KR102360364B1

KR102360364B1 - 터보 기계용 베인 구조체

Info

Publication number: KR102360364B1
Application number: KR1020197017164A
Authority: KR
Inventors: 사이먼 데이빗 무어; 매튜 윌리암 에드워드; 스티븐 데이빗 휴즈; 조지 이. 샌드포드; 난다키쇼어 아코트 마두수단
Original assignee: 커민스 리미티드
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2022-02-10
Also published as: GB2555872A; CN110192006A; US20190292924A1; EP3542031B1; CN110192006B; KR20190108561A; WO2018091871A1; US11441435B2; EP3542031A1

Abstract

가스 입구에서, 쉬라우드의 슬롯을 통해 노즐 링으로부터 연장하는 베인이 상기 슬롯의 표면의 윤곽과 실질적으로 일치하도록 일측에 성형되는 터보 기계 용 터빈이 제안되며, 이에 의해 베인과 슬롯 사이에 밀접한 연결이 형성되어 베인과 슬롯 표면 사이의 가스 누설을 방지할 수 있다.

Description

터보 기계용 베인 구조체

본 발명은 터보-차저(turbo-charger)와 같은 터보 기계의 가스 입구에 위치시키기 위한 가변 베인 구조체(variable vane arrangement)에 관한 것이다.

터보차저(turbochargers)는 공기를 대기압보다 높은 압력(부스트 압력, boost pressures)으로 내연 기관의 흡입구에 보내는 장치로 잘 알려져 있다. 종래의 터보차저는 터빈 하우징 내의 회전 가능한 샤프트에 장착되는, 배출 가스로 구동되는 터빈 휠(turbine wheel)을 필수적으로 포함한다. 터빈 휠의 회전은, 압축기 하우징 내의 샤프트의 타단에 장착된 압축기 휠(compressor wheel)을 회전시킨다. 압축기 휠은 압축된 공기를 엔진의 입구 매니폴드로 보냄으로써 엔진 출력을 증가시킨다. 터보차저 샤프트는 일반적으로(conventionally), 터빈과 압축기 휠 하우징 사이에서 연결된 중앙 베어링 하우징 내에 배치되되, 적절한 윤활 시스템을 포함하는, 저널 및 스러스트 베어링(journal and thrust bearings)에 의해 지지된다.

공지된 터보차저에서, 터빈 스테이지(stage)는, 터빈 휠이 내장되는 터빈 챔버; 터빈 챔버를 둘러싸도록 배치되는 마주 보는 반경 방향 벽들 사이에 한정된 환형 입구 통로; 입구 통로를 둘러싸도록 배치되는 입구; 및 터빈 챔버에서 축 방향으로 연장하는 출구 통로를 포함한다. 통로와 챔버들은 연통하므로, 입구 챔버로 들어온 가압된 배출 가스가 입구 통로를 지나서 터빈을 통해 출구 통로까지 흘러서 터빈 휠을 회전시킨다.

입구 통로를 통해 터빈 휠의 회전 방향으로 흐르는 가스의 방향을 바꾸기 위해서 입구 통로에, 노즐 베인(nozzle vanes)으로 지칭되는, 베인들을 제공함으로써 터빈 성능을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 각각의 베인은 일반적으로 얇은 판이고(laminar), 입구 통로 내의 배기 가스의 움직임을 방해하도록 배치된 하나의 반경 방향 외측 표면을 가진 채 배치된다. 즉, 입구 통로 내에서의 배기 가스의 움직임의 원주 방향 성분은 배기 가스를 베인의 외측 표면에 지향시키기 위한 것이다.

터빈은 고정 또는 가변 구조 형일 수 있다. 변화하는 엔진 요구에 맞게 터빈의 출력이 변화될 수 있도록 어떤 범위의 유속(mass flow rates)에 걸쳐 가스 유속을 최적화시킬 수 있게 입구 통로의 구조가 변화될 수 있다는 점에서 가변 구조 형 터빈은 고정 구조 터빈과 구별된다.

가변 구조 터보차저의 일 형태에서, 노즐 링(nozzle ring)은 복수의 축 방향으로 연장하는 베인을 구비(carry)하는데, 이들은 공기 입구 내로 연장하고, 공기 입구의 반경 방향으로 연장하는 벽을 형성하는 쉬라우드(shroud)의 각각의 구멍("슬롯")을 통과하여 연장한다. 노즐 링은 공기 통로의 폭을 제어하기 위해 액추에이터에 의해 축 방향으로 움직일 수 있다. 노즐 링의 움직임은 또한 베인이 각각의 슬롯을 통해 돌출하는 정도를 제어한다.

이러한 가변 구조 터보차저의 일 예가 도 1(a) 및 도 1(b) - 미국 특허 제8,172,516호에서 가져옴 - 에 도시되어 있다. 도시된 가변 구조 터빈은 입구 챔버(2) - 여기에 내연 기관(도시되지 않음)으로부터 가스가 전달됨 - 를 한정하는 터빈 하우징(1)을 포함한다. 배기 가스는 환형 입구 통로(4)를 통해 입구 챔버(2)에서 출구 통로(3)로 흐른다. 입구 통로(4)는, 노즐 링을 구성하는 가동(movable) 환형 벽 부재(5)의 면에 의해 한 쪽에서, 그리고 마주 보는 벽의 환형 오목부(8)의 개구를 덮는 환형 쉬라우드(shroud, 6)에 의해 반대쪽에서, 한정된다.

입구 챔버(2)에서 출구 통로(3)로 흐르는 가스는 터빈 휠(9)을 통과하고 결과적으로 토크(torque)는, 베어링 조립체(14)에 의해 지지되되 압축기 휠(11)을 구동하는 터보 차저 샤프트(10)에 인가된다. 회전축(100)을 중심으로 압축기 휠(11)이 회전하면 공기 입구(12)에 존재하는 주위 공기가 가압되고 압축된 공기는 공기 출구(13)에 전달되는데, 여기에서부터 그것은 내연 기관(도시되지 않음)에 공급된다. 터빈 휠(9)의 속도는 환형 입구 통로(4)를 통과하는 가스의 속도에 의존한다. 입구 통로 내로 흐르는 가스의 고정 유속(fixed rate of mass)의 경우, 가스 속도는 입구 통로(4)의 폭의 함수인데, 이 폭은 노즐 링(5)의 축 방향 위치를 제어함으로써 조정 가능하다. 입구 통로(4)의 폭이 감소함에 따라, 이를 통과하는 가스의 속도가 증가한다. 도 1(a)는 환형 입구 통로(4)가 최소 폭까지 닫힌 상태를 도시하고, 도 1(b)는 입구 통로(4)가 완전히 열린 상태를 도시한다.

노즐 링(5)은 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된 베인(7)의 어레이를 지지하는데, 각각의 베인은 입구 통로(4)를 가로질러 연장한다. 베인(7)은 입구 통로(4)를 통해 흐르는 가스를 터빈 휠(9)의 회전 방향을 향해 편향시키도록 배향된다. 노즐 링(5)이 환형 쉬라우드(6) 및 마주 보는 벽에 근접한 경우, 베인(7)은 쉬라우드(6)의 적절히 구성된 슬롯을 통해 오목부(8) 내로 돌출한다. 각각의 베인은 회전축에 더 가까운 "내측" 주요 표면과, 더 먼 "외측" 주요 표면을 포함한다.

공압식이나 유압식으로 작동되는 액추에이터(16)는, 액추에이터 출력 샤프트(도시되지 않음) - 이는 스터럽(stirrup) 부재(도시되지 않음)에 연결됨 - 를 통해 터빈 하우징의 일부분(26)에 의해 한정된 환형 캐비티(annular cavity)(19) 내에서 노즐 링(5)의 위치를 제어하도록 작동 가능하다. 이어서 스터럽 부재는, 노즐 링(5)을 지지하는, 축 방향으로 연장하는 가이드 로드(guide rods)(도시되지 않음)과 맞물린다. 따라서, 액추에이터(16)를 적절히 제어하면 가이드 로드 및 따라서 노즐 링(5)의 축 방향 위치가 제어될 수 있다. 공압식이나 유압식으로 작동되는 액추에이터 대신에 전기적으로 작동되는 액추에이터가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

노즐 링(5)은 환형 캐비티(19) - 이는 벽(27)에 의해 챔버(15)와 이격됨 - 내로 연장하는 축 방향으로 연장하는 내측 및 외측 환형 플랜지(annular flanges)(17, 18)를 각각 갖는다. 내측 및 외측 밀봉 링(sealing rings)(20, 21)은, 노즐 링(5)으로 하여금 환형 캐비티(19) 내에서 미끄러지도록 하는 한편, 환형 캐비티(19)의 내측 및 외측 환형 표면에 노즐 링(5)을 밀봉하도록 각각 제공된다. 내측 밀봉 링(20)은 캐비티(19)의 내측 표면에 형성된 환형 홈(22) 내에서 지지되고 노즐 링(5)의 내측 환형 플랜지(17)를 지탱하는 반면, 외측 밀봉 링(21)은 노즐 링(5)의 환형 플랜지(18)에 구비된 환형 홈(23) 내에서 지지되고 캐비티(19)의 반경 방향 최외측 내부 표면을 지탱한다. 내측 밀봉 링(20)은 도시된 바와 달리 플랜지(17)의 환형 홈 내에 장착될 수 있고/있거나 외측 밀봉 링(21)은 도시된 바와 달리 캐비티의 외측 표면 내에 제공된 환형 홈 내부에 장착될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 제1 세트의 압력 평형 구멍(pressure balance aperture, 25)은 인접한 구멍들 사이에 형성된 베인 통로 내에서 노즐 링(5)에 구비되는 반면 제2 세트의 압력 평형 구멍(24)은 노즐 베인 통로의 반경 밖에서 노즐 링(5)에 구비된다.

쉬라우드의 슬롯을 통해 돌출하는 베인을 사용하는 공지된 가변 구조 터보 기계에서, 터보차저가 더 뜨거워짐에 따라 베인의 열팽창을 허용하도록 베인과 슬롯의 가장자리 사이에 유격이 제공된다. 축 방향에서 볼 때, 베인과 슬롯은 동일한 형상이지만, 베인이 슬롯보다 작다. 일반적인 구조에서, 베인은 대응 슬롯의 중심에 각 베인의 축 방향 중심선이 있도록 배치되는데, 그에 따라 터빈 축을 가로질러 중심선으로부터 멀어지는 모든 방향에서 중심선으로부터 베인의 표면까지의 거리가 중심선으로부터 대응 슬롯의 가장자리까지의 거리의 비율과 같다. 베인과 슬롯 사이의 유격은 일반적으로 베인의 전체 둘레를 따라 실온(여기서는 섭씨 20 도로 정의됨)에서 회전축으로부터 베인 중심까지의 거리("노즐 반경")의 적어도 약 0.5%가 되도록 구성된다(예컨대, 노즐 반경이 46.5mm인 경우 유격은 0.23mm 또는 노즐 반경의 0.5%일 수 있음). 이는, 각각의 베인이 축 방향에 수직으로 점차 열 팽창하면, 베인의 둘레의 모든 지점이 동시에 슬롯 상의 대응하는 지점에 닿을 것임을 의미한다. 모든 더 낮은 온도에서, 베인의 전체 둘레와 대응 슬롯의 가장자리 사이에는 유격이 있다.

본 발명은 터보 기계에 사용하기 위한 새롭고 유용한 베인 조립체뿐만 아니라 베인 조립체를 포함하는 새롭고 유용한 터보-기계(특히 터보-차저)를 제공하고자 한다.

일반적으로, 본 발명은, 가스 입구에서, 액추에이터에 의해 제어되는 정도까지 베인이 쉬라우드의 슬롯을 통해 돌출하는 종류의 터보 기계의 터빈에서, 각각의 베인의 일 표면이 대응 슬롯의 대응 표면의 형상과 실질적으로 일치하여, 이들 사이의 더 작은 유격을 가능하게 하는 것을 제안한다.

본 발명의 일 형태에서, 각 베인의 내측 표면 상의 위치에서 베인과 슬롯의 표면 사이에, 각 베인의 외측 표면 상의 위치에서보다 작은 유격이 제공된다.

본 발명의 다른 형태에서, 베인의 외측 표면 상의 위치에서 베인과 슬롯의 표면 사이에, 각 베인의 내측 표면 상의 위치에서보다 작은 유격이 제공될 수 있다.

어느 경우든, 각각의 베인의 표면은 대응하는 쉬라우드 슬롯의 대향 가장자리(facing edge)의 윤곽에 매우 유사한 윤곽을 갖도록 형성되므로, 베인이 슬롯의 가장자리에 대해 밀접하게 배치될 수 있다. 베인의 그 쪽 유격은 베인과 베인의 그 쪽 슬롯 사이의 가스 누설을 억제하거나 심지어 실질적으로 방지할 정도로 작을 수도 있다.

본 발명은, 베인이 쉬라우드의 슬롯을 통해 노즐 링으로부터 돌출하는 터빈 장치에서 쉬라우드와 베인 사이의 유격을 통해 가스가 누출될 수 있고, 이로 인해 가스가 베인의 외측 표면으로부터 베인의 내측 표면까지 통과할 수 있기 때문에 효율이 현저히 저하된다는 본 발명자들의 관찰에 의해 동기 부여된다. 베인과 베인의 일측에 있는 슬롯 사이의 간격을 좁힘으로써 이 누설을 현저하게 줄일 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 제1 측면은,

가스 입구를 한정(define)하는 터빈 하우징;

축을 중심으로 상기 터빈 하우징 내에서 회전하도록 배치되는 터빈 휠;

복수의 슬롯을 한정하고, 상기 축을 둘러싸는 링(ring) 형상의 쉬라우드(shroud);

복수의 베인을 지지하는 노즐 링 - 상기 베인은 상기 노즐 링으로부터 상기 축에 평행하게 연장하고 상기 슬롯 각각을 통해 돌출하며, 상기 베인 각각은 노즐 반경만큼 상기 축으로부터 이격됨 -; 및

상기 쉬라우드를 상기 노즐 링에 연결하기 위한 연결 기구;

를 포함하고,

각각의 상기 슬롯은 내향(inwardly-facing) 슬롯 표면을 가지며, 각각의 상기 베인은 축 방향으로 연장하는 베인 표면을 가지며, 상기 베인 표면은 (i) 대응하는 슬롯의 외측 표면을 마주보는 베인 외측 표면, (ii) 대응하는 슬롯의 내측 표면을 마주보는 대향(opposed) 베인 내측 표면, 및 (iii) 상기 베인 내측 표면과 상기 베인 외측 표면 사이에서 상기 베인의 제1 단부로부터 상기 베인의 제2 단부까지 연장하는 중간선을 포함하며,

상기 베인 표면은 등각부 - 상기 중간선의 길이의 적어도 80%를 따라 연장하고 상기 슬롯 표면의 대응하는 등각부를 마주봄 - 를 포함하며,

실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부의 윤곽과 상기 슬롯 표면의 상기 등각부의 윤곽은 상기 노즐 반경의 0.35% 이하만큼, 바람직하게는 0.3%, 0.2% 또는 심지어 0.1% 이하만큼, 서로 이격되는,

터빈을 제공한다.

바람직하게는, 상기 베인 표면의 상기 등각부는 상기 중간선의 길이의 적어도 80%, 더 바람직하게는 적어도 90%를 포함한다.

본 명세서에서, 두 선이 특정 거리 x 이하만큼 서로 이격된다는 언급은 그 선들이 서로 교차하지 않도록, 그리고 선들 중 어느 하나를 따르는 점이 선들 중 다른 하나로부터 거리 x보다 멀지 않도록 배치될 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.

베인 표면의 등각부는 베인 표면의 볼록 단부들 중 하나의 일부를 포함할 수 있다. 등각면(conformal surface)이 베인의 내측 면에 있으면, 이는 일반적으로 베인의 선단(leading edge)에 있는 등각부이다. 등각면이 베인의 외측 면에 있으면, 이는 일반적으로 베인의 후단(trailing edge)이다. 바람직하게는, 베인 표면의 등각부는 적어도 제1 주요(major) 베인 표면과 중간선 사이에서 베인 표면의 볼록 단부의 적어도 일부분을 포함한다.

베인의 베인 표면의 등각부의 대응하는 부분의 윤곽과 슬롯의 표면의 대응하는 부분의 일치로 인해, 이 부분들은 근접하게 배치될 수 있다. 베인이 대응하는 슬롯에 상대적으로 배치될 수 있는 위치들의 범위는, 노즐 링과 쉬라우드가 축 방향으로 이동될 수 있고/있거나 축을 중심으로 회전될 수 있을 뿐이라는 사실에 의해 제한된다. 이는 노즐 링을 쉬라우드에 연결하는 연결 기구에 의해 더 제한될 수 있다. 바람직하게는, 실온에서, 베인의 베인 표면의 등각부의 대응하는 부분과 슬롯의 표면의 대응하는 부분은, 각각의 길이 전체를 따라 노즐 반경의 0.35% 이하, 0.3% 이하, 0.2% 이하 또는 심지어 0.1% 이하만큼의 간격을 사이에 둔 채 배치될 수 있다(예컨대, 노즐 반경 48.1mm의 경우, 간격 0.17mm 이하, 0.1mm 이하 또는 심지어 0.05mm 이하). 따라서, 베인 내측 표면과 슬롯 내측 표면 사이의 가스 누설이 감소될 수 있다.

이것은, 전술한 공지된 베인과 슬롯 구조체 - 여기서 베인과 슬롯은 축 방향에서 볼 때 동일한 형상을 가지지만 실온에서 상이한 크기를 가지므로 베인 표면의 각 부분이 슬롯 표면의 가장 가까운 부분으로부터 상이한 곡률 반경을 갖는다 - 와 대비된다는 점을 주의해야 한다.

더 바람직하게는, 베인 표면의 등각부는 중간선의 길이의 적어도 80%, 또는 적어도 85%를 따라, 그리고 바람직하게는 중간선의 길이의 적어도 90%를 따라 연장한다. 바람직하게는, 베인 표면의 등각부의 윤곽은 각각의 길이 내내 노즐 반경의 0.2% 이하만큼(예를 들어, 48.1mm 노즐 반경에 대해 0.1mm) 슬롯 표면의 대응하는 부분의 윤곽으로부터 이격된다.

일부 실시예들에서, 베인의 등각부는 등각부의 길이의 실질적으로 전체를 따라 슬롯의 가장자리의 대응하는 부분과 접촉한 채 배치 가능하다. 예를 들어, 이들 사이에 3 개 이상의 접점이 있을 수 있으며, 슬롯 표면으로부터 베인 표면의 등각부의 임의의 지점까지의 최대 거리는 노즐 반경의 0.35%, 0.3% 또는 심지어 0.2%보다 크지 않다. 예를 들어, 48.1mm의 노즐 반경의 경우, 슬롯 표면으로부터의 베인 표면의 등각부의 임의의 지점까지의 최대 거리는 0.17mm, 0.15mm 또는 심지어 0.10mm보다 크지 않을 수 있다.

실온보다 높은 온도에서, 베인과 쉬라우드는 열 팽창을 겪는다. 베인 표면의 등각부와 슬롯 표면의 대응하는 부분 사이의 유격이 작기 때문에, 고온에서 팽창은 베인과 슬롯을 접촉시키거나 심지어 이들을 함께 압박할 수 있는데, 이에 따라 노즐 링의 축 방향 움직임이 방해될 수 있다. 그러나, 쉬라우드 표면에 대해 베인을 지지하는 지지 구조체의 유연성은, 각 표면이 강한 힘으로 함께 압박되는 것을 방지하도록, 베인이 쉬라우드의 내측 표면으로부터 후퇴하는 것을 허용하기에 충분할 수 있다.

따라서, 본 발명은 베인 표면의 등각부에 대해 평균적으로 실온에서 베인 내측 표면과 슬롯 내측 표면 사이의 간격이 베인 외측 표면과 슬롯 외측 표면 사이의 간격의 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하 또는 심지어 5% 이하가 되도록; 또는, 반대로 베인 외측 표면과 슬롯 외측 표면 사이의 간격이 베인 내측 표면과 슬롯 내측 표면 사이의 간격의 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하 또는 심지어 5% 이하가 되도록 베인과 슬롯이 배치되거나 배치될 수 있는 터빈을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예들은 이제 다음의 도면을 참조하여, 단지 예시를 위해 설명될 것이다.
도 1(a)는 공지된 가변 구조 터빈의 축 방향 단면도이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 터빈의 일부분의 단면도이다.
도 2는 도 1(a) 및 (b)의 공지된 구조체에서 사용될 수 있는 베인 구조체의 축 방향 도면이다.
도 3은 도 1(a) 및 (b)의 공지된 구조체에서 사용될 수 있는 쉬라우드의 축 방향 도면이다.
도 4는 도 2의 베인과 도 3의 쉬라우드 사이의 위치 관계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 베인과 쉬라우드 사이의 위치 관계를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 베인과 쉬라우드 사이의 위치 관계를 도시한다.
도 7(a) 내지 도 7(e)는 제2 실시예와, 비교를 위해, 3 개의 추가 실시예 및 비교예를 각각 도시한다.
도 8은 본 발명의 추가 실시예의 베인과 쉬라우드 사이의 위치 관계를 도시한다.

도 2를 참조하면, 도 1(a) 및 (b)의 공지된 시스템에서 사용될 수 있는 베인 구조체가 도시되어 있다. 베인 구조체는, 노즐 링(5)과 쉬라우드(6) 사이의 위치로부터 축 방향에서, 도 1(a)에서 볼 때 오른쪽에서, 본 것이다.

샤프트의 축 - 이를 중심으로 터빈 휠(9)(도 2에는 도시되지 않았지만 도 1(a)에서 볼 수 있음) 및 압축기 휠(11)(또한 도 2에는 도시되지 않았지만 도 1(a)에서 볼 수 있음)이 회전함 - 은 도면부호 100으로 표시된다.

이 축 방향에서 볼 때, 실질적으로 평평한 환형 노즐 링(5)은 축(100)을 둘러싼다. 노즐 링(5)으로부터, 베인(7)은 축 방향으로 돌출한다. 축(100)을 중심으로 하고 베인(7)의 윤곽(profile)의 무게 중심(centroid)을 지나는 원 (70)을 한정함으로써, 노즐 반경(71)은 원(70)의 반경으로서 정의될 수 있다.

터빈 하우징의 일부분(60)에 의해 한정되는 환형 캐비티(도 2에 도시되지 않았으나 도 1(a)에서 볼 수 있음) 내에서 액추에이터(도 2에는 도시되지 않았지만 도 1(a)에서 볼 수 있음)에 의해 노즐 링(5)이 축 방향으로 이동된다. 각각의 베인(7)은 선택적으로 길이 방향으로 대칭(즉, 축 방향에서 볼 때의 윤곽이 모든 축 방향 위치에서 동일할 수 있음)이지만, 일부 실시예에서는 베인(7)의 일부분만이 길이 방향으로 대칭이다.

액추에이터는 두 개의, 축 방향으로 연장하는 가이드 로드(guide rods)를 통해 노즐 링(5)에 힘을 가한다. 도 2에서, 노즐 링(5)의 일부분(32)이 생략되어, 노즐 링(5)과 제1 가이드 로드 사이의 연결을 볼 수 있다. 가이드 로드는 도시되지 않았지만, 그 중심은 도면 부호 61로 표시된 위치에 있다. 가이드 로드는, 가이드 로드로부터 양측으로 원주 방향으로 연장하는 브라켓(33) (일반적으로 "발(foot)"이라 칭함)과 일체로 형성된다. 브라켓은 두 개의 원형 구멍(62, 63)을 포함한다. 쉬라우드(6)에 면하지 않는 노즐 링(5)의 표면에는 노즐 링(5)에서 돌출하는 두 개의 보스(bosses)(34, 64)가 형성된다. 각각의 보스(34, 64)는 원형 윤곽(축 방향에서 볼 때)을 가진다. 보스(34, 64)는 구멍(62, 63)에 각각 삽입되고, 보스(34, 64)는 보스(34)가 구멍(62)을 실질적으로 채우는 반면 보스(64)는 구멍(63)보다 좁도록 크기가 정해진다. 보스(34)와 구멍(62) 간 연결은 브라켓(33)에 대한 노즐 링(5)의 원주 방향 위치를 고정한다(통상적인 구현에서, 축(100)을 중심으로 노즐 링(5)과 쉬라우드(6)의 상대적인 원주 방향 움직임은 0.05 도 이하이다). 그러나, 가이드 로드들이 열팽창으로 인해 반경 방향으로 멀어지면 보스(64)와 구멍(63) 사이의 유격은 브라켓(33)으로 하여금 보스(34)를 중심으로 약간 회전할 수 있게 한다. 이러한 이유로, 보스(34)는 "피벗(pivot)"으로 지칭된다.

제2 가이드 로드가 노즐 링(5)에 연결되는, 축 방향에서 본, 위치는 도면 부호 31로 도시된다. 노즐 링(5)과 제2 가이드 로드 사이의 연결은, 제2 가이드 로드에 일체로 부착된 제2 브라켓(도 2에는 도시되지 않음) 때문이다. 제2 브라켓은 브라켓(33)과 동일한 방식으로 노즐 링(5)의 후면에 부착된다. 제2 브라켓을 위한 피벗은 위치(35)에 있다.

구멍(24, 25)은 압력 균등화를 위해 노즐 링에 구비된 평형 구멍(balance holes)이다. 이들은 노즐에 대한 바람직한 축 방향 하중(또는 힘)을 얻기 위해 구비된다.

도 3에는 노즐 링(5)에 대향하는 쉬라우드(6)가 도시된다. 도 3은 노즐 링(5)에서 쉬라우드(6)를 향하여(즉, 도 1의 우측을 향하여) 보는 도면이다. 쉬라우드는 베인(7) 각각을 수용하기 위한 슬롯(30)(즉, 관통공)을 한정한다.

도 4는, 각각의 슬롯(30)에 삽입된 대표적인 베인(7)을 도시하는, 노즐 링(5)에서 쉬라우드(6)를 향하는(즉, 도 1(a)의 우측을 향하는) 축 방향에서 본 도면이다. 베인(7)은 전체적으로 아치형(초승달 형상) 윤곽을 가지지만, 다른 형태에서는 베인이 실질적으로 평평하다. 구체적으로, 베인(7)은 휠에 더 가까운 베인 내측 표면(41)을 갖는다. 베인 내측 표면(41)은 일반적으로 축 방향에서 볼 때 전체적으로 오목하지만, 대안적으로 평평할 수도 있다. 베인(7)은 또한 터빈의 배기 가스 입구에 더 가까운 베인 외측 표면(42)을 갖는다. 베인 외측 표면(42)은 일반적으로 축 방향에서 볼 때 볼록하지만, 또한 평평할 수도 있다. 베인(7)의 주요 표면(41, 42)은 대체로 서로 반대 방향을 향하고, 2 개의, 축 방향으로 연장하는 단부 표면(43, 44) - 축 방향에서 볼 때 각각은 표면(41, 42) 중 어느 것보다도 작은 곡률 반경을 갖는다 - 에 의해 연결된다. 단부 표면(43, 44)은 선단 표면(leading edge surface)(43) 및 후단 표면(trailing edge surface)(44)으로 지칭된다. 베인 외측 표면(42)은 입구 통로 내의 배기 가스의 움직임을 방해하도록 배치된다. 즉, 입구 통로 내의 배기 가스의 움직임은 배기 가스를 베인 외측 표면에 지향시키기 위한 것이다.

축 방향에서 볼 때, 각각의 베인(7)은 베인의 일 단부로부터 다른 단부까지(축 방향에서 볼 때 베인 내측 표면(41)과 외측 표면(42)의 중간에서) 연장하는 중간선(median line)(51)을 갖고, 이 중간선은 반경 방향 및 원주 방향 성분 모두를 갖는다. 베인 내측 표면(41)이 마주보는 슬롯의 표면을 슬롯 내측 표면(46)으로, 베인 외측 표면(42)이 마주보는 슬롯의 표면을 슬롯 외측 표면(47)으로 지칭한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 베인(7)의 둘레와 슬롯(30)의 표면 사이에는 실질적으로 일정한 폭의 간격이 있다. 이 간격은 네 부분 - 베인 내측 표면(41)과 슬롯 내측 표면(46) 사이; 베인 외측 표면(42)과 슬롯 외측 표면(47) 사이; 및 베인의 선단 및 후단 표면(43, 44)과 슬롯의 가장자리의 각각의 선단 및 후단 부분(49, 59) 사이 - 을 포함한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예인 터빈의 베인과 쉬라우드 슬롯이 도시되어 있다. 터빈은 도 1 (a), (b) 및 도 2에 도시된 형태를 갖되, 베인 및/또는 쉬라우드의 슬롯이 다른 형상 및/또는 크기를 가진다는 차이점이 있다. 도 5에서, 도 1 내지 도 4의 구성 요소들에 대응하는 구성 요소들은 100씩 더 큰 도면 부호가 주어진다. 따라서, 대표적인 베인(107)은 대표적인 슬롯(130) 내에 도시된다. 베인 외측 표면(142)은 슬롯 외측 표면(147)을 마주보고, 베인 내측 표면(141)은 슬롯 내측 표면(146)를 마주본다. 선택적으로, 베인(107)은 그 길이 전체를 따라 길이 방향으로 대칭(즉, 축 방향에서 볼 때 모든 축 방향 위치에서 동일한 윤곽을 가짐)일 수 있다. 또 다른 가능성으로서, 베인(107)의 일부분만 - 예컨대, 베인(107)이 가장 전진한 위치에 있을 때 슬롯(130)에 삽입될 수 있는 부분을 포함하여 - 축 방향으로 대칭일 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 베인의 일부분은 베인의 이 축 방향으로 대칭인 부분의 일부분이다. 베인(107)은 예를 들어 주조 및/또는 기계 가공에 의해 일체형 유닛(one-piece unit)으로서 노즐 링(5)과 일체로 형성된다.

도 4의 공지된 베인과 달리, 도 5의 베인은 베인 내측 표면(141)과 마주보는 슬롯 내측 표면(146) 사이에 더 좁은 유격을 갖는다. 반면, 베인 외측 표면(142)과 슬롯 외측 표면(147)의 대응 부분(147) 사이에는 훨씬 넓은 간격이 존재한다. 이는 베인 외측 표면(142)과 슬롯 외측 표면(147) 사이에서 쉬라우드 오목부에 진입하는 배기 가스가 베인 내측 표면(141)과 슬롯 내측 표면(146) 사이에서 쉬라우드 오목부를 빠져 나가는 것이 상당히 방지된다는 것을 의미한다.

이를 촉진하기 위해, 베인 표면과 슬롯 표면에 등각부(conformal portion, 145)가 형성되는데, 이는 중간선(151)의 길이의 적어도 약 80%, 또는 심지어 중간선(151)의 길이의 적어도 85% 또는 90%를 따라 연장한다. 도 5의 베인 표면의 등각부(145)는 베인 내측 표면(141)의 사실상 모든 부분을 포함한다. 베인 내측 표면(141)의 윤곽(즉, 축 방향에서 본 형상) 및 슬롯 내측 표면(146)은 서로 매우 유사하여, 등각부(145)의 전체 길이를 따라 이들 사이에 매우 작은 간격을 가진 채 서로에 대해 배치될 수 있다. 구체적으로, 실온에서 베인 내측 표면(141)의 윤곽과 슬롯 내측 표면(146)의 대응 부분은 이들 사이에 간격을 가진 채 서로에 대해 배치될 수 있을 정도인데, 그 간격은 중간선을 가로지르되 노즐 반경(71)의 0.35% 이하이고, 바람직하게는 노즐 반경(71)의 0.2% 이하이다. 베인 표면의 등각부(145)에 대해 평균적으로, 베인 내측 표면(141)과 슬롯 내측 표면(146) 사이의 간격은 베인 외측 표면(142)과 슬롯 외측 표면(147) 사이의 간격의 20% 이하이거나 10% 이하이다. 실온에서, 베인 내측 표면의 등각부의 윤곽은 슬롯 내측 표면의 대응 부분의 윤곽으로부터 노즐 반경의 0.35% 이하, 더 바람직하게는 노즐 반경의 0.2% 이하만큼 벗어난다. 베인의 선단 표면(143)은 슬롯(149)의 내측 표면의 대응 부분으로부터 이격된다.

사용시, 터빈의 다양한 구성 요소는 더 커질수록 팽창한다. 선택적으로, 노즐 링(5)의 재료 - 베인(107)을 포함함 - 와 쉬라우드(6)의 재료는 동일한 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들은 동일한 재료로 형성될 수 있다. 이는 터빈의 온도가 증가함에 따라 둘 다 동일한 비율로 팽창하여 베인(107)과 슬롯(130) 사이의 유격이 베인(107)의 전체 둘레를 따라 유지됨을 의미한다.

그러나, 베인(107)과 쉬라우드(6)가 상이한 비율로 팽창하는 경우가 있을 수도 있다(예를 들어, 이들이 상이한 재료로 형성되고/되거나 상이한 온도를 경험하기 때문에). 도 2에 도시된 로드에 노즐 링(5)이 연결되기 때문에, 노즐 링은 축(100)을 중심으로 회전할 수 있는 어떤 고유한 자유도를 가질 수 있다. 실험적으로, 우리는 이것이 0.05° 이하일 수 있음을 발견했다. 따라서, 열 팽창으로 인해, 베인 내측 표면(141)이 슬롯 내측 표면(146)에 접촉하면, 슬롯 내측 표면(146)이 베인(107)에 가하는 임의의 힘이 노즐 링(5)으로 하여금 쉬라우드(6)에 대해 회전하도록 함으로써, 이 응력을 해소한다. 따라서, 열 팽창에도 불구하고, 베인(107)의 등각부는, 한 쪽에서 다른 쪽으로 큰 힘이 전달되는 일 없이, 슬롯 내측 표면과 긴밀한 접촉 상태를 유지한다. 이는 베인(107)과 쉬라우드(6) 사이에서 큰 마찰력 - 이는 노즐 링의 왕복 운동을 방해할 수 있음 - 이 발생하지 않음을 의미한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 베인(207)과 슬롯(230)이 도시되어 있다. 도 5에서와 같은 의미를 갖는 제2 실시예의 구성 요소에는 100씩 더 큰 도면 부호가 주어진다. 베인 표면과 슬롯 표면에는 등각부(245)가 형성되는데, 이는 중간선(251)의 길이의 적어도 약 90%를 따라 연장한다. 도 6의 베인 표면의 등각부(245)는 베인 내측 표면(241)의 사실상 전부와 베인 선단 표면(243)의 대부분도 포함한다. 실온에서, 베인 내측 표면(241)의 윤곽과 슬롯 내측 표면(246)의 대응 부분은 가공 오차(machining tolerance) 내에서 사실상 동일하므로, 이들은 등각부(245)의 전체 길이를 따라 그들 사이에 사실상 간격 없이 서로에 대해 배치될 수 있다. 베인(207)의 외측 표면(242)과 슬롯(230)의 마주보는 부분(247) 사이에는 간격이 있다.

도 7(a)는 본 발명의 제2 실시예의 제2 베인(207)과 제2 슬롯을 도 6의 축을 따라 반대 방향에서 본 도면이다. 도 6에서와 마찬가지로, 베인(207)의 선단 표면(243)은 슬롯(230)의 선단 표면(249)을 따라 배치된다. 베인 내측 표면(241)의 후단(253)은 슬롯 내측 표면(246)과 접촉(즉, 그로부터 0mm 만큼 이격됨)한다. 이는 이상적인 경우를 나타내지만, 가공 공차때문에 실제에서는 달성될 수 없을 수도 있다.

반면, 도 7(b) 내지 도 7(d)는 각각 노즐 반경이 48.1mm인 3 개의 추가 실시예를 도시한다. 각각의 대표적인 베인(307, 407, 507)의 선단은 슬롯의 선단 표면을 따라 배치되지만, 베인(307, 407, 507)의 각각의 후단(353, 453, 553, 653)은 슬롯의 내측 표면으로부터 거리 0.05mm(즉, 노즐 반경의 0.1%), 0.1mm(즉, 노즐 반경의 0.2%) 및 0.15mm(즉, 노즐 반경의 0.3 %) 만큼 이격된다. 가공 공차로 인해, 이들은 도 7(a)의 이상적인 상황을 만들려고 시도할 때 실제로 달성되는 간격일 수도 있다. 도 7(b) 내지 도 7(d)의 실시예는 가스 흐름을 어느 정도 방지하는 데에는 여전히 성공적이지만 가스가 베인의 외측 표면으로부터 내측 표면으로 누설되는 것을 방지하는 데는 순서대로 덜 성공적이다. 도 7(e)는 대표적인 베인(607)의 선단이 슬롯의 선단을 따라 배치되지만, 베인(607)의 후단(653)은 슬롯의 내측 표면으로부터 거리 0.2mm(즉, 노즐 반경의 0.4%) 만큼 이격된 비교예를 도시한다. 이 경우의 가스 누설은 도 7(a)-(d)의 실시예에서보다 훨씬 크다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예의 베인(707)과 슬롯(730)이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 등각부(745)는, 중간선(751)의 길이의 적어도 80%를 따라 슬롯 외측 표면(747)에 대향하여 배치되는, 베인(707)의 외측 표면(742)의 대부분을 포함한다. 등각부(745)는 후단 표면(744)을 더 포함하는데, 이는 중간선(751)과 후단 표면(744)의 교차점의 반경 방향 내측인 위치까지 슬롯 가장자리의 대응 부분(759)에 대향하여 배치된다. 이 실시예는 베인(707)의 외측 표면(742)과 슬롯 외측 표면(747) 사이의 가스 누설을 상당히 방지함으로써 베인(707)의 외측 표면(742)으로부터 내측 표면(743)으로의 가스 흐름을 방지한다. 또한, 베인(707)과 쉬라우드 사이의 상이한(differential) 열 팽창이 있다면, 이는 시스템 내의 공차에 의해 흡수될 수 있으므로, 베인(707)은 쉬라우드에 대한 베인의 축 방향 움직임을 방해할 정도로 슬롯 외측 표면(747)에 강하게 밀리지는 않는다.

Claims

터빈으로서,
가스 입구를 한정(define)하는 터빈 하우징;
축을 중심으로 상기 터빈 하우징 내에서 회전하도록 배치되는 터빈 휠;
복수의 슬롯을 한정하고, 상기 축을 둘러싸는 링(ring) 형상의 쉬라우드(shroud);
복수의 베인을 지지하는 노즐 링 - 상기 베인은 상기 노즐 링으로부터 상기 축에 평행하게 연장하고 상기 슬롯 각각을 통해 돌출하며, 상기 베인 각각은 노즐 반경만큼 상기 축으로부터 이격됨 -; 및
상기 쉬라우드를 상기 노즐 링에 연결하기 위한 연결 기구;
를 포함하고,
각각의 상기 슬롯은 내향(inwardly-facing) 슬롯 표면을 가지며, 각각의 상기 베인은 축 방향으로 연장하는 베인 표면을 가지며, 상기 베인 표면은 (i) 대응하는 슬롯의 외측 표면을 마주보는 베인 외측 표면, (ii) 대응하는 슬롯의 내측 표면을 마주보는 대향(opposed) 베인 내측 표면, 및 (iii) 상기 베인 내측 표면과 상기 베인 외측 표면 사이에서 상기 베인의 제1 단부로부터 상기 베인의 제2 단부까지 연장하는 중간선을 포함하며,
상기 베인 표면은 등각부 - 상기 중간선의 길이의 적어도 80%를 따라 연장하고 상기 슬롯 표면의 대응하는 등각부를 마주봄 - 를 포함하며,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부의 윤곽과 상기 슬롯 표면의 상기 등각부의 윤곽은 상기 노즐 반경의 0.35% 이하만큼 서로 이격되는,
터빈.
제1항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부는 각각의 길이 내내 상기 노즐 반경의 0.3% 이하만큼 상기 슬롯 표면의 상기 등각부의 윤곽으로부터 이격되는 윤곽을 갖는, 터빈.
제1항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부와 상기 슬롯 표면의 상기 등각부는 각각의 길이 전체를 따라 상기 노즐 반경의 0.35% 이하만큼의 간격을 사이에 가진 채 배치 가능한, 터빈.
제1항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부와 상기 슬롯 표면의 상기 등각부는 각각의 길이 전체를 따라 상기 노즐 반경의 0.2% 이하만큼의 간격을 사이에 가진 채 배치 가능한, 터빈.
제1항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부와 상기 슬롯 표면의 상기 등각부는 각각의 길이 전체를 따라 상기 노즐 반경의 0.1% 이하만큼의 간격을 사이에 가진 채 배치 가능한, 터빈.
제1항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 상기 등각부와 상기 슬롯 표면의 상기 등각부는 각각의 길이 전체를 따라 접촉한 채 배치 가능한, 터빈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
상기 베인 표면의 상기 등각부는 상기 베인 내측 표면의 적어도 80%를 포함하는, 터빈.
제7항에서,
상기 베인 내측 표면은 상기 베인의 2 개의 볼록 단부 사이에서 연장하고, 상기 베인 표면의 상기 등각부는, 상기 베인의 선단에, 상기 베인 표면의 상기 볼록 단부 중 첫째의 일부를 포함하는, 터빈.
제7항에서,
실온에서, 상기 베인 표면의 등각부에 대해 평균적으로, 상기 베인 내측 표면과 상기 슬롯 내측 표면 사이의 간격은, 상기 베인 외측 표면과 상기 슬롯 외측 표면 사이의 간격의 20% 이하인, 터빈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
상기 베인 표면의 상기 등각부는 상기 베인 외측 표면의 적어도 80%를 포함하는, 터빈.
제10항에서,
상기 베인 외측 표면은 상기 베인의 2 개의 볼록 단부 사이에서 연장하고, 상기 베인 표면의 상기 등각부는, 상기 베인의 후단에, 상기 베인 표면의 상기 볼록 단부 중 첫째의 일부를 포함하는, 터빈.
제10항에서,
상기 베인 표면의 상기 등각부에 대해 평균적으로, 상기 베인 외측 표면과 상기 슬롯 외측 표면 사이의 간격은 상기 베인 내측 표면과 상기 슬롯 내측 표면 사이의 간격의 20% 이하인, 터빈.
제1항에서,
상기 베인 표면의 상기 등각부는 상기 중간선의 길이의 적어도 85%를 따라 연장하는, 터빈.
제1항에서,
상기 베인 표면의 상기 등각부는 상기 중간선의 길이의 적어도 90%를 따라 연장하는, 터빈.
제1항에 따른 터빈을 포함하는 터보차저.