KR101369601B1

KR101369601B1 - 압축기 임펠러

Info

Publication number: KR101369601B1
Application number: KR1020127000160A
Authority: KR
Inventors: 하네스 베네츠힉; 스벤 아이젠바흐; 토마스 빈터
Original assignee: 만 디젤 앤 터보 에스이
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2014-03-04
Also published as: KR20120036932A; JP2012529585A; CN102803739A; DE102009024568A1; CN102803739B; EP2440791A1; WO2010142287A1

Abstract

본 발명은 압축하려는 유체를 통과시켜 안내하는 다수의 임펠러 통로들(23)을 포함하는 압축기 임펠러(20)에 관한 것으로, 임펠러 통로들(23)은 유체 유입 단부(23a)와 유체 배출 단부(23b)를 각각 구비하고, 각각의 임펠러 통로(23)는 유체 유입 단부(23a)에서 제1 횡단면 면적(AE)을 갖고 유체 배출 단부(23b)에서 제2 횡단면 면적(AA)을 갖되, 제1 횡단면 면적에 대한 제2 횡단면 면적의 크기 비(GV)는 0.7 미만이다.

Description

압축기 임펠러{COMPRESSOR IMPELLER}

본 발명은 압축기 임펠러, 특히 원심 압축기(radial compressor)용 압축기 임펠러, 그러한 압축기 임펠러를 구비한 원심 압축기, 및 그러한 원심 압축기를 장착한 내연 엔진의 배기 가스 터보 차저에 관한 것이다.

공학 박사 Robert Pietzsch 교수의 강의 노트 "Kraft- und Arbeitsmaschinen(엔진 및 기계)"(Schmalkalden 전문 대학, 기계 공학 전공 분야, 버전 08/2007)은 제46면 내지 제57면에서 종래의 터보 압축기들을 다루고 있다. 그 강의 노트의 제47면에는, 압축하려는 유체를 통과시켜 안내하는 다수의 임펠러 통로들을 구비한 압축기 임펠러가 기술되어 있는데, 임펠러 통로들은 유체 유입 단부와 유체 배출 단부를 각각 구비하고, 각각의 임펠러 통로는 유체 유입 단부에서 제1 횡단면 면적을 갖고 유체 배출 단부에서 제2 횡단면 면적을 갖는다.

원심 압축기에서의 에너지 변환 과정은 예컨대 대기중 신선 공기와 같은 급송 매체 또는 압축 대상 유체에 선회 회전을 부여하는 압축기 임펠러의 회전 블레이드들에 의해 수행된다. 이때, 와동하여 흐르는 유체의 동력은 한편으로 고체로서 회전하는 블레이드들의 원주 속도와 비례하는 관계에 있고, 다른 한편으로 자신의 속도의 동축상 회전 성분과 비례하는 관계에 있는데, 동축상 회전 성분 자체는 고체의 회전 속도 및 그에 따른 압축기 임펠러의 회전 속도와의 비례 관계를 갖는다.

원심 압축기에 의해 급송되는 유량은 유체의 음속에 비해 낮은 것으로 여겨질 수 있는 유동 속도들에 있어서는 역시 회전 블레이드들의 회전 속도와 비례하는 관계에 있다. 그러나, 압축기 임펠러의 회전 속도가 증가할수록 유체의 압축성으로 인해 유량에 있어 무엇보다 블레이드들 내부의 유동 횡단면들에 의존하는 한계치가 발생하는 결과가 초래된다. 따라서 종래의 원심 압축기에서는 체적 비에너지(volum specific energy)로서 특징져지는 압력이 유량에 의존하여 현격히 불균형적인 관계에 있게 된다.

도 1은 종래의 원심 압축기의 전형적인 작동 영역을 유량 또는 체적 유량

에 대한 총 압력 비 Π_tot를 도시하여 설명하고 있다.

원심 압축기를 내연 엔진용 배기 가스 터보 차저에 사용할 경우, 원심 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 내연 엔진의 특성(도 1의 BC 선을 따른)을 따르지만, 전체의 부하 영역에 걸쳐 원심 압축기의 써지 곡선(surge line)(PG)에 대한 최소 간격이 보장되어야 한다. 다른 한편으로, 원심 압축기의 유량은 그 폐색 곡선 또는 드래프트(draft) 곡선 또는 초크 곡선(choke line)(SG)에 의해 한정된다. 도 1에서는, 회전 블레이드들 또는 압축기 임펠러의 일정한 회전 속도의 곡선들이 n_konst로 지시되어 있다.

최상의 효율 또는 최적의 효율을 보이는 곡선 WG_opt에 의해 개괄해보면, 종래의 원심 압축기에서는 압축 압력 비 또는 총 압력 비 Π_tot가 유량

에 불균형적으로 의존하는 성질로 인해 내연 엔진의 특성(BC)와의 이해 상충이 발생하는 것으로 나타나고 있다.

원심 압축기의 안정된 작동을 고려하여 유지하여야 하는 써지 곡선(PG)으로부터의 간격으로 인해, 특히 높은 부하 하에서는 내연 엔진에서 얻을 수 있는 과급 압력뿐만 아니라 전형적 운전점에서의 열역학적 효율도 원심 압축기의 최적의 설계치와 대비하여 현격한 손실을 나타내는 결과가 초래된다.

따라서 그 바깥쪽 섹션 또는 바깥쪽 둘레에서의 재료 기술적으로 한정되는 압축기 임펠러의 고체 회전 속도를 고려하여, 종래의 설계들은 1단 터보 차징(single stage turbo charging)을 약 5.5bar로 제한하고 있다.

내연 엔진, 예컨대 디젤 엔진을 약 5.5bar의 값을 넘어서는 압력 비로 1단 차징하는 경우, 통상의 원심 압축기는 그 최적치보다 현격히 아래에 있는 효율로 작동한다.

본 발명의 과제는 현격히 개선된 효율에서 5.5bar를 넘는 과급 압력 또는 압축기 출구 측 압력을 얻을 수 있게 하는 원심 압축기용 압축기 임펠러를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 그러한 압축기 임펠러를 구비한 원심 압축기 및 그러한 원심 압축기를 장착한 내연 엔진의 배기 가스 터보 차저를 제공하는 것이다.

전술한 과제들은 청구항 1에 따른 압축기 임펠러, 청구항 8에 따른 원심 압축기, 또는 청구항 11에 따른 내연 엔진의 배기 가스 터보 차저에 의해 해결된다. 본 발명의 부가의 구성들은 각각의 종속 청구항에 규정되어 있다.

본 발명의 제1 양태에 따라, 원심 압축기용 압축기 임펠러는 압축하려는 유체를 통과시켜 안내하는 다수의 임펠러 통로들을 구비하되, 임펠러 통로들은 유체 유입 단부와 유체 배출 단부를 각각 구비하고, 각각의 임펠러 통로는 유체 유입 단부에서 제1 횡단면 면적을 갖고 유체 배출 단부에서 제2 횡단면 면적을 갖는다. 본 발명에 따른 압축기 임펠러는 제1 횡단면 면적에 대한 제2 횡단면 면적의 크기 비가 0.7 미만인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래의 압축기 임펠러에서는 제1 횡단면 면적에 대한 제2 횡단면 면적의 크기 비가 약 0.75이고, 어느 경우든 0.7보다는 크다는 것을 인지하였다.

0.7 미만의 면적 비 또는 크기 비를 갖는 본 발명에 따른 유체 유입 단부와 유체 배출 단부의 구성에 의해, 특성 다이어그램에서 본 발명에 따른 압축기 임펠러를 구비한 원심 압축기의 최상의 효율을 나타내는 곡선이 원심 압축기와 연동하는 내연 엔진의 특성을 기술하는 곡선과 거의 일치하거나 그에 매우 근접하여 그와 거의 평행하게 연장되도록 그 원심 압축기의 작동 특성들이 개선되게 된다.

그럼으로써, 압축기 설계와 내연 엔진의 터보 차징 사이의 이해 상충이 대폭 제거된다. 환언하면, 과급 압력이 유량에 불균형적으로 의존하는 성질이 고작해야 약하게만 나타나는 형태로 표출되고, 그에 따라 원심 압축기가 그 최적 설계에 가깝게 내연 엔진의 특성을 따라 작동할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 방안은 중간 정도의 이론적 최대 압력의 감수 하에 특히 부분 부하 영역에서 감소하는 유량을 갖지만, 원심 압축기의 실제 제공 가능한 과급 압력 및 압축기 효율의 현격한 증가가 얻어지는 압축기 특성 다이어그램을 가져올 수 있다. 특히, 그것은 유체 유입 단부에서의 임펠러 통로들의 횡단면 면적에 대한 유체 배출 단부에서의 임펠러 통로들의 횡단면 면적의 비의 본 발명에 따른 설계에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러를 구비한 원심 압축기는 특성 다이어그램에서 확연히 더 넓은 안정된 작동 영역을 갖고, 그것은 부분 부하 조건에서 감소하는 유량과 함께 작용하여 원심 압축기 및 그와 연동하는 내연 엔진의 특성이 거의 가능한 최상으로 서로 맞춰지게 되는 결과를 가져온다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 일 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적에 대한 제2 횡단면 면적의 크기 비는 0.65 미만이다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러를 그와 같이 구성할 경우, 근본적으로 전형적 운전점(duty point)에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력을 6bar까지 구현할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 일 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적의 크기는 제2 횡단면 면적의 크기의 적어도 1.54배이다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러를 그와 같이 구성할 경우, 근본적으로 전형적 운전점에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력을 6bar까지 구현할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 또 다른 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적에 대한 제2 횡단면 면적의 크기 비는 0.6 미만이다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러를 그와 같이 구성할 경우, 근본적으로 전형적 운전점에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력을 7bar까지 구현할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 일 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적의 크기는 제2 횡단면 면적의 크기의 적어도 1.67배이다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 또 다른 실시 형태에 따르면, 압축기 임펠러는 바깥쪽 둘레를 갖는 임펠러 허브(impeller hub) 및 다수의 임펠러 블레이드들을 더 구비하는데, 임펠러 블레이드들은 임펠러 허브의 바깥쪽 둘레를 따라 분포되어 임펠러 허브 상에 배치되고, 2개의 측방 블레이드 면들 및 그 블레이드 면들 사이에 배치된 반경 방향 바깥쪽 에지를 각각 구비한다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 그러한 실시 형태에 따르면, 임펠러 블레이드들의 바깥쪽 에지들은 함께 임펠러 블레이드들의 바깥쪽 둘레를 규정하는데, 각각의 임펠러 통로는 각각의 인접한 임펠러 블레이드들 사이에 형성된다. 이때, 임펠러 통로들은 임펠러 허브의 바깥쪽 둘레, 각각의 인접한 임펠러 블레이드들의 서로 대향된 블레이드 면들, 및 임펠러 블레이드들의 바깥쪽 둘레에 의해 각각 규정된다. 그러한 본 발명의 실시 형태에 따르면, 각각의 임펠러 통로의 유체 유입 단부는 반경 방향의 안쪽에 놓여 배치되고, 각각의 임펠러 통로의 유체 배출 단부는 반경 방향의 바깥쪽에 놓여 배치된다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 또 다른 실시 형태에 따르면, 임펠러 통로들은 유체 유입 단부와 유체 배출 단부 사이에 유체 유입 단부의 배후에서 임펠러 통로를 2개의 부분 통로들로 분할하는 격벽을 각각 구비하는데, 격벽은 유체 유입 단부에 대해 미리 주어진 간격을 갖는 분리 지점으로부터 유체 배출 단부까지 임펠러 통로를 따라 연장되고, 그에 따라 임펠러 통로는 단일의 유체 입구 및 압축기 임펠러의 둘레 방향으로 서로 나란히 놓인 2개의 유체 출구들을 구비한다.

특히, 그러한 격벽은 한편으로 그것이 유체 유입 단부에서의 각각의 임펠러 통로의 횡단면 면적을 감소시키지 않고, 다른 한편으로 압축기 임펠러에 의해 수행되는 기계적인 일 또는 운동 에너지가 압축하려는 유체에 더욱 잘 전달되는 것이 구현된다고 하는 이점을 갖는다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 일 실시 형태에 따르면, 각각의 임펠러 통로의 2개의 부분 통로들은 유체 배출 단부에서 배출 횡단면 면적을 각각 갖되, 2개의 부분 통로들의 각각의 배출 횡단면 면적의 각각의 크기의 합이 제2 횡단면 면적의 크기와 같다.

그러한 본 발명의 구성은 압축기 임펠러의 최적의 설계를 위한 부가의 융통성 또는 구성 자유도를 제공하는데, 왜냐하면 각각의 임펠러 통로의 2개의 부분 통로들의 2개의 배출 횡단면 면적이 필요에 따라 동일한 크기로 또는 상이한 크기로도 형성될 수 있기 때문이다.

격벽은 그 형태 및 그 반경 방향 연장에 있어 임펠러 블레이드들과 일치하고 유체 유입 단부 측에서 미리 정해진 간격에 해당하는 만큼 임펠러 블레이드들보다 짧게 구성되는 각각의 보조 블레이드에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 압축기 임펠러의 그러한 구성은 매우 바람직하게도 압축기 임펠러에 의해 수행되는 기계적인 일 또는 운동 에너지를 압축하려는 유체에 전달하는 것을 지원한다.

본 발명의 제2 양태에 따라, 터보 차저용 원심 압축기가 제공되는데, 그 원심 압축기는 원심 압축기에서 압축하려는 유체의 주 흐름을 수용하는 유체 유입구 및 귀환 통로를 갖는 압축기 하우징과, 전술한 본 발명의 실시 형태들 중의 어느 하나, 다수, 또는 모두에 따른 압축기 임펠러를 구비하되, 압축기 임펠러는 주 흐름의 유동 방향으로 유체 유입구의 배후에 배치되어 압축기 하우징에 회전 가능하게 장착되고, 귀환 통로는 유체 유입구에 있는 압축기 하우징의 제1 안쪽 둘레 섹션으로부터 압축기 임펠러를 반경 방향으로 둘러싸는 압축기 하우징의 제2 안쪽 둘레 섹션까지 연장되고, 그에 따라 압축하려는 유체의 부 흐름이 귀환 통로를 따라 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 원심 압축기의 압축기 임펠러의 유체 유입 단부와 유체 배출 단부의 본 발명에 따른 구성에 의해, 특성 다이어그램에서 원심 압축기의 최상의 효율을 나타내는 곡선이 원심 압축기와 연동하는 내연 엔진의 특성을 기술하는 곡선과 거의 일치하거나 그에 매우 근접하여 그와 거의 평행하게 연장되도록 그 원심 압축기의 작동 특성들이 개선되게 된다.

그럼으로써, 압축기 설계와 내연 엔진의 터보 차징 사이의 이해 상충이 대폭 제거된다. 환언하면, 과급 압력이 유량에 불균형적으로 의존하는 성질이 고작해야 약하게만 나타나는 형태로 표출되고, 그에 따라 원심 압축기가 그 최적 설계에 가깝게 내연 엔진의 특성을 따라 작동할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따라 제공되는 방안은 원심 압축기에서 경우에 따라 감압 밸브들을 생략할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 원심 압축기는 특성 다이어그램에서 확연히 더 넓은 안정된 작동 영역을 갖고, 그것은 부분 부하 조건에서 감소하는 유량과 함께 작용하여 원심 압축기 및 그와 연동하는 내연 엔진의 특성이 거의 가능한 최상으로 서로 맞춰지게 되는 결과를 가져온다.

본 발명에 따른 원심 압축기의 압축기 하우징이 압축기 내부의 재순환을 가능하게 하는 귀환 통로를 구비함으로써, 얻어지는 압력 비 또는 총 압력 비와 유량 또는 체적 유량 사이의 대폭적인 비례성이 써지 곡선을 따라 지원되게 된다.

환언하면, 재순환 공간 또는 귀환 통로의 구성은 써지 곡선에서 임펠러 블레이드들의 바깥쪽 둘레로부터 떼어내진 유체 흐름이 귀환하여 주 흐름과 다시 합쳐지는(또는 그 유체 흐름이 부 흐름으로서 주 흐름의 유동 방향과 반대 방향으로 복귀하는) 것을 허용하고, 그것은 압축기 임펠러에서의 유동 거동의 안정화가 나타날 수 있게 하는 것을 보장한다.

다른 한편으로, 귀환 통로는 특히 높은 압축기 회전 속도에서 주 흐름의 유동 방향으로 귀환 통로를 통해 흐르는 급송 매체 또는 압축 대상 유체의 부수적인 부분 또는 부 흐름이 유량에 결정적인 제1 횡단면 면적 부분의 하류에서 유체의 주 흐름과 다시 합쳐지도록 설계될 수 있다.

즉, 귀환 통로의 크기 설정 및 배치에 의해, 안정된 압축기 작동의 지원을 써지 곡선에 또는 초크 곡선에 집중시킬 수 있되, 단 그러한 양극의 구성들 사이에서 임의의 변동들 또는 단계적 등급들이 가능하다.

그를 위해, 본 발명에 따른 원심 압축기의 일 실시 형태에 따라, 부 흐름의 유동 방향 및/또는 유동량에 영향을 미치기 위한 가이드 베인(guide vane)들이 귀환 통로에 배치되는 것이 바람직하다.

귀환 통로는 유체 유입구에 위치한 제1 단부 및 임펠러 통로의 유체 유입 단부의 부근에 위치한 제2 단부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 원심 압축기의 일 실시 형태에 따르면, 원심 압축기는 1단 원심 압축기로서 형성된다.

본 발명의 제3 양태에 따라, 전술한 본 발명의 실시 형태들 중의 어느 하나, 다수, 또는 모두에 따른 원심 압축기와 배기 가스 터빈을 구비한 내연 엔진의 배기 가스 터보 차저가 제공된다.

그러한 배기 가스 터보 차저를 구비한 차량의 내연 엔진(내연 기관)은 특히 높은 동력 출력과 낮은 연료 소비를 갖는다.

이하, 첨부 도면들을 참조해서 본 발명을 바람직한 실시 형태들에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 통상의 원심 압축기의 작동 영역의 특성 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 원심 압축기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 원심 압축기의 압축기 임펠러를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 원심 압축기의 작동 영역의 특성 다이어그램이다.
도 5는 비교의 목적을 위해 도 1과 도 4의 특성 다이어그램들을 겹쳐서 나타낸 도면이다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조해서 본 발명의 일 실시 형태에 따른 내연 엔진의 배기 가스 터보 차저(전부 도시되지는 않음)를 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 배기 가스 터보 차저는 입구 측에서 디젤 엔진으로서 형성된 자동차(도시를 생략함)의 내연 엔진(도시를 생략함)의 배기 가스 시스템에 연결되는 배기 가스 터빈(도시를 생략함)과, 도시를 생략한 구동 샤프트를 통해 배기 가스 터빈에 회전 구동 연결된 1단 원심 압축기(도 2 및 도 3에 도시됨)를 포함한다.

원심 압축기(1)는 원심 압축기(1)에서 압축하려는 경우에 따라 필터링된 대기중 신선 공기의 주 흐름(H)을 수용하는 유체 유입구(11), 압축된 신선 공기를 배출하되, 내연 엔진의 공기 유입구와 유체 연통하는 유체 배출구(도시를 생략함), 및 귀환 통로(12)를 구비한 압축기 하우징(10)을 포함한다.

원심 압축기(1)는 주 흐름(H)을 기호화한 곡선의 화살표 정점에 의해 표시되는 주 흐름(H)의 유동 방향으로 유체 유입구(11)의 배후에 배치되어 압축기 하우징(10)에 회전 가능하게 장착되는 압축기 임펠러(20)를 구비한다.

귀환 통로(12)는 유체 유입구(11)에 있는 압축기 하우징(10)의 제1 안쪽 둘레 섹션(13)으로부터 압축기 임펠러(20)를 반경 방향으로 둘러싸는 압축기 하우징(10)의 제2 안쪽 둘레 섹션(14)까지 연장되고, 그에 따라 압축하려는 신선 공기의 부 흐름(N)이 작동 조건에 따라 주 흐름(H)의 유동 방향의 반대 방향으로 또는 그와 같은 방향으로 귀환 통로(12)를 따라 발생할 수 있게 된다.

귀환 통로(12)는 압축기 하우징(10)의 안쪽 둘레 있는 환형 리세스(15)와 유체 유입구(11)에 삽입된 환형 요소(16)에 의해 형성되고, 그에 따라 귀환 통로(12)는 유체 유입구(11)에 위치한 제1 단부(12a)와 압축기 임펠러(20)의 임펠러 통로(23)의 각각의 유체 유입 단부(23a)의 부근에 위치한 제2 단부(12b)를 구비한다.

부 흐름(N)의 유동 방향 및/또는 유동량에 영향을 미치기 위해, 귀환 통로(12)에 고정적이거나 가변적인 가이드 베인(17)들이 배치된다.

그 작용 방식에 있어 귀환 통로(12)와 상응하는 귀환 통로가 예컨대 DE 333 22 295 C3에 개시되어 있다.

압축기 임펠러(20)는 구동 샤프트 상에 회전 불가하게 고정된 임펠러 허브(21)를 구비하고, 임펠러 허브(21)는 바깥쪽 둘레(21a)와 다수의 임펠러 블레이드들(22)을 구비하며, 임펠러 블레이드들(22)은 임펠러 허브(21)의 바깥쪽 둘레를 따라 원부 방향으로 균일하게 분포되어 임펠러 허브(21) 상에 배치되고, 2개의 측방 블레이드 면들(22a, 22b) 및 그 2개의 블레이드들(22a, 22b) 사이에 연장된 반경 방향 바깥쪽 에지(22c)를 각각 구비한다.

각각의 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 에지들(22c)은 함께 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 둘레(회전체로서 보았을 때에)를 규정하는데, 각각의 인접한 임펠러 블레이드들(22, 22) 사이에는 압축하려는 신선 공기(유체)를 통과시켜 안내하는 임펠러 통로(23)가 각각 형성된다.

그와 같이 형성된 임펠러 통로들(23)은 반경 방향의 안쪽에 놓인(구동 샤프트의 부근에 배치된) 유체 유입 단부(23a) 및 반경 방향의 바깥쪽에 놓인(반경 방향으로 유체 유입 단부(23a)보다 구동 샤프트로부터 더 멀리 떨어진) 유체 배출 단부(23b)를 각각 구비한다. 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 둘레는 압축기 하우징(10)의 제2 안쪽 둘레 섹션(14)과 환형 요소(16)에 의해 반경 방향의 바깥쪽으로부터 그 사이에 간극을 두고서 둘러싸인다.

임펠러 통로들(23)은 임펠러 허브(21)의 바깥쪽 둘레(21a), 각각의 인접한 임펠러 블레이드들(22, 22)의 서로 대향된 블레이드 면들(22a, 22b), 및 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 둘레 또는 압축기 하우징(10)의 제2 안쪽 둘레 섹션(14)과 환형 요소(10)에 의해 규정된다.

임펠러 통로들(23)은 그 각각의 유체 유입 단부(23a)와 유체 배출 단부(23b) 사이에 보조 블레이드(24)의 형태의 격벽을 각각 구비하는데, 여기서 보조 블레이드(24)는 그 반경 방향 연장에 있어 임펠러 블레이드들(24)과 일치하지만, 유체 유입 단부 측에서 정해진 만큼 임펠러 블레이드들(22)보다 짧게 형성된다.

환언하면, 각각의 임펠러 통로(23)는 그 유체 유입 단부(23a)의 배후에서 2개의 부분 통로들(23c, 23d)로 분할되는데, 격벽으로서의 기능을 하는 보조 블레이드(24)는 유체 유입 단부(23a)에 대해 미리 정해진 간격을 갖는 분할 지점(T)(도 3에 개략적으로만 도시되어 있음)으로부터 유체 배출 단부(23b)까지 임펠러 통로(23)를 따라 연장되고, 그에 따라 임펠러 통로(23)가 단일의 유체 유입구 및 압축기 임펠러(20)의 둘레 방향으로 서로 나란히 놓인 2개의 유체 배출구들을 구비하게 된다.

각각의 임펠러 통로(23)는 그 유체 유입 단부(23a)에서 제1 횡단면 면적 또는 유입 횡단면 면적(AE)을 갖는다.

각각의 임펠러 통로(23)의 2개의 부분 통로들(23c, 23d)은 해당 임펠러 통로(23)의 유체 배출 단부(23b)에서 배출 횡단면 면적(AA₁ 또는 AA₂)을 각각 갖는다. 본 실시 형태에 따라 동일한 크기로 되는 2개의 부분 통로들(23c, 23d)의 2개의 배출 횡단면 면적(AA₁, AA₂)은 그 합에서 각각의 임펠러 통로(23)의 제2 횡단면 면적 또는 총 배출 횡단면 면적(AA)을 이룬다(AA = AA₁ + AA₂). 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 2개의 배출 횡단면 면적(AA₁, AA₂)은 상이한 크기로 될 수도 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.7 미만인데, 여기서 다음의 규칙이 적용된다.

GV = AA / AE

크기 비(GV)가 0.7 미만인 경우, 전형적 운전점(duty point)에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력이 5.5bar보다 높게 구현될 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.65 미만이다.

크기 비(GV)가 0.65 미만인 경우, 전형적 운전점에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력이 6bar까지 구현될 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.6 미만이다.

크기 비(GV)가 0.6 미만인 경우, 전형적 운전점에서 효율에 관한 손실 없이 내연 엔진에서의 과급 압력이 7bar까지 구현될 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 원심 압축기(1)의 작동 영역의 특성 다이어그램을 도시하고 있다. 도 5는 비교의 목적을 위해 도 1 및 도 4의 특성 다이어그램들을 겹쳐서 나타낸 도면을 도시하고 있다.

도 4 및 도 5(도 1과 연계된)로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 원심 압축기(1)의 압축기 임펠러(20)의 유체 유입 단부(23a)와 유체 배출 단부(23b)의 본 발명에 따른 크기 비 또는 면적 비(GV)의 구성에 의해, 특성 다이어그램에서 원심 압축기(1)의 최상의 효율을 나타내는 곡선(WG'_opt)이 원심 압축기(1)와 연동하는 내연 엔진의 특성을 기술하는 곡선(BS')과 거의 일치하거나 그에 매우 근접하여 그와 거의 평행하게 연장되도록 그 원심 압축기(1)의 작동 특성들이 개선되게 된다.

그럼으로써, 선행 기술로부터 공지된 바와 같은 압축기 설계와 내연 엔진의 터보 차징 사이의 이해 상충이 대폭 제거된다. 환언하면, 과급 압력 또는 총 압력 비 Π_tot가 유량 또는 체적 유량

에 불균형적으로 의존하는 성질이 고작해야 약하게만 나타나는 형태로 표출되고, 그에 따라 원심 압축기(1)가 그 최적 설계에 가깝게 내연 엔진의 특성을 따라 작동할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 원심 압축기(1)는 중간 정도의 이론적 최대 압력(곡선(WG_opt)의 최상단 단부, WG'_opt)의 감수 하에 특히 부분 부하 영역에서 감소하는 유량 또는 체적 유량

을 갖지만, 원심 압축기(1)의 실제 제공 가능한 과급 압력 및 압축기 효율의 현격한 증가(ΔΠ_tot)가 얻어지는 압축기 특성 다이어그램을 갖는다.

본 발명에 따른 원심 압축기(1)는 특성 다이어그램에서 확연히 더 넓은 안정된 작동 영역을 갖고, 그것은 부분 부하 조건에서 감소하는 유량 또는 체적 유량

과 함께 작용하여 원심 압축기(1) 및 그와 연동하는 내연 엔진의 특성(BC')이 거의 가능한 최상으로 서로 맞춰지게 되는 결과를 가져온다.

본 발명에 따른 원심 압축기(1)의 압축기 하우징(10)이 압축기 내부의 재순환을 가능하게 하는 귀환 통로(12)를 구비함으로써, 얻어지는 압력 비 또는 총 압력 비 Π_tot와 유량 또는 체적 유량

사이의 대폭적인 비례성이 써지 곡선(PG')을 따라 지원되게 된다.

환언하면, 가이드 베인(17)의 구성 및 귀환 통로(12)의 크기 설정/배치가 써지 곡선(PG')에서 임펠러 블레이드들(22) 및 보조 블레이드들(24)의 바깥쪽 둘레로부터 떼어내진 신선 공기 흐름이 귀환하여 주 흐름(H)과 다시 합쳐지는(또는 그 유체 흐름이 부 흐름(N)으로서 주 흐름(H)의 유동 방향과 반대 방향으로 복귀하는) 것을 허용하고, 그것은 압축기 임펠러(20)에서의 유동 거동의 안정화가 나타날 수 있게 하는 것을 보장한다.

다른 한편으로, 귀환 통로(12)는 특히 높은 압축기 회전 속도에서 주 흐름(H)의 유동 방향으로 귀환 통로(12)를 통해 흐르는 압축하려는 신선 공기의 부 흐름(N)이 유량 또는 체적 유량

에 결정적인 제1 횡단면 면적(AE) 부분의 하류에서 압축하려는 신선 공기의 주 흐름(H)과 다시 합쳐지도록 가이드 베인(17)의 구성 및 귀환 통로(12)의 크기 설정/배치를 통해 설계될 수 있다.

즉, 귀환 통로(12)의 구성에 의해, 안정된 압축기 작동의 지원을 써지 곡선(PG')에 또는 초크 곡선(SG')에 집중시킬 수 있되, 단 그러한 양극의 구성들 사이에서 임의의 변동들 또는 단계적 등급들이 가능하다.

1: 원심 압축기 10: 압축기 하우징 11: 유체 유입구
12: 귀환 통로 12a: 제1 단부 12b: 제 단부
13: 제1 안쪽 둘레 섹션 14: 제2 안쪽 둘레 섹션
15: 리세스 16: 환형 요소 17: 가이드 베인(들)
20: 압축기 임펠러 21: 임펠러 허브 21a: 바깥쪽 둘레
22: 임펠러 블레이드(들) 22a, 22b: 측방 블레이드 면
23: 임펠러 통로(들) 23a: 유체 유입 단부 23b: 유체 배출 단부
23c, 23d: 부분 통로(들) 24: 보조 블레이드(들) T: 분할 지점
AE: 제1 횡단면 면적(유입 횡단면 면적)
AA: 제 횡단면 면적(총 배출 횡단면 면적)
AA₁, AA₂: 배출 횡단면 면적 H; 주 흐름
N: 부 흐름 Π_tot: 총 압력 비
ΔΠ_tot: 증가분

: 체적 유량
PG, PG': 써지 곡선 SG, SG': 초크 곡선
WG_opt, WG'_opt: 최적 효율 BC, BC': 내연 엔진의 특성
n_konst, n'_konst: 일정한 회전 속도

Claims

압축하려는 유체를 통과시켜 안내하는 다수의 임펠러 통로들(23)을 포함하고,
임펠러 통로들(23)은 유체 유입 단부(23a)와 유체 배출 단부(23b)를 각각 구비하고,
각각의 임펠러 통로(23)는 유체 유입 단부(23a)에서 제1 횡단면 면적(AE)을 갖고 유체 배출 단부(23b)에서 제2 횡단면 면적(AA)을 갖는 원심 압축기(1)용 압축기 임펠러(20)에 있어서,
제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.7 미만이고,
임펠러 통로들(23)은 유체 유입 단부(23a)와 유체 배출 단부(23b) 사이에 유체 유입 단부(23a)의 배후에서 임펠러 통로(23)를 2개의 부분 통로들(23c, 23d)로 분할하는 격벽을 각각 구비하고, 격벽은 유체 유입 단부(23a)에 대해 미리 주어진 간격을 갖는 분리 지점(T)으로부터 유체 배출 단부(23b)까지 임펠러 통로(23)를 따라 연장되고, 그에 따라 임펠러 통로(23)는 단일의 유체 입구 및 압축기 임펠러(20)의 둘레 방향으로 서로 나란히 놓인 2개의 유체 출구들을 구비하는 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
제 1 항에 있어서, 제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.65 미만인 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제1 횡단면 면적(AE)에 대한 제2 횡단면 면적(AA)의 크기 비(GV)는 0.6 미만인 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 바깥쪽 둘레(21a)를 갖는 임펠러 허브(21),
임펠러 허브(21)의 바깥쪽 둘레(21a)를 따라 분포되어 임펠러 허브(21) 상에 배치되고, 2개의 측방 블레이드 면들(22a, 22b) 및 그 블레이드 면들(22a, 22b) 사이에 배치된 반경 방향 바깥쪽 에지(22c)를 각각 구비하는 다수의 임펠러 블레이드들(22)을 더 구비하고,
임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 에지들(22c)은 함께 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 둘레를 규정하고,
각각의 임펠러 통로(23)는 각각의 인접한 임펠러 블레이드들(22, 22) 사이에 형성되되, 임펠러 통로들(23)은 임펠러 허브(21)의 바깥쪽 둘레(21a), 각각의 인접한 임펠러 블레이드들(22, 22)의 서로 대향된 블레이드 면들(22a, 22b), 및 임펠러 블레이드들(22)의 바깥쪽 둘레에 의해 각각 규정되고,
각각의 임펠러 통로(23)의 유체 유입 단부(23a)는 반경 방향의 안쪽에 놓여 배치되고, 각각의 임펠러 통로(23)의 유체 배출 단부(23b)는 반경 방향의 바깥쪽에 놓여 배치되는 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 임펠러 통로(23)의 2개의 부분 통로들(23c, 23d)은 유체 배출 단부(23b)에서 배출 횡단면 면적(AA₁, AA₂)을 각각 갖고, 2개의 부분 통로들(23c, 23d)의 각각의 배출 횡단면 면적(AA₁, AA₂)의 각각의 크기의 합이 제2 횡단면 면적의(AA) 크기와 같은 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 격벽은 그 반경 방향 연장에 있어 임펠러 블레이드들(22)과 일치하고 유체 유입 단부 측에서 미리 정해진 간격에 해당하는 만큼 임펠러 블레이드들(22)보다 짧게 구성되는 각각의 보조 블레이드(24)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기 임펠러.
터보 차저용 원심 압축기(1)로서,
원심 압축기(1)에서 압축하려는 유체의 주 흐름(H)을 수용하는 유체 유입구(11) 및 귀환 통로(12)를 갖는 압축기 하우징(10), 및
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 압축기 임펠러(20)를 구비하며, 압축기 임펠러(20)는 주 흐름(H)의 유동 방향으로 유체 유입구(11)의 배후에 배치되어 압축기 하우징(10)에 회전 가능하게 장착되고,
귀환 통로(12)는 유체 유입구(11)에 있는 압축기 하우징(10)의 제1 안쪽 둘레 섹션(13)으로부터 압축기 임펠러(20)를 반경 방향으로 둘러싸는 압축기 하우징(10)의 제2 안쪽 둘레 섹션(14)까지 연장되고, 그에 따라 압축하려는 유체의 부 흐름(N)이 귀환 통로(12)를 따라 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 터보 차저용 원심 압축기.
제 8 항에 있어서, 부 흐름(N)의 유동 방향과 유동량 중 하나 이상에 영향을 미치기 위한 가이드 베인들(17)이 귀환 통로(12)에 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 8 항에 있어서, 귀환 통로(12)는 유체 유입구(11)에 위치한 제1 단부(12a) 및 임펠러 통로들(23)의 유체 유입 단부(23a)의 부근에 위치한 제2 단부(12b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
제 8 항에 따른 원심 압축기(1)와 배기 가스 터빈을 구비한 내연 엔진용 배기 가스 터보 차저.