KR100791168B1 - 배기 터보식 과급기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 효율이 좋은 배기 터보식 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 내부에 소용돌이형 유로 및 이 소용돌이형 유로의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실이 설치된 배기 터빈 하우징과, 터빈 수납실 내에 소용돌이형 유로와 축선을 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈과, 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 동축으로 하여 접속되는 샤프트와, 배기 터빈 하우징에 대해 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 인접 배치되는 베어링 하우징과, 베어링 하우징에 설치되어 샤프트를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링과, 배기 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 개재 장착되는 차열판을 설치한다. 차열판에 의해, 소용돌이형 유로의 내벽면 중 터빈 수납실의 입구 근방 부분을 구성하고, 소용돌이형 유로의 내벽면 중 차열판에 의해 구성되는 부분을, 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 한다.
배기 터보식 과급기, 배기 터빈 장치, 소용돌이형 유로, 배기 터빈, 터빈 수납실

Description

배기 터보식 과급기{EXHAUST TURBOCHARGER}
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기의 구성을 도시하는 종단면도.
도2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기의 배기 터빈 장치의 구성을 도시하는 축 직교 단면도.
도3은 도2의 A-A선 화살표 단면도.
도4는 도2의 B-B선 화살표 단면도.
도5는 차열판에 돌출부가 없는 경우의 소용돌이형 유로에 있어서의 배기 가스의 유속 분포를 나타내는 도면.
도6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기의 소용돌이형 유로에 있어서의 배기 가스의 유속 분포를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부부에 대한 부호의 설명>
1 : 배기 터보식 과급기
2 : 배기 터빈 장치
3 : 압축기
6 : 배기 터빈 하우징
7 : 배기 터빈
8 : 샤프트
11 : 압축기 스크롤
12 : 압축기 임펠러
16 : 베어링 하우징
17 : 베어링
18 : 윤활 계통
21 : 차열판
22 : 돌출부
S : 소용돌이형 유로
T : 터빈 수납실
[문헌 1] 일본 특허 공개 2002-70568호 공보 참조
본 발명은 선박이나 자동차, 발전기의 엔진 등의 내연 기관에 이용되는 배기 터보식 과급기에 관한 것이다.
배기 터보식 과급기는, 내연 기관의 연소실 내에 강제적으로 공기를 공급함으로써 연소 효율을 향상시켜 내연 기관의 출력 향상을 도모하는 것이다.
이러한 배기 터보식 과급기로는, 예를 들어 배기 가스에 의해 구동되는 배기 터빈 장치와, 배기 터빈 장치에 의해 구동되어 외기를 연소실로 압송하는 흡기 터빈 장치(압축기)를 갖는 배기 터빈 과급기가 알려져 있다(일본 특허 공개 2002-70568호 공보 참조).
배기 터빈 장치는, 내부에 소용돌이형 유로가 형성된 배기 터빈 하우징과, 이 배기 터빈 하우징의 직경 방향 대략 중심부에 설치된 배기 터빈을 갖고 있다. 흡기 터빈 장치는, 내부에 소용돌이형 유로가 형성된 흡기 터빈 하우징과, 흡기 터빈 하우징의 직경 방향 대략 중심부에 설치된 흡기 터빈을 갖고 있다.
배기 터빈과 흡기 터빈은 샤프트부에 의해 동축으로 하여 접속되어 있다. 배기 터빈 하우징과 흡기 터빈 하우징 사이에는 베어링 하우징이 설치되어 있다. 이 베어링 하우징에는, 샤프트부를 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링이 설치되어 있다.
이 배기 터보식 과급기는, 배기 터빈 하우징 내에 도입된 배기 가스의 흐름에 의해 배기 터빈이 회전 구동된다. 이에 의해, 배기 터빈에 샤프트부를 거쳐서 접속된 흡기 터빈이 회전 구동되어, 흡기 터빈에 의한 외기의 압송이 행해지도록 되어 있다.
여기서, 배기 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에는, 이들 사이에서의 열의 전달을 차단하는 차열판이 설치되어 있다. 이에 의해, 배기 터빈 하우징으로부터의 배기 가스의 열이 베어링 하우징의 베어링에 전달되기 어려워져 베어링의 소부 등의 문제점이 방지되어 있다.
배기 터빈 장치의 소용돌이형 유로 내 중 유로 내벽면 근방에서는, 유로 내 벽면과의 마찰 저항에 의해 배기 가스류의 유속이 저하한다(즉, 배기 가스류에 있어서 유로 내벽면 근방에 주류 속도에 대해 속도 결손이 생긴 경계층이 형성됨).
이로 인해, 배기 터빈에 공급되는 배기 가스류의 속도 분포에 왜곡이 생기고, 가동 블레이드 입구에서 충돌 손실이 커져 배기 터빈 장치의 효율이 저하된다.
본 발명은 이러한 사정을 비추어 이루어진 것이며, 효율이 좋은 배기 터보식 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
즉, 본 발명은, 내부에 소용돌이형 유로 및 상기 소용돌이형 유로의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실이 설치된 배기 터빈 하우징과, 상기 터빈 수납실 내에 상기 소용돌이형 유로와 축선을 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈과, 상기 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 동축으로 하여 접속되는 샤프트와, 상기 배기 터빈 하우징에 대해 상기 배기 터빈의 상기 축선 방향의 한쪽에 인접 배치되는 베어링 하우징과, 상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 샤프트를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링과, 상기 배기 터빈 하우징과 상기 베어링 하우징 사이에 개재 장착되는 차열판을 갖고 있고, 상기 차열판이, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 터빈 수납실 입구 근방 부분의 일부를 구성하고 있고, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 차열판에 의해 구성되는 부분은, 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 되어 있는 배기 터보식 과급기를 제공한다.
이와 같이 구성되는 배기 터보식 과급기에서는, 소용돌이형 유로의 내벽면 중 터빈 수납실 입구 근방 부분의 일부가 배기 터빈 하우징과는 다른 부재인 차열판에 의해 구성되어 있다. 이 차열판에 의해 구성되어 있는 부분은 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 되어 있다.
이에 의해, 소용돌이형 유로 내를 유통하는 배기 가스 중 소용돌이형 유로의 내벽면을 따라 형성되는 경계층(배기 가스류 중 주류 속도에 대해 속도 결손이 생기고 있는 부분)이 돌출부에 도달하였을 때에 유로 내측으로 압출됨으로써, 이 경계층의 흐름이 가속된다.
이에 의해, 터빈 수납실 내로 유입되는 배기 가스류의 속도 왜곡이 저감되므로 배기 터보식 과급기의 효율이 높다.
여기서, 배기 터빈 하우징의 소용돌이형 유로의 내부 형상은, 배기 가스의 흐름을 원활하게 하여 배기 터빈 장치의 효율을 향상시키기 위해 높은 형상 정밀도가 요구된다.
그러나, 일반적인 배기 터보식 과급기에서, 배기 터빈 하우징은 주조에 의해 작성되고 있고, 높은 형상 정밀도가 필요한 부분에는 기계 가공을 더 실시할 필요가 있다. 또한, 배기 터빈 하우징의 형상은 3차원적으로 변화하는 복잡한 형상이므로 기계 가공이 곤란하다.
이에 대해, 상기한 본 발명의 배기 터보식 과급기에서는, 소용돌이형 유로의 내벽면에 설치된 돌출부가 배기 터빈 하우징과는 다른 부재인 차열판에 의해 구성되어 있다. 이로 인해, 차열판을 프레스 가공 등의 임의의 정형 방법에 의해 정형함으로써 형상 정밀도가 높은 돌출부를 용이하게 작성할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 배기 터보식 과급기는 소용돌이형 유로의 내부 형상이 고정밀도이면서 용이하게 또한 저비용으로 제조할 수 있다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 돌출부의 돌출 방향에 있어서의 상기 소용돌이형 유로의 폭을 2L로 하고, 상기 돌출부의 돌출량을 X로 하면, 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 되어 있어도 좋다.
지수 법칙을 기초로 하여 구한 소용돌이형 유로 내의 배기 가스류의 속도 분포에 따르면, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 30 ％ 미만이 되는 것은, 소용돌이형 유로의 내벽면으로부터 0.08235L보다도 이격된 영역이다. 마찬가지로, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 5 ％ 미만이 되는 것은, 소용돌이형 유로의 내벽면으로부터 0.6983L보다도 이격된 영역이다.
이로 인해, 상기한 바와 같이, 돌출부의 돌출량(X)을 0.08235L 이상으로 설정함으로써 소용돌이형 유로의 중심보다도 차열판측을 흐르는 배기 가스류 중 속도 결손이 주류 속도의 30 ％를 넘는 부분이 유로 내측으로 압출되어 가속됨으로써, 배기 가스류의 유속의 변동이 30 ％ 이하로 저감된다. 이 경우에는, 돌출부는 소용돌이형 유로의 유로 단면적의 약 4.1 ％를 폐색하게 된다.
마찬가지로, 돌출부의 돌출량(X)을 0.6983L로 설정함으로써 소용돌이형 유로의 중심보다도 차열판측을 흐르는 배기 가스류 중 속도 결손이 주류 속도의 5 ％를 넘는 부분이 유로 내측으로 압출되어 가속됨으로써, 배기 가스류의 유속의 변동이 5 ％ 이하로 저감된다.
한편, 돌출부의 돌출량(X)을 0.6983L로 한 경우에는, 돌출부는 소용돌이형 유로의 유로 단면적의 34.9 ％를 폐색하는 것으로 되기 때문에, 이것 이상 돌출부의 돌출량(X)을 증가시키면 배기 터빈에 공급하는 배기 가스의 유량을 충분히 확보할 수 없게 될 가능성이 있다.
이로 인해, 돌출부의 돌출량(X)은 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 돌출부의 돌출량은 배기 터보식 과급기에 요구되는 성능, 예를 들어 배기 가스류의 유속의 변동의 허용량이나 배기 터빈에 공급하는 배기 가스의 유량의 하한치에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
예를 들어, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 20 ％ 미만이 되는 것은 소용돌이형 유로의 내벽면으로부터 0.2097L보다도 이격된 영역이므로, 돌출부의 돌출량(X)을 0.2097L ≤ X ≤ 0.6983L로 함으로써 배기 가스류의 유속의 변동을 20 ％ 이하로 억제할 수 있다. 이 경우에는, 돌출부는 소용돌이형 유로의 유로 단면적의 약 10.5 ％를 폐쇄하게 된다.
마찬가지로, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 15 ％ 미만이 되는 것은 소용돌이형 유로의 내벽면으로부터 0.3206L보다도 이격된 영역이므로, 돌출부의 돌출량(X)을 0.3206L ≤ X ≤ 0.6983L로 함으로써 배기 가스류의 유속의 변동을 15 ％ 이하로 억제할 수 있다. 이 경우에는, 돌출부는 소용돌이형 유로의 유로 단면적의 약 16.5 ％를 폐색하게 된다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 배기 터빈 하우징의 상기 소용돌이형 유로 중 최내주부와 상기 최내주부의 외주측에 위치하는 부분을 구획하는 설부가, 상기 배 기 터빈 하우징의 상기 베어링 하우징측을 향하는 내벽면으로부터 상기 베어링 하우징을 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성되어 있고, 상기 차열판이 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 설부의 돌출단부에 대향하는 부위를 구성하고 있어도 좋다.
상기한 바와 같이, 일반적인 배기 터보식 과급기에서는 배기 터빈 하우징은 주조에 의해 제조되고 있다. 이로 인해, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실은 일체로 형성되어 있고, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실은 배기 터빈 하우징의 베어링 하우징측을 향하는 내벽면과 베어링 하우징측의 내벽면에 걸치는 격벽에 의해 구획된 구조로 되어 있다.
이러한 구성의 배기 터빈 하우징에서는, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실을 구획하는 격벽 중 소용돌이형 유로와 터빈 수납실의 접속부 근방 부분을 구성하는 설부는, 베어링 하우징으로부터 이격된 측의 단부와 베어링 하우징측의 단부의 양방이 고정단부로 되어 있다.
이로 인해, 설부가 배기 가스의 열을 받음으로써 설부에 생기는 열 응력을 릴리프할 수 없고, 배기 터보식 과급기를 장기간 사용하면 설부에 크랙이 생기는 일이 있다.
이에 대해, 상기한 바와 같이 설부를 배기 터빈 하우징의 베어링 하우징측을 향하는 내벽면으로부터 베어링 하우징을 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성함으로써, 설부의 베어링 하우징측의 단부가 자유단부로 된다.
이에 의해, 설부가 배기 가스의 열을 받았을 때에 설부가 자유단부측에 열 팽창하여 설부에 생기는 열 응력을 릴리프할 수 있으므로, 설부에 크랙이 생기기 어렵다.
이와 같이 구성되는 배기 터보식 과급기에 의하면, 터빈 수납실 내로 유입되는 배기 가스류의 속도 왜곡이 저감되므로 효율이 높다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 배기 터보식 과급기(1)는 내연 기관의 배기 가스 배출 경로 상에 설치되어 배기 가스에 의해 구동되는 배기 터빈 장치(2)와, 배기 터빈 장치(2)에 의해 구동되어 외기를 내연 기관의 연소실로 압송하는 압축기(3)를 구비하고 있다.
배기 터빈 장치(2)는 내부에 소용돌이형 유로(S) 및 이 소용돌이형 유로(S)의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실(T)이 설치된 배기 터빈 하우징(6)과, 터빈 수납실(T)의 직경 방향 대략 중심부에 소용돌이형 유로(S)와 축선을 대략 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈(7)(터빈 임펠러)과, 배기 터빈(7)의 축선 방향의 압축기(3)측[후술하는 베어링 하우징(16)측]에 배기 터빈(7)과 대략 동축으로 하여 접속되는 샤프트(8)를 갖고 있다.
도2에 도시하는 바와 같이, 소용돌이형 유로(S)의 유로가 중복되는 부분, 즉 배기 터빈 하우징(6)의 소용돌이형 유로(S) 중 최내주부와 이 최내주부의 외주측에 위치하는 부분은 최내주부의 상류측으로부터 하류측을 향해 돌출하는 벽부로 이루어지는 설부(6a)에 의해 구획되어 있다.
도3(도2의 A-A선 화살표 단면도)에 도시하는 바와 같이, 이 설부(6a)는 배기 터빈 하우징(6)의 압축기(3)측을 향하는 내벽면으로부터 압축기(3)측을 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성되어 있다. 즉, 설부(6a)는, 압축기(3)측의 단부가 자유단부로 되어 있다.
여기서, 도1 내지 도3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는 소용돌이형 유로(S)는 터빈 수납실(T)을 직경 방향 외측으로부터 권취하는 형상으로 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서, 배기 터빈 장치(2)는 배기 가스가 배기 터빈(7)의 직경 방향 외측으로부터 직경 방향을 따라 공급되는 구성(래디얼 터빈)으로 되어 있다. 배기 터빈 장치(2)는 소용돌이형 유로(S)가 배기 터빈(7)보다도 압축기(3)측으로 어긋나게 하여 설치되고, 배기 가스가 배기 터빈(7)의 직경 방향에 대해 경사지는 방향으로부터 공급되는 구성(사류 터빈)으로 되어 있어도 좋다.
도1에 도시하는 바와 같이, 압축기(3)는 내부에 소용돌이형 유로가 형성된 압축기 스크롤(11)과, 압축기 스크롤(11)의 직경 방향 대략 중심부에 설치된 압축기 임펠러(12)를 구비하고 있다.
배기 터빈 장치(2)의 배기 터빈(7)과 압축기(3)의 압축기 임펠러(12)는 샤프트(8)에 의해 대략 동축으로 하여 접속되어 있다. 배기 터빈 하우징(6)과 압축기 스크롤(11) 사이에는, 이들 배기 터빈 하우징(6) 및 압축기 스크롤(11)에 인접시켜 베어링 하우징(16)이 설치되어 있다.
배기 터빈 하우징(6)에는, 베어링 하우징(16)과의 접속부측에 터빈 수납실(T)로 통하는 개구부(6b)가 마련되어 있다. 베어링 하우징(16)은, 배기 터빈 하우징(6)측의 단부를 배기 터빈 하우징(6)의 개구부(6b) 내에 삽입한 상태로 하여 배기 터빈 하우징(6)과 결합되어 있다.
베어링 하우징(16)에는, 샤프트(8)를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링(17)과, 베어링(17)으로 윤활유를 공급하는 윤활 계통(18)이 설치되어 있다.
도1 내지 도4(도2의 B-B선 화살표 단면도)에 도시하는 바와 같이, 배기 터빈 하우징(6)과 베어링 하우징(16) 사이에는 차열판(21)이 개재 장착되어 있다. 차열판(21)은, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 중 터빈 수납실(T)의 입구 근방 부분의 일부를 구성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 도2에 도시하는 바와 같이, 차열판(21)은 소용돌이형 유로(S)의 설부(6a)근방 부분에, 직경 방향 외측으로 돌출하는 돌출부(D)가 마련되어 있다. 이 돌출부(D)는, 도4에 도시하는 바와 같이 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 중 설부(6a)의 돌출단부에 대향하는 부위를 구성하고 있다.
도1, 도3 및 도4에 도시하는 바와 같이, 차열판(21)은 대략 원판부(21a)와, 이 대략 원판부(21a)의 외주연으로부터 대략 원판부(21a)의 축선 방향의 한쪽을 향해 직립하는 대략 원통부(21b)를 갖는 대략 바닥이 있는 원통 형상을 이루고 있다.
차열판(21)은, 대략 원판부(21a)가 배기 터빈(7)에 근접 배치되도록 하여 배기 터빈 하우징(6)의 개구부(6b) 내에 삽입되어 있다.
대략 원통부(21b)의 선단부에는 외측 플랜지(21c)가 설치되어 있고, 차열판(21)은, 이 외측 플랜지(21c)를 배기 터빈 하우징(6)과 베어링 하우징(16) 사이에 끼워짐으로써 위치 결정 고정되어 있다.
대략 원판부(21a)의 직경 방향 대략 중앙부에는 개구부(21d)가 마련되어 있 고, 샤프트(8)는 이 개구부(21d)에 삽입 관통되어 있다. 개구부(21d)에는, 베어링 하우징(16)의 배기 터빈 하우징(6)측의 단부가 끼워 맞추어져 있고, 이에 의해 차열판(21)이 위치 결정 고정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 대략 원판부(21a)의 주연부는, 직경 방향 외측으로부터 직경 방향 내측을 향함에 따라서 점차 축선 방향의 다른 쪽을 향해 돌출하도록 경사지게 되어 있다. 대략 원판부(21a)의 주연부보다도 직경 방향 내측의 영역은, 직경 방향 외측으로부터 직경 방향 내측을 향함에 따라서 점차 축선 방향의 한쪽을 향하도록 경사지게 되어 있다.
소용돌이형 유로(S)의 내벽면 중 차열판(21)에 의해 구성되는 부분은, 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부(22)로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 돌출부(22)는 대략 원판부(21a)의 주연부로 구성되어 있다.
이 돌출부(22)의 돌출 방향에 있어서의 소용돌이형 유로(S)의 폭을 2L로 하고 돌출부(22)의 돌출량을 X로 하면, 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 되어 있다.
이와 같이 구성되는 배기 터보식 과급기(1)는 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스류가 배기 터빈 장치(2)로 송입됨으로써 배기 터빈(7)이 회전 구동된다. 이와 같이, 배기 터빈(7)이 회전 구동됨으로써 배기 터빈(7)에 접속된 압축기 임펠러(12)가 회전 구동되고, 압축기(3)에 의한 외기의 압송이 행해진다.
이 배기 터보식 과급기(1)에서는, 배기 터빈 장치(2)의 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 중 터빈 수납실(T)의 입구 근방 부분의 일부가 배기 터빈 하우징(6)과는 다른 부재인 차열판(21)에 의해 구성되어 있다. 이 차열판(21)에 의해 구성되어 있는 부분은 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부(22)로 되어 있다.
이에 의해, 소용돌이형 유로(S) 내를 유통하는 배기 가스 중 소용돌이형 유로(S)의 내벽면을 따라 형성되는 경계층(배기 가스류 중 주류 속도에 대해 속도 결손이 생기고 있는 부분)이, 돌출부(22)에 도달하였을 때에 유로 내측으로 압출되는 것으로 되어, 이 경계층의 흐름이 가속된다.
구체적으로, 돌출부(22)를 마련하고 있지 않은 배기 터보식 과급기에서는, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 근방에서, 내벽면과의 마찰 저항에 의해 배기 가스류의 유속이 저하한다(도5의 유속 분포도 참조). 이에 의해, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 근방에는, 배기 가스류의 주류 속도에 대해 속도 결손이 생긴 경계층이 형성된다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)에서는, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면을 따라 형성되는 경계층이 돌출부(22)에 도달하였을 때에 유로 내측으로 압출되는 것으로 되어, 이 경계층의 흐름이 가속된다(도6의 유속 분포도 참조).
이에 의해, 터빈 수납실 내(T)로 유입되는 배기 가스류의 속도 왜곡이 저감되므로, 본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)는 배기 터빈 장치(2)의 효율이 높다.
여기서, 배기 터빈 하우징(6)의 내부 형상은, 배기 가스의 흐름을 원활하게 하여 배기 터빈 장치(2)의 효율을 향상시키기 위해 높은 형상 정밀도가 요구된다.
그러나, 일반적인 배기 터보식 과급기에서, 배기 터빈 하우징은 주조에 의해 작성되고 높은 형상 정밀도가 필요한 부분에는 기계 가공을 더 실시할 필요가 있다. 또한, 배기 터빈 하우징의 형상은 3차원적으로 변화되는 복잡한 형상이므로 기계 가공이 곤란하다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)에서는, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면에 설치된 돌출부(22)가 배기 터빈 하우징(6)과는 다른 부재인 차열판(21)에 의해 구성되어 있다. 이에 의해, 차열판(21)을 프레스 가공 등의 임의인 정형 방법에 의해 정형함으로써 형상 정밀도의 높은 돌출부(22)를 용이하게 작성할 수 있다.
이로 인해, 본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)는 소용돌이형 유로(S)의 내부 형상이 고정밀도이면서 용이하게 또한 저비용으로 제조할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)에서는, 돌출부(22)의 돌출 방향에 있어서의 소용돌이형 유로(S)의 폭을 2L로 하고 돌출부(22)의 돌출량을 X로 하면, 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 되어 있다.
지수 법칙, 구체적으로는 1/7승 속도 분포식[U ＝ U*(X/L)1/7, 여기서 U는 유속, U*은 주류의 유속, X는 벽면으로부터의 거리, L은 유로 중심까지의 거리임]을 기초로 하여 근사적으로 구한 소용돌이형 유로(S) 내의 배기 가스류의 속도 분포에 의하면, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 30 ％ 미만이 되는 것은, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면으로부터 0.08235L보다도 이격된 영역이다. 마찬가지로, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 5 ％ 미만으로 되는 것은, 소용 돌이형 유로(S)의 내벽면으로부터 0.6983L보다도 이격된 영역이다.
이로 인해, 상기한 바와 같이, 돌출부(22)의 돌출량(X)을 0.08235L 이상으로 설정함으로써, 소용돌이형 유로(S)의 중심보다도 차열판(21)측을 흐르는 배기 가스류 중 속도 결손이 주류 속도의 30 ％를 넘는 부분이 유로 내측으로 압출되어 가속되게 된다. 결과, 배기 가스류의 유속의 변동이 30 ％ 이하로 저감된다. 이 경우, 돌출부(22)는 소용돌이형 유로(S)의 유로 단면적의 약 4.1 ％를 폐색하게 된다.
마찬가지로, 돌출부(22)의 돌출량(X)을 0.6983L로 설정함으로써 소용돌이형 유로(S)의 중심보다도 차열판(21)측을 흐르는 배기 가스류 중 속도 결손이 주류 속도의 5 ％를 넘는 부분이 유로 내측으로 압출되어 가속되게 된다. 결과, 배기 가스류의 유속의 변동이 5 ％ 이하로 저감된다.
한편, 돌출부(22)의 돌출량(X)을 0.6983L로 한 경우, 돌출부(22)는 소용돌이형 유로(S)의 유로 단면적의 34.9 ％를 폐색하게 된다. 이 이상 돌출부(22)의 돌출량(X)을 증가시키면, 배기 터빈(7)에 공급하는 배기 가스의 유량을 충분히 확보할 수 없게 될 가능성이 있다.
이 때문에, 돌출부(22)의 돌출량(X)은 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 하는 것이 바람직하다.
돌출부(22)의 돌출량은, 배기 터보식 과급기(1)에 요구되는 성능, 예를 들어 배기 가스류의 유속의 변동의 허용량이나 배기 터빈(7)에 공급하는 배기 가스의 유량의 하한치에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
예를 들어, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 20 ％ 미만이 되는 것은, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면으로부터 0.2097L보다도 이격된 영역이다. 이로 인해, 돌출부(22)의 돌출량(X)을 0.2097L ≤ X ≤ 0.6983L로 함으로써 배기 가스류의 유속의 변동을 20 ％ 이하로 억제할 수 있다. 이 경우, 돌출부(22)는 소용돌이형 유로(S)의 유로 단면적의 약 10.5 ％를 폐색하게 된다.
마찬가지로, 배기 가스류의 주류 속도에 대한 속도 결손이 15 ％ 미만이 되는 것은, 소용돌이형 유로(S)의 내벽면으로부터 0.3206L보다도 이격된 영역이다. 이로 인해, 돌출부(22)의 돌출량(X)을 0.3206L ≤ X ≤ 0.6983L로 함으로써 배기 가스류의 유속의 변동을 15 ％ 이하로 억제할 수 있다. 이 경우에는, 돌출부(22)는 소용돌이형 유로(S)의 유로 단면적의 약 16.5 ％를 폐색하게 된다.
여기서, 종래의 일반적인 배기 터보식 과급기에서, 배기 터빈 하우징은 주조에 의해 제조되고 있다. 이로 인해, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실은 일체적으로 형성되어 있고, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실은 배기 터빈 하우징의 베어링 하우징측을 향하는 내벽면과 베어링 하우징측의 내벽면에 걸치는 격벽에 의해 구획된 구조로 되어 있다.
이러한 구성의 배기 터빈 하우징에서는, 소용돌이형 유로와 터빈 수납실을 구획하는 격벽 중 소용돌이형 유로와 터빈 수납실과의 접속부 근방 부분을 구성하는 설부는, 베어링 하우징으로부터 이격된 측의 단부와 베어링 하우징측의 단부와의 양방이 고정단부로 되어 있다.
이로 인해, 설부가 배기 가스의 열을 받음으로써 설부에 생기는 열 응력을 릴리프할 수 없고, 배기 터보식 과급기를 장기간 사용하면 설부에 크랙이 생길 우려가 있다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 배기 터보식 과급기(1)에서는, 배기 터빈 하우징(6)의 소용돌이형 유로(S) 중 최내주부와 이 최내주부의 외주측에 위치하는 부분을 구획하는 설부(6a)가 배기 터빈 하우징(6)의 압축기(3)측[베어링 하우징(16)측]을 향하는 내벽면으로부터 압축기(3)를 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성되어 있고, 차열판(21)이 소용돌이형 유로(S)의 내벽면 중 설부(6a)의 돌출단부에 대향하는 부위를 구성하고 있다.
이에 따라, 설부(6a)의 압축기(3)측의 단부가 자유단부로 되고, 설부(6a)가 배기 가스의 열을 받았을 때에 설부(6a)가 자유단부측에 열 팽창할 수 있고, 이에 의해, 설부(6a)에 생기는 열 응력을 릴리프할 수 있으므로 설부(6a)에 크랙이 생기기 어렵다.
본 발명에 따르면, 효율이 좋은 배기 터보식 과급기를 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 내부에 소용돌이형 유로 및 상기 소용돌이형 유로의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실이 설치된 배기 터빈 하우징과,
    상기 터빈 수납실 내에 상기 소용돌이형 유로와 축선을 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈과,
    상기 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 동축으로 하여 접속되는 샤프트와,
    상기 배기 터빈 하우징에 대해 상기 배기 터빈의 상기 축선 방향의 한쪽에 인접 배치되는 베어링 하우징과,
    상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 샤프트를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링과,
    상기 배기 터빈 하우징과 상기 베어링 하우징 사이에 개재 장착되는 차열판을 갖고 있고,
    상기 차열판이, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 터빈 수납실 입구 근방 부분을 구성하고 있고,
    상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 차열판에 의해 구성되는 부분은, 상기 차열판의 직경 방향 외측에 위치하는 영역보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 되어 있는 배기 터보식 과급기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 돌출부의 돌출 방향에 있어서의 상기 소용돌이형 유로의 폭을 2L로 하고, 상기 돌출부의 돌출량을 X로 하면, 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L 로 되어 있는 배기 터보식 과급기.
  3. 내부에 소용돌이형 유로 및 상기 소용돌이형 유로의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실이 설치된 배기 터빈 하우징과,
    상기 터빈 수납실 내에 상기 소용돌이형 유로와 축선을 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈과,
    상기 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 동축으로 하여 접속되는 샤프트와,
    상기 배기 터빈 하우징에 대해 상기 배기 터빈의 상기 축선 방향의 한쪽에 인접 배치되는 베어링 하우징과,
    상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 샤프트를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링과,
    상기 배기 터빈 하우징과 상기 베어링 하우징 사이에 개재 장착되는 차열판을 갖고 있고,
    상기 차열판이, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 터빈 수납실 입구 근방 부분을 구성하고 있고,
    상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 차열판에 의해 구성되는 부분은, 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 되어 있고,
    상기 배기 터빈 하우징의 상기 소용돌이형 유로 중 최내주부와 상기 최내주부의 외주측에 위치하는 부분을 구획하는 설부가, 상기 배기 터빈 하우징의 상기 베어링 하우징측을 향하는 내벽면으로부터 상기 베어링 하우징을 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성되어 있고,
    상기 차열판이 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 설부의 돌출단부에 대향하는 부위를 구성하고 있는 배기 터보식 과급기.
  4. 내부에 소용돌이형 유로 및 상기 소용돌이형 유로의 최내주부에 접속되는 터빈 수납실이 설치된 배기 터빈 하우징과,
    상기 터빈 수납실 내에 상기 소용돌이형 유로와 축선을 평행하게 하여 설치되는 배기 터빈과,
    상기 배기 터빈의 축선 방향의 한쪽에 동축으로 하여 접속되는 샤프트와,
    상기 배기 터빈 하우징에 대해 상기 배기 터빈의 상기 축선 방향의 한쪽에 인접 배치되는 베어링 하우징과,
    상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 샤프트를 축선 주위로 회전 가능하게 하여 지지하는 베어링과,
    상기 배기 터빈 하우징과 상기 베어링 하우징 사이에 개재 장착되는 차열판을 갖고 있고,
    상기 차열판이, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 터빈 수납실 입구 근방 부분을 구성하고 있고,
    상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 차열판에 의해 구성되는 부분은, 상류부보다도 유로 내측으로 돌출하는 돌출부로 되어 있고,
    상기 돌출부의 돌출 방향에 있어서의 상기 소용돌이형 유로의 폭을 2L로 하고, 상기 돌출부의 돌출량을 X로 하면, 0.08235L ≤ X ≤ 0.6983L로 되어 있고,
    상기 배기 터빈 하우징의 상기 소용돌이형 유로 중 최내주부와 상기 최내주부의 외주측에 위치하는 부분을 구획하는 설부가, 상기 배기 터빈 하우징의 상기 베어링 하우징측을 향하는 내벽면으로부터 상기 베어링 하우징을 향해 돌출하는 벽부에 의해 구성되어 있고,
    상기 차열판이, 상기 소용돌이형 유로의 내벽면 중 상기 설부의 돌출단부에 대향하는 부위를 구성하고 있는 배기 터보식 과급기.
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