KR100861968B1 - 터보기계, 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러, 및터보기계의 제조방법 - Google Patents

터보기계, 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러, 및터보기계의 제조방법 Download PDF

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테츠아키 오가와
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Abstract

터보기계인 터보차저를, 배면 중앙에 돌기부(19)를 갖는 컴프레서 임펠러(13)와, 이 컴프레서 임펠러(13)의 돌기부(19)에 형성된 바닥이 있는 결합구멍(20)에 대하여 억지 끼워맞춤의 끼워맞춤만으로 결합되는 구동축(15)과, 컴프레서 임펠러(13)의 돌기부(19)의 외주 부분에 대하여 끼워맞춤만으로 결합되는 통형상부(33)를 가진 슬리브(30)를 포함해서 구성하고, 이 슬리브(30)를 컴프레서 임펠러(13)보다 선팽창계수가 작은 재료로 형성했다. 따라서, 열팽창에 의해 돌기부(19)의 결합구멍(20)이 커지려고 해도, 통형상부(33)에서 그 지름의 확대가 억제되기 때문에, 구동축(15) 및 결합구멍(20) 사이에서의 느슨함을 방지할 수 있고, 결합 상태를 양호하게 유지할 수 있다.

Description

터보기계, 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러, 및 터보기계의 제조방법{TURBO MACHINE, COMPRESSOR IMPELLER USED FOR TURBO MACHINE, AND METHOD OF MANUFACTURING TURBO MACHINE}
본 발명은, 터보기계, 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러, 및 터보기계의 제조방법에 관한 것이다.
종래, 터보차저로 대표되는 바와 같은 터보기계의 컴프레서 임펠러는, 터빈과 일체로 설치된 구동축에 대하여 너트에 의해 고정되어 있었다. 즉, 컴프레서 임펠러에는 축방향으로 관통된 관통구멍이 뚫려 있고, 이 관통구멍에 구동축을 삽입하여 통과시킴과 아울러, 구동축의 선단측에 새겨서 설치된 나사 부분에 너트를 나사 결합하고, 조여서 고정하고 있었던 것이다.
그러나, 이러한 결합 구조에서는, 컴프레서 임펠러에 관통구멍이 형성되어 있기 때문에, 그 축방향의 중간 정도에서 고응력이 발생하기 쉽고, 내구성을 향상시키기 위해서는 한계가 있었다.
그래서, 관통구멍 대신에, 컴프레서 임펠러에 축방향을 따른 바닥이 있는 나사구멍(관통하지 않는 구멍)을 형성하고, 이 나사구멍에 구동축을 나사결합시키는 결합 구조가 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1, 특허문헌 2). 또한 이 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서는, 나사결합 부분의 덜거덕거림을 없애거나, 동심도를 향상시키거나 하기 위해서, 구멍과 구동축의 억지 끼워맞춤에 의한 끼워맞춤 부분이 설치되어 있다.
이 결합 구조에 의하면, 나사구멍은 구동축이 확실하게 나사결합되는 정도로 짧아도 좋기 때문에, 축방향의 중간정도까지 설치할 필요가 없어, 고응력이 발생하기 어려운 것이다.
[특허문헌1] 일본 특허공표 평5-504178호
[특허문헌2] 미국 특허 제5,193,989호
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 터보차저에서는, 그 결합시에, 컴프레서 임펠러측의 나사구멍에 구동축이 우선 나사결합하고, 나사결합시켜 가는 도중에 서로가 끼워맞춰지기 때문에, 동심도를 얻기 어려운 나사결합 부분에서의 결합이 끼워맞춤 부분에 영향을 주어, 원래는 끼워맞춤 부분에 의해 얻어야 할 동심도가 정확하게 나오지 않는다고 하는 문제가 생긴다. 이 결과, 생산성을 손상시키거나, 구동축이 휘어서 변형하는 등, 회전시에 언밸런스가 생기기 쉬워지고, 내구성을 생각한 것처럼 향상시킬 수 없다.
본 발명의 목적은, 컴프레서 임펠러와 구동축의 결합 상태를 양호하게 유지할 수 있는 터보기계, 이 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러, 및 터보기계의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
제1발명에 따른 터보기계는, 배면 중앙에 돌기부를 갖는 컴프레서 임펠러와, 이 컴프레서 임펠러의 돌기부에 형성된 바닥이 있는 결합구멍에 끼워맞춰지는 구동축과, 이 구동축의 끼워맞춤부에 따른 상기 돌기부의 외주 부분에, 상기 구동축과 동심상으로 끼워맞춰지는 통형상 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
제2발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 돌기부의 바닥이 있는 결합구멍과 상기 구동축의 끼워맞춤은, JIS B 0401에 규정되는 억지 끼워맞춤이고, 상기 돌기부와 상기 통형상 부재의 끼워맞춤은, JIS B 0401에 규정되는 중간 끼워맞춤 또는 헐거운 끼워맞춤인 것을 특징으로 한다.
여기에서, 억지 끼워맞춤은, 구멍지름을 기준으로 했을 때에 10%정도 큰 지름의 축을, 압입, 강압입, 수축 끼워맞춤, 팽창 끼워맞춤 등에 의해 바닥이 있는 구멍에 끼워맞춤 시킴으로써 실현할 수 있다.
또한 중간 끼워맞춤은, 미끄럼 끼워맞춤, 눌러박음, 때려박음 등에 의해 통형상 부재를 돌기부에 끼워맞춤시킴으로써 실현할 수 있다.
구체적으로는, 구멍지름을 6mm로부터 10mm로 했을 때에, 표 1에 나타내어지는 축지름의 공차역 클래스를 선택함으로써 억지 끼워맞춤, 중간 끼워맞춤, 헐거운 끼워맞춤을 적당하게 채용할 수 있다.
Figure 112007029723217-pct00001
제3발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 통형상 부재는 상기 컴프레서 임펠러보다 선팽창계수가 작은 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 컴프레서 임펠러에 사용하는 재료로서는, 예를 들면 알루미늄(선팽창계수:23.9×10-61/℃), 두랄루민(선팽창계수:27.3×10-61/℃) 등을 채용할 수 있다.
한편, 통형상 부재에 사용하는 재료로서는, 예를 들면 탄소강(선팽창계수:10.1∼12.1×10-61/℃), 크롬강(선열팽창계수:9.5∼11.3×10-61/℃), 니켈강(선열팽창계수:18.0×10-61/℃) 등을 채용할 수 있다.
제4발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 구동축에는 단차상의 어깨부가 설치되고, 이 어깨부와 상기 컴프레서 임펠러 사이에는, 상기 구동축에 삽입된 슬리브가 끼워져 있는 것을 특징으로 한다.
제5발명에 터보기계는, 제4발명에 있어서, 상기 슬리브는, 상기 구동축의 어깨부와 상기 컴프레서 임펠러 사이에서, 축방향으로 면압을 받은 상태에서 끼워져 있는 것을 특징으로 한다.
제6발명에 따른 터보기계는, 제4발명에 있어서, 상기 슬리브에는 상기 통형상 부재가 일체로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제7발명에 따른 터보기계는, 제4발명에 있어서, 상기 구동축을 회전 가능하게 유지하는 하우징과, 상기 구동축에 고정되는 스러스트 칼라와, 이 스러스트 칼라 및 상기 슬리브의 사이에 끼워져서 상기 하우징에 고정되는 스러스트 베어링을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
제8발명에 따른 터보기계는, 제4발명에 있어서, 상기 슬리브에는, 상기 하우징과의 사이에서 윤활유 및 고압공기를 밀봉하는 밀봉수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제9발명에 따른 터보기계는, 제4발명에 있어서, 상기 슬리브와 상기 구동축에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제1 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제10발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 환상 부재와 상기 컴프레서 임펠러에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제2 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제11발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 컴프레서 임펠러와 상기 구동축에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제3 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제12발명에 따른 터보기계는, 제1발명에 있어서, 상기 컴프레서 임펠러에는, 상기 구동축 및 상기 바닥이 있는 구멍의 끼워맞춤 상태와, 상기 돌기부 외주 부분 및 상기 통형상 부재의 끼워맞춤 상태의 분리를 용이하게 하는 탈착 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 탈착 수단은, 컴프레서 임펠러에 결합된 구동축을 따라 컴프레서 임펠러의 돌기부와는 반대측에 설치되는 것이 바람직하고, 예를 들면 암나사 구멍형상, 수나사 형상, 및 보스 등에 의해 탈착 수단을 구성할 수 있다.
제13발명에 따른 컴프레서 임펠러는, 터보기계에 사용되는 컴프레서 임펠러이며, 배면 중앙으로부터 돌출된 통형상의 돌기부를 갖고, 이 돌기부의 내주 부분 및 외주 부분은 각각, 상기 터보기계에 장착하기 위한 제1결합부 및 제2결합부로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
제14발명에 따른 터보기계의 제조방법은, 배면 중앙에 돌기부를 갖는 컴프레서 임펠러와, 이 컴프레서 임펠러의 돌기부에 형성된 바닥이 있는 결합구멍에 끼워맞추어지는 구동축과, 이 구동축을 회전 가능하게 지지하는 하우징과, 상기 구동축의 끼워맞춤부에 따른 상기 돌기부의 외주 부분에, 상기 구동축과 동심상으로 끼워맞추어지는 통형상 부재를 구비한 터보기계의 제조방법으로서, 상기 하우징 내에 상기 구동축을 삽입하고, 상기 구동축의 선단을 상기 하우징으로부터 노출시키는 공정과, 상기 통형상 부재를 상기 구동축에 삽입하는 공정과, 상기 구동축의 선단을, 상기 컴프레서 임펠러의 결합구멍에 압입함과 아울러, 상기 통형상 부재를 상기 돌기부에 압입하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
이상에 있어서, 제1발명에 의하면, 컴프레서 임펠러의 돌기부에는 구동축이 끼워맞추어져 있지만, 이 돌기부의 외주에 통형상 부재가 끼워맞추어져 있기 때문에, 터보기계의 구동에 의해 구동축이나 컴프레서 임펠러가 고온으로 되고, 컴프레서 임펠러가 팽창해서 구동축의 끼워맞춤 상태가 느슨해져 와도, 외주측의 통형상 부재의 끼워맞춤 상태가 강해지고, 컴프레서 임펠러의 돌기부로부터 구동축이 빠지기 쉬워지는 것을 방지해서 내구성을 확실하게 향상시킬 수 있다.
제2발명에 의하면, 돌기부의 바닥이 있는 결합구멍과 구동축의 끼워맞춤이 억지 끼워맞춤이고, 돌기부와 통형상 부재의 끼워맞춤이 중간 끼워맞춤 또는 헐거운 끼워맞춤으로 됨으로써, 바닥이 있는 결합구멍에 구동축을 압입하거나 해서 돌기부의 외주가 확장되어도, 돌기부와 통형상 부재 사이의 끼워맞춤이 느슨해져 있으므로, 통형상 부재를 확실하게 돌기부 외주에 끼워맞추게 할 수 있다.
제3발명에 의하면, 통형상 부재를 컴프레서 임펠러보다 선팽창계수가 작은 재료에 의해 형성함으로써, 컴프레서 임펠러가 고온으로 되어서 팽창해도, 통형상 부재의 고온에 따르는 팽창이 컴프레서 임펠러보다 작으므로, 외주에서의 끼워맞춤이 보다 강해져, 구동축 및 컴프레서 임펠러의 끼워맞춤을 강고하게 유지할 수 있다.
제4발명에 의하면, 컴프레서 임펠러나 슬리브를 구동축에서의 적절한 축방향위치에 배치할 수 있다.
제5발명에 의하면, 슬리브가 컴프레서 임펠러와 어깨부 사이에서 면압을 받은 상태에서 끼워져 있으므로, 슬리브를 구동축과 함께 확실하게 회전시킬 수 있다.
제6발명에 의하면, 통형상 부재가 슬리브에 일체로 형성되어 있기 때문에, 부재 점수나 조립 공정수를 저감할 수 있다.
제7발명에 의하면, 스러스트 베어링이 슬리브와 스러스트 칼라 사이에 끼워져 있으므로, 슬리브 및 스러스트 칼라를 통해서 구동축이 축방향으로 어긋나는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또한 스러스트 베어링을 2부품 사이에서 끼우는 구조이기 때문에, 슬리브에 둘레방향을 따른 홈을 형성하고, 이 홈에 말굽형의 스러스트 베어링을 배치하는 구조와는 달리, 원환상의 스러스트 베어링을 사용할 수 있고, 회전면을 전체 둘레에 걸쳐 밸런스 좋게 지지할 수 있다.
제8발명에 의하면, 슬리브에는 윤활유 및 고압공기를 밀봉하는 밀봉수단이 설치되어 있기 때문에, 컴프레서 임펠러측에서의 고압의 급기가 구동축의 윤활부분에 들어가서 새거나, 윤활부분의 윤활유가 과급 공기측에 새어나가서 혼합되거나 한다고 하는 걱정이 없다.
제9발명에 의하면, 슬리브와 구동축에는 제1 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있기 때문에, 슬리브와 구동축을 일체로 회전시킬 수 있고, 이들 사이에서 늘어붙음 등이 생기는 것을 방지할 수 있다.
제10발명, 제11발명에 의하면, 통형상 부재와 컴프레서 임펠러에는 제2 미끄러짐 억제수단이 설치되고, 컴프레서 임펠러와 구동축에는 제3 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있기 때문에, 서로의 끼워맞춤만으로 결합되어 있을 경우에 비하여, 결합면에의 부담을 경감시킬 수 있고, 미끄러짐에 대하여 확실하게 대항할 수 있다.
제12발명에 의하면, 컴프레서 임펠러에 탈착 수단을 설치함으로써, 탈착 수단을 이용하여 컴프레서 임펠러 및 구동축의 끼워맞춤 부분을 용이하게 분리할 수 있으므로, 고장시의 수리도 용이하게 행할 수 있다.
제13발명에 의하면, 컴프레서 임펠러를, 돌기부의 외주 부분 및 내주 부분의 양쪽의 결합부를 이용해서 터보기계에 장착하기 때문에, 내주 부분을 이용해서 결합되어 있던 종래에 비해서 결합 강도를 크게 할 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
제14발명에 의하면, 하우징에 구동축을 삽입한 후에, 통형상 부재를 구동축에 삽입하여, 컴프레서 임펠러의 결합구멍에의 압입과, 통형상 부재의 돌기부에의 압입을 순차적으로 행할 수 있기 때문에, 작업이 용이하고, 장착 시간의 단축을 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 터보기계를 나타내는 단면도.
도 2는 터보기계의 주요부를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 결합 부분의 단면도.
도 4는 본 실시형태의 구동축의 정면도.
도 5는 본 실시형태의 슬리브의 정면도.
도 6은 본 실시형태의 컴프레서 임펠러의 정면도.
도 7a는, 본 발명의 제3실시형태에 따른 결합 부분의 도 7b의 A-A선에 있어서의 단면도.
도 7b는 본 실시형태의 구동축의 측면도.
도 8a는 본 실시형태의 슬리브의 측단면도.
도 8b는 본 실시형태의 슬리브의 배면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1…터보차저(터보기계) 13…컴프레서 임펠러
15…구동축 16…하우징(비회전 부재)
18…어깨부 19…돌기부
19A…제2결합부 20…결합구멍
20A…제1결합부 30…슬리브
31…스러스트 칼라 32…스러스트 베어링
33…통형상부(통형상 부재) 34…씰링(밀봉 수단)
43, 56…제1 미끄러짐 억제수단 46…제2 미끄러짐 억제수단
49, 53…제3 미끄러짐 억제수단
이하, 본 발명의 각 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또, 후술하는 제2실시형태 이후에 있어서, 다음에 설명하는 제1실시형태와 같은 부재에는 동일 부 호를 붙이고, 제2실시형태 이후에서의 그들의 상세한 설명을 생략 또는 간략화한다.
[제1실시형태]
도 1은, 본 발명의 제1실시형태에 따른 터보차저(터보기계)(1)를 나타내는 단면도, 도 2는 터보차저(1)의 주요부를 나타내는 단면도이다.
터보차저(1)는, 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 예를 들면 가솔린 엔진이나 디젤 엔진에 탑재되는 것이며, 도시하지 않은 엔진에의 흡기 관로의 도중에 접속되는 컴프레서(11)와, 배기 관로의 도중에 접속되는 배기 터빈(12)을 구비한다.
컴프레서(11)는 회전함으로써 외부로부터의 흡기를 압축하는 컴프레서 임펠러(13)를 갖고 있다.
컴프레서 임펠러(13)는 도시를 생략했지만, 정면에서 볼 때 대략 원형상의 허브에 회전 방향으로 배열되는 복수의 날개를 부착한 것이며, 알루미늄 합금제의 주조품에 의해 형성된다. 이 컴프레서 임펠러(13)의 대략 중앙은 산형상으로 돌출되고, 그 선단의 평탄 부분에는 탈착 수단으로서의 암나사 구멍(131)이 형성되어 있다. 이 암나사 구멍(131)은, 후술하는 제조 순서에 의해 컴프레서 임펠러(13)와 구동축(15)의 끼워맞춤이 이루어진 후, 다시 이들을 분리할 경우에 사용되고, 본 실시형태에서는 암나사 구멍(131)에 도시를 생략한 분리 공구를 나사결합해서 뽑을 때, 분리의 용이화를 꾀하기 위해서 설치되어 있다.
배기 터빈(12)은, 유입되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈 휠(14)을 갖고, 터빈 휠(14)에는 스틸제의 구동축(15)이 마찰 압접이나 TIG 용접, 혹은 MIG 용접 등으로 일체로 형성되어 있다. 그리고, 이 구동축(15)은 하우징(16) 내에 설치된 풀 플롯 베어링(full float bearing ; 17)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있고, 구동축(15)의 선단측에 컴프레서 임펠러(13)가 결합되어 있다.
이하에는, 도 2를 참조하여 컴프레서 임펠러(13)와 구동축(15)의 결합 부분에 대해서 상세히 설명한다.
컴프레서 임펠러(13)의 배면측의 중앙, 즉 터빈 휠(14)과 대향하는 측의 중앙에는, 상기 터빈 휠(14)측으로 돌출된 돌기부(19)가 형성되어 있다. 이 돌기부(19) 부분에는 축방향의 깊이측을 향해서 결합구멍(20)이 형성되어 있다.
이 결합구멍(20)은, 구동축(15)을 삽입해서 결합하기 위한 구멍이지만, 컴프레서 임펠러(13)를 관통하는 종래와 같은 관통구멍이 아니라, 바닥이 있는 구멍이다. 결합구멍(20)의 내주 부분은, 구동축(15)이 결합되는 제1결합부(20A)로 되어 있다.
구동축(15)의 선단측에는, 컴프레서 임펠러(13)의 결합구멍(20)에 삽입되어서 그 제1결합부(20A)와 끼워맞추는 끼워맞춤 축부(15A)가 설치되고, 끼워맞춤 축부(15A)보다 기단측에는 슬리브(30)가 삽입되는 삽입부(15B)가 설치되어 있다.
끼워맞춤 축부(15A)와 제1결합부(20A)의 끼워맞춤 상태는, 구멍 기준의 억지 끼워맞춤으로 되어 있다(JIS에 의한 끼워맞춤 기호로는 예를 들면 H6/u6). 이 밖에에, 종래와 같은 나사고정이라는 구조는 없고, 컴프레서 임펠러(13)와 구동축(15)은 끼워맞춤만에 의해서 결합되어 있다.
슬리브(30)는, 컴프레서 임펠러(13)측의 면이 개구된 대략 원통형상체로 구 성되고, 알루미늄제의 컴프레서 임펠러(13)보다 선팽창계수가 작은 스틸제이다.
이 슬리브(30)에는, 구동축(15)이 삽입되는 삽입구멍(30A)이 형성되어 있음과 아울러, 삽입구멍(30A)보다 컴프레서 임펠러(13)측에는, 삽입구멍(30A)과 연통한 끼워맞춤 구멍부(33A)를 갖는 통형상부(통형상 부재)(33)가 일체로 설치되어 있다.
통형상부(33)의 끼워맞춤 구멍부(33A)는, 삽입구멍(30A)보다 지름이 크고, 컴프레서 임펠러(13)의 돌기부(19)가 삽입되어서 끼워맞추게 되어 있다. 즉, 삽입되는 돌기부(19)의 외주 부분은 끼워맞춤 구멍부(33A)와 결합되는 제2결합부(19A)로 되어 있다.
끼워맞춤 구멍부(33A)와 제2결합부(19A)의 끼워맞춤 상태는, 구멍 기준의 헐거운 끼워맞춤 혹은 중간 끼워맞춤이며(JIS에 의한 끼워맞춤 기호로는, 예를 들면 H6/h6, H6/k6), 끼워맞춤 축부(15A)와 제1결합부(20A)의 끼워맞춤 쪽이 강하게 설정되어 있다.
이것에 의해, 구동축(15)과 컴프레서 임펠러(13)의 동심도는, 끼워맞춤 구멍부(33A)와 제2결합부(19A)의 끼워맞춤에 영향받는 일 없이, 확실하게 확보되게 되어 있다. 또, 여기에서도, 나사고정이라고 한 구조는 없고, 컴프레서 임펠러(13)와 통형상부(33)(슬리브(30))는 끼워맞춤만에 의해 결합되어 있다.
이와 같이, 돌기부(19)의 제2결합부(19A)에는, 컴프레서 임펠러(13)보다 선팽창계수가 작은 통형상부(33)가 끼워맞추어져 있기 때문에, 구동축(15)이나 컴프레서 임펠러(13)가 고온으로 되고, 컴프레서 임펠러(13)측이 보다 열팽창해서 결합 구멍(20)이 커지려도 해도, 그 팽창을 통형상부(33)에 의해 억제할 수 있어, 돌기부(19)의 결합구멍(20)으로부터 구동축(15)이 빠지기 쉬워지는 것을 방지할 수 있고, 내구성을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 컴프레서 임펠러(13)측에는 관통구멍이 아니라, 바닥이 있는 결합구멍(20)이 형성되어 있기 때문에, 컴프레서 임펠러(13)의 내부 중앙에서의 고응력이 발생하기 어려워져, 내구성을 대폭 향상시킬 수 있다.
또한 구동축(15)과 컴프레서 임펠러(13)가 나사결합되어 있는 것은 아니고, 제1결합부(20A) 및 끼워맞춤 축부(15A)에 의해 서로가 억지 끼워맞춤의 끼워맞춤만으로 결합되어 있기 때문에, 끼워맞춤 부분의 동심도에 의해 정밀도 좋게 조립할 수 있고, 또한 나사결합 구조의 종래와는 달라서 구동축(15)의 변형이나 나사산 부분의 마모 등이 일체 발생하지 않고, 조립성도 양호하다.
또한 슬리브(30)는, 컴프레서 임펠러(13)를 구동축(15)에 끼워맞추게 함으로써 구동축(15)에 형성된 단차상의 어깨부(18)측에 눌려져 있고, 컴프레서 임펠러(13)와 어깨부(18) 사이에 축방향의 면압을 받은 상태에서 끼워져 있다. 따라서, 슬리브(30)는 구동축(15)에 대하여 결합되어 있는 것은 아니지만, 면압을 받은 상태로 끼워져 있음으로써, 컴프레서 임펠러(13) 및 슬리브(30)는 구동축(15)에서의 적절한 축방향 위치에 배치되고, 또한 슬리브(30)는 구동축(15)과 일체로 회전하게 되어 있다.
그리고, 슬리브(30)와 어깨부(18) 사이에는 스러스트 칼라(31)가 배치되어 있어, 이 스러스트 칼라(31)도 또한 면압을 받은 상태에서 끼워져서, 역시 구동 축(15)에 고정되어서 일체로 회전한다.
또한, 슬리브(30)에 형성된 스러스트 칼라(31)와의 접촉부(30B)의 외주측에는, 해당 슬리브(30)와 스러스트 칼라(31)에 끼워지도록 해서 스러스트 베어링(32)이 배치되어 있다. 이 스러스트 베어링(32)은, 접촉부(30B)가 삽입 가능한 원환상으로 되고, 하우징(16)에 형성된 오목부 공간(16A) 내에 고정되어 있다. 원환상의 스러스트 베어링(32)은, 말굽형의 스러스트 베어링과는 달리, 슬리브(30)나 스러스트 칼라(31)의 회전면을 전체 둘레에 걸쳐 밸런스 좋게 지지할 수 있다.
그리고, 슬리브(30)는 하우징(16)의 오목부 공간(16A)에 수용되도록 해서 배치되어 있는 것이지만, 상술의 통형상부(33)가 오목부 공간(16A)으로부터 컴프레서 임펠러(13)측으로 약간 돌출되어 있다. 이 통형상부(33)의 기단측 외주부에는 오목홈이 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 오목홈 내에는 한쌍의 씰링(밀봉 수단)(34)이 축방향으로 병설해서 끼워 넣어져 있다.
씰링(34)은, 스러스트 베어링(32)을 덮도록 해서 오목부 공간(16A) 내에 배치된 유지 링(35)에 접촉되어 있고, 오목부 공간(16A)의 내외를 밀봉하고 있다. 즉, 스러스트 베어링(32)에 공급되는 윤활유가, 씰링(34)에 의해 오목부 공간(16A) 측으로부터 컴프레서 임펠러(13)측으로 새어나가거나, 컴프레서 임펠러(13)측에서 생긴 고압의 급기가, 오목부 공간(16A) 내에서의 윤활 부분을 통해서 새거나 할 우려가 없다. 또, 유지 링(35)의 외측에는 걸림 링(36)이 설치되어, 유지 링(35)이 오목부 공간(16A)으로부터 벗어나는 것을 방지하고 있다.
이러한 터보차저(1)를 제조할 경우, 우선, 하우징(16) 내에 풀 플롯 베어 링(17)을 배치해 두고, 이 풀 플롯 베어링(17) 내에 터빈 휠(14)과 일체의 구동축(15)을 배기 터빈(12)측으로부터 삽입한다.
이 후, 하우징(16)의 오목부 공간(16A)으로부터 돌출된 구동축(15)에 대하여 스러스트 칼라(31)를 삽입하고, 오목부 공간(16A) 내에 스러스트 베어링(32), 유지 링(35), 걸림 링(36)을 순차적으로 배치하고, 또한, 구동축(15)에 슬리브(30)를 삽입한다.
이 때, 슬리브(30)에는, 통형상부(33)가 일체로 설치되어 있기 때문에 통형상부(33)를 별체로 장착할 필요가 없다.
그리고, 구동축(15)의 끼워맞춤 축부(15A)를 결합구멍(20)에 압입함과 아울러, 돌기부(19)의 외주면에 통형상부(33)를 압입하여 끼워맞춘다. 이상에 의해, 터보차저(1)에의 컴프레서 임펠러(13)의 장착이 완료된다.
[제2실시형태]
다음에 본 발명의 제2실시형태에 대하여 설명한다.
상술한 제1실시형태에서는 구동축(15)의 선단은 원기둥 형상으로 되고, 원형상의 바닥이 있는 구멍(20)에 압입 끼워맞추어지고, 또한, 원기둥 형상의 돌기부(19)에 원통형상의 통형상부(33)가 끼워맞춤 고정되어 있었다.
이것에 대하여 본 발명의 제2실시형태에서는 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 컴프레서 임펠러(13), 구동축(15), 및 슬리브(30)의 결합 부분에, 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 미끄러짐 억제수단(43, 46, 49)이 설치되어 있는 점이 상위하다. 또한, 도 4는 구동축(15)의 정면도를 나타내고, 도 5는 슬리브(30)의 정 면도를 나타내고, 도 6은 컴프레서 임펠러(13)의 정면도를 나타내고 있다.
도 3에 나타내어지는 바와 같이, 구동축(15)에는 슬리브(30)가 부착되는 부분에는 수나사부(41)가 새겨 형성되고, 슬리브(30)에는 그 수나사부(41)와 나사결합하는 암나사부(42)가 새겨 형성되며, 이 부분의 나사결합에 의해 구동축(15)에 슬리브(30)가 부착됨과 아울러, 구동축(15) 둘레로 슬리브(30)가 미끄러지거나 공전하거나 하는 것을 방지하고 있다. 즉, 이들의 나사부(41, 42)에 의해 본 발명에 따른 제1 미끄러짐 억제수단(43)이 형성되어 있다.
또한 컴프레서 임펠러(13)에 있어서, 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 돌기부(19)의 외주부 기단측에는 평행한 한쌍의 평탄면(44)으로 2면폭 부분이 형성되어 있고, 슬리브(30)의 통형상부(33)에는, 도 5에 나타내어지는 바와 같이, 상기 평탄면(44)에 걸리는 걸림홈(45)이 형성되어 있다. 돌기부(19)와 슬리브(30)가 끼워맞추어진 상태에서는 평탄면(44)에 걸림홈(45)이 걸리고, 통형상부(33)와 돌기부(19)의 사이에서 회전 방향의 미끄러짐이 억제되게 되어 있다. 즉, 평탄면(44) 및 걸림홈(45)에 의해 본 발명에 따른 제2 미끄러짐 억제수(46)이 형성되어 있다.
또한, 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 구동축(15)에 있어서, 끼워맞춤 축부(15A)의 기단측에도 평행한 한쌍의 평탄면(47)으로 2면폭 부분이 형성되어 있고, 컴프레서 임펠러(13)의 돌기부(19)에는, 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 상기 평탄면(47)에 걸리는 걸림홈(48)이 형성되어 있다. 구동축(15)과 돌기부(19)가 끼워맞추어진 상태에서는 평탄면(47)에 걸림홈(48)이 걸리고, 구동축(15)과 돌기부(19) 사이에서 회전 방향의 미끄러짐이 억제되게 되어 있다. 즉, 평탄면(47) 및 걸림 홈(48)에 의해 본 발명에 따른 제3 미끄러짐 억제수단(49)이 형성되어 있다.
또한, 구동축(15)의 선단에는, 선단측을 향해서 돌출된 결합편(51)이 형성되어 있고, 이 결합편(51)이 돌기부(19)의 결합구멍(20)의 속 부분에 형성된 결합구멍(52)에 들어가서 결합하게 되어 있다. 이들 결합편(51) 및 결합구멍(52)의 결합에 의해서도, 구동축(15)과 돌기부(19) 사이에서 회전 방향의 미끄러짐이 억제되고 있고, 따라서, 결합편(51) 및 결합구멍(52)은, 본 발명에서의 별도의 제3 미끄러짐 억제수단(53)을 형성하고 있다고 할 수 있다.
[제3실시형태]
도 7a, 도 7b 및 도 8a, 도 8b에는 각각, 본 발명의 제3실시형태로서, 구동축(15) 및 슬리브(30)의 또 다른 변형예가 나타내어져 있다. 상기 제2실시형태에서의 제1 미끄러짐 억제수단(43)은, 구동축(15)의 수나사부(41), 및 슬리브(30)의 암나사부(42)에 의해 형성되어 있었지만, 본 실시형태에서는 2면폭 구조에 의해 제1 미끄러짐 억제수단(56)이 형성되어 있다.
구체적으로는, 도 7a, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 구동축(15)의 삽입부(15B)(슬리브(30)가 삽입되는 부분) 기단측에는, 평행한 한쌍의 평탄면(54)으로 2면폭 부분이 형성되어 있고, 도 8a, 도 8b에 나타내는 슬리브(30)의 삽입구멍(30A)의 외측 개구부분에는, 상기 평탄면(54)에 걸리는 걸림홈(55)이 형성되어 있다. 구동축(15)에 슬리브(30)가 삽입된 상태에서는 평탄면(54)에 걸림홈(55)이 걸리고, 구동축(15)과 슬리브(30)의 사이에서 회전 방향의 미끄러짐이 억제되게 되어 있다. 즉, 평탄면(54) 및 걸림홈(55)에 의해 제1 미끄러짐 억제수단(56)이 형성 되어 있다. 다른 부분의 형상은 제2실시형태와 대략 같다.
또, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 다른 구성 등을 포함하고, 이하에 나타내는 바와 같은 변형 등도 본 발명에 포함된다.
예를 들면 상기 제2, 제3실시형태에서는 제1∼제3 미끄러짐 억제수단(43, 46, 49, 53, 56)이 설치되어 있었지만, 구동축(15)과 슬리브(30)에 있어서 제1 미끄러짐 억제수단(43, 56)이 설치되고, 구동축(15)과 컴프레서 임펠러(13)에 있어서 제3 미끄러짐 억제수단(49, 53)이 설치되어 있으면, 필연적으로 컴프레서 임펠러(13)와 슬리브(30) 사이에서 미끄러짐이 생길 일은 없으므로, 제2 미끄러짐 억제수단(46)은 생략가능하다.
상기 실시형태에서는 통형상부(33)가 슬리브(30)에 일체로 형성되어 있었지만, 이러한 통형상부(33)를 원환상의 통형상 부재로서 슬리브(30)와는 별체로 형성해도 된다. 그리고, 별체의 통형상 부재를 채용한 경우에도, 통형상 부재의 재료를 컴프레서 임펠러(13)보다 선팽창계수가 작은 것으로 해서 돌기부(19)에 대하여는 서로 끼워서 끼워맞추게 하면 된다.
기타, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 구성, 방법 등은, 이상의 기재에서 개시되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 주로 특정의 실시형태에 관해서 특별히 도시되고, 또한 설명되어 있지만, 본 발명의 기술적 사상 및 목적의 범위로부터 일탈하는 일없이, 이상 서술한 실시형태에 대하여, 형상, 수량, 그 밖의 상세한 구성에 있어서, 당업자가 여러가지 변형을 첨가할 수 있는 것이다.
따라서, 상기에 개시한 형상, 수량 등을 한정한 기재는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위해서 예시적으로 기재한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니기 때문에, 그들의 형상, 수량 등의 한정의 일부 혹은 전부의 한정을 제외한 부재의 명칭에 의한 기재는, 본 발명에 포함되는 것이다.
본 발명은, 가솔린 엔진이나 디젤 엔진에 탑재되는 터보차저 외에, 컴프레서 임펠러, 및 이것을 구동하는 구동축을 구비한 터보 압축기, 터보제트, 터보 송풍기, 터보 냉동기 등의 터보기계에 이용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 터보기계에 있어서:
    배면 중앙에 돌기부를 갖는 컴프레서 임펠러;
    이 컴프레서 임펠러의 돌기부에 형성된 바닥이 있는 결합구멍에 끼워맞추어지는 구동축; 및
    이 구동축의 끼워맞춤부에 따른 상기 돌기부의 외주 부분에, 상기 구동축과 동심상으로 끼워맞추어지는 통형상 부재를 구비하고,
    상기 통형상 부재는, 상기 컴프레서 임펠러보다 선팽창계수가 작은 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 바닥이 있는 결합구멍과 상기 구동축의 끼워맞춤은, JIS B 0401에 규정되는 억지 끼워맞춤이며,
    상기 돌기부와 상기 통형상 부재의 끼워맞춤은, JIS B 0401에 규정되는 중간 끼워맞춤 또는 헐거운 끼워맞춤인 것을 특징으로 하는 터보기계.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동축에는 단차상의 어깨부가 형성되고,
    이 어깨부와 상기 컴프레서 임펠러 사이에는, 상기 구동축에 삽입된 슬리브가 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬리브는, 상기 구동축의 어깨부와 상기 컴프레서 임펠러 사이에서, 축방향으로 면압을 받은 상태에서 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 슬리브에는, 상기 통형상 부재가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  7. 제4항에 있어서:
    상기 구동축을 회전가능하게 지지하는 하우징;
    상기 구동축에 고정되는 스러스트 칼라; 및
    이 스러스트 칼라 및 상기 슬리브의 사이에 끼워져서 상기 하우징에 고정되는 스러스트 베어링을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 슬리브에는, 상기 하우징과의 사이에서 윤활유 및 고압공기를 밀봉하는 밀봉수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 슬리브와 상기 구동축에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제1 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 통형상 부재와 상기 컴프레서 임펠러에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제2 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컴프레서 임펠러와 상기 구동축에는, 서로 결합함으로써 회전 방향으로의 미끄러짐을 억제하는 제3 미끄러짐 억제수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컴프레서 임펠러에는,
    상기 구동축 및 상기 바닥이 있는 구멍의 끼워맞춤 상태와, 상기 돌기부 외주 부분 및 상기 통형상 부재의 끼워맞춤 상태의 분리를 용이하게 하는 탈착 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  13. 삭제
  14. 삭제
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