KR101522099B1 - 배기가스 터보차저 - Google Patents

Abstract

배기가스 터보차저의 외부 하우징 커버는 가스 유입 하우징 (51) 과 가스 배출 하우징 (52) 을 가진 터빈 하우징 (5) 과, 외부 베어링 하우징 (6) 을 포함한다. 상기 외부 하우징 커버의 내부에 배치된 로터블록은 내부 베어링 하우징 (30) 과, 상기 내부 베어링 하우징 안에 회전 가능하게 지지된 샤프트 (3) 와, 상기 샤프트와 연결되어 상기 내부 베어링 하우징의 압축기측에 배치된 압축기휠 (1) 과, 마찬가지로 상기 샤프트와 연결되어 상기 내부 베어링 하우징의 터빈측에 배치된 터빈휠 (2) 을 포함한다. 상기 로터블록은 유닛으로서 축방향에 있어서 상기 외부 하우징 커버에서 압축기 쪽으로 끌어내질 수 있다. 상기 로터블록의 상기 내부 베어링 하우징 안에는, 둘레를 따라 방사상 바깥으로 개방되어 있는 흐름채널 (82) 이 배치되어 있으며, 상기 흐름채널은 방사상 바깥으로 가스 배출 하우징 (52) 안의 고리 모양의 흐름채널 (83) 로 통해 있다. 상기 두 흐름채널의 전이 영역에는, 상기 내부 베어링 하우징 (30) 과 상기 가스 배출 하우징 (52) 사이에, 둘레를 따라 뻗어 있는 방사상 틈새 (85) 가 존재한다. 상기 방사상 틈새 (85) 를 밀봉시키기 위해, 상기 로터블록의 상기 내부 베어링 하우징에는 밀봉공기 채널 (35) 이 제공되어 있으며, 상기 밀봉공기 채널은 상기 내부 베어링 하우징의 압축기측에서 유래하고 상기 방사상 틈새 (85) 로 통해 있다.

Description

배기가스 터보차저 {EXHAUST GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 과급된 내연기관의 배기가스 터보차저 분야에 관한 것이다.

본 발명은 유닛 (unit) 으로서 외부 하우징 커버 (housing cover) 에서 끌어내질 수 있는 로터블록 (rotor block) 을 가진 배기가스 터보차저에 관한 것이다.

배기가스 터보차저는 내연기관의 출력 향상을 위해 이용된다. 상기 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈은 내연기관의 배기가스들의 작용을 받고, 그리고 그의 운동 에너지는 내연기관을 위한 공기를 흡입 및 압축시키기 위해 사용된다.

축방향으로 관류되는 배기가스 터빈 (이에 따라, 이 문헌에서는 간략히 축류 터빈이라고 불리운다) 을 가진 배기가스 터보차저들에 있어서, 터빈 디퓨저는 기계적으로 - 예컨대 단단한 나사결합을 통하여 - 상기 터빈의 가스 배출 하우징과 커플링되어 있다. 상기 터빈 디퓨저를 분해하기 위해서는, 우선 로터블록이 하우징에서 분해되어야 하고, 그리고 그 후 상기 터빈 디퓨저가 상기 가스 배출 하우징에서 풀려져야 하는데, 이는 특히 녹슨 또는 어떤 다른 식으로 끼어 움직이지 않는 고정수단들에 있어서 또는 베어링 하우징 안의 개구부를 통해 풀려져야 하는 고정수단들의 접근성 때문에, 힘든, 그리고 시간이 많이 소요되는 작업일 수 있다. 배기가스 흐름에 노출된 배기가스 터보차저의 모든 부품들의 분해를 정비시 간단하게 하기 위해, 전체 로터블록 - 즉, 회전하는 모든 부품들 및 관련 베어링 영역들 - 이 안내 장치와 함께 배기가스 터빈의 하류에서, 함께 유닛으로서 외부 하우징 커버에서 풀려질 수 있도록 배기가스 터보차저의 설계를 최적화하고자 하는 노력이 존재한다.

이러한 유형의 조립된 배기가스 터보차저에 있어서, 상기 외부 하우징 커버의 부품인 가스 배출 하우징과, 흐름채널 (flow channel) 을 터빈휠의 하류에서 한정하는 하우징 부품들 - 방사상 외부 디퓨저, 및 방사상 내부에 놓여 있는 덮개 - 사이에는 매 작동시점에 방사상 틈새 (radial gap) 가 위치해 있다. 이는 상기 가스 배출 하우징에 대한 로터블록 안의 하우징 부품들의 힘의 디커플링 (decoupling) 때문에 필요하다. 이 틈새를 통해, 뜨거운 가스가 상기 외부 하우징 커버와 상기 로터블록 사이의 분리 조인트 (separating joint) 안으로 들어갈 수 있다. 상기 분리 조인트 안으로, 그리고 이 영역에 경우에 따라서는 존재하는 빈 공간 (hollow space) 들 안으로 들어가는 뜨거운 가스에 의해 보다 높은 부품온도가 초래된다. 이를 통해, 상기 로터블록 안의 베어링 부품들 안의 재료온도가 올라가고, 그러므로 추가적인 냉각비용이 필요하다.

축류 터빈을 가진 배기가스 터보차저에 있어서, 유입되는 뜨거운 가스로부터 베어링 영역을 보호하기 위해 또는 터빈휠 허브를 냉각시키기 위해, 터빈측에서 밀봉공기 (sealing air) 가 자주 이용된다. 이 밀봉공기는 대부분 압축기휠 추력 경감의 부산물이며, 상기 압축기휠 추력 경감에 있어서, 상기 압축기휠의 뒷 공간 안의 공기압력은 상기 압축기휠의 흐름채널로부터 이 영역 안으로 들어가는 공기가 냉각됨으로써 감소된다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 구조의 배기가스 터보차저에 있어서 로터블록과 외부 하우징 커버 사이의 전이부 (transition) 를 유입되는 뜨거운 가스에 대해 밀봉시키는 것이다.

이는 본 발명에 따르면, 상기 로터블록과 상기 외부 하우징 커버 사이에 뻗어 있는 방사상 틈새 (radial gap) 를 밀봉시키기 위해, 상기 로터블록의 내부에 밀봉공기 채널 (sealing air channel) 이 제공되어 있으며, 상기 밀봉공기 채널은 상기 로터블록 안에 포함된 내부 베어링 하우징 (bearing housing) 의 압축기측에서 유래하고, 그리고 상기 방사상 틈새 안으로 통해 있음으로써 달성된다.

상기 밀봉공기 채널은 바람직하게는 압축기휠의 뒷면 안의 빈 공간 (hollow space) 에서 유래한다. 이를 통해, 상기 압축기휠의 뒷 공간 안의 압력이 감소되고, 그리고 이로써 압축기측 방향으로 작용하는 힘이 감소됨으로써, 인출된 밀봉공기는 압축기 추력 경감을 돕는다.

상기 방사상 틈새를 따라 상기 로터블록의 둘레를 따라 뻗어 있는 빈 공간이 존재하면, 상기 방사상 틈새를 따라 상기 밀봉공기의 보다 나은 분배가 발생한다.

마찬가지로, 원주방향 (circumferential direction) 으로 분배되어 배치된 다수의 밀봉공기 채널들은 상기 밀봉공기의 보다 나은, 보다 균일한 분배에 도움이 된다.

선택적으로, 상기 밀봉공기 채널 안에는, 상기 방사상 틈새 안으로 안내된 밀봉공기를 제어하기 위한 밸브가 제공되어 있을 수 있다.

그 밖의 장점들은 종속항들에 나타나 있다.

이하, 본 발명에 따라 형성된 배기가스 터보차저는 도면들을 근거로 설명되어 있다.

도 1 은 외부 하우징 커버 안에 삽입된 로터블록을 가진 배기가스 터보차저의 개략적인 단면도,
도 2 는 부분적으로 외부 하우징 커버에서 끌어내진 로터블록을 가진 도 1 에 따른 배기가스 터보차저.

도 1 은 외부 하우징 커버 안에 삽입된 로터블록을 가진 배기가스 터보차저를 개략적인 단면도로 나타낸다. 상기 배기가스 터보차저는 터빈휠 (2) 을 가진 배기가스 터빈, 및 샤프트 (shaft, 3) 를 통하여 상기 터빈휠과 연결된 압축기휠 (1) 을 포함한다. 도시되어 있는 상기 터빈은 축류 터빈 유형이며, 상기 축류 터빈에 있어서, 축방향으로 정렬된 흐름채널 (flow channel, 81) 안의 뜨거운 배기가스는 상기 터빈휠에 부딪친다. 터빈휠 (2) 은 다수의 가동 블레이드 (22) 를 포함하며, 상기 가동 블레이드들은 허브 (hub, 21) 의 방사상 외부 가장자리에 배치되어 있다. 샤프트 (3) 는 형상 결합으로, 마찰 결합으로 또는 재료 결합으로 상기 터빈휠의 허브 (21) 와 연결되어 있다. 샤프트 (3) 를 지지하기 위해, 상기 도면에 개략적으로 암시되어 있는 베어링 (39) 들이 제공되어 있다. 전형적으로, 상기 샤프트는 2개의 레이디얼 베어링 (radial bearing) 과 적어도 1개의 엑시얼 베어링 (axial bearing) 을 이용해 베어링 하우징 안에 회전 가능하게 지지되어 있다. 샤프트 (3) 의 다른 단부에는 상기 압축기휠이 배치되어 있다. 상기 압축기휠은 전형적으로 상기 샤프트의 자유 단부에 나사결합되어 있다. 상기 터빈휠과 마찬가지로 압축기휠 (1) 은 다수의 가동 블레이드 (12) 를 구비하며, 상기 가동 블레이드들은 둘레를 따라 분배되어 허브 (11) 상에 배치되어 있다. 도시되어 있는 상기 압축기는 원심 압축기 유형이며, 상기 원심 압축기에 있어서, 압축되어야 하는 공기는 축방향에 있어서 흡입되고, 그리고 상기 압축기휠의 영역에서 방사상 방향으로 방향전환된다.

도시되어 있는 상기 배기가스 터보차저에 있어서, 내부 로터블록은 유닛 (unit) 으로서 외부 하우징 커버에서 끌어내질 수 있고, 보다 정확히 말하면 축방향에 있어서 (상기 배기가스 터보차저의 상기 샤프트의 축과 관련하여) 압축기 쪽으로, 즉 왼쪽으로 끌어내질 수 있다. 도 2 는 떼어내진 압축기 하우징 (4), 및 부분적으로 상기 하우징 커버에서 끌어내진 로터블록을 가진 배기가스 터보차저를 나타낸다. 개략적인 상기 도면에서, 개별적인 하우징 부품들을 결합시키는 고정수단들은 도시되어 있지 않다.

상기 로터블록은 회전하는 부품들 - 즉, 터빈휠 (2), 압축기휠 (1), 및 그 사이에 놓여 있는 샤프트 (3) - 이외에 베어링 부품 (39) 들 및 내부 베어링 하우징 (bearing housing, 30) 을 포함한다. 상기 도면에, 내부 베어링 하우징 (30) 의 내부영역, 예컨대 베어링을 위한 윤활유 공급라인들은 상세히 도시되어 있지 않다. 상기 로터블록은 터빈 영역에 또한 디퓨저벽 (diffuser wall, 32), 및 - 베어링측에서 볼 때 - 터빈휠 (2) 뒤에 배치된 안내 장치 (노즐링) (33) 를 포함한다. 상기 안내 장치는 흐름을 상기 터빈휠의 가동 블레이드 (22) 상으로 정렬시키는데 쓰인다. 디퓨저벽 (32) 은 받침대 (31) 를 통하여 상기 내부 베어링 하우징과 연결되어 있으며, 이때 상기 받침대들은 흐름채널 (82) 를 통해 안내되어 있다. 상기 터빈의 디퓨저 영역 안의 뜨거운 배기가스를 상기 터빈휠로부터 상기 로터블록의 방사상 외부 둘레까지 안내하는 흐름채널 (82) 은, 상기 샤프트를 향해 있는 방사상 내부쪽에서는 내부 베어링 하우징 (30) 의 하우징벽 (덮개) 에 의해 한정되어 있다. 마주하고 있는 쪽에서는, 즉 방사상 외부쪽에서는, 흐름채널 (82) 은 디퓨저벽 (32) 에 의해 한정되어 있다. 상기 디퓨저벽은 터빈측에서 터빈휠 (2) 의 가동 블레이드 (22) 들을 넘어까지 연장되어 있고, 그리고 터빈휠 (2) 의 가동 블레이드 (22) 들의 상류에 배치된 안내 장치 (33) 를 받치고 있다. 이 구조는 흐름에 노출되어 있는, 그리고 점검할 경우 정비되거나 또는 필요한 경우 대체되어야 하는 상기 배기가스 터빈의 모든 부품들의 동시적인 제거를 허용한다. 상기 로터블록은, 위에서 설명한 바와 같이, 유닛으로서 상기 외부 하우징 커버에서 끌어내질 수 있다.

상기 외부 하우징 커버는 터빈 하우징 (5) 과 외부 베어링 하우징 (6) 을 포함한다. 이 두 하우징 부품은 전형적으로 모터 브라켓에 대한 또는 일반적으로 상기 배기가스 터보차저가 고정되어 있는 토대에 대한 상기 배기가스 터보차저의 연결을 형성한다. 터빈 하우징 (5) 은 가스 유입 하우징 (51) 과 가스 배출 하우징 (52) 으로 나뉘어질 수 있다. 상기 가스 유입 하우징은 일반적으로 방사상 내부 영역 안의 후드 (hood) 모양의 구형 덮개 (53) 를 포함하며, 상기 구형 덮개는 원형 횡단면을 가진 관 모양의 유입영역을 원형 링 모양의 횡단면을 가진 흐름영역으로 바꾼다. 구형 덮개 (53) 는 상기 터빈 하우징의 부품으로서 받침대 (54) 를 통하여 가스 유입 하우징 (51) 에 고정되어 있을 수 있고, 또는 - 도 2 에 참조부호 (53') 로 암시되어 있는 바와 같이 - 상기 로터블록의 부품으로서 받치며 노즐링 (33) 과 연결되어 있다. 후자의 경우, 상기 가스 유입 하우징 안의 흐름영역 안의 받침대 (54) 들이 생략된다. 압축기측에서 상기 터보차저 하우징은 압축기 하우징 (4) 을 포함한다.

상기 외부 하우징 커버와 상기 로터블록 사이의 전이 영역 (transition area) 에는 분리 조인트가 존재하며, 상기 분리 조인트를 따라서 상기 로터블록은 상기 외부 하우징 커버에서 끌어내질 수 있다. 이상적으로는, 상기 분리 조인트는, 도면들에 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 엑시얼 스톱부 (axial stop) 를 구비한다. 이 엑시얼 스톱부의 영역에서 상기 로터블록은 정확하게 외부 베어링 하우징 (6) 에 밀착하며, 이를 통해 일종의 기밀성이 보장될 수 있다.

상기 분리 조인트 안에는, 가스 배출 하우징 (52) 과, 흐름채널을 상기 터빈휠의 하류에서 한정하는 하우징 부품들 - 방사상 외부 디퓨저벽 (32) 및 방사상으로 내부에 놓여 있는 덮개 - 사이에, 매 작동시점에, 그리고 작동온도와 상관없이 방사상 틈새 (radial gap) 가 존재한다. 이는 상기 로터블록 안의 상기 하우징 부품들에 작용하는 힘들을 상기 가스 배출 하우징에 대해 디커플링하기 위해 필요하다. 하지만 뜨거운 가스가 상기 방사상 틈새를 통해 상기 외부 하우징 커버와 상기 로터블록 사이의 전이부 안의 상기 분리 조인트 안으로 들어가는 것을 저지하기 위해, 본 발명에 따르면 밀봉공기가 이 방사상 틈새의 영역 안으로 불어 넣어진다. 이때, 상기 밀봉공기는 압축기측에서 인출되고, 그리고 내부 베어링 하우징 (30) 을 통해 상기 분리 조인트 안으로 안내된다. 이를 위해, 밀봉공기 채널 (35) 은 도시되어 있는 실시형태에서 압축기휠 (1) 의 뒷면 안의 빈 공간 (hollow space, 34) 으로부터 상기 분리 조인트 안의 둘러싸는, 고리 모양의 빈 공간 (851) 까지 뻗어 있다. 빈 공간 (851) 은 바로 가스 배출 하우징 (62) 과 상기 내부 베어링 하우징의 덮개의 영역 사이의 고리 모양의 틈새 (85) 에 인접하며, 그리고 상기 방사상 틈새에 대해 확장된 횡단면을 가지고, 둘레에 따른 상기 밀봉공기의 보다 나은 분배를 담당한다. 선택적으로, 원주방향으로 분배되어 상기 내부 베어링 하우징 안에 배치되어 있는 다수의 밀봉공기 채널이 존재할 수 있으며, 상기 밀봉공기 채널들은 상기 분리 조인트를 따른 상기 밀봉공기의 보다 균일한 분배를 담당한다.

빈 공간 (85) 안으로 도입된 밀봉공기 덕택에, 뜨거운 공기가 상기 분리 조인트 안으로, 그리고 상기 분리 조인트의 영역에 경우에 따라서는 존재하는 그 밖의 빈 공간들 안으로 들어가는 것이 저지될 수 있다. 이를 통해, 오염된 배기가스에 의한 침전물들이 저지될 수 있고, 그리고 동시에 베어링 부품들은 유입되는 배기가스에 의한 가열로부터 보호될 수 있다.

선택적으로, 상기 적어도 하나의 밀봉공기 채널 안에는, 상기 방사상 틈새 안으로 안내된 밀봉공기를 제어하기 위한 밸브가 제공되어 있을 수 있다. 이로써, 압축기 뒷공간에서 배출된 밀봉공기의 양이 동적으로 영향을 받을 수 있다.

선택적으로, 밀봉공기는 외부 소스 (source) (압축공기 소스) 로부터 상기 밀봉공기 채널 안으로 도입될 수 있다.

1 : 압축기휠 11 : 압축기휠의 허브
12 : 압축기휠의 가동 블레이드 2 : 터빈휠
21 : 터빈휠의 허브 22 : 터빈휠의 가동 블레이드
3 : 샤프트 30 : 내부 베어링 하우징
31 : 받침대 32 : 디퓨저벽
33 : 안내 장치 (노즐링) 34 : 압축기휠의 뒷면 상의 빈 공간
35 : 밀봉공기 채널 39 : 샤프트를 위한 베어링
4 : 압축기 하우징 5 : 터빈 하우징
51 : 가스 유입 하우징 52 : 가스 배출 하우징
53. 53' : 구형 덮개 54 : 받침대
6 : 외부 베어링 하우징 7 : 가스 공급부
81 : 터빈의 가스 유입부에서의 흐름채널
82 : 터빈의 디퓨저 안의 흐름채널
83 : 가스 배출 하우징 안의 흐름채널
85 : 내부 로터블록과 가스 배출 하우징 사이의 방사상 틈새
851 : 빈 공간

Claims (6)

1. 배기가스 터보차저로서,
   가스 유입 하우징 (51) 과 가스 배출 하우징 (52) 을 포함하는 터빈 하우징 (5), 및 외부 베어링 하우징 (6) 을 가진 외부 하우징 커버를 포함하며,
   상기 배기가스 터보차저는, 내부 베어링 하우징 (30) 과, 상기 내부 베어링 하우징 안에 회전 가능하게 지지된 샤프트 (3) 와, 상기 샤프트와 연결되어 상기 내부 베어링 하우징의 압축기측에 배치된 압축기휠 (1) 과, 마찬가지로 상기 샤프트와 연결되어 상기 내부 베어링 하우징의 터빈측에 배치된 터빈휠 (2) 을 가지며 상기 외부 하우징 커버의 내부에 배치된 로터블록을 포함하며, 상기 로터블록은 유닛으로서 축방향에 있어서 상기 외부 하우징 커버에서 압축기 쪽으로 끌어내질 수 있고;
   상기 로터블록에는, 상기 로터블록의 둘레를 따라 방사상 바깥으로 개방되어 상기 터빈휠로부터 상기 로터블록의 외부 둘레까지 뻗어 있는 흐름채널 (82) 이 배치되어 있으며; 상기 흐름채널 (82) 은 상기 샤프트를 향해 있는 쪽에서는 상기 내부 베어링 하우징 (30) 에 의해 한정되어 있고, 마주하고 있는 쪽에서는 받침대 (31) 들을 통하여 상기 내부 베어링 하우징과 연결된 디퓨저벽 (32) 에 의해 한정되어 있으며, 상기 흐름채널 (82) 은 방사상 바깥으로 상기 가스 배출 하우징 (52) 안의 고리 모양의 흐름채널 (83) 로 통해 있고, 상기 내부 베어링 하우징 (30) 과 상기 가스 배출 하우징 (52) 사이의 상기 두 흐름채널 (82, 83) 의 전이 영역에는, 둘레를 따라 뻗어 있는 방사상 틈새 (85) 가 존재하며,
   상기 방사상 틈새 (85) 를 밀봉시키기 위해 상기 로터블록의 상기 내부 베어링 하우징에는 밀봉공기 채널 (35) 이 제공되어 있고, 상기 밀봉공기 채널은 상기 내부 베어링 하우징의 압축기측에서 유래하고 상기 방사상 틈새 (85) 로 통해 있고,
   상기 밀봉공기 채널 (35) 은 상기 압축기휠 (1) 의 뒷벽과 상기 내부 베어링 하우징 (30) 사이에 뻗어 있는 빈 공간 (34) 에서 유래하는 배기가스 터보차저.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉공기 채널 (35) 은 상기 방사상 틈새 (85) 를 따라 뻗어 있는 빈 공간 (851) 으로 통해 있는 배기가스 터보차저.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉공기 채널 안에는 제어 밸브가 제공되어 있는 배기가스 터보차저.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉공기 채널은 외부 밀봉공기 공급부와 연결되어 있는 배기가스 터보차저.
6. 제 1 항에 있어서, 다수의 밀봉공기 채널 (35) 이 원주방향으로 분배되어 배치되어 있고, 밀봉공기 채널들은 각각 상기 내부 베어링 하우징의 압축기측을 상기 방사상 틈새 (85) 와 연결시키는 배기가스 터보차저.

Images