KR101917039B1 - 터보차저 장치 - Google Patents

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KR101917039B1
KR101917039B1 KR1020170111963A KR20170111963A KR101917039B1 KR 101917039 B1 KR101917039 B1 KR 101917039B1 KR 1020170111963 A KR1020170111963 A KR 1020170111963A KR 20170111963 A KR20170111963 A KR 20170111963A KR 101917039 B1 KR101917039 B1 KR 101917039B1
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housing
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김동철
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현대위아 주식회사
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

터보차저 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 터보차저 장치는 압축기 휠(110)이 압축기 하우징(120)의 내측에 구비된 압축기(100); 상기 압축기(100)와 축 방향에서 서로 마주보며 배치되고 터빈 휠(210)이 터빈 하우징(220)의 내측에 구비된 터빈(200); 상기 압축기 휠(110)과 상기 터빈 휠(210) 사이를 연결하는 로터 샤프트(300); 상기 로터 샤프트(300)에 삽입된 쓰러스트 베어링(400); 상기 압축기 하우징(120)과 상기 터빈 하우징(220) 사이에 위치되고 상기 로터 샤프트(300)를 감싸는 센터 하우징(500); 및 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 상기 로터 샤프트(300)의 축 방향으로 이동되어 상기 터빈 하우징(220)과 상기 터빈 휠(210) 사이에서 이격된 단차(G)를 조절하는 단차 조절부(600)를 포함한다.

Description

터보차저 장치{Turbo Charger apparatus}
본 발명은 터보차저의 터빈 하우징과 터빈 휠 사이의 단차를 이용하여 추력을 조절하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 터보차저 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 구비된 엔진에서는 실린더의 하강행정에 의해 발생하는 부압으로 혼합기 또는 공기를 실린더 내로 유입시킨다. 그러나 실린더 하강행정은 단시간에 이루어져 충분한 흡기가 어려워 흡기량을 강제적으로 증가시켜 출력을 향상시킬 필요성이 발생하는데 이러한 공기과급을 위해 차량에 장착되는 장치 중 하나로서 터보차저가 있다.
터보차저는 내부에 터빈과 컴프레셔가 구비되고, 컴프레셔는 터빈과 연동되어 함께 회전할 수 있도록 마련된다. 엔진에서 연소를 마친 뒤 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시키게 되면, 터빈과 연동되는 컴프레셔가 함께 회전하면서 엔진으로 유입되는 공기를 압축시킴으로써 엔진의 흡기량을 강제적으로 증가시키는 것이다.
한편, 배기가스가 유동하는 터빈측에는 연소에 의한 고열의 배기가스로 인해 과열이 발생하고, 과열된 터빈측으로부터 열이 전달되어 컴프레셔측의 과열현상이 발생된다.
또한, 최근 엔진부의 공간효율성 등을 고려하여 터보차저의 위치가 엔진에 가깝게 마련되는데, 엔진으로부터 발생하는 열이 전달되어 터보차저의 컴프레셔측이 과열될 수 있다.
한편 상기 터보차저에는 컴프레셔와 터빈 사이를 동축으로 연결하는 샤프트가 구비되고, 상기 샤프트에는 쓰러스트 베어링이 구비된다.
상기 쓰러스트 베어링은 마모 방지를 위해 오일을 통한 유막 윤활을 실시하고 있으나 추력이 증가될 경우 상기 샤프트와 쓰러스트 베어링 사이의 마찰력이 증가되면서 마모가 발생되는 문제점이 유발되었다.
이 경우 상기 쓰러스트 베어링은 구름 작용을 하는 베어링의 변형 또는 파손이 발생될 수 있고 이로 인해 상기 샤프트와의 안정적인 구름 작용이 이루어지지 않는 문제점이 유발되었다.
대한민국공개특허 제10-2013-0143011호
본 발명의 실시 예들은 터보차저의 구조를 변경하지 않고 터빈 하우징과 터빈 휠 사이에서 축 방향으로 이격된 단차(G)를 이용한 조립을 통해 추력에 대응할 수 있는 터보차저를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 압축기 휠(110)이 압축기 하우징(120)의 내측에 구비된 압축기(100); 상기 압축기(100)와 축 방향에서 서로 마주보며 배치되고 터빈 휠(210)이 터빈 하우징(220)의 내측에 구비된 터빈(200); 상기 압축기 휠(110)과 상기 터빈 휠(210) 사이를 연결하는 로터 샤프트(300); 상기 로터 샤프트(300)에 삽입된 쓰러스트 베어링(400); 상기 압축기 하우징(120)과 상기 터빈 하우징(220) 사이에 위치되고 상기 로터 샤프트(300)를 감싸는 센터 하우징(500); 및 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 상기 로터 샤프트(300)의 축 방향으로 이동되어 상기 터빈 하우징(220)과 상기 터빈 휠(210) 사이에서 이격된 단차(G)를 조절하는 단차 조절부(600)를 포함하고, 상기 터빈 하우징(220)은 내측에 홈부(221)가 형성되고, 상기 홈부(221)에 상기 단차 조절부(600)의 베이스 플레이트(610)가 위치되되, 상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)이 정상적인 추력 조건일 경우에는 상기 베이스 플레이트(610)가 상기 홈부(221)의 외측으로 미 돌출된 상태가 유지된다.
상기 단차 조절부(600)는 상기 베이스 플레이트(610)와 연결되고 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 이동되도록 구비된 피스톤 유닛(620)을 포함한다.
상기 베이스 플레이트(610)는 외주면이 편평(flat)하게 연장된다.
상기 베이스 플레이트(610)는 링 형태로 형성된다.
상기 베이스 플레이트(610)는 상기 홈부(221)와 대응되는 크기로 이루어진다.
삭제
상기 피스톤 유닛(620)은 상기 베이스 플레이트(610)와 연결된 피스톤(622); 상기 피스톤(622)이 삽입된 실린더(624)를 포함한다.
상기 단차(G)는 상기 터빈 휠(210)과 마주보는 상기 베이스 플레이트(610)의 상대면 중 허브 라인(L) 사이의 축 방향 거리에 해당되는 것을 특징으로 한다.
상기 단차(G)는 상기 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 피스톤(622)이 전진또는 후진 되면서 가변되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 기준으로 상기 센터 하우징(500) 방향으로 이동되어 단차(G)가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 향해 돌출되는 것을 특징으로 한다.
상기 단차(G)는 0mm ~ 1mm 이내의 간격이 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 터빈 휠(210)을 따라 이동하는 유체의 속도가 감소하고 정압이 증가되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 터빈 휠(210)을 따라 이동하는 유체의 속도가 유지되고 정압이 감소되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들은 터보차저에서 추력 조건에 따라 터빈 휠과 터빈 하우징 사이의 단차를 미리 조절하여 조립시켜 쓰러스트 베어링의 마모를 최소화 하고 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 터보차저의 다양한 추력 조건에 따라 기 정의된 단차 범위 에서 다양하게 추력을 사전에 조절하여 조립을 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터보차저를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 휠과 터빈 휠에 가해지는 힘의 방향에 따른 추력 방향을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 휠을 도시한 사시도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 단차 조절부의 작동 상태도.
본 발명의 일 실시 예에 따른 터보차저 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
참고로 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터보차저를 도시한 단면도 이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 휠과 터빈 휠에 가해지는 힘의 방향에 따른 추력 방향을 도시한 도면 이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 터빈 휠을 도시한 사시도 이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 단차 조절부의 작동 상태도이다.
첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 의한 터보차저 장치는 압축기 휠(110)이 압축기 하우징(120)의 내측에 구비된 압축기(100)와, 상기 압축기(100)와 축 방향에서 서로 마주보며 배치되고 터빈 휠(210)이 터빈 하우징(220)의 내측에 구비된 터빈(200)과, 상기 압축기 휠(110)과 상기 터빈 휠(210) 사이를 연결하는 로터 샤프트(300)와, 상기 로터 샤프트(300)에 삽입된 쓰러스트 베어링(400)과, 상기 압축기 하우징(120)과 상기 터빈 하우징(220) 사이에 위치되고 상기 로터 샤프트(300)를 감싸는 센터 하우징(500)을 포함한다.
그리고 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 상기 로터 샤프트(300)의 축 방향으로 이동되어 상기 터빈 하우징(220)과 상기 터빈 휠(210) 사이에서 이격된 단차(G)를 조절하는 단차 조절부(600)를 포함한다.
추력은 일 예로 압축기 휠(110)을 기준으로 X축 방향인 우측으로 가해지는 플러스 추력과 좌측으로 가해지는 마이너스 추력이 발생된다.
그리고 터빈 휠(210)을 기준으로 X축 방향인 우측으로 가해지는 플러스 추력과 좌측으로 가해지는 마이너스 추력이 발생된다.
상기 추력은 단차(G)가 없거나 휠의 회전수가 클 경우 크게 발생 되는데 본 실시 예는 터빈 하우징(220)과 상기 터빈 휠(210) 사이에 축 방향으로 단차(G)를 형성하여 전술한 추력 발생을 최소화 함으로써 터빈 휠(210)의 성능 향상을 도모할 수 있다.
따라서 쓰러스트 베어링(400)에 불필요하게 발생되었던 마모가 최소화 될 수 있다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 기준으로 상기 센터 하우징(500) 방향으로 이동되어 단차(G)가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 향해 돌출되는 것을 특징으로 한다.
본 실시 예는 이를 위해 단차 조절부(600)가 상기 터빈 하우징(220)의 내측에 위치된 베이스 플레이트(610)와, 상기 베이스 플레이트(610)와 연결되고 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 이동되도록 구비된 피스톤 유닛(620)을 포함한다.
본 실시 예에 의한 단차 조절부(600)의 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 베이스 플레이트(610)가 도면 기준으로 우측으로 이동되어 추력을 조절한다.
터빈 하우징(220)은 내측에 상기 베이스 플레이트(610)가 삽입되는 홈부(221)가 형성되고, 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 홈부(221)와 대응되는 크기로 이루어진다.
상기 베이스 플레이트(610)는 홈부(221)에 삽입되는데, 추력 조정이 필요치 않을 경우 상기 홈부(221)에 완전히 삽입되므로 외측으로 돌출되지 않는다.
상기 터빈 하우징(220)은 유체의 이동이 이루어지는 공간에 해당되므로 정상적인 터보차저의 추력 조건에서는 돌출되지 않는 것이 불필요한 유동 흐름을 발생시키지 않아 안정적인 터보차저의 작동을 유지할 수 있다.
만약 추력의 변동이 필요할 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 홈부(221)에서 소정의 길이로 이동되면서 단차(G)를 조정한다.
상기 단차(G)는 상기 터빈 휠(210)과 마주보는 상기 베이스 플레이트(610)의 상대면 중 허브 라인(L) 사이의 축 방향 거리에 해당된다.
상기 단차(G)는 상기 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 피스톤(622)이 전진또는 후진 되면서 가변된다. 상기 피스톤(622)의 전진 또는 후진 상태는 별도의 케어부(미도시)를 통해 정밀 제어가 가능하여 추력 상태에 따라 정확하게 제어가 이루어진다.
따라서 쓰러스트 베어링(400)의 마모를 최소화 시켜 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 베이스 플레이트(610)는 링 형태로 형성되므로 상기 홈부(221)에서 외측으로 이동시 전체가 용이하게 이동 가능하며, 외주면이 편평(flat)하게 연장된다.
즉 로터 샤프트(300)를 기준으로 반경 방향이 편평하게 연장되므로 유체이 동 흐름에 불필요한 유동 흐름이 발생되지 않는다.
상기 피스톤 유닛(620)은 상기 베이스 플레이트(610)와 연결된 피스톤(622)과, 상기 피스톤(622)이 삽입된 실린더(624)를 포함한다.
상기 피스톤(622)은 복수개가 베이스 플레이트(610)의 원주 방향에 구비되고, 실린더(624)에서 전진 또는 후진이 용이하게 이루어진다.
상기 실린더(624)로는 오일이 공급될 수 있으나 다른 작동원으로도 사용 가능하다.
첨부된 도 4를 참조하면, 터빈 하우징(220)과 서로 마주보며 위치된 터빈 휠(210)의 허브 라인(L) 사이의 축 방향을 기준으로 상기 터빈 하우징(220)의 바닥면(F)이 허브 라인(L)과 일치된다.
현재 상태는 베이스 플레이트(610)가 홈부(221)에서 소정의 거리만큼 돌출된 상태로 상기 허브 라인(L)과 상기 베이스 플레이트(610)의 수직면이 일치한다.
현재는 추력 상태가 안정적인 상태이므로 베이스 플레이트(610)는 허브 라인(L)의 수직면과 일치된 상태가 유지된다.
첨부된 도 5를 참조하면, 일 예로 압축기(100)의 추력이 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 기준으로 상기 센터 하우징(500) 방향으로 이동되어 단차(G)가 유지된다.
즉 피스톤(622)이 도면 기준으로 좌측으로 이동되고, 상기 베이스 플레이트(610)는 홈부(221)의 내측으로 이동된다.
이 경우 터빈 하우징(220)과 서로 마주보며 위치된 터빈 휠(210)의 허브 라인(L) 사이의 축 방향을 기준으로 상기 베이스 플레이트(610)의 상대면이 허브 라인(L)을 기준으로 축 방향에서 좌측에 위치된다.
이 경우는 유체의 이동 속도가 터빈 휠(210)의 단차진 구간에서 급격히 감소되어 순간적으로 정압이 증가되고, 터빈(200)의 추력이 증가되어 쓰러스트 베어링(400)에서 발생되는 마모를 최소화 시킬 수 있다.
상기 단차(G)는 0mm ~ 1mm 이내의 간격이 유지될 수 있는데, 상기 단차(G)는 터보차저의 종류에 따라 최적으로 셋팅된다.
첨부된 도 6을 참조하면, 다른 실시 예로 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 향해 돌출 이동된다.
즉 피스톤(622)이 도면 기준으로 우측으로 이동되고, 상기 베이스 플레이트(610)는 홈부(221)의 외측으로 소정의 길이 만큼 돌출된다.
상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 터빈 휠(210)을 따라 이동하는 유체의 속도가 유지되고 정압이 감소되는데, 상기 터빈 휠(210)의 내부에서 생성되는 정압의 생성이 감소되고 적게 생성되므로 터빈(200)의 추력을 감소시켜 쓰러스트 베어링(400)에서 발생되는 마모를 최소화 시킬 수 있다.
상기 단차(G)는 0mm ~ 1mm 이내의 간격이 유지될 수 있는데, 상기 단차(G)는 터보차저의 종류에 따라 최적으로 셋팅된다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 압축기
110 : 압축기 휠
120 : 압축기 하우징
200 : 터빈
210 : 터빈 휠
220 : 터빈 하우징
300 : 로터 샤프트
400 : 쓰러스트 베어링
500 : 센터 하우징
G : 단차
600 : 단차 조절부
610 : 베이스 플레이트
620 : 피스톤 유닛

Claims (14)

  1. 압축기 휠(110)이 압축기 하우징(120)의 내측에 구비된 압축기(100);
    상기 압축기(100)와 축 방향에서 서로 마주보며 배치되고 터빈 휠(210)이 터빈 하우징(220)의 내측에 구비된 터빈(200);
    상기 압축기 휠(110)과 상기 터빈 휠(210) 사이를 연결하는 로터 샤프트(300);
    상기 로터 샤프트(300)에 삽입된 쓰러스트 베어링(400);
    상기 압축기 하우징(120)과 상기 터빈 하우징(220) 사이에 위치되고 상기 로터 샤프트(300)를 감싸는 센터 하우징(500); 및
    상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 상기 로터 샤프트(300)의 축 방향으로 이동되어 상기 터빈 하우징(220)과 상기 터빈 휠(210) 사이에서 이격된 단차(G)를 조절하는 단차 조절부(600)를 포함하고,
    상기 터빈 하우징(220)은 내측에 홈부(221)가 형성되고, 상기 홈부(221)에 상기 단차 조절부(600)의 베이스 플레이트(610)가 위치되되,
    상기 압축기(100)와 상기 터빈(200)이 정상적인 추력 조건일 경우에는 상기 베이스 플레이트(610)가 상기 홈부(221)의 외측으로 미 돌출된 상태가 유지되는 터보차저 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 단차 조절부(600)는 상기 베이스 플레이트(610)와 연결되고 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 터빈 하우징(220)의 내측에서 이동되도록 구비된 피스톤 유닛(620)을 포함하는 터보차저 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(610)는 외주면이 편평(flat)하게 연장된 터보차저 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(610)는 링 형태로 형성된 터보차저 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(610)는 상기 홈부(221)와 대응되는 크기로 이루어진 터보차저 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 피스톤 유닛(620)은 상기 베이스 플레이트(610)와 연결된 피스톤(622);
    상기 피스톤(622)이 삽입된 실린더(624)를 포함하는 터보차저 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 단차(G)는 상기 터빈 휠(210)과 마주보는 상기 베이스 플레이트(610)의 상대면 중 허브 라인(L) 사이의 축 방향 거리에 해당되는 터보차저 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 단차(G)는 상기 터보차저의 추력 상태에 따라 상기 피스톤(622)이 전진 또는 후진 되면서 가변되는 터보차저 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 기준으로 상기 센터 하우징(500) 방향으로 이동되어 단차(G)가 유지되는 터보차저 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 베이스 플레이트(610)는 상기 터빈 휠(210)을 향해 돌출되는 터보차저 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 단차(G)는 0mm ~ 1mm 이내의 간격이 유지되는 터보차저 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 클 경우 상기 터빈 휠(210)을 따라 이동하는 유체의 속도가 감소하고 정압이 증가되는 터보차저 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기(100)의 추력이 상기 터빈(200)의 추력 보다 작을 경우 상기 터빈 휠(210)을 따라 이동하는 유체의 속도가 유지되고 정압이 감소되는 터보차저 장치.
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