KR20080086519A - 조정가능한 가이딩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면 조정가능한 가이드 베인을 구비한 가이딩 장치에는 상기 조정가능한 가이드 베인을 위한 구동장치가 장착되며, 상기 구동장치는 원통 모양의 드라이빙핀 (6) 및 조정 레버 (5) 를 포함하고, 상기 드라이빙핀과 상기 조정 레버에는 서로 맞춰진 표면쌍 (62, 52) 이 갖춰지며, 상기 표면쌍은 작동시 가이드 베인이 조정될 때 서로 슬라이딩한다. 가이드 베인을 조정하기 위해 조정링 (4) 이 옮겨지고, 이때 상기 조정링에 안전하게 되어 있는 드라이빙핀은 조정 레버의 세로 그루브 (51) 내로 슬라이딩하며 상기 조정 레버에 힘을 가한다. 이 해결책에 의해 조립이 쉽고 경제적이며 견고한 구조가 제공되며, 그 결과는 상응하여 낮은 표면압력을 갖는 베어링면 및 따라서 현저히 감소한 마모이다.

가이딩 장치, 배기가스 터빈, 압축기, 가이드 베인

Description

조정가능한 가이딩 장치 {ADJUSTABLE GUIDING DEVICE}

본 발명은 내연기관의 배기가스의 작용을 받는 터보기계의 영역에 관한 것이다.

본 발명은 배기가스 터보차저의 배기가스 터빈 또는 압축기의 조정가능한 가이딩 장치의 조정링에서 회전 가능하게 설치된 가이드 베인의 베인 샤프트로 조정력을 전달하기 위한 장치, 상기 전달장치를 구비한 가이딩 장치, 상기 가이딩 장치를 구비한 압축기 및 배기가스 터빈, 및 상기 압축기 및/또는 상기 배기가스 터빈을 구비한 배기가스 터보차저에 관한 것이다.

배기가스 터보차저는 내연기관의 성능 향상을 위해 이용된다. 오늘날의 내연기관에서 가변적인 작동조건에 배기가스 터보차저를 맞추는 것이 점점 어려워지고 있다. 이른바 가변 터빈의 기하학적 형상 및/또는 압축기의 기하학적 형상이 하나의 대중적인 가능성을 제공한다. 가변 터빈 기하학적 형상에서, 가이딩 장치의 가이드 베인은 터빈휠의 상류로 터빈의 성능 요구에 상응하여 흐름에 대해 어느 정도 가파르게 정렬된다. 가변 압축기 기하학적 형상에서, 확산기 베인은 압축기휠의 하류로 흐름에 대해 어느 정도 가파르게 정렬된다. 베인의 조정은 일반적으로 이른바 조정 레버를 통해 행해지고, 이 조정 레버는 배기가스 터 보차저의 축에 대해 동심적으로 배치된 조정링에 의해 움직여진다. 반경류 터빈 또는 원심 압축기에 있어서, 가이드 베인 또는 확산기 베인은 일반적으로 샤프트 축에 대해 평행으로 있다. 가이드 베인 또는 확산기 베인의 샤프트는 하우징 내에 바람직하게는 2중으로 설치되고, 양 베어링 포인트 사이에서 베인 샤프트를 붙잡는 조정 레버를 수단으로 비틀어진다. 조정 레버가 곧장 조정링 내의 리세스를 수단으로 움직여져야만 하는 경우에는, 그의 단부는 예컨대 EP 1 520 959 에 도시되어 있는 바와 같이 원통 모양으로 형성되어야만 하는데, 그 이유는 상기 조정 레버가 그루브 내에 끼어 움직이지 않는 것을 막기 위해서이다.

조정 레버의 부합하는 그루브와 맞물리는 캠이 조정링에 장착될지라도, 이 캠은 EP 1 234 951 이 보여주는 바와 같이 원통 모양으로 실시되어야만 하고, 예컨대 삽입된 드라이빙핀으로서 실시되어야만 한다.

가이드 베인을 조정하기 위해 조정링은 터보차저축 둘레로 동심적으로 비틀어지고, 이로 인해 가이드 베인은 조정 레버를 수단으로 선회된다.

이 회전 및 선회 운동으로 인해, 조정 레버 또는 그루브링의 원통은 그루브링 또는 조정 레버의 그루브 표면에서 옮겨진다. 조정 레버 또는 그루브링의 그루브 내의 원통의 선 모양 베어링면으로 인해, 얼마 안 되는 수직력에도 불구하고 매우 높은 헤르츠압이 생긴다. 그루브 표면에서 원통의 상대운동 및 높은 표면압력으로 인해 슬라이딩 파트너는 작동시 마모된다.

US 4,741,666 은 조정 레버, 및 회전 가능하게 핀 상에 설치되며 조정링과 연결 가능한 드라이빙 슬리브를 구비하며, 조정링에서 회전 가능하게 설치된 가이 드 베인의 베인 샤프트로 조정력을 전달하기 위한 장치를 공개하고 있다. 드라이빙 슬리브와 조정 레버의 그루브는 각각 한쌍씩 서로 맞춰진 접촉면을 구비한다.

본 발명의 목적은 조정가능한 가이드 베인을 갖고 긴 작동시간에 걸쳐 신뢰도 있게 작동하는 가이딩 장치를 제공하는 것이며, 상기 가이딩 장치는 또한 간단하게 조립/분해될 수 있어야 한다.

본 발명에 따르면, 조정가능한 가이드 베인을 구비한 가이딩 장치에는 상기 조정가능한 가이드 베인을 위한 구동장치가 장착되며, 상기 구동장치의 원통 모양으로 형성된 드라이빙핀 및 조정 레버에는 각각 서로 맞춰진 표면쌍이 갖춰지고, 상기 표면쌍은 작동시 가이드 베인이 조정될 때 서로 슬라이딩한다. 드라이빙핀에는 이를 위해 측면 내의 리세스가 제공된다. 가이드 베인을 조정하기 위해 조정링이 움직여지고, 이로 인해 조정링에 안전하게 되어 있는 드라이빙핀은 조정 레버의 세로 그루브 내로 슬라이딩하며 상기 조정 레버에 힘을 가한다.

이 해결책을 통해 경제적이고 견고한 구조가 생긴다. 원통 모양의 드라이빙핀은 한편으론 양쪽에서 조정링에 설치되어 있고, 게다가 축방향으로 형상 끼워맞춤으로 조정 레버의 그루브 내에서 고정된다. 그 결과는 상응하여 낮은 표면압력을 갖는 표면 베어링면 및 따라서 현저히 감소한 마모이다. 조정링은 가이드 베인의 방사상 내부뿐만 아니라 외부에도 배치될 수 있다.

드라이빙핀은 간단한 방식으로 매우 경제적으로 제조될 수 있고, 게다가 조립 후 분실에 대해 안전하게끔 조정링과 또는 조정 레버와 연결되어 있다. 측면 내의 리세스들은 베어링 보어를 관통한 드라이빙핀의 축방향 밀기 및 이에 이은 조정 레버를 수단으로 한 축방향 고정을 가능하게 한다. 그러므로, 축방향 안전을 위해 추가의 부품이 필요하지 않다.

한 실시형태에서 조정링은 그루브를 갖는 U 모양 횡단면 및 드라이빙핀을 수용하기 위해 가이드 베인의 수량에 일치하는 수량의 보어를 구비한다.

조정 레버는 방사상으로 배치되어 있고, 그의 단부에 바람직하게는 베인 샤프트에 대해 동심적으로 배치된 원형 세그먼트들을 구비하고, 이 원형 세그먼트들은 조정링의 그루브 바닥과 부합하며, 그리고 이렇게 하여 그의 방사상 설치를 안전하게 한다.

이하, 본 발명의 여러 실시형태를 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따라 형성된 조정가능한 가이딩 장치를 구비한 방사류 터빈의, 축을 따라 안내된 단면도이고,

도 2 는 도 1 에 따른 방사류 터빈의 조정가능한 가이딩 장치의, 축에 대해 수직인 단면도이며,

도 3 은 본 발명에 따라 형성된 조정가능한 가이딩 장치를 구비한 원심 압축기의, 축을 따라 안내된 단면도이고,

도 4 는 도 3 에 따른 원심 압축기의 조정가능한 가이딩 장치의, 축에 대해 수직인 단면도이며,

도 5 는 조정 레버 및 드라이빙핀을 구비한 본 발명에 따라 형성된 가이딩 장치의 아이소메트릭 상세도이고,

도 6 은 도 5 에 따른 드라이빙핀의 3 개의 상이한 실시형태이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 터빈휠-허브 110 : 압축기휠-허브

12 : 터빈-임펠러 블레이드 120 : 압축기-임펠러 블레이드

21 : 가이드 베인 210 : 확산기 베인

22 : 베인 샤프트 30 : 베어링 하우징

31 : 터빈 하우징 32 : 압축기 하우징

33 : 삽입벽 4 : 조정링

41 : 보어 5 : 조정 레버

51 : 그루브 52 : 접촉면

6 : 드라이빙핀 61 : 리세스

62 : 접촉면

도 1 및 도 2 는 본 발명에 따라 형성된 조정가능한 가이딩 장치를 구비한 배기가스 터빈이 어떻게 예컨대 배가가스 터보차저에서 이용되는 지를 도시하고 있다.

도시되어 있는 방사류 터빈은 터빈휠을 포함하며, 이 터빈휠은 베어링 하우징 (30) 내에 회전 가능하게 설치된 샤프트 상에 배치되어 있다. 상기 터빈휠은 복수의 임펠러 블레이드 (12) 를 가진 허브 (11) 를 구비한다. 터빈휠-허브 는 터빈 하우징 (31) 과 함께 유로를 한정한다. 터빈휠의 상류의 흐름 방향으로, 유로는 베어링 하우징 (30) 및 터빈 하우징 (31) 에 의해 한정된다. 이 영역에 조정가능한 가이딩 장치가 배치되어 있다.

가이딩 장치는 여러 개의 조정가능한 가이드 베인 (guide vane, 21) 을 포함하며, 이 가이드 베인들은 각각, 회전 가능하게 설치된 베인 샤프트 (vane shaft, 22) 둘레로 회전 가능하다. 가이드 베인과 베인 샤프트는 형상 끼워맞춤, 압력 끼워맞춤 또는 재료 결합으로 서로 연결될 수 있다.

베인 샤프트 (22) 는 베어링 하우징 (30) 내에 회전 가능하게 설치되어 있다. 베인 샤프트의 구동을 위해서는 상기 베인 샤프트와 연결된 조정 레버 (5) 가 장착되며, 이 조정 레버는 터빈축과 관련하여 베인 샤프트의 방사상 외부에 배치된 조정링 (adjusting ring, 4) 에서 베인 샤프트로 힘을 전달한다. 상기 조정 레버는 베인 샤프트와 형상 끼워맞춤, 압력 끼워맞춤 또는 재료 결합으로 연결될 수 있다.

도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 가이딩 장치를 구비한 압축기가 어떻게 예컨대 배기가스 터보차저에서 이용되는 지를 도시하고 있다.

도시되어 있는 원심 압축기는 압축기휠을 포함하며, 이 압축기휠은 베어링 하우징 (30) 내에 회전 가능하게 설치된 샤프트 상에 배치되어 있다. 압축기휠은 복수의 임펠러 블레이드 (120) 를 가진 허브 (110) 를 구비한다. 압축기휠-허브는 삽입벽 (insert wall, 33) 과 함께 유로를 한정한다. 압축기휠의 하류의 흐름 방향으로, 유로는 베어링 하우징 및 압축기 출구 하우징 (32) 에 의해 한 정된다. 확산기의 영역에는, 압축기휠의 하류로, 조정가능한 확산기-가이딩 장치가 배치되어 있다.

이 가이딩 장치는 복수의 조정가능한 가이드 베인 (210) 을 포함하며, 이 가이드 베인들은 각각, 회전 가능하게 설치된 베인 샤프트 (22) 둘레로 회전 가능하다. 가이드 베인과 베인 샤프트는 형상 끼워맞춤, 압력 끼워맞춤 또는 재료 결합으로 서로 연결될 수 있다.

베인 샤프트는 하우징 내에 회전 가능하게 설치되어 있다. 베인 샤프트의 구동을 위해 조정 레버 (5) 가 장착되며, 이 조정 레버는 압축기축과 관련하여 베인 샤프트의 방사상 내부에 배치된 조정링 (4) 에서 베인 샤프트로 힘을 전달한다. 조정 레버는 베인 샤프트와 형상 끼워맞춤, 압력 끼워맞춤 또는 재료결합으로 연결될 수 있다.

양 실시형태에서, 즉 내부에 놓인 또는 외부에 놓인 조정링에서, 조정 레버 (5) 의 자유단부 내로 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이 세로 그루브 (groove, 51) 가 파여 있다. 상기 세로 그루브 내에는 드라이빙핀 (driving pin, 6) 이 수용되고, 이 드라이빙핀은 조정링과 함께, 샤프트축에 대해 동심적으로 뻗어 있는 원호 섹션 상에서 움직인다. 상기 세로 그루브는 장방형 구멍으로서 형성될 수도 있고, 이 장방형 구멍 내에서 드라이빙핀은 왕복 운동할 수 있으며, 그러나 이 장방형 구멍은 드라이빙핀이 완전히 그루브 밖으로 당겨지는 것을 저지한다.

드라이빙핀 (6) 과 세로 그루브 (51) 는 본 발명에 따르면 각각 2 개의 평행한 접촉면을 구비한다. 원통 모양으로 형성된 드라이빙핀 (6) 의 양 접촉면 (62) 은, 마주하여 놓여 있고 측면 내에 파여 있는 리세스 (recess, 61) 들에 의해 형성되어 있으며, 서로 평행으로 배치되어 있다. 조정 레버 (5) 내의 세로 그루브의 양 접촉면 (52) 도 마찬가지로 서로 평행으로 배치되어 있다. 양 접촉면쌍의 간격들은, 드라이빙핀이 양 리세스 (61) 의 영역에서 조정 레버의 그루브 (51) 내로 도입될 수 있고, 양쪽에서 그루브의 표면과 접촉하도록 선택된다. 한편으론, 드라이빙핀은 양 접촉면 (62) 과 함께 가능한 한 순조롭게 그루브의 접촉면 (52) 을 따라 슬라이딩해야만 한다. 다른 한편으론, 조정 레버가 작동시 드라이빙핀 둘레에서 진동하지 않도록, 드라이빙핀은 조정 레버와 관련하여 접촉면들에 대해 수직으로 움직일 수 있어서는 안 된다.

드라이빙핀은 1중으로 또는 2중으로 조정링 (4) 내에 설치되어 있다. 도시되어 있는 2중 설치에서 조정링은 U 모양으로 형성되어 있고, 조정 레버는 U 모양 프로파일의 중앙에서 뻗어 있다. 드라이빙핀은 중심에 있는 양측 리세스를 구비하고, 이 리세스 위로 조정링은 이동 가능하다. 드라이빙핀은 양 리세스 (61) 의 측벽들이 조정 레버 (5) 에 동일 평면에 밀착함으로써 축방향에서 안전하게 되어 있다. 이에 의해, 조정 장치의 조립이 쉬워진다. 도 5 의 아래에 나타낸 바와 같이 드라이빙핀은 축방향으로 조정링 (4) 내의 보어 (41) 내에 도입되고, 이에 이어 조정 레버 (5) 는 드라이빙핀에서 바라볼 때 방사상 방향으로 양측 리세스 내로 밀어 넣어진다. 드라이빙핀의 그 밖의 축방향 안전 장치가 필요하지 않다.

도 6 의 도면에 따르면, 드라이빙핀 내의 리세스 (61) 는 상이하게 실시될 수 있다. 왼쪽에서부터 오른쪽으로 3 개의 드라이빙핀이 도시되어 있고, 상기 드라이빙핀은 각각, 둥근 2 개의 리세스 (왼쪽), 뾰족하게 뻗어 있는 V 모양의 2 개의 리세스 (가운데), 직사각형의 2 개의 리세스 (오른쪽) 를 구비한다. 드라이빙핀은 상이하게 형성된 2 개의 리세스를 구비할 수 있는데, 예컨대 한쪽에는 직사각형 리세스를 구비하고 다른 한쪽에는 둥근 리세스를 구비할 수 있다. 이러한 방식으로, 조정 레버와 관련하여 드라이빙핀의 정렬이 정의될 수 있다. 조정 레버의 그루브의 표면은 드라이빙핀의 각 리세스에 일치하여 모양이 만들어져 있다. 1 개 또는 2 개의 리세스 대신에 드라이빙핀은 1 개 또는 2 개의 돌출부를 구비할 수도 있고, 이 돌출부는 조정 레버의 세로 그루브의 측벽들 내의 상응하여 형성된 리세스와 상호 작용한다.

조정링의 그루브 내에서 드라이빙핀의 슬라이딩 특성을 개선하기 위해, 드라이빙핀 및/또는 조정 레버의 접촉면들은 특별히 경화되거나 또는 슬라이딩 보조물로 코팅될 수 있다.

본 발명에 따른 가이딩 장치는 2 사이클 또는 4 사이클 내연기관의 과급을 위해 배기가스 터보차저의 압축기 및/또는 터빈에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 연소 기계의 배기가스로 작동되는 실용 터빈에서의 터빈에도 이용될 수 있다.

Claims (9)

1. 조정가능한 가이딩 장치의 조정링 (4) 에서 회전 가능하게 설치된 가이드 베인 (21, 210) 의 베인 샤프트 (22) 로 조정력을 전달하기 위한 장치로서, 상기 조정력 전달장치는 조정 레버 (5), 및 조정링과 연결 가능한 드라이빙핀 (6) 을 구비하며, 이때 상기 조정 레버의 일 단부는 조정가능한 가이딩 장치의 회전 가능하게 설치된 가이드 베인 (21, 210) 의 베인 샤프트 (22) 와 연결 가능하고, 상기 조정 레버의 다른 단부 내로는 드라이빙핀 (6) 을 수용하기 위한 세로 그루브 (51) 가 파여 있으며, 이때 드라이빙핀 (6) 과 그루브 (51) 는 각각 2 개의 접촉면 (52, 62) 을 구비하고, 드라이빙핀의 접촉면 (62) 과 그루브의 접촉면 (52) 은 각각 한쌍씩 서로 맞춰져 있는 조정력 전달장치에 있어서, 상기 드라이빙핀 (6) 은 원통 모양을 구비하며, 상기 접촉면 (62) 은 상기 드라이빙핀의 측면 내의 리세스 (61) 에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조정력 전달장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 드라이빙핀의 측면 내의 상기 리세스 (62) 는 직사각형의 또는 둥근 또는 V 모양의 프로파일을 구비하는 것을 특징으로 하는 조정력 전달장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 드라이빙핀의 측면 내의 상기 양 리세스 (62) 는 상이한 프로파일들을 구비하는 것을 특징으로 하는 조정력 전달장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그루브의 접촉면 (52) 및/또는 상기 드라이빙핀의 접촉면 (62) 은 경화되거나 또는 슬라이딩 보조물로 코팅되는 것을 특징으로 하는 조정력 전달장치.
5. 조정가능한 가이드 베인 (21, 210) 을 구비한 가이딩 장치로서, 상기 가이드 베인들은 각각, 회전 가능하게 설치된 베인 샤프트 (22) 와 연결되어 있고, 상기 베인 샤프트와 연결되어 있으며 상기 베인 샤프트에 작용하고 조정링 (4) 을 통해 구동된 조정 레버 (23) 와 함께 상기 베인 샤프트 둘레로 회전 가능한 가이딩 장치에 있어서, 상기 가이딩 장치는 조정링 (4) 에서 베인 샤프트 (22) 로 조정력을 전달하기 위해 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가이딩 장치.
6. 제 6 항에 있어서, 상기 드라이빙핀 (6) 은 조정링 (4) 의 보어 (41) 내에 회전 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가이딩 장치.
7. 조정가능한 확산기 베인을 갖는 확산기를 구비한 압축기에 있어서, 상기 확산기는 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 가이딩 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
8. 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 가이딩 장치를 특징으로 하는 배기가스 터빈.
9. 제 7 항에 따른 압축기 및/또는 제 8 항에 따른 배기가스 터빈을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.

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