KR20040036656A - 압축기 휠 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠(7)의 회전축을 따라 제공되는 보어를 통해 연장되는 회전 샤프트(8)에 장착되는 압축기 휠(7)을 제공한다. 상기 휠(7)은 샤프트(8)에 키 고정(keyed)되어 샤프트의 회전이 상기 키 결합을 통해 휠의 회전을 구동한다.

Description

압축기 휠 조립체{Compressor wheel assembly}

본 발명은 압축기휠을 회전 샤프트에 조립하는 압축기횔 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저의 압축기휠 조립체에 관한 것이다.

터보차저(turbocharger)는 대기압 이상의 압력 (부스트(boost)압력)으로 내연기관의 흡입구에 공기를 제공하는 장치로 잘 알려져 있다. 종래의 터보차저는 기본적으로 터빈 하우징 내부에 회전가능한 축에 설치된 배기가스 유도 터빈 휠을 포함한다. 터빈 휠의 회전은 압축기 하우징 내의 축의 타단에 장착된 압축기 휠을 회전시킨다. 상기 압축기 휠은 엔진의 흡입 매니폴드(manifold)로 압축공기를 공급함으로써 엔진출력을 증가시킨다. 상기 축은, 저널(journal)과, 터빈과 압축기 휠 하우징 사이에 연결된 중앙 베어링 하우징 내부에 위치한 스러스트 베이링에 의해 지탱된다.

종래의 압축기 휠은, 터보차저 샤프트 일단을 수용하기 위한 보어(bore)가 구비된 중앙 허브(hub)로부터 연장된 일렬의 블레이드(blade)를 포함한다. 상기 압축기휠은 그 압축기휠을 통해 연장하는 샤프트의 일단으로 나사결합하는 너트에 의하여 샤프트에 고정되며, 샤프트 쇼울더(shoulder)(또는 상기 샤프트와 회전하며, 방사상으로 연장하는 다른 인접부)에 대하여 상기 휠을 클램핑(clamping)하도록 상기 휠의 노즈(nose) 단부에 지지된다. 휠 균형(balance)을 무너뜨닐 수 있는 샤프트의 휠의 미끄러짐을 방지하기에 충분한 클램핑힘을 제공하는 것이 중요하다. 불균형한(unbalanced) 휠은, 진동이 증가하면, 최소한 휠의 작동 수명을 단축시킬 수 있고, 최악의 경우에는 심각한 파손이 초래될 수 있다.

최근의 터보차저의 성능으로 요구하는 것은 주어진 규격의 터보차저로부터 증가되는 회전속도, 예를 들면 100,000rpm을 초과하는 회전속도를 유도하는 기류(airflow)를 증가시키는 것이다. 이러한 높은 회전속도에 상응하기 위하여, 예를 들면 터보차저 베어링 및 터보차저 샤프트의 직경이 최소화 되어야 한다. 그러나, 상기 샤프트가 휠의 미끄러짐을 방지하기 위해 요구되는 큰 클램핑 힘을 견뎌야하기 때문에, 상대적으로 작은 직경의 샤프트의 이용은 종래 압축기휠 장착 조립체에서는 문제가 있다. 따라서, 예를들면 견딜 수 있는 클램핑 하중과 같은, 샤프트의 강도에 의해 샤프트에 장착될 압축기 휠의 무게(mass)가 제한될 수 있다.

상기 문제점은 종래에 사용되었던 알루미늄 합금보다 밀도가 더 큰 티타늄(Titanium)과 같은 높은 성능의 재료를 요구함으로써 지속적인 터보차저 개발이 더욱 어려워진다. 이러한 재료들의 증가된 관성은 특히, 과도(transient) 작동 상태에서 압축기 휠이 급속히 가속되는 동안 압축기 휠의 미끄러짐을 증가시키기 쉽다. 종래기술에 따른 조립체 장착 압축기 휠에 요구되는 클램핑 힘은 샤프트가 견딜 수 있는 범위를 넘는 것이 당연하다.

상기 문제점을 해결하기 위한 방법 중에 하나는 미국특허 제4,705,463에서 제시된 바와 같은 "보어 없는(bore-less)" 압축기휠을 이용하는 것이다. 이에 있어서, 짧아진 터보차저 샤프트의 나사 형성 단부를 수용하기 위하여 압축기휠에 상대적으로 짧은 나사형성 보어만을 갖는 압축기휠이 제공된다. 그러나, 이러한 조립체는 상기 압축기휠과 샤프트 사이의 나사 결합과 이러한 결합에서 야기되는 틈으로 인하여 요구되는 동일 중심성의 정도를 유지하기가 어려워질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 제반의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이다.

도1은 터보차저의 주요 구성부 및 종래 압축기휠 조립체를 도시한 종래 터보차저의 축단면도.

도2는 본 발명에 따른 압축기 휠 조립체의 단면도.

도3은 고정 너트와 와셔를 제거한 도2의 압축기 휠 조립체의 노즈부의 평면도.

도4는 도2 및 도3의 압축기 휠 조립체의 드라이브 와셔를 도시한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 설명

1 : 터빈5 : 터빈 휠

2 : 압축기20 : 샤프트

22 : 압축기 휠23 : 원추형 홈

26 : 드라이버 와셔29 러그

30 : 플랜지 너트

본 발명은 회전 샤프트에 장착되는 압축기 휠을 포함하는 압축기 휠 조립체에 있어서, 상기 샤프트가 휠의 회전 축을 따라 제공되는 보어를 따라 연장되고, 상기 휠이 상기 축에 키 고정되어 샤프트의 회전이 상기와 같은 키 고정(keying engagement)을 통한 휠의 회전을 유도하는 압축기 휠 조립체를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 압축기 휠의 구동력이 샤프트와 휠 사이의 양호한 상호 체결 결합을 통해 제공된다. 상기 휠은 종래기술과 같이 샤프트의 일단에 나사 너트에 의해 키 고정된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 상기 너트에 의해 제공되는 클램핑 힘은 샤프트를 따른 휠의 축방향 이동을 방지하는데 필요하다. 그러나, 필요하다면, 클램핑 힘은 구동 하중을 보장하는 키 고정을 돕기에 충분히 클 수 있다.

상기 휠은 직접 또는 간접적으로 상기 샤프트에 키 고정될 수 있다.

상기 휠은 휠 및 샤프트에 제공되는 키 형태(keying formation)를 상호결합하는 키 부재를 통해 샤프트에 간접적으로 키 고정되는 것이 바람직하다. 키 형태의 바람직한 형상은 샤프트를 수용하기 위해, 상기 너트와 휠 사이의 상기 축 주위에 배치되는 내측 홈을 갖는 드라이브 와셔이며, 상기 드라이브 와셔는 상기 샤프트와 휠의 키 형태를 서로 결합하는 내측 및 외측 키 형태를 구비한다.

본 발명의 바람직한 특징들이 아래의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예가 첨부되는 도면을 참고로하여 예를 통해 설명될 것이다.

우선 도1을 참고로하면, 도1은 종래의 구심형 터보차저의 기본적인 구성을 도시한 것이다. 상기 터보차저는 중앙 베어링 하우징(3)을 통해 압축기(2)에 연장되는 터빈(1)을 포함한다. 상기 터빈(1)은 터빈휠(5)을 수용하는 터빈 하우징(4)을 포함한다. 유사하게, 상기 압축기(2)는 압축기 휠(7)을 수용하는 압축기 하우징(6)을 포함한다. 상기 터빈 휠(5) 및 압축기 휠(7)은 상기 베어링 하우징(3) 내의 베어링 조립체(9)에 지지되는 공통 샤프트(common shaft)(8)의 양단에 장착된다.

상기 터빈 하우징(4)에는 배기 가스 흡입구(10) 및 배기가스 배출구(11)가 제공된다. 상기 흡입구(10)는 유입되는 배기가스가 터빈 휠(5)을 둘러싸는 환형의 흡입 챔버(12)로 유입되는 방향으로 이루어진다. 상기 배기가스는 상기 터빈을 통해 터빈휠(5)과 동축인 원형의 배출 개구를 경유하여 배기구(11)로 흐른다. 상기 터빈 휠(5)의 회전은, 축방향 흡기구(13)을 통해 공기를 끌어당기며 환형의 배출 볼루트(outlet volute)(14)를 경유하여 엔진 흡기구로 압축공기를 전달하는 압축기 휠(7)을 회전시킨다.

압축기 휠을 더욱 상세하게 설명하면, 상기 압축기 휠은 샤프트(8)의 일단을 수용하는 보어를 통해 제공되는 중앙 허브(16)로부터 연장되는 복수개의 블레이드(14)를 포함한다. 상기 샤프트(8)는 압축기 휠(7)의 노즈로부터 약간 연장되며, 스러스트 베어링(thrust bearing)과 오일 실(oil seal) 조립체(18)에 대하여 압축기 휠을 클램프하기 위하여, 압축기 휠 노즈에 대항하여 견디는 너트(17)를 수용하기 위하여 나사가 형성된다. 상기 스러스트 베어링/오일 실 조립체의 상세구성은 다양해 질 수 있고 압축기 휠 장착 배열을 이해하는데 중요하지 않다. 기본적인 것은 너트(17)에 의해 적용되는 클램핑 힘에 의해 샤프트(8)에서 상기 압축기 휠(7)이 미끄러지지 않는다는 것이다.

전술한 종래기술의 압축기 휠 조립체와 관련한 문제들이 본 명세서의 도입부에서 논의되었다.

도2 및 도3은 본 발명에 따른 압축기 휠 어셈블리의 일 예를 도시한 것이다. 상기 터보차저 샤프트(20)는 샤프트(20)의 나사 끝단에 제공되는 두 대향하는 평면(flat)(21)을 제공함으로써 변경될 수 있다. 상기 평면(21)은 예를들면 상기 샤프트(20)의 끝단으로 가공될 수 있다. 압축기 휠(22)의 노즈는 샤프트(20)를 수용하는 보어(24)를 통한 압축기 휠보다는 더 큰 지름을 갖는 홈(23)을 제공하기 위하여 원추형으로 홀이 형성될 수 있다. 주위에 4개의 동일 면적을 같는 슬롯 또는 홈(25)이 상기 원추형 홈(23)으로부터 원추형으로 연장되는 압축기 휠(22)의 노즈에 제공된다.

드라이버 와셔(26)(도4에 독립적으로 도시)가 샤프트(20)를 둘러싸며 상기홈(23) 내에 위치된다. 상기 드라이버 와셔(26)는 상기 샤프트(20)에 제공되는 평면(21)과 결합하는 두 대향 평면(28)을 갖는 비원형의 중앙 홀(27)을 갖는다. 두개의 반대로 위치된 두개의 러그(29)가 상기 드라이버 와셔(26)의 원형 외주로부터 방사상으로 연장되고, 상기 압축기 휠(22)의 홈이 형성된 노즈에 제공되는 반대로 위치된 슬롯(25)내에 결합된다. 상기 드라이버 와셔(26)는 샤프트(20)의 끝단에 나사겨합된 플랜지 너트(flanged nut)(30)에 의해서 위치가 지지된다.

따라서, 상기 압축기 휠(22)은 키 부재로서 작동하는 드라이버 와셔(26)를 통해 샤프트(20)에 키 고정된다. 또한, 상기 샤프트(20) 및 휠(22)은 상호결합되고, 함께 회전하여야 한다. 따라서, 상기 샤프트(20)의 회전에 따라 휠(22)이 미끄러질 가능성이 없다. 이것은 드라이버 와셔(26)가 적절한 위치를 유지하고 샤프트(20)를 따른 휠(22)의 축방향 운동을 방지하는데만 충분하도록 필요한 너트(29)에 제공되는 클램핑 힘을 요구하지 않게 한다(또는 적어도 감소시킨다). 그러나, 너트(29)에 의해 제공되는 클램핑 힘은 드라이브 와셔(26)의 키 고정 작용을 유지하고 구동 하중을 공유하기 위하여 요구된다.

예를들면, 휠(22)의 내측면(inboard side)에서 와는 반대로, 휠(22)의 노즈부에서 샤프트(20) 및 휠(22) 사이의 상호결합이 키 고정되는 것은, 상기 휠(22)의 노즈부가 휠의 내측(inboard)보다 더 냉각되기 때문에, 응력파손의 가능성을 현저히 감소시킨다.

전술한 본 발명의 실시예의 세부 구성들은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 샤프트의 끝단에 제공되는 평면의 수가 변할 수 있다. 예를들면, 단지 하나또는 둘 이상의 평면이 제공될 수 있다. 유사하게, 드라이버 와셔에 제공되는 러그 및/또는 압축기 휠의 노즈에 제공되는 슬롯의 수가 달라질 수 있다. 압축기 휠 조립체의 균형을 돕기 위해, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수개의 많은 교번적인 압축기 휠 장착 각도 위치(angular mounting) 가 제공되도록 하기 위하여, 상기 러그는 적어도 하나 또는 그 이상의 복수개로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 구동 하중을 분배하기 위하여, 압축기 휠과 드라이버 와셔/터보차저 샤프트 사이에 복수개의 키 고정을 갖게 하는 것이 바람직하다.

상기 드라이버 와셔 및 샤프트에 제공되는 키 형태와 휠은 그 설명과 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 압축기 휠에는 방사상 내측으로 돌기기 제공될 수 있고, 상기 드라이브 와셔에는 상기 돌기를 수용하기 위해 외측 면에 형성되는 홈들이 제공될 수 있다. 또한, 드라이브 와셔의 외주에는 압축기 휠 보어 내에 형성되는 적절한 형태(평면부와 같은)를 결합하기 위한 평면이 제공될 수 있다. 유사하게, 드라이브 와셔의 돌기와 샤프트의 홈과 같은 키 고정의 다른 형상들이 제공될 수 있다. 다른 변형들이 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 용이하게 고안될 수 있다.

상기 드라이브 와셔(26) 대신에 다른형태의 키 부재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 복수개의 키 부재가 샤프트 및 압축기 휠에 제공되는 각각의 형태들 사이를 상호결합하기 위해 제공될 수 있다. 예를들면, 샤프트 및 압축기 휠 모두 서로 레지스터(register)되는 슬롯 등이 제공되어, 정렬된 슬롯/홀 사이에서 연장되는 각각의 키 부재의 정렬이 회전에 의해 정렬로부터 벗어나는 것을 방지한다. 그러나,이러한 배열들은 구성 및 조립이 키 부재의 드라이브 와셔의 간단한 형태보다 더 복잡하다.

또한 본 발명은 압축기 휠과 터보차저 샤프트 사이에 분리된 키 부재 없이도 직접 키 고정하여 실시될 수 있다. 예를 들면, 휠의 내부 보어 및 샤프트에는 직접적인 상호결합 키 형태가 제공될 수 있다. 예를 들면, 휠의 노즈부에는 방사상 내측으로 연장되며, 샤프트 끝단에 가공되는 평면, 또는 홈과 결합하는 돌기(protuberance)가 제공될 수 있다. 이러한 배열은 보어가 뚫려진 압축기 휠 보다는 성형된(cast) 중심 보어를 구비하는 압축기에 더욱 적용이 용이하다.

본 발명은 어떤 특정 압축기의 형태 또는 베어링 내측 조립체 등에만 적용되도록 한정되는 것은 아니다. 이와 유사하게, 본 발명은 터보차저 압축기 휠에의 적용만으로 한정되는 것은 아니고, (벨트 구동 압축기 휠 등과 같은) 내연기관 엔진의 수퍼차저(supercharger)의 여러 형태를 포함하는 다른 종류의 압축기 휠에도 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 압축기 휠과 샤프트 사이를 키부재(keying member)를 이용하여 키 고정하여, 샤프트 또는 압축기 휠이 축방향으로 움직이지 않게함은 물론, 회전에 의한 미끄러짐을 방지할 수 있어서 압축기 회전의 균형을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 회전 샤프트에 장착되는 압축기 휠을 포함하는 압축기 휠 조립체에 있어서,

   상기 샤프트가 휠의 회전 축을 따라 제공되는 보어를 따라 연장되고,

   상기 휠이 상기 축에 키 고정되어 샤프트의 회전이 상기와 같은 키 고정(keying engagement)을 통한 휠의 회전을 유도하는

   압축기 휠 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 휠은,

   샤프트의 일단에 나사결합되며, 접합부에 대해 휠을 클램프하여, 샤프트를 따라 휠이 축방향으로 이동하는 것을 방지하기 위해 휠의 노즈부를 직접적 또는 간접적으로 지탱하는 너트에 의해 샤프트가 유지되는

   압축기 휠 조립체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 휠은 상기 휠 및 샤프트에 제공되는 키 형태를 상호 결합시키는 키 부재를 통해 샤프트에 간접적으로 키 고정되는

   압축기 휠 조립체.
4. 제4항에 있어서,

   상기 키 형태는 샤프트를 수용하기 위해, 상기 너트와 휠 사이의 상기 축 주위에 배치되는, 내측 홈을 갖는 드라이브 와셔이며,

   상기 드라이브 와셔는 상기 샤프트와 휠의 키 형태를 서로 결합하는 내측 및 외측 키 형태를 구비하는

   압축기 휠 조립체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 샤프트 키 형태는 샤프트의 둘레에 제공되는 하나 이상의 평면부를 포함하며,

   드라이브 와셔의 내측 키 형태는 와셔 홀의 직선부를 포함하는

   압축기 휠 조립체.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 휠 키 형태는

   휠 내측으로 방사상으로 연장되는 홈을 포함하고

   드라이브 와셔의 외측 키 형태는 상기 홈과 결합하는 방사상의 돌기를 포함하는

   압축기 휠 조립체.
7. 전술한 항들 중 한 항에 있어서,

   휠의 균형을 돕기 위하여, 샤프트 상에 휠의 상대적인 각도 위치를 제공할 수 있는 압축기 휠 및/또는 샤프트 상의 복수개의 키 형태가 제공되는

   압축기 휠 조립체.
8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 키 부재에는 휠 균형을 돕기 위하여 샤프트에 대한 휠의 회전 위치를 제공할 수 있는 복수개의 내측 및/또는 외측 키 형태가 제공되는

   압축기 휠 조립체.
9. 제4항 내지 제8항에 있어서,

   상기 압축기 휠의 노즈부는 상기 드라이브 와셔를 수용하기 위하여 원추형홈이 형성되는

   압축기 휠 조립체.
10. 전술항 항들 중 어느 한 항의 압축기 휠 조립체를 포함하는 터보차저.