KR101096510B1

KR101096510B1 - 터보 챠저

Info

Publication number: KR101096510B1
Application number: KR1020107012884A
Authority: KR
Inventors: 요시미쓰 마쓰야마
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2011-12-20
Also published as: CN101896704A; CN101896704B; JP2009144545A; EP2226484B1; JP4952558B2; US8485779B2; EP2226484A1; US20100247296A1; EP2226484A4; ES2395843T3; WO2009075058A1; KR20100087375A

Abstract

간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 배기 가스의 흐트러짐을 저감하여 터빈의 효율 향상을 도모한다. 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 틈(19)을 통하여 터빈 임펠러(4)측으로 누출되는 것을 방지하기 위한 씰 장치(25)를 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치하도록 배치하고, 후측부 배기 도입벽(11)의 관통 구멍(24)에 연이어 통하는 틈(19)의 압력(P2)을 배기 노즐(9) 내의 압력(P1)보다도 낮게 보유시켜서 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위시킨다.

Description

터보 챠저{Turbocharger}

본 발명은 간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 배기 가스의 흐트러짐을 저감시켜서 터빈의 효율 향상을 도모할 수 있도록 한 터보 챠저에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하는 종래의 가변 용량형 터보 챠저의 일 예를 도시한다. 이 터보 챠저는 터빈 하우징(1)과 컴프레셔 하우징(2)이 베어링 하우징(3)을 사이에 두고 체결 볼트(3a, 3b)에 의해 일체적으로 장착되어 있고, 터빈 하우징(1) 내에 배치되는 터빈 임펠러(4)와 컴프레셔 하우징(2) 내에 배치되는 컴프레셔 임펠러(5)가 베어링 하우징(3)에 베어링(6)을 사이에 두고 회전 자유롭게 지지된 터빈 축(7)에 의해 연결되어 있다.

또한, 상기 베어링 하우징(3)의 터빈 하우징측에는 도 2에 확대하여 도시하는 바와 같이, 터빈 하우징(1)의 스크롤 통로(8)에 도입되는 배기 가스를 상기 터빈 임펠러(4)로 유도하기 위한 배기 노즐(9)이 설치된다.

배기 노즐(9)은 베어링 하우징(3)측의 전측부 배기 도입벽(10)과 터빈 하우징(1)측의 후측부 배기 도입벽(11)이 소요의 간격을 보유한 상태로 예를 들면 둘레방향 3개소에 설치한 고정 부재(12)에 의해 일체로 장착되어 있다. 또한, 전측부 배기 도입벽(10)의 전면(베어링 하우징(3) 측면)에는 설치 부재(13)가 고정되어 있고, 상기 터빈 하우징(1)과 베어링 하우징(3)의 장착시에, 상기 설치 부재(13)를 터빈 하우징(1)과 베어링 하우징(3)으로 협지함으로써 상기 배기 노즐(9)을 고정하고 있다. 또한, 상기 장착시에, 상기 배기 노즐(9)은 위치 결정 핀(14)에 의해 베어링 하우징(3)에 대하여 위치 결정되어 있다.

전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)의 상호 간에는 복수의 노즐 베인(15)이 고리형으로 배치되어 있고, 도 1, 도 2에서는 각 노즐 베인(15)의 양측에 고정된 베인 축(16a, 16b)이 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)을 각각 관통하고 있고, 노즐 베인(15)은 양쪽 지지로 지지되어 있다.

도 1중, 도면 부호 17a, 17b, 17c, 17d는 베인 축(16a)을 사이에 두고 상기 노즐 베인(15)의 개폐 각도를 조절하기 위한 링크식 전달 기구이고, 도면 부호 18은 컴프레셔 하우징(2)에 형성된 스크롤 통로이다.

또한, 배기 노즐(9)에 있어서의 후측부 배기 도입벽(11)과 터빈 하우징(1) 사이에는 틈(19)이 형성되어 있다. 이 틈(19)은 원래 불필요한 것이지만, 터빈 하우징(1)이 냉간시와 열간시의 사이에서 열 변형을 일으키는 것, 및 장착 부품에 정밀도상의 편차가 있는 것 등으로 인해 형성되어 있다.

상기 틈(19)이 있으면, 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 틈(19)을 통과하여 터빈 임펠러 출구(20)에 쓸데없이 누출되어 버리기 때문에, 이 틈(19)을 폐쇄하기 위해서, 후측부 배기 도입벽(11)이 하류측으로 연이어 설치된 연설부(11')의 외주면과, 이 연설부(11')에 대향하는 터빈 하우징(1)의 내면(1') 사이에 씰용 피스톤 링(21)을 배치하고, 가스 누출을 방지하는 동시에 열 변형을 흡수하도록 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에서는 도 2에 도시하는 바와 같이, 후측부 배기 도입벽(11)의 연설부(11')의 외주면에 고리형의 오목 홈(22)을 형성하고, 이 오목 홈(22)에 통상 2장의 씰용 피스톤 링(21)을 각각의 노치부가 겹치지 않도록 옮겨서 배치함으로써 씰 장치(23)를 구성하고 있고, 상기 씰용 피스톤 링(21)은 탄발력에 의해 그 외주면을 터빈 하우징(1)의 내면(1')에 압착함으로써 가스 누출을 방지하고 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-125588호

도 2에 도시하는 바와 같이 종래의 터보 챠저에 있어서는 틈(19)으로부터의 가스 누출을 방지하기 위해서 씰 장치(23)를 다양하게 연구하고 있지만, 이렇게 씰 장치(23)의 구조에 연구를 거듭하여도 터빈의 효율을 대폭 향상시키는 것은 곤란하며, 한계가 있었다.

이 때문에, 본 발명자들은 상기 가스 누출의 문제 이외에 터빈의 효율에 영향을 미치는 요인에 대해서 여러 가지 검토·시험을 실시한 결과, 터빈 임펠러 출구(20)의 배기 가스의 흐트러짐이 크면 터빈의 효율이 저하하고, 터빈 임펠러 출구(20)의 배기 가스의 흐트러짐이 작으면 터빈의 효율이 향상된다는 사실을 밝혀내었다.

그리고, 도 2에 도시하는 종래의 씰 장치(23)와 같이, 후측부 배기 도입벽(11)의 연설부(11')의 외주면과 터빈 하우징(1)의 내면(1') 사이에 씰용 피스톤 링(21)을 구비한 구성에서는 배기 노즐(9) 내의 압력(P1)에 대하여 틈(19)의 압력(P2)이 큰, 즉 P1<P2로 되어 있기 때문에, 틈(19)의 배기 가스가 화살표 A로 나타내는 바와 같이 베인 축(16b)과 관통 구멍(24)의 틈(S)을 통하여 배기 노즐(9)측으로 흐르게 된다. 이 때, 노즐 베인(15)과 전측부 배기 도입벽(10) 및 후측부 배기 도입벽(11) 사이에는 노즐 베인(15)을 회동 가능하게 하기 위한 클리어런스가 미리 존재하고 있고, 또한 이 클리어런스의 크기에는 터보 챠저에 의한 개체 차가 있다. 따라서, 상기 P1<P2의 압력 차에 의해 각 노즐 베인(15)의 각 베인 축(16b)은 전측부 배기 도입벽(10)측으로 가압되어, 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이에 큰 클리어런스(C)가 생기는 것이 판명되었다.

본 발명자들은 이렇게, 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이에 큰 클리어런스(C)가 생기면, 터빈 임펠러 출구(20)의 배기 가스의 흐트러짐이 커지고, 이로써 터빈의 효율이 저하한다는 지견을 얻었다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성에 의해 터빈 임펠러 출구의 배기 가스의 흐트러짐을 저감시켜서 터빈의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 터보 챠저를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 베어링 하우징에 회전 가능하게 지지되는 터빈 임펠러의 외부에 배기 노즐을 가지고, 배기 노즐의 외부에 스크롤 통로가 형성된 터빈 하우징을 가지고, 상기 스크롤 통로로부터의 배기 가스를 터빈 임펠러로 유도하는 상기 배기 노즐은 베어링 하우징측의 전측부 배기 도입벽과 터빈 하우징측의 후측부 배기 도입벽 사이에 복수의 노즐 베인이 배치되고, 상기 노즐 베인의 양측에 고정된 각 베인 축이 전측부 배기 도입벽과 후측부 배기 도입벽을 각각 관통하여 회전 가능하게 지지되어 있고, 후측부 배기 도입벽이 상기 터빈 하우징과의 사이에 틈을 갖고 배치되어 있는 터보 챠저로서,

상기 스크롤 통로의 배기 가스가 상기 틈을 통하여 터빈 임펠러측으로 누출되는 것을 방지하기 위한 씰 장치를 베인 축이 후측부 배기 도입벽을 관통하고 있는 관통 구멍의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치하고, 후측부 배기 도입벽의 관통 구멍에 연이어 통하는 틈의 압력을 배기 노즐 내의 압력보다도 낮게 보유시켜서 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시키는 것을 특징으로 하는 터보 챠저에 관련되는 것이다.

상기 터보 챠저에 있어서, 후측부 배기 도입벽을 관통하고 있는 베인 축의 노즐 베인 고정부에 관통 구멍을 덮는 차양모양부(鍔)를 구비하고 있는 것은 바람직하다.

본 발명의 터보 챠저에 의하면, 상기 스크롤 통로의 배기 가스가 터빈 하우징과 후측부 배기 도입벽 사이의 틈을 통하여 터빈 임펠러측으로 누출되는 것을 방지하기 위한 씰 장치를 베인 축이 후측부 배기 도입벽을 관통하고 있는 관통 구멍의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치하였으므로, 후측부 배기 도입벽의 관통 구멍에 연이어 통하는 틈의 압력이 배기 노즐 내의 압력보다도 낮게 보유되고, 이로써, 간단한 구성으로 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시켜서 노즐 베인과 후측부 배기 도입벽 사이의 클리어런스를 작게 보유할 수 있고, 터빈 임펠러 출구에 있어서의 배기 가스의 흐트러짐을 저감시켜서 터빈의 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낼 수 있다.

도 1은 종래의 터보 챠저의 일 예를 도시하는 절단 측면도.
도 2는 도 1의 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 3은 본 발명의 형태의 일 예를 도시하는 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 4는 도 3에 있어서의 접시 스프링 씰의 정면도.
도 5는 도 4의 접시 스프링의 절단 측면도.
도 6은 노즐 베인에 고정되는 베인 축의 고정부에 설치하는 차양모양부의 설명도.
도 7은 본 발명에 있어서의 씰 장치의 다른 형태를 도시하는 절단 측면도.
도 8은 도 7에 있어서의 접시 스프링 씰의 정면도.
도 9는 본 발명의 형태의 또 다른 형태를 도시하는 절단 측면도.
도 10은 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저를 수치 해석에 의해 비교하기 위해서 터빈 임펠러의 상류측과 하류측의 압력비를 대략 동일하게 한 상태를 도시하는 선도.
도 11은 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈 임펠러 출구에서의 직경 방향 위치에 있어서의 배기 가스의 속도 분포의 수치 해석의 결과를 비교하여 도시한 선도.
도 12는 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈의 효율의 수치 해석의 결과를 비교하여 도시한 선도.
도 13은 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저를 실측에 의해 비교하기 위해서 터빈 임펠러의 상류측과 하류측의 압력비를 대략 동일하게 한 상태를 도시하는 선도.
도 14는 종래의 터보 챠저와 본 발명의 터보 챠저에 있어서의 터빈 효율의 실측 결과를 비교하여 도시한 선도.

이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 도 1의 터보 챠저에 적용한 본 발명의 형태의 일 예를 도시하는 것으로, 배기 노즐(9)의 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이에 배치되는 노즐 베인(15)의 양측에 고정한 베인 축(16a, 16b)이 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)을 각각 관통하고, 각 노즐 베인(15)이 양쪽 지지로 지지되도록 한 구성에 있어서, 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 터빈 하우징(1)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 틈(19)을 통하여 터빈 임펠러(4)측으로 누출되는 것을 방지하기 위한 씰 장치(25)를 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측(스크롤 통로(8)측)에 설치하고 있다.

도 3의 씰 장치(25)는 터빈 하우징(1)이 후측부 배기 도입벽(11)의 연직면과 대향하여 틈(19)을 형성하고 있는 부분(26)의 외주 위치에 계단부(段部; 27)를 설치하고, 상기 계단부(27)와 후측부 배기 도입벽(11)의 후면 사이에 접시 스프링 씰(28)을 설치하고 있다. 상기 계단부(27)는 후측부 배기 도입벽(11)에 대향하는 연직인(도시한 예에서는 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 대하여 대략 평행하고, 또한, 터빈 임펠러(4)의 축 중심선에 대하여 대략 수직인) 대향면(27a)과, 후측부 배기 도입벽(11)으로부터 멀어짐에 따라서 직경이 감소하는 고리형의 테이퍼면(27b)에 의해 형성되어 있다. 또, 계단부(27)의 저면은 테이퍼면(27b)으로 하지 않고, 예를 들어 축 중심선 방향에 있어서 직경이 일정한 원통면 등으로 하여도 좋지만(이로써, 접시 스프링 씰(28)을 보유하는 것은 가능함), 테이퍼면(27b)으로 함으로써, 접시 스프링 씰(28)을 보다 안정적으로 보유할 수 있고, 나아가서는 씰 효과의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 예를 들면 터빈 하우징을 장착할 때, 접시 스프링 씰(28)이 움직여서 계단부(27)로부터 탈락하는 문제를 방지할 수 있다.

상기 접시 스프링 씰(28)은 도 4에 도시하는 바와 같이 링 형상을 가지며, 내주단(29)에 가까운 위치에서 상기 대향면(27a)에 압착되는 연직 방향의 직선부(30)를 가지며, 계속해서 내주단(29)은 직선부(30)로부터 후측부 배기 도입벽(11)에 근접하는 방향으로 만곡한 후 더욱 내측에 연직으로 연장된 형상, 즉 대략 S자형의 형상을 가진다. 그리고, 이 S자형의 형상에 의해 내주단(29)이 상기 테이퍼면(27b)에 압입되기 쉬워지고, 또한, 압입된 내주단(29)은 상기 테이퍼면(27b)의 형상에 의해 계단부(27)로부터 빠져나가기 어려워진다. 또한, 접시 스프링 씰(28)의 외주단(31; 직선부(30)보다도 외주측)은 상기 직선부(30)로부터 후측부 배기 도입벽(11)으로 근접하도록 경사져서 연장된 경사부(32)를 가지며, 경사부(32)의 외주부에는 상기 후측부 배기 도입벽(11)으로부터 멀어지는 방향으로 만곡하여 상기 후측부 배기 도입벽(11)에 압착되는 만곡부(33)를 가지고 있다.

상기 접시 스프링 씰(28)은 도 5에 도시하는 바와 같이, 내주단(29)과 외주단(31)의 위치가 축 중심선을 따르는 방향으로 어긋난 대략 절두 원추 형상을 가지고 있다. 또한, 상기 접시 스프링 씰(28)의 절두 원추 형상에 의한 축 중심선 방향의 높이(H)는 내주단(29)을 상기 테이퍼면(27b)에 결합하여 직선부(30)를 대향면(27a)에 접촉하였을 때, 외주의 만곡부(33)가 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 압착되는 높이로 형성되어 있다.

또한, 도 3, 도 6에 도시하는 바와 같이, 노즐 베인(15)에 대하여 전측부 배기 도입벽(10) 및 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하도록 고정되어 있는 베인 축(16a, 16b)의 고정부에는 상기 관통 구멍(24)을 덮도록 형성된 차양모양부(35)를 설치하고 있다. 또, 이러한 차양모양부(35)를 설치하면, 관통 구멍(24)에 이물이 침입하는 것, 및 배기 가스가 관통 구멍(24)을 통하여 틈(19)으로 이동하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 차양모양부(35)에 작용하는 배기 가스의 압력을 이용함으로써, 후술하는 바와 같이 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 이동시키기 위한 충분한 힘을 얻을 수 있다.

도 7, 도 8은 도 3, 도 4에 도시한 씰 장치(25)의 다른 형태를 도시하는 것으로, 도 7의 씰 장치(25)는 터빈 하우징(1)이 후측부 배기 도입벽(11)의 연직면과 대향하여 틈(19)을 형성하고 있는 부분(26)의 외주 위치에 계단부(36)를 설치하고, 상기 계단부(36)와 상기 후측부 배기 도입벽(11)의 후면 사이에 접시 스프링 씰(37)을 형성하고 있다. 상기 계단부(36)는 후측부 배기 도입벽(11)에 대향하여 깊게 형성된 노치면(36a)과, 상기 터빈 축(7)의 축 중심선과 평행한 원통면(36b)에 의해 형성되어 있다.

상기 접시 스프링 씰(37)은 도 8에 도시하는 바와 같이 원주 위의 일부가 0.2 내지 0.8mm 정도의 폭으로 절단된 노치부(38)를 가지는 대략 링 형상을 가지며, 내주단(29)이 후측부 배기 도입벽(11)으로부터 멀어지는 방향으로 굴곡되어 상기 원통면(36b)에 조밀하게 이동 가능하게 결합하고 있고, 또한, 상기 결합부로부터 후측부 배기 도입벽(11)을 향하여 확대된 절두 원추 형상을 가지며, 외주단(31)에 형성한 만곡부(33)가 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 접촉하도록 되어 있다.

상기 원통면(36b)에 결합시켜서 설치한 접시 스프링 씰(37)은 스크롤 통로(8) 내의 배기 가스의 압력(스크롤 통로(8)의 압력과 틈(19)의 압력의 차압)에 의해 원통면(36b)을 따라서 이동되어 외주단(31)의 만곡부(33)가 후측부 배기 도입벽(11)의 후면으로 자동적으로 세게 눌러지도록 되어 있고, 이 때, 접시 스프링 씰(37)은 직경이 축소되어 도 8의 노치부(38)가 없어지고 양단이 정확히 접한 상태로 되도록 미리 형성되어 있다. 도 7의 경우에 있어서도, 노즐 베인(15)에 구비되어 있는 베인 축(16a, 16b)의 고정부에는 상기 관통 구멍(24)을 덮는 차양모양부(35)가 설치되어 있다.

도 3, 도 7에 도시한 형태에서는 다음과 같이 작동한다.

도 3에 도시하는 형태에서는 계단부(27)의 테이퍼면(27a)에 접시 스프링 씰(28)의 내주단(29)을 결합시킨 상태에 있어서, 도 1의 터빈 하우징(1)을 베어링 하우징(3)에 체결 볼트(3a)를 사용하여 일체로 장착한다. 이 때, 도 5에 도시하는 바와 같이 접시 스프링 씰(28)의 절두 원추 형상에 의한 직선부(30)와 만곡부(33)의 축 중심선 방향의 높이(H)가 대향면(27a)과 후측부 배기 도입벽(11)의 후면의 간격보다 높아져 있기 때문에, 상기 장착이 행해지면, 접시 스프링 씰(28)의 직선부(30)는 대향면(27a)에 압착되고, 접시 스프링 씰(28)의 외주단(31)의 만곡부(33)는 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 압착된다. 이렇게, 상기 접시 스프링 씰(28)에 의한 씰 장치(25)에 의해, 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 터빈 하우징(1)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 틈(19)을 통하여 가스 누출하는 문제를 방지할 수 있다.

한편, 도 7의 형태에서는 터빈 하우징(1)에 형성한 계단부(36)의 원통면(36b)에 접시 스프링 씰(37)의 내주단(29)을 결합시켜서 배치하면, 접시 스프링 씰(37)은 스크롤 통로(8) 내의 배기 가스의 압력에 의해 외주단(31)이 자동적으로 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 세게 눌러지게 되고, 또한, 동시에 접시 스프링 씰(37)은 직경이 축소되어 도 8의 노치부(38)가 없어져서 접한 상태로 되고, 상기 접시 스프링 씰(37)에 의한 씰 장치(25)에 의해, 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 터빈 하우징(1)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 틈(19)을 통하여 가스 누출 문제를 방지할 수 있다.

이 때, 상기 씰 장치(25)는 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측(스크롤 통로(8)측)에 설치하고 있으므로, 접시 스프링 씰(28, 37)보다 하류측의 틈(19)은 압력(P2)이 낮아지고 있고, 배기 노즐(9) 내의 압력(P1)에 대하여 P1>P2의 상태로 되기 때문에, 배기 노즐(9)측의 배기 가스는 화살표 B로 나타내는 바와 같이 접시 스프링 씰(28, 37)의 하류측으로 흐르게 된다. 상기 P1>P2의 압력의 차에 의해 노즐 베인(15)은 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압되어 변위하고, 각 노즐 베인(15)은 후측부 배기 도입벽(11)에 접하는 상태가 되어 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스는 극소로 된다. 이 때, 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 베인 축(16b)의 노즐 베인(15)으로의 고정부에 관통 구멍(24)을 덮는 차양모양부(35)를 구비하고 있으므로, 배기 노즐(9) 내의 배기 가스의 압력은 상기 차양모양부(35)에 작용하고, 상기 차양모양부(35)는 상기 관통 구멍(24)을 막도록 후측부 배기 도입벽(11)에 세게 눌러진다. 그렇게 하면, 화살표 B로 나타낸 바와 같은 배기 가스의 누설 유량이 적어진다. 즉, 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이를 통과하는 배기 가스가 관통 구멍(24)이나 틈(19)으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있게 된다. 따라서, 배기 가스를 누설이 생기지 않고서 터빈 임펠러(4)에 효율 좋게 공급하고, 터빈 임펠러(4)를 효율 좋게 회전시킬 수 있다. 또, 만일 차양모양부(35)가 존재하지 않는 경우라도, 틈(19)의 압력(P2)을 종래보다도 작게 함으로써, 즉, 베인 축(16b)의 틈(19)측의 후부 단면에 작용하는 힘을 작게 함으로써, 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 이동시키는 것은 가능하지만, 차양모양부(35)를 설치함으로써, 노즐 베인(15)을 보다 확실하게 이동시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 형태를 도시한 것으로, 터빈 하우징(1)에 후측부 배기 도입벽(11)의 외주면에 대하여 간격을 둔 위치까지 연장된 연장부(39)를 형성하고, 상기 연장부(39)와 상기 후측부 배기 도입벽(11)의 외주면 사이에 도 1, 도 2의 경우와 마찬가지로 연장부(39)에 형성한 오목 홈(22)에 씰용 피스톤 링(21)을 결합한 씰 장치(25)를 구비한 경우를 도시한다.

도 9의 형태에 있어서도, 씰 장치(25)가 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치되어 있기 때문에, 씰 장치(25)보다 하류측의 틈(19)의 압력(P2)이 낮아지고, 배기 노즐(9) 내의 압력(P1)에 대하여 P1>P2의 상태로 되기 때문에, 배기 노즐(9)측의 배기 가스가 화살표 B로 나타내는 바와 같이 씰 장치(25) 하류의 틈(19)으로 흐르게 되고, 상기 P1>P2의 압력의 차에 의해 노즐 베인(15)은 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압되어, 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스는 극소로 된다.

본 발명자들은 종래의 터보 챠저(종래품)와, 도 3에 도시한 본 발명의 터보 챠저(본 발명품)에 있어서, 도 10에 도시하는 바와 같이 터빈 임펠러(4)의 상류측과 하류측의 압력비는 대략 동일해지도록 한 조건에서, 터빈 임펠러 출구(20)에 있어서의 직경 방향 위치에서의 배기 가스의 속도 분포를 수치 해석(3점)에 의해 구하고, 그 결과를 도 11에 도시하였다.

도 11로부터 분명한 것처럼, 본 발명의 터보 챠저에서는 종래의 터보 챠저에 비하여 반경 방향에 있어서의 유속 분포의 편차가 적고 유속 분포는 반경 방향으로 평탄화하고 있다. 이 사실은 본 발명의 터보 챠저는 종래의 터보 챠저에 비하여, 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐이 작은 것을 의미한다.

또한, 상기 본 발명의 터보 챠저와 종래의 터보 챠저에 있어서, 터빈의 효율을 수치 해석하여 비교한 바, 도 12에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 터보 챠저에 따르면 종래의 터보 챠저에 대하여 터빈의 효율이 약 10% 향상하는 것이 판명되었다.

또한, 본 발명자들은 종래의 터보 챠저(종래품)와, 도 3에 도시한 본 발명의 터보 챠저(본 발명품)에 있어서, 각각 도 10과 같이 압력비가 거의 동일해지도록 한 도 13의 조건에서, 3개의 다른 회전수 a, b, c에 대하여, 터빈의 효율을 실측(4점)에 의해 구하고, 그 결과를 도 14에 도시하였다. 상기 실측에 의한 경우도, 상기 수치 해석에 의한 경우의 결과와 마찬가지로, 본 발명의 터보 챠저 쪽이 종래의 터보 챠저에 대하여 터빈의 효율이 약 10% 향상하는 결과가 얻어졌다.

스크롤 통로(8)로부터의 배기 가스는 배기 노즐(9)의 노즐 베인(15) 사이를 통하여 터빈 임펠러(4)로 유도되지만, 이 때의 배기 가스의 흐름은 3차원적이며 복잡한 흐름이기 때문에, 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐의 요인을 찾아내는 것은 매우 곤란하다.

그러나, 상기한 바와 같이, 터빈 하우징(1)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 틈(19)을 밀봉하는 씰 장치(25)를 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치함으로써, 씰 장치(25) 하류의 틈(19)의 압력과 배기 노즐(9) 내의 압력의 압력 차에 의해 각 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압하여 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스를 극소하게 할 수 있고, 이로써 터빈 임펠러 출구(20)에 있어서의 직경 방향 위치에서의 배기 가스의 속도 분포가 평탄화되어 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐이 감소하고, 이로써 터빈의 효율이 향상하였다고 생각할 수 있기 때문에, 상기 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스가 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐에 영향을 미치고, 터빈의 효율에 영향을 주는 요인의 하나인 것이 판명되었다. 또한, 본 발명의 형태에서는 각 노즐 베인(15)과 전측부 배기 도입벽(10) 사이의 클리어런스는 미리 존재하는 노즐 베인(15)을 회전 가능하게 하기 위한 클리어런스 분만큼 늘어나지만(즉, 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스가 감소한 분만큼 퍼짐), 이러한 경우라도, 노즐 베인(15)과 전측부 배기 도입벽(10) 사이의 클리어런스는 터빈 임펠러 출구(20)에서의 배기 가스의 흐트러짐, 나아가서는 터빈의 효율에 대하여 거의 영향을 미치지 않는 것이 판명되었다.

따라서, 본 발명에서는 틈(19)을 밀봉하는 씰 장치(25)를 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(24)의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치하는 간단한 구성에 의해, 노즐 베인(15)을 후측부 배기 도입벽(11)측으로 변위시켜 각 노즐 베인(15)과 후측부 배기 도입벽(11) 사이의 클리어런스를 극소하게 보유함으로써, 터빈의 효율을 대폭 향상시킬 수 있었다.

이상의 실시형태에서는 접시 스프링 씰(28)은 단면 형상을 대략 S자형의 형상(도 3 참조)으로 하였지만, 이러한 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 3의 접시 스프링 씰(28)에 있어서 만곡부(33) 또는 직선부(30)를 생략한 구성, 또는, 경사부(32)만의 구성(즉, 후측부 배기 도입벽(11)을 향함에 따라서 직경이 일정한 증가율로 커지는, 절두 원추 형상)이라도 좋다. 이 경우, 접시 스프링 씰(28)의 구조를 간략하게 할 수 있고, 생산 비용 삭감 등을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 형태에만 한정되지 않으며, 씰 장치에는 다양한 구조인 것을 채용할 수 있으며, 그 외, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 다양하게 변경을 더할 수 있는 것은 물론이다.

1: 터빈 하우징 3: 베어링 하우징
4: 터빈 임펠러 8: 스크롤 통로
9: 배기 노즐 10: 전측부 배기 도입벽
11: 후측부 배기 도입벽 15: 노즐 베인
16a, 16b: 베인 축 19: 틈
20: 터빈 임펠러 출구 24: 관통 구멍
25: 씰 장치 31: 차양모양부(鍔)
P1: 배기 노즐 내의 압력 P2: 틈 내의 압력

Claims

베어링 하우징에 회전 가능하게 지지되는 터빈 임펠러의 외부에 배기 노즐을 가지고, 배기 노즐의 외부에 스크롤 통로가 형성된 터빈 하우징을 가지고, 상기 스크롤 통로로부터의 배기 가스를 터빈 임펠러로 유도하는 상기 배기 노즐은 베어링 하우징측의 전측부 배기 도입벽과 터빈 하우징측의 후측부 배기 도입벽 사이에 복수의 노즐 베인을 배치하고, 상기 노즐 베인의 양측에 고정된 각 베인 축이 전측부 배기 도입벽과 후측부 배기 도입벽을 각각 관통하여 회전 가능하게 지지되어 있고, 후측부 배기 도입벽이 상기 터빈 하우징과의 사이에 틈을 갖고 배치되어 있는 터보 챠저로서,
상기 스크롤 통로의 배기 가스가 상기 틈을 통하여 터빈 임펠러측으로 누출되는 것을 방지하기 위한 씰 장치를 베인 축이 후측부 배기 도입벽을 관통하고 있는 관통 구멍의 위치보다도 배기 가스의 상류측에 설치하고, 후측부 배기 도입벽의 관통 구멍에 연이어 통하는 틈의 압력을 배기 노즐 내의 압력보다도 낮게 보유시켜 노즐 베인을 후측부 배기 도입벽측으로 변위시키는 것을 특징으로 하는 터보 챠저.
제 1 항에 있어서, 후측부 배기 도입벽을 관통하고 있는 베인 축의 노즐 베인 고정부에 관통 구멍을 덮는 차양모양부를 구비하고 있는 터보 챠저.