 1에 나타내는 제1실시예와 마찬가지고, 동일 부호로 나타낸다.

[실시예 3]

도 4는 본 발명의 제3실시예를 도시하는 도 1의 대응도이다.

이러한 제3실시예에 있어서, 상기 노즐 플레이트(6)의 외주가 노즐 베인(2)이 배치된 환상 유동 통로(10e)의 입구와 마주하면서 곡면화 되어 있다. 이러한 방식으로 배기 가스 가이드부(6b)는, 배기 가스 유동 면적이 스크롤 챔버(11)로부터 입구측의 상기 환상 유동 통로(10e)로 매끄럽게 감소하도록 형성되어 있다.

그 밖의 구성은 도 1에 나타내는 제1실시예와 마찬가지고, 동일 부호로 나타낸다.

이러한 제2실시예 및 제3실시예에 따라, 배기 가스 가이드부(6a-제2실시예, 6b-제3실시예)가, 배기 가스유동 면적이 스크롤 챔버(11)로부터 입구측의 환상 유동 통로(10e)로 매끄럽게 감소하게끔 형성되도록 환상 유동 통로(10e)의 입구와 마주하는 노즐 플레이트(6)의 외주부가 테이퍼부(실시예 2) 또는 곡면부(실시예 3)로 되어, 스크롤 챔버로부터 환상 유동 통로로의 유입부에서 헤드손실이 감소하고 공기역학적 성능이 향상하며, 터빈효율을 향상시킬 수 있다.

[실시예 4]

도 5는 본 발명의 제4실시예를 도시하는 도 1의 대응도이다.

이러한 제4실시예에 있어서, 스크롤 챔버(11)와 마주하는 후면이 스크롤 챔버(11)의 내부원형면(11a)에 매끄럽게 이어지는 회전 곡면(6c)이 되도록, 노즐 플레이트(6)가 형성되어있다.

이러한 제 4실시예에 의하면, 노즐 플레이트(6)의 스크롤 챔버측 면이 스크롤 챔버내 배기 가스의 유동에 이상적으로 맞을 수 있기 때문에, 스크롤 챔버의 형상설계의 자유도가 증가하여, 공기역학적 성능이 개선되고 터빈효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 노즐 플레이트(6)의 불균일한 온도분포에 의한 높은 열응력에 맞도록 플레이트의 강도를 확보할수 있도록 상기 노즐 플레이트(6) 두께를 증가시킬 필요가 있을 때에는, 스크롤 챔버가 확보할 수 있는 공간을 줄이지 않고 상기 노즐 플레이트(6)의 일부를 스크롤 챔버 형상으로 하면서 노즐 플레이트(6)를 두껍게하여, 노즐 플레이트(6)의 강도확보와 터빈 케이싱구조의 단순화를 동시에 이룰 수 있다.

그 밖의 구성은 도 1에 나타내는 제1실시예와 마찬가지고, 동일 부호로 나타낸다.

[실시예 5]

도 6은 본 발명의 제5실시예를 도시하는 도 1의 대응도이다.

이러한 제5실시예에 있어서는, 상기 환상 유동 통로(10e)의 입구에 마주하는 부분이 상기 환상 유동 통로(10e)가 입구측에서 매끄럽게 축소되는 방식으로 곡면을 이루도록 노즐 플레이트(6)의 외주부가 굴곡되어 있다. 그 결과, 가이드부(6d)가 배기 가스를 스크롤 챔버에 원활하게 인도할수 있도록 형성되어 있다.

이러한 제5실시예에 의하면, 환상 유동 통로(10e)의 입구가 세미벨마우스(semi-bell mouth) 형상으로 되어 있고, 곡면은 기계가공, 프레스, 단조 등으로 비교적 간단히 가공할 수 있다. 또한, 가이드부(6d)의 곡률반경을 크게할 수 있기 때문에, 유입부의 헤드손실이 감소하여 공기역학적 성능이 개선되고 터빈효율을 향상시킬 수 있다.

그 밖의 구성은 도 1에 나타내는 제1실시예와 마찬가지고, 동일의 부호로 나타낸다.

[실시예 6]

도 7은 본 발명의 제6실시예를 도시하는 도 1의 대응도이다.

이러한 제6실시예에 있어서, 상기 노즐 플레이트(6)는, 터빈 로터(12)(도 8)의 회전중심선(100a)에 평행하게 신장되는 원통형부와 이 원통형부에 수직으로 계속되는 환상 판부로 이루어지고, 노즐 플레이트(6)의 환상 판부와 상기 노즐 마운트(4) 사이에는 환상 유동 통로(10e)가 형성됨과 동시에, 터빈 입구에서 출구까지 이르는 터빈 날개의 곡선 외주를 덮는 곡면이 형성되도록 환상 판부의 환상 유동 통로측 표면에 상기 원통형부의 내주면이 연속되게 형성되어 있다.

따라서, 배기 가스를 터빈의 배기입구로 인도하는 배기통로의 외주와 터빈날개의 곡면외주를 덮을 수 있는 터빈의 덮개면(6e)이 노즐 플레이트(6)에 형성되어 있다.

제 6 실시예에 있어서, 소켓과 스피곳 방식으로 터빈 케이싱(10)에 노즐 플레이트(6)의 원통형부의 단부가 연결되고, 도 2b 에서처럼 노즐 서포트(5)가 느슨하지 않도록 노즐 마운트(4)에 동심으로 정확하게 노즐 플레이트(6)의 환상 판부를 연결한다.

제 6 실시예에 있어서, 노즐 플레이트(6)는 그 종단면도가 수직부(환상 판부)와 수평부(원통형부)로 이루어진 "L"자 모양을 가지는 형식으로 되어 있는데, 상기 수직부는 환상 유동 통로와 마주하고 있으며 상기 수평부는 터빈 로터(12)의 회전중심선(100a)을 따라 연장되어 있어 터빈날개와 배기통로의 덮개(shroud)가 형성된다. 따라서, 종래 기술에서 터빈 케이싱의 배기통로와 터빈날개를 덮는 부분이 주조로 터빈 케이싱(10)의 일부로 형성되는데 반하여, 노즐 플레이트(6)를 오스테나이트계열 스테인리스와 같은 고온강도가 높고 연성이 있는 재료를 사용함으로써 상기 수평부의 두께를 얇게 할수 있다.

이리 하여, 터빈 케이싱(10)의 소형화가 가능해져, 터빈의 출구직경을 크게하려는 때에는, 상기 스크롤 통로의 단면적(A)을 줄이지않고, 상기 덮개면(6e)의 직경을 크게할 수 있다. 따라서, 노즐 플레이트(6)가 배기통로와 터빈날개의 덮개로서의 기능을 갖게 함으로써, 터빈 케이싱(10)의 스크롤부가 간소화되고, 상기 터빈 케이싱의 주조시 스크롤 챔버(11)를 형성하는 코어의 형상이 간단해지고, 터빈 케이싱(10)의 경량화가 가능해진다.

노즐 조립품의 열팽창에 의한 노즐 플레이트의 축방향 이동은 노즐 플레이트의 수평부의 끝면과 터빈 케이싱의 소켓부의 끝면 사이의 간극(s)에 의해 허용될 수 있다.

그 밖의 구성은 도 1에 나타내는 제1실시예와 마찬가지고, 동일 부호로 나타낸다.

본 발명에 의하면, 매우 간단한 구조로, 또한 터빈 케이싱을 대형화하지 않고, 스크롤단면적 A와 스크롤통로 반경 R와의 비(A/R)를 크게 할 수 있어, 배기터빈 용량이 증가할수 있고, 엔진출력이 향상하고 개선됨에 따라 고효율의 가변용량형 배기 터보 과급기를 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 엔진으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱의 스크롤 챔버에 도입시키고 상기 터빈 케이싱의 스크롤 챔버의 내부측에 형성된 환상 유동 통로에 통과시켜 반경류형 터빈에 주입시키고 상기 환상 유동 통로에 배치된 복수의 노즐 베인의 날개각을 변화시키기 위한 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조에 있어서,

   상기 가변 노즐 기구의 노즐 조립품은, 복수의 노즐 베인이 환상 노즐 마운트에 회전가능하도록 지지되고, 환상 노즐 플레이트가 상기 노즐 베인을 사이에 두고 복수의 노즐 서포트를 통해 상기 노즐 마운트에 연결되도록 이루어지고,

   상기 노즐 조립품은 상기 터빈 케이싱에 착탈가능하게 부착되고,

   상기 노즐 조립품이 터빈 케이싱에 부착됨으로써 노즐 플레이트가 스크롤 챔버 내부벽면의 일부와 환상 유동 통로의 벽면을 형성하도록 상기 노즐 플레이트가 스크롤 챔버 안에 설치되는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
2. 제 1 항에 있어서, 시일 부재가 상기 스크롤 챔버와 상기 환상 유동 통로의 하류측 사이에서 가스 누출을 막기 위해 상기 노즐 플레이트와 터빈 케이싱과의 사이에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 원주방향을 따라 배열된 복수개의 관통구멍에 각 노즐 서포트가 느슨하게 끼워지고, 상기 노즐 서포트의 단부축부의 외주와 상기 관통구멍의 내주 사이에는 일정한 간극이 유지되는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 외주 코너부가 상기 환상 유동 통로의 입구측을 향하여 테이퍼 형상 또는 곡면 형상으로 되어 있어, 상기 스크롤 챔버내의 배기 가스가 환상 유동 통로 안으로 원활하게 유입하도록 하는 안내부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트는 스크롤 챔버와 마주하는 그의 후면이 스크롤 챔버의 내부원형면에 매끈하게 이어지는 회전곡면이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트는, 그 외주부의 환상 유동 통로의 입구에 마주하는 부분이 환상 유동 통로의 입구쪽으로 매끈하게 축소되는 곡면으로 되도록 만곡되어 있고, 이리하여 스크롤 챔버내의 배기 가스를 원활하게 도입시키는 안내부가 형성된 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트는 터빈 로터의 회전중심선에 평행하게 신장되는 원통형부와 이 원통형부와 수직으로 이어진 환상 판부를 포함하고, 노즐 플레이트의 환상 판부와 상기 노즐 마운트 사이에 환상 유동 통로가 형성되며, 원통형부의 내주는 상기 환상 판부의 환상 유동 통로측 표면에 이어지며, 터빈 입구에서 출구까지 이르는 터빈날개의 곡면외주를 덮는 곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 원통형부는 그의 단부에서 터빈 케이싱에 소켓과 스피곳 조인트 방식으로 연결되고, 상기 노즐 플레이트의 원통형부의 외면이 스크롤 챔버의 원형내면의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 스크롤 구조.
9. 엔진으로부터의 배기 가스를 터빈 케이싱의 스크롤 챔버에 도입시키고 상기 스크롤 챔버의 내부측에 형성된 환상 유동 통로에 통과시켜 반경류형 터빈에 주입시키고 상기 환상 유동 통로에 배치된 복수의 노즐 베인의 날개각을 변화시키기 위한 가변 노즐 기구를 구비한 가변용량형 배기 터보 과급기의 제조방법에 있어서,

   복수의 노즐 베인이 환상의 노즐 마운트에 회전 가능하도록 지지되고, 환상 노즐 플레이트가 상기 노즐 베인을 사이에 두고 복수의 노즐 서포트를 통해 상기 노즐 마운트에 연결되도록 이루어진 카트리지형 노즐 조립품을 제작하는 단계,

   스크롤 챔버와 환상 유동 통로의 하류측 사이에서 가스누출을 막기 위한 시일부재를 상기 환상 노즐 플레이트의 내면이 끼워지는 터빈 케이싱의 지지부에 부 착하는 단계 및

   상기 노즐 플레이트가 상기 환상 유동 통로의 벽면과 스크롤 챔버의 내측벽면의 일부를 형성하도록 상기 터빈 케이싱에 카트리지형 노즐 조립품을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변용량형 배기 터보 과급기의 제조방법.

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