KR100794974B1

KR100794974B1 - 반경류 컴프레서 임펠러를 구비한 터보머신

Info

Publication number: KR100794974B1
Application number: KR1020020008406A
Authority: KR
Inventors: 바르톨로매클라우스; 슈미트볼프강
Original assignee: 만 디젤 에스이
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2008-01-15
Also published as: KR20020068271A; US20020114693A1; CN1372082A; EP1233190A1; CN1267648C; JP4119654B2; DE50214459D1; US6638007B2; DE10107807C1; JP2002257092A; EP1233190B1

Abstract

반경류 컴프레서 임펠러(3)와, 볼류트형 플로우 덕트를 구비하며 터보 머신의 베어링 케이싱(1)에 강성 고정 장치(18)로 고정되는 컴프레서 케이싱(8)이 있는 터보 머신을 발전시켜, 간단하며 저비용의 수단으로 파열된 컴프레서 임펠러의 파편들이 컴프레서 케이싱으로부터 빠져나오는 것을 방지할 수 있도록, 컴프레서 케이싱(8)은 외측 와류형 케이싱(10)을 구비하며, 외측 와류형 케이싱은 반경 방향(B) 외측으로 편향된 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(11)을 둘러싸며, 내측 케이싱 삽입 부품(12)이 반경 방향으로 와류형 케이싱(10)과 컴프레서 임펠러(3) 사이에 마련되고, 내측 케이싱 삽입 부품의 내측 윤곽은 컴프레서 임펠러(3)의 허브(4)의 외측 윤곽과 함께, 대체로 축방향(A)으로 연장하는 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(14)을 형성하며, 와류형 케이싱(10)에는 케이싱 삽입 부품(12)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 내측 실린더(15)가 형성되어 있고, 케이싱 삽입 부품(12)은 축방향(A)으로 신축성이 있는 고정 장치(17)를 매개로 내측 실린더(12)에 부착되어 중공 공간(16)을 형성하며, 케이싱 삽입 부품(12)의 신축성 고정 장치는 베어링 케이싱에 대한 컴프레서 케이싱의 강성 고정 장치보다 파괴에 대해 덜 안전하도록 마련된다.

Description

반경류 컴프레서 임펠러를 구비한 터보머신{TURBOMACHINE WITH RADIAL-FLOW COMPRESSOR IMPELLER}

도 1은 본 발명에 따른 원심 컴프레서형 터보 머신의 길이 방향 부분 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 베어링 케이싱

2 : 샤프트

3 : 컴프레서 임펠러

4 : 허브

5 : 베인

6 : 허브의 외측 윤곽

8 : 컴프레서 케이싱

9 : 플로우 덕트

10 : 와류형 케이싱

11 : 편향 덕트 섹션

12 : 케이싱 삽입 부품

14 : 축방향 덕트 섹션

15 : 내측 실린더

16 : 중공 공간

17 : 신축성 고정 장치

18 : 강성 고정 장치

21 : 갭

A : 축방향

B : 반경 방향

본 발명은 반경류 컴프레서 임펠러를 구비한 터보머신으로, 청구항 제1항의 전재부에 기재된 바와 같이, 볼류트 형상(volute-shaped)의 플로우 덕트를 구비한 와류형 컴프레서 케이싱에 의해 둘러싸인 반경류 컴프레서 임펠러를 구비한 터보 머신에 관한 것이다.

예를 들면, 터보차저의 원심 컴프레서 등과 같은 터보머신의 기본 구조 및 작동 방식은 그 자체가 공지되어 있어서, 본 발명과 관련하여 보다 상세하게 설명할 필요는 없다. 따라서, 예를 들면 DE 195 02 808 C2에는 터보차저의 원심 컴프레서 형태인 일반적인 터보 머신이 개시되어 있는데, 이 터보 머신의 와류형 컴프레서 케이싱 내에서 컴프레서 임펠러의 허브 및 베인의 직경은 유동 방향으로 증가하며, 베인의 외측 윤곽은 만곡되어 있고, 이에 인접한 볼류트 형상의 플로우 덕트의 외측으로 만곡된 토로이드형 덕트 벽, 즉 컴프레서 케이싱의 덕트 벽의 내측 윤곽에 상응하며, 컴프레서 임펠러의 허브의 외측 윤곽과 함께 외측으로 편향된 덕트 섹션을 형성하고, 이 덕트 섹션 내에 베인이 맞물리게 된다. 와류형 덕트 방향으로 개방된 환형 덕트 섹션은 이러한 반경 방향 외측으로 편향된 덕트 섹션에 접해있다.

상기 터보차저의 컴프레서 케이싱들 및 이들에 대한 삽입물은 통상적으로 강성 구조이다.

바람직하지 못한 조건하에서 장시간 작동후에, 이러한 컴프레서 임펠러는 컴프레서 임펠러의 파괴를 배제할 수 없을 정도로, 부식, 침식, 노화에 의해 상당히 약화될 수 있다. 컴프레서 임펠러가 파괴되는 경우, 일반적으로 임펠러는 2 또는 3개의 큰 파편으로 파괴되며, 이들 개개의 파편은 상당한 원심력에 의해 외부로 배출된다. 그 후, 파편은 컴프레서 케이싱으로부터 빠져나올 수도 있다. 이러한 과정에서, 컴프레서 임펠러 베인은 완전히 파괴되며, 나머지 허브 본체는 베어링 케이싱과 컴프레서 케이싱 사이를 매우게 된다. 허브 조각들의 형상으로 인해, 쐐기 효과가 이어서 발생하여, 허브 조각은 케이싱에 상당한 임펄스형 축방향 하중을 가하게 된다.

작은 터보차저는 벽 두께가 상대적으로 크고, 케이싱 부분이 강성이 있기 때문에 이들 하중을 흡수할 수 있다. 큰 터보차저의 경우에, 주조 기술상의 이유로 케이싱 벽 두께는 통상적으로 작게 이루어짐으로, 이러한 하중을 받는 경우, 재료의 파괴 한도에 급속하게 도달하여, 케이싱이 파괴될 수 있다. 이때, 파편들이 터보차저에서 빠져나와, 상당히 심각한 손상을 초래할 수 있다.

이는 무슨 수를 써서라도 피해야 한다. 이러한 목적으로, 컴프레서 임펠러를 수용하고 있는 컴프레서 케이싱의 외부에 추가의 파열 보호 장치를 마련한 것이 현재 사용되고 있다.

따라서, 이를 기초로 하여, 본 발명의 목적은 전술한 형태의 터보머신을 간편하고 저비용의 수단을 사용하여 발전시킴으로써, 와류형 케이싱 외측에 추가적인 파열 보호 장치를 마련하지 않고서도, 파열된 컴프레서 임펠러의 파편들이 컴프레서 케이싱에서 빠져나오는 것을 방지할 수 있게 하는 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 목적은 본 발명의 청구항 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

컴프레서 케이싱은 외측 와류형 케이싱과 내측 케이싱 삽입 부품을 구비하며, 이 외측 와류형 케이싱은 반경 방향 외측으로 편향된 플로우 덕트 섹션을 포함하며, 내측 케이싱 삽입 부품은 반경 방향으로 상기 와류형 케이싱과 컴프레서 임펠러 사이에 마련되며, 내측 케이싱 삽입 부품의 내측 윤곽은 컴프레서 임펠러 허브의 외측 윤곽과 함께 플로우 덕트 섹션을 형성하고, 이 플로우 덕트 섹션은 거의 축방향으로 연장하며, 와류형 케이싱은 케이싱 삽입 부품을 적어도 부분적으로 둘러싸는 내측 실린더를 구비하도록 구성되며, 케이싱 삽입 부품은 축방향으로 신축성이 있는 고정 장치에 의해 내측 실린더에 부착되어 중공 공간을 형성하고, 케이싱 삽입 부품의 신축성 고정 장치는 베어링 케이싱에 대한 컴프레서 케이싱의 강성 고정 장치보다 파괴에 대해 덜 안전하도록 구성되기 때문에, 와류형 케이싱은 "충격 흡수 공간(crumple zone)"을 형성하며, 이로부터 파열된 임펠러의 어떠한 파편도 이제는 빠져나갈 수 없다. 파열되는 컴프레서 임펠러의 파편들의 동적 에너지는 터보차저 내에서 변형 에너지 및 열로 완전히 전환될 수 있다.

베어링 케이싱 상의 와류형 케이싱의 강성 고정 장치 및 케이싱 삽입 부품 자체는 와류형 케이싱 상의 케이싱 삽입 부품의 신축성 고정 장치보다 상당히 많은 양의 동적 에너지를 흡수할 수 있다. 이는 케이싱 삽입 부품이 긴급 상황에서 컴프레서 임펠러로부터 축방향으로 멀어지게 이동될 수 있도록 하는 것을 확실히 보장한다. 이러한 방식에서, 컴프레서 임펠러 파편들의 동적 에너지는 대부분 변형 에너지와 이로 인해 발생하는 열로 전환되어 흡수될 수 있다. 이들 파편의 나머지 동적 에너지는 케이싱에 의해 흡수될 수 있다.

이로써, 와류형 케이싱 외측의 추가적인 파열 보호 장치가 필요없게 될 수 있다.

와류형 케이싱은 케이싱 삽입 부품을 적어도 부분적으로 둘러싸는 내측 실린더를 구비하도록 구성되며, 케이싱 삽입 부품이 축방향으로 신축성이 있는 고정 장치를 매개로 상기 내측 실린더에 부착되어 중공 공간을 형성한다. 이로써, 충격으로부터 와류형 케이싱 자체를 높은 수준으로 확실히 보호하며, 터보차저로부터 파편의 어떠한 탈출도 방지하기 위한 효과적인 "차단"을 보장한다. 특히 유익한 방식에서, 컴프레서 케이싱의 강성 고정 장치는 베어링 케이싱에 대해 와류형 케이싱 을 견고하게 플렌지 이음함으로써 구성되며, 케이싱 삽입 부품의 신축성 고정 장치는 와류형 케이싱의 내측 실린더를 축방향으로 관통하는 축경 감소부를 갖는 나사식 고정 장치로 구성된다.

특히 유익한 방식에서, 와류형 케이싱의 강성 고정 장치를 위해 마련된 베어링 케이싱의 벽은 컴프레서 임펠러의 외측 윤곽의 외측 선단 위까지 반경 방향으로 하향 연장하여, 갭을 형성도록 배열되어 있어서, 추가적인 차단, 즉 컴프레서 임펠러의 파편들의 반경 방향으로 탈출하는 것을 방지한다.

또한, 컴프레서 케이싱은 외측 와류형 케이싱에 의해 위치 설정된다는 사실, 즉 편향 덕트 섹션을 포함하는 외측 와류형 케이싱이 베어링 케이싱 상의 컴프레서 케이싱의 강성 고정 장치를 지나 반경 방향(B) 내측으로 연장되는 동시에, 베어링 케이싱 상에 조인트를 형성하도록 위치 설정되어, 강성 고정 장치가 와류형 케이싱과 베어링 케이싱 사이의 조인트보다 반경 방향(B)으로 보다 외측에 위치하도록 배열된다는 것에서 본 발명의 구성이 특히 유익함을 알 수 있다. 조인트를 특별하게 배열하는 것을 포함하는 상기 방법에서, 베어링 케이싱 상의 컴프레서 케이싱의 강성 고정 장치는 플로우 덕트에서 쐐기를 형성할 가능성이 있는 파편들로부터 어떠한 하중도 거의 받지 않으며, 이로 인해 컴프레서 케이싱의 파손을 상당한 정도로 배제하는 것이 보장된다.

본 발명은 도면을 이용한 예시적인 설명에 의해 이하에서 보다 상세하게 설명된다.

도면을 기초로 한 형태의 배기가스 터보차저는 베어링 케이싱(1) 내에서 중 앙의 길이 방향 영역이 지지되는 샤프트(2)를 구비하며, 이 샤프트는 베어링 장치 너머로 돌출하는 그 단부상에서 터빈 휠(도시 생략)을 지지하고, 반경류 컴프레서 임펠러(3)(도면에서 개략적으로 도시)를 지지한다.

도시된 컴프레서 임펠러(3)는 터빈 휠에 의해 구동되는 샤프트(2)에 장착되어 함께 회전하는 허브(4)를 구비하며, 이 허브(4)의 외주부에는 반경 방향으로 돌출한 베인(5)이 장착되어 있다. 허브(4)의 외측 윤곽(6)은 켐프레서 케이싱(8)의 내측 윤곽(7)과 함께 플로우 덕트(9)를 형성하며, 이 플로우 덕트는 축방향(A)에서 반경 방향(B)으로 편향되어 있고, 외측을 향해 좁아져 그 단면이 베인(5)의 형상에 상응하게 된다. 켐프레서 케이싱(8)은 강성 고정 장치(18)에 의해 베어링 케이싱(1)에 고정되어 있다. 허브(4) 및 베인(5)의 직경은 유입구에서부터 배출구까지 증가하여, 컴프레서 임펠러(3)의 중앙 횡단면에 대해 비대칭인 길이 방향 단면이 존재하며, 또한 이에 상응하게 컴프레서 임펠러(3)의 길이 방향에 걸쳐 질량 분포가 증가한다.

컴프레서 케이싱(8)은 강성 고정 장치(18)에 의해 베어링 케이싱에 연결된 외측 와류형 케이싱(10)과, 반경 방향(B)으로 와류형 케이싱(10)과 컴프레서 임펠러(3) 사이에 마련된 내측 케이싱 삽입 부품(12)이 조립된 것으로서, 상기 와류형 케이싱은 반경 방향(B) 외측으로 편향된 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(11)을 구성하며, 내측 케이싱 삽입 부품의 내측 윤곽(13)은 컴프레서 임펠러(3)의 허브(4)의 외측 윤곽(16)과 함께 거의 축방향(A)으로 연장하는 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(14)을 형성한다.

컴프레서 케이싱(8)은 편향된 덕트 섹션(11)을 구성하는 외측 와류형 케이싱(10)이 반경 방향(B)으로 베어링 케이싱(1)을 지나 컴프레서 케이싱(8)의 강성 고정 장치(18)의 내측으로 연장하는 동시에, 조인트(22)를 형성하도록, 외측 와류형 케이싱(10)에 의해 베어링 케이싱(1) 상에 위치 설정되기 때문에, 강성 고정 장치(18)는 와류형 케이싱(10)과 베어링 케이싱(1) 사이의 조인트보다 반경 방향(B)으로 보다 외측에 위치하도록 배치된다. 이러한 방법, 즉 조인트(22)를 특별하게 배열함으로써, 베어링 케이싱(1) 상의 컴프레서 케이싱(8)의 강성 고정 장치(18)에는 플로우 덕트(9)에서 쐐기 작용을 할 가능성이 있는 파편들에 의한 하중이 거의 가해지지 않게 하며, 이로 인해 컴프레서 케이싱(8)의 파손은 상당한 정도로 배제된다.

바람직하게는, 예시적인 실시예에서, 조인트(22)와 샤프트(2) 간의 거리는 중앙부(23), 즉 와류형 케이싱(10) 내의 편형된 덕트 섹션(11)에 걸쳐서 최대 단면 영역(24)의 중심과 샤프트(2) 간의 거리 보다 작다.

와류형 케이싱(10)은 케이싱 삽입 부품(12)을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 내부 실린더(15)를 구비하도록 형성되어 있고, 케이싱 삽입 부품(12)은 축방향(A)으로 신축성이 있는 고정 장치(17)를 매개로 중공 공간(16)을 형성하도록 상기 내측 실리더(15)에 부착되어 있다. 케이싱 삽입 부품(12)의 신축성 고정 장치(17)는 베어링 케이싱(1) 상의 와류형 케이싱(10)의 강성 고정 장치(18)보다 파괴에 대해 확실히 보다 덜 안전하도록 구성된다.

컴프레서 케이싱(8) 또는 와류형 케이싱(10)의 강성 고정 장치(18)는 와류형 케이싱(10)을 베어링 케이싱(1)에 대해 견고하게 플랜지 이음함으로써 구성되고, 케이싱 삽입 부품(12)의 신축성 고정 장치는 와류형 케이싱(10)의 내측 실린더(15)를 축방향(A)으로 통과하는 축경 감소부를 갖는 나사식 고정 장치로 형성되어 있다.

와류형 케이싱(10)의 강성 고정 장치를 위해 마련된 베어링(1)의 벽(19)은 컴프레서 임펠러(3) 허브(4)의 외측 윤곽(6)의 외측 선단(20) 위에까지 반경 방향(B)으로 하향 연장하여, 갭(21)을 형성하도록 배열된다.

와류형 케이싱(10)은 컴프레서 임펠러(3) 방향에서 내측으로 플로우 덕트(9)의 직경이 연속적으로 감소하도록 형성되어 있다.

본 발명은 반경류 컴프레서 임펠러(3)와, 볼류트형 플로우 덕트를 구비하며 터보 머신의 베어링 케이싱(18)에 강성 고정 장치(18)로 고정되는 컴프레서 케이싱(8)이 있는 터보 머신을 발전시켜, 간단하며 저비용의 수단으로 파열된 컴프레서 임펠러의 파편들이 컴프레서 케이싱으로부터 빠져 나오는 것을 방지할 수 있다.

Claims

반경류 컴프레서 임펠러를 구비한 터보 머신으로서,

상기 컴프레서 임펠러는 상기 터보 머신의 베어링 케이싱(1)에서 지지되는 샤프트(2)에 장착되어, 볼류트형 플로우 덕트(9)가 있는 컴프레서 케이싱(3) 내에 배치되며, 상기 컴프레서 임펠러(3)의 허브(4)의 외측 윤곽(6)과 컴프레서 케이싱(8)의 내측 윤곽(7)은 축방향에서 반경 방향으로 편향되는 플로우 덕트(9)를 형성하고, 상기 컴프레서 케이싱(8)은 강성 고정 장치(18)에 의해 베어링 케이싱(1)에 체결되어 있는 터보 머신에 있어서,

상기 컴프레서 케이싱(8)은 반경 방향(B)으로 외향하여 편향된 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(11)을 포함한 외측 와류형 케이싱(10)과, 이 와류형 케이싱(10)과 컴프레서 임펠러(3) 사이에 있는 내측 케이싱 삽입 부품(12)으로 구성되어 있고, 상기 내측 케이싱 삽입 부품(12)의 내측 윤곽(13)은 상기 컴프레서 임펠러(3)의 허브(4)의 외측 윤곽(6)과 함께 대체로 축방향(A)으로 연장하는 플로우 덕트(9)의 덕트 섹션(14)을 형성하며, 상기 와류형 케이싱(10)은 상기 케이싱 삽입 부품(12)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 내측 실린더(15)를 갖도록 형성되며, 상기 케이싱 삽입 부품(12)은 축방향(A)으로 신축성이 있는 고정 장치(17)를 매개로 상기 내측 실린더(15)에 부착되어 중공 공간(16)을 형성하며, 상기 케이싱 삽입 부품(12)의 신축성 고정 장치(17)는 베어링 케이싱(1)에 대한 상기 컴프레서 케이싱(8)의 강성 고정 장치(18)보다 파괴에 대해 보다 덜 안전하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
제1항에 있어서, 상기 컴프레서 케이싱(8)의 강성 고정 장치(18)는 베어링 케이싱(1)에 대해 와류형 케이싱(10)을 견고하게 플랜지 이음함으로써 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
제1항에 있어서, 상기 케이싱 삽입 부품(12)의 신축성 고정 장치(17)는 와류형 케이싱(10)의 내측 실린더(15)를 축방향(A)으로 통과하는 축경 감소부를 갖는 나사식 고정장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
제1항에 있어서, 상기 와류형 케이싱(10)의 강성 고정 장치(18)를 위해 마련된 상기 베어링 케이싱(1)의 벽(19)은 컴프레서 임펠러(3)의 허브(4)의 외측 윤곽(6)의 외측 선단(20) 위까지 반경 방향(B)으로 하향 연장되어, 갭(21)을 형성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컴프레서 케이싱(8)은 편향 덕트 섹션(11)을 포함하는 외측 와류형 케이싱(10)이 강성 고정 장치(18)를 지나 반경 방향(B)의 내측으로 연장되는 동시에, 베어링 케이싱(1)에 조인트(22)를 형성하도록 외측 와류형 케이싱(10)에 의해 위치 설정되어, 상기 강성 고정 장치(18)가 상기 와류형 케이싱(10)과 베어링 케이싱(1) 사이의 조인트(22)보다 반경 방향(B)으로 보다 외측에 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
제5항에 있어서, 상기 조인트(22)와 상기 샤프트(2) 사이의 거리는 와류형 케이싱(10)의 편향된 덕트 섹션(11)에 걸쳐서 최대 단면 영역(24)의 중앙부(23)와 샤프트(2) 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 터보 머신.