KR20040036657A - 압축기 휠 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압축기휠 조립체는 휠의 회전축을 따라 제공되는 보어를 통해 연장하는 회전 샤프트(8)에 장착된 압축기휠(7)을 포함한다. 상기 보어는 상기 샤프트의 직경에 대응하는 제1축부(21) 및 확장된 직경의 제2축부(22)를 구비함으로, 상기 보어의 제2축부(22)는 상기 샤프트(8)로부터 반경방향으로 소정 공간을 갖는다.

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.

최근의 터보차저 성능으로 요구되는 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, 상대적으로 작은 직경의 샤프트의 이용은 종래 압축기휠 장착 조립체에서는 문제가 있다. 즉, 요구되는 정밀도를 만족하도록 압축기휠을 관통하는 충분히 좁은 보어를 제작하기에는 어려울 수 있기 때문이다(휠이 균형있게 회전되기 위해서, 상기 보어는 휠의 회전축에 대하여 동축을 이루어야 한다). 상기 보어의 직경이 감소됨에 따라, 이에 대응하여 그 크기도 감소되며, 따라서 상기 보어의 제작에 요구되는 제작도구의 내구성도 감소된다. 상기 요구되는 정확도가 달성되더라도, 증가하는 제작시간과 제작기구의 마모를 고려할 때, 제작과정이 비경제적일 수 있다.

상기 문제점은 종래에 사용되었던 알루미늄 합금보다 한층 가공하기 어려운 타이타늄과 같은 높은 성능의 재료를 요구함으로써 지속적인 터보차저 개발이 더욱 어려워진다.

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.

따라서, 본 발명은 전술한 제반 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

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

도2는 본 발명에 따른 압축기휠 조립체를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 터빈2: 압축기

3: 베어링 하우징4: 터빈 하우징

5: 터빈휠6: 압축기 하우징

7: 압축기휠8: 회전 샤프트

9: 베어링 조립체10: 흡입구

21: 제1축부22: 제2축부

본 발명은, 회전 샤프트에 장착되는 압축휠을 포함하고, 상기 샤프트는 휠의 회전축을 따라 제공된 보어를 통해 연장되며, 상기 보어는 샤프트의 직경에 대응하는 직경의 제1축부 및 확장된 직경의 제2축부를 구비하여, 상기 보어의 제2축부 내면은 샤프트로부터 반경방향으로 공간을 갖는 압축기휠 조립체를 제공한다.

상기 휠은 보어의 제1축부만으로 샤프트상에서 지지된다. 상기 보어의 제1축부는 요구되는 정밀도가 용이하게 유지될 수 있도록 휠 축의 길이를 따라 요구되는 직경으로 제작될 수 있다. 상기 보어의 나머지 부분은, 휠을 샤프트 상에 동축으로 장착하는데 간섭되지 않도록 단순히 확장된다.

또한, 본 발명은 상기한 바와 같은 압축기휠 조립체를 포함하는 터보차저를 제공한다.

본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들, 특징들 그리고 장점들은 첨부도면을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더 명료하게 이해될 수 있다.

먼저, 도1은 종래 원심식 터보차저의 기본구성을 도시한 것이다. 상기 터보차저는 중앙 베어링하우징(3)을 통해 압축기(2)와 결합된 터빈(1)을 포함한다. 상기 터빈(1)은 터빈휠(5)을 수용하는 터빈하우징(4)을 포함한다. 유사하게, 상기 압축기(2)는 압축기휠(7)을 포함하는 압축기하우징(6)을 포함한다. 상기 터빈휠(5)및 압축기휠(7)은 상기 베어링하우징(3)내의 베어링조립체(9)에 지지되는 공통 샤프트(common shaft)(8)의 대향 양단에 장착된다.

상기 터빈하우징(4)은 배기가스 흡입구(10) 및 배기가스 배출구(11)를 제공한다. 상기 흡입구(10)는 터비휠(5)를 둘러싸는 환형 흡입실(12)로 배기가스를 직접적으로 유입시킨다. 상기 배기가스는 터빈을 통해 흐르고, 상기 터빈휠(5)과 동축으로 형성된 원형 배출개구부를 통해 배출구(11)로 흘러 들어간다. 상기 터빈휠(5)의 회전은 축방향의 흡입구(13)를 통해 공기를 흡입하고, 압축된 공기를 환형 배출구 볼루트(volute)(14)를 통해 엔진 흡기구로 전달하는 압축기휠(7)을 회전시킨다.

상기 압축기휠 조립체를 보다 상세히 살펴보면, 상기 압축기는 샤트프(8)의 일단을 수용하는 관통보어(through bore)을 구비한 중앙 허브(hub)(16)로부터 연장하는 복수개의 블레이드(15)를 포함한다. 상기 샤프트(8)는 압축기휠(7)의 노즈(nose)부로부터 약간 더 연장되고, 스러스트 베어링 및 오일실(oil seal) 조립체(18)에 대하여 상기 압축기휠(7)를 클램핑(clamping)하도록 압축기휠 노즈부를 지지(bear)하는 플랜지 너트(flanged nut)(17)를 수용하도록 나사 형성된다. 상기 스러스트 베어링/오일실 조립체는 다양하며, 상기 압축기휠 장착장치를 이해하는데 중요하지 않으므로 상세한 설명은 생략한다. 본질적으로, 상기 압축기휠(17)은 상기 너트(17)에 의하여 가해지는 클램핑힘에 의하여 샤프트(8)상에서 미끄러짐(slip)이 방지된다.

상기한 종래 압축기휠 조립체와 관련한 문제는 앞서 설명한 바와 같다.

도2는 본 발명에 따른 압축기휠 조립체를 도시한 것이다. 샤프트(18)와, 스러스트 베어링 및 실 조립체(18) 및 클램프 너트(17)는 종래기술, 예를 들면 도1에 도시한 것과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명이 도1의 종래 기술 조립체와 명확히 다른 부분은 다른 두 직경의 축부(axial portion)(21)(22)를 갖도록 하여 압축기휠을 통과하는 관통보어(bore)가 용이하게 스텝(step) 결합되는 것이다. 상기 제1축부(21)는 샤프트(8)의 외경에 대응하여 상대적으로 작은 직경을 갖는다. 그러나, 상기 제2축부(22)는 확장된 직경을 갖도록 되어, 그의 내면이 상기 샤프트(8)로부터 반경방향으로 공간을 갖는다. 그러므로, 상기 압축기휠은 단지 보어의 제1축부(21)의 길이를 따라 샤프트(8)상에서 지지된다. 상기 보어(22)의 확장부는 휠응력(wheel stress)이 낮은 휠의 노즈영역(nose region)에 형성되며, 그러므로 휠 동작에 반하는 영향을 주지 않는다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 상대적으로 작은 직경, 즉 상기 샤프트(8)에 매칭(matching)되도록 요구되는 직경의 보어는, 그의 축방향으로 상기 휠의 축방향 길이보다 짧지만, 정확한 정밀도로 용이하게 가공(machine)될 수 있는 최대 길이로 압축기휠에서 형성될 수 있다. 그런 다음, 상기 관통보어는 휠의 노즈 영역에서 확장된 직경의 제2축부를 형성시킴으로써 완성된다. 따라서, 압축기휠의 전체 폭을 통해 상대적으로 작은 직경의 보어를 제작하고자 하는 종래 기술에서의 직면한 문제점을 극복한다.

상기 보어의 확장된 직경의 제2축부(22)는 작은 직경의 제1축부(21)가 형성 이전 또는 이후에 형성될 수 있다. 유사하게, 작은 직경의 보어는 휠을 통해 직선으로 형성된 다음, 그의 길이 일부분에 걸쳐 확장될 수 있다.

전술한 내용 및 도2에 도시한 본 발명의 상세한 실시예는 변형될 수 있다. 예를 들면, 보어의 제1 및 제2축부의 상대적인 길이는 도시한 도면과 다를 수 있다. 또한, 상기 보어는 그 직경이 가파르게 단차(step)질 필요는 없을 뿐만 아니라, 제1 및 제2축부 사이에 점차 증가하는 직경 영역을 가질 수 있다.

상기 관통보어의 상대적인 큰 직경부에 원통형 슬리브(sleeve)가 끼워질 수 있도록 변형될 수 있음에 따라, 상기 슬리브는 샤프트상에서 휠에 대하여 추가적인 지지체를 제공하도록 휠의 직경과 매칭되는 내경을 갖을 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 의한 압축기휠 조립체는 용이하게 조립되며, 제작이 용이하고, 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 회전 샤프트에 장착되는 압축휠을 포함하고,

   상기 샤프트는 휠의 회전축을 따라 제공된 보어를 통해 연장되며,

   상기 보어는 샤프트의 직경에 대응하는 직경의 제1축부 및 확장된 직경의 제2축부를 구비하여,

   상기 보어의 제2축부 내면은 샤프트로부터 반경방향으로 공간을 갖는

   압축기휠 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보어의 제1 및 제2축부 사이에는 반경방향으로 내부 쇼울더가 형성되는

   압축기휠 조립체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 보어의 제1 및 제2축부 사이에서 상기 보어의 직경이 점차 증가하는

   압축기휠 조립체.
4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 보어의 제1축부는 상기 압축기휠의 일측 축단면으로부터 연장하는

   압축기휠 조립체.
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 보어의 제2축부와 상기 샤프트의 외면 사이에서 반경방향으로 연장하는 상기 샤프트 주위에 원통형 슬리브가 위치되는

   압축기휠 조립체.
6. 소정 직경의 회전 샤프트에 장착되는 압축기휠에 있어서,

   상기 압축기휠은 상기 샤프트의 일단을 수용하기 위한 축 관통보어를 구비하고, 상기 관통보어는 상기 샤프트의 직경에 대응하는 제1축부 및 상기 샤프트의 직경보다 큰 제2축부를 갖는

   압축기휠.
7. 제6항에 있어서,

   상기 보어의 제2축부 내에 원통형 슬리브가 끼워지며, 상기 슬리브는 상기 보어의 제1축부의 직경에 대응하는 내경을 갖는

   압축기휠.
8. 터빈 하우징내에서 회전되도록 샤프트의 일단에 장착된 터빈휠 및 압축기 하우징내에서 회전되도록 상기 샤프트의 타단에 장착된 압축기휠을 포함하고,

   상기 압축기휠은 상기 휠의 제1축면과 제2축면 사이에서 연장하는 축 관통보어를 구비하고,

   상기 제2축면은 터빈으로부터 떨어져 면하고,

   상기 보어는 상기 샤프트의 직경에 대응하는 내부직경을 갖는 제1축부와 확장된 직경의 제2축부를 구비하므로써, 상기 보어의 확장된 직경부의 내면은 상기 샤프트로부터 반경방향으로 소정공간을 가지며, 상기 보어의 제1축부는 상기 압축기휠의 제1축단 면으로부터 상기 휠의 제2축단 면으로 연장되는

   터보차저.