KR20070064327A - 압축기 휠 하우징 - Google Patents

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Abstract

터보차저 압축기 휠용 압축기 휠 하우징은 압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및 상기 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면을 포함한다. 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치에 해당하는 위치를 지난 반경 방향 위치에서 더 큰 축방향 위치를 갖는다. 다양한 다른 예시적인 방법, 장치, 시스템 등도 역시 개시된다.

Description

압축기 휠 하우징{COMPRESSOR WHEEL HOUSING}
본 명세서에 개시된 발명은 원심 압축기 조립체에 관한 것이며, 내연기관의 터보차저용 압축기 휠을 수용하기에 적합한 압축기 하우징에 관한 것이다.
베인(vane)이 없는 무베인 디퓨저 하우징(vaneless diffuser housing)을 갖는 원심 압축기의 효율은 디퓨저 하우징 형태에 영향을 받는다. 종래의 하우징이 사용하는 핀치(pinch) 섹션에 후속하여 평행한 섹션이 압축기 스크롤로 연장되고, 핀치 섹션은 압축기 휠 출구 부근에 스로틀을 제공하고 평행한 섹션은 확산을 제공한다. 다양한 핀치 섹션 및/또는 디퓨저 섹션의 다양한 예가 본 명세서에 개시되어, 예컨대 다양한 종래의 하우징과 비교할 때 효율 증가를 제공한다.
본 발명의 특징에 따르면, 터보차저 압축기 휠용 압축기 휠 하우징은 압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및 상기 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면을 포함한다. 상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치에 해당하는 위치를 지난 반경 방향 위치에서 더 큰 축방향 위치를 갖는다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 터보차저 압축기 휠용 압축기 휠 하우징은 압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 상기 z-평면에 대해 약 20도 이하의 각도에서 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및 상기 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면을 포함한다. 상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 상기 z-평면에 대해 약 10도 이하의 각도에서 최소치에 접근한다.
본 명세서에 기재한 다양한 방법, 시스템 및 구성 등과 이들의 균등물을 더 잘 이해할 수 있도록 아래의 상세한 설명을 첨부 도면과 연계하여 기술한다.
도 1은 터보차저와 내연기관을 포함하는 시스템의 일례를 도시하는 개략도이 다.
도 2는 수렴 및 발산 벽 섹션이 있는 디퓨저를 포함하는 압축기 하우징이 있는 압축기 조립체의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 초기 수렴 섹션이 있는 디퓨저를 포함하는 압축기 하우징이 있는 압축기 조립체의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 수렴 및 발산 벽 섹션을 포함하는 압축기 하우징의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5A는 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션을 포함하는 압축기 하우징의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5B는 도 5A의 압축기 하우징의 확대도이다.
도 6은 (약 3.00mm 내지 3.30mm의) 수렴 및 발산 벽 섹션이 있는 압축기 하우징의 실시예에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯이다.
도 7은 (약 3.30mm 간격의) 평행한 벽 섹션이 있는 디퓨저를 갖는 종래의 압축기 하우징에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯이다.
도 8은 가동 뒤판 가변 형상 압축기 구성에 사용되는 수렴-발산 압축기의 실시예와 종래의 압축기 하우징에 대한 결과를 비교하는 보정 기류 대 압력비의 플롯이다.
도 9는 (약 2.47mm 간격의) 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션이 있는 압축기 하우징의 실시예에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯을 종래의 압축기 하우징에 대한 플롯과 겹쳐 비교한 것이다.
도 10은 (약 2.87mm 간격의) 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션이 있는 압축기 하우징의 실시예에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯을 종래의 압축기 하우징에 대한 플롯과 겹쳐 비교한 것이다.
도 11은 (약 3.27mm 간격의) 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션이 있는 압축기 하우징의 실시예에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯을 종래의 압축기 하우징에 대한 플롯과 겹쳐 비교한 것이다.
도 1은 내연기관(110)과 터보차저(120)를 포함하는 시스템(100)의 일례를 나타낸다. 내연기관(110)은 샤프트(112)를 동작 구동하는 하나 이상의 연소실(예컨대 실린더 등)을 수용하는 엔진 블록(118)을 포함한다. 도 1에 도시한 것과 같이, 흡입 포트(114)는 흡기를 엔진 블록(188)으로 보내는 유로를 제공하고 배출 포트(116)는 엔진 블록의 배기를 위한 유로를 제공한다.
터보차저(120)는 배기로부터 에너지를 추출하고 이 에너지를 사용하여 흡입 충진 압력(예컨대 흡기 등의 압력)을 증가시킨다. 도 1에 도시한 것과 같이, 터보차저(120)는 압축기(124), 터빈(126), 흡입구(134) 및 배기구(136)를 포함한다. 터빈(126)으로 전환된 엔진(110)의 배기는 샤프트(122)를 회전시킴으로써 압축기(124)를 회전시킨다. 회전하는 압축기(124)는 흡기에 에너지를 주어 흡기 압력(즉, 단위면적 당 힘 또는 단위부피 당 에너지)을 “증대”시키고, 이는 보통 “부스트 압력(boost pressure)”이라 한다. 이와 같이, 터보차저는 (보통 탄소계 및/ 또는 수소계 연료와 혼합된) 다량의 흡기를 엔진에 제공하도록 조력하여, 연소 중에 엔진 출력이 증가되도록 할 수 있다.
배기 터빈 또는 터보차저는 배기 터빈으로 가는 배기 흐름을 제어하는 가변 형상 기구 또는 다른 기구를 포함한다. 상업적으로 구입 가능한 가변 형상 터보차저(VGTs)로는 GARRETT?VNTTM and AVNTTM 터보차저가 있으나 이들로 한정되는 것은 아니며, 이들은 다중의 조정 가능한 베인을 사용하여 노즐을 통해 터빈을 가로질러 배기를 제어한다. 또한, 시스템(100)은 샤프트(예컨대 압축기 샤프트, 터빈 샤프트 등)를 가감속시킬 수 있는 관련 전기 모터 및/또는 발전기와 관련 동력 전자기기를 갖는 터보차저 또는 압축기를 포함할 수 있다. 동력 전자기기는 DC 동력으로 작동하고 모터 및/또는 발전기 구동용 AC 신호를 발생할 수 있다.
도 2는 압축기 휠(202), 예시적인 압축기 하우징(210) 및 판(230)을 포함하는 압축기 조립체(200)의 단면도(상수(φ)의 r-z 평면)이다. 압축기 휠(202)은 일축을 중심으로 하고 하나 이상의 블레이드(blade)를 갖는 회전자(204)를 포함하며, 각각의 블레이드는 외측 가장자리(208)를 갖는다. 도시한 것과 같이, 블레이드(206)의 외측 가장자리는 회전자(204)의 축으로부터 일정 반경(r1)을 갖는다. 압축기 휠(202)의 회전축인 r-축 및/또는 z-축에 대해 다양한 특징이 기재된다. 예컨대, 압축기 휠의 z-평면은 블레이드의 외측 가장자리(208)의 하단에 또는 그에 인접하게 위치한다. 다양한 예에서, z-평면은 z-축을 위한 원점이 된다.
예시적인 압축기 하우징(210)은 실질적으로 축방향으로 형성된 슈라우 드(shroud) 벽 섹션(212) 및 반경(r1)보다 큰 반경으로 디퓨저 섹션으로 이어진 윤곽 슈라우드 벽 섹션(214)을 포함한다. 이 디퓨저 섹션은 수렴 및 발산 디퓨저 벽 섹션(216)과 실질적으로 평행한 디퓨저 벽 섹션(218)으로 더 나누어지고, 디퓨저 벽 섹션(218)은 압축기 스크롤(220)에 이른다. 하우징(210)의 표면 윤곽은 슈라우드 섹션(212)에 대해 실질적으로 원통이고, 슈라우드 섹션(212)은 또한 축방향 치수가 반경(r1)까지 감소한다. 반경(r1)을 갖는 부분에서 슈라우드 섹션은 부분적으로는 디퓨저 표면 또는 벽으로 형성된 디퓨저 섹션으로 전이된다.
평행한 디퓨저 벽 섹션은 상면과 하면이 서로 일정하게 분리된 것을 의미한다. 일반적으로, 상면은 하우징의 표면 또는 일부 요소이고, 하면은 판의 표면이다. 이와 같은 면들이 z-축을 따라 그 위치를 일부 변경할 수 있지만, 이 면들 사이의 간격은 평행한 디퓨저 벽 섹션의 반경 증가에 대해 실질적으로 일정하게 유지된다.
이 예에서, 판(230)은 (예컨대 반경(r1)에 해당하는) 대체로 블레이드(206)의 외측 가장자리(208)에 위치한 내벽(234)으로부터 스크롤(220) 및 디퓨저 섹션의 말단의 인접 부위로 연장된다. 판의 상면(232)은 내벽(234)으로부터 외벽(238)으로 연장되어 디퓨저 섹션의 하벽을 형성한다. 도시한 것과 같이, 실질적으로 평행한 디퓨저 벽 섹션(218)은 판(230)의 상면(232)에 실질적으로 평행하며, 축을 따라 소정 높이(hdiff)를 갖는다. 평행한 디퓨저 벽 섹션(218)에서, 높이(hdiff)는 치수 r 에 대해 실질적으로 일정하다. 즉 hdiff(r) = hll+/-ε이고, ε은 hll에 비교되는 작은 편차 값이다.
도 2의 예에서, 대부분의 벽 발산은 발산 벽 섹션(216)의 발산부에 걸쳐서 이루어지고, 더 큰 직경 또는 반경에서, 벽 섹션은 특히 스크롤(220)에 접근할 때 실질적으로 평행하다. 수렴 및 발산 디퓨저 벽 섹션(216)은 판(230)의 상면(232)에 대해 최소 높이를 갖고, 최소 높이(예컨대 hmin)는 반경(rmin)에서 이루어진다.
일반적으로, 종래의 압축기 조립체는 대다수의 확산이 일어나는 평행한 디퓨저 섹션을 갖는다. 그와 같은 디퓨저 섹션에서는 디퓨저 높이가 감소함에 따라 벽 마찰이 증가할 것이다. 따라서, 압축기 효율은 그와 같은 디퓨저 섹션의 디퓨저 높이 감소에 따라 현저히 감소한다. 또한, 형상에 따라, zφ-평면의 전체 유동 면적은 반경 증가에 따라 증가하여, r-축을 따른 기체 속도와 기체 혼합을 감소시키게 된다.
압축기 조립체(200)의 실시예에 따르면, 수렴 및 발산 디퓨저 벽 섹션(216)은 개선된 효율 및/또는 성능을 제공한다. 특히, 수렴 섹션은 압축기 휠 출구 부근에 스로틀을 제공하(여 디퓨저를 통한 흐름을 더욱 균일하게 하)는 핀치로서 작용한다. 이에 대해, 수렴 섹션은 벽 마찰을 줄이(고 그에 따라 디퓨저의 ‘유압 반경’을 늘리)는 기능을 한다. 확산은 수렴 섹션 전체에서 생겨 유동을 더욱 안정시키고 디퓨저의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 3은 압축기 휠(302), 압축기 하우징(310) 및 판(330)을 포함하는 압축기 조립체(300)의 단면도(상수(φ)의 r-z 평면)이다. 압축기 휠(302)은 일축을 중심으로 하고 하나 이상의 블레이드(306)를 갖는 회전자(304)를 포함하며, 각각의 블레이드(306)는 외측 가장자리(308)를 갖는다. 도시한 것과 같이, 블레이드(306)의 외측 가장자리(308)는 회전자(304)의 축으로부터 일정 반경(r1)을 갖는다. 예시적인 압축기 하우징(310)은 실질적으로 축방향으로 형성된 슈라우드 벽 섹션(312), 반경(r1)보다 큰 반경으로 디퓨저 섹션으로 이어진 윤곽 슈라우드 벽 섹션(314), 수렴 디퓨저 벽 섹션(316) 및 압축기 스크롤(320)에 이르는 실질적으로 평행한 디퓨저 벽 섹션(318)을 포함한다. 이 예에서, 판(330)은 대체로 블레이드(308)의 외측 가장자리에 위치한 내벽(334)으로부터 스크롤(320) 및 디퓨저 섹션의 말단의 인접 부위로 연장된다. 판의 상면(332)은 내벽(334)으로부터 외벽(338)으로 연장하여 디퓨저 섹션의 하벽을 형성한다. 도시한 것과 같이, 실질적으로 평행한 디퓨저 벽 섹션(318)은 판(330)의 상면(332)에 실질적으로 평행하고 z-축을 따라 소정 높이(hdiff)를 갖는다. 이 예에서, 대부분의 디퓨저 벽 수렴은 수렴 벽 섹션(316)에서 일어나고, 수렴 벽 섹션(316)은 (예컨대 대체로 블레이드(306)의 외측 가장자리(308)에 해당하는) 반경(r1)과 실질적으로 평행한 디퓨저 벽 섹션(318)의 개시 위치 사이의 반경(rconv)에 위치하며, 디퓨저 벽 섹션(318)은 반경(rll)으로 시작한다. 수렴 벽 섹션(316)은 판(330)의 상면(332)에 대해 최소 높이(예컨대 hmin)로 수렴하고, 최소 높이는 반경(rll) 또는 이보다 큰 반경에서 형성된다.
일반적으로, 터보차저 용례를 위한 무베인 하우징을 갖는 원심 압축기의 효율은 디퓨저 형상에 따라 정해진다. 종래의 압축기 하우징은 통상 슈라우드 벽 윤곽을 포함하며, 벽 윤곽은 반경(r1)에 해당하는 압축기 휠 출구 가장자리(308)인 동일 반경으로부터 r-z 평면의 휠 출구의 슈라우드 측인 동일한 기울기를 갖는 선을 경유하여 연장한다. 이와 같이 반경이 증가하고 축방향 치수가 감소하는 소정 각도의 선은 디퓨저 핀치 섹션을 형성하고, 이어서 실질적으로 평행한 디퓨저 섹션을 형성하도록 반경 방향으로 연장한다. 압축기 조립체(300)의 실시예에서, 압축기 하우징(310)은 터보차저용의 종래 압축기 하우징에 통상 사용된 것보다 작은 반경의 디퓨저 핀치 섹션을 형성하도록 수렴하는 만곡형 수렴 벽 섹션을 갖는다.
유체 역학에 관해서는, (예컨대 r1보다 큰 반경에서) 유체가 압축기 휠을 빠져 나올 때 유체 혼합이 일어나 압축기 효율을 감소시키게 되는 관련된 현저한 혼합 손실을 가질 수 있다. 일반적으로, 디퓨저 효과는 이 진입 지점의 유체 유입 특성에 의존한다. 일반적으로 얇은 경계층을 갖는 균일한 유동장은 낮은 모멘텀 영역을 갖는 유동장과 더 두꺼운 경계층보다 더 효과적이다. 예시적인 압축기 하우징(310)에 따르면, 초기 핀치는 압축기 휠 출구에서 유체의 강한 초기 가속을 일으킨다. 따라서 이것은 디퓨저 진입 지점에서 더 얇은 경계층을 갖는 더 균일한 유동장을 발생시킨다. 그와 같은 유동장은 후속하는 확산에 더 잘 준비되고, 그에 따라 압축기 휠 출구의 혼합 손실은 감소된다.
본 명세서에 기재한 다양한 예시적인 압축기 하우징은 도 2와 3을 참조하여 전술한 것과 같은 수렴 및 발산 벽 섹션 및/또는 초기 수렴 섹션을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 수렴 및 발산 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징에 대한 상세한 설명이 후속하며, 초기 수렴 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징의 상세한 설명이 뒤따른다. 그와 같은 예의 특징은 예컨대 초기 수렴 섹션 및 발산 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징에서 결합될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 압축기 조립체(400)를 보여주는 단면도(r-z 평면)이다. 예시적인 압축기 조립체(400)는 판(430)과 수렴 및 발산 디퓨저 벽 섹션을 갖는 압축기 하우징(410)을 포함한다. 압축기 하우징(410)은 또한 압축기 스크롤(420)을 형성한다. 이 예에서, 예시적인 압축기 하우징(410)은 중심축으로부터의 반경들이 주어지고 r1에 대해 수직인 아래의 치수들을 가지며, r1은 압축기 휠 블레이드(들)의 외측 가장자리의 반경이다.
특징 치수 정규화
r벽 19.62mm 0.8175
rl 26mm 1
rconv 28.08mm 1.08
rdiv 31.20mm 1.20
rend 46.60mm 1.79
이 예에 따르면, 예시적인 압축기 하우징은 약 1.2보다 작은 무차원 반경(dimensionless radius: 즉, r1에 대해 정규화한 반경)을 갖는 위치에 있는 수렴 및 발산 벽 섹션과 약 1.8 이상의 무차원 반경에서 압축기 스크롤과 접하는 디퓨저 섹션을 포함한다. 이 예에서, 수렴 및 발산 섹션은 디퓨저 섹션이 압축기 스크롤 과 접하는 지점의 반경의 대략 2/3 이하의 반경으로 형성된다.
이 예에서, 압축기 휠 출구는 4.00mm의 축방향 치수를 갖고, 디퓨저는 평행한 단면에서 3.30mm의 최대 축방향 치수를 가지며, 디퓨저를 형성하는 하판의 상면으로부터 측정한 rconv에서 2.97mm의 최소 축방향 치수를 갖는다. 압축기 휠 출구의 환상 면적은 약 653mm2(4.00mm*π*2*26mm)이고, 휠 출구에 대한 디퓨저의 rconv에서의 환상 면적비는 약 0.80 이하이며, rconv에 대한 rdiv에서의 환상 면적비는 약 1.25 이상이다. 치수들이 반경으로 표시되지만, 직경을 사용할 수도 있다. 또한, 다양한 표면들을 치수 r 및/또는 z의 함수로서 기재할 수 있다. 이 예에서, hA -평면으로 표시한 A-평면을 사용하여 축방향 치수를 특정할 수 있다. 예컨대, 디퓨저 상면은 rconv에서 약 6.59mm의 hA -평면을, 그리고 디퓨저의 평행 섹션에서 약 6.92mm의 hA -평면을 포함할 수 있다. 따라서, 축방향 치수는 반경 치수의 함수이고 디퓨저의 적어도 일부에서 변화한다. 도 5에 표시한 휠 치수(hwheel)는 A-평면으로부터 측정된다.
본 명세서에 기재한 다양한 예시적인 하우징은 흐름의 접선 성분, 예컨대, 접선 속도를 감소시키는 것이 목적이다. 종래의 하우징에서, 횡단면적과 부피 유량은 반경 증가에 따라 증가한다. 예시적인 하우징이 반경에 대한 단면적 및 부피 유량 증가를 나타내는 반면, 수렴 벽 섹션이 포함되면 종래 하우징에서 알려진 관계와 비교할 때 반경에 대한 단면적과 부피 유량을 감소시키도록 작용한다. 본 명세서에 기재한 것과 같이, 유동 경로와 환상 면적(즉, 단면적)의 축방향 치수 변경 은 표면 저항과 디퓨저 손실에 실질적인 효과를 갖는다. 그와 같은 변경은 유동의 반경 방향 성분, 예컨대, 반경 방향 속도에 영향을 준다. 예시적인 하우징은 반경 방향 속도를 증가시킴으로써 실속(stall)과 서지(surge)의 위험을 감소시킬 수 있다. 실속과 서지는 유동의 부적절한 반경 방향 성분(예컨대, 부적절한 반경 방향 속도)에 의해 특정되는 부적절한 유동과 연관된다.
도 5A는 일 실시예에 따른 압축기 조립체(500)의 횡단면도(r-z 평면)이다. 압축기 조립체(500)는 가장자리가 디퓨저의 바닥 경계를 형성하는 판(530) 및 초기 수렴 벽 섹션을 갖는 압축기 하우징(510)을 포함한다. 압축기 하우징(510)은 또한 압축기 스크롤(520)을 형성한다. 압축기 하우징(510)은 내벽 반경(rwall), 디퓨저 섹션 벽이 판(530)의 상면과 실질적으로 평행하게 되는 반경(rll) 및 디퓨저 섹션이 압축기 스크롤(520)과 결합하는 반경(rend)을 포함하는 다양한 치수를 갖는다. 이 예에서, 반경(rll)은 종래의 압축기 하우징에 대해 도시되고, 반경(rll - EP)은 초기 핀치 또는 수렴 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징에 대해 도시된다. 예시적인 압축기 하우징(510)은 반경(rll - EP)에 해당하는 각도(Θll - EP) 및 반경(rll)에 해당하는 종래의 압축기 하우징 각도(Θll)를 갖는다.
일례에서, 예시적인 압축기 하우징(510)은 표 2에 도시한 치수를 갖고, 치수는 중심축으로부터의 각도 높이 또는 반경으로 주어지고, 적절한 경우, 압축기 훌 블레이드(들)의 외측 가장자리의 반경인 r1에 대해 정규화한 값이다.
<표 2 예시적인 압축기 하우징의 치수>
특징 치수 정규화
r벽 19.62mm 0.75
rl 26mm 1
h블레이드 4.76mm 0.0915
hdiff 2.47mm 0.0475
hdiff/h블레이드 0.52
rll - EP 31.6mm 1.22
rll 33.45mm 1.29
r단부 46.60mm 1.79
Θll 17.8도
Θll - EP 5도
본 예에 따르면, 예시적인 압축기 하우징은 대략 1.25보다 작은 무차원 반경을 갖는 위치에 수렴 벽 섹션을 포함한다.
도 5B는 반경(rll - EP)에 해당하는 각도(Θll - EP) 및 반경(rll)에 해당하는 종래의 압축기 하우징 각도(Θll)를 갖는 예시적인 압축기 하우징(510)의 확대 사시도이다. 이 예에서, 초기 핀치 또는 수렴은 (i) 벽이 실질적으로 평행해 지는 반경(rll - EP)과 (ii) 반경(rll - EP)에 접근함에 따라 벽의 표면과 정렬되는 해당 반경에서의 벽의 각도(Θll - EP)를 특징으로 한다. 이 예에서, 벽이 판(530)의 상면과 실질적으로 평행해지는 반경은 종래의 압축기 하우징에 대한(예컨대 rll에 대한) 것보다 실질적으로 작다. 또한, 종래의 압축기 하우징에 대한 각도는 예시적인 압축기 하우징(510)에 대한 각도보다 현저히 크다. 도 5B는 반경(r1)에 해당하는 블레이드의 외측 가장자리에서의 z 축을 따른 디퓨저 높이(hdiff)와 z 축을 따른 블레이드 높 이(hB)를 나타낸다.
터보차저 압축기 휠을 위한 압축기 휠 하우징의 실시예는 압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면을 포함한다. 디퓨저 표면은 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 최소 디퓨저 표면 축방향 위치에 해당하는 위치를 지난 반경 방향 위치에서 더 큰 축방향 위치를 갖는다. 이와 같은 압축기 휠 하우징의 실시예는 반경에 걸쳐 실질적으로 일정한 축방향 위치를 갖는 섹션이 있는 디퓨저 표면 및/또는 반경 방향 외측으로 스크롤로 연장된 디퓨저 표면을 가지며, 스크롤은 축에 대한 각도에 대해 변화할 수 있다.
조립체의 다른 실시예는 전술한 예시적인 압축기 휠 하우징과 함께, z-평면에 인접하고 디퓨저 표면과 연계하여 디퓨저 섹션을 형성하는 표면을 갖는 판을 포함하며, 디퓨저 섹션의 축방향 높이는 반경 방향 치수의 함수로서 디퓨저 섹션의 적어도 일부에 대한 축방향 치수에 대해 변화한다. 이와 같은 축방향 높이는 반경 증가에 대해 실질적으로 일정한 축방향 높이로 증가한다.
다른 예시적인 압축기 휠 하우징은 압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, z-평면에 대해 약 20도 이하의 각도에서 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면을 포함한다. 이와 같은 디퓨저 표면은 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, z-평면에 대해 약 10도 이하의 각도에서 최소치에 접근한다.
예시적인 조립체는 전술한 예시적인 압축기 휠 하우징과 함께, 상기 z-평면에 인접하고 상기 디퓨저 표면과 연계하여 디퓨저 섹션을 형성하는 표면을 갖는 판을 포함하며, 상기 디퓨저 섹션의 축방향 높이는 반경 방향 치수의 함수로서 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치로 이어진 상기 디퓨저 섹션의 적어도 일부에 대한 축방향 치수에 대해 변화한다. 이와 같은 예시적인 조립체는 축방향 높이가 최소치로 감소한 다음 (예컨대, 선택적으로는 최소 축방향 높이에서) 증가하는 반경에 대해 실질적으로 일정한 축방향 높이를 유지하는 디퓨저 섹션을 선택적으로 포함한다.
도 6 내지 11은 비교를 위한 기준으로 사용되는 다양한 예시적인 압축기 하우징 및/또는 종래의 압축기 하우징을 위한 압축기 유동 맵을 보여준다. 특히, 도 6 내지 8은 예시적인 수렴 및 발산 섹션을 갖는 압축기 하우징에 관한 것이고, 도 9 내지 11은 예시적인 초기 핀치 또는 초기 수렴 섹션을 갖는 압축기 하우징에 관 한 것이다.
압축기 유동 맵, 예컨대, 기류의 양 또는 공기량(mass air flow) 대 압력비의 플롯은 압축기의 성능을 특성화하는데 도움이 된다. 유동 맵에서, 통상 압력비는 압축기 입구에서 기압으로 나눈 압축기 출구에서의 기압으로 정의된다. 공기량은 공기 밀도 또는 압력과 공기 온도의 인식을 통해 부피 유량으로 전환될 수 있다. 압력은 공기 분자들 사이의 마찰을 일으켜 마찰열을 발생시킨다. 따라서, 압축기 출구에서의 공기는 통상 압축기 입구의 공기보다 상당히 더 높은 온도를 갖고 압축기 효율은 항상 1보다 작다.
압축기 유동 맵은 통상 압축기 효율을 나타낸다. 압축기 효율은 압력, 압력비, 온도, 온도 증가, 압축기 휠 회전 속도 등의 다양한 인자에 의해 정해진다. 일반적으로, 압축기는 높은 효율로 동작되거나 적어도 일정한 효율 범위에서 동작해야 한다. 동작 범위로 부르는 것들 중에는 서지 한계(surge limit)와 쵸크 영역(choke area)이 있다. 압축기 효율은 조건들이 서지 한계 또는 쵸크 영역에 가까워지면 현저히 떨어진다. 쵸크 영역은 압축기 휠 회전 속도 및 공기 중의 소리 속도와 연관된 한계에 기인한다. 일반적으로, 압축기 효율은 압축기 휠 내의 유동이 공기 중의 소리 속도를 초과할 때 급격히 떨어진다. 따라서, 통상 쵸크 영역 한계는 압축기 효율이나 압축기 압력비와 무관하게 최대 공기량에 접근한다.
서지 한계는 대부분의 압축기 휠 회전 속도에 존재하며, 낮은 공기량과 높은 압력비가 달성할 수 없는 압축기 유동 맵의 영역을 형성한다. 달리 말하면, 서지 한계는 주어진 압축기 휠 회전 속도 및 압축기 입구와 출구 사이의 주어진 압력차 에서 유지될 수 있는 최소 공기량을 나타낸다. 또한, 압축기 동작은 이 영역에서 통상 불안정하다. 서지는 압축기 출구에서의 배압 형성시 발생할 수 있고, 배압은 압축기를 통해 공기량을 감소시키도록 작용할 수 있다. 최악의 경우, 압축기를 통해 배압이 제거되면 음의 공기량이 야기될 수 있고, 이는 압축기 휠의 실속 가능성을 높인다.
도 6은 표 1에 나타낸 치수를 갖는 예시적인 압축기 하우징(410)을 위한 유동 맵을 도시한다. 도 7은 도 6의 유동 맵(600)과 비교할 수 있는 종래의 압축기 하우징을 위한 기존 유동 맵(700)을 도시한다.
유동 맵(600, 700)에서, 예시적인 압축기 하우징과 종래의 압축기 하우징은 동일한 최대 디퓨저 간격(약 3.3mm)을 갖지만, 수렴-발산 압축기는 더 작은 최소 디퓨저 간격(약 2.97mm)을 갖는다. 유동 맵(600, 700)을 비교하면 표 1에 나타낸 치수를 갖는 수렴-발산 압축기 하우징을 사용하여 1 지점 효율 이득이 달성되었음을 알 수 있다.
도 8은 종래의 압축기 하우징과 가동 뒤판 가변 형상 압축기 구성에 사용된 수렴-발산 압축기 하우징의 실시예에 대한 결과를 포함하는 유동 맵(800)을 도시한다. 가변 뒤판, 가변 형상 압축기는 도 3의 판(330)과 같은 뒤판을 구비하며, 이 뒤판은 디퓨저 축방향 간격(h)을 조절하도록 축방향으로 이동할 수 있다. 간격이 감소함에 따라, 압축기 서지 라인은 압축기 맵에서 통상 좌측으로 이동할 것이다.
유동 맵(800)의 비교시, 양쪽 하우징은 동일한 최소 디퓨저 간격을 갖지만, 수렴-발산 하우징은 디퓨저 섹션이 스크롤 섹션과 접하는 디퓨저 출구에서 더 큰 간격을 갖는다. 유동 맵(800)은 2개의 하우징이 유사한 서지 유동을 갖지만, 수렴-발산 하우징에 완만한 개선이 생기는 것을 나타낸다. 또한, 각각의 회전 속도 라인의 압력비는 예시적인 수렴-발산 하우징에 대해 현저히 더 높고, 이는 더 높은 효율이 달성되었음을 나타낸다. 특히, 대략 80,000rpm에서 8 지점의 압축기 효율이 증가되고 대략 180,000rpm에서 1.5 지점의 압축기 효율이 증가한다. 저속과 저 유동에서의 압축기 효율의 실질적인 증가는 승용차 터보차저에는 특히 중요하다. 따라서, 저속과 저 유동에서 효율을 증가시키는 예시적인 수렴-발산 압축기 하우징은 승용차 터보차저에 사용하기에 적절하다. 또한, 압축기의 쵸크 유동은 효율 개선에 따라 증가되어, 사용 가능한 압축기 맵 폭을 증가시킴으로써, 그와 같은 가변 형상 장치의 제어성을 개선한다.
도 9 내지 11은 다양한 예시적인 초기 핀치 또는 초기 수렴 벽 섹션에 대한 플롯을 도시한다. 예컨대, 도 5A 및 5B는 예시적인 초기 수렴 벽 섹션을 나타낸다. 도 9 내지 11의 플롯들은 대략 2.47mm, 대략 2.87mm 및 대략 3.27mm의 (평행 섹션에서의) 3 개의 디퓨저 간격에서 수행된 가스대 시험(gas-stand test)에 해당한다. 하우징을 기계 가공하여 금속을 제거하고 디퓨저 간격을 확장함으로써 서로 다른 디퓨저 간격을 얻었다. 도 9 내지 11의 플롯은 압축기 효율이 다양한 예시적인 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션에 의해 개선되는 것을 나타내고 있다.
도 9는 초기 핀치 또는 수렴 벽 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징을 위한 보정 기류 대 압력비의 플롯(900)이다. 플롯(900)에서, 두꺼운 선은 대략 2.47mm의 간격을 갖는 하우징의 예시적인 수렴 벽 섹션의 성능을 나타내고, 가는 선은 대 략 2.46mm의 간격을 포함하는 종래의 벽 섹션의 성능을 나타낸다. 예시적인 하우징 데이터와 종래 하우징 데이터를 서로 비교하면 예시적인 하우징에서 효율이 증가한 것을 알 수 있다. 예컨대, 76% 및 77% 효율을 위한 윤곽 확장이 있었다.
도 10은 초기 핀치, 즉, 초기 수렴 벽 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징에 대한 보정 기류 대 압력비의 플롯(1000)을 나타낸다. 플롯(1000)에서, 두꺼운 선은 대략 2.87mm의 간격을 갖는 예시적인 수렴 벽 섹션 하우징의 성능을 나타내고, 가는 선은 대략 2.86mm의 간격을 포함하는 종래의 벽 섹션의 성능을 나타낸다. 예시적인 하우징 데이터와 종래의 하우징 데이터를 비교하면 예시적인 하우징에 대해 효율이 증가한 것을 알 수 있다. 예컨대, 76% 및 78% 효율을 위한 윤곽 확장이 있었다.
도 11은 초기 핀치, 즉, 초기 수렴 벽 섹션을 갖는 예시적인 압축기 하우징을 위한 보정 기류 대 압력비의 플롯(1100)을 나타낸다. 플롯(1100)에서, 두꺼운 선은 대략 3.27mm의 간격을 갖는 예시적인 수렴 벽 섹션의 성능을 나타내고, 가는 선은 대략 3.26mm의 간격을 갖는 종래의 벽 섹션의 성능을 나타낸다. 예시적인 하우징 데이터와 종래의 하우징 데이터를 비교하면 예시적인 하우징에 대해 효율이 증가한 것을 알 수 있다. 예컨대, 78% 및 80% 효율을 위한 윤곽 확장이 있었다.

Claims (10)

  1. 터보차저 압축기 휠용 압축기 휠 하우징에 있어서,
    압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및
    상기 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면
    을 포함하며,
    상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치에 해당하는 위치를 지난 반경 방향 위치에서 더 큰 축방향 위치를 가지며, 상기 디퓨저 표면은 상기 최소 디퓨저 축방향 위치에서 상기 반경보다 큰 반경에 걸쳐 실질적으로 일정한 축방향 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디퓨저 표면은 스크롤 쪽으로 반경 방향 외측으로 연장된 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  3. 제1항에 있어서, 상기 z-평면에 인접하고 상기 디퓨저 표면과 연계하여 디퓨저 섹션을 형성하는 표면을 포함하는 판을 더 포함하며, 상기 디퓨저 섹션의 축방향 높이는 반경 방향 치수의 함수로서 상기 디퓨저 섹션의 적어도 일부에 대한 축방향 치수에 대해 변화하는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  4. 제3항에 있어서, 상기 축방향 높이는 반경 증가에 대해 실질적으로 일정한 축방향 높이로 증가하는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경의 약 1.8배의 반경 방향 거리에 스크롤이 존재하는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경의 약 1.10배보다 작은 반경 방향 위치에 최소 디퓨저 표면 반경 방향 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.10배 작은 반경 방향 위치에 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  8. 터보차저 압축기 휠용 압축기 휠 하우징에 있어서,
    압축기 휠의 z-평면과 일치하는 원점을 갖는 압축기 휠의 회전축을 따라 반경 방향 치수와 축방향 치수에 대해 형성 가능하고, 상기 z-평면에 대해 약 20도 이하의 각도에서 반경 방향 위치가 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경으로 증가함에 따라 축방향 위치가 감소하는, 실질적으로 원통형 슈라우드 표면; 및
    상기 원통형 슈라우드 표면으로부터 반경 방향 외측과 축방향 아래로 연장된 디퓨저 표면
    을 포함하며,
    상기 디퓨저 표면은 상기 압축기 휠 블레이드 외측 가장자리 반경보다 약 1.25배 작은 반경 방향 위치에서 최소 디퓨저 표면 축방향 위치를 갖고, 상기 z-평면에 대해 약 10도 이하의 각도에서 최소치에 접근하는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  9. 제8항에 있어서, 상기 z-평면에 인접하고 상기 디퓨저 표면과 연계하여 디퓨저 섹션을 형성하는 표면을 포함하는 판을 더 포함하며, 상기 디퓨저 섹션의 축방향 높이는 반경 방향 치수의 함수로서 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치로 이어진 상기 디퓨저 섹션의 적어도 일부에 대한 축방향 치수에 대해 변화하는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
  10. 제9항에 있어서, 상기 디퓨저 섹션은 상기 최소 디퓨저 표면 축방향 위치로 감소한 축방향 높이를 갖고, 이어서 반경 감소에 대해 실질적으로 일정한 축방향 높이를 유지하며, 상기 실질적으로 일정한 축방향 높이는 상기 최소치를 선택적으로 갖는 것을 특징으로 하는 압축기 휠 하우징.
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