KR100865650B1 - 터보차져에 부속된 원심압축기의 파열 방지장치 - Google Patents

터보차져에 부속된 원심압축기의 파열 방지장치 Download PDF

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Abstract

압축기 임펠러가 파열하는 경우에도 케이싱부 (28,20) 또는 압축기 케이싱 (24,26,28) 에 고정된 구성품 (32) 이 축방향으로 날아가는 것이 방지되는 원심압축기를 구비한 터보차져가 제안된다.
터보차져는, 압축기 임펠러의 가동 블레이드 (16) 상방 외측에 반경방향으로 유동통로 (18) 를 한정하며 소정의 파단점 (36) 이 존재하는 삽입벽 (20) 을 갖는 파열 방지장치 (34) 를 구비하고 있다.

Description

터보차져에 부속된 원심압축기의 파열 방지장치{BURST PROTECTION DEVICE FOR RADIAL COMPRESSORS PERTAINING TO TURBOCHARGERS}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 기재된 터보차져의 원심압축기의 파열 방지장치 및 청구항 9 의 전제부에 따른 터보차져에 관한 것이다.
압력 조건과 관련하여 배기가스 터보차져에 대한 요구가 증가함에 따라, 막대한 원심력의 결과로 인한 압축기 임펠러의 파열 위험성이 또한 증가하여왔다. 높은 운동에너지를 갖고 있는 압축기 임펠러 파편은 배기가스 터보차져의 외벽을 관통할 수 있기 때문에, 압축기 임펠러의 파열은 터보차져 주위에 있는 물체와 인간에게 상당히 위험하다. 주위에서 날아다니는 파편들은 인간에게 치명적일 수 있으며 인접한 유닛에도 상당한 손상을 줄 수 있다.
반경방향으로 날아가는 파편들에 의해 터보차져의 외벽이 관통되는 것을 방지하기 위해 다양한 제안이 있어왔다. 예를 들어, 외부에서 압축기 임펠러를 반경방향으로 둘러싸는 케이싱부에 더 두꺼운 벽을 제공하였다. 또는, 예를 들어, DE-A-196 40 654 와 US-4,955,192 및 WO-92/07180 에서 제안된 바와 같이, 추가적으로 원심터빈의 파열 방지 링을 압축기 임펠러 주위의 영역에 배치하였다.
EP-0 908 629 에서는, 압축기 임펠러와 터빈 휠 사이에 위치하며 외부영역에서는 압축기 케이싱에 연결되고 내부영역에서는 베어링 하우징에 연결되는 압축기 임펠러의 디퓨저 플랜지상에서, 원형홈의 형태인 소정의 파단점을 상기 내부영역과 외부영역 사이에 제공하여, 압축기 임펠러가 파열하는 경우에 반경방향으로 가속된 파편들이 압축기 케이싱을 관통할 수 없게한다. 그러나, 상기 소정의 파단점은 파편들이 축방향으로 날아가는 것을 방지하지는 못한다.
그러나, 원심압축기가 파열하는 경우, 압축기 임펠러는 유동통로의 하류에서 압축기 임펠러에 인접하는 압축기 디퓨저와, 압축기의 가동 블레이드 위의 영역에서 유동통로를 외부에서 반경방향으로 한정하는 삽입벽 사이에서 웨지처럼 작용한다. 그 결과, 반경방향으로 작용하는 큰 힘에 추가하여, 축방향으로 작용하는 큰 힘이 또한 발생한다. 축방향으로 작용하는 힘은 삽입벽에 의해 압축기 케이싱으로 전달되어, 압축기 케이싱과 상류 구성품(예를 들어, 흡입 연결편 또는 필터 소음기) 사이의 연결부로 전달된다. 압축기 케이싱과 상류 구성품 사이의 연결부(보통 나사연결)는 종종 이러한 큰 축방향 힘을 견디지 못하여, 압축기 케이싱과 상류 구성품의 파편들이 축방향으로 날아가게 된다. 상술한 방법들은 이로인해 발생하는 사람과 인접 유닛에 대한 위험을 제거할 수 없다.
본 발명의 목적은, 압축기가 파열하는 경우에도 케이싱부 또는 압축기 케이싱에 고정된 부분이 축방향으로 날아가는 것을 방지하는 원심압축기를 갖는 터보차져를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1 의 특징적 구성에 따른 터보차져의 원심압축기의 파열 방지장치 및 청구항 9 의 특징적 구성에 따른 터보차져에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 터보차져의 원심압축기의 파열 방지장치는 유동통로를 구비하고 있으며, 이 유동통로는 압축기 임펠러의 가동 블레이드의 상방외측에서 삽입벽에 의해 축방향으로 한정된다. 삽입벽은 가동 블레이드의 위쪽에서 또는 하류측에서 소정의 파단점을 갖는다. 압축기 임펠러가 파열하는 경우에도, 축방향 힘의 일부가 소정의 파단점에서 삽입벽의 제어된 파단에 의해 흡수된다. 게다가, 삽입벽을 통해 외부에서 삽입벽을 반경방향으로 둘러싸는 케이싱부로 전달되고 압축기 케이싱과 상류 구성품(예를 들어, 흡입 연결편 또는 필터 소음기) 사이의 연결부로 전달되는 상기 힘의 흐름은 삽입벽의 파단에 의해 저지된다. 압축기 케이싱과 상류 구성품간의 연결부가 파괴되지 않아, 개개의 부품이 더이상 축방향으로 날아가지 않는다.
삽입벽은 압축기 케이싱의 내벽에 의해 반경방향으로 둘러싸이며 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 1 이상의 제 1 섹션을 구비하고 있으며, 이 섹션은 대략 삽입벽의 소정의 파단점의 높이에서 시작하며, 소정의 파단점에서의 삽입벽의 반경과 대략 동일하거나 또는 약간 더 큰 초기 반경을 구비한다. 축방향의 운동에너지를 대부분 흡수하여 축방향으로 이동하고 파단되는 삽입벽의 부분은, 축방향에서 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 내벽의 제 1 섹션에 의해 축방향 운동이 제동된다. 축방향 운동 에너지는 내벽의 이 섹션의 변형 및 마찰손실에 의해 소모된다.
삭제
특히 바람직한 실시형태에 있어서, 소정의 파단점은 압축기 임펠러의 가동 블레이드와, 하류측에 인접한 압축기 디퓨저의 안내 블레이드 사이의 영역에 위치한다. 소정의 파단점의 이러한 배치로 인해 삽입벽의 파단부분에서 축방향 에너지의 대부분이 흡수된다.
소정의 파단점은 바람직하게 노치형상으로 형성된다. 이것은 제조하기 간단하며, 경제적이며 삽입벽의 매우 한정된 파단만을 허용한다.
삭제
상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 내벽의 제 1 섹션이 대략 5°내지 20° 의 범위내의 경사를 갖도록 구성하는 것이 특히 유리함이 증명되었다. 이러한 방법으로, 대부분의 축방향 운동에너지는 흡수될 수 있으며, 동시에 내벽은 단지 변형만 될뿐 관통되지 않는다는 것을 확신할 수 있다.
바람직하게는 상이한 경사를 가지며 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 추가 섹션이 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 제 1 섹션과 인접한다면 매우 유리할 것이다. 이것은 각 경우에 있어서 삽입벽의 파편내에 여전히 존재하는 축방향 운동에너지와, 마찰 및 내벽의 변형으로 인한 이러한 운동에너지의 소모간의 최적화를 가능하게 한다.
이러한 점에서, 제 1 섹션과 인접하며 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 제 2 섹션의 경사를 30°내지 50°의 범위내로 선택하는 것이 매우 바람직하다는 것이 밝혀졌다.
특히 바람직한 실시형태에 있어서, 삽입벽으로부터 반경방향 외향으로 돌출하는 제동요소가 제공되며, 이러한 제동요소는, 압축기 임펠러가 파열하는 경우에, 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 내벽의 추가 섹션과 상호작용을 한다. 따라서, 삽입벽의 파단부에 저장된 축방향 운동에너지가 동시에 여러 지점에서 마찰 및 내벽의 변형으로 인해 소모될 수 있다.
상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 1 이상의 섹션에 내벽으로부터 반경방향 내향으로 돌출하는 제동 돌기부를 형성하는 것이 매우 바람직하다. 제동 돌기부는 인접한 원뿔형 섹션상에 대한 변형을 유발함없이 변형될 수 있다.
본 발명에 따른 상술한 파열 방지장치를 갖는 원심압축기를 구비한 본 발명 에 따른 터보차져는, 압축기 임펠러가 파열하는 경우에도 터보차져 근처에 있는 사람에게 위험을 적게 가하며 인접한 유닛에 위험을 적게 가한다.
이하에서는, 첨부된 도면에 단순히 개략적으로 도시된 두개의 바람직한 전형적인 실시형태를 참조하여 본 발명의 대상을 상세히 설명한다.
도 1 은 종래기술에 따른 원심압축기를 구비한 터보차져의 압축기측 부분의, 기계축선을 따른 단면을 도시하고 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 파열 방지장치를 구비한 본 발명에 따른 터보차져의 압축기측 부분의, 기계축선을 따른 단면을 도시하고 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 파열 방지장치의 다른 실시예를 도 2 와 유사한 도면으로 도시하고 있다.
도면에 사용된 참조번호 및 그 의의는 참조번호 목록에 나열되어 있다. 특히, 도면에서 동일한 부분은 동일한 참조번호를 제공하였다. 기재된 실시형태는 본 발명의 대상을 전형적인 형식으로 나타내었으며 어떤 한정적인 의미를 갖는 것은 아니다.
도 1 은 원심압축기 (12) 를 구비한 터보차져의 압축기측을, 그 기계축선 (10) 을 따라 도시한 단면도이다. 원심압축기 (12) 는 압축기 임펠러 (14) 를 구비하고 있는데, 이 압축기 임펠러는 샤프트 (13) 상에 장착되고 가동 블레이드 (16) 를 구비하고 있다. 가동 블레이드 (16) 는, 화살표 (18) 로 표시되어 있는, 유동통로에 들어가 있다. 이 유동통로 (18) 는 적어도 가동 블레이드 (16) 위의 영역에서 삽입벽 (20) 에 의해 외부에서 반경방향으로 한정된다. 삽입벽 (20) 은 예컨대 축방향으로 가스입구 영역을 형성하도록 일측면에서 반경방향 외향으로 연장한 후, 가동 블레이드의 외형에 대응하는 영역으로 병합하고, 최종적으로, 가동 블레이드 (16) 의 하류에 위치한 압축기 디퓨저 (22) 의 영역에서 대략 반경방향으로 연장하는 영역과 함께 유동통로 (18) 의 외부 경계벽을 형성한다. 압축기 디퓨저 (22) 는 안내 블레이드 (40) 를 구비하며, 이 압축기 디퓨저는 나사 (23) 에 의해 먼저 삽입벽 (20) 에 연결되고 다음으로 압축기 임펠러 (14) 주위의 압축기 케이싱 (24) 에 연결된다. 압축기 케이싱 (24) 은 외부 케이싱부 (26) 및 내벽 (28) 을 구비하고 있다. 내벽 (28) 은 삽입벽 (20) 의 반경방향으로 연장하는 영역과 직접 인접하며 삽입벽 (20) 의 축방향으로 연장하는 영역을 외부에서 반경방향으로 둘러싸고 있다. 압축기 케이싱 (24) 은 연결부 (30) 에 의해 가스입구측에서 상류 구성품 (32) 에 연결되며, 상기 연결부는 여기서 나사결합 연결부의 형태로 설계되어 있다. 이 상류 구성품 (32) 은, 예를 들어, 흡입 연결편 또는 필터 소음기일 수 있다.
압축기가 파열하는 경우, 압축기 임펠러 (14) 는 압축기 디퓨저 (22) 와 삽입벽 (20) 사이에서 웨지처럼 작용한다. 그 결과, 이 원심압축기 (12) 에서 발생한 큰 축방향 힘이 삽입벽 (20) 에 의해 내벽 (28) 과 연결부 (30) 로 전달된다. 축방향 힘이 과도한 경우, 연결부 (30) 는 갑작스런 하중을 견디지 못하고, 상류 구성품 (32) 및, 내벽 (28) 과 삽입벽 (20) 이 축방향으로 날아가 버린다.
이러한 일은, 도 2 에서 압축기 측의 일부가 도 1 과 유사한 방식으로 도시되어 있는 원심압축기를 구비한 본 발명에 따른 터보차져에 있어서는 발생할 수 없다. 압축기 임펠러 (14), 가동 블레이드 (16), 삽입벽 (20), 압축기 디퓨저 (22), 및 상류 구성품 (32) 과 함께 압축기 케이싱 (24,26,28) 을 구비하는 원심압축기 (12) 는 원칙적으로 도 1 에 도시된 종래의 터보차져와 동일한 구조를 갖고 있다. 그러나, 종래기술과는 달리, 본 발명에 따른 터보차져는 원심압축기 (12) 의 파열 방지장치 (34) 를 구비하고 있으며, 이 파열 방지장치 (34) 는 케이싱부 (28), 삽입벽 (20) 및 상류 구성품 (32) 이 축방향으로 분리되어 날아가는 것을 방지한다.
파열 방지장치 (34) 는 압축기 임펠러 (14) 의 가동 블레이드 (16) 위의 외측에서 반경방향으로 유동통로 (18) 를 한정하는 삽입벽 (20) 을 포함하며, 이 삽입벽은 소정의 파단점 (36) 을 구비하고 있다. 도 2 에 도시된 실시예에 있어서, 이러한 소정의 파단점 (36) 은 삽입벽 (20) 의 축방향 연장영역과 반경방향 연장영역 사이, 보다 정확하게 말해서 압축기 임펠러 (14) 의 가동 블레이드 (16) 와 압축기 디퓨저 (22) 의 안내 블레이드 (40) 사이의 영역 (38) 에 위치하고 있다. 삽입벽 (20) 의 반경방향 연장영역과 인접하는 부분에서, 내벽 (28) 은 소정의 파단점 (36) 의 영역에서의 삽입벽 (20) 의 반경 (Re) 과 대략 동일하거나 또는 약간 더 큰 초기 반경 (Ra) 을 갖는다. 상기 초기 반경 (Ra) 에서 출발하여, 내벽 (28) 은 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는, 약 5°의 경사를 갖는 제 1 섹션 (42) 에서 좁아진다. 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지며 제 1 섹션 (42) 과 상류에서 인접하는 제 2 섹션 (44) 에서, 내벽 (28) 은 약 40°의 경사를 가지면서 좁아진다. 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 추가 섹션 (46) 이 내벽 (28) 에 제공되며, 이러한 섹션 (46) 은 삽입벽 (20) 으로부터 반경방향으로 외향으로 돌출하는 제동요소 (48) 와 상호작용한다.
본 발명에 따른 파열 방지장치 (34) 의 다른 실시형태가 도 3 에 도시되어 있으며, 이 실시형태에서 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 다수의 섹션 (44,46) 에는 내벽 (28) 으로부터 반경방향 내향으로 돌출하는 제동 돌기부 (50) 가 형성된다.
물론 상기 소정의 파단점 (36) 은, 삽입벽 (20) 의 축방향 연장영역 및 반경방향 연장영역 사이에서의 가동 블레이드 위의 영역에 있는 다른 지점, 또는 삽입벽 (20) 의 반경방향 연장영역 중에서 상류에 있는 영역에도 존재할 수 있다. 만약 너무 크지 않은 축방향 힘이 기대된다면, 삽입벽 (20) 에 오직 소정의 파단점 (36) 을 제공하는 것이 가능하다. 내벽의 원뿔형 경사는 제 1 섹션 (42) 에 대해서는 대략 5°내지 30°의 범위내에 있으며 추가 섹션 (44,46) 에 대해서는 대략 5°내지 50°의 범위내에 있을 수 있다. 제동요소 (48) 및 제동 돌기부 (50) 는 도 2 와 도 3 에 도시된 것처럼, 각각 삽입벽 (20) 및 내벽 (28) 과 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이들은 또한 별개의 구성품으로서 형성될 수 있다.
도면부호 목록
10 기계축선 12 원심압축기
13 샤프트 14 압축기 임펠러
16 가동 블레이드 18 유동통로
20 삽입벽 22 압축기 디퓨저
23 나사 24 압축기 케이싱
26 외부 케이싱부 28 내벽
30 연결부 32 상류 구성품
34 파열 방지장치 36 소정의 파단점
38 하류에 위치한 영역 40 안내 블레이드
42 제 1 섹션 44 제 2 섹션
46 추가 섹션 48 제동요소
50 제동 돌기부

Claims (10)

  1. 압축기 임펠러의 가동 블레이드의 상방 외측에서 반경방향으로 유동통로를 한정하는 삽입벽 (20) 을 가지며, 이 삽입벽 (20) 은 압축기 케이싱 (24) 의 내벽 (28) 에 의해 반경방향으로 둘러싸이는, 터보차져의 원심압축기의 파열 방지장치로서,
    상기 삽입벽 (20) 은 소정의 파단점 (36) 을 가지며,
    상기 내벽 (28) 은 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지며 삽입벽 (20) 의 소정의 파단점 (36) 의 높이에서 시작하는 1이상의 제 1 섹션 (42) 을 구비하며, 정확하게 상기 제 1 섹션의 초기 반경 (Ra) 이 소정의 파단점 (36) 에서의 삽입벽 (20) 의 반경 (Re) 과 동일하거나 또는 조금 더 큰 파열 방지장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 파단점 (36) 은 삽입벽 (20) 의 축방향 연장영역과 반경방향 연장영역 사이의 영역 (38) 에 위치하고 있는 파열 방지장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 파단점 (36) 은 압축기 임펠러 (14) 의 가동 블레이드 (16) 와 압축기 디퓨저 (22) 의 안내 블레이드 (40) 사이의 영역에 위치하는 파열 방지장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 파단점 (36) 은 노치의 형태로 되어 있는 파열 방지장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내벽 (28) 은 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 추가 섹션 (44,46) 을 구비하는 파열 방지장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 섹션 (42,44,46) 은 상이한 경사를 갖는 파열 방지장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 내벽 (28) 의 상기 추가 섹션 (44,46) 은, 압축기 임펠러가 파열하는 경우에, 삽입벽 (20) 으로부터 반경방향 외향으로 돌출하는 제동요소 (48) 와 상호작용하는 파열 방지장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상류로 가면서 원뿔형으로 좁아지는 상기 섹션 (42,44,46) 에는 내벽 (28) 으로부터 반경방향 내향으로 돌출하는 제동 돌기부 (50) 가 형성되는 파열 방지장치.
  9. 가동 블레이드 상방 외측에서 삽입벽에 의해 반경방향으로 한정된 유동통로 안에 가동 블레이드가 들어가 있는 압축기 임펠러를 갖는 원심압축기를 구비한 터보차져로서, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 파열 방지장치 (34) 가 제공되는 터보차져.
  10. 삭제
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