KR101265814B1 - 원심압축기에 대한 유동 안정화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원심 압축기용 유동 안정화 시스템에 관한 것이다. 노즐은 유동 채널 (42) 의 범위를 정하는 하우징 벽 (31) 의 송풍 개구 (51) 로서 형성된다. 송풍 개구에는 확산기 (21) 의 하류측 유동 채널로부터 제거된 공기가 직접적으로 공급된다. 이 공기는 확산기의 상류측 유동 채널의 유동에 비해 높은 압력을 갖는다. 본 발명은 추가적인 제어 또는 조절 요소가 필요하지 않은 고압 상태에 대한 압축기 스테이지의 수동적이고 동적인 안정화 시스템을 제공한다.

Description

원심압축기에 대한 유동 안정화 시스템{FLOW STABILIZATION SYSTEM FOR CENTRIFUGAL COMPRESSOR}
본 발명은 배기 가스 터보 과급기 (turbocharger) 용 레이디얼 압축기의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 청구항 1 의 전문에 청구된 바와 같이, 레이디얼 압축기의 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치에 관한 것이다.
레이디얼 압축기 스테이지에 대한 특성군을 확장하기 위해서, 가장 최근 세대의 다양한 레이디얼 압축기 스테이지에서 안정화기 (stabilizer) 가 압축기 휠의 유입 영역에 사용된다.
배기 가스 터보 과급기의 압축기의 더 높은 압력비에 대한 시장 요구는 계속되고 있다. 그러나, 압축기 스테이지의 설계를 변화시키지 않고 회전 속도를 증가시켜 압력비를 증가시키는 방법은 제한을 받게 되는데, 왜냐하면 유용한 특성 범위를 제한하는 서지 제한 (surge limit) 및 초크 제한 (choke limit) 이 회전 속도가 증가할수록 수렴하기 때문이다. 따라서 압력비가 높아질수록 유용한 특성 범위는 계속하여 감소하게 된다. 이를 저지하고 압력비가 높을 때에도 유용한 특성 범위를 가능한 한 넓게 유지하기 위해서, 압축기 휠의 설계는 그대로 두고 압축기 휠의 크기도 변화시키지 않으면서 더 작은 유동 단면을 갖는 확산기 (diffusor) 를 이용하는 것이 가능하다. 이에 따라 서지 제한은 체적 유동 (volume flow) 이 더 낮아지는 방향으로 이동되어서, 휠의 초크 제한을 변화시키지 않고도 유용한 특성 범위가 확장되게 된다. 이 경우에 한 가지 단점은, 특히 부분 부하의 경우에 효율이 감소된다는 것이다. 이 단점은 최대 부하에서 주어진 압축기 스테이지의 안정성을 증가시키기 위한 적절한 조치를 취함으로써 회피될 수 있다. 이는 확산기의 안내 베인과 압축기 휠의 로터 블레이드 사이의 블레이드가 없는 중간 영역에서 유동 채널 안으로, 하우징측에서 공기를 송풍함으로써 달성될 수 있다. 압력비가 높은 영역의 동적 안정성은 공기를 송풍함으로써 증가될 수 있다.
압력비를 증가시키고 서지 제한 및 초크 제한의 수렴을 회피하기 위한 다른 가능한 방법은 압축기 휠의 설계를 개조하는 것이다. 안정성 및 그에 따른 유용한 특성 범위는 압축기 휠의 "백스윕(backsweep)" 을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. "백스윕" 은 휠의 회전 방향과 반대 방향에서, 접선방향에서 더 평평한 각으로 위치된 출구 각을 갖는 블레이드와 반경방향 후연을 갖는 블레이드 사이의 압축기 휠의 출구에서의 각을 나타낸다. "백스윕" 이 증가하면 동일한 압력비를 얻기 위해서 휠의 둘레 방향 속도가 증가할 필요가 있게 된다. 이에 따라 더 큰 압력비를 얻기 위해서는 비례하는 것 이상으로 회전 속도가 증가할 필요가 있다. 그러나, 이는 압축기 휠의 재료의 한계에 의해 제한되거나, 또는 재료는 더 나은 기계적 특성을 갖는 재료로 변경되어야 한다. 이러한 재료는 상당히 더 고가이다. 이 해결책에 비해, 공기를 송풍하는 방안이 비용면에서 유리한데, 왜냐하면 기존의 압축기 스테이지가 높은 압력비를 얻는데 적절하고, 비용이 많이 드는 압축기 휠의 재료의 변경이 필요없기 때문이다.
"확산기 유동 제어를 사용하는 원심 압축기 유동 범위 확장"(Gray J.Skoch; Army Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate, Claveland, Ohio; 2000.12.05) 은 다운스트림 확산기를 갖는 레이디얼 압축기를 개시하고 있는데, 압축된 공기는 코안다(Coanda) 효과 노즐을 사용하여, 압축기 휠과 확산기 사이의 유동 채널 안으로 유동 방향으로 송풍된다.
코안다 효과 (US 2,052,869에 기재됨) 는 고체의 표면을 따라 빠르게 유동하는 유체 (가스 또는 액체) 가 이 고체의 표면에 붙어서 그 표면으로부터 분리되지 않는 유동 효과를 말한다.
압축 공기 노즐은 유동 채널을 경계짓는 하우징 벽에 배치되어, 압축기 하우징에 단단하게 나사조임되어 있다. 이들 노즐은 개구부 내에서 움직일 수 있기 때문에, 유입 방향이 변할 수 있다. 노즐은 파이프라인을 통해서 외부 압축 공기 공급부에 연결되어 있다.
CH 204 331 은 압축기에서 제트 분리를 방지하기 위한 장치를 개시한다. 이 경우에, 유동의 일부는 안내 휠의 영역의 추출 개구부를 통해 흡인된 후에, 더 상류에서 다시 유동 안으로 되돌아간다. 이 경우에, 유동은 노즐의 형태로 유동 방향으로 배열된 주변 슬롯에 의해 재도입된다.
본 발명의 목적은 적은 공기를 레이디얼 압축기의 유동 채널 내부로 송풍하기 위한 간단하고 비용 효과적인 장치를 제공하는 것이고, 이 장치는 특히 작은 노력으로도 끼워맞춤될 수 있고 작동시에 신뢰성이 높다.
본 발명의 목적은 청구항 1 의 특징을 갖는, 레이디얼 압축기의 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 노즐은 유동 채널을 경계짓는 하우징 벽에 있는 송풍 개구의 형태이다. 이 송풍 개구에는 확산기의 하류측 매니폴드 캐비티로부터 추출된 공기가 직접 들어간다. 이 공기는 확산기의 상류측 유동 채널의 유동보다 높은 압력을 갖는다.
이 결과 압력비가 높은 압축비 범위의 상업용 스테이지를 위한 수동적이고 동적인 안정화 시스템이 얻어지고, 이 시스템은 어떠한 추가적인 제어 또는 작동 요소도 필요로 하지 않는다.
유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 본 발명에 따른 장치의 유리한 일 실시형태는 주조된 압축기 하우징 부분에 직접 적절한 개구를 제공함으로써 간단하게 실현될 수 있다. 어떠한 추가적인 노즐 요소 또는 압축 공기 연결부도 필요하지 않다.
압축 공기는 적어도 부분적으로 환형인 공기 채널 (압축기 하우징에 캐비티로서 일체화되어 있음) 을 통해 다수의 모든 송풍 개구 사이에 분배된다.
레이디얼 압축기의 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 본 발명에 따른 장치는 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 본 발명에 따른 장치를 구비한 레이디얼 압축기의 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된, 노즐 요소가 장착된 본 발명에 따른 장치의 상세 확대도이다.
도 3 은 도 1 에 도시된, 일체형 연결부로 일체화된 노즐 요소를 구비한 본 발명의 장치의 상세 확대도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 압축기 휠 허브
11: 압축기 휠 블레이드
20: 확산기 벽
21: 확산기 안내 베인
31: 인서트 벽, 내부 압축기 하우징 벽
32: 나선형 하우징, 외부 압축기 하우징 벽
33: 분리 벽
41: 유동 채널, 유입 영역
42: 유동 채널, 확산기 영역
43: 매니폴드 캐비티
44: 공기 채널, 캐비티
51: 송풍 개구
52: 추출 개구
53: 누설 유동 개구
61: 노즐 요소, 끼워맞춤됨
62: 노즐 요소, 하우징 벽에 통합됨
도 1 은 회전가능하도록 장착된 샤프트상에 배열된 압축기 휠을 구비한 레이디얼 압축기의 단면도이다. 압축기 휠은 중앙 허브 (10), 및 여기에 배열된 로터 블레이드 (11) 를 갖는다. 압축기 휠은 압축기 하우징에 배열되어 있다. 압축기 하우징은 압축될 매체에 대한 유동 채널을 경계짓는 다수의 부분을 갖는다. 로터 블레이드 또는 압축기 휠의 영역에서, 소위 인서트 벽으로 불리는 내부 압축기 하우징 벽 (31) 이 측반경방향 외측에서 유동 채널 (41) 을 경계짓는다. 이 유동 채널은 이 영역에서 반경방향 내측에서는 압축기 휠의 허브에 의해 경계지어진다. 압축기 휠의 로터 블레이드의 영역으로부터 더 하류측에서, 유동 채널 (42) 은 인서트 벽 (33) 의 반대측에서 확산기 벽 (20) 에 의해 경계지어진다. 확산기는 유동 채널에 배열된 확산기 안내 베인 (21) 을 갖는다. 확산기 안내 베인으로부터 더 하류측에서, 유동 채널 (42) 은 나선형 하우징 (32) 의 매니폴드 캐비티 (43) 안으로 열려있고, 여기서부터 라인 (도시되지 않음) 이 배기 가스 터보 과급기와 연결된 내연 기관의 연소실에 이어져 있다. 공기의 흐름은 각 경우에 도면에서 두꺼운 흰색의 화살표로 나타내었다.
유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 본 발명에 따른 장치는 복귀 공기 채널 (44) 을 갖는데, 이 채널은 확산기 안내 베인 (21) 의 하류에 있는 매니폴드 캐비티 (43) 로부터 압축기 휠의 로터 블레이드 (11) 와 확산기의 안내 베인 (21) 사이의 유동 채널 (42) 안으로 이어져 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 공기 채널 (44) 은 인서트 벽 (31), 나선형 하우징 (32) 및 압축기 하우징의 분리 벽 (33) 에 의해 경계지어진 캐비티의 형태일 수 있다. 공기 채널 (44) 은 매니폴드 캐비티 (43) 의 영역에서 압축기 하우징 벽에 있는 추출 개구 (52) 로부터 압축기 휠의 로터 블레이드 (11) 와 확산기의 안내 베인 (21) 사이의 영역에서 압축기 하우징 벽에 있는 송풍 개구(blowing-in opening) (51) 까지 이어져 있다. 압축기 휠의 로터 블레이드 (11) 와 확산기의 안내 베인 (21) 사이의 영역에서 유동 채널 (42) 안으로 열려 있는 송풍 개구 (51) 는 원통형은 아니지만, 내부 코안다(Coanda) 표면 구조를 갖는다. 도 3 에 확대 도시된 바와 같이, 이는 압축기 하우징 벽이 송풍 개구 안으로 돌출된 둥근 영역을 갖는데, 이 영역을 따라 공기가 코안다 효과에 따라 흐를 수 있다.
압축기 휠의 로터 블레이드의 영역에서 나오면, 유동 채널 내의 유동은 주 접선방향 성분을 갖는다. 코안다 효과는 공기가 유동 채널 안으로 송풍될 때 주 스월링 또는 측면 유동이 확실히 발생하지 않도록 해준다. 이 대신에, 접선방향으로 송풍된 경우와 마찬가지로 유동 채널 안으로 송풍되는 공기는 송풍 개구 (51) 의 둥근 영역에 붙어서, 도 2 및 도 3 에서 가는 화살표로 표시된 바와 같이 유동 채널의 가장자리 영역에서 유동 방향으로 유동 안으로 도입된다.
공기는 수동적으로, 즉 어떠한 제어 또는 작동 요소 없이 유동 채널 안으로 송풍된다. 매니폴드 캐비티 (43) 내의 압력이 압축기 휠의 로터 블레이드 (11) 와 확산기의 안내 베인 (21) 사이의 유동 채널 (42) 의 압력보다 크기 때문에, 균일화 유동이 일어나게 된다.
다수의 송풍 개구 (51) 가 유동 채널의 둘레를 따라, 즉 터보 과급기 샤프트에 대해 동일한 반경방향 높이에서 제공될 수 있다. 송풍 개구 모두는 환형으로 된 또는 적어도 부분적으로 환형인 단일의 공기 채널 (44) 에 연결될 수 있다. 다수의 추출 개구 (52) 가 둘레 방향으로 매니폴드 캐비티 (43) 를 따라 배열될 수 있다.
환형 공기 채널 (44) 대신에, 반경방향으로 형성된 분리 벽에 의해 분할된 다수의 공기 채널 요소를 제공하는 것이 가능하고, 각각의 공기 채널 요소는 1 이상의 송풍 개구 (51) 에 공기를 공급하게 된다.
본 발명에 따른 장치의 개구부는 압축기 하우징 부분이 제조될 때 이 하우징 부분에 결합될 수 있다. 이는 예비제작된 노즐 요소 (62) 를 하우징 벽에 캡슐화시키거나 또는 통합재 연결부를 사용해 노즐 요소를 이들 하우징 벽에 연결부로 연결하거나, 또는 송풍 개구의 특정 윤곽을 주조 몰드 자체에 만들어서, 압축기 하우징 부분의 주조 동안에 직접 실행될 수 있다. 예비제작된 노즐 요소 (62) 는 용융되지 않으면서, 주조 공정 동안에 하우징 벽의 강과 연결부를 형성하는 재료로 이루어진다. 대안으로서, 유입 개구부 및 송풍 개구부는 나중에 압축기 하우징 벽에 형성될 수도 있다.
인터로킹 또는 끼워맞춤식으로 압축기 하우징 벽 (31) 에 연결되는 연결되는 제공하는 것도 가능하다. 이러한 경우에는, 예컨대, 미리 존재하는 터보 과급 기를 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 본 발명에 따른 장치로 개장하는 것이 가능하게 된다.
압축기 휠의 후벽 영역에서 추력 부하를 줄이기 위해 또는 과도한 압력에 의해 베어링을 오일 밀봉하기 위한 배리어 공기로서, 공기는 압축기 휠의 로터 블레이드로부터 하류측 영역에서 압축기로부터 공기를 빼낼 수 있다. 소위 누설 유동 (53) 은 압축기 유동에 불안정화 효과 (destabilizing effect) 를 주게 되는데, 이러면 체적 유동이 더 크게 되는큰 방향으로 서지 제한이 이동되어 유용한 특성 범위가 바람직하지 않게 감소하게 된다. 본 발명에 따른 송풍 처리로 서지 한계 프로파일을 어떠한 누설 유동 (53) 도 없는 프로파일로 되게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 압축기 휠 (10, 11) 과 레이디얼 압축기의 매니폴드 캐비티 (43) 사이의 주 유동을 전달하는 유동 채널 (42) 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치로서, 둘레를 따라 분포되어 있고 접선방향으로 정렬되어 배열된 개별적인 다수의 송풍 개구 (51) 를 포함하고, 이 개구는 코안다 구조를 가지며 노즐의 형태이고, 이 개구를 통해 공기가 압축기 휠의 로터 블레이드 (11) 와 확산기의 안내 베인 (21) 사이의 유동 채널 (42) 의 접선방향으로 상기 유동 채널 (42) 안으로 송풍될 수 있는 상기 장치에 있어서,
    압축기 하우징 벽 (32) 에서 1 이상의 추출 개구 (52) 가 매니폴드 캐비티 (43) 의 영역에 형성되어 있고, 상기 송풍 개구 (51) 는 채널 (44) 을 통해 1 이상의 추출 개구 (52) 와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 1 이상의 송풍 개구 (51) 와 1 이상의 추출 개구 (52) 사이의 상기 채널은 둘레 방향으로 형성된 환형 또는 부분적으로 환형인 채널 (44) 의 형태인 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 채널 (44) 은 압축기 하우징 벽 (31, 32, 33) 에 의해 경계지어진 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 송풍 개구 (51) 는 유동 채널을 경계짓는 압축기 하우징 벽 (31) 에 결합되고, 유동 채널을 경계짓는 압축기 하우징 벽 (31) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 송풍 개구 (51) 는 일체형 또는 다중 부분의 노즐 요소 (61) 에 의해 형성되며, 이 노즐 요소는 압축기 하우징 벽 (31) 의 개구에 배치되어서 압축기 하우징 벽에 연결되는 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 송풍 개구 (51) 는 일체형 또는 다중 부분의 노즐 요소 (62) 에 의해 형성되며, 이 노즐 요소는 통합 연결로 압축기 하우징 벽 (31) 과 통합되는 것을 특징으로 하는 유동 채널 안으로 공기를 송풍하기 위한 장치.
  7. 배기 가스 터보 과급기로서, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 공기를 레이디얼 압축기의 유동 채널 (42) 안으로 송풍하기 위한 장치를 구비한 레이디얼 압축기를 포함하는 배기 가스 터보 과급기.
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