KR20080008663A - 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기에 관한 것으로, 전후면으로 흡입구가 형성되어 있는 원심압축기와, 축류터빈으로 구성됨으로써, 엔진적용 터보과급기의 대수가 감소되고, 양흡입 원심압축기에 의한 축추력을 최소화하여 운전 중 과도한 축추력에 의한 원심압축기의 손상을 방지할 수 있으며, 스러스트베어링의 크기도 최소화할 수 있는 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기를 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 전후면으로 흡입구가 형성되고 흡입구를 통해 흡입된 외기가 배출되는 벌류트가 측면에 구비되어 있는 압축기케이싱과, 상기 압축기케이싱의 내부에 구비되어 전후면에 형성되는 흡입구 모두로 외기를 흡입하는 양흡입 임펠러로 구성되는 원심압축기; 상기 전후면의 흡입구에 설치되어 공기의 고속유입시 발생하는 소음을 저감시켜주는 제1,2소음기; 상기 제1소음기와 연결되는 터빈케이싱 내부에 1단 또는 2단의 축류터빈 이 구비되는 터빈부; 상기 원심압축기와 터빈부의 중심부에 배설되어 상기 축류터빈과 양흡입 임펠러를 연결하는 회전축; 상기 터빈케이싱과, 제1소음기에 각각 구비되어 회전축을 지지하는 베어링 하우징, 및 상기 베어링 하우징 내부에서 회전축이 원활히 회전하도록 설치되는 베어링; 에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

터보과급기, 원심압축기, 축류터빈, 양흡입, 소음기, 회전축, 축추력

Description

양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기{Turbocharger ＆Supercharger With Double Suction Typed Centrifugal Compressor}

도 1 은 종래의 일실시예에 의한 터보과급기를 나타낸 예시도,

도 2 는 종래의 다른 실시예에 의한 터보과급기를 나타낸 예시도,

도 3 은 종래의 다른 실시예에 의한 터보과급기를 나타낸 예시도,

도 4 는 종래의 다른 실시예에 의한 터보과급기를 나타낸 예시도,

도 5 는 본 발명에 의한 터보과급기의 구조를 나타낸 예시도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 터보과급기 (20) : 원심압축기

(21) : 압축기 케이싱 (22) : 흡입구

(23) : 벌류트(volute) (24) : 양흡입 임펠러

(30) : 터빈부 (31) : 축류터빈

(32) : 터빈케이싱 (40) : 제1소음기

(41) : 제2소음기 (50) : 회전축

(60) : 베어링하우징 (61) : 베어링

(100)(100a) : 원심압축기 (101)(101a) : 축류터빈

(102) : 저압원심압축기 (102a) : 고압원심압축기

(103) : 저압터빈 (103a) : 고압터빈

(104) : 1단 냉각기 (104a) : 2단 냉각기

본 발명은 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엔진에서 터보과급기로 요구되는 흡기용량의 증가시 터보과급기의 대수를 증가시키지 않고, 전후면으로 흡입구가 형성되어 있는 하나의 원심압축기와, 1단 또는 2단의 축류터빈으로 터보과급기를 구성함으로써, 그 구조가 간단하고, 양흡입 원심압축기에 의해 축추력을 최소화하여 운전 중 과도한 축추력에 의한 원심압축기의 손상을 방지할 수 있으며, 스러스트베어링의 크기도 최소화할 수 있는 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기에 관한 것이다.

최근에 엔진 출력의 대형화에 따라 터보 과급기에 요구되는 흡기 용량도 증가하게 되었다. 이러한 시장 수요에 부응하기 위한 방법 중 가장 손쉬운 해결책은 터보 과급기의 수를 추가하는 것이나, 이와 같이 터보 과급기의 수를 추가하게 되면 많은 비용이 소요되고 유지보수 측면에서도 문제점이 발생한다.

종래의 제품에서 터보과급기가 두 대로 구성되어 있는 경우는 크게 두 종류로 요약된다.

첫 번째는 도1 에서와 같이 흡기용량은 한 대의 경우와 같지만, 원심압축기 (100)출구의 압력을 4~7bar 정도의 높은 흡기 압력을 엔진에서 요구할 경우에 적용되는 경우로써 저압원심압축기(102)와 고압원심압축기(102a)가 연속해서 구비되고, 상기 저압원심압축기(102)와 고압원심압축기(102a)를 작동시켜주는 저압터빈(103)과, 고압터빈(103a)이 구비되며, 상기 저압 및 고압원심압축기를 냉각하는 1,2단 냉각기(104)(104a)가 구비된다.

한편 두 번째는 도 2 에서와 같이 엔진에 공급되는 흡기 압력을 기존의 1단과 같이 약 3~4 bar 정도로 하되 흡기 용량을 기존보다 약 2배에 가깝게 보내기 위하여 원심압축기(100)(100a) 1단 두 대를 각각 다른 축류 터빈(101)(101a)으로 구동하는 것으로, 보다 상세히 살펴보면, 축류터빈(101) 1단에서 원심압축기(100) 한 대를 구동시키고 축류터빈(101) 1단에서 빠져나온 열에너지는 축류터빈(101a) 2단과 연결된 또 하나의 원심압축기(100a) 한대를 구동시키게 된다.

여기서 회전축은 가로 방향과 세로방향의 각각 다른 2개이며 터보 과급기를 2대로 꾸미는 구조보다 간단한 구조를 가지게 된다.

한편 도 3 은 도 2와 유사한 경우로서 원심압축기(100)(100a) 1단 두 대를 각각 다른 축류 터빈(101)(101a)으로 구동하며 이때 회전축이 가로방향으로 같게 설정한 것이다.

상기와 같은 기존의 모든 터보과급기의 구조는 원심압축기의 흡입방향이 편 흡입이므로 축추력이 반드시 발생하게 된다.

즉, 도 4 에서와 같이 원심압축기에서 회전하는 임펠러의 입구와 임펠러 뒷면에는 각각 낮은 압력과 높은 압력이 걸리게 되므로 불가피하게 왼쪽으로 축추력이 발생하게 되며, 추력의 크기에 따라 스러스트 베어링이 반드시 설계되어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출되는 것으로, 전후면으로 흡입구가 형성되어 있는 원심압축기와, 1단 또는 2단의 축류터빈으로 구성됨으로써, 엔진적용 터보과급기의 대수가 감소되고, 양흡입 원심압축기에 의한 축추력을 최소화하여 운전 중 과도한 축추력에 의한 원심압축기의 손상을 방지할 수 있으며, 스러스트베어링의 크기도 최소화할 수 있는 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전후면으로 흡입구가 형성되고 흡입구를 통해 흡입된 외기가 배출되는 벌류트가 측면에 구비되어 있는 압축기케이싱과, 상기 압축기케이싱의 내부에 구비되어 전후면에 형성되는 흡입구 모두로 외기를 흡입하는 양흡입 임펠러로 구성되는 원심압축기; 상기 전후면의 흡입구에 설치되어 공기의 고속유입시 발생하는 소음을 저감시켜주는 제1,2소음기; 상기 제1소음기와 연결되는 터빈케이싱 내부에 1단 또는 2단의 축류터빈이 구비되는 터빈부; 상기 원심압축기와 터빈부의 중심부에 배설되어 상기 축류터빈과 양흡입 임펠러를 연결하는 회전축; 상기 터빈케이싱과, 제1소음기에 각각 구비되어 회전축을 지지하는 베어링 하우징 및 상기 베어링 하우징 내부에서 회전축이 원활히 회전하도록 설치되는 베어링; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 양흡입 임펠러 또는 축류터빈의 축방향 외측으로 설치되는 반경베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대하여 구성 및 작용을 첨부도면과 연계하여 상세히 설명한다.

도 5 는 본 발명에 의한 터보과급기의 구조를 나타낸 예시도로서,

본 발명의 터보과급기(10)는 전후면으로 흡입구(22)가 구비되어 있는 원심압축기(20)와, 상기 원심압축기(20)의 전후면의 흡입구(22)에 설치되어 공기의 고속 유입시 발생되는 소음을 저감시켜주는 제1,2소음기(40)(41)와, 상기 제1소음기와 연결되어 상기 원심압축기(20)를 작동시켜주는 터빈부(30)로 구성된다.

상기 원심압축기(20)는 전후면으로 공기가 유입되는 흡입구(22)가 형성되고, 이 흡입구(22)를 통해 흡입된 외기가 배출되는 벌류트(Volute)가 측면에 구비되어 있는 압축기케이싱(21)과, 상기 압축기케이싱(21)의 내부에 구비되어 전후면에 형성되는 흡입구(22) 모두로 외기를 흡입되도록 하는 양흡입 임펠러(24)로 구성된다

상기 터빈부(30)는 전면은 상기 제1소음기(40)에 연결되고 후면은 엔진의 배 기계통과 연통되는 터빈케이싱(32)과, 이 터빈케이싱(32) 내부에 구비되어 배기가스의 압력에 의해 작동되는 축류터빈(31)으로 이루어진다.

상기 축류터빈(31)은 회전축(50)에 1개 이상의 축류터빈이 나란히 연결되는 구조이다. 이는 양흡입 임펠러(24)의 공기량은 기존의 편흡입 임펠러에 비하여 2배 정도 많기 때문에 축류터빈(31)에서 그 만큼의 많은 구동력을 제공해야만 하는 것이다.

또한 축류터빈(31)의 날개를 크게 제작하여 하나의 축류터빈을 설치할 수 있으나, 날개의 크기를 크게 제조하는 것은 터빈부(30)의 부피문제 및 날개의 강도에 의하여 한계가 발생하기 때문에 1개 이상의 축류터빈을 연결하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 양흡입 임펠러(24)와 축류터빈(31)은 원심압축기(20)와 제1소음기(40) 및 터빈부(30)의 중심에 배설되는 회전축(50)에 의해 연결되고, 배기가스의 압력에 의해 작동한다.

또한 상기 터빈케이싱(32)과, 제1소음기(40)에는 회전축(50)을 지지하는 베어링 하우징(60)이 구비되고, 이 베어링 하우징(60)의 내부에는 회전축(50)이 원활히 회전하고 지지될 수 있도록 베어링(61)이 구비된다.

즉 양흡입 임펠러(24)와 축류터빈(31) 사이에 베어링(61)이 설치되는 인보드(inboard) 구조이다.

한편 본 발명은 상기 양흡입 임펠러(24) 또는 축류터빈(31)의 축방향 외측으로 베어링을 더 설치할 수 있다.

보다 상세히 설명하면 상기 회전축(50)은 운전시 축방향과 직각방향인 반경 방향으로 미세하게 움직이게 되는데 이것을 베어링이 회전축과 베어링사이의 윤활유 유막과 함께 진동을 방지하는 역할을 한다.

즉 현재의 터보 과급기의 베어링구조는 인보드 방식으로 축류터빈(31)과 양흡입 임펠러(24) 사이에 위치하여 터빈부(30) 원심압축기(20)쪽에 하나씩 설치된다. 하지만 본 발명에서는 2단의 축류터빈(31)과 양흡입 임펠러(24)로 인해 회전축(50)의 길이가 기존보다 길어짐으로 해서 반경방향의 진동을 현재의 인 드 방식으로 안정된 운전이 안될 수 있다.

따라서 로터 다이내믹해석을 통해서 추가의 베어링이 필요하다고 판단되면 압축기의 소음기(41)쪽에 하나를 더 설치할 수도 있는 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 엔진의 배기계통을 통해 배기가스가 터빈케이싱내부(32)로 유입되면 이 배기가스의 압력에 의해 축류터빈(31)이 회전하고, 상기 축류터빈(31)과 회전축(50)으로 연결되어 있는 양흡입 임펠러(24)가 회전하게 된다.

이렇게 양흡입 임펠러(24)가 회전하게 되면 외기가 원심압축기(20)의 전후에 설치된 제1,2소음기(40)(41)를 통해 유입되고, 이렇게 원심압축기(20)로 유입된 외기는 벌류트(23)를 통해 배출되어 엔진의 출력을 향상시키게 되는 것이다.

즉 본 발명의 원심압축기(20)는 제1,2소음기(40)(41)를 통해 전후면 양측으로 외기의 흡입이 가능함으로써, 외기의 편흡입시 발생하는 축추력을 감소시켜주고, 이에 따라 축류터빈 작동시 발생하는 아주 작은 축추력만을 고려하여 베어링(61)을 설치할 수 있으므로, 베어링(61)의 직경감소에 따른 베어링(61)의 구조를 최소화할 수 있게 되는 것이다.

또한 양흡입으로 인해 하나의 터보과급기(10)로 2대의 터보과급기(10)의 효과를 나타낼 수 있으며, 비용 절감 효과가 매우 뛰어나며, 그 구조가 간단해져 분해와 조립등의 유지보수작업과 시간이 절감된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 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, 양흡입 원심압축기와 1단 또는 2단의 축류터빈으로 구성됨으로서, 엔진적용 터보과급기의 대수감소에 따른 비용이 절감되고, 원심압축기와 축류터빈을 연결하는 회전축의 축추력을 최소화하여 운전 중 과도한 축추력에 의한 압축기 손상을 방지할 수 있게 되며, 축추력의 크기를 줄여줌으로써 베어링의 크기도 최소화하여 설치할 수 있게 될 뿐만 아니라, 터보과급기의 대수감소에 따른 분해와 조립 등의 유지보수작업과 소요시간이 절감되는 매우 유용한 발명이다.

Claims (2)

1. 전후면으로 흡입구가 형성되고 흡입구를 통해 흡입된 외기가 배출되는 벌류트가 측면에 구비되어 있는 압축기케이싱과, 상기 압축기케이싱의 내부에 구비되어 전후면에 형성되는 흡입구 모두로 외기를 흡입하는 양흡입 임펠러로 구성되는 원심압축기;

   상기 전후면의 흡입구에 설치되어 공기의 고속유입시 발생하는 소음을 저감시켜주는 제1,2소음기;

   상기 제1소음기와 연결되는 터빈케이싱 내부에 한 쌍의 1단 또는 2단의 축류터빈이 구비되는 터빈부;

   상기 원심압축기와 터빈부의 중심부에 배설되어 상기 축류터빈과 양흡입 임펠러를 연결하는 회전축;

   상기 터빈케이싱과, 제1소음기에 각각 구비되어 회전축을 지지하는 베어링 하우징 및 상기 베어링 하우징 내부에서 회전축이 원활히 회전하도록 설치되는 베어링; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 양흡입 임펠러 또는 축류터빈의 축방향 외측으로 설치되는 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양흡입 원심압축기를 구비한 터보과급기.

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