KR20060040916A

KR20060040916A - 베어링의 배열과 선정을 통한 중형 터보차저 베어링부의구조

Info

Publication number: KR20060040916A
Application number: KR1020040090195A
Authority: KR
Inventors: 이상기; 조동민; 이종문
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-11
Also published as: KR100921324B1

Abstract

본 발명은 4-행정(4-Stroke) 내연기관에 쓰이는 중형 터보차저(Turbocharger : 과급기)의 베어링부분의 구조에 관한 것이며, 그 목적은 터빈 휠과 컴프레서 휠 사이에 베어링부의 로터 샤프트와 하우징에 고정된 다수의 베어링의 선정과 배열을 통해 성능향상과 유지보수 및 생산에 효과적인 구조를 제공하는데 있다.

본 발명은 터보차저 내부에 로터 샤프트와 하우징에 걸쳐 로터 샤프트의 원활한 회전을 위해 제공되는 다수, 다종의 베어링의 효과적인 선정과 배열을 통한 베어링부의 구조개선에 있어서, 상기 베어링의 선정과 배열은 로터 샤프트의 터빈 축에 축의 반경방향 반력을 지지하는 레이디얼 베어링을 설치하고, 로터 샤프트의 컴프레서 축에 기밀을 유지하는 라비린스 링을 설치하며, 로터축의 일부를 직경을 작게 하여 축 방향 반력을 지지하는 엑자일러리(보조) 베어링을 설치하고, 상기 엑자일러리(보조) 베어링의 외측에 축의 양방향 및 반경방향 반력을 동시에 지지하는 한 개의 스러스트/레이디얼 베어링으로 구성되는 것을 요지로 한다.

과급기. 4행정, 터보차저, 베어링, 배열, Turbocharger, 4-Stroke, Bearing, Arrangement

Description

베어링의 배열과 선정을 통한 중형 터보차저 베어링부의 구조{ The Bearing Type and Arrangement for Turbocharger Bearing Part Structure}

도 1 은 1개의 스러스트 베어링, 2개의 레이디얼 베어링과 1개의 디스턴스 슬리브, 1개의 스러스트 링으로 이루어진 기존 베어링부 구조를 예시한 예시도

도 2 는 1개의 스러스트 베어링, 2개의 레이디얼 베어링과 1개의 엑자일러리(보조) 베어링, 1개의 스러스트 베어링으로 이루어진 기존 베어링부 구조를 예시한 예시도

도 3 는 1개의 레이디얼 베어링, l개의 레이디얼/스러스트 복합 베어링과 1개의 페더키, 1개의 스러스트 링로 이루어진 기존 베어링부 구조를 예시한 예시도

도 4 는 본 발명을 예시한 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 컴프레서 휠(Compressor Wheel)

(2) : 라비린스 링(Labyrinth Ring)

(3) : 디스턴스 슬리브(Distance Sleeve)

(4) : 스러스트 베어링(Thrust Bearing)

(5) : 스러스트 링(Thrust Ring)

(6) : 레이디얼 베어링(Radial Bearing)

(7) : 터빈 휠(Turbine Wheel)

(8) : 로터 샤프트(Rotor Shaft)

(9) : 엑셜 베어링(Axial Bearing)

(10) : 페더키(Feather Key)

(11) : 스러스트/레이디얼 베어링(Thrust & Radial Bearing)

(12) : 엑자일러리(보조) 베어링(Auxiliary Bearing)

(13) : 라비린스/스러스트 링(Labyrinth & Thrust Ring)

본 발명은 중대형 기계에 쓰이는 터보차저(Turbocharger)의 베어링하우징부의 베어링의 선정과 배열에 관한 것으로, 보다 상세히는 터보차저를 이루는 터빈부와 컴프레서부 사이의 베어링 하우징부 내부에 터빈과 컴프레서를 이어주는 축인 로터 샤프트와 하우징에 고정된 일련의 베어링들의 구조에 관한 것이다.

통상적으로 구성된 터보차저는 크게 컴프레서부(Compressor Part), 베어링 부(Bearing Part), 터빈부(Turbine Part)로 나뉘게 되며 좀더 자세히는, 컴프레서 하우징(Compressor Housing), 컴프레서 휠(Compressor Wheel), 베어링(Bearing), 베어링하우징(Bearing Housing), 로터 샤프트(Rotor Shaft), 터빈 하우징(Turbine Housing), 터빈 휠(Turbine Wheel)로 구성이 된다.

이중 베어링 하우징부 내부에 로터 샤프트 혹은 하우징에 고정되어 터보차저의 구동 시 원활한 작동을 위해 일련의 베어링이 사용되는데 사용되는 베어링들의 배열과 선정에 따른 베어링부의 구조가 전반적인 성능에 영향을 줄 수 있으며 유지보수와 제작에 있어서도 많은 영향을 준다.

몇 개의 예를 도면에 따라 예를 들어 보면 1도와 같이 로터 샤프트(8)에 설치된 컴프레서 휠(1) 쪽에 기밀을 유지하기 위해 라비린스 링(2)이 설치되고, 외경이 적은 컴프레서 휠쪽의 로터 샤프트(8)의 축 방향의 반력을 지지하는 스러스트 베어링(4)과 스러스트 링(5)을 설치된다. 상기의 스러스트 링(5)과 라비린스 링(2) 사이에 둘 간의 유격을 유지하기 위해 디스턴스 슬리브(3)가 설치되며, 로터샤프트(8)의 축 방향 반력을 지지하기 위해 레이디얼 베어링이 컴프레서 휠을 기준으로 컴프레서 휠 쪽에는 스러스트 링 다음에 위치하도록 하고, 터빈 휠 쪽에는 터빈 휠 전에 위치하도록 하였다. 상기 구성의 경우 라비린스 링 1개, 레이디얼 베어링 2개, 스러스트 베어링 1개, 스러스트 링 1개, 디스턴스 슬리브가 쓰여 총 6개의 부품이 소요되며 스러스트 링은 로터 샤프트와 같이 회전할 수 있을 정도의 마찰력을 가지며 디스턴스 슬리브는 스러스트 링과 라비린스 링 사이의 유격을 유지해주지지만 결과적으론 부품수를 늘리고 슬립(Slip)현상을 유도해 컴프레서 휠의 마운팅(Mounting)에 좋지 않은 영향을 준다.

또 다른 예로써 2도를 참고하면 로터 샤프트(8)에 설치된 컴프레서 휠(1) 쪽의 기밀을 유지하기 위해 라비린스 링(2)이 설치되고, 축의 반경방향 반력을 지지 하기 위해 레이디얼 베어링(6)이 설치되며, 로터샤프트의 외경이 컴프레서 휠(1)쪽이 반대편 보다 작은데 이로 인해 양측에 설치된 레이디얼베어링의 내경이 차이가 나는 것을 방지하기 위해 레이디얼 베어링(6)과 로터 샤프트(8)사이에서 보조역할을 하는 엑자일러리(보조) 베어링(12)이 설치되고, 축 방향의 반력을 지지하기 위해 스러스트 베어링(4)과 스러스트 링(5)이 설치가 된다. 마지막으로 축의 반경방향 반력을 지지하기 위해 레이디얼 베어링(6)이 터빈 휠(7) 쪽에 하나 더 설치가 된다. 상기 구성의 경우 라비린스 링 1개, 레이디얼 베어링 2개, 엑자일러리(보조) 베어링 1개, 스러스트 베어링 1개, 스러스트 링 1개가 베어링 부분에 쓰여 총 6개의 부품이 쓰이며 컴프레서 휠 쪽에 레이디얼 베어링을 설치하고 그 뒤에 스러스트 베어링을 설치해서 슬립현상을 유도하던 디스턴스 슬리브를 제거함으로 슬립 현상을 줄이고 터보차저의 전체적인 크기역시 줄일 수 있었다. 하지만 로터 샤프트의 외경이 컴프레서 휠 쪽으로 갈수록 줄어들게 되었는데 이러한 경우 양측에 쓰이는 레이디얼 베어링의 내경이 서로 틀리게 되면 전반적인 성능의 저하를 주게 됨으로 레이디얼 베어링의 내경을 동일하게 하기위해 중간에 엑자일러리(보조) 베어링을 설치해 터빈 휠과 컴프레서 휠 양측에 설치된 레이디얼 베어링의 내경을 동일하게 유지하였다.

마지막으로 한 예를 더 들어보면 3도와 같이 로터 샤프트(8)의 컴프레서 휠(1) 쪽에 기밀을 유지하기 위해 라비린스 링(2)을 설치하고, 축의 양방향 및 반경방향의 반력을 동시에 지지하는 스러스트/레이디얼 베어링(11)과 축 방향의 반력을 지지하기 위한 스러스트 링(5)이 설치된다. 로터 샤프트(8)와 스러스트 링(5)이 접 하는 부분에 로터샤프트(8)와 스러스트 링(5)에 걸쳐져 슬립현상을 방지하는 페더키(10)가 설치되고, 터빈 휠(7) 쪽에 반경방향의 반력을 지지하는 레이디얼 베어링(6)이 설치된다. 상기 구성의 경우 라비린스 링 1개, 레이디얼 베어링 1개, 스러스트/레이디얼 베어링 1개, 페더키 1개, 스러스트 링 1개가 사용되어 상기 기술한 2개의 예보다 부품수가 줄어들긴 했지만 스러스트 링과 라비린스 링 사이에 마찰을 고정시켜줄 수가 없어서 부득이 하게 페더키를 추가했고 이로 인해 로터 샤프트의 외경이 줄어들어 컴프레서 휠 쪽의 스러스트/레이디얼 베어링에 포함된 레이디얼 베어링의 내경과 터빈 휠 쪽의 레이디얼 베어링의 내경이 달라 성능상의 손해가 생겼다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출되는 것으로 효과적인 베어링의 선정과 배열로 사용되는 부품수를 줄이고 터빈 휠과 컴프레서 휠 양측에 사용되는 레이디얼 베어링의 내경이 틀려짐으로 인해 오는 성능저하를 방지하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 로터 샤프트의 각 양 끝에 장치된 컴프레서 휠과 터빈 휠과 상기의 로터 샤프트에 장치되는 다수, 다종의 베어링과 링으로 구성이 된다.

이를 도면에 의해 자세히 설명하면 4도에서와 같이 컴프레서 휠(1)과 터빈 휠(7)을 회전시키는 로터 샤프트(8)와 로터 샤프트(8)를 지지하는 일련의 베어링으로 구성된 베어링 부는 컴프레서 휠(1) 측에 다수의 베어링이 설치됨으로 인해 터빈 휠(7) 측에 비해 컴프레서 휠(1) 측이 상대적으로 작은 외경을 가지는 형태의 로터샤프트(8)와,

상기 로터 샤프트(8)의 터빈 휠(7)의 측에 설치되어 반경방향 반력을 지지하는 레이디얼 베어링(6)과, 로터 샤프트(8)의 컴프레서 휠(1)측에 설치되어 기밀을 유지하면서 컴프레서 휠(1)로부터 터빈 휠(7) 방향으로 가해지는 축 방향 반력을 지지하는 라비린스/스러스트 링(13)과,

라비린스/스러스트 링(13) 다음에 위치하고 터빈 휠(7) 측보다 외경이 작은 컴프레서 휠(1)측의 로터샤프트의 외경을 보상하여 로터샤프트의 외경변화가 없게 하고 터빈 휠(2)로부터 오는 축 방향 반력 과 반경방향 반력을 지지하는 엑자일러리(보조) 베어링(12)과,

상기 엑자일러리(보조) 베어링(12)의 외측에 설치되어 라비린스/스러스트 링(13) 다음에 위치하며 터빈 휠(7)과 컴프레서 휠(1) 양방향으로부터 가해지는 축 방향 반력과 반경방향 반력을 지지하는 스러스트/레이디얼 베어링(11)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기의 같은 구성 시 본 발명의 작용을 설명하면 사용되는 부품의 수는 라비린스/스러스트 링 1개, 스러스트/레이디얼 베어링 1개, 엑자일러리(보조) 베어링 1개, 레이디얼 베어링 1개로 베어링관련 부품의 수가 총 4개가 되는데, 이는 기존에 방식인 2개의 레이디얼 베어링과 1개의 스러스트 베어링을 사용하는 방식에서 1개의 레이디얼 베어링과 1개의 스러스트/레이디얼 베어링을 사용 하고 스러스트 링과 라비린스 링의 기능을 하나의 부품으로 합친 라비린스/스러스트 링으로 하여, 또 하나의 부품수가 줄어들며 기존의 구성에서 발생되던 슬립현상은 디스턴스 슬리브가 사용되지 않음으로써 제거되며 두 부품사이에 마모현상 역시 제거되었다.

또한 각기 다른 다수의 베어링의 사용으로 인해 베어링을 지지하는 로터 샤프트의 외경에 변화를 주어야하는데 이러한 외경의 변화로 인해 터빈 휠 쪽의 레이디얼 베어링의 내경과 컴프레서 휠 쪽의 스러스트/레이디얼 베어링의 내경에 차이가 생긴다. 이렇게 내경의 크기가 다른 레이디얼 베어링이 사용될 경우 성능의 저하를 불러오며 상기와 같이 엑자일러리(보조) 베어링를 설치하여 컴프레서 휠과 터빈 휠 양측에 사용된 레이디얼 베어링 의 내경을 동일하게 하여 성능저하를 방지했다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 우선적으로 사용되는 베어링 관련 부품의 수가 예시된 기존 방식보다 줄어들었으며 레이 디얼 베어링들의 내경 변화가 없음으로 레이디얼 베어링의 내경을 터빈 휠에 맞추기 위한 정교한 보링 작업을 2번에서 1번으로 줄일 수 있게 되었다. 상기와 같이 사용되는 레이디얼 베어링들의 내경이 같음으로 인해 레이디얼 베어링들 간에 동일한 강성 계수와 감쇄계수를 가지게 되며 이는 축계안정성에 도움을 주어 전체적으로 안정된 동작을 할 수 있게 한다. 상기와 같이 줄어든 부품수와 줄어든 공정수로 제작, 유지보수, 사용상에 있어 편리성과 성능의 향상이 가능할 것으로 기대된다.

Claims

컴프레서 휠(1)과 터빈 휠(7)을 회전시키는 로터 샤프트(8)와 로터 샤프트(8)를 지지하는 일련의 베어링의 구성에 있어서, 컴프레서 휠(1) 측에 다수의 베어링이 설치됨으로 인해 터빈 휠(7) 측에 비해 컴프레서 휠 측이 상대적으로 작은 외경을 가지는 형태의 로터샤프트(8)와; 상기 로터샤프트(8)의 터빈 휠(7) 측에 설치되어 반경방향 반력을 지지하는 레이디얼 베어링(6)과; 로터 샤프트(8)의 컴프레서 휠(1)측에 설치되어 기밀을 유지하면서 축 방향 반력을 지지하는 라비린스/스러스트 링(13)과; 라비린스/스러스트 링(13) 다음에 위치하고 터빈 휠(7) 측보다 외경이 작은 컴프레서 휠(1)측의 로터샤프트의 외경을 보상하여 로터샤프트의 외경변화가 없게 하고 축 방향 반력 과 반경방향 반력을 지지하는 엑자일러리(보조) 베어링(12)과, 상기 엑자일러리(보조) 베어링(12)의 외경에 설치되며 터빈 휠과 컴프레서 휠 양측으로부터 가해지는 축 방향 반력과 반경방향 반력을 지지하는 스러스트/레이디얼 베어링(11)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중형 터보차저 베어링 부 구조