KR102508033B1 - 분사 유동을 갖는 웨이스트 게이트 - Google Patents

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크리스토퍼 더블유. 윌킨스
와그너 엠. 마갈헤스
바라티 라자 수구마란
마틴 바박
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가렛트 트랜스포테이션 원 인코포레이티드
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Abstract

터보차저 터빈이 확산기를 한정하는 하우징 벽들을 구비한다. 확산기 내부에서, 확산기 내부의 중심 몸체가, 확산기 벽으로부터 연장되는 소용돌이 제거 베인들에 의해 지지된다. 중심 몸체는, 중심 몸체의 상류측 단부로부터 소용돌이 제거 베인들의 앞전까지 증가하는 평균 유동 직경을 구비하는, 소용돌이 제거 통로를 형성한다. 소용돌이 제거 베인들의 뒷전이 중심 몸체의 하류측 단부 근처에 놓인다. 환형 가이드 베인들이 소용돌이 제거 통로 내부에서 중심 몸체를 둘러싼다. 웨이스트 게이트 시스템이, 소용돌이 제거 베인들, 환형 가이드 베인들 및/또는 중심 몸체 상의 분사 포트들을 통해, 확산기 내로 웨이스트 게이트 유동을 배출하도록 구성된다.

Description

분사 유동을 갖는 웨이스트 게이트{WASTEGATE WITH INJECTED FLOW}
본 발명은 개괄적으로 터보차저 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 방사형 자동차용 터보차저 터빈을 위한 배기가스 확산기 구성에 관한 것이다.
방사형 터보차저 터빈들은, 휠 중심선 둘레에서 터빈 휠로부터 축 방향 하류측으로 연장되는 확산기들을 갖도록 제공된다. 확산기는 공기유동 속도를 감소시키도록 구성된다. 이를 달성하기 위해, 확산기의 단면적은 확산기의 상류측 단부로부터 확산기의 하류측 단부로 증가한다. 확산기를 통과하는 질량 유량은 일정하기 때문에, 이러한 증가된 단면적은 감소된 속도, 감소된 동적 압력, 및 증가된 정적 압력을 제공한다.
터빈들은 설계 작동 조건에서의 최적의 작동을 위해 설계된다. 이러한 작동 조건에서, 배기가스 흐름이, 실질적으로 축 방향의 유동을 갖는 확산기에 진입할 것이다. 그럼에도 불구하고, 소위 '탈설계' 작동 조건들(즉, 설계 작동 조건에 대해 실질적으로 상이한 작동 조건들)에서, 배기가스 흐름은, 특정 작동 조건에 의존하는 어떠한 방향일 수 있는, 높은 탈출 소용돌이에 의해 특징지어질 수 있을 것이다. 이러한 탈설계 작동 조건들은, 요동치는 유동 조건들, 크기 제한들(예를 들어, 최적값 보다 더 작은 터빈 직경), 및 (터빈 입구 내의) 가변 노즐 가이드 베인들이 그들의 정상 위치로부터 벗어나서 작동하게 되는 조건들로 인해, 터보차저 터빈 작동에서 흔히 일어난다. 이러한 탈설계 작동 조건들은, 고도의 탈출 소용돌이를 유발하는, 터빈 스테이지에 대한 매우 낮은 블레이드 속도비 조건을 초래한다.
따라서, 이러한 탈설계 작동 조건들에서, 확산기를 통과하는 배기가스 흐름의 하류측 속도(즉, 속도의 축 방향 성분)가 감소하게 되는 가운데, 배기가스 흐름은 상당한 법선 방향(즉, 원주 방향) 속도 성분(즉, 축 방향 둘레의 원형 운동)을 여전히 갖는다. 이러한 법선 방향 속도 성분은, 축 방향 속도 성분과 조합되어, 소용돌이형(즉, 나선형) 배기가스 흐름을 생성한다. 이러한 법선 방향 속도 성분은, 축 방향 속도 성분만의 운동 에너지를 초과하도록 배기가스 흐름의 총 운동 에너지를 증가시키며, 그리고 그로 인해 터빈의 탈설계 작동 조건을 가로지르는, 특히 과도 조건들 하에서, 효율 손실을 야기한다.
이러한 문제점을 다루기 위한 어떠한 노력이 터보차저에 대한 크기 제한들, 즉 패키지 제약들에 의해, 제약된다는 것을 알아야 한다. 이는 특히, 전형적으로 상당한 크기 제한들을 갖는, 자동차용 터보차저에 대해 진실이다.
전통적인 원뿔형 확산기 설계가, 제로 또는 낮은 수준의 입구 소용돌이를 다룰 때, 매우 효과적일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 패키지 제약들을 갖는 소용돌이 유동에 전통적인 원뿔형 확산기 설계를 적용하는 것은 전형적으로, 상당한 유동의 분리 및 비효율적인 확산을 유발한다. 유동 소용돌이 각(flow swirl angle)에 어울리는 앞전 각(leading edge angle)을 갖는 소용돌이 제거 베인들(de-swirl vanes)이 문제점을 관리하기 위한 시도에서 사용될 수 있지만, 이들은 단지, 확산기 내로의 유동의 소용돌이 각이 터빈의 유용한 작동 범위를 가로질러 극적으로 변하기 때문에, 작은 범위의 작동 조건들에서 효율적으로 작동한다. 따라서, 소용돌이 제거 베인들의 사용은, 베인들이 그에 대해 설계되었던 작동 조건과 가깝지 않은 작동 조건들에서, 소용돌이 제거 베인들 내로의 높은 입사(입사각) 손실을 유발한다.
따라서, 콤팩트하면서도 배기가스 흐름의 운동 에너지를 감소시키는데 매우 효율적인, 자동차용 터보차저 터빈 확산기에 대한 요구가 존재해 왔다.
다양한 실시예에서, 배기가스 흐름의 운동 에너지를 감소시키는데 매우 효율적인 소형의 자동차용 터보차저 터빈 확산기를 제공하는 본 발명은, 이상에 언급된 요구들 중 일부 또는 전부를 해결할 수 있을 것이다.
터보차저 터빈은 터빈 휠 및 터빈 하우징을 포함한다. 하우징은, 축 방향으로 연장되는 터빈 통로를 한정하는, 하우징 벽들을 구비한다. 통로는, 터빈 휠을 수용하는 휠 챔버를 포함한다. 휠 챔버는 터빈 휠의 시단부(inducer)로부터 종단부(exducer)로 하류측으로 연장된다. 통로는 종단부로부터 하류측으로 연장되는 배출 통로를 더 포함한다. 이러한 배출 통로는, 확산기의 상류측 단부로부터 확산기의 하류측 단부로 축 방향으로 단면 크기가 증가하는 확산기 벽을 구비하는, 확산기를 한정한다.
터보차저 터빈은 확산기 내부의 중심 몸체를 특징으로 삼는다. 이러한 중심 몸체는, 확산기 벽 내부에 소용돌이 제거 통로(de-swirl passageway)를 형성하며 그리고 중심 몸체를 둘러싸는, 중심 몸체 벽을 구비한다. 유리하게, 중심 몸체의 존재는, 배기가스 흐름의 평균 직경을 증가시킨다. 자유 와류 유동과 더불어, 유동의 각운동량의 법선 방향 성분은 일정하게 유지되며, 그리고 그에 따라 평균 직경의 증가는 배기가스 흐름의 법선 방향 속도를 감소시킨다.
터빈은, 중심 몸체를 지지하는 하나 이상의 소용돌이 제거 베인들을 추가로 특징으로 삼는다. 이러한 소용돌이 제거 베인들은, 중심 몸체 벽과 확산기 벽 사이에서 연장된다. 부가적으로, 터빈은 추가로, 소용돌이 제거 통로가 중심 몸체의 상류측 단부로부터 하나 이상의 소용돌이 제거 베인들의 앞전까지 증가하는 평균 직경에 의해 특징지어지는 것을, 특징으로 삼는다. 유리하게, 배기가스 흐름의 감소된 법선 방향 속도는, 배기가스 흐름이 비-표준 작동 조건들 도중에 소용돌이 제거 베인들을 타격하는 받음각(angle of attack)을 감소시킨다. 이러한 받음각의 감소는, 넓은 범위의 작동 조건들에 걸쳐 입사각 손실을 감소시킨다. 이는, 터빈의 탈설계 작동 범위를 가로질러, 특히 과도 조건들 하에서, 효율 손실을 감소시킨다.
터빈은 또한, 소용돌이 제거 베인들의 앞전이 중심 몸체의 하류측 단부의 축 방향으로 가까운 인근에 위치하게 되는 것을 특징으로 삼는다. 유리하게, 소용돌이 제거 베인들은 자유 와류 유동을 방지하며, 따라서 유동의 각운동량의 법선 방향 성분은 일정하게 유지되지 않는다. 결과적으로, 흐름의 단면적은 상당히 증가하게 되며 그리고 평균 직경은 배기가스 흐름의 법선 방향 속도를 증가시키지 않고 감소하게 될 수 있다.
터빈은 또한, 중심 몸체 벽과 확산기 벽 사이에서 중심 몸체를 둘러싸는, 환형 가이드 베인들을 특징으로 삼는다. 유리하게, 환형 가이드 베인들은, 소용돌이 제거 통로 내에서 유동의 분리를 방지한다.
마지막으로, 터빈은, 중심 몸체 내에 형성되는 분사 포트들, 소용돌이 제거 베인들 및/또는 환형 가이드 베인들을 경유하여 터빈 종단부로부터의 유동으로 웨이스트 게이트 유동을 분사하는, 웨이스트 게이트 시스템을 특징으로 삼는다. 유리하게, 이는, 확산기의 후방 섹션에서의 확산 유동을 개선하는 것으로 확인될 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은, 예로서 본 발명의 원리들을 도시하는 첨부 도면들과 함께 취해지는, 바람직한 실시예에 대한 뒤따르는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 실시예를 구축하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 이하에 기술되는 바와 같은, 특정 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은, 열거된 청구항들을 제한할 의도가 아니라, 대신에, 이들은 청구된 발명의 구체적인 예들로서 역할을 하도록 의도된다.
도 1은, 본 발명을 실시하는, 터보차저 및 과급 공기 냉각기를 갖는 내연 기관의 시스템 레이아웃이다.
도 2는 도 1의 터보차저의 터빈 하우징 및 베인들을 갖는 관련된 중심 몸체에 대한 절개 사시도이다.
도 3은 도 1의 터보차저의 터빈 하우징 및 베인들을 갖는 관련된 중심 몸체에 대한 제2 절개 사시도이다.
도 4는, 중심 몸체 및 베인들을 도시하는, 도 2의 터빈 하우징의 개략적 절개 정면도이다.
도 5는, 웨이스트 게이트 분사 특징부들을 도시하는, 본 발명의 제2 실시예의 터빈 하우징의 정면측 절개 사시도이다.
이상에 요약되고 열거된 청구항들에 의해 한정되는 본 발명은, 첨부되는 도면과 함께 읽어야 하는, 뒤따르는 상세한 설명을 참조함에 의해 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 특정의 구현예들을 구축하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 이하에 기술되는, 본 발명의 특정 바람직한 실시예들에 대한 이러한 상세한 설명은, 열거된 청구항들을 제한할 의도가 아니라, 대신에, 이들은 열거된 청구항들에 대한 구체적인 예들을 제공하도록 의도된다.
본 발명의 전형적인 실시예들은, 유동의 소용돌이 각을 감소시키기 위해, 터빈 휠 출구 직후에 배기가스 흐름(즉, 유동)의 평균 직경의 증가를 활용한다. 이는, 넓은 범위의 작동 조건들에 걸쳐 상당한 입사각 손실 없이 확산기의 나머지 부분을 관통하도록 사용될 축 방향 또는 축 방향에 가까운 소용돌이 제거 베인들을 제공한다. 이러한 방식에서, 효과적인 확산이, 넓은 범위의 입구 소용돌이 각에 걸쳐 그리고 그에 따라 넓은 범위의 터빈 작동 조건에 걸쳐, 관리될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서, 터보차저(101)가, 터보차저 하우징 및, 쓰러스트 베어링들과 저널 베어링들 (또는 대안적으로, 볼 베어링들과 같은 다른 베어링들) 상의 로터 회전축(103)을 따라 터보차저 하우징 내부에서 회전하도록 구성되는 로터를 포함한다. 터보차저 하우징은, 터빈 하우징(105), 압축기 하우징(107), 및 터빈 하우징을 압축기 하우징에 연결하는 베어링 하우징(109)(즉, 중심 하우징)을 포함한다. 로터는, 실질적으로 터빈 하우징 내부에 위치하게 되는 터빈 휠(111), 실질적으로 압축기 하우징 내부에 위치하게 되는 압축기 휠(113), 및 터빈 휠을 압축기 휠에 연결하기 위해, 베어링 하우징을 통해, 로터 회전축을 따라 연장되는 샤프트(115)를 포함한다.
터빈 하우징(105) 및 터빈 휠(111)은, 기관으로부터, 예를 들어 내연 기관(125)의 배기 매니폴드(123)로부터, 고압 고온의 배기가스 흐름(121)을 원주방향으로 받아들이도록 구성되는 터빈을 형성한다. 터빈 휠(및 그에 따라 로터)은, 고압 고온의 배기가스 흐름에 의해 로터 회전축(103) 둘레에서 회전 구동되며, 고압 고온의 배기가스 흐름은, 확산기(미도시)를 통과한 다음 배기 시스템(미도시)으로 축 방향으로 방출되는, 저온 저압의 배기가스 흐름(127)이 된다.
압축기 하우징(107) 및 압축기 휠(113)은 압축기 스테이지를 형성한다. 배기가스 구동 터빈 휠(111)에 의해 회전 구동되는 압축기 휠은, 축 방향으로 수용되는 입력 공기(예를 들어, 대기(131), 또는 복수 스테이지 압축기의 앞선 스테이지로부터의 이미 가압된 공기)를 압축기로부터 원주방향으로 빠져나오는 가압된 공기 흐름(133)으로 압축하도록 구성된다. 압축 프로세스로 인해, 가압된 공기 흐름은, 입력 공기의 온도를 초과하는 증가된 온도에 의해 특징지어진다.
선택적으로, 가압된 공기 흐름은, 가압된 공기 흐름으로부터 열을 소산시켜 그의 밀도를 증가시키도록 구성되는 대류 냉각 과급 공기 냉각기(135)를 통해 이동하게 될 수 있을 것이다. 결과적으로 냉각되고 가압된 출력 공기 흐름(137)은, 내연 기관 상의 흡입 매니폴드(139) 내로, 또는 직렬 압축기의 후속-스테이지 내로, 이동하게 된다. 시스템의 작동은, 통신 연결(153)을 통해 시스템의 나머지 부분과 연결하는, ECU(151)(전자 제어 유닛)에 의해 제어된다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 터빈 하우징(105)은, 터빈 통로를 한정하는, 하우징 벽(201)을 구비한다. 이러한 통로는, 터빈 휠(111)을 수용하는 휠 챔버(203), 터빈 휠의 시단부(미도시)(즉, 휠 블레이드들의 앞전들에서) 앞쪽의 레이디얼 또는 혼합 유동 터빈 입구 통로(미도시), 및 터빈 휠의 종단부(207)(즉, 휠 블레이드들의 뒷전들에서)로부터 하류측으로 연장되는 출구 통로(205)를 포함한다. 휠 챔버는 터빈 휠의 시단부로부터 종단부로 하류측으로 연장된다.
출구 통로(205)는 확산기를 한정하며, 그리고 확산기 내부의 하우징 벽(201)의 부분은 확산기 벽(211)을 한정한다.
이러한 실시예에서, 확산기 벽은, 종단부(207)에서의 휠 챔버(203)의 직경에 가까운 직경으로 시작한 다음, 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치(215)에서 최대 확산기 벽 직경에 도달하도록 종단부의 하류측으로 과도 (축 방향) 거리(213)에 걸쳐 부드럽게 직경이 증가한다. 이러한 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치는, 그러한 직경의 확산기 벽의 축 방향 상류측 단부로서 이해되어야 한다.
과도 거리(213) 이후에, 확산기 벽(211)은, 최대 확산기 벽 직경의 크기인 일정한 직경을 이룬다. 따라서, 확산기 벽은, 확산기의 상류측 단부로부터 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치(215)까지, 그리고 그에 따라 확산기의 하류측 단부까지, 축 방향 단면 크기(예를 들어, 직경)가 증가한다. 이러한 적용의 목적을 위해, "부드럽게 변하는 표면"이 연속적인 경사각 함수를 구비하는 것이라는 점이 이해되어야 한다.
중심 몸체
출구 통로(205)(및 확산기) 내부에, (외측) 중심 몸체 벽(223)을 한정하는 중심 몸체(221)가 놓인다. 이러한 실시예에서, 중심 몸체는, 공기역학적인, (로터 회전축(103)둘레에서) 완전히 회전 대칭인 몸체이다. 이러한 적용의 목적을 위해, 완전한 회전 대칭은, 로터 회전축 둘레에서의 중심 몸체의 단면이 모든 축 방향 위치에서 원형임을 의미하는 것으로 정의된다.
상류측 단부에서, 중심 몸체는, 하류측 방향으로 증가하는 직경을 구비하는 원뿔형 원통으로서 성형되는, 노즈(225)를 형성한다. 이러한 노즈의 상류측 단부는 실질적으로, 터빈 휠(111)의 허브(229)의 하류측 단부(227)의 크기 및 형상이다(즉, 노즈의 크기 및 형상은 유동에 상당한 방해를 야기함 없이 유동을 수용하기에 충분하도록 유사하다). 중심 몸체 상류측 단부는, 동심으로 그리고 대향하여, 휠 허브 하류측 단부와 대면하며, 그에 따라 휠 종단부와 중심 몸체 사이의 부드러운 배기가스 유동을 제공한다.
중심 몸체 상류측 단부로부터, 중심 몸체 벽(223)은, 최대 중심 몸체 직경 축 방향 위치(231)에 도달할 때까지, 축 방향 하류측 방향으로 직경이 부드럽게 증가할 것이다. 이 위치는, 최대 확산기 벽 직경 축방향 위치의 축 방향으로 가까운 인근에 놓인다. 이러한 적용의 목적을 위해, 문구 "축 방향으로 가까운 인근"은, 그를 통과하는 유동의 속도(방향 및 속력)가 실질적으로 변화되지 않는(예를 들어, 5% 미만으로 변화되는), 위치들의 범위 이내에 있는 것을 의미하도록 이해되어야 한다. 최대 중심 몸체 직경 축 방향 위치의 하류에서, 중심 몸체 벽은, 둥글거나 뾰족한 형태를 구비할 수 있는, 중심 몸체(221)의 하류측 단부의 말단 팁(233)에 이르기까지 부드럽게 직경이 감소하게 된다.
베인들
중심 몸체(221)는, 중심 몸체 벽(223)과 둘러싸는 확산기 벽(211) 사이에 소용돌이 제거 통로를 통해 연장되는, 하나 이상의 그리고 보다 바람직하게 복수(예를 들어, 4개)의 소용돌이 제거 베인들(241)에 의해 확산기 벽(211) 내부에 구조적으로 지지된다. (로터 회전축(103)을 따르는) 축 방향의 관점에서, 이러한 소용돌이 제거 베인들은, 순수 방사 방향으로 또는 순수 방사 방향에 대해 각도를 갖도록, 내측 단부로부터 외측 단부까지 연장될 수 있을 것이다. 방사 방향의 관점에서, 이러한 베인들의 전부 또는 적어도 전방 부분이, 순수 방사 방향으로 또는 순수 방사 방향에 대해 각도를 갖도록, 앞전(243)으로부터 뒷전(245)까지 연장될 수 있을 것이다.
현재 도시되는 베인들이 순수 방사 방향으로 앞전(243)으로부터 뒷전(245)까지 연장되지만, 축 방향이 아닌 기울기를 구비하는 것이 요구될 수 있는, 실시예들이 존재할 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 베인들을 약간 기울이는 것이, 시스템을 특정 목표 작동 조건으로 효과적으로 조정할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 특정 터빈 스테이지(휠)가 다른 것보다 일 방향으로 더 출구 소용돌이를 편향시키는 것이 가능할 것이다. 이는, 기계적 설계 이유들에 대해 최적이 아닌 블레이드 각을 구비하는 터빈 설계들과 같은, 수많은 이유를 위한 것일 수 있다.
각 소용돌이 제거 베인의 (상류측 단부의) 앞전(243)은, 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치(215)의 축 방향으로 가까운 인근에, 그리고 또한 최대 중심 몸체 직경 축 방향 위치(231)의 축 방향으로 가까운 인근에, 놓인다. 소용돌이 제거 베인들 상에서 배기 공기의 받음각의 변화를 수용하기 위해, 더 큰 직경의 앞전들이 일반적으로 사용되어야 한다. 각 소용돌이 제거 베인의 (하류측 단부의) 뒷전(245)은, 말단 팁(233)의 상류측 단부까지 연장된다. 따라서, 말단 팁은, 소용돌이 제거 베인 뒷전들의 하류측의 중심 몸체의 부분이다.
선택적으로, 소용돌이 제거 베인들(241)은 또한, 중심 몸체 벽(223)과 소용돌이 제거 통로 내부의 확산기 벽(211) 사이에서 중심 몸체(221) 둘레에서 (둘러싸도록) 연장되는 환형 가이드 베인들(251)을 지지한다. 환형 가이드 베인들은, (상류측 단부의) 앞전(253)에서 더 큰 직경을 구비하며 그리고 (하류측 단부의) 뒷전(255)에서 더 작은 직경을 구비하는, 환형체를 형성하도록 조합된다. 축 방향으로, 환형 가이드 베인 앞전들은, 최대 중심 몸체 직경 축 방향 위치(231), 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치(215), 및 소용돌이 제거 베인 앞전들(243)의 약간 하류에 놓인다. 적어도 일부 실시예에서, 환형 가이드 베인 앞전들은, 소용돌이 제거 베인 앞전들의 축 방향으로 가까운 인근에 위치하게 된다. 축 방향으로, 환형 가이드 베인 뒷전들은, 소용돌이 제거 베인 뒷전들까지 연장되며, 및/또는 소용돌이 제거 베인 뒷전들의 축 방향으로 가까운 인근에 위치하게 된다.
중심 몸체 벽(223)의 축 방향 영역 및 출구 통로의 둘러싸는 확산기 벽(211)은, 확산기 내부에 환형 소용돌이 제거 통로를 한정한다. 소용돌이 제거 통로는 확산기 벽 내부에 있으며 그리고 중심 몸체(221)를 둘러싼다. 중심 몸체의 상류측 단부로부터 소용돌이 제거 베인 앞전(243)까지, 소용돌이 제거 통로는 평균 직경이 증가함과 더불어, 단면적도 얼마간 증가할 수 있을 것이다. 편의상, 소용돌이 제거 통로의 이러한 부분은 전방 소용돌이 제거 통로로 정의될 것이다.
기능성
많은 전형적인 실시예에서, 전방 소용돌이 제거 통로는, 중심 몸체(221)의 상류측 단부의 바로 하류에서의 평균 직경(즉, 터빈 휠 허브의 하류측 단부(227)와 대략 동일한 직경)의 1.1배 내지 3.0배의 범위 이내인, 하나 이상의 소용돌이 제거 베인의 앞전에서의 평균 직경에 의해 특징지어진다. 마찬가지로, 많은 전형적인 실시예에서, 전방 소용돌이 제거 통로는, 중심 몸체의 상류측 단부의 바로 하류에서의 단면적의 0.8배 내지 1.5배의 범위 이내인, 하나 이상의 소용돌이 제거 베인의 앞전에서의 단면적에 의해 특징지어지며, 즉 비교적 작은 증가 또는 매우 작은 감소일 수 있다.
소용돌이 배기가스 흐름이 터빈 종단부(207)로부터 그리고 이어서 전방 소용돌이 제거 통로 내로 통과함에 따라, 배기가스 흐름은, 더 큰 평균 직경으로, 중심 몸체 벽에 의해 방사 방향 외향으로 방향 전환된다. 단면적의 작은 제한된 증가는 축 방향 속도의 약간의 감소를 제공하며, 그리고 그로 인해 감소된 동적 압력 및 증가된 정적 압력을 제공한다. 자유 와류 유동에 의해, 유동의 각운동량의 법선 방향 성분은 일정하게 유지하며, 그리고 그에 따라 평균 직경의 증가는 배기가스 흐름의 법선 방향 속도를 감소시킨다.
결과적으로, 소용돌이 제거 베인들(241) 상에서 배기가스 흐름의 소용돌이 받음각은, (중심 몸체 없이 사용되는 소용돌이 제거 베인들과 비교하여) 소용돌이 제거 베인 앞전들(243)에서 상당히 감소하게 된다. 중심 몸체를 동반하는 소용돌이 제거 베인들의 사용은 따라서, 소용돌이 제거 베인들이 그에 대해 설계되었던 작동 조건들에 가깝지 않은 작동 조건들에서, (중심 몸체 없이 사용되는 소용돌이 제거 베인들과 비교하여) 소용돌이 제거 베인들 내로의 낮은 입사(입사각) 손실에 종속된다.
소용돌이 제거 베인 앞전들(243)로부터 소용돌이 제거 베인 뒷전들(255)까지, 소용돌이 제거 통로는 평균 직경이 감소하며, 더불어 단면적도 실질적으로 증가한다. 편의상, 소용돌이 제거 통로의 이러한 부분은 후방 소용돌이 제거 통로로 정의될 것이다. 후방 소용돌이 제거 통로는, 소용돌이 제거 베인들에 의해 복수(예를 들어, 도시된 바와 같이 4개)의 후방 소용돌이 제거 통로 부분으로 다시 분할된다.
배기가스 흐름이 후방 소용돌이 제거 통로를 통과함에 따라, 배기가스 흐름은 축소되는 중심 몸체 벽(223)을 향해 내향으로 팽창되며, 그에 따라 더 작은 평균 직경에 의해 특징지어진다. 소용돌이 제거 베인들(241)은 자유 와류 유동을 방지하며, 그리고 그에 따라 그러한 흐름의 감소된 평균 직경에도 불구하고 배기가스 흐름의 증가된 법선 방향 속도를 막는다. 동시에, 크게 증가된 단면적은 축 방향 속도의 상당한 감소를 제공하며, 그리고 그에 따라 상당히 감소된 동적 압력 및 증가된 정적 압력을 제공한다.
말단 팁(233)을 가로질러, 즉 소용돌이 제거 베인 뒷전들(245)로부터 중심 몸체(221)의 하류측 단부까지(전형적으로 매우 짧은 구간), 소용돌이 제거 통로는 평균 직경이 약간 감소하며 그리고 단면적이 약간 증가한다. 편의상, 소용돌이 제거 통로의 이러한 부분은 제1 과도 소용돌이 제거 통로로 정의될 것이다. 이러한 변화들은 소용돌이를 최소한으로 증가시키며 그리고 축 방향 속도를 최소한으로 감소시킨다. 더욱 상당히, 제1 과도 통로는 소용돌이 제거 통로에 대한 부드러운 공기역학적 단부를 제공하여, 비효율적인 난류를 제한하도록 한다. 이러한 전체 소용돌이 제거 시스템은 유리하게 터보차저의 상당한 패키지 제약들 내에서 생성될 수 있다.
중심 몸체 벽(223)과 확산기 벽(211) 사이의 중심 몸체(221) 둘레에서 연장되는 선택적인 환형 가이드 베인들(251)이 포함되면, 이때 각각의 후방 소용돌이 제거 통로 부분은, 소용돌이 제거 베인 앞전들(243)로부터 환형 가이드 베인 앞전들(253)까지의 제2 과도 소용돌이 제거 통로 부분, 환형 가이드 베인 앞전들로부터 환형 가이드 베인 뒷전들(255)까지의 환형 가이드 베인들 내부(즉, 환형 가이드 베인들과 중심 몸체 벽 사이)의 내측 후방 소용돌이 제거 통로 부분, 및 환형 가이드 베인 앞전들로부터 환형 가이드 베인 뒷전들까지의 환형 가이드 베인들 외부(즉, 환형 가이드 베인들과 확산기 벽 사이)의 외측 후방 소용돌이 제거 통로 부분으로 추가로 분할될 수 있다.
내측 후방 소용돌이 제거 통로 부분들은 내측 후방 소용돌이 제거 통로를 형성하기 위해 조합된다. 마찬가지로, 외측 후방 소용돌이 제거 통로 부분들은 외측 후방 소용돌이 제거 통로를 형성하기 위해 조합된다. 제2 과도 소용돌이 제거 통로 부분은, 소용돌이 제거 베인 앞전들(243)에 의한 유동의 영향 및 환형 가이드 베인 앞전들(253)에 의한 유동의 영향 사이의, 유동의 간섭을 방지하도록 돕는다. 환형 가이드 베인들 주 기능은 후방 소용돌이 제거 통로 내부에서 유동의 분리를 방지하는 것이다.
소용돌이 제거 베인 뒷전들(245)이 환형 가이드 베인 뒷전들(255) 하류측으로 더 연장되는 대안적인 실시예에서, 후방 소용돌이 제거 통로는, 소용돌이 제거 베인 뒷전들(245)로부터 환형 가이드 베인 뒷전들(255)까지의 복수(예를 들어, 4개)의 원주 방향 부분을 구비하는 제3 과도 통로를 더 포함한다. 소용돌이 제거 베인 뒷전들(245)이 환형 가이드 베인 뒷전들(255)의 상류측에서 종결되는 다른 대안적인 실시예에서, 제1 과도 통로는 복수의 부분으로 다시 분할된다.
분사 유동을 갖는 웨이스트 게이트
도 3 내지 도 5를 참조하여, 터빈의 제2 실시예가 웨이스트 게이트 시스템을 갖도록 제공된다. 제2 실시예는, 웨이스트 게이트 특징부들을 제외하고 제1 실시예와 매우 유사하다. 웨이스트 게이트 시스템은, (공지된 바와 같은) 제어 밸브(401)를 사용하여 터빈 우회를 제공하며, 따라서 배기가스 유동이, 터빈 휠의 시단부의 상류측의 터빈 입구 통로 위치로부터 터빈 휠의 종단부의 하류측의 출구 통로 위치로, 직접적으로 배출될 수 있도록 한다. 전체 웨이스트 게이트 유동을 출구 통로 벽의 개구를 통해 터빈 휠 종단부로부터의 유동("종단부 유동") 내로 직접적으로 배출하는 대신에, 본 실시예는 웨이스트 게이트 유동을 종단부 내부로부터 출구 통로 내로 분사한다.
웨이스트 게이트 시스템은, 웨이스트 게이트 제어 밸브(401), 유동 채널(403), 출구 통로 벽 내의 웨이스트 게이트 배기 포트(405), 및 분사 몸체에 의해, 순차적으로 한정되는, 통로들을 형성한다. 웨이스트 게이트 시스템은, 시단부의 상류측에서 배기가스 유동(즉, 입구 유동)과 유체 소통 상태에 놓이도록 출구 통로를 제어 가능하게 배치한다. 분사 몸체는, 분사 몸체의 중공 내부공간을 한정하는 내벽들을 구비하며, 중공 내부공간은 웨이스트 게이트 배기 포트와 직접적인 유체 소통 상태에 놓인다(즉, 중공 내부공간은, 웨이스트 게이트 유동을 종단부 유동과 먼저 중간 혼합하지 않고, 웨이스트 게이트 배기 포트로부터의 웨이스트 게이트 유동을 직접적으로 연결한다). 분사 몸체는 결국, 웨이스트 게이트 유동을, 하나 이상의 분사 포트(409)를 통해 그러한 종단부 내부로부터의 종단부 유동 내로 분사한다.
분사 몸체는, 종단부의 하류측에서 출구 통로 벽에 연결되는, 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)를 포함한다. 분사 몸체 지지부재들은, 웨이스트 게이트 배기 포트(405)와 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 중공 내부공간을 형성한다.
선택적으로, 분체 몸체는 또한, 종단부의 벽들 내부에 (즉, 출구 통로의 벽 내측에) 분사 중심 몸체(413)를 포함할 수 있을 것이다. 분사 중심 몸체는, 하나 이상의 분사 몸체 지지부재의 중공 내부공간과 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는, 중공 내부공간을 형성할 것이다. 분사 중심 몸체는, 분사 몸체 지지부재들에 의해 출구 통로의 벽 내부에 구조적으로 지지된다. 분사 포트들(409)은, 종단부 내부로부터의 종단부 유동과 유체 소통 상태에 놓이는 (즉, 출구 통로 벽으로부터 거리를 두고 소정 거리 이내에), 분사 몸체의 중공 내부공간에 배치된다.
선택적으로, 분사 몸체는 다른 구조물을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 분사 몸체는 중공 분사 환형 베인들(415)을 포함할 수 있을 것이다. 이러한 분사 환형 베인들은, 분사 포트들(409)을 형성하거나 형성하지 않을 수 있을 것이다.
본 실시예에서, 분사 몸체는, 앞서 설명된 소용돌이 제거 베인들(241), 환형 가이드 베인들(251) 및 중심 몸체(221)를 포함한다. 4개의 소용돌이 제거 베인들(241)은, 종단부의 하류에서 출구 통로 벽에 연결되는, 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)이다. 중심 몸체(221)는 분사 중심 몸체(413)이며, 그리고 환형 가이드 베인들(251)은 분사 환형 베인들(415)이다. 소용돌이 제거 베인들의 일부 또는 전부는 중공형이다. 선택적으로, 환형 가이드 베인들 및/또는 중심 몸체 또한, 4개의 소용돌이 제거 베인들이 서로 유체 소통 상태에 놓이도록, 중공형이다. 출구 통로 벽에서, 소용돌이 제거 베인들은, 웨이스트 게이트 제어 밸브로부터의 웨이스트 게이트 유동을 소용돌이 제거 베인들의 중공 내부공간과 유체 소통 상태로 놓이게 하도록, 웨이스트 게이트 배기 포트들(405)에 연결된다.
분사 포트들(409)은, 소용돌이 제거 베인들, 환형 가이드 베인들 및 중심 몸체 중 임의의 것 또는 모든 것 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 소용돌이 제거 베인들 및 중공의 중심 몸체와 함께, 분사 포트들은 단지 중심 몸체 내에만 형성될 수 있을 것이다. 웨이스트 게이트 유동은 이때, 종단부 유동과 혼합되기 위해 하나 이상의 분사 포트들을 통해 중심 몸체의 후방측을 통해 배출될 수 있다. 이는 확산기의 후방 섹션에서의 확산 유동을 개선하는 것으로 확인될 수 있을 것이다.
다른 실시예들
본 실시예가 (축 방향에 수직으로 취해질 때) 원형 단면들을 구비하는 원형 덕트 및 중심 몸체에 의해 특징지어지는 가운데, 다른 축 방향 단면 형상들을 갖는 실시예들이 본 발명의 범위 이내에서 예상된다. 패키지 제약들과 같은, 비-원형 실시예들에 대한 다양한 이유들이 존재할 수 있다. 이러한 비-원형 실시예들은, 환형 타입 통로들 및 환형 가이드 베인들을 구비하는 것으로 고려될 수 있으며, 여기서 이들은 이들의 환형 대응물들의 비-원형 변형일 것이다. 이러한 적용의 목적을 위해, 용어 "환형-타입"은, 원형 및 비원형 단면들에 특징지어지는, 축을 둘레의 내측 및 외측 경계들에 의해 추가로 특징지어지는, 것들 양자 모두를 포함하는, 고리형 통로들 및 구조물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다른 실시예들은 이상에 설명된 요소들의 변형들을 사용할 수 있을 것이다. 예를 들어, 확산기 벽이, 최대 확산기 벽 직경 축 방향 위치까지 크기가 증가하는 것으로 설명되는 가운데, 대안적인 실시예들은, 소용돌이 제거 베인들에 도달하기 상당히 이전에 증가한 다음 소용돌이 제거 베인들 이후의 약간의 거리에 걸쳐 계속 크기가 증가하는, 확산기 벽을 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예를 구축하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 이상에 기술된 바와 같은, 특정 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은, 열거된 청구항들을 제한할 의도가 아니며, 대신에, 이들은 청구된 발명의 구체적인 예들로서 역할을 하도록 의도된다.
본 발명은, 매우 다양한 터보차저 터빈들에 통합될 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 고정 기하학적 형상 터빈 및 가변 기하학적 형상 터빈 양자 모두와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 터빈 효율을 위한 장치 및 관련 방법을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 부가적으로, 본 발명의 다양한 실시예들은, 이상에 설명된 특징들의 다른 관련된 효율 특징들과의 다양한 조합을 통합할 수 있다. 짧게 말하면, 이상에 개시된 특징들은, 본 발명의 예상 범위 내에서 매우 다양한 구성으로 조합될 수 있다.

Claims (8)

  1. 터보차저 터빈에 있어서,
    터빈 휠;
    하우징 벽들을 가진 터빈 하우징으로서, 상기 하우징 벽들은 축 방향으로 연장되는 터빈 통로를 한정하고, 상기 통로는 상기 터빈 휠을 수용하는 휠 챔버를 포함하며, 상기 휠 챔버는 상기 터빈 휠의 시단부로부터 종단부까지 하류측으로 연장되고, 상기 터빈 하우징은, 상기 종단부로부터 하류측으로 연장되어 종단부 유동의 영역을 한정하는 출구 통로를 구비하고, 상기 하우징 벽들은 상기 출구 통로를 둘러싸는 출구 통로 벽을 포함하는 것인, 터빈 하우징;
    제어 밸브를 구비하는 웨이스트 게이트 시스템으로서, 상기 제어 밸브는 제어 가능하게 상기 출구 통로를, 웨이스트 게이트 배기 포트를 통해, 상기 시단부의 상류측의 입구 유동과 유체 소통 상태에 놓이도록 하는 것인, 웨이스트 게이트 시스템; 및
    상기 출구 통로 내부의 분사 몸체(411, 413, 415)로서, 상기 분사 몸체(411, 413, 415)는 상기 웨이스트 게이트 배기 포트로부터의 배기가스 유동과 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 분사 몸체 중공 내부공간을 구비하는 것인, 분사 몸체
    를 포함하며,
    상기 분사 몸체(411, 413, 415)는 상기 분사 몸체 중공 내부공간을, 상기 종단부 유동 내부에서 상기 출구 통로와 유체 소통 상태에 놓이도록 하는 하나 이상의 분사 포트를 포함하는 것인, 터보차저 터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분사 몸체는, 상기 출구 통로 벽에 직접적으로 연결되는 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)를 포함하고, 각각의 분사 몸체 지지부재는 상기 분사 몸체 중공 내부공간의 일부인 분사 몸체 지지부재 중공 내부공간을 한정하고, 상기 분사 몸체 지지부재 중공 내부공간은 상기 출구 통로 벽을 통해 상기 웨이스트 게이트 배기 포트와 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 것인, 터보차저 터빈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)는 소용돌이 제거 베인을 형성하는 외부 표면을 가지는 것인, 터보차저 터빈.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 분사 몸체는, 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)의 상기 분사 몸체 지지부재 중공 내부공간과 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 중심 몸체 중공 내부공간을 한정하는 분사 중심 몸체(413)를 포함하며,
    상기 중심 몸체 중공 내부공간 및 상기 분사 몸체 지지부재 중공 내부공간은 조합되어 상기 분사 몸체 중공 내부공간을 형성하고, 상기 분사 중심 몸체는 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)에 의해 구조적으로 지지되는 것인, 터보차저 터빈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 분사 포트의 적어도 일부가 상기 분사 중심 몸체 상에 형성되는 것인, 터보차저 터빈.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 분사 포트의 전부가 상기 분사 중심 몸체 상에 형성되는 것인, 터보차저 터빈.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 분사 몸체는, 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)의 중공 내부공간과 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 중공 내부공간을 한정하는 분사 환형 가이드 베인(415)을 포함하며, 상기 분사 환형 가이드 베인은 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)에 의해 구조적으로 지지되는 것인, 터보차저 터빈.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 분사 몸체는, 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)의 중공 내부공간과 직접적인 유체 소통 상태에 놓이는 중공 내부공간을 한정하는 분사 환형 가이드 베인(415)을 포함하며, 상기 분사 환형 가이드 베인은 상기 하나 이상의 분사 몸체 지지부재(411)에 의해 구조적으로 지지되는 것인, 터보차저 터빈.
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