KR19980070758A - 터보과급기의 배기터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 수명의 개선과 더불어 일정한 효율을 보장하는 터보과급기의 배기터빈용의 노즐 링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 본 발명에 따르면, 터빈 케이싱 (2) 과 노즐 링 (11) 사이에 반경방향의 팽창 갭 (20) 을 형성하고, 이 팽창 갭 (20) 내에 하나 이상의 밀봉장치 (22) 를 배열함으로써 달성된다. 이를 위해, 적어도 노즐 링 (11) 의 고정요소들 (16,17) 중의 하나에 또는 적어도 상기 고정요소들 (16,17)을 에워싸는 부품들 (3,4,5) 중의 하나에 상기 밀봉장치 (22)를 수용하는 포위 홈 (21) 을 형성한다.

Description

터보과급기의 배기터빈

본 발명은 배기터빈의 유입로내에 배열되어 작업매체를 터빈 날개에 보내는 노즐 링을 갖는 터보과급기의 배기터빈에 관한 것이다.

터보과급기의 배기터빈의 노즐 링은 작동조건이 변동함에 의해, 즉 작업매체의 압력 및 온도의 증감에 의해 크게 응력을 받는다. 작업매체는, 사용된 터빈에 따라 그리고 실제적인 사용조건에 따라, 그 온도구배가 커질 수도 있다. 노즐 링은 그를 에워싸는 터빈 부품들에 비하여 항상 질량이 작기 때문에, 비교적 두드러진 열팽창을 겪게 된다.

노즐 링은 흔히 배기터빈의 케이싱내에 단순 클램핑 방식으로 고정된다. 이 경우에는, 노즐 링이 적절하게 팽창될 수 없어서 재료의 변형 및 균열이 발생하게 되고, 이 때문에 노즐 링의 수명이 단축된다. 따라서, 이러한 수명의 단축으로 인해 비교적 짧은 시간 간격으로 노즐 링을 교체할 필요가 있어서, 추가비용은 차치하고라도, 터빈의 가동을 중단해야만 한다.

이러한 이유 때문에, 노즐 링과 그를 에워싸는 부품들간에는 충분한 크기의 팽창 갭이 형성되어야 한다. 하지만, 이러한 해결책에 따르면, 팽창 갭을 통한 작업매체의 바이패스 유동이 발생하는 크나큰 문제점이 생긴다. 결과적으로, 터빈의 효율이 두드러지게 감소된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, EP 00 24 275-A1 호에 따른 노즐 링은 축방향과 반경방향으로 자유롭게 팽창할 수 있으며, 폐쇄가능한 팽창 갭을 갖는다. 이러한 구성에 따르면, 노즐 링의 로킹 (locking) 은 예응력 때문에 터빈 케이싱에서 상기 노즐 링을 그의 좌면에 대해 끊임없이 누르는 탄성요소에 의해 실행된다. 이 경우, 팽창 갭의 밀봉이 동시에 실행된다.

하지만, 상기 탄성요소의 예응력은 작업매체 및 노즐 링의 높은 온도 때문에 줄어드는 것으로 밝혀졌다. 상기 탄성요소의 예응력의 감소로 인해, 노즐 링은 더 이상 그의 좌면에 대해 지지되지 않으며, 이에 의해 팽창 갭은 교대로 바이패스 유동을 허용케된다. 따라서, 이러한 해결책에서는 바이패스 유동에 대한 팽창 갭의 지속적인 밀봉이 보장되지 않아, 효율의 감소를 방지할 수가 없다.

따라서, 본 발명은, 이러한 단점들의 제거를 감안하여 만들어진 것으로서, 수명의 개선과 더불어 일정한 효율을 보장하는 터보과급기의 배기터빈용의 신규한 노즐 링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 레이디얼 터빈의 부분 종단면도;

도 2 는 도 1 에 있어서 노즐 링의 영역을 세부적으로 도시한 확대 상세도;

도 3 은 도 1 에 대응하는 본 발명에 따른 밀봉장치를 확대하여 도시한 종단면도;

도 4 는 도 2 에 대응하는 제 2 실시예의 확대 상세도;

도 5 는 도 2 에 대응하는 제 3 실시예의 확대 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 배기터빈 (레이디얼 터빈) 2 : 터빈 케이싱

3 : 가스-입구 케이싱

4 : 가스-출구 케이싱 (가스-출구 플랜지)

5 : 터빈측 케이싱 부품 (중간 벽) 6 : 축

7 : 터빈 휠 8 : 가동 날개

9 : 유입로 10 : 배기가스

11 : 노즐 링 16, 17 : 고정요소

18 : 안내 날개 19 : 리세스

20 : 팽창 갭 21 : 홈

22 : 밀봉장치 (이중 박판 링) 28 : 밀봉장치 (피스톤 링)

이러한 목적은, 본 발명에 따르면, 가스-입구 케이싱, 가스-출구 케이싱, 및 하나 이상의 터빈측 케이싱 부품으로 이루어지는 터빈 케이싱과, 축상에 회전가능하게 장착되고 가동 날개를 갖는 터빈 휠과, 터보과급기에 접속된 내연 기관의 배기가스를 위해 상기 터빈 휠의 상류의 상기 터빈 케이싱내에 형성된 유입로와, 상기 유입로내에 배열되고 또한 상기 터빈 케이싱의 리세스내에 고정되어 상기 배기가스를 상기 가동 날개에 보내는 노즐 링을 포함하는 터보과급기의 배기터빈에 있어서, 상기 터빈 케이싱과 상기 노즐 링 사이에 반경방향의 팽창 갭이 형성되어 있고, 이 팽창 갭내에 하나 이상의 밀봉장치가 배열되어 있는 터보과급기의 배기터빈에 의해 달성된다. 이 경우, 상기 노즐 링은, 상기 리세스내에 배열되어 다수의 안내 날개를 매개로 서로 접속된 두 개의 고정요소로 이루어진다. 적어도 상기 고정요소들중의 하나에는, 또는 적어도 상기 고정요소들을 에워싸는 상기 터빈 케이싱의 부품들중의 하나에는, 상기 밀봉장치를 수용하는 포위 홈이 형성되어 있다.

터보과급기의 작동중에는, 상기 터빈 케이싱과 상기 노즐 링 사이에 형성된 반경방향의 팽창 갭으로 인해, 노즐 링이 축방향과 반경방향으로 자유롭게 팽창된다. 동시에, 상기 밀봉장치는 터보과급기에 접속된 내연 기관의 배기가스 압력 때문에 상기 홈에 대해 눌리게 되며, 그 결과, 상기 팽창 갭이 충분히 밀봉된다. 이러한 구성에 따르면, 한편으로는 노즐 링의 열팽창을 위한 충분한 여유공간이 보장되고 다른 한편으로는 바이패스 유동의 적절한 밀봉이 보장된다.

상기 포위 홈을 상기 배기가스의 유동방향으로 향하게 하면 특히 유리하다. 이렇게 하면, 특별히 큰 밀봉면이 실현되므로, 밀봉의 개선은 물론이고 터빈의 효율을 높일 수가 있다.

노즐 링 영역의 실제적인 공간조건에 따라, 각각의 경우, 상기 밀봉장치를 상기 가스-입구 케이싱과 상기 노즐 링 사이에, 상기 터빈측 케이싱 부품과 상기 노즐 링 사이에, 또는 상기 가스-출구 케이싱과 상기 노즐 링 사이에 배열할 수도 있다.

상기 밀봉장치는 박판 링으로서 구성된다. 특히, 상기 밀봉장치를 예컨대 크롬-니켈강과 같이 충분한 내열성을 갖는 재료로 제조한 이중 박판 링 (double lamellar ring) 으로서 구성하는 것이 유리하다. 이 밀봉장치는 720°의 각을 에워싼다. 그러므로, 밀봉장치는 750℃ 까지의 고온을 손상없이 견딜 수 있을 뿐만아니라 팽창 갭의 개선된 밀봉을 제공한다. 따라서, 터빈 효율이 다시 증가될 수 있고 노즐 링의 수명이 늘어날 수 있다.

상기의 구성과는 또다르게, 상기 밀봉장치는 마찬가지로 충분한 내열성을 갖는 재료로 제조된 피스톤 링 (piston ring) 으로서 구성된다. 여기서는, 팽창 갭의 추가의 밀봉수단을 제공하는데, 이 수단은 실제적인 사용조건에 따라 유용하다.

이하, 노즐 링을 구비한 터보과급기 레이디얼 터빈이 도시된 첨부도면을 참고하여, 본 발명에 대한 완전한 이해를 구하고 그에 수반한 이점들을 설명하고자 한다.

도면에는, 본 발명을 이해하는데 필수적인 구성요소만을 도시하였다. 예컨대, 레이디얼 터빈에 접속된 내연 기관 및 배기 터보과급기의 압축기측과 같은 계 (system) 의 요소들은 도시하지 않았다. 작업매체의 유동방향은 화살표로 나타내었다.

이제, 도면을 참고하면, 도면을 통해 동일하거나 상응하는 부분들에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다. 주요하게는, 배기 터보과급기는 레이디얼 터빈으로서 구성된 배기터빈 (1) 과 압축기 (도시되지 않음)를 포함한다. 레이디얼 터빈 (1) 은, 스파이어럴 가스-입구 케이싱 (3), 가스-출구 플랜지로서 구성된 가스-출구 케이싱 (4), 및 중간 벽으로서 구성된 터빈측 케이싱 부품 (5) 으로 이루어지는 터빈 케이싱 (2)을 갖는다. 이 터빈 케이싱 (2) 에는, 축 (6) 에 의해 지지되고 가동 날개 (8)를 갖는 터빈 휠 (7) 이 회전가능하게 장착되어 있다. 압축기측에는, 축 (6) 상에 압축기 휠 (도시되지 않음) 이 배열된다.

가스-입구 케이싱 (3) 은 배기 터보과급기에 접속된 내연 기관 (도시되지 않음) 의 배기가스 (10)를 위한 유입로 (9) 와 하류에서 합류하고 있다. 이 유입로 (9) 에는, 상기 가스-입구 케이싱 (3) 과 양자의 상기 가스-출구 플랜지 (4) 및 중간 벽 (5) 사이에 노즐 링 (11) 이 확동적으로 배열되어 있다. 축 (6) 은 베어링 (12) 에 의해 베어링 하우징 (13) 내에 회전가능하게 장착되어 있다. 상기 가스-입구 케이싱 (3) 및 베어링 하우징 (13) 은 외면방향에 배열된 조임 스트랩 (14)을 매개로 서로 접속되어 있다. 상기 가스-출구 플랜지 (4) 및 가스-입구 케이싱 (3) 은 나사 (15) 에 의해 서로 해제가능하게 고정되어 있다 (도 1).

노즐 링 (11) 은 다수의 안내 날개 (18)를 매개로 서로 접속되어 있는 두 개의 환형 고정요소 (16,17) 로 이루어져 있다. 상기 노즐 링 (11)을 수용하기 위해, 터빈 케이싱 (2) 은 가스-입구 케이싱 (3) 으로부터 각각 가스-출구 플랜지 (4) 및 중간 벽 (5) 으로의 전이영역에 리세스 (19)를 갖고 있다. 이 리세스 (19) 내에는, 즉 노즐 링 (11) 과 터빈 케이싱 (2) 간에는 반경방향의 팽창 갭 (20) 이 형성되는데, 이 팽창 갭 (20) 은 노즐 링 (11) 의 축방향 및 반경방향 팽창을 허용한다. 노즐 링 (11) 의 가스-입구측에는, 고정요소 (17) 에 포위 홈 (21) 이 배열되어 배기가스 (10) 의 유동방향으로 향해 있다. 이 홈 (21) 은 이중 박판 링으로서 구성된, 즉 720°의 각을 에워싸는 밀봉장치 (22)를 수용하고 있다. 상기 이중 박판 링 (22) 은 크롬-니켈강으로 제조된 것이지만, 다른 내열재료를 사용하여도 좋다. 상기 이중 박판 링 (22) 에 대한 밀봉면 (23,24) 은 각각의 경우 상기 홈 (21) 과 터빈 케이싱 (2) 의 상기 리세스 (19) 에 배열된다 (도 2). 밀봉의 필요조건 및 공간조건에 따라서, 단일 또는 삼중 박판 링을 사용할 수도 있다.

도 3 은 도 1 에 부분적으로 도시되어 있는 이중 박판 링 (22) 의 종단면도이다. 이는 이중 박판 링을 명확히 나타내기 위해 확대하여 도시한 것이다.

끼워맞춤을 위해, 상기 이중 박판 링 (22) 은 노즐 링 (11) 과 함께 상기 리세스 (19) 의 약간 작은 외경부 (25) 상에 눌린다. 이에 의해 이중 박판 링 (22) 에 예응력이 발생되며, 결과적으로 이중 박판 링은 밀봉면 (24) 에 대해 항상 지지된다. 이중 박판 링 (22) 의 장착을 돕기 위해, 가스-입구 케이싱 (3) 영역의 리세스 (19) 에는 경사면 (26) 이 형성되어 있다.

배기 터보과급기에 접속되어 있으며 디이젤 기관으로서 구성된 내연기관의 작동중에는, 그의 배기가스 (10) 가 먼저 레이디얼 터빈 (1) 의 스파이어럴 가스-입구 케이싱 (3) 으로 흐른다. 배기가스는 가스-입구 케이싱 (3)에서 가속화되어, 최적의 유동각으로 노즐 링 (11)을 통해 터빈 휠 (7) 로 향한다. 배기가스 (10) 는 그곳에서 최종적으로 팽창한다. 이 과정에서, 배기가스는 축 (6) 과 압축기 휠을 구동하는데 작용하는 출력을 낳는다.

반경방향의 팽창 갭 (20) 의 구성 때문에, 노즐 링 (11) 은 축방향과 반경방향으로 자유롭게 팽창할 수 있다. 이 과정에서, 유입로 (9) 및 팽창 갭 (20)을 통해 작용하는 배기압력은 이중 박판 링 (22)을 홈 (21) 의 밀봉면 (23) 에 대해 항상 압박하게 된다. 따라서, 팽창 갭 (20) 이 충분히 밀봉된다. 팽창 갭 (20) 의 밀봉이 없는 변형예에 비하여 대응 벤치 테스트에서 3 포인트 까지의 효율 증대를 얻을 수 있었다.

본 발명의 제 2 실시예에서는, 포위 홈 (21) 이 가스-출구 플랜지 (4) 에 형성되어 있다 (도 4). 이에 따라 밀봉장치 (22) 의 배열의 제 2 변형예가 제공되는데, 이는 구성적인 선결조건이 적절한 경우에 사용된다. 밀봉면 (23) 이 홈 (21) 에 배열되는 것에 더하여, 제 1 실시예와는 다르게 노즐 링 (11) 의 고정요소 (17) 상에는 제 2 밀봉면 (27) 이 형성된다. 밀봉장치인 이중 박판 링 (22) 의 기능은 제 1 실시예에서와 유사하다. 물론, 상기 포위 홈 (21) 은 고정요소 (16) 에 형성하거나 또는 중간 벽 (5) 에 형성할 수도 있다. 즉, 도시하지는 않았지만 상기 노즐 링 (11) 의 가스-입구측 또는 가스-출구측에 형성할 수도 있다.

제 3 실시예를 도시한 도 5 에 따르면, 노즐 링의 고정요소 (17) 와 가스-입구 케이싱 (3) 간의 노즐 링 (11) 의 가스-입구측에는 피스톤 링으로서 구성된 밀봉장치 (28) 가 배열되어 있다. 이 피스톤 링 (28) 은 적절히 조화된 홈 (29) 에 의해 수용되어 있다. 피스톤 링 (28) 에 대한 밀봉면 (30,31) 은 각각의 경우 상기 홈 (29) 과 터빈 케이싱 (2) 의 상기 리세스 (19) 에 배열된다. 확실한 밀봉을 위해, 로크 조인트를 갖는 피스톤 링 (28) 이 사용된다 (도시되지 않음). 레이디얼 터빈 (1) 의 모든 추가 부품들은 제 1 실시예에서의 구성과 유사하다. 피스톤 링 (28) 의 기능은 이중 박판 링 (22) 의 기능에 상당하다.

상기의 교시에 비추어 볼 때, 분명 본 발명의 여러 가지의 수정과 변형이 가능하다. 그러므로, 부속 청구항의 범위내에서, 본 발명은 여기에 특별히 기재된 것과 다르게 실시될 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 터빈 케이싱과 노즐 링 사이에 반경방향의 팽창 갭을 형성하고, 이 팽창 갭내에 하나 이상의 밀봉장치를 배열한다. 또한, 적어도 노즐 링의 고정요소들중의 하나에 또는 적어도 상기 고정요소들을 에워싸는 부품들중의 하나에 상기 밀봉장치를 수용하는 포위 홈을 형성한다. 이러한 구성에 따르면, 터보과급기의 배기터빈의 노즐 링의 수명을 개선할 수 있을 뿐만아니라 일정한 효율을 보장할 수 있다.

Claims (10)

1. 가스-입구 케이싱 (3), 가스-출구 케이싱 (4), 및 하나 이상의 터빈측 케이싱 부품 (5) 으로 이루어지는 터빈 케이싱 (2) 과, 축 (6) 상에 회전가능하게 장착되고 가동 날개 (8)를 갖는 터빈 휠 (7) 과, 터보과급기에 접속된 내연 기관의 배기가스 (10)를 위해 상기 터빈 휠 (7) 의 상류의 상기 터빈 케이싱 (2) 내에 형성된 유입로 (9) 와, 상기 유입로 (9) 내에 배열되고 또한 상기 터빈 케이싱 (2) 의 리세스 (19) 내에 고정되어 상기 배기가스 (10)를 상기 가동 날개 (8) 에 보내는 노즐 링 (11)을 포함하는 터보과급기의 배기터빈으로서, 상기 터빈 케이싱 (2) 과 상기 노즐 링 (11) 사이에 반경방향의 팽창 갭 (20) 이 형성되어 있고, 이 팽창 갭 (20) 내에 하나 이상의 밀봉장치 (22,28) 가 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 링 (11) 은, 상기 리세스 (19) 내에 배열되어 다수의 안내 날개 (18)를 매개로 서로 접속된 두 개의 고정요소 (16,17) 로 이루어지고, 적어도 상기 고정요소들 (16,17) 중의 하나에는, 또는 적어도 상기 고정요소들 (16,17)을 에워싸는 상기 터빈 케이싱 (2) 의 부품들 (3,4,5) 중의 하나에는, 상기 밀봉장치 (22,28)를 수용하는 포위 홈 (21) 이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 포위 홈 (21) 이 상기 배기가스 (10) 의 유동방향으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉장치 (22,28) 는 상기 가스-입구 케이싱 (3) 과 상기 노즐 링 (11) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉장치 (22,28) 는 상기 터빈측 케이싱 부품 (5) 과 상기 노즐 링 (11) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉장치 (22,28) 는 상기 가스-출구 케이싱 (4) 과 상기 노즐 링 (11) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
7. 제 4 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉장치 (22) 는 박판 링으로서, 특히 이중 박판 링으로서 구성된 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 박판 링 (22) 은 충분한 내열성을 갖는 재료로, 특히 크롬-니켈강으로 제조된 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
9. 제 4 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉장치 (28) 는 피스톤 링으로서 구성된 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 피스톤 링 (28) 은 충분한 내열성을 갖는 재료로, 특히 크롬-니켈강으로 제조된 것을 특징으로 하는 터보과급기의 배기터빈.