KR20030055545A - 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치 - Google Patents

Abstract

터빈 블레이드의 중공부 내에서 블레이드의 리딩 에지 부분을 집중 냉각시킴과 동시에, 블레이드 표면의 발산홀과 함께 공기의 배출을 원활하도록 별도의 배출슬롯을 구성하여 블레이드의 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치를 제공할 목적으로,

회전축 내부에 축방향을 따라 공기 유입홀을 형성하고, 상기 터빈의 각각의 터빈 블레이드에는 그 내부를 상기 공기 유입홀과 공기 분사홀로 연결되는 중공부로 형성하며, 블레이드 표면에는 상기 중공부와 연결되는 다수개의 발산홀을 가공하여 이루어지는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에서,

상기 터빈 블레이드의 중공부 내부에는 블레이드 내면과 소정간격 이격되어 회전축 상에 설치되며, 상기 회전축 상의 공기 분사홀을 통하여 공급되는 공기를 상기 터빈 블레이드의 중공부 내의 리딩 에지 부분을 향하여 분사할 수 있도록 일측에 개구부를 갖는 중공체로 구성되는 공기 분사부재와; 상기 공기 분사부재를 통하여 터빈 블레이드의 중공부로 공급되는 공기를 블레이드 표면의 발산홀과 함께 발산 배출시킬 수 있도록 터빈 블레이드의 트레일링 에지 일측으로 구성되는 배출슬롯을 포함하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치를 제공한다.

Description

차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치{TURBINE BLADE COOLING DEVICE OF TURBO CHARGER FOR VEHICLES}

본 발명은 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈 블레이드의 중공부 내에 별도의 공기 분사부재를 구성하여 블레이드의 리딩 에지 부분을 집중 냉각시킴과 동시에, 블레이드 표면의 발산홀과 함께 공기를 발산 배출시킬 수 있도록 트레일링 에지 부분에 길이방향으로 배출슬롯을 구성하여 블레이드의 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에 대기압보다 높은 압력으로 흡입공기를 송입하여 과급하면, 배기량이 같은 엔진의 조건에서 다량의 흡입공기를 충전할 수 있으며, 이에 따라 연료 분사량을 증가시키면 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는바, 이를 위해 배기가스가 배출될 때의 유속과 압력에 의해 터빈을 회전시키고, 이 터빈과 회전축으로 연결된 임펠러에 의해 공기를 흡입한 후, 가압하여 실린더에 급송하는 터보차져 (Turbo Charger)를 엔진에 장착하여 출력을 높이기 위한 수단으로 사용하고 있다.

최근에는 차량의 고성능화에 기인하여 엔진 출력 향상의 일환으로 가솔린 엔진에도 터보차져를 장착하는 사례가 증가하고 있다.

그러나 터보차저 엔진의 경우 출력 증대를 위해 많은 연료가 소요됨으로 값이 싼 경유를 사용하는 디젤엔진의 경우, 큰 부담이 없으나 값이 비싼 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 엔진의 경우 원유가 상승에 따라 연비향상에 대한 관심이 증대되고 있는 추세이다.

도 1은 일반적인 터보차져가 적용된 터보차져 시스템의 구성도로서, 터보차져(1)는 엔진 폭발후 발생되는 배기가스의 유속과 압력으로 터빈(3)을 회전시키게 된다.

이에 따른 터빈(3)의 회전시, 동일 회전축(5) 상의 타단에 구성된 임펠러(7)가 회전하여 에어 클리너(9)를 통해 유입된 공기를 엔진의 연소실(11) 내부로 밀어 넣음으로서, 흡입공기를 과급시켜 공기 충진율을 높이게 되며, 이에 따라 엔진의 출력 향상 및 배기가스 저감을 도모하게 된다.

그런데, 상기 터보차져(1)의 장착에 따른 엔진 성능의 향상과 아울러 배기가스 온도는 더욱 높아지게 됨으로 고온의 배기가스에 노출되는 터빈(3)의 블레이드가 열변형을 일으키게 되는 경우가 있어 터보차져(1)의 내구성을 저하시키는 원인이 되고 있다.

이를 해결하기 위하여 종래 터빈의 블레이드를 냉각하는 방법의 하나로, 도 5와 도 6에서 도시한 바와 같이, 발산냉각(Transpiration Cooling)방식을 적용하여 왔는데, 상기한 발산냉각방식은 회전축(105) 내부에 축방향을 따라 공기 유입홀(113)을 형성하고, 상기 회전축(105)상의 일측에 장착되는 각각의 터빈 블레이드(115)는 그 내부를 중공부(117)로 형성하며, 블레이드(115) 표면에는 상기 중공부(117)와 연결되는 다수개의 발산홀(119)을 가공하여 구성한다.

그리고 상기 공기 유입홀(113)의 상기 터빈(103) 측 선단은 외경방향으로 상기 각각의 터빈 블레이드(115)의 중공부(117)와 각각 공기 분사홀(121)을 통하여 연결한다.

따라서, 엔진 폭발후 배출되는 배기가스의 유속과 압력으로 상기 터빈(103)이 회전하면, 동일 회전축(105) 상의 타단에 구성된 임펠러(107)가 회전하여 에어 클리너(미도시)를 통해 유입된 공기를 엔진의 연소실(미도시) 내부로 밀어 넣게 되며, 동시에, 상기 회전축(105) 내부의 공기 유입홀(113)을 통하여 상기 임펠러(107) 측으로부터 공기가 유입되어 공기 분사홀(121)을 통하여 각각의 터빈 블레이드(115) 내부의 중공부(117)에 외부로부터의 냉각공기를 공급하게 된다.

그러면, 상기 터빈 블레이드(115)의 중공부(117)에 공급되는 공기는 블레이드(115) 표면의 발산홀(119)을 통하여 외부로 발산되면서 블레이드(115)를 냉각시키게 되는 것이다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 발산냉각방식에 의하면, 전체적인 블레이드의 냉각을 이룰 수 있는 이점이 있는 반면, 장시간 운전될 경우에는 블레이드의 발산홀(Transpiration hole)의 크기가 너무 작기 때문에 블레이드 내부의 차가운 공기가 블레이드 외부로 신속하게 순환되지 않으므로 시간이 지날수록 냉각효율이 떨어지는 단점이 있으며, 이에 따라 장시간 운전을 지속하게 되면, 블레이드가 가열되어 블레이드 자체의 온도 때문에 블레이드 내부로 공급되는 공기의 온도가 동반 상승하여 냉각효율이 극도로 나빠지게 되는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 앞에서 언급한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 터빈 블레이드의 중공부 내에서 블레이드의 리딩 에지 부분을 집중 냉각시킴과 동시에, 블레이드 표면의 발산홀과 함께 공기의 배출을 원활하도록 별도의 배출슬롯을 구성하여 블레이드의 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 차량용 터보차져가 적용된 터보차져 시스템의 전체 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치가 적용된 터보차져의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치가 적용된 터빈 블레이드의 부분 사시도이다.

도 4는 도 3의 A-A선에 따른 터빈 블레이드의 단면도이다.

도 5는 종래 기술에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치가 적용된 터보차져의 단면도이다.

도 6은 종래 기술에 따른 터빈 블레이드의 단면도이다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명은 일단에 터빈이 장착되며, 타단에는임펠러가 장착되는 회전축 내부에 축방향을 따라 공기 유입홀을 형성하고, 상기 터빈의 각각의 터빈 블레이드에는 그 내부를 상기 공기 유입홀과 공기 분사홀로 연결되는 중공부로 형성하며, 블레이드 표면에는 상기 중공부와 연결되는 다수개의 발산홀을 가공하여 이루어지는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에서,

상기 터빈 블레이드의 중공부 내부에는 블레이드 내면과 소정간격 이격되어 회전축 상에 설치되며, 상기 회전축 상의 공기 분사홀을 통하여 공급되는 공기를 상기 터빈 블레이드의 중공부 내의 리딩 에지 부분을 향하여 분사할 수 있도록 일측에 개구부를 갖는 중공체로 구성되는 공기 분사부재와;

상기 공기 분사부재를 통하여 터빈 블레이드의 중공부로 공급되는 공기를 블레이드 표면의 발산홀과 함께 발산 배출시킬 수 있도록 터빈 블레이드의 트레일링 에지 일측으로 구성되는 배출슬롯을 포함하며,

상기 공기 분사부재에 형성되는 개구부는 상기 터빈 블레이드의 중공부 내의 리딩 에지 부분을 향하여 길이방향으로 개구되는 분사슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 하고,

상기 배출슬롯은 상기 터빈 블레이드에 배기가스가 직접적으로 닿지 않는 저압측 표면의 트레일링 에지에 근접하여 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하. 본 발명의 일실시예에 의한 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치가 적용된터보차져의 단면도로서, 본 발명에 의한 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치는 상기 도 1에서 도시한 바와 같은 구성의 터보차져에 적용되어 고온의 배기가스에 노출되는 터빈(3)의 블레이드가 열변형되지 않도록 이를 냉각시키는 것으로, 회전축(5) 내부에 축방향을 따라 공기 유입홀(13)을 형성하고, 상기 회전축(5)상의 일측에는 다수개의 터빈 블레이드(15)가 장착된다.

이 때, 상기 각각의 터빈 블레이드는 그 내부를 중공부(17)로 형성하고, 터빈 블레이드(15) 표면에는 상기 중공부(17)와 연결되는 다수개의 발산홀(19)을 가공하여 구성한다.

그리고 상기 공기 유입홀(13)은 상기 터빈(103) 측 선단이 외경방향으로 상기 각각의 터빈 블레이드(15)의 중공부(17)와 각각 공기 분사홀(21)을 통하여 연결된다.

또한, 본 발명에 의하면, 도 3과 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 터빈 블레이드(15)의 중공부(17) 내부에는 중공부 내면과 소정간격 이격되어 회전축(5) 상에 공기 분사부재(23)가 설치된다.

이 때, 상기 공기 분사부재(23)는 상기 회전축(5) 상의 공기 분사홀(21)을 통하여 공급되는 공기를 상기 터빈 블레이드(15)의 중공부(17) 내의 리딩 에지(25) 부분을 향하여 분사할 수 있도록 일측에 개구부(27)를 갖는 중공체로 구성된다.

여기서, 상기 공기 분사부재(23)에 형성되는 개구부(27)는 상기 터빈 블레이드(15)의 중공부(17) 내의 리딩 에지(25) 부분을 향하여 길이방향으로 개구되는 분사슬롯으로 이루어진다.

그리고 상기 공기 분사부재(23)를 통하여 터빈 블레이드(15)의 중공부(17)로 공급되는 공기를 블레이드(15) 표면의 발산홀(19)과 함께 발산 배출시킬 수 있도록 터빈 블레이드(15)의 트레일링 에지(29) 일측으로 배출슬롯(31)을 형성하되, 상기 배출슬롯(31)은 상기 터빈 블레이드(15)에 배기가스가 직접적으로 닿지 않는 저압측 표면(33)의 트레일링 에지(29)에 근접하여 길이방향으로 형성된다.

미설명 부호 35는 상기 터빈 블레이드(15)에서, 배기가스가 직접적으로 닿지 않는 저압측 표면(33)에 대하여 그 반대측 표면으로, 배기가스가 직접적으로 닿는 터빈 블레이드(15)의 고압측 표면을 나타낸다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치의 작동을 살펴보면, 엔진 폭발후 배출되는 배기가스의 유속과 압력으로 상기 터빈(3)이 회전하면, 동일 회전축(5) 상의 타단에 구성된 임펠러(7)가 회전하여 에어 클리너(미도시)를 통해 유입된 공기를 엔진의 연소실(미도시) 내부로 밀어 넣게 되며, 동시에, 상기 회전축(5) 내부의 공기 유입홀(13)을 통하여 상기 임펠러(7) 측으로부터의 외부공기가 유입되어 공기 분사홀(21)을 통하여 각각의 터빈 블레이드(15) 내부의 중공부(17)에 구성되는 상기 공기 분사부재(23)의 내부로 유입된다.

이 때, 상기 공기 분사부재(23)로 유입되는 외부공기는 그 개구부(27)을 통하여 상기 터빈 블레이드(15)의 중공부(17) 내면의 리딩 에지(25) 부분을 향하여 분사되어 상기 리딩 에지 부분은 집중적으로 냉각시키게 되며, 동시에 상기 공기는 블레이드(15) 표면의 발산홀(19)과 함께, 터빈 블레이드(15)의 저압측 표면(33)의일측에 형성된 분출슬롯(31)을 통하여 외부로 발산되면서 터빈 블레이드(15)를 전체적으로 냉각시키게 되는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 의한 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치를 통하여 터빈 블레이드(15)를 냉각시키게 되면, 차가운 공기를 터빈 블레이드(15)의 리딩 에지(25) 부분에 집중적으로 공급하여 이 부분의 냉각효율을 극대화시킨다.

또한, 상기 리딩 에지(25) 부분을 냉각한 후, 선회하는 공기를 터빈 블레이드(15)의 발산홀(19)과 분출슬롯(31)을 통하여 원활하게 배출되도록 함으로서, 다시 차가운 냉각공기의 유입을 도와 냉각공기의 순환을 최적화하며, 전체적인 터빈 블레이드(15)의 냉각효율을 높이게 되는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에 의하면, 터빈 블레이드의 중공부 내에 공기 분사부재를 추가하여 블레이드의 리딩 에지 부분을 집중 냉각시킴과 동시에, 블레이드 표면의 발산홀과 별도의 배출슬롯을 통하여 공기의 배출이 원활하여 공기의 순환이 최적화됨으로 터보차져가 장시간 운전될 경우에도 차가운 공기가 블레이드의 내부에서 외부로 신속하게 순환되어 냉각효율을 최상으로 유지하며, 이에 따른 블레이드의 열변형을 방지할 수 있으며, 배기가스의 온도상승에도 안전하게 터보차져를 사용할 수 있으며, 터빈의 효율도 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 일단에 터빈이 장착되며, 타단에는 임펠러가 장착되는 회전축 내부에 축방향을 따라 공기 유입홀을 형성하고, 상기 터빈의 각각의 터빈 블레이드에는 그 내부를 상기 공기 유입홀과 공기 분사홀로 연결되는 중공부로 형성하며, 블레이드 표면에는 상기 중공부와 연결되는 다수개의 발산홀을 가공하여 이루어지는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치에 있어서,

   상기 터빈 블레이드의 중공부 내부에는 블레이드 내면과 소정간격 이격되어 회전축 상에 설치되며, 상기 회전축 상의 공기 분사홀을 통하여 공급되는 공기를 상기 터빈 블레이드의 중공부 내의 리딩 에지 부분을 향하여 분사할 수 있도록 일측에 개구부를 갖는 중공체로 구성되는 공기 분사부재와;

   상기 공기 분사부재를 통하여 터빈 블레이드의 중공부로 공급되는 공기를 블레이드 표면의 발산홀과 함께 발산 배출시킬 수 있도록 터빈 블레이드의 트레일링 에지 일측으로 구성되는 배출슬롯과;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 공기 분사부재에 형성되는 개구부는

   상기 터빈 블레이드의 중공부 내의 리딩 에지 부분을 향하여 길이방향으로 개구되는 분사슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 배출슬롯은

   상기 터빈 블레이드에 배기가스가 직접적으로 닿지 않는 저압측 표면의 트레일링 에지에 근접하여 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 터보차져의 터빈 블레이드 냉각장치.