KR20060045627A - 압축기 하우징 - Google Patents

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KR20060045627A
KR20060045627A KR1020050030401A KR20050030401A KR20060045627A KR 20060045627 A KR20060045627 A KR 20060045627A KR 1020050030401 A KR1020050030401 A KR 1020050030401A KR 20050030401 A KR20050030401 A KR 20050030401A KR 20060045627 A KR20060045627 A KR 20060045627A
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클라우스 하인리히
데트레프 베흐렌트
디-피에트로 마르코
카마스트랄 마르크 안드레아
마르쿠스 스퇴델리
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에이비비 터보 시스템즈 아게
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Abstract

통상적인 외부 플랜지(flange)(22) 이외에, 공기 유입구 하우징(air-inlet housing)(1) 및 압축기 하우징(2)은 주 플랜지보다 작은 반경으로 배열된 지지 플랜지(23)의 형태인 제 2 지지체를 갖는다. 상기 압축기 하우징의 상기 지지 플랜지는 비스듬하게 외부로 향하고, 가능한 한 큰 반경으로 상기 하우징(2)에 고정된다.
압축기 휠의 분리(compressor wheel bursting)의 발생 시에, 이는 떨어져 비행하는 압축기 휠 부품으로부터 공기 유입구 하우징으로 축방향 충격(axial impulse)이 직접 전달되는 것을 방지한다. 이중 지지체는 상기 공기 유입구 하우징의 고유 진동수(natural frequency)를 증가시킨다.

Description

압축기 하우징{COMPRESSOR HOUSING}
도 1은 본 발명에 따라 공기 유입구 하우징에 연결된 배기 기체 터보 과급기(exhaust-gas turbocharger)의 압축기 하우징 전체의 단면을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 따른 압축기 하우징의 부분도를 나타낸 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 공기 유입구 하우징(air-inlet housing)
12 고정 플랜지(fastening flange)
13 지지면(bearing surface)을 갖는 지지 플랜지(supporting flange)
2 압축기 하우징(compressor housing)
21 하우징 외벽(housing outer wall)
22 고정 플랜지
23 지지면을 갖는 지지 플랜지
24 중간 벽(intermediate wall)
25 삽입 벽(insert wall)
26 공동(cavity), 가축성 구역(collapsible zone)
본 발명은 배기 기체 터보 과급기(exhaust-gas turbocharger)의 분야에 관한 것이다.
본 발명은 특허청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 압축기 하우징 상의 공기 유입구 하우징의 고정 방법, 및 특허청구범위 제 7 항의 전제부에 따른 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징에 관한 것이다.
높은 원주 속도(circumferential speed)로 회전하는 방사상 압축기는 배기 기체 터보 과급기에서 사용된다. 그 결과, 높은 운동 에너지는 구성 요소(component)에 저장된다. 어떠한 사람 또는 유형의 것도 압축기 휠의 분리(compressor wheel bursting)의 발생 시에 위험에 노출되지 않기 위해 요구되는 것은, 어떠한 단편도 휠을 둘러싸는 하우징을 외부로 통과시키지 않는 것이다. 이러한 목적은 하우징 부품에 의해 둘러싸여 있는 압축기 휠에 의해 달성되며, 상기 하우징 부품은 휠(봉쇄부(containment))에서 저장된 에너지를 흡수할 수 있다. 에너지 분산 도중에 작용하는 힘을 허용할 수 없는 수준까지 증가시키지 않기 위해, 구조의 부품은 탄성적으로 및 가소성으로 변형될 수 있어야 한다(가축성 구역).
배기 기체 터보 과급기는 직접적으로 또는 특정한 풋(foot)을 통해 엔진 브래킷(engine bracket)에 고정된다. 대부분의 경우, 공기 유입구 측부 상의 압축기에 고정된 공기 유입구 하우징과 풋 사이의 거리는 매우 크다. 공기 유입구 하우징은 필터 소음기(filter silencer) 또는 공기 유입 연결부(air-intake connection piece)로서 설계될 수 있다. 허용할 수 없는 크기의 진동은 엔진 진동에 의해 공 기 유입구 하우징에서 여기될 수 있다. 이는 특히 공기 유입구의 고유 진동수(natural frequency)가 터보 과급기 고정 방법에서 보다 약간 초과하는 경우에 사실이다. 이러한 경우에, 공기 유입구 하우징에서 허용할 수 없는 정도로 과도한 진동수의 증가가 발생할 수 있다. 이 같은 진동 문제를 해결할 수 있기 위해, 터보 과급기는 높은 고유 진동수를 가질 필요성이 있다. 이어, 이는 가능한 한 강성의 하우징에 의해 달성된다.
유럽 특허출원 제 EP 1 186 781 A1 호에 개시되고 도시된 바와 같이, 압축기의 상류에 연결된 필터 소음기, 또는 필터 소음기가 존재하지 않는 경우에 상응하는 공기 유입 연결부는 압축기 하우징 상에서 축상으로 플랜지-장착된다. 플랜지 연결부는 가능한 한 큰 직경으로 형성된다. 큰 직경으로 공기 유입구 하우징의 고정은 강성 연결을 확실케 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 구성 요소는 많은 경우에 전체 과급기의 고유 진동수를 결정한다.
진동의 감소 및 봉쇄부의 상이한 설계 목적은 상충적인 요건, 즉 한편으로는 고유 진동수를 증가시키기 위한 높은 강성, 및 다른 한편으로는 부품이 변형되지 않도록 하기 위한 감소된 강성을 초래한다.
본 발명의 목적은 압축기 하우징 상의 공기 유입구 하우징의 고정 방법, 및 높은 고유 진동수 및 개선된 봉쇄부 둘 모두가 달성될 수 있는 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징용 상응하는 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 본 발명의 목적은 특허청구범위 제 1 항의 특징부를 갖는 고정 배열, 및 특허청구범위 제 7 항의 특징부를 갖는 압축기 하우징 각각에 의해 달성된다.
통상적인 외부 플랜지 이외에, 공기 유입구 하우징 및 압축기 하우징은 주 플랜지(main flange)보다 작은 반경으로 배열된 지지 플랜지 형태인 제 2 지지체를 갖는다. 지지 플랜지는 마찰성 그립(frictional grip)을 가지며, 상기 마찰성 그립은 유리하게는 공기 유입구 하우징 및 압축기 하우징을 축방향으로 가압함으로써 달성된다. 이중 지지체는 공기 유입구 하우징의 고유 진동수를 증가시킨다. 본 발명에 따라서, 압축기 하우징의 지지 플랜지는 접촉 구역으로부터 외부로 비스듬하게 향하고, 지지 플랜지를 형성하는 압축기 하우징의 이러한 부품은 가능한 한 큰 반경으로 압축기 하우징의 나머지 부품에 고정된다. 압축기 힐의 분리의 발생 시에, 현재 추가적인 내부 하우징 부품은 떨어져 비행하는 압축기 휠 부품으로부터 공기 유입구 하우징으로 축방향 충격(axial impulse)이 직접 전달되는 것을 방지한다. 그 결과, 공기 유입구 하우징이 축방향으로 떨어져 나갈 위험성이 감소된다. 외부 상에 놓인 압축기 하우징의 부품은 공기 유입구 하우징의 내부 지지체와 함께 상기 하우징의 강성 부품을 형성하며, 이러한 강성 부품은 높은 고유 진동수를 달성하는데 요구된다.
이러한 설계로 인해, 떨어져서 비행하는 압축기 휠의 에너지를 분산시키는데 요구되는 보다 덜 강성인 하우징 부품의 배열을 위한 공간은 지지 플랜지와 압축기 휠 사이의 구역에서 생성된다.
외부로 비스듬하게 향하는 지지 플랜지는 원추형 벽으로서 설계될 수 있으 며, 이는 축방향으로 부가적으로 립(rib)될 수 있다. 추가적으로 유리한 내부 지지체의 구성은, 지지 플랜지가 원주 방향에서 교대하는 방사상 기울기를 갖는 벽으로서 설계되는 경우에 달성된다. 특별히 강성인 형태는 원주 방향에서 이러한 지그잭(zigzag)형 구성에 의해 달성된다.
지지 플랜지 및 외부 플랜지는 다중형(multi-piece) 설계일 수 있거나, 하나의 부품으로 제조, 예를 들어 주조될 수 있다.
추가적인 이점은 종속항으로부터 나온다.
본 발명에 따른 고정 배열은 도면을 참고하여 하기에서 더욱 상세하게 개략적으로 도시되고 설명된다. 동일한 효과를 갖는 요소에는 모든 도면에서 동일한 부호가 제공된다.
도 1은 압축기 하우징(2), 및 압축기의 공기 유입구에 배열된 공기 유입구 하우징(1)이 구비된 배기 기체 터보 과급기의 공기 유입구 측부 전체의 단면을 도시하고 있다. 긴 괘선으로 표시된 축 둘레에 회전 가능하게 장착된 압축기 휠, 및 배기 기체 터보 과급기의 터빈 측부는 도시되어 있지 않다. 압착되는 매체, 전형적으로는 공기의 유동 방향은 화살표로 표시된다.
공기 유입구 하우징은, 예를 들어 소음기 또는 공기 유입 연결부로서 설계될 수 있다.
공기 유입구 하우징은 원주를 따라 분배된 복수의 스크류(screw)를 통해, 또는 다른 적합한 고정 수단에 의해 압축기 하우징에 고정된다. 스크류는 압축기 하 우징의 외부 부품에 대해 축 방향 및 방사상 방향 둘 모두에서 공기 유입구 하우징을 고정시킨다. 스크류는 도 1에서 단순히 짧은 괘선을 통해 표시된다.
스크류를 통한 고정 방법에 있어서, 공기 유입구 하우징은 압축기 하우징을 향하는 하우징 벽의 방사상 외부 구역에서 고정 플랜지(12)를 갖는다. 압축기 하우징은 또한 방사상 외부 구역에서 상응하는 외부 공정 플랜지(22)를 갖는다. 도시된 실시태양에서, 외부 고정 플랜지는 하우징 외벽(21)에 의해 외부에서 방사상으로 강화된다. 투피스형 구조물(fabrication)이 조립의 이유로 필요하지 않는 경우, 하우징 외벽 및 고정 플랜지는 또한 일체형으로 설계될 수 있다.
지지 플랜지(13)는 공기 유입구 하우징의 상기 하우징 벽의 방사상 내부 구역에서 배열된다. 이러한 지지 플랜지를 통해서, 공기 유입구 하우징은 압축기 하우징 상의 상응하는 지지 플랜지(23) 상에서 축방향으로 지지된다.
본 발명에 따라, 지지 플랜지(23)는 공기 유입구 하우징의 지지 플랜지(13)와 접촉하는 점으로부터 시작하여 외부로 비스듬하게 향하고, 외부 상에서 상기 하우징에 고정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 플랜지(23)는 유리하게는 외벽 부품(22)과 일체형으로 제조, 예를 들어 주조된다.
외부로 비스듬하게 향하는 지지 플랜지가 지지 플랜지(23)와 압축 하우징의 내벽 부품 사이에서 생성하는 거리는 본 발명의 본질이고, 개선된 봉쇄부 거동에 있어서 중요하다. 압축기 휠의 분리의 발생 시에, 이러한 거리는 공기 유입구 하우징과 압축기 하우징 사이의 연결부가 손상되지 않은 채 축 방향에서 내벽 부품, 중간 벽(24) 및 삽입 벽(25)의 변형 및 교체를 허용한다. 공동(26) 구역에서의 삽 입 벽(25) 및 중간 벽(24)의 변형으로 인해, 및 또한 교체로 인해 고속 압축기 휠의 대부분의 운동 에너지는 분산된다.
이어, 나머지 에너지는 내부 및 외부 플랜지에서 압축기 하우징과 공기 유입구 하우징 사이의 고정된 강성 연결부에 의해 분산될 수 있다. 이어, 이들 연결부에 여전히 작용하는 힘은 떨어져서 비행하는 압축기 휠 부품의 직접적인 축방향 충격 전달에 의해 생성된 초기 힘의 마찰에만 상응한다.
내부 및 외부 압축기 부품의 작동상의 분리로 인해, 개개의 부품의 변형성(deformability) 및 강성에 대해서는 어떠한 타협도 필요하지 않다. 따라서, 지지 플랜지(23)는 목적하는 강성을 갖도록 설계될 수 있다. 외부로 원추형으로 향하는 지지 플랜지의 벽은, 예를 들어 축방향으로 이어지는 립(rib)에 의해 부가적으로 강화될 수 있다. 평활한 원추형 방식으로 이어지는 형태에 대한 대안으로서, 벽은 또한 원주 방향에서 교대하는 방사상 기울기를 가질 수 있다. 이러한 파장형(wavelike) 구성은 도 1에서 3개의 정교하게 도시된 립으로 표시되며, 상기 립은 전면부로부터 볼 수 있는 바와 같이 좌측, 우측, 다시 좌측으로 교대로 진동하고, 도 2는 또한 지지 플랜지의 이러한 실시태양을 도시하고 있다. 이들 모든 척도는 지지 플랜지의 추가적인 강성을 야기한다.
공기 유입구 하우징의 지지 플랜지(13)는 유리하게는 고정 플랜지(12)에 대해 축방향으로 프리스트레싱(prestressing)된다. 공기 유입구 하우징이 축 방향에서 압축기 하우징 상에 배치되는 경우, 먼저 공기 유입구 하우징과 압축기 하우징 사이의 접촉이 지지 플랜지(13 및 23)의 구역에서 발생한다. 고정 플랜지(12 및 22)의 접촉 구역에서, 축 방향에서의 갭(gap)이 존재하며, 이러한 갭은 후속적으로 스크류가 단단하게 죄일 때까지 밀폐되지 않는다. 갭을 밀폐함으로써, 공기 유입구 하우징의 하우징은 공정 플랜지와 지지 플랜지 사이에서 약간 변형되고, 따라서 공기 유입구 하우징은 축방향 프리스트레스를 받게 된다.
본 발명의 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법에 의해 제조된 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징은 공기 유입구 하우징의 고유 진동수를 증가시킬 뿐만 아니라, 압축기 힐의 분리의 발생 시에 압축기 휠 부품으로부터 공기 유입구 하우징으로 축방향 충격(axial impulse)이 직접 전달되는 것을 방지하여 공기 유입구 하우징이 축방향으로 떨어져 나갈 위험성이 감소되므로, 본 발명의 분야에서 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 배기 기체 터보 과급기(exhaust-gas turbocharger)의 압축기 하우징(2) 상에 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법으로서,
    상기 압축기 하우징은 축 둘레를 회전 가능하게 배열된 압축기 휠(compressor wheel)을 둘러싸고, 내부 상에 방사상으로 놓여 있는 내부 하우징 부품(24, 25) 및 외부 상에 방사상으로 놓여 있는 외부 하우징 부품(21, 22)을 포함하고, 상기 내부 하우징 부품(24, 25)은 압축기 휠의 분리(compressor wheel bursting)의 발생 시에 운동 에너지(kinetic energy)를 흡수하고, 적어도 부분적으로는 분산시키도록 의도되고, 상기 공기 유입구 하우징은 제 1 연결 구역(first connecting region)에 견고하게 고정되는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법에 있어서,
    상기 공기 유입구 하우징은 제 2 연결 구역(second connecting region)에서 상기 압축기 하우징의 지지 플랜지(23) 상에 위치하고, 상기 지지 플랜지(23)는 내부 하우징 부품(24, 25)의 외부에서 방사상으로 상기 외부 하우징 부품(22)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 유입구 하우징은 상기 제 1 연결 구역에서 고정 플랜지(12)를 갖고, 상기 공기 유입구 하우징은 상기 고정 플랜지(12)를 통해 압축기 하우징(22)에 고정되고, 상기 공기 유입구 하우징은 제 2 연결 구역에서 상 기 지지 플랜지(13)를 갖고, 상기 공기 유입구 하우징은 압축기 하우징(2, 23) 상에 위치하고, 고정 상태에서 상기 공기 유입구 하우징의 상기 지지 플랜지는 상기 고정 플랜지에 대해 축방향 프레스트레스(axial prestress)를 받는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 내부 하우징 부품은 삽입 벽(25)을 포함하며, 상기 삽입 벽은 매체(medium)가 압축용 압축기 휠을 향하도록 유동 통로(flow passage)를 한정하고, 상기 압축기 하우징의 상기 지지 플랜지(23)는 상기 삽입 벽(25)의 외부에서 방사상으로 상기 외부 하우징 부품(22)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 내부 하우징 부품은 내벽(25) 및 하나 이상의 중간 벽(24)을 포함하며, 상기 삽입 벽은 상기 매체가 압축용 압축기 휠을 향하도록 상기 유동 통로를 한정하고, 하나 이상의 공동(26)은 상기 중간 벽과 상기 삽입 벽 사이에서 형성되고, 상기 압축기 하우징의 상기 지지 플랜지(23)는 상기 중간 벽(24)의 외부에서 방사상으로 상기 외부 하우징 부품(22)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기 하우징의 상기 지지 플랜지는 제 2 연결 구역으로부터 외부로 방사상으로 이어지는 원추형 벽 (conical wall)으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기 하우징의 상기 지지 플랜지는 제 2 연결 구역으로부터 외부로 방사상으로 이어지고 원주 방향(circumferential direction)에서 교대하는 방사상 기울기를 갖는 벽으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 공기 유입구 하우징(1)의 고정 방법.
  7. 유동 통로, 내부 하우징 부품(24, 25) 및 외부 하우징 부품(21, 22)을 포함하는, 압축기 휠을 수용하기 위한 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징으로서, 상기 내부 하우징 부품은 유동 통로를 둘러싸고, 압축기 휠의 분리(compressor wheel bursting)의 발생 시에 상기 운동 에너지를 흡수하고 적어도 부분적으로는 상기 운동 에너지를 분산시키도록 의도되고, 상기 외부 하우징 부품은 상기 내부 하우징 부품의 외부에서 방사상으로 배열되는 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징에 있어서,
    상기 압축기 하우징은 공기 유입구 하우징(1)을 상기 압축기 하우징(2)에 연결시키기 위한 2개의 주위 플랜지(encircling flange)(22, 23)를 가지며, 이때 상기 2개의 플랜지는 방사상 거리로 이격되어 배열되고, 상기 방사상 외부 플랜지(22)는 외부 하우징 부품의 일체형 부품이고, 상기 방사상 내부 플랜지(23)는 상기 내부 하우징 부품의 외부에서 방사상으로 상기 방사상 외부 플랜지에 연결되는 것 을 특징으로 하는, 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방사상 내부 플랜지는 상기 공기 유입구 하우징에서 상기 연결점으로부터 외부로 방사상으로 이어지는 원추형 벽으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 방사상 내부 플랜지는 상기 공기 유입구 하우징에서 상기 연결점으로부터 외부로 방사상으로 이어지고 상기 원주 방향에서 교대하는 방사상 기울기를 갖는 벽으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 배기 기체 터보 과급기의 압축기 하우징.
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