KR20040002526A

KR20040002526A - 터빈

Info

Publication number: KR20040002526A
Application number: KR1020030036019A
Authority: KR
Inventors: 샤프니콜라스; 가렛트스티븐
Original assignee: 홀셋 엔지니어링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-01-07
Also published as: CN1469035A; EP1375826B1; CN1288333C; EP1375826A1; US6932565B2; GB0213910D0; US20040101402A1; JP2004019663A

Abstract

본 발명은 방사상의 블레이드를 구비하고, 축(12)를 기준으로 회전할 수 있도록 하우징(1)에 지지되는 터빈휠을 포함하는 터빈을 제공한다. 환형의 흡입통로(4)는 방사상 내측으로 터빈휠을 향하여 연장되고, 상기 흡입통로(4)는 환형의 제1 및 제2대향벽면(5, 6) 사이에서 형성된다. 환형의 베인(10) 배열은 상기 흡입통로(4)를 가로질러 연장된다. 상기 각 베인(10)은 터빈휠 블레이드에 인접하게 연장되는 트레일링 에지(10a)를 구비하되, 상기 각 베인(10)의 트레일링 에지(10a) 그 단부들 사이에 형성된 직선의 적어도 일부상의 직선으로부터 탈선된다.

Description

터빈{TURBINE}

본 발명은 터빈에 관한 것으로서, 특히, 내연기관의 터보차저에 사용하기에 적합한 형태의 터빈에 관한 것이다.

공지된 터보차저에서, 터빈 스테이지는 내부에 터빈 휠이 장착되는 터빈 챔버, 상기 터빈 챔버의 주위에 배열된 환형의 흡입통로, 상기 흡입통로 주위에 배열되는 흡입구, 및 상기 터빈 챔버로부터 연장되는 배기통로를 포함한다. 상기 통로들과 챔버는 연통되어, 상기 흡입챔버에 들어온 고압의 연소가스가 상기 흡입 통로에서 터빈 챔버를 경유하여 배기통로로 흐르게한다. 방사상으로 연장된 블레이드를 구비하는 터빈 휠이 상기 터빈 챔버에 장착되며, 가스에 의해 회전된다.

또한, 흡입통로를 통하여 터빈 휠의 회전방향으로의 가스 유동을 편향시키기 위해, 노즐 베인(nozzle vane)과 같은 베인을 제공함으로써 터빈 성능의 균형을 맞추는 것도 공지되어 있다.

터빈의 형태는 고정 또는 가변 형상일 수 있다. 가변형상 터빈은 가스 질량 유량(mass flow rate)의 범위에 따라 가스 유속을 최적화하도록 고정 티빈과 흡입통로의 크기가 가변될 수 있어서, 터빈의 출력이 가변적인 엔진에서 요구에 적절하게 달라질 수 있다. 가장 일반적인 형태의 가변 형상 엔진에서, 각 베인은 흡입통로를 가로질러 연장되는 축(일반적으로 베인의 길이에 대해 대략 한점에 정렬된다.)을 기준으로 선회하며, 베인 액츄에이팅 메커니즘은 각 베인에 링크되며각 베인들이 조화롭게 선회(pivot)하도록 하는 방식으로 배치되어, 터빈휠에 대한 가스의 접근 각도와 동일하게 가스가 유입될 수 있게 단면적을 다양하게 하기 위하여, 각 베인의 트레일링 에지(즉, 터빈휠에 가장 가까운 에지)가 인접한 베인을 향하여 또는 인접한 베인에서 멀어지도록 이동한다. 일반적으로, 이러한 배열은 스윙(swing) 베인 가변 형상 터빈이라고 불린다.

또 다른 통상적인 가변 형상 터빈에서, 일측 벽의 흡입통로는 통상적으로 노즐 링이라 불리는 이동 벽면 부재로 형성되고, 흡입통로의 대향하는 벽면에 상대적인 위치는 흡입통로의 너비를 제어하도록 조절가능하다. 예를 들면, 터빈을 통한 가스 유동의 부피가 감소되면, 흡입통로의 너비 또한 가스 속도를 조절하고 터빈 출력을 최적화하기 위해 감소된다. 몇몇 경우에, 상기 노즐 베인은 일정 위치에 고정되지만 슬롯을 통해 연장되며, 이동가능한 노즐 링 및 기타의 경우에는 베인이 이동 노즐링으로부터 흡입통로의 대향 벽면상에 설치된 슬롯으로 연장된다.

이동가능한 노즐링을 구비하는 가변 형상 터빈에서, 흡입통로에서 베인을 적어도 일부 수축시키기 위하여 흡입통로의 명목상의 총너비 내에서 노즐링을 당김으로써 노즐링을 "과개방(over-opening)"시키는 것이 공지되어 있다. 또한, 이러한 시스템을 변경하여, 노즐링으로부터 떨어진 노즐 베인의 끝단에 절개부(cut-out)를 형성하는 것도 공지되어 있다. 이것은 노즐 너비의 일부에 걸쳐 노즐링의 트레일링 에지의 길이 및 노즐 베인의 높이(베인의 높이란, 노즐링으로부터 연장된 거리를 말한다.)를 감소시킨다. 따라서, 감소된 너비를 갖고, 흡입통로를 형성하는 각 베인의 단부에, 흡입통로의 면적을 증가시키기 위하여 노즐링이 과개방된 영역이 생긴다.

상기 터빈의 형상과는 상관없이, 상기 노즐 베인은 그들이 터빈휠과 함께 회전하지 않는다는 점에서 정적이다. 이는 노즐링에 의해 야기되는 정적인 압력장(stationary pressure field)에서, 회전하는 휠 블레이드의 반작용에 의해 야기되는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기의 문제점을 제거하고 완화시키는데 그 목적이 있다.

도1a, 도1b 및 도1c는 종래의 가변 형상 터빈의 일부 일부 단면을 도시한 개략도.

도2a, 도2b 및 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 도1a 내지 도1c를 변경시킨 것을 도시한 개략도.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 두번째 종래기술에 따른 가변형상 터빈을 변경시켜 일부의 단면을 도시한 개략도.

도4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 변경된 고정 형상 터빈의 일부 단면을 도시한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 설명

1 : 하우징2 : 흡입챔버

3 : 배기통로4 : 흡입통로

5 : 노즐 링9 : 밀봉링

10a : 트레일링 에지10 : 베인

11 : 터빈 휠 블레이드14 : 노치

본 발명에 따르면, 방사상의 블레이드를 구비하고 한 축을 기준으로 회전할 수 있게 하우징에 고정되는 터빈휠; 터빈휠을 향해 내측으로 방사상으로 연장되는 환형의 흡입통로; 상기 흡입통로를 가로질러 연장되는 환형의 베인 배열을 포함하되, 상기 흡입통로는 제1 및 제2의 환형의 벽면 사이에 형성되고; 상기 베인은 터빈 휠 블레이드에 인접하게 연장되는 트레일링 에지를 각각 구비하며; 상기 각 베인의 트레일링 에지는 그 끝단에 의해 형성되는 길이부의 적어도 일부가 탈선(deviate)되는 터빈을 제공한다.

트레일링 에지 또는 트레일링 에지에 불연속점 또는 만곡부(curvature)를 형성하는 탈선(deviation)은 베인에 의해 생성된 압력장을 교란시키고, 특히 터빈 블레이드의 파손을 야기시키는 진동을 감소시킬 수 있다. 상기 불연속점 양면의 각베인의 트레일링 에지의 일부는 적어도 실질적으로 동일 직선상에 놓이며, 상기 직선은 터빈휠 블레이드의 끝단들에 의해 형성되는 라인과 실질적으로 평행한 것이 바람직하다.

도1은 나선을 형성하는 터빈하우징(1) 또는 내연기관(미도시)으로 부터의 가스가 유입되는 흡입챔버(2)를 포함하는 공지된 가변 형상 터빈의 일부를 나타낸 개략적인 단면도이다. 가스는 상기 흡입 챔버(2)로부터, 노즐링(5)의 반경면에 의해 일면이 형성되고 하우징(1)의 대향벽면에 형성되는 환형의 홈(7)의 개구를 덮는 환형의 슈라우드 플레이트(shroud plate)에 의해 타면이 형성되는 환형의 흡입통로(4)를 경유하여, 축방향 배기통로(3)로 흐른다. 상기 노즐링(5)은 터빈 하우징(1)에 형성된 환형의 공동(8) 내부에 슬라이드 가능하게 장착되며, 밀봉 링(seal ring)(9)에 의해 각각 밀봉된다. 상기 노즐링(5)은 상기 흡입통로(4)를 가로질러 노즐링(5)의 면에서 연장되는 노즐 베인의 외주면 배열을 지지한다. 각 베인(10)은 트레일링 에지(10a) 및 너비 감소부(10b)를 형성하는 노즐링(5)으로부터 떨어진 단부에서 절개된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 통상적으로 상기 베인은 그 단면이 트레일링 에지(10a)로 갈수록 테이퍼지는 에어포일 형상을 갖는다.

사용상에 있어서, 흡입챔버(2)로부터 배기통로(3)로의 가스 유동은, 축(12)을 기준을 회전함으로써 압축기 휠(미도시)을 구동하는 터보차저 샤프트(13)에 토크(torque)를 제공하는 터빈 휠(11)을 통과하게 된다. 상기 터빈휠(11)의 스피드는 환형의 흡입통로(4)를 통과하는 가스의 속도에 좌우된다. 상기 베인(10)은 가스를 터빈휠의 회전 방향으로 향하게 하기 위한 경사를 갖는다. 고정된 가스 유량을 위해, 가스 속도는 흡입통로(4)의 너비에 관한 함수가 되며, 이는 노즐링(5)의 축 위치를 제어함에따라 조절될 수 있다.(즉, 노즐링을 화살표(14)가 지시하는 바와 같이, 뒤로 이동시키는 등의 방식으로) 노즐링(5)의 이동은 적절한 액츄에이팅 수단에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 노즐링(5)은 유압에 의해 구동되는 액츄에이터(미도시)에 연결된 스터럽 부재(stirrup member)(미도시)에 의해 그 위치가 조절되는 축방향으로 연장된 핀 상에 장착될 수 있다. 상기 액츄에이터 시스템은 다양한 통상적인 형태를 취할 수 있으므로, 액츄에이터 메커니즘은 특별히 상세한 설명에 도시하거나 설명하지 않는다.

도1a에서 상기 노즐링은 상기 흡입통로(4)의 너비가 최소로 감소한 밀폐위치를 도시한다. 이러한 위치에서, 전체적으로 홈(7) 내에 수용되는 각 베인의 너비부분(10b)을 감소시키기 위하여, 상기 노즐 베인(10)의 단부가 홈(7) 내의 하우징(1)에 접하는 것을 알 수 있다.

도1b 및 도1c는 상기 노즐링이 완전개방 또는 과개방("over-open") 위치에 있는 것을 도시한 것이다. 도1b에 도시된 위치에서, 상기 노즐링(5)이 상기 공동(8)내로 일부가 후퇴하여, 상기 노즐링(5)의 면이 상기 하우징의 벽면과 동일 높이가 되고, 상기 흡입통로(4)가 최대너비가 된다. 효율을 극대화하기 위하여, 각 베인의 트레일링 에지(10a)의 길이부는, 상기 흡입통로가 도2a에 도시된 바와 같이 완전개방되는 경우, 흡입통로(4)를 가로질러 충분히 연장된다. 따라서, 이러한 위치에서 각 베인의 감소된 너비부분(10b) 만이 홈(7) 내에 수용된다.

그러나, 가변 형상 터빈의 이러한 특수한 설계에 의해, 상기 노즐링(5)을 공동(8) 내로 더욱 후퇴시켜 각 베인의 너비 감소부(10b)의 적어도 일부가 상기 홈(7)으로 신축되어 흡입통로(4) 내에 위치되게 함으로써, 흡입용량이 증가될 수 있다. 이것은 가스 유동이 증가됨에 따라 흡입통로(4)를 경유하는 가스 유동을 방해하는 베인의 총 면적을 감소시킨다. 최대 유량 위치는 도1c에 도시되어 있다.

본 명세서의 초반부에 언급되어 있듯이, 베인을 사용한 터보차저가 갖는 공지된 문제점은 베인(10)의 트레일링 에지로 후퇴된 터빈 휠 블레이드(11)의 끝단이, 응력 손상(stress damage) 및 블레이드 파괴(blade failure)를 일으키는 블레이드(11)의 공진을 야기하는 베인(10)에 의해 정적인 압력장(stationary pressure field)과 상호 작용하여 압력파를 발생시킨다는 것이다.

도2a 내지 도2c는 도1a 내지 도1c에 대응하는 도면이지만, 본 발명에 따라 블레이드의 형상을 변경한 것을 도시한 것이다. 특히, 트레일링 에지(10a)의 단부들 사이에 위치되는 노치(notch)(14)의 형태로, 이것이 없다면 각 베인의 트레일링 에지(10a)가 직선 형상이 되는, 불연속점이 제공된다. 상기 노치(14)는 압력장을 교란시키고 확장시켜, 상기 터빈 블레이드가 웨이크영역(wake)을 통과하는 것과 같은, 예리한 압력 변동을 적게 경험하도록 함으로써, 블레이드의 여기(excitation)가 감소되게 한다. 이것은 터빈 블레이드의 변형 손상(strain damage)를 효과적으로 감소시킨다. 주어진 임의의 진동모드가 흡입통로 너비의 범위를 넘어서 교차할 수 있기 때문에(여기(excitation)가 질량유량(mass flow rate), 온도 및 압력과, 통과 너비에 좌우되기 때문에), 상기 노치(14)가 더 넓은 범위의 작동 상태를 가능하게 하는 효과를 제공하도록 위치된다. 따라서, 도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이, 상기 노치는 흡입 통로의 최소 및 최대 너비 사이의 흡입통로(4)내에 위치되도록 설치된다.

도2c에 도시된 바와 같은 과개방 위치에서, 상기 노치는 하우징(1) 내의 공동(8)으로 후퇴되지만, 이러한 상태에서 각 베인의 절개부(cutaway portion)(10b) 또한 흡입 통로(4)에 노출되어, 압력장을 교란하고 터빈 휠 블레이드(11)의 변형을 감소시키는 몇가지 효과를 갖는다.

이하, 도3은 하우징의 벽면(18, 19)들 사이의 환형의 흡입통로(17)를 형성하는 하우징 내의 축(16)을 중심으로 회전가능한 터빈 휠(15)을 포함하는 스윙 베인 터빈을 형성하도록 유사하게 변경된 또 다른 종래기술을 도시한 것이다. 상기에 설명된 실시예와 같이, 배기가스가 터빈휠을 구동하기 위해 방사상 내측 방향으로 흡입통로(17)에 유입된다. 흡입 벽면(18, 19)을 통해 투영된(project) 각각의 인테그랄 축(integral axle)(21)을 갖는 베인의 환형 배열이 상기 흡입통로(17) 내에 장착된다. 상기 각 축(21)을 기준으로 하는 베인(20)의 회전을 제어하기 위해, 크랭크가 핀(23)을 통하여 액츄에이터(미도시)와 사용상 연결되는 축(20)의 일단에 제공된다. 이러한 형태의 가변 형상 터빈에서, 흡입통로(17)의 면적은 각 베인의 트레일링 에지(21)를 서로 더 가까이 위치시켜 유동통로(17)를 좁히도록 자신의 축(20)을 기준으로 각 베인을 선회시킴으로써 가변된다. 본 발명에 따르면, 터빈 휠(15)이 회전함으로써 생성된 압력장을 교란시키기 위하여, 불연속점이 상기 각 베인의 트레일링 에지(21a)의 단부를 사이에 개재됨으로써, 터빈 블레이드의 진동 및 파손이 감소된다. 전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 본 실시예의 불연속점은트레일링 에지(21a)에 형성된 노치(24)로 구성된다.

도4는 본 발명을 흡입 베인이 제공되는 통상적인 고정 형상 터보차저에 적용한 것을 도시한 것이다. 다시 말해, 상기 터빈은 흡입통로(27)를 형성하는 하우징 내의 축(26)을 기준으로 회전하는 터빈휠(25)을 포함한다. 고정 베인(28)은 본 발명에 따라 트레일링 에지(28a)에 노치(29)를 구비하며 흡입통로(27)를 가로질러 연장된다.

본 발명의 상기 각 실시예에서, 압력장을 교란하기 위해 제공되는 불연속점은 연속적인 트레일링 에지에 제공되는 노치의 형태로 이루어질 수 있다. 노치의 정밀한 위치, 윤곽 및 크기(즉, 그 너비 및 깊이)는 웨이크를 붕괴하는 현저한 효과를 가질수 있으며, 숙련자에 의해 어떤 특정한 적용에 적합하도록 노치의 특성을 최적화될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 노치의 위치, 형상 및 크기는, 설명된 바와 같이, 현저히 다양해 질 수 있다. 유사하게, 어떤 적용예에서는 하나 이상의 불연속점(즉, 하나 이상의 노치 - 트레일링 에지에서 크기/형상이 다를 수 있다.)을 구비하면 더욱 이점이 있을 수 있다.

또한, 각 베인의 트레일링 에지를 그 길이부의 적어도 일부가 에지에 노치를 형성시키는 것과 같이 직선을 탈선(deviation)하는 형상으로 형성함으로써 동일한 효과를 달성할 수도 있다. 예를 들면, 상기 트레일링 에지는 터빈 휠의 회전에 대하여 둘레 방향으로 또는(각 베인의 캠버를 그 길이방향을 따라 가변 시킴으로써 효과적이다.), 방사상 방향, 또는 그 둘다의 조합으로 만곡될 수 있다. 그러한 만곡부는 각 베인의 트레일링 에지의 전체 길이부를 따라 또는 그 길이부의 일부만을따라 제공될 수 있다.또한, 그러한 만곡된 에지들이 전술한 노치와 같은 불연속점과 결합될 수 있다.

본 발명은 터빈 휠 블레이드에 의해 쓸려 나가는 영역에 인접한 베인의 배열과 결합된 터빈에 적용될 수 있으며, 전술한 특별한 구조 및 형상에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 터빈 블레이드의 트레일링 에지에 불연속점을 형성하여, 베인에 의해 형성된 압력장을 교란시키고, 터빈 블레이드의 손상을 야기시킬 수 있는 진동을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

방사상의 블레이드를 구비하고 축을 기준으로 회전할 수 있게 하우징에 고정되는 터빈휠; 터빈휠을 향해 내측으로 방사상으로 연장되는 환형의 흡입통로; 상기 흡입통로를 가로질러 연장되는 환형의 베인 배열을 포함하되,

상기 흡입통로는 제1 및 제2의 환형의 벽면 사이에 형성되고;

상기 각 베인은 터빈 휠 블레이드에 인접하게 연장되는 트레일링 에지를 각각 구비하며;

상기 각 베인의 트레일링 에지는 그 끝단에 의해 형성되는 길이부의 적어도 일부가 탈선(deviate)되는

터빈.
제1항에 있어서,

상기 각 베인의 트레일링 에지는 그 단부의 중간에 위치되는 불연속점을 구비하는

터빈.
제2항에 있어서,

상기 불연속점 양면의 각 베인의 트레일링 에지의 일부는 적어도 실질적으로 동일 직선상에 놓이는

터빈.
제3항에 있어서,

상기 직선은 터빈휠 블레이드의 끝단들에 의해 형성되는 라인과 실질적으로 평행한

터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각 베인의 트레일링 에지는 터빈휠의 회전 축에 대하여 둘레방향 및/또는 방사상 방향의 길이부의 적어도 일부를 따라 만곡되는

터빈.
제2항에 있어서,

각 베인의 트레일링 에지에 복수개의 불연속점을 포함하는

터빈.
제2항 또는 제6항에 있어서,

상기 불연속점은 트레일링 에지에 형성되는 노치로 이루어지는

터빈.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

흡입통로의 형상이 가변적인

터빈.
제8항에 있어서,

제1벽면이 상기 흡입통로의 너비를 가변시키기 위하여 대향 벽면에 대하여 이동가능한 이동형 벽면부재로 형성되는

터빈.
제9항에 있어서,

상기 베인들은 상기 이동형 벽면부재에 의해 지지되고,

상기 대향 벽면에는 상기 베인의 단부를 수용하기 위한 홈 또는 홈들이 형성되는

터빈.
제9항에 있어서,

상기 이동형 벽면부재는 상기 대향벽면으로부터 연장되는 베인을 수용하기 위해 슬롯이 형성된(slotted)

터빈.
제8항에 있어서,

각 베인은 상기 흡입통로를 가로질러 연장되는 각 축을 기준으로 회전가능하게 장착되되, 상기 베인은, 흡입통로 내의 축을 기준으로 베인이 선회할 수 있게 배치되는, 액츄에이터와 결합되는

터빈.
실질적으로 전술한 명세서에서 설명되고, 첨부된 도면에 도시된 터빈.
전술한 항들중 어느 한 항에 따른 터빈을 포함하는 터보차저.