KR102610374B1 - 터보차저 및 터보차저를 작동하는 방법 - Google Patents

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Œc 노르드만
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Abstract

내연 엔진을 위한 터보차저는 내연 엔진의 흡입 공기를 가압하기 위한 압축기 (1) 로서, 상기 압축기 (1) 는 회전가능한 압축기 휠 (3) 을 포함하는, 상기 압축기 (1), 상기 압축기 (1) 를 구동하기 위한 터빈 (2) 으로서, 상기 터빈 (2) 은 터빈 휠 (4) 및 상기 터빈 휠 (4) 을 둘러싸는 터빈 슈라우드 (5) 를 포함하고, 상기 터빈 휠 (4) 은 복수의 베인들 (6) 을 포함하고 내연 엔진의 배기 가스 유동에 의해 회전가능한, 상기 터빈 (2), 및 상기 압축기 휠 (3) 을 상기 터빈 휠 (4) 에 연결하는 샤프트 (7) 를 포함하고, 상기 터보차저는 상기 압축기 (1) 로부터 상기 터빈 슈라우드 (5) 와 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 사이의 갭 (10) 내로 가압된 공기를 도입하기 위한 공기 덕트 (8, 11) 및 복수의 공기 유출구들 (9, 12) 을 포함한다.

Description

터보차저 및 터보차저를 작동하는 방법
본 발명은 청구항 1 에 따른 터보차저에 관한 것이다. 본 발명은 또 다른 독립항에 규정된 바와 같은 터보차저를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
선박 또는 파워 플랜트 엔진들과 같은 실제적으로 모든 대형 피스톤 엔진들에는 적어도 하나의 터보차저가 제공된다. 터보차저들에 의해, 뜨거운 배기 가스에 포함된 에너지의 일부가 사용될 수 있다. 터보차저는 엔진의 효율에 현저한 영향을 줄 수 있다. 터보차저의 최적의 설계는 따라서 높은 효율의 엔진을 달성하는 것이 중요하다. 예를 들면, 터보차저의 하우징과 터빈 및 압축기 휠들 사이의 간극들은 압축기 내로 도입되는 공기를 효율적으로 가압하기 위해 그리고 터보차저의 샤프트의 회전으로 배기 가스의 에너지를 효율적으로 변환하도록 작아야 한다.
터보차저들의 회전 속도들은 높고, 터빈들은 또한 터빈들을 통한 배기 가스 유동으로 인해 높은 온도를 경험한다. 높은 효율에 대한 요구와 함께, 이는 터보차저들의 설계 및 제조에 대해 과제를 안겨준다. 터보차저 설계에 대해 하나의 문제점이 제기되는 점은 터빈 휠의 베인들과 터빈 휠 주위의 터빈 슈라우드 사이의 간극이다. 배기 가스들은 갭의 파울링을 발생시킬 수 있는 오염물들을 포함한다. 이는 터빈 휠의 베인들의 마모를 발생시킬 수 있다.
국제 특허공개공보 WO 2006/134222 A2 호 (2006. 12. 21. 공개)
본 발명의 목적은 내연 엔진을 위한 개선된 터보차저를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 터보차저의 특징적인 특징들은 청구항 1 에 주어진다. 본 발명의 또 다른 목적은 터보차저를 작동시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 방법의 특징적인 특징들은 다른 독립항에서 주어진다.
본 발명에 따른 터보차저는 내연 엔진의 흡입 공기를 가압하기 위한 압축기를 포함하고, 상기 압축기는 회전가능한 압축기 휠을 포함하는, 상기 압축기, 상기 압축기를 구동하기 위한 터빈으로서, 상기 터빈은 터빈 휠 및 상기 터빈 휠을 둘러싸는 터빈 슈라우드를 포함하고, 상기 터빈 휠은 복수의 베인들을 포함하고 내연 엔진의 배기 가스 유동에 의해 회전가능한, 상기 터빈, 및 상기 압축기 휠을 상기 터빈 휠에 연결하는 샤프트를 포함한다. 상기 터보차저는 상기 압축기로부터 상기 터빈 휠의 상기 터빈 슈라우드와 상기 베인들 사이의 갭 내로 가압된 공기를 도입하기 위한 복수의 공기 유출구들 및 공기 덕트를 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, 압축기로부터 가압된 공기는 터빈 슈라우드 및 터빈 휠의 베인들 사에의 갭 내로 도입된다.
본 발명에 따른 터보차저 및 방법에 있어서, 터빈과 터빈 슈라우드 사이의 갭의 파울링이 감소된다. 파울링은 터빈 슈라우드 및 터빈 베인들의 마모를 발생시킬 수 있다. 감소된 파울링은 보다 작은 허용오차들 및 터보차저의 보다 양호한 효율을 허용한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 공기 덕트는 터보차저의 샤프트 내측에 부분적으로 배열된다. 이는 압축기로부터 터빈으로 유동 짧은 유동 경로를 허용한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 샤프트에는 공기 덕트 내로 공기를 도입하기 위해 압축기 휠 뒤에 드릴링이 제공된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 공기 유출구들의 적어도 일부는 터빈 휠의 베인들에 배열된다. 터빈 휠의 베인들을 통해 갭 내로 공기를 도입함으로써, 원심력은 공기 유동의 속도를 증가시킨다. 뿐만 아니라, 공기 유동은 터빈 베인들을 냉각시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 터빈 휠의 각각의 베인에는 공기 유출구가 제공된다. 이는 터빈 슈라우드와 터빈 휠 사이의 갭에서 균일한 공기 유동을 보장한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 모든 공기 유출구들은 터빈 휠의 베인들에 배열된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 공기 유출구들의 적어도 일부는 터빈 슈라우드에 배열된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 모든 공기 유출구들은 터빈 슈라우드에 배열된다. 터빈 슈라우드에 공기 유출구들을 배열하는 이점은 터빈 베인들의 강도가 드릴링들에 의해 감소되지 않는다는 점이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 공기 유출구들은 상기 터빈으로부터 상기 압축기를 향해 상기 샤프트의 축방향에 대해 15-75 도인 각도로 상기 갭 내로 공기를 지향시키도록 구성된다. 공기 유동은 배기 가스 유동에 반대 방향이 아니다. 배기 가스 유동에 대해 반대 유동은 터보차저의 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 공기는 압축기 휠 뒤에 갭을 통해 공기 덕트 내로 도입된다. 압축기 휠 뒤에 갭의 폭을 조정함으로써, 압축기로부터 터빈으로 유동하는 공기의 양은 조정될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 보다 상세하게 설명된다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 터보차저의 간략화된 횡단면도를 도시하고,
도 2 는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 터보차저의 간략화된 횡단면도를 도시하고,
도 3 은 도 1 의 상세 D 의 확대도를 도시하고,
도 4 는 도 2 의 상세 E 의 확대도를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 내연 엔진의 터보차저의 간략화된 횡단면도를 도시한다. 터보차저는 전기를 생산하기 위한 파워 플랜트에서 사용되는 엔진 또는 선박의 메인 또는 보조 엔진과 같은 대형 피스톤 엔진의 배기 시스템의 일부로서 사용될 수 있다.
터보차저는 압축기 (1) 및 터빈 (2) 을 포함한다. 압축기 (1) 는 엔진의 흡입 공기의 압력을 증가시키도록 구성된다. 압축기 (1) 내로 도입된 공기는 터보차저가 엔진의 유일한 터보차저 또는 두개의-스테이지의 터보차징된 엔진의 저압 터보차저라면 주위 압력으로 존재할 수 있다. 터보차저가 두개의-스테이지의 터보차징된 엔진의 고압 터보차저라면, 흡입 공기의 압력은 심지어 압축기 (1) 전에 주위 압력보다 높을 수 있다.
터빈 (2) 은 엔진의 배기 가스의 에너지를 회전 에너지로 변환함으로써 압축기 (1) 를 구동하도록 구성된다. 터빈 (2) 은 회전가능한 터빈 휠 (4) 을 포함하고 압축기는 회전가능한 압축기 휠 (3) 을 포함한다. 압축기 휠 (3) 은 샤프트 (7) 에 의해 터빈 휠 (4) 에 연결된다. 압축기 휠 (3) 및 터빈 휠 (4) 은 회전 고정된 방식으로 샤프트 (7) 에 연결된다. 압축기 휠 (3), 터빈 휠 (4) 및 샤프트 (7) 는 따라서 동일한 회전 속도로 회전된다. 샤프트 (7) 는 베어링들 (14, 15) 에 의해 지지된다.
터빈 (2) 은 유입구 (16) 를 포함한다. 배기 가스는 화살표 A 로 나타낸 바와 같이 샤프트 (7) 의 축방향으로 유입구 (16) 를 통해 터빈 (1) 내로 도입된다. 배기 가스는 화살표 B 로 나타낸 바와 같이 샤프트 (7) 의 방사상 방향으로 유출구 (17) 를 통해 터빈 (2) 을 나간다. 터빈 (2) 은 고압 측 및 저압 측을 갖는다. 터빈 휠 (4) 의 상류 측은 고압 측이고 터빈 휠 (4) 의 하류 측은 저압 측이다. 흡입 공기는 화살표 C 에 의해 나타낸 바와 같이 배기 가스에 대해 반대의 방향으로부터 샤프트 (7) 의 축방향으로 압축기 (1) 내로 도입된다. 압축기 (1) 는 저압 측 및 고압 측을 갖는다. 압축기 휠 (3) 의 상류 측은 저압 측이고 압축기 휠의 하류 측은 고압 측이다.
터빈 휠 (4) 은 또한 블레이드들로서 불리울 수 있는 복수의 베인들 (6) 을 포함한다. 베인들 (6) 은 터빈 휠 (4) 의 본체 (18) 로부터 방사상 외향으로 돌출된다. 베인들 (6) 은 본체 (18) 의 주변을 따라 고르게 분배된다. 터빈 휠 (4) 은 터빈 슈라우드 (5) 에 의해 둘러싸인다. 터빈 슈라우드 (5) 는 터빈 휠 (4) 의 전체 외부 주변에 걸쳐 원주 방향으로 연장되는 하우징이다. 터빈 휠 (4) 과 터빈 슈라우드 (5) 사이의 환형의 갭 (10) 이 존재한다. 갭 (10) 의 크기에 따라 배기 가스의 에너지가 어떤식으로 터빈 휠 (4), 압축기 휠 (3) 및 샤프트 (7) 의 회전 에너지로 변환되지에 대해 영향을 준다. 갭 (10) 이 크면, 대부분의 배기 가스는 갭 (10) 을 통해 터빈 (2) 의 고압 측으로부터 저압 측으로 유동할 수 있고 배기 가스의 보다 많은 에너지가 버려진다. 다른 한편으로, 갭 (10) 이 너무 작으면 터빈 베인들 (6) 의 팁들 및 터빈 슈라우드 (5) 의 파울링이 터빈 슈라우드 (5) 및 터빈 베인들 (6) 의 스크래핑 및 마모를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 터보차저에서, 압축기 (1) 로부터의 가압된 공기는 터빈 휠 (4) 과 터빈 슈라우드 (5) 사이의 갭 (10) 내로 도입된다. 가압된 공기는 여기서 압축기 휠 (3) 의 하류 측에서 공기를 칭한다. 공기는 갭 (10) 의 파울링을 감소시키는 데 도움을 준다. 도 1 의 실시형태에서, 공기는 터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 을 통해 갭 (10) 내로 도입된다. 터보차저의 샤프트 (7) 에는 공기 덕트 (8) 가 제공된다. 공기 덕트 (8) 는 샤프트 (7) 의 회전 축선과 동축방향인 축방향 덕트이다. 샤프트 (7) 에는 원주의 그루브 (20) 가 제공된다. 그루브 (20) 는 압축기 휠 (3) 에 가깝게 배열된다. 그루브 (20) 는 터보차저의 압축기-측 베어링 (14) 의 압축기 휠 측에 존재한다. 하나 이상의 드릴링들 (19) 은 공기 덕트 (8) 내로 가압된 공기를 도입하기 위해 그루브 (20) 로부터 공기 덕트 (8) 로 방사상으로 연장된다. 터보차저의 축방향으로 압축기 휠 (3) 뒤에 갭 (13) 이 존재한다. 갭 (13) 을 통해 가압된 공기가 샤프트 (7) 의 그루브 (20) 내로 도입될 수 있다. 시일링 (21) 은 그루브 (20) 와 압축기-측 베어링 (14) 사이에서 샤프트 (7) 주위에 배열된다. 시일링 (21) 은 가압된 공기가 베어링 (14) 의 다른 측으로 탈출하는 것을 방지한다.
터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 의 적어도 일부에는 가압된 공기가 갭 (10) 내로 도입되는 공기 유출구들 (9) 이 제공된다. 공기 유출구들 (9) 중 하나는 도 3 의 확대도에서 볼 수 있다. 공기 유출구들 (9) 은 터빈 휠 (4) 의 주변을 따라 고르게 분배되어야 한다. 모든 베인들 (6) 에는 갭 (10) 으로의 균일한 공기 유동을 보장하는 공기 유출구들 (9) 이 제공될 수 있다. 터빈 휠 (4) 에는 샤프트 (7) 의 공기 덕트 (8) 로부터 공기 유출구들 (9) 로 공기를 공급하기 위한 하나 이상의 공기 채널 (22) 이 제공된다.
공기 유출구들 (9) 은 터빈 (2) 으로부터 압축기 (1) 로의 터보차저의 축방향과 공기 유동의 방향 사이의 각도가 15-75 도의 범위로 되도록 공기 유출구들로부터의 공기 유동을 지향시키도록 구성된다. 공기 유동은 따라서 터빈 휠 (4) 의 방사상 평면으로부터 압축기 (1) 를 향해 지향된다. 이는 공기 유동이 배기 가스 유동에 대해 반대로 작용하지 않고 터보차저의 효율을 감소시키지 않도록 보장한다.
터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 을 통해 갭 (10) 내로 가압된 공기를 도입하는 이점은 원심력이 공기의 유동 속도를 증가시킨다는 점이다. 뿐만 아니라, 공기는 터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 을 냉각시킨다.
도 2 의 실시형태는 도 1 의 실시형태와 유사하다. 그러나, 가압된 공기는 터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 대신에 터빈 슈라우드 (5) 를 통해 터빈 휠 (4) 과 터빈 슈라우드 (5) 사이의 갭 (10) 내로 도입된다. 샤프트 (7) 내측의 공기 덕트 대신에, 터보차저에는 터빈 슈라우드 (5) 에 압축기 (1) 의 고압 측을 연결하는 공기 덕트 (11) 가 제공된다. 공기 덕트 (11) 는 터보차저의 하우징 외측에 있는 파이프를 포함할 수 있다. 터빈 슈라우드 (5) 에는 가압된 공기가 터빈 휠 (4) 과 터빈 슈라우드 (5) 사이의 갭 (10) 내로 도입되는 복수의 공기 유출구들 (12) 이 제공된다. 공기 유출구들 (12) 중 하나는 도 4 의 확대도에서 볼 수 있다. 터빈 슈라우드 (5) 에는 공기 유출구들 (12) 로 공기를 분배하기 위한 예를 들면 원주의 그루브가 제공될 수 있다.
도 2 의 실시형태에서, 공기 유출구들 (12) 은 압축기 (1) 를 향해 공기 유동을 지향시키도록 도 1 의 실시형태에서와 유사한 방식으로 구성된다. 샤프트 (7) 의 축방향과 가압된 공기의 유동 방향 사이의 각도는 따라서 15-75 도의 범위일 수 있다.
도 2 의 실시형태에서, 터빈 휠 (4) 의 회전 운동은 공기 유동의 속도를 증가시키기 위해 사용되지 않는다. 다른 한편으로, 도 2 의 구성 보다 용이하게 실시된다.
도 1 및 도 2 의 실시형태들은 또한 조합될 수 있다. 터보차저는 따라서 터빈 슈라우드 (5) 에서 그리고 터빈 휠 (4) 의 베인들 (6) 양쪽에 공기 유출구들 (9, 12) 이 제공될 수 있다. 가압된 공기의 일부는 샤프트 (7) 를 통해 터빈 휠의 베인들 (6) 과 터빈 슈라우드 (5) 사이의 갭 (10) 내로 도입될 수 있고 공기의 일부는 또 다른 루트를 통해 도입될 수 있다.
상기 설명된 실시형태들에 제한되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 내연 엔진을 위한 터보차저로서,
    상기 터보차저는,
    - 내연 엔진의 흡입 공기를 가압하기 위한 압축기 (1) 로서, 상기 압축기 (1) 는 회전가능한 압축기 휠 (3) 을 포함하는, 상기 압축기 (1),
    - 상기 압축기 (1) 를 구동하기 위한 터빈 (2) 으로서, 상기 터빈 (2) 은 터빈 휠 (4) 및 상기 터빈 휠 (4) 을 둘러싸는 터빈 슈라우드 (5) 를 포함하고, 상기 터빈 휠 (4) 은 복수의 베인들 (6) 을 포함하고 내연 엔진의 배기 가스 유동에 의해 회전가능한, 상기 터빈 (2), 및
    - 상기 압축기 휠 (3) 을 상기 터빈 휠 (4) 에 연결하는 샤프트 (7) 를 포함하고,
    상기 터보차저는 상기 압축기 (1) 로부터 상기 터빈 슈라우드 (5) 와 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 사이의 갭 (10) 내로 가압된 공기를 도입하기 위한 복수의 공기 유출구들 (9, 12) 및 공기 덕트 (8, 11) 를 포함하고,
    상기 공기 덕트 (8) 는 상기 터보차저의 상기 샤프트 (7) 내측에 부분적으로 배열되고,
    상기 공기 유출구들 (9) 의 적어도 일부는 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 에 배열되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트 (7) 에는 공기를 상기 공기 덕트 (8) 내로 도입하기 위해 상기 압축기 휠 (3) 뒤에서 드릴링 (19) 이 제공되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈 휠 (4) 의 각각의 베인 (6) 에는 공기 유출구 (9) 가 제공되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모든 상기 공기 유출구들 (9) 은 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 에 배열되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 유출구들 (12) 의 적어도 일부는 상기 터빈 슈라우드 (5) 에 배열되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 유출구들 (9, 12) 은 상기 터빈 (2) 으로부터 상기 압축기 (1) 를 향해 상기 샤프트 (7) 의 축방향에 대해 15-75 도인 각도로 상기 갭 (10) 내로 공기를 지향시키도록 구성되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기는 상기 압축기 휠 (3) 뒤에서 갭 (13) 을 통해 상기 공기 덕트 (8, 11) 내로 도입되는, 내연 엔진을 위한 터보차저.
  8. 내연 엔진을 위한 터보차저를 작동하는 방법으로서,
    상기 터보차저는,
    - 내연 엔진의 흡입 공기를 가압하기 위한 압축기 (1) 로서, 상기 압축기 (1) 는 회전가능한 압축기 휠 (3) 을 포함하는, 상기 압축기 (1),
    - 상기 압축기 (1) 를 구동하기 위한 터빈 (2) 으로서, 상기 터빈 (2) 은 터빈 휠 (4) 및 상기 터빈 휠 (4) 을 둘러싸는 터빈 슈라우드 (5) 를 포함하고, 상기 터빈 휠 (4) 은 복수의 베인들 (6) 을 포함하고 내연 엔진의 배기 가스 유동에 의해 회전가능한, 상기 터빈 (2), 및
    - 상기 압축기 휠 (3) 을 상기 터빈 휠 (4) 에 연결하는 샤프트 (7) 를 포함하고,
    상기 방법은 상기 압축기 (1) 로부터 상기 터빈 슈라우드 (5) 와 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 사이의 갭 (10) 내로 가압된 공기를 도입하기 위한 단계를 포함하고,
    가압된 공기는 상기 터보차저의 상기 샤프트 (7) 및 상기 터빈 휠 (4) 의 상기 베인들 (6) 을 통해 상기 갭 (10) 내로 도입되는, 내연 엔진을 위한 터보차저를 작동하는 방법.
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