KR20070085560A - Variable nozzle turbocharger - Google Patents
Variable nozzle turbocharger Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070085560A KR20070085560A KR1020077012176A KR20077012176A KR20070085560A KR 20070085560 A KR20070085560 A KR 20070085560A KR 1020077012176 A KR1020077012176 A KR 1020077012176A KR 20077012176 A KR20077012176 A KR 20077012176A KR 20070085560 A KR20070085560 A KR 20070085560A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ple
- vane
- axis
- edge
- bow
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
- F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/40—Application in turbochargers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/10—Two-dimensional
- F05D2250/16—Two-dimensional parabolic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/70—Shape
- F05D2250/71—Shape curved
- F05D2250/711—Shape curved convex
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/70—Shape
- F05D2250/71—Shape curved
- F05D2250/712—Shape curved concave
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/70—Shape
- F05D2250/71—Shape curved
- F05D2250/713—Shape curved inflexed
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Supercharger (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 가변 노즐 터보차저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가변 노즐 터보차저의 터빈 하우징 내의 복수의 피봇팅 베인에 대한 개선된 베인 설계에 관한 것이다.The present invention relates generally to variable nozzle turbochargers and, more particularly, to improved vane design for a plurality of pivoting vanes in a turbine housing of a variable nozzle turbocharger.
가변 노즐 터보차저는 일반적으로 터빈 하우징을 갖는 일단에 부착된 중심 하우징과, 타단에 부착된 압축기 하우징을 포함한다. 샤프트가 상기 중심 하우징 내에 수용된 베어링 어셈블리 내에 회전가능하게 배치된다. 터빈 또는 터빈 휠은 샤프트의 일단에 부착되고 상기 터보 하우징 내에 탑재되며, 압축기 임펠러는 상기 샤프트의 타단에 부착되고 상기 압축기 하우징 내에 탑재된다.Variable nozzle turbochargers generally comprise a central housing attached to one end having a turbine housing and a compressor housing attached to the other end. The shaft is rotatably disposed in a bearing assembly housed within the central housing. A turbine or turbine wheel is attached to one end of the shaft and mounted in the turbo housing, and a compressor impeller is attached to the other end of the shaft and mounted in the compressor housing.
도 1은 터빈 하우징(12)과 중심 하우징(32)을 포함하는 공지의 가변 노즐 터보차저(10)의 일부를 도시한다. 터빈 하우징(12)은 배출 가스 스트림을 받기 위한 배기 입구(미도시)와 배출 가스를 엔지의 배기 시스템으로 향하게 하기 위한 배기 출구(16)를 갖는다. 볼류트(volute, 14)는 인서트부(18) 및 노즐 링(28) 사이에 형성된 노즐과 상기 배기 입구를 연결한다. 상기 인서트부(19)는 노즐 외벽을 형 성하고, 상기 중심 하우징(32)에 부착되어 상기 볼류트(14)에 인접한 터빈 하우징(12) 내에 포함된다. 상기 노즐 링(28)은 노즐 내벽으로 작용하고, 상기 인서트부(18)에 맞추어진다. 터빈 휠(30)은 상기 터빈 하우징(12)의 배기 출구(16) 내에 탑재된다. 터보 차저(10)에 공급되는 배출 가스 또는 기타 고 에너지 가스는 상기 배기 입구를 통해 상기 터빈 휠(30)로 들어가고, 상기 인서트부(18)와 노즐 링(28)으로 형성되는 원주형 노즐을 통해 실질적으로 방사형으로 상기 터빈 휠(30)로 들어가도록 상기 터빈 하우징(12) 내의 볼류트(14)를 통해 분배된다.1 shows a portion of a known
다수의 베인(20)은 상기 베인(20)으로부터 수직방향 외측으로 돌출하는 배인 핀(22)을 이용하여 상기 노즐(28)에 장착된다. 각 베인 핀(22)은 베인 암(vane arm, 24)에 부착되고, 상기 베인 암(24)은 회전가능하게 장착된 유니슨 링(unison ring, 28) 내에 수용된다. 액추에이터 어셈블리는 상기 유니슨 링(26)과 연결되며, 압력 차를 증가 또는 감소시키고 상기 터빈 휠(30)을 통한 배출 가스의 흐름을 수정하기 위하여 상기 터빈 휠(30)의 회전축에 대하여 외부로 또는 내부로 상기 베인(20)을 방사형으로 움직이게 하는데 필수적인 일 방향 또는 타 방향으로 상기 유니슨 링(26)을 회전시킨다. 상기 유니슨 링(26)이 화전함에 따라, 상기 베인 암(24)은 움직이게 되며, 그리고 상기 베인 암(24)의 움직임은 상기 베인(20)이 상기 베인 핀(24)의 회전을 통해 피봇팅하게 하며, 상기 유니슨 링(26)의 회전 방향에 따라 상기 노즐의 스로트 영역(throat area)을 개방 또는 폐쇄하게 한다.A plurality of
이와 같은 가변 노즐 어셈블리를 채용한 공지의 터보차저에 대한 일례가 WO 2004/022926 A에 개시된다.An example of a known turbocharger employing such a variable nozzle assembly is disclosed in WO 2004/022926 A.
일반적으로, 폐쇄 위치에 배치된 때에 인접한 베인에 보조적인 맞춤을 제공하고, 개방 위치에 배치된 때에 터빈 하우징 내의 배출 가스의 경로를 터빈 휠에 제공하도록 구성된 에어포일(airfoil) 형상을 갖는 베인이 설계된다. 이러한 베인은 제1 곡률반지름을 갖는 선수 에지(leading edge) 또는 기수(nose), 및 상기 베인의 내부 상의 에어포일 내면과 상기 베인의 외부 상의 에어포일 외면에 의해 연결된 실질적으로 더 작은 제2 곡률반지름을 갖는 후미 에지(tailing edge) 또는 꼬리(tail)를 구비한다. 이러한 베인 설계에서, 상기 에어포일 외면은 볼록한 형상이며, 상기 에어포일 내면은 선수 에지에서 볼록한 형상이고 후미 에지 방향으로 오목한 형상이다. 서로 보완하는 상기 에어포일 내면 및 외면은 실질적으로 연속된 곡선으로 형성된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상기 베인 표면은 상기 베인의 (외부가 아니라) 내부에 대하여 "오목한(concave)" 또는 "볼록한(convex)" 특성을 갖는다. 이러한 베인의 비대칭적 형상은 만곡한 중심선을 생성하며, 또한, 이는 상기 베인의 캠버선(camberline)으로도 칭해진다. 캠버선은 상기 베인의 선수 에지 및 후미 에지 사이에 있는 상기 베인의 에어포일 내면 및 외면 사이의 중심점들을 통과하는 선이다. 이러한 의미는 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이해된다. 이러한 베인이 만곡한 캠버선을 갖기 때문에, 이것은 "캠버(cambered)" 베인이다.In general, vanes having an airfoil shape configured to provide an auxiliary fit to adjacent vanes when placed in the closed position and to provide the turbine wheel with a path of exhaust gas within the turbine housing when placed in the open position are designed. do. This vane has a substantially smaller second radius of curvature connected by a leading edge or nose having a first radius of curvature, and an airfoil inner surface on the outside of the vane and an airfoil outer surface on the outside of the vane. It has a trailing edge or tail with a tail. In this vane design, the outer surface of the airfoil is convex, the inner surface of the airfoil is convex at the bow edge and concave in the trailing edge direction. The inner and outer surfaces of the airfoil that complement each other are formed in a substantially continuous curve. As used herein, the vane surface has a "concave" or "convex" characteristic with respect to the interior (not outside) of the vane. This asymmetric shape of the vanes creates a curved centerline, which is also referred to as the camberline of the vanes. The camber line is a line passing through the center points between the vane's airfoil inner and outer surfaces between the bow and tail edges of the vane. This meaning is easily understood by those skilled in the art. Since this vane has a curved camber line, it is a "cambered" vane.
가변 노즐 터보차저에서의 이러한 캠버 베인의 사용은 터빈 하우징 내에서의 공기 역학적 효과에서의 소정의 개선을 제공한다. 일부 특히 유용한 베인의 디자인이 US 6,709,232 B1에 개시된다. 이러한 베인 디자인은 배출 가스가 위로 통과 할 때 배출 가스의 가속도를 일정하게 유지함으로써 터빈 하우징 내에서의 원하지 않는 공기 역학적 영향을 감소시켜, 터보차저와 터보차지된 엔진의 운영 효율에서의 손실에 기여하는 것으로 알려진 터빈 하우징 내의 원하지 않는 배압을 감소시킨다.The use of such camber vanes in variable nozzle turbochargers provides some improvement in aerodynamic effects within the turbine housing. Some particularly useful designs of vanes are disclosed in US Pat. No. 6,709,232 B1. This vane design reduces unwanted aerodynamic effects in the turbine housing by keeping the exhaust gas constant as it passes upwards, contributing to losses in operating efficiency of the turbocharger and turbocharged engine. Reduce unwanted back pressure in the known turbine housing.
캠버 베인의 사용이 효율면에서 소정의 개선을 가져다 주지만, 베인 표면상에 작용하는 공기역학적 토크의 반전을 가져올 수 있는 위험이 있다는 것이 발견되었다. 특히, 노즐 스로트 영역이 작을 때 보통 음의 토크가 생기고, 노즐 스로트 영역이 클 때 양의 토크가 생기는 것이 관찰되었다. 상기 토크는 배출 가스의 흐름이 상기 베인을 개방 위치가 되도록 하는 충분한 힘을 가질 때 양으로 정의된다. 공기 역학적 토크의 반전은 액추에이터 어셈블리와 상기 베인을 피봇팅하게 하는 유니온 링의 기능에 영향을 준다. 제어가능성에 관하여서는, 베인 상에 작용하는 토크가 베인의 위치에 관계없이 항상 동일한 배향을 갖는 것이 바람직하다. 상기 토크는 양이고, 노즐을 개방하기 쉬운 것(즉, 노즐의 스로트 영역을 증가시키는 것)이 더욱 바람직하다.Although the use of camber vanes brings some improvement in efficiency, it has been found that there is a risk of inversion of aerodynamic torque acting on the vane surface. In particular, it was observed that negative torque usually occurs when the nozzle throat area is small, and positive torque occurs when the nozzle throat area is large. The torque is defined as positive when the flow of exhaust gas has sufficient force to bring the vane into the open position. Reversal of aerodynamic torque affects the actuator assembly and the union ring's ability to pivot the vanes. With regard to controllability, it is desirable that the torque acting on the vanes always have the same orientation regardless of the position of the vanes. It is more preferable that the torque is positive and that the nozzle is easy to open (ie, increase the throat area of the nozzle).
따라서, 종래의 터보 타저와 비교할 때, 개선된 베인 동작 제어가능성을 갖는 가변 노즐 터보차저가 제공되는 것이 바람직하다.Accordingly, it is desirable to provide a variable nozzle turbocharger with improved vane controllability when compared to conventional turbo rudders.
본 발명자들은 터빈 휠 주위로 고리 형상으로 배치된 복수의 캠버 베인을 구비한 가변 노즐 어셈블리를 갖는 터보차저에서 토크 반전의 원인을 밝히기 위하여 광범위한 연구를 하였다. 그들은 지배적 인자들이 다음과 같다는 것을 알아냈다: (a) 베인 피봇 포인트의 위치, (b) 상기 피봇 포인트에 대한 에어포일 내면의 볼록 구역에서의 만곡 부분의 로컬 극점(local extreme of curvature)의 위치, (c) 상기 에어포일 내면의 볼록 구역의 형상, 및 (d) 상기 베인 표면 상의 배출 가스의 흐름 입사각.The inventors have done extensive research to determine the cause of the torque reversal in a turbocharger having a variable nozzle assembly with a plurality of camber vanes arranged annularly around a turbine wheel. They found that the dominant factors were: (a) the position of the vane pivot point, (b) the position of the local extreme of curvature in the convex region of the inside of the airfoil relative to the pivot point, (c) the shape of the convex zone on the inner surface of the airfoil, and (d) the angle of incidence of the flow of exhaust gas on the vane surface.
인자 (a)에 관해서는, 원점이 상기 베인의 선수 에지이고 x-축은 상기 베인의 후미 에지로 나아가고, y-축은 상기 x-축에 대하여 수직하며 상기 베인의 외측으로 나아가는 좌표계에서 피봇 포인트는 다음의 표현식을 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직한 것이 발견되었다:Regarding factor (a), in the coordinate system where the origin is the bow edge of the vane and the x-axis goes to the trailing edge of the vane, the y-axis is perpendicular to the x-axis and outward of the vane, the pivot point is It has been found that it is desirable to be placed in a position that satisfies the expression:
0.25 < Xp/C < 0.45, 바람직하게는 0.30 < Xp/C < 0.40;0.25 <Xp / C <0.45, preferably 0.30 <Xp / C <0.40;
및And
-0.10 ≤ Yp/C ≤ 0.05, 바람직하게는 -0.10 ≤ Yp/C ≤ 0, 가장 바람직하게는 -0.10 ≤ Yp/C ≤ -0.05−0.10 ≦ Yp / C ≦ 0.05, preferably −0.10 ≦ Yp / C ≦ 0, most preferably −0.10 ≦ Yp / C ≦ −0.05
여기서, Xp는 상기 x-축 상에서의 상기 피봇 포인트와 상기 선수 에지 사이의 거리이고, C는 상기 선수 에지와 상기 후미 에지 사이의 거리이며, Yp는 상기 y-축 상에서의 상기 피봇 포인트와 상기 베인의 캠버선 사이의 거리이며, Yp의 음의 값은 상기 베인의 더 내측에서 있는 피봇 포인트를 나타낸다. 상기 피봇 포인트는 상기 에어포일 외면과 상기 에어포일 내면 사이에 배치되는 것이 바람직하다.Where Xp is the distance between the pivot point and the bow edge on the x-axis, C is the distance between the bow edge and the trailing edge, and Yp is the pivot point and the vane on the y-axis. Is the distance between the camber lines of and a negative value of Yp represents the pivot point located further inside of the vane. The pivot point is preferably disposed between the outer surface of the airfoil and the inner surface of the airfoil.
인자 (b)에 관해서는, 에어포일 내면의 볼록 구역에서의 만곡 부분의 로컬 극점은, 특히 로컬 극점이 최대일 때, 상기 베인에 작용하는 공기역학적 토크에 대하여 강한 영향을 미치는 것이 발견되었다. 전술한 좌표계에서, 상기 로컬 극점은 다음의 표현식을 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직하다:Regarding factor (b), it has been found that the local pole of the curved part in the convex region of the inner surface of the airfoil has a strong influence on the aerodynamic torque acting on the vane, especially when the local pole is at its maximum. In the above coordinate system, the local pole is preferably placed at a position satisfying the following expression:
0.3 < (Xp - Xex)/Xp < 0.8, 바람직하게는 0.4 < (Xp - Xex)/Xp < 0.7, 가장 바람직하게는 0.49 < (Xp - Xex)Xp < 0.600.3 <(Xp-Xex) / Xp <0.8, preferably 0.4 <(Xp-Xex) / Xp <0.7, most preferably 0.49 <(Xp-Xex) Xp <0.60
여기서, Xp는 상기 x-축 상에서의 상기 피봇 포인트(Pp)와 상기 선수 에지(Ple) 사이의 거리이고, Xex는 상기 x-축 상에서의 상기 로컬 극점(Pex)과 상기 선수 에지(Ple) 사이의 거리이다.Xp is the distance between the pivot point Pp and the bow edge Ple on the x-axis, and Xex is between the local pole Pex and the bow edge Ple on the x-axis. Is the distance.
인자 (c)에 관해서는, 바람직하게는 상기 에어포일 내면의 볼록 구역은 다소 긴 형상을 갖는 것이 발견되었다. 따라서, 전술한 좌표계에서, 상기 로컬 극점은 다음의 표현식을 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직하다:Regarding factor (c), it has been found that preferably the convex zones on the inner surface of the airfoil have a rather long shape. Thus, in the coordinate system described above, the local pole is preferably placed at a position satisfying the following expression:
0.40 < Yex/Xex <0.830.40 <Yex / Xex <0.83
여기서, Xex는 상기 x-축 상에서의 상기 로컬 극점과 상기 선수 에지 사이의 거리이고, Yex는 상기 y-축 상에서의 상기 로컬 극점과 상기 선수 에지 사이의 거리이다.Where Xex is the distance between the local pole and the bow edge on the x-axis, and Yex is the distance between the local pole and the bow edge on the y-axis.
인자 (d)에 관해서는, 상기 베인이 폐쇄 위치에 위치될 때 상기 선수 에지와 상기 피봇 포인트를 연결하는 선에 대한 배출 가스의 흐름 입사각이 5°이상인 것이 바람직하다는 것이 발견되었다.Regarding the factor (d), it was found that when the vane is positioned in the closed position, it is preferable that the flow incident angle of the exhaust gas with respect to the line connecting the bow edge and the pivot point is 5 ° or more.
본 발명에 따르면, 상기 터보차저는 인자들 (a), (b), (c), 및 (d)와 관련하여 논의된 표현식들 중 적어도 하나를 만족한다.According to the invention, the turbocharger satisfies at least one of the expressions discussed in relation to factors (a), (b), (c), and (d).
또한, 상기 베인의 선수 에지는 다음의 표현식을 만족하는 반경(r)을 갖는 원곡선(circular curve)에 의해 정의되는 것이 바람직하다:Further, the bow edge of the vane is preferably defined by a circular curve with a radius r that satisfies the following expression:
0.045 < r/Xp < 0.080.045 <r / Xp <0.08
여기서, Xp는 상기 x-축 상에서의 상기 피봇 포인트와 상기 선수 에지 사이의 거리이다.Where Xp is the distance between the pivot point and the bow edge on the x-axis.
또한, 상기 에어포일 내면의 볼록 구역은 상기 선수 에지를 형성하고 포물선으로 변이하는 원곡선, 및 상기 포물선과 볼록 구역을 연결하는 원곡선 또는 타원곡선 중에서 선택되는 하나로 이루어지는 일련의 합성 곡선들로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 에어포일 외면은 상기 선수 에지를 형성하고 타원곡선으로 변이하는 원곡선을 포함하는 일련의 합성 곡선으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the convex region of the inner surface of the airfoil is formed of a series of synthetic curves consisting of one selected from a curved line forming the bow edge and transforming into a parabola, and a curve or elliptic curve connecting the parabolic and convex areas It is preferable. In addition, the outer surface of the airfoil is preferably formed of a series of synthetic curves including a curved line that forms the bow edge and shifts into an elliptic curve.
마지막으로, 상기 베인이 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 피봇팅할 때, 상기 후미 에지들(Pte)의 접선 반경(Rte)에 대한 상기 베인들(20)의 선수 에지들(Ple)의 접선 반경(Rle)의 비(Rle/Rte)는 1.03 내지 1.5 사이의 범위를 갖는 것이 바람직하다.Finally, when the vanes are pivoted between the closed and open positions, the tangential radii of the bow edges Ple of the
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 더욱 명백하게 이해될 수 있을 것이다:The invention will be more clearly understood with reference to the following drawings:
도 1은 가변 노즐 어셈블리를 채용한 터보차저의 부분 단면도이다;1 is a partial cross-sectional view of a turbocharger employing a variable nozzle assembly;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 캠버 베인의 측면도이다;2 is a side view of a camber vane according to an embodiment of the present invention;
도 3은 터보 차저의 가변 노즐 어셈블리에서의 도 2의 베인의 단면을 도시한다;3 shows a cross section of the vane of FIG. 2 in a variable nozzle assembly of a turbocharger;
도 4는 도 3의 영역 A를 자세히 도시한다;4 details region A of FIG. 3;
도 5는 서로 다른 베인 윤곽을 갖는 베인들을 도시한다; 그리고,5 shows vanes with different vane contours; And,
도 6은 공기역학적 토크와 최대 노즐 스로트 영역 상의 주어진 베인 윤곽에 대한 피봇 포인트를 가변시키는 복합 효과를 도시한 도면이다.FIG. 6 shows a composite effect of varying the pivot point for a given vane contour on the aerodynamic torque and maximum nozzle throat area.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캠버 베인(20)을 도시한다. 본 실시예에 따른 캠버 베인(20)은 도 1에 도시된 가변 노즐 터보차저(10)에 사용될 수 있다. 또한, 다른 터보차저 배치가 적합할 수 있다.2 shows a
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캠버 베인(20)은 실질적으로 볼록한 형상이고 일련의 합성 곡선들로 형성되는 에어포일 외면(2)과, 볼록하고 오목한 형상의 영역들을 포함하고, 역시 일련의 합성 곡선들로 형성되는 반대쪽의 에어포일 내면(4)을 포함한다. 선수 에지 또는 기수(Ple)는 상기 에어포일 내면 및 외면 사이에서 상기 베인의 일단에 배치되고, 후미 에지 또는 꼬리(Pte)는 상기 에어포일 내면 및 외면 사이에서 상기 베인의 타단에 배치된다. 상기 선수 에지(Ple)는 제1 곡률반지름(r, 미도시)을 갖는 원곡선으로 형성되고, 상기 후미 에지(Pte)는 바람직하게는 더 작은 제2 곡률반지름을 갖는 원곡선으로 형성된다.As shown in FIG. 2, the
상기 베인은 상기 베인의 선수 에지 및 후미 에지(Ple, Pte) 사이를 지나가는 시위(chord, 직선)(C)의 길이로 정의되는 소정의 길이를 갖는다. 또한, 상기 베인은 회전하는 피봇 포인트(Pp)를 가진다.The vane has a predetermined length defined by the length of the chord C, passing between the bow and trailing edges Ple and Pte of the vane. The vane also has a pivot point Pp that rotates.
상기 에어포일 외면(2)을 형성하는 일련의 합성 곡선들은 상기 베인 길이(C)의 처음 10 또는 20%에 대하여 잘려진 타원 형상을 갖는 구역과 상기 베인 길이(C)의 나머지에 대하여 일정하거나 또는 감소하는 곡률반지름을 갖는 구역을 포함한다. 상기 에어포일 내면(4)을 형성하는 일련의 합성 곡선들은 상기 베인 길이(C)의 처음 20 내지 30%에 대하여 제2차 다항식에 의해 정의되는 볼록 구역과, 상기 베인 길이(C)의 거의 모든 나머지에 대하여 일정하거나 또는 감소하는 곡률반지름을 갖는 오목 구역을 포함한다. 상기 볼록 구역의 단부는 변곡점으로 표시된다. 상기 볼록 구역은 포물선을 닮으며, 상기 포물선은 상기 포물선과 상기 볼록 구역을 연결하는 짧은 원곡선 또는 타원 곡선으로 점진적으로 변이한다. 상기 포물선의 꼭지점은 만곡 부분의 로컬 극점(Pex)으로 정의한다. 전술한 형상을 갖는 상기 에어포일 내면 및 외면(2, 4) 사이의 중점은 만곡된 캠버선(6)을 형성한다. 상기 캠버선은 베인 길이(C)의 처음 15 내지 25%에 대하여 거의 편평하며, 그 위치에서 상기 캠버선(6)은 만곡된다.The series of synthetic curves forming the airfoil
상기 피봇 포인트(Pp)와 상기 로컬 극점(Pex)의 위치를 정의하기 위하여, 도 2에 도시된 좌표계가 사용된다. 이 좌표계의 원점은 상기 선수 에지(Ple)이다. x-축은 베인 길이를 정의하고 싱기 베인의 선수 및 후미 에지(Ple, Pte) 사이를 지나가는 시위(C)와 일치한다. y-축은 상기 x-축에 수직하며 상기 에어포일 외면(2)이 연장하는 방향으로 상기 베인의 외부로 향한다. 이 좌표계에서, 상기 피봇 포인트(Pp)는 상기 x-축 상에서의 상기 피봇 포인트(Pp)와 상기 선수 에지(Ple) 사이의 거리(Xp)와 상기 y-축 상에서의 상기 피봇 포인트(Pp)와 상기 베인의 캠버선(6) 사이의 거리(Yp)에 의해 정해지는 위치에 배치된다. Yp의 음의 값은 상기 에어포일 내면(4) 또는 상기 베인의 내측에 더 가까운 피봇 포인트(Pp)를 나타낸다(도면의 상부 우측 상에 예시를 참조하라). 상기 로컬 극점(Pex)은 상기 x-축 상에서 상기 선수 에지(Ple)와 상기 로컬 상기 극점(Pex) 사이의 거리(Xex)와 상기 y-축 상에서 상기 선수 에지(Ple)와 상기 로컬 극점(Pex) 사이의 거리(Yex)로 정해지는 위치에 배치된다.In order to define the position of the pivot point Pp and the local pole Pex, the coordinate system shown in FIG. 2 is used. The origin of this coordinate system is the bow edge Ple. The x-axis defines the vane length and coincides with the demonstration (C) passing between the bow and trailing edges (Ple, Pte) of the singer vanes. The y-axis is perpendicular to the x-axis and faces out of the vane in the direction in which the airfoil
더욱 상세하게는, 본 실시예의 베인은 아래의 사양을 갖는다:More specifically, the vanes of this embodiment have the following specifications:
Xp/C = 0.35;Xp / C = 0.35;
Yp/C = 0.00;Yp / C = 0.00;
(Xp - Xex)/Xp = 0.56;(Xp-Xex) / Xp = 0.56;
Yex/Xex = 0.50;Yex / Xex = 0.50;
r/Xp = 0.05r / Xp = 0.05
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 복수의, 예를 들어, 11개의 베인들(20)이 가변 배출 노즐 어셈블리를 형성하기 위하여 동일한 간격으로 이격되고 방사형으로 터빈 휠을 둘러싸면서 터보차저의 터빈 하우징 내에 배치된다. 각 베인(20)의 피봇 포인트는 가변 배출 노즐 어셈블리의 방사 중심(O)에 공통 축을 가진 반경(Rp) 상에 위치한다. 상기 베인들(20)은 최소 및 최대 설치각(stagger angle, θ) 사이에서 피봇팅한다. 상기 설치각(θ)은 상기 가변 배출 노즐 어셈블리의 방사 중심(O)과 상기 베인의 피봇 포인트(Pp) 사이를 지나가는 직선과 상기 베인의 시위(C) 사이의 각으로 정의된다. 최대 설치각(θ)에서, 상기 베인들(20)은 2개의 인접한 베인 사이의 최소 스로트 거리(d)를 형성하는 폐쇄 위치에 있다. 최소 설치각(θ)에서, 상기 베인들(20)은 최대 스로트 거리(d)를 형성하는 개방 위치에 있다. 상기 베인들(20)이 최대 및 최소 설치각(θ) 사이에서 피봇팅할 때, 상기 베인의 선수 에지(Ple)는 제1 반경(Rle)을 형성하고, 상기 베인의 후미 에지(Pte)는 제1 반경(Rle)보다 더 작은 제2 반경(Rte)을 형성한다.As shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of, for example, eleven
도 4에서 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 베인들(20)은 상기 에어포일 내면(4)이 배출 가스 스트림을 향하도록 상기 터빈 하우징 내에 배치된다. 도 2에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 배출 가스의 흐름 입사각(α)은 상기 선수 에지(Ple)와 상기 베인의 피봇 포인트(Pp) 사이를 지나가는 직선에 대하여 정의된다. 양의 값의 α는 상기 노즐을 개방하기 쉬운 반면, 음의 값의 α는 상기 노즐을 폐쇄하기 쉽다. 따라서, 베인(20)의 제어가능성에 영향을 주는 공기역학적 토크 반전의 위험은 설치각(θ)이 크고 흐름 입사각(α)이 작을 때 가장 높다.As shown by the arrows in FIG. 4, the
본 실시예에서, 상기 베인(20)의 최대 설치각(θ)이 배출 가스의 흐름 입사각(α)이 대략 5°가 되도록 설정될 때 공기역학적 토크 반전이 없는 것으로 확인되었다. 다른 말로 하면, 본 실시예의 베인(20)을 사용하는 것은 종래의 터보차저와 비교될 때 개선된 베인 동작 제어가능성을 갖는 가변 노즐 터보차저를 제공할 수 있다.In this embodiment, it was confirmed that there is no aerodynamic torque reversal when the maximum installation angle θ of the
본 발명자는 상이한 베인 윤곽을 갖는 많은 수의 베인들을 준비하였으며 흐름 분석과 기타 방법을 이용하여 동작 제어 가능성 및 터보차저의 동작 효율성에 대한 베인 윤곽의 영향을 조사하였다. 공기역학적 토크는 최소 설치각 및 최대 설 치각에 가까운 2개의 설치각(θ)에서 측정되었으며, 효율성은 스로트 거리(d)가 최대가 되는 최소 설치각에서 측정되었다.The inventors have prepared a large number of vanes with different vane contours and investigated the effects of vane contours on motion controllability and turbocharger operation efficiency using flow analysis and other methods. Aerodynamic torque was measured at two installation angles (θ) close to the minimum and maximum installation angles, and efficiency was measured at the minimum installation angle with the maximum throat distance (d).
도 5는 본 발명자에 의해 조사된 베인 윤곽의 일부 예시를 도시한다. 아래 표는 사양에 대한 상세를 보여준다. 예시 a)는 도 2에 도시된 것과 동일하다는 것에 유의하여야 한다.5 shows some examples of vane contours examined by the inventors. The table below details the specifications. It should be noted that example a) is the same as that shown in FIG. 2.
도 5에 도시된 베인 윤곽들 중에서, 예시 a)는 터보차저에 탑재될 때 우수한 제어가능성과 우수한 효율성 모두를 보여준다. 예시 b)의 제어가능성은 예시 a)의 제어가능성만큼 좋으나, 효율성은 좋긴 하지만 다소 감소한다. 예시 c)는 제어가능성이 가장 좋으나 단지 양호한 효율성을 나타낸다. 예시 d)는 효율성이 가장 좋으나 제어가능성은 충분하지 않다. 예시 e)는 예시 d)만큼 제어가능성이 나쁘나, 효율성은 예시 c)와 유사하다. 도 2에 도시된 베인에 대응하는 예시 a)가 좋은 제어가능성과 좋은 효율성의 요구에 대한 최상의 절충안이다. 그러나, 예시 b) 및 c)도 상기 요구를 충족한다.Of the vane contours shown in FIG. 5, example a) shows both good controllability and good efficiency when mounted on a turbocharger. The controllability of example b) is as good as the controllability of example a), but the efficiency is good but somewhat diminished. Example c) has the best controllability but only shows good efficiency. Example d) has the best efficiency but not enough controllability. Example e) is as controllable as Example d), but the efficiency is similar to Example c). Example a) corresponding to the vanes shown in FIG. 2 is the best compromise for the demand for good controllability and good efficiency. However, examples b) and c) also meet this requirement.
대체로, 시험은 선후 에지(Ple)와 피봇 포인트(Pp) 사이에서 대략 중간 지점에 위치한 로컬 극점(Pex)을 갖는 베인에 대하여 최상의 결과를 보여준다. 특히, 로컬 극점(Pex)은 x-축 상에서의 로컬 극점(Pex)과 선수 에지(Ple) 사이의 거리(Xex)가 0.3 < (Xp-Xex)/Xp < 0.8, 바람직하게는 0.4 < (Xp-Xex)/Xp < 0.7, 그리고 가장 바람직하게는 0.49 < (Xp-Xex)/Xp < 0.60 의 표현식을 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직하다.In general, the test shows the best results for vanes with a local pole Pex located approximately midway between the trailing edge Ple and the pivot point Pp. In particular, the local pole Pex has a distance Xex between the local pole Pex and the bow edge Ple on the x-axis of 0.3 <(Xp-Xex) / Xp <0.8, preferably 0.4 <(Xp -Xex) / Xp < 0.7, and most preferably 0.49 < (Xp-Xex) / Xp < 0.60.
또한, 에어포일 내면(2)의 볼록 구역이 다소 긴 형상을 갖도록 로컬 극점(Pex)이 배치되는 것이 바람직한 것으로 발견되었으며, 로컬 극점이 각각 x-축 상에서의 그리고 y-축 상에서의 로컬 극점(Pex)과 선수 에지(Ple) 사이의 거리(Xex, Yex)가 0.40 < Yex/Xex < 0.83의 표현식을 만족하는 위치(Xex, Yex)에 배치되는 것이 바람직하다.It has also been found that local poles Pex are preferably arranged such that the convex section of the airfoil
더하여, 본 발명자는 도 2에 도시된 베인(20)과 동일한 형상을 갖지만 상이한 위치(Xp, Yp)에 배치된 피봇 포인트(Pp)를 갖는 다수의 베인을 준비하였다. 다시, 공기역학적 토크가 최소 설치각 및 최대 설치각에 각각 가까운 2개의 설치각(θ1, θ2)에서 측정되었으며, 효율성이 스로트 거리(d)가 최대가 되는 최소 설치각에서 측정되었다. 이 테스트의 결과가 도 6에 도시된다.In addition, the inventor prepared a plurality of vanes having the same shape as the
도 6에서, 설치각들(θ1, θ2)에 대응하는 2개의 수직선의 좌측은 양의 토크 영역을 형성하고, 경사 곡선의 하부 우측은 증가하는 최대 노즐 스로트 영역을 형성한다. x-축 상에서의 피봇 포인트(Pp)와 선수 에지(Ple) 사이의 거리(Xp)와 베인 길이(C)가 Xp/C < 0.45의 표현식을 만족하면, 원하는 양의 토크를 얻는 것이 가능하다. 그러나, Xp/C가 더 작아질수록 최대 노즐 스로트 영역 및 이에 따른 터보차저 및 터보차지된 엔진의 동작 효율성도 더 작아진다. 따라서, Xp/C가 0.25 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Xp와 C는 0.30 < Xp/C < 0.40의 표현식을 만족한다.In FIG. 6, the left side of the two vertical lines corresponding to the installation angles θ1 and θ2 forms a positive torque region, and the lower right side of the slope curve forms an increasing maximum nozzle throat region. If the distance Xp between the pivot point Pp and the bow edge Ple on the x-axis and the vane length C satisfy the expression Xp / C <0.45, it is possible to obtain the desired amount of torque. However, the smaller the Xp / C, the smaller the maximum nozzle throat area and hence the operating efficiency of the turbocharged and turbocharged engine. Therefore, it is preferable that Xp / C is 0.25 or more. More preferably, Xp and C satisfy the expression 0.30 <Xp / C <0.40.
더하여, 도 6은 y-축 상에서의 피봇 포인트(Pp)와 베인(8)의 캠버선(6) 사이의 거리(Yp)가 공기역학적 토크 및 효율성에 소정의 영향을 미친다는 것을 보여준다. 피봇 포인트(Pp)가 에어포일 내면(4)에 더 가까워질수록, 최대 노즐 스로트 영역은 더 많이 증가한다. 피봇 포인트(Pp)가 베인의 내부 상에서 캠버선(6) 아래에 위치하면, 큰 설치각(θ)에서의 공기역학적 토크 반전의 위험이 더 감소한다. 따라서, 피봇 포인트(Pp)가 -0.10 ≤ Yp/C ≤ 0.05, 바람직하게는 -0.10 ≤ Yp/C ≤ 0, 가장 바람직하게는 -0.10 ≤ Yp/C ≤ -0.05의 표현식을 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 구축상의 요구 사항은 에어포일 내면 및 외면(2, 4)의 바깥에 피봇 포인트(Pp)를 배치하는 것에 상반될 수 있다.In addition, FIG. 6 shows that the distance Yp between the pivot point Pp on the y-axis and the camber line 6 of the vanes 8 has some influence on the aerodynamic torque and efficiency. The closer the pivot point Pp is to the airfoil inner surface 4, the more the maximum nozzle throat area increases. If the pivot point Pp is located below the camber line 6 on the inside of the vane, the risk of aerodynamic torque reversal at a large mounting angle θ is further reduced. Thus, the pivot point Pp is placed at a position that satisfies the expression -0.10 ≤ Yp / C ≤ 0.05, preferably -0.10 ≤ Yp / C ≤ 0, most preferably -0.10 ≤ Yp / C ≤ -0.05 It is preferable to be. That is, the construction requirements may be contrary to the arrangement of the pivot point Pp on the inside and outside of the
또한, 본 발명자는 공기역학적 토크의 견지에서 배출 가스의 흐름 입사각(α)의 영향을 조사하였다. 도 2에 도시된 베인(20)을 이용하여, 베인(20)의 선수 에지(Ple)와 피봇 포인트(Pp)를 연결하는 선에 대한 배출 가스의 흐름 입사각(α)이 최대 설치각(θ)에서 5°이상이 되도록 설정되면 공기역학적 토크 반전의 위험은 최소화되는 것이 발견되었다. 이는 배출 가스의 흐름 입사각(α)이 베인의 최대 설치각(θ)에서 보통 0°와 3° 사이인 종래의 터보 차저와 비교된다.The present inventors also investigated the influence of the flow incident angle α of the exhaust gas in terms of aerodynamic torque. Using the
전술한 발견들은 본 발명의 캠버 베인을 형성하기 위한 주요 특징으로 고려되지만, 베인의 제어가능성에 영향을 주는 다른 특징들도 있다.While the foregoing findings are considered the main features for forming the camber vanes of the present invention, there are other features that affect the controllability of the vanes.
선수 에지(Ple)의 원곡선을 형성하는 반경(r)과 x-축 상에서의 피봇 포인트(Pp)와 선수 에지(Ple) 사이의 거리(Xp)는 바람직하게는 0.045 < r/Xp < 0.08의 표현식을 만족하는 것이 발견되었다. 이 범위 내에 반경(r)을 설정하는 것은 흐름의 입사 변화에 대하여 베인의 감도를 감소시킨다. Radius r forming the curve of bow edge Ple and distance Xp between pivot point Pp and bow edge Ple on the x-axis are preferably 0.045 < r / Xp < 0.08 It was found that the expression was satisfied. Setting the radius r within this range reduces the vane's sensitivity to changes in incidence of the flow.
또한, 베인의 최소 및 최대 설치각(θ)을 상기 후미 에지들(Pte)의 접선 반경(Rte)에 대한 베인의 선수 에지들(Ple)의 접선 반경(Rle)의 비(Rle/Rte)가 1.03 내지 1.5의 범위를 갖는 것이 바람직하다는 것이 확인되었다. 이것은 통상적인 Rle/Rte 범위가 1.05와 1.7 사이인 종래의 터보차저와 비교된다.Further, the minimum and maximum installation angles θ of the vanes are determined by a ratio (Rle / Rte) of the tangential radii Rle of the bow edges Ple of the vanes to the tangential radii Rte of the trailing edges Pte. It was confirmed that it is preferable to have a range of 1.03 to 1.5. This is in comparison with conventional turbochargers with typical Rle / Rte ranges between 1.05 and 1.7.
또한, 에어포일 내면(4)의 볼록 구역의 형상은 포물선이나 선수 에지(Ple)와 오목 구역으로의 변이를 표시하는 굴곡 지점 사이의 로컬 최대값을 갖는 곡선에 한정되지 않으며, 로컬 최소값을 갖는 제2차 다항식도 역시 적합하다. 그러나, 로컬 최대값이 바람직하다.Further, the shape of the convex section of the airfoil inner surface 4 is not limited to a curve having a local maximum value between the parabola or bow point Ple and a bending point indicating a transition to the concave area, but having a local minimum value. Quadratic polynomials are also suitable. However, local maximums are preferred.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020077012176A KR20070085560A (en) | 2007-05-30 | 2004-11-16 | Variable nozzle turbocharger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020077012176A KR20070085560A (en) | 2007-05-30 | 2004-11-16 | Variable nozzle turbocharger |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070085560A true KR20070085560A (en) | 2007-08-27 |
Family
ID=38613198
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020077012176A KR20070085560A (en) | 2007-05-30 | 2004-11-16 | Variable nozzle turbocharger |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20070085560A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102018210969A1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | Continental Automotive Gmbh | Guide vane for a turbine assembly and turbine assembly |
-
2004
- 2004-11-16 KR KR1020077012176A patent/KR20070085560A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102018210969A1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-01-09 | Continental Automotive Gmbh | Guide vane for a turbine assembly and turbine assembly |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8109715B2 (en) | Variable nozzle turbocharger | |
JP4460538B2 (en) | Camber wings for use in turbochargers | |
US6709232B1 (en) | Cambered vane for use in turbochargers | |
US7255530B2 (en) | Vane and throat shaping | |
JP5301148B2 (en) | Turbine assembly of gas turbine engine and manufacturing method thereof | |
US6619916B1 (en) | Methods and apparatus for varying gas turbine engine inlet air flow | |
CA2495186C (en) | Recirculation structure for turbocompressors | |
US6776582B2 (en) | Turbine blade and turbine | |
CN109964005B (en) | Turbine wheel of a turbomachine | |
JP5201333B2 (en) | Variable nozzle vane shape and variable capacity turbocharger | |
KR20070085560A (en) | Variable nozzle turbocharger | |
US12055050B2 (en) | Variable geometry turbine | |
US11333034B2 (en) | Nozzle vane | |
US11428154B2 (en) | Nozzle vane | |
US20240368998A1 (en) | Variable geometry turbine | |
JP7288982B2 (en) | turbine and turbocharger | |
US11753960B2 (en) | Nozzle vane | |
JP2023026028A (en) | impeller and centrifugal compressor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |