KR20040094328A

KR20040094328A - 압축기

Info

Publication number: KR20040094328A
Application number: KR1020040029332A
Authority: KR
Inventors: 바람 닉푸어; 앤드류 데이; 로이 색스톤; 존 바이워터
Original assignee: 홀셋 엔지니어링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2004-11-09
Also published as: EP1473463A1; US20050002782A1; EP1473463B1; DE602004001908T2; CN100491743C; JP2004332733A; DE602004001908D1; US7083379B2; CN1542290A

Abstract

본 발명은 하우징(2) 내에 회전가능하게 장착되는 복수개의 베인(4)를 포함하는 임펠러 휠(1)을 포함하는 가스를 압축하는 압축기에 관한 것이다. 상기 하우징(2)은 임펠러 베인(4)의 방사상 외측 가장자리(4a)에 매우 인접하게 위치되는 표면(5)을 형성하는 내측 벽면을 포함한다. 상기 압축기 흡기부는 가스 흡입구를 형성하도록 연장되는 외측 관형 벽면(7) 및 상기 외측 관형 벽면(7)에서 연장되어 흡기부의 인듀서부(10)를 형성하는 내측 관형 벽면(8)을 포함한다. 환형 유동 통로(11) 및 임펠러 베인(4)에 의해 스윕된 하우징(2)의 표면(5) 사이를 연통하는 적어도 하나의 하류측 홀(13) 및 환형 유동 통로(11)와 인듀서 또는 흡기부의 흡입구 부분 사이를 연통시키는 적어도 하나의 상류측 홀이 구비된다. 흡기부의 인듀서 부를 통한 가스 유동이 예비 와류(pre-swirl)가 발생한 후 흡인되게 하기 위하여, 복수개의 흡기부 가이드 베인(14)이 적어도 하나의 상류측 홀의 흡기부 하류의 인듀서부(10)내에 장착된다.

Description

압축기{COMPRESSOR}

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 예를 들면 터보차저의 압축기와 같은 원심압축기의 흡기부 장치에 관한 것이다.

압축기는 압축기 하우징 내에서 회전축에 장착되는 복수개의 블레이드(또는 베인)를 구비하는 임펠러 휠을 포함한다. 임펠러 휠의 회전은 가스(예를 들면 공기)가 임펠러 휠에 흡인되어 배기 챔버 또는 통로로 이동되게 한다. 원심 압축기의 경우, 상기 배기 통로는 나선(volute) 형상으로 임펠러 휠 주위의 압축기 하우징에 의해 형성되고, 축류 압축기의 경우, 가스는 축방향으로 배출된다.

종래의 터보차저에서 상기 임펠러 휠은 터보차저 축의 일단에 장착되며, 터보차저 축의 타단에서 터빈 하우징 내에 장착된 터빈 휠에 의해 유동되는 배기가스에 의해 회전한다. 상기 축은 압축기와 터빈 하우징 사이에 위치되는 베어링 하우징 내에 설치되는 베어링 어셈블리 상에서 회전하도록 장착된다.

몇몇 터보차저의 경우에 상기 압축기 흡기부는 "너비 강화 맵(a map width enhanced)"(MWE)로 알려진 구조를 갖는다. MWE 구조의 예는 미국 특허 제4,743,161호에 설명되어 있다. 상기 MWE형 압축기의 흡기부는 압축기가 두개의 동축 관형 흡기섹션, 즉, 외측 흡기섹션 또는 압축기 흡입부를 형성하는 벽면, 및 압축기 인듀서(inducer)를 형성하는 내측 흡기섹션 벽면 또는 주 흡기부를 포함한다. 상기 내측 흡기섹션은 외측 흡기섹션보다 짧고, 임펠러 휠 블레이드의 가장자리에 의해 공기가 스윕되는(swept) 압축기 하우징의 내측 벽면 표면에서 연장된 내면을 구비한다. 상기와 같은 배열은 두 관형 흡기섹션 사이에 형성되고 상류단은 개방되며, 임펠러 휠에 면하는(face) 압축기 하우징의 내면과 연통하는 하류단 홀이 구비되는 환형 유동 통로로 구성된다.

작동 중에, 압축기 인듀서를 둘러싸는 환형 유동 통로 내의 압력은 대기압보다 낮은것이 정상이며, 높은 가스유동 및 임펠러 휠의 고속 작동 중에는, 임펠러 휠에 의해 스윕되는 영역의 압력이 환형 통로의 압력보다 더 낮아진다. 따라서, 이러한 상태에서 공기는 환형 통로에서 임펠러 휠 내로 유동함으로써, 임펠러 휠에 도달하는 공기의 양을 증가시키고, 압축기의 최대 성능을 증가시킨다. 그러나, 임펠러 휠을 통과하는 유량이 감소하거나, 임펠러 휠의 속도가 떨어지면, 환형 통로를 통해 임펠러 휠로 흡인된 공기의 양이 평형상태에 도달할 때까지 감소하게 된다. 임펠러 휠 유량 또는 속도가 더욱 떨어지면, 임펠러 휠에 의해 스윕되는 영역에서의 압력이 환형 통로보다 증가하게 됨으로써, 환형 통로를 통해 공기유동의 역방향 유동이 발생한다. 즉, 이러한 상태에서 공기는 임펠러 휠에서 환형 통로의 상류단으로 배출되도록 유동하며, 재순환(re-circulateion)을 위해 압축기 흡입구로 되돌아 간다. 압축기 가스 유동 또는 임펠러 휠 속도의 증가는 반대상황, 즉, 환형 통로를 통해 흡입구로 되돌아가는 공기량을 감소시키고, 이후, 평형이 무너지게되며, 차례로, 환형 통로를 통한 공기 유동의 역류가 생김으로써, 공기가 상기 환형 통로와 임펠러 사이를 연통시키는 홀을 통해 임펠러 휠로 흡인된다.

이러한 배열은 최대 유량을 증가시키고, 압축기의 서지 유동을 감소시키는 서지 마진(surge margin)을 향상시켜 압축기의 성능을 안정화시키는 것으로 알려져 있다. 이는 압축기 특성을 도시하는 압축기 "맵(map)"의 너비를 증가시킨다고 알려져 있다. 상기 내용은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있다.

서지 상태하에서는 압력과 압축기를 통한 질량 유량율의 변동 때문에 압축기의 동작이 극히 불안정하다. 압축기가 왕복엔진에 공기를 공급하는 터보차저 등의 여러 적용예에서, 이러한 질량 유량율의 변동은 적합하지 않다. 결과적으로 서지 마진을 향상시킴으로써 압축기의 사용가능한 유동 범위를 연장시키는 것이 요구되어왔다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 MWE 압축기의 서지 마진을 향상시키는 압축기 흡기부를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래기술에 따른 MWE 압축기를 도시한 부분단면도.

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 고정 흡기부 가이드 베인 장치를 포함한 MWE 압축기를 도시한 부분단면도.

도3은 도2의 압축기의 흡기부를 도시한 정면도.

도4는 가이드 베인이 각각 0° 및 20°로 설정된 가변 흡기부 가이드 베인 장치가 설비된 비MWE(non-MWE) 압축기의 압축기 맵을 도시한 그래프(over-plot).

도5a는 흡기부 가이드 베인 장치가 설비된 비MWE 압축기의 맵에 대한, 도2의 실시예에 따른 압축기의 맵을 도시한 그래프.

도5b는 흡기부 가이드 베인 장치가 설비된 비MWE 압축기의 효율에 대한, 도2의 실시예에 따른 압축기의 효율을 도시한 그래프.

도6a는 흡기부 가이드 베인 장치가 없는 표준적인 MWE 압축기의 맵에 대한, 도2의 실시예에 따른 압축기의 맵을 도시한 그래프.

도6b는 종래기술에 따른 MWE 압축기의 효율에 대한, 도2의 실시예에 따른 터보차저의 효율을 도시한 그래프.

도7a는 가이드 베인이 0°로 설정된 MWE 압축기의 맵에 대한, 흡기부 가이드베인이 전방으로 45°스윕된 본 발명에 따른 압축기 맵을 도시한 그래프.

도7b는 도6a에 도시된 맵을 갖는 압축기의 효율을 도시한 그래프.

도8은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변 흡기부 가이드 베인 장치를 포함하는 MWE 압축기를 도시한 부분단면도.

도9a는 표준적이 MWE에 대해, 0°로 설정된 가이드 베인을 구비한 본 발명에 따른 압축기의 맵을 도시한 그래프.

도9b는 도9a에 도시된 맵을 갖는 압축기의 효율을 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 설명

1 : 임펠러 휠 2 : 하우징

4 : 임펠러 베인 7 : 외측 관형 벽면

8 : 내측 관형 벽면 10 : 인듀서부(inducer portion`)

11 : 환형 유동 통로 13 : 하류측 홀

14 : 흡기부 가이드 베인

본 발명은 흡기부 및 배기부를 형성하는 하우징; 상기 하우징 내에 회전가능하게 장착되는 복수개의 베인을 구비하는 임펠러 휠을 포함하되, 상기 하우징은 임펠러 베인의 방사상 외측 가장자리에 매우 근접하게 위치되는 표면을 형성하는 내측벽면을 구비하며, 임펠러 휠이 축을 기준으로 회전하면 상기 베인이 상기 표면을 스윕되며, 상기 흡기부는 상기 흡기부는 상류측 방향에서 임펠러 휠로부터 연장되며, 흡기부의 가스 흡입구를 형성하는 외측 관형 벽면; 상기 외측 관형 벽면 내에서 상류측 방향으로 임펠러 휠에서 연장되며, 흡기부의 인듀서부를 형성하는 내측 관형 벽면; 상기 내측 및 외측 관형 벽면 사이에 형성되는 환형의 가스 유동 통로; 상기 환형 유동 통로의 하류부분과 임펠러 베인에 의해 스윕되는 하우징의 표면 사이를 연통하는 적어도 하나의 하류측 홀; 상기 환형 유동 통로의 상류측 일부와 흡기부의 인듀서 또는 흡입구 부분 사이를 연통시키는 적어도 하나의 상류측 홀; 및 상기 흡입구의 인듀서부를 통한 가스 유동에 예비 와류(pre-swirl)를 유도하기 위하여, 상기 적어도 하나의 상류측 홀의 흡입구 하류의 인듀서부 내에 장착되는 복수개의 흡기부 가이드 베인 을 포함하는 압축기를 제공한다.

본 발명에 따른 압축기는 종래기술의 MWE 압축기와 비교할때 향상된 서지 마진을 갖지만, 일반적으로 흡기부 가이드 베인 장치에 적합한 압축기와 관련된 초크 유동(choke flow)의 현저한 감소가 문제되지 않는다.

상기 흡기부 가이드 베인의 각도는 0° 내지 45° 사이가 바람직하며, 고정되거나 가변될 수 있다.

상기 내측 관형 벽면은 그 축을 따라 길이 L2만큼 떨어진 적어도 하나의 하류측 홀의 상류측으로 연장되는데, D가 상기 내측 관형 벽면의 지름일때, L2/D > 0.6 인것이 바람직하다.

본 발명에 따른 압축기는 터보차저에 내장되기에 적합하다.

이하, 본 발명의 다른 이점들을 상술한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이, MWE 압축기는 회전축(3) 일단의 압축기 하우징(2) 내에 장착되는 임펠러 휠(1)을 포함한다. 상기 임펠러 휠(1)은 리딩에지(4b) 및 트레일링 에지(4c) 사이의 외측 가장자리(4a)를 각각 구비하는 복수개의 블레이드(4)(또는 베인)를 구비한다. 상기 블레이드(4)의 외측 가장자리(4a)는, 임펠러 휠(1)이 축(3)과 함께 회전할 경우, 하우징 표면(5)을 가로질러스윕한다(sweep). 상기 압축기 하우징(2)은 임펠러 휠 주위의 배기 볼루트(volute)(6), 임펠러(1)의 상류측으로 연장되고 공기와 같은 가스 흡입구(8)을 형성하는 외측 관형 벽면(7), 상기 흡입구(8)로 일부가 연장되며 압축기 인듀서(10)를 형성하는 내측 관형 벽면(9)를 포함하는 MWE 흡기부 구조를 포함한다. 상기 내측 벽면(9)의 내측 표면은 임펠러 블레이드(4)의 외측 가장자리(4a)에 의해 스윕되는 하우징 벽면의 표면(5)이 상류측으로 연장된 것이다.

환형의 유동 통로(11)는 각각의 내측 및 외측 벽면(9, 8) 사이의 인듀서(10) 주위에 형성된다. 상기 유동 통로(11)는 그 상류측 단부에서 흡입구를 향해 개방되며, 하우징(2)의 환형 벽면(12)에 의해 그의 하류측 단부에서 밀폐된다. 그러나, 환형 유동 통로(11)는 하우징을 관통하는 홀(13)을 통해 임펠러 휠(1)과 연통되고, 상기 환형 유동 통로(11)의 하류측 부분과 임펠러 휠 블레이드(4)의 외측 가장자리에 의해 스윕되는 하우징(2)의 내측 표면(5) 사이를 연통시킨다.

종래의 MWE 압축기는, 도1에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 도입부에 설명한 것과 같이 작동한다. 요약하면, 압축기를 통과하는 유량율이 높을 경우, 환형 유동 통로(11)를 따라 임펠러 휠(1) 측으로 공기가 축방향으로 통과하게 되고, 홀(13)을 통해 임펠러 휠(1)로 흐르게 된다. 압축기를 통과하는 유량율이 낮은 경우, 환형 유동 통로(11)를 통한 공기 유동 방향이 역전되어, 공기가 임펠러 휠로부터 홀(13)과 상류측 방향의 환형 유동 통로(11)를 통과하게되고, 압축기를 통한 재순환을 위하여 공기 흡입구(8)를 향해 재흡인된다. 이는 압축기의 서지 마진과 초크 유동 모드를 향상시켜 압축기 성능을 안정화한다.

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 도1의 종래 MWE 압축기의 변형을 도시한 것이다. 도1의 압축기에 대응하는 요소들은 도1에서 사용된 것과 동일한 도면부호를 사용하였다. 따라서, 도시된 본 발명에 따른 압축기는 압축기 하우징(2)에서 회전하는 임펠러 휠(1)과 하우징(2)의 내측 표면(5)를 가로질러 스윕되는 임펠러 휠 블레이드(4)의 외측 가장자리를 포함한다.

상기 배기 볼루트(6)는 도1의 종래기술에 따른 MWE와 동일하지만, 본 발명에서는 흡기부 구조가 변형되었다. 구체적으로, 내측 및 외측 관형 하우징 벽면(9, 8)은 중앙 노즈 콘(15)(nose cone)과 내측 관형 벽면(9) 사이로 연장되는 복수개의 가이드 베인(14)을 포함하는 흡기부 가이드 베인 장치를 수용하기 위해 상류측 방향으로 연장된다. 상기 가이드 베인(14)은 임펠러 휠(1)의 회전방향에 대하여 전방으로 스윕되어, 공기 유동에서 예비 와류(pre-whirl)를 발생시켜 압축기 휠로 흡인되게 한다. 도시된 실시예에서, 각 가이드 베인(14)은 방사상의 리딩에지(14a)에 각진(angled) 트레일링 에지(14b)를 구비하면서 실질적으로 평면으로 이루어지고, 임펠러 휠(1)의 축에 평행하고 각각의 베인의 리딩 에지(14a)를 통과되는 평면에 대해 예각으로(acute angle) 놓이는 평면상의 하류측 방향으로 연장된다. 이러한 흡기부 가이드 베인(14)의 전방으로의 스윕(sweep)은 도2의 압축기의 흡기부의 정면도인 도3을 통해 알 수 있다. 특히, 도시된 실시예에서, 흡기부 가이드 베인(14)은 20°의 각도로 전방으로 스윕된다.

축방향 흡기부 가이드 베인을 제공하는 것은 비MWE(non-MWE) 압축기의 작동범위를 확장하는데 적당한 것으로 알려져 있다. 공지된 가이드 베인 장치는 고정가이드 베인 장치 및 가이드 베인이 전방으로 스윕되는 각도를 조절할 수 있는 가변 가이드 베인 장치를 포함한다. 압축기 흡기부에서 가이드 베인에 의해 예비 와류를 갖고 흡인되는 것은 압축기의 서지 마진(surge margin)을 향상시키는데, 예를 들면, 압축기가 서지되는 유동을 감소시키는 것이다. 이것은 베인이 각각 0°(와류가 없음) 및 20°로 설정된 가변 흡기부 가이드 베인 장치(미도시)에 적합한 비MWE 압축기의 맵 그래프인 도4를 통해 알 수 있다.

주지된 바와 같이, 압축기 맵은 압축기 흡기부에서 임펠러 회전속도의 가변을 통해 압축기 흡기부에서 배기부까지의 압력비에 대한 압축기를 통한 공기 유량율을 표시한 것이다. 맵의 좌측 라인은 압축기가 가변적이 터보차저의 속도에 따라 서지되는 유량율을 나타내는 서지 라인이다. 와류가 없는 베인이 0°인 경우와 비교하여 모든 작동 속도에서 압축기 서지가 감소되는 유동임은 명백하다. 그러나, 또한, 도4는, 압축기 압력비 성능(맵의 최고점)의 감소와 맵의 우측 라인에서 표시된 초크 유동으로 알려진 최대 공기 유동의 감소인, 압축기 흡기부에서 예비와류를 발생시켜 흡인되는 효과를 도시한 것이다. 사실상 초크 유동의 감소는 일반적으로 서지 마진의 향상을 초과하지 않아서, 압축기 맵의 너비를 결과적으로 좁게한다.

그러나 본 발명의 발명자는 MWE 압축기의 흡기부 가이드 베인을 장착하면 종래의 MWE 압축기에 비하여 서지 마진이 더욱 향상되고, 이와 함께, 유사한 가이드 베인이 장착된 비MWE 압축기에 비하여 압축기의 압력비 또는 초크 유동의 면에서 향상되는데, 제공된 가이드 베인은 압축기 휠에서 압축기 흡입구로 되돌아가는 공기의 재 흡인 지점인 압축기 인듀서 하류측 내부에 장착된다. 이는 도5 및 도6에도시되었다.

우선 도5를 참조하면, 이는 가이드 베인이 설치된 비MWE 압축기의 맵에 대한 도2의 압축기 맵을 도시한 그래프(점선으로 도시)이며, 예비 와류를 발생시켜 흡인되게 하기 위하여 가이드 베인이 20°로 연장되는 도2의 가이드 베인 시스템(즉, 도4의 점선으로 도시된 맵)에 대응하는 것이다. 이것은 본 발명이 가이드 베인이 설치된 비 MWE 압축기에 비하여 서진 마진이 현저히 증가하고, 이와 동시에, 압력비 특성과 초크 유동 모두 증가한다는 것을 말한다.

도5b는 도5a에 그려진 맵을 갖는 압축기의 효율을 도시한 그래프이다. 이는 MWE 압축기에 흡기부 가이드 베인 장치를 부가하더라도, 효율면에서 현저한 손실이 없으며, 심지어 어떤 경우에는 효율이 증가한다는 것을 명백히 보여준다.

도6a를 참조하면, 이는 가이드 베인이 설치되지 않은 표준 MWE 압축기의 맵(점선으로 도시)에 대한 도2의 압축기 맵을 도시한 그래프(실선으로 도시)이다. 이는 MWE 압축기에 고정 가이드 베이 장치를 부가하여 초크유동을 손실시키더라도 서지 마진을 향상시키는 동안, 총체적인 맵의 너비가 실질적으로 영향을 받지 않는 다는 것을 말한다. 즉, 초크 유동의 감소 및 압력비 성능의 감소가 비 MWE 압축기의 경우만큼 현저하지 않다는 것이다.

도6b는 도6a에서 도시된 맵을 갖는 압축기의 효율을 도시한 그래프이며, 본 발명의 실행과 관련하여 어떤 현저한 손실도 없다는 것을 보여준다.

상기 흡기부 가이드 베인의 각도가 증가하면, 초크 유동의 부정적인 효과 또한 증가한다. 이는 흡기부 가이드 베인이 0°로 설정된 MWE 압축기 장치(실선으로도시)에 대하여, 가이드 베인이 전방으로 45°스윕되게 설정된 본 발명에 따른 압축기의 맵을 도시한 도7a를 통해 알 수 있다. 이것은 예비 와류의 양에 따라 초크 유동이 현저히 줄어든다는 것을 보여준다. 또한, 두 압축기의 효율을 도시한 도7b는 유사한 효율의 감소를 보여준다.

도2에 도시된 발명의 실시예는 도1에 도시된 종래의 MWE 압축기를 최소한으로 변형하여 얼마나 본 발명의 이점을 얻을 수 있는지를 증명하기 위한, 비교적 간단한 흡기부 가이드 베인 장치이다. 그러나, 상기 흡기부 가이드 베인은 서지마진의 증가에 의한 이점을 극대화하고 초크 유동을 최소화 하기 위해 작동상태를 달리하는데 적합하도록 예비 와류의 정도를 다양하게 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 조절가능하거나 가변적인 흡기부 가이드 베인 장치를 포함하는 본 발명의 일실시예는 도8에서 부분단면도로 도시되었다.

도8을 참조하면, 도시된 압축기는 임펠러 휠(17)을 수용하고, 배기부 볼루트(18)를 형성하는 익스듀서 부(16)(exducer portion)를 포함하는 단위 하우징, 및 압축기 흡입구 부분(20)을 형성하는 외측 관형 벽면(19)과 압축기의 인듀서 부(22)를 형성하는 내측 관형 벽면(21)을 포함하는 흡기부를 포함한다. 사실상, 상기 내측 관형 벽면(21)은 그 자체로, 볼트(22)에 의해 관형 부분의 주요부(21)에 볼트 고정되며 외측으로 나팔 형상으로 벌어지는 흡기부 콘(21a)을 포함하는 두개의 구성요소로 이루어진다. 상기 외측 관형 흡기부 부분(19)은 압축기 하우징의 익스듀서 부(16)에 볼트 고정되고 전술한 메커니즘을 작동하는 가변 흡기부 가이드 베인을 수용하기 위하여 도면부호(19a)의 영역에서 외측으로 나팔 형상으로 벌어진다.

상기 내측 관형 벽면 부재(21)는 도면부호(23)으로 지시된 나사선 결합구를 통해 외측 관형 벽면 부재(19)에 체결된다. 환형 유동 통로가, 상류 축부(24a), 중간에 형성되는 개재 축부(24b) 및 압축기 하우징의 익스듀서(16) 내에 형성되는 하류 축부(24c)로 불리는 세개의 축부를 구비한 내측 벽면 부재(21) 둘레로 형성된다. 홀(25)이 상기 환형 통로(24)와 임펠러 블레이드(17)의 가장자리에 의해 스윕되는 압축기 하우징의 익스듀서 부(16)의 내측 표면(26) 사이를 연통시킨다.

상기 흡기부 가이드 베인 장치는 중앙 노즈 콘(28)과 환형 가스 유동 통로(24)가 흡기부의 흡입구(20)로 개방되는 지점의 하류측인 관형 벽면 섹션(21) 사이로 연장되는 복수개의 가이드 베인(27)을 포함하여 도2에 도시된 것과 유사한 장치이다. 그러나, 이러한 경우에, 각 흡기부 베인(27)은 내측 벽면 부재(21)를 통하여 방사상으로 연장되는 스템(28)을 기준으로 피벗가능(pivotable)하여, 각 베인이 베인 리딩 에지 근방에 위치한 방사상 축을 기준으로 회전가능하게 된다. 내측 벽면 부재(21)로 부터 방사상으로 연장되는 각 베인 스템의 단부는 각각의 연결 암(30)을 통해 작동 링(29)에 연결된다. 상기 가이드 베인(27)이 임펠러 휠(17)의 회전방향에 비하여 전방으로 스윕 각도로 가변되도록, 상기의 배열은 내측 벽면(21)에 대한 작동링의 회전이 각각의 스템(28)에서 모든 가이드 베인(27)을 동시에 회전시키게 한다. 이러한 기본적인 형태의 가변 또는 조절가능한 흡기부 가이드 베인 장치는 임펠러로 유입되는 가스가 예비 와류를 갖고 흡인되는 정도를 조절하기에 적절하다고 알려져 있다.

가변 가이드 베인 장치의 제작 및 작동은 발도로 하고, 도8의 실시예의 작동은 기본적으로 압축기의 성능을 향상시킨다는 관점에서 유사하다. 사실상, 본 발명의 발명자는, 가변 흡기부 가이드 베인 장치가 구비된 본 발명의 실시예에서, 가이드 베인 각도를 0°로 설정하는 것이 초크 유동의 현저한 감소가 없이 표준 MWE 압축기에 비해 서지 마진 면에서 어느 정도의 향상을 가져온다는 것을 발견했다. 이것은, 도1에 도시된 종래의 MWE 압축기(실선으로 도시)에 대한, 0°의 베인 각을 갖는 본 발명에 따른 압축기(점선으로 도시)의 그래프를 도시한 도9에 의해 보여진다. 이러한 예에서, 서지 마진의 향상은, 종래 기술의 MWE 흡기부 배열에 비하여 내측 관형 벽면(도6의 부재(21))의 길이가 적어도 일부에서 증가하는 것이 바람직하다고 보인다.

도1, 도2 및 도6을 참조하면, 각 경우에서 환형의 유동 통로(11/24)는 그 상류단(흡기부로 개방되는 통로에서 형성되는) 과 하류단(상기 통로의 축방향 최내측 지점) 사이에서 형성되는 총체적 축방향 길이 L1을 갖는다. 또한, 상기 환형 통로는 상류단과 홀(13/25)의 상류측으로 연장되는 내측 관형 벽면(9/21)의 축방향 위치 사이에 형성되는 축방향 길이 L2를 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 상기 길이 L1 및 L2가 도1에 도시된 종래의 MWE 터보차저의 대응하는 치수에 비하여 더 연장되었다는 것을 알 수 있다. 구체적으로 본 발명의 발명자는 D가 내측 관형 벽면의 내경인 경우 환형 통로의 길이가 L1/D > 0.65 이고 L2/D > 0.6정도로 연장되는 것이 압축기의 서지 마진을 현저히 증가시킨다는 것을 발견하였다. 특히, L2/D의 치수가 가스 서지되어 유동하는 환형 통로(11/24)의 효과적인 길이로서 가장 중요하게 고려되어야 한다.

압축기 하우징 및 가이드 베인 장치의 정밀한 구조는 전술한 실시예들로부터 상당히 변형될 수 있다. 중요한 것은 임펠러로부터 재순환되는 공기 유동이 흡기부로 재흡인되는 지점에서 흡기부 하류에서의 예비 와류를 갖는 흡인을 위하여 가이드 베인이 제공되어야 한다는 것이다. 따라서, 전술한 것들에 가능한 변형 및 치환 형태가 본 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

상기 흡기부는 직선일 필요는 없으며 하나 또는 그 이상의 굽힘부를 가질 수 있다. 즉, 내측 및 내측 관형 벽면의 축이 임펠러의 회전 축으로부터 휘어진 부분을 가질 수 있다는 것이다. 상기와 같이 휘어진 흡기부의 경우 L1/D 및 L2/D의 최적화된 치수는 관형 부분의 축을 따라 측정(직선부와 곡선부를 모두 포함하여)된 상대적인 길이로 정해질 수 있다. 내측 관형 벽면의 지름이 가변되는 경우, 상기 D는 내측 관형 벽면의 하류측 지름으로 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 흡기부의 내측 관형 부분 주위에 형성되는 환형 유동 통로는 방사상으로 연장되는 벽면 또는 격벽(baffles)을 포함할 수 있고 소음발생을 감소시키는 다른 디자인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압축기는 다양하게 적용될 수 있다. 이러한 적용은 변형은 압축기 휠이 공지된 바와 같이 터보차저의 축 일단에 장착되는 내연기관의 터보차저의 압축기 단 등이 있다. 따라서, 상기 압축기 하우징은 종래의 방법으로 하우징 베어링에 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 가능한 적용들이 본 발명이 속하는분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 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 따르면, MWE 압축기에 흡기부 가이드를 구비시켜 서지 마진을 향상시키고, 초크 유동을 감소시켜 압축기 성능을 안정화시키는 효과가 있다.

Claims

본 발명은 흡기부 및 배기부를 형성하는 하우징;

상기 하우징 내에 회전가능하게 장착되는 복수개의 베인을 구비하는 임펠러 휠을 포함하되,

상기 하우징은 임펠러 베인의 방사상 외측 가장자리에 매우 근접하게 위치되는 표면을 형성하는 내측벽면을 구비하며, 임펠러 휠이 축을 기준으로 회전하면 상기 베인이 상기 표면을 스윕(sweep)되며,

상기 흡기부는

상기 흡기부는 상류측 방향에서 임펠러 휠로부터 연장되며, 흡기부의 가스 흡입구를 형성하는 외측 관형 벽면;

상기 외측 관형 벽면 내에서 상류측 방향으로 임펠러 휠에서 연장되며, 흡기부의 인듀서부를 형성하는 내측 관형 벽면;

상기 내측 및 외측 관형 벽면 사이에 형성되는 환형의 가스 유동 통로;

상기 환형 유동 통로의 하류부분과 임펠러 베인에 의해 스윕되는 하우징의 표면 사이를 연통하는 적어도 하나의 하류측 홀;

상기 환형 유동 통로의 상류측 일부와 흡기부의 인듀서 또는 흡입구 부분 사이를 연통시키는 적어도 하나의 상류측 홀; 및

상기 흡입구의 인듀서부를 통한 가스 유동에 예비 와류(pre-swirl)를 유도하기 위하여, 상기 적어도 하나의 상류측 홀의 흡입구 하류의 인듀서부 내에 장착되는 복수개의 흡기부 가이드 베인

을 포함하는 압축기.
제1항에 있어서,

상기 유동 통로는 그 상류단에서 개방되어 상기 적어도 하나의 상류측 홀이 내측 관형 벽면의 상류단에서 형성되는 환형 개방구가 되게 하는

압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 흡기부 가이드 베인은 내측 관형 벽면에 의해 지지되는

압축기.
제3항에 있어서,

상기 흡기부 가이드 베인은 각각 내측 관형 벽면 및 압축기의 축을 따라 놓여진 중앙 노즈(central nose) 부 사이에서 지지되는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가이드 베인은 인듀서를 통해 유동되는 가스에 예비 와류(pre-swirl)가 발생되어 흡인되는 정도로 선택적으로 가변되도록 조절되는

압축기.
제5항에 있어서,

상기 각 가이드 베인은 예비 와류의 정도를 가변시키기 위한 압축기의 축에 평행한 평면에 대한 베인의 각도를 가변하기 위한 방사상 축을 기준으로 회전가능한

압축기.
제6항에 있어서,

상기 각 베인은 내측 관형 벽면을 통해 연장되는 각 방사상 스템에 장착되며, 액츄에이터가 각 베인 스템을 회전시키도록 구비됨으로써 각 베인이 회전할 수 있는

압축기.
제7항에 있어서,

상기 액츄에이터는 내측 관형 벽면 주위에 배치되고 각 흡기부 가이드 베인 스템을 연결 암(arm)으로 연결하는 환형 부재를 포함하여, 상기 내측 관형 벽면에 대한 환형 부재의 회전 운동이 각 흡기부 가이드 베인 스템에 전달되어 각 가이드 베인의 각도를 동시에 조절하는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 환형 가스 유동 통로는 그 상류단과 하류단 사이의 축을 따라 측정한 길이가 L1이고, 상기 적어도 하나의 하류측 홀에서 그 축을 따라 길이 L2만큼 떨어진 상류측으로 연장되는 내측 관형 벽면을 구비하되, 내측 관형 벽면의 지름을 D라고 할때, L1/D > 0.65 및/또는 L2/D > 0.6인

압축기.
제9항에 있어서,

상기 L1 및 L2는 전체적으로 직선이거나 적어도 일부가 곡선인

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내측 관형 벽면 및 환형 통로는 임펠러 휠의 축에서 연속되는 축을 동축으로 갖는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내측 관형 벽면은 상기 외측 관형 벽면에 의해 형성되는 환형 소켓(socket)에 나사결합되는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외측 관형 벽면은 압축기 하우징의 익스듀서(exducer) 부에 볼트 등으로 체결되는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 압축기를 포함하는 터보차저.