KR101929904B1 - 표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저 - Google Patents

표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저 Download PDF

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Abstract

터보차저(5)는 압축기 슈라우드(14) 및 터빈 슈라우드(12)를 구비한 하우징(10)을 포함한다. 터보차저(5)는 또한 압축기 휠(18) 및 터빈 휠(116, 216, 316, 416)을 포함한다. 압축기 휠(18)은 압축기 허브(44), 및 압축기 허브(44)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 압축기 블레이드들(45, 46)을 포함한다. 터빈 휠(116, 216, 316, 416)은 터빈 허브(124, 224, 324, 424), 및 터빈 허브(124, 224, 324, 424)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들(126, 226, 326, 426)을 포함하되, 허브 표면(125, 225, 325, 425)이 인접한 블레이드들(126, 226, 326, 426) 사이에 연장된다. 터빈 휠(116, 216, 316, 416)은 또한 터빈 허브 표면(125, 225, 325, 425) 상의 적어도 하나의 표면 불연속부(135, 235, 335, 435)를 포함한다.

Description

표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저{TURBINE HUB WITH SURFACE DISCONTINUITY AND TURBOCHARGER INCORPORATING THE SAME}
본 발명은 표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저에 관한 것이다.
오늘날의 내연기관은 소비자 및 정부 감독 기관에서 요구하는 더 엄격한 배기 및 효율 기준에 부합해야 한다. 따라서, 자동차 제조업자들 및 공급자들은 내연기관의 작동을 개선하기 위한 기술의 연구 및 개발에 상당한 노력과 자본을 들이고 있다. 터보차저는 특히 관심 대상인 엔진 개발 분야이다.
터보차저는 보통은 낭비될 배기가스 에너지를 사용하여 터빈을 구동한다. 터빈은 이후 압축기를 구동하는 샤프트에 장착된다. 터빈은 배기가스의 열과 운동 에너지를, 압축기를 구동하는 회전력으로 변환한다. 터보차저의 목적은 엔진에 들어가는 공기의 밀도를 증가시킴으로써 엔진의 체적 효율을 개선하는 것이다. 압축기는 주변 공기를 끌어들이고, 이를 흡기 매니폴드 및 궁극적으로는 실린더들 내로 압축한다. 따라서, 각각의 흡기 행정 시에 더 큰 질량의 공기가 실린더들에 들어간다.
터빈이 더 효율적으로 배기가스 열 에너지를 회전력으로 변환할수록, 그리고 압축기가 더 효율적으로 공기를 엔진에 밀어 넣을수록, 엔진의 전체 성능은 더 효율적이 된다. 그러므로, 터빈 휠 및 압축기 휠을 가능한 한 효율적으로 설계하는 것이 바람직하다. 그러나, 난류 및 누출로 인해, 종래의 터빈 및 압축기 설계에는 다양한 손실이 내재되어 있다.
종래의 터보차저 압축기 및 터빈 설계가 효율을 최대화하려는 목적으로 개발되었지만, 압축기 및 터빈 효율에 있어서 추가적인 개선의 필요성이 여전히 존재한다.
터빈 허브를 포함하는 터보차저 터빈 휠이 본원에 제공되며, 허브는 이와 연관된 유체 유동의 경계층에 에너지를 가하도록 작동하는 적어도 하나의 원주방향으로 연장된 표면 불연속부를 포함한다. 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들이 허브로부터 반경방향으로 연장된다.
본원에 설명된 기술의 소정의 양상들에서, 터빈 휠은 복수의 원주방향으로 연장된 표면 불연속부들을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 원주방향으로 연장된 표면 불연속부는 리브의 형태이다. 원주방향으로 연장된 리브는 허브의 전체 원주 주위에 연장될 수 있다. 다른 구현예들에서, 원주방향으로 연장된 표면 불연속부는 홈의 형태일 수 있다.
본원에 설명된 기술의 다른 양상들에서, 터보차저 터빈 휠은 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들이 반경방향으로 연장되는 터빈 허브를 포함하되, 허브 표면이 인접한 블레이드들 사이에 연장된다. 터빈 휠은 또한 표면 상의 적어도 하나의 표면 불연속부를 포함한다. 일 구현예에서, 표면 불연속부는 돌기의 형태일 수 있다. 다른 구현예들에서, 돌기는 인접한 블레이드들 사이에 연장되는 리브의 형태일 수 있거나, 또는 표면 불연속부는 딤플의 형태일 수 있다. 표면 불연속부는 또한 인접한 블레이드들 사이에 연장되는 홈의 형태일 수 있다.
또한, 압축기 슈라우드 및 터빈 슈라우드를 구비한 하우징을 포함하는 터보차저가 본원에서 고려된다. 터보차저는 또한 압축기 휠 및 터빈 휠을 포함한다. 압축기 휠은 압축기 허브, 및 압축기 허브로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 압축기 블레이드들을 포함한다. 터빈 휠은 터빈 허브, 및 터빈 허브로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들을 포함하되, 허브 표면이 인접한 블레이드들 사이에 연장된다. 터빈 휠은 또한 터빈 허브 표면 상의 적어도 하나의 표면 불연속부를 포함한다. 일 구현예에서, 압축기 허브는 인접한 압축기 블레이드들 사이에 연장되는 압축기 허브 표면, 및 압축기 허브 표면 상의 적어도 하나의 압축기 표면 불연속부를 포함한다.
표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저의 이러한 양상들 및 다른 양상들은 본원의 상세한 설명 및 도면을 검토한 후에 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명의 범주는, 주어진 주제가 배경기술에 언급된 임의의 쟁점 또는 모든 쟁점들을 다루는지 여부, 또는 주어진 주제가 이러한 발명의 내용에 언급된 임의의 특징들 또는 양상들을 포함하는지 여부에 의해 결정되는 것이 아니라, 제시된 바와 같은 청구범위에 의해 결정되어야 한다는 점을 이해해야 한다.
표면 불연속부를 구비한 터빈 허브 및 이를 포함하는 터보차저의 바람직한 구현예를 포함하는 비제한적, 비포괄적 구현예들이 하기 도면을 참조하여 설명되며, 달리 명시되지 않는 한, 다양한 도면들에 걸쳐, 유사한 도면부호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 예시적인 구현예에 따른 터보차저의 측단면도이다.
도 2는 제1 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 터빈 휠의 부분 확대 사시도이다.
도 4는 제1 예시적인 구현예에 따른 압축기 휠의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 압축기 휠의 부분 확대 사시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 터빈 블레이드들 중 하나를 나타내는 측면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 상이한 에지 릴리프 구성들을 보여주는 도 6의 7-7 라인을 따른 터빈 블레이드의 부분 단면도들이다.
도 8은 예시적인 구현예에 따른 터빈 슈라우드의 내표면과 터빈 휠의 경계면을 나타내는 사시도이다.
도 9는 예시적인 구현예에 따른 압축기 슈라우드의 내표면과 압축기 휠 사이의 경계면을 나타내는 사시도이다.
도 10은 허브 표면 불연속부들을 포함하는 제2 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠을 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 11-11 라인을 따른 터빈 휠의 측단면도이다.
도 12는 대안적인 표면 불연속부 구성을 도시하는 제3 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠의 사시도이다.
도 13은 다른 대안적인 표면 불연속부 구성을 도시하는 제4 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠의 사시도이다.
도 14는 또 다른 대안적인 표면 불연속부 구성을 도시하는 제5 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠의 사시도이다.
구현예들은, 그 일부를 구성하며 예로써 특정한 예시적인 구현예들을 도시하는 첨부 도면을 참조하여, 이하에 보다 상세히 설명된다. 이러한 구현예들은 당업자들이 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 개시된다. 그러나, 구현예들은 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에 설명된 구현예들에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 그러므로, 후술하는 상세한 설명은 제한적인 의미로 고려되지 않아야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터보차저(5)는 터빈 슈라우드(12) 및 압축기 슈라우드(14)가 부착된 베어링 하우징(10)을 포함한다. 터빈 휠(16)은 터빈 슈라우드 내표면(20)에 인접하게 터빈 슈라우드(12) 내에서 회전한다. 마찬가지로, 압축기 휠(18)은 압축기 슈라우드 내표면(22)에 인접하게 압축기 슈라우드(14) 내에서 회전한다. 터보차저(5)의 구성은 당해 기술분야에 공지된 바와 같은 통상적인 터보차저의 구성이다. 그러나, 터보차저(5)는 본원에서 보다 상세히 설명되는 다양한 효율성의 개선을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 터빈 휠(16)은 복수의 블레이드들(26)이 연장되는 허브(24)를 포함한다. 각각의 블레이드(26)는 리딩 에지(30) 및 트레일링 에지(32)를 포함하되, 그 사이에 슈라우드 윤곽 에지(34)가 연장된다. 슈라우드 윤곽 에지는 본원에서 종종 블레이드의 선단부(tip)로 지칭된다. 종래의 터빈 휠 구성에서, 상당한 터빈 효율의 손실이 터빈 블레이드들의 선단부를 통한 누출에서 기인한다. 터빈 블레이드들 사이의 유동의 물리학의 결과로, 블레이드의 일 표면(압력측(36))은 높은 압력에 노출되는 반면, 타 측(흡입측(38))은 낮은 압력에 노출된다(도 3 참조). 이러한 압력차는 터빈 휠을 회전시키는 힘을 블레이드 상에 초래한다. 다시 도 1을 참조하면, 슈라우드 윤곽 에지(34)는 터빈 슈라우드 내표면(20)에 인접하여, 그 사이에 갭이 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 고압 및 저압 영역들은 이차 유동이 터빈 슈라우드의 내표면(20)과 터빈 블레이드 선단부(34) 사이의 갭을 통해 터빈 블레이드의 압력측(36)으로부터 흡입측(38)으로 흐르게 한다. 이러한 이차 유동은 전체 시스템의 손실 및 터빈 효율의 감소로 이어진다. 이상적으로는, 선단부와 슈라우드 사이에 갭이 없어야 하지만, 선단부가 슈라우드와 마찰되는 것을 방지하기 위해, 그리고 블레이드들을 반경방향으로 늘리는 터빈 블레이드들 상의 원심성 하중 및 열 팽창을 감안하기 위해, 갭이 필요하다.
그러나, 본 구현예에서, 터빈 블레이드들(26)은 선단부 또는 슈라우드 윤곽 에지(34)를 따라 형성되는 에지 릴리프(40)를 포함한다. 이 경우, 유동이 갭을 통해 흐를 때, 에지 릴리프(40)는 그 안에 (압력측(36)에 대한) 고압 영역을 형성하고, 이는 유동을 정체시킨다. 또한, 고압 영역은 갭을 통과하는 유동이 막히게 하여, 유속을 제한한다. 따라서, 이차 유동은 감소하고, 이는 터빈의 효율을 증가시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 경우, 에지 릴리프(40)는 블레이드 에지의 양 단부를 지나 연장되지 않으면서 슈라우드 윤곽 에지(34)의 대부분을 따라 연장된다. 이는 추가로 에지 릴리프에 상대 압력을 발생시키는 역할을 하는 포켓 또는 스쿠프(scoop)를 형성한다.
도 6을 추가로 참조하면, 에지 릴리프(40)가 슈라우드 윤곽 에지(34)를 따라 개략적으로 도시되어 있다. 도 7a에 도시된 블레이드(26)의 단면도는 에지 릴리프(40)의 프로파일 구성을 나타낸다. 이 경우, 에지 릴리프는 내부 반경을 가진 코브(cove)로 도시된다. 여기서 코브의 형태로 도시되었지만, 에지 릴리프는 도 7b 내지 도 7d에 각각 도시된 바와 같이 챔퍼, 반경, 또는 래빗으로 형성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7d에 나타낸 바와 같이, 에지 릴리프(40)는 블레이드(26)의 압력측(36)에 형성된다. 슈라우드 윤곽 에지의 잔여 에지 재료는 도 7a 내지 도 7d에 두께(t)로 나타낸다. 잔여 선단부의 두께(t)를 최소화하면, 유동이 더 빠르게 막힌다는 것이 밝혀졌다. 두께(t)는 블레이드 두께의 백분율로 표현될 수 있다. 예컨대, 두께(t)는 블레이드 두께의 75% 미만, 바람직하게는 블레이드 두께의 50% 미만이어야 한다. 그러나, 최소 두께는 궁극적으로는 에지 릴리프를 형성하기 위해 사용되는 기술에 의해 결정된다. 릴리프는 블레이드의 에지에 기계가공되거나 주조될 수 있다. 그러므로, 에지 릴리프는 터빈 휠 및 압축기 휠의 효율을 개선하기 위한 비용효율적인 해결방안이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 압축기 휠(18)의 블레이드들(45, 46) 역시 에지 릴리프들(61, 60)을 각각 구비하여 형성될 수 있다는 점을 알 수 있다. 이 경우, 압축기 휠(18)은 복수의 블레이드들(46)이 반경방향으로 연장되는 허브(44)를 포함하되, 그 사이에 복수의 더 작은 블레이드들(45)이 개재된다. 도 5를 참조하면, 각각의 블레이드(46)는 리딩 에지(50), 트레일링 에지(52), 및 그 사이에 연장되는 압축기 슈라우드 윤곽 에지(54)를 포함한다. 마찬가지로, 더 작은 블레이드들(45)은 리딩 에지(51), 트레일링 에지(53), 및 그 사이에 연장되는 슈라우드 윤곽 에지(55)를 포함한다. 에지 릴리프들(61, 60)은 그 각각의 슈라우드 윤곽 에지들의 대부분을 따라 연장된다. 터빈 휠 블레이드들과 같이, 에지 릴리프들은 블레이드의 압력측을 따라 형성된다. 그러므로, 압축기 블레이드들의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 에지 릴리프들(60, 61)은 압력측(56)에 형성된다. 터빈 블레이드 에지 릴리프들과 마찬가지로, 압축기 블레이드 에지 릴리프들은 압력측(56)으로부터 흡입측(58)으로의 유동을 감소시키며, 그에 따라 압축기 휠의 효율을 증가시킨다.
터보차저 터빈 및 압축기 블레이드들의 압력측으로부터 흡입측으로의 유동을 방해하는 다른 방식이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 터빈 슈라우드 내표면(20)은 터빈 블레이드들(26)의 슈라우드 윤곽 에지들(34)에 대해 십자형으로(crosswise) 연장되는 복수의 홈들(70)을 포함한다. 그러므로, 홈들은 터빈 휠(16)의 축(A)에 대해 각도(G)로 연장된다. 각도(G)는 압축기 휠 또는 터빈 휠의 블레이드들의 개수와 관련된다. 일 구현예에서, 예컨대, 각도(G)는 홈들이 2개 이하의 인접한 블레이드들과 교차하도록 조절된다. 이 경우, 홈들은 직사각형 단면을 가지며, 폭(w)과 깊이(d)를 가진다. 일례로, 폭은 약 0.5㎜ 내지 2㎜일 수 있고, 깊이는 약 0.5㎜ 내지 3㎜일 수 있다. 홈들은 슈라우드 표면(20)의 유입 영역(74)에서 토출 영역(76)까지 아치형으로 연장된다. 도시된 바와 같이, 홈들은 간격(S)을 가지고 슈라우드 표면 주위에 원주방향으로 균일하게 이격된다. 그러나, 다른 구현예들에서, 간격은 홈마다 다를 수 있다. 간격(S)은 블레이드들의 개수에 의해 제한된다는 점에서 각도(G)와 유사한 제한이 있다. 일례로, S는 15개 이하의 홈들을 하나의 블레이드와 교차시킴으로써 제한될 수 있다.
도 9를 참조하면, 압축기 슈라우드 표면(22)은 또한 압축기 슈라우드(14)의 내표면(22)에 형성되는 복수의 홈들(72)을 포함한다. 홈들(72)은 각각 블레이드들(46, 45)의 슈라우드 윤곽 에지들(54, 55)에 대해 십자형으로 연장된다. 이 경우, 홈들은 슈라우드 표면(22)의 유입 영역(73)에서 토출 영역(77)까지 아치형으로 연장된다. 여기서 홈들(70, 72)은 직사각형 단면을 가지는 것으로 도시되어 있지만, 원형 또는 V자형 단면과 같은 다른 단면들 역시 유효할 수 있다. 각각의 블레이드의 슈라우드 윤곽 에지가 십자형-배향된 홈들을 통과할 때, 선단부 또는 슈라우드 윤곽 에지를 통과하는 유동은 홈들에 발생되는 난류에 의해 방해를 받는다(정체된다).
터빈 휠 및 압축기 휠의 효율을 증가시키는 또 다른 방식으로, 휠들은 허브 주위에 표면 불연속부를 포함할 수 있다. 도 10 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 터빈 휠은 허브와 연관된 유체 유동의 경계층에 에너지를 가하기 위해 터빈 휠의 허브 주위에 형성되는 표면 불연속부를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 10은 허브(124)를 구비한 터빈 휠(116)의 예시적인 구현예를 도시하며, 허브(124)는 이와 연관된 유체 유동(F)의 경계층에 에너지를 가하도록 작동하는 한 쌍의 원주방향으로 연장된 리브들(135)을 포함한다. 블레이드들(126)은 터빈 허브(124) 주위에 원주방향으로 이격되며, 허브 표면(125)이 인접한 블레이드들 사이에 연장된다. 각각의 표면(125)은 이 경우 리브(135)의 형태인 적어도 하나의 표면 불연속부를 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 허브의 단면은 각각의 블레이드 사이에 연장되는 오목한 외표면(125)을 나타내되, 표면 불연속부 또는 리브들(135)이 이로부터 돌출된다. 이 경우, 리브들은 터빈 효율에 영향을 미치는 와류의 형성을 방해하기 위해 허브와 연관된 유체 유동의 경계층에 에너지를 가하도록, 각각의 리브 상에서 유동(F)을 가속하는 역할을 한다. 도 12는 다른 예시적인 구현예에 따른 터빈 휠(216)을 도시한다. 이 경우, 터빈 휠(216)은 복수의 블레이드들(226)이 반경방향으로 연장되는 허브(224)를 포함한다. 허브 표면(225)은 각각의 인접한 터빈 블레이드(226) 사이에 연장된다. 이 경우, 표면 불연속부들은 복수의 돌기들(235)의 형태이다. 이러한 돌기들은 범프, 원반, 리브, 삼각형 등의 형태일 수 있다. 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 터빈 휠은 딤플 또는 홈 형태의 표면 불연속부를 포함한다. 예컨대, 도 13은 인접한 터빈 블레이드들(326) 사이에 연장되는 허브 표면(325)을 도시하며, 딤플들(335)의 형태인 복수의 표면 불연속부들을 포함한다. 딤플들(335)은 골프 공에 나타난 것과 유사할 수 있다. 도 14에서, 터빈 휠(416)은 허브 표면들(425)이 인접한 블레이드들(426) 사이에 연장되는 허브(424)를 포함한다. 이 경우, 표면 불연속부들은 허브(424) 주위에 원주방향으로 연장되는 홈들(435)의 형태이다.
따라서, 터보차저 압축기 휠 및 터빈 휠이 예시적인 구현예들에 대해 어느 정도의 특수성을 가지고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 본원에 포함된 신규의 개념들로부터 벗어남 없이 예시적인 구현예들에 대한 수정 또는 변경이 이루어질 수 있도록, 종래 기술에 비추어 이해되는 하기 청구범위에 의해 한정된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 터빈 허브(124, 424)로, 이와 연관된 유체 유동(F)의 경계층에 에너지를 가하도록 작동하는 적어도 하나의 원주방향으로 연장된 홈(435)을 포함하는 터빈 허브(124, 424); 및
    상기 터빈 허브(124, 424)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들(126, 426);을 포함하는 터보차저 터빈 휠(116, 416).
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 원주방향으로 연장된 홈들(435)을 포함하는, 터보차저 터빈 휠(116, 416).
  3. 터빈 허브(124, 224, 324, 424);
    상기 터빈 허브(124, 224, 324, 424)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들(126, 226, 326, 426)로, 허브 표면(125, 225, 325, 425)이 인접한 블레이드들(126, 226, 326, 426) 사이에 연장되는 복수의 블레이드들(126, 226, 326, 426); 및
    상기 터빈 허브 표면(125, 225, 325, 425) 상에 돌출되고 상기 블레이드들과는 분리된 적어도 하나의 표면 불연속부(135, 235, 335, 435);를 포함하는 터보차저 터빈 휠(116, 216, 316, 416).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표면 불연속부는 인접한 블레이드들(126) 사이에 연장되는 리브(135)의 형태인, 터보차저 터빈 휠(116, 216, 316, 416).
  5. 제3항에 있어서,
    상기 표면 불연속부(135, 235, 335, 435)는 딤플(335)의 형태인, 터보차저 터빈 휠(116, 216, 316, 416).
  6. 압축기 슈라우드(14) 및 터빈 슈라우드(12)를 구비한 하우징(10);
    압축기 허브(44), 및 상기 압축기 허브(44)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 압축기 블레이드들(45, 46)을 구비한 압축기 휠(18); 및
    터빈 허브(124, 224, 324, 424), 상기 터빈 허브(124, 224, 324, 424)로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 블레이드들(126, 226, 326, 426)로, 허브 표면(125, 225, 325, 425)이 인접한 블레이드들(126, 226, 326, 426) 사이에 연장되는 복수의 블레이드들(126, 226, 326, 426), 및 상기 터빈 허브 표면(125, 225, 325, 425) 상에 돌출되고 상기 블레이드들과는 분리된 적어도 하나의 표면 불연속부(135, 235, 335, 435)를 구비한 터빈 휠(116, 216, 316, 416);을 포함하는 터보차저(5).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 표면 불연속부(135, 235, 335, 435)는 복수의 딤플의 형태인, 터보차저(5).
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