KR20090069177A - 가스 씨일링 및 진동 감쇠를 위한 링 씨일들 - Google Patents

Abstract

2단계 터보차징 시스템의 두 개의 터빈 하우징들(1, 2)을 연결하기 위한 연결 장치는 상기 두 개의 터빈 하우징들을 결합하기 위한 숫형/암형 조인트; 배기가스를 씨일링하기 위해 상기 숫형/암형 조인트의 내부에 압축 하에 설치되는 원통형 링 씨일(3); 및 평편한 와셔의 형상을 가지며 상기 두 개의 하우징들 사이에 배치되는 진동 댐퍼(4)를 포함한다. 상기 원통형 링 씨일은 질석 또는 흑연으로 함침된 스테인레스강 메시로 만들어질 수 있다. 상기 진동 댐퍼는 스테인레스강 메시로 만들어질 수 있지만 함침되지 않는다.

터보차저, 터빈, 하우징, 조인트, 연결

Description

가스 씨일링 및 진동 감쇠를 위한 링 씨일들{RING SEALS FOR GAS SEALING AND VIBRATION DAMPING}

본 발명은 내연 기관을 위한 2단계 터보차징 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징들 사이의 진동 댐퍼와 터빈 단계들 사이에 있는 원통형의 반경방향 씨일에 관한 것이다.

터보차저들은 일종의 강제 유도 시스템이다. 이들은 엔진으로 흘러 들어가는 공기를 압축해서, 상기 엔진의 중량의 현저한 증가 없이 상기 엔진의 마력을 끌어올린다. 터보차저들은 터빈을 회전시키고, 그 다음에 상기 터빈이 공기 압축기를 회전시키도록 상기 엔진으로부터 나온 배기 유동을 이용한다. 상기 터빈은 대부분의 차량 엔진들보다 약 30배 빠르게 회전하며 배기 장치에 연결되기 때문에, 상기 터빈의 내부의 온도는 매우 높다.

터보차저들에 있어서 주된 문제들 중의 하나는 소위 터보 랙(turbo lag) 또는 부스트 랙(boost lag)이라 불리는 것으로, 당신들이 가속할 때에 상기 터보차저들이 즉각적인 출력 증대를 제공하지 못한다는 것이다. 터보 랙을 감소시키기 위한 하나의 방법은 상기 터빈의 직경을 줄이는 것이다. 그러나, 더 작은 터빈은 높은 엔진 속도에서 출력 증대를 충분히 제공하지 못한다. 다량의 배기가 상기 터빈을 통과할 때에 이는 또한 더 높은 엔진 속도에서 너무 빠른 회전의 위험이 있다. 더 큰 터보차저는 높은 엔진 속도에서 많은 출력 증대를 제공할 수 있지만, 그의 더 무거운 터빈 및 압축기를 가속시키는데에 긴 시간이 걸리기 때문에 불량한 터보 랙을 가질 수 있다.

트윈-터보 시스템들은 상기의 문제를 해결하기 위해 설계되었다. 트윈-터보 시스템은 병렬 트윈-터보 시스템 또는 순차 트윈-터보 시스템일 수 있다. 병렬 트윈-터보 시스템은 두 개의 작은 터보들을 가지며, 하나는 상기 엔진의 전체 회전 범위에 걸쳐서 작동되며 다른 하나는 더 높은 RPM에서 작동된다. 또한 2단계 터보차징 시스템으로 불리는 순차 트윈-터보 시스템은 상이한 크기의 두 개의 터보차저들을 사용한다. 더 작은 터보차저는 일정 속도까지 매우 빠르게 회전이 증가하여, 랙을 감소시키는 반면에 더 큰 터보차저는 더 큰 출력 증대를 제공하기 위해 더 높은 속도에서 인계를 받는다.

통상적으로, 2단계 터보차징 시스템의 더 큰 저압(low pressure, LP) 터빈 하우징과 더 작은 고압(high pressure, HP) 터빈 하우징이 배기가스 누설을 방지하기 위해서, 예를 들어, V-밴드(V-band) 연결 및 슬립 조인트(slip joint)에 의해 견고하게 연결된다. 그러나, 이러한 종류의 견고한 연결은 열팽창에 기인해서 고온 하에서 응력들을 야기할 수 있다.

일부의 2단계 터보차징 시스템들에서, 더 작은 유닛은 더 큰 유닛에서 떨어져 외팔보로 작용될 수 있으며 이로 인해 열적 조건들 하에서 성장하는 것이 자유롭다. 그러나, 두 터빈 유닛들 모두가 충분히 클 때, 이 종류의 연결이 확실한 지 지를 제공하지 못하기 때문에, 두 터빈 유닛들 모두는 상기 엔진에 견고하게 설치되어야 하며, 이는 장착 플랜지들이 견고하다면 열적 성장 하에서 큰 응력들이 생성될 수 있다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 목적들 중의 하나는 2단계 터보차징 시스템에서 터빈 하우징들 사이의 연결을 제공하는 것이며, 상기 연결은 확실한 지지를 제공하고 동시에 높고 낮은 작동 온도들에서 필요한 배기가스 씨일을 제공하며 또한 상기 하우징들의 열적 성장을 허용한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 숫형/암형 조인트에 의해 연결되는, 2단계 터보차징 시스템의 터빈 단계들 사이에 있는 반경방향 씨일로서, 바람직하게는 스테인레스강으로 만들어지며 질석(vermiculite), 흑연 또는 다른 적당한 매체로 함침된, 와이어 메시 장치를 제공한다. 상기 함침된 와이어 메시 장치는 얇은 벽이 있는 원통형 링의 형상이며 상기 두 개의 터빈 하우징들을 연결하는 상기 숫형/암형 조인트 내부에 압축 하에 설치된다. 상기 반경방향 씨일은 높고 낮은 작동 온도들에서 필요한 배기가스 씨일을 제공하며, 동시에 상기 숫형/암형 조인트가 상기 씨일을 파괴하지 않고 그의 주축을 따라 슬라이딩할 수 있게 함으로써 상기 하우징들의 열적 성장을 허용한다. 이 종류의 연결은 상기 두 개의 터보차저 유닛들이 효과적으로 디커플링될 수 있으며 온도가 상승할 때 응력을 야기하기 않고 성장할 수 있는 이점을 또한 가진다.

상기 시스템이 그다지 견고하지 않기 때문에 상기 터보차저 유닛들을 디커플링하는 것은 제1 모드 진동수(first mode frequency)에 악영향을 끼칠 수 있다. 이를 해결하기 위해서, 평편한 와셔의 형상을 가지며, 바람직하게는 또한 스테인레스강으로 만들어진, 제2 메시 링이 진동 댐퍼로서 작용하기 위해 상기 하우징들의 사이에 배치된다. 상기 제2 링은 상기 반경방향 씨일과 유사한 재질로 제조되지만 함침되지 않는다. 상기 제2 링은 여기(excitation)의 범위 내에서 진동을 감쇠시키도록 튜닝된 (와이어 직경 및 밀도와 같은) 그의 "탄성계수(elastic modulus)" 를 가지며, 따라서 상기 시스템에 필요한 모드 응답을 성취한다.

본 발명의 다른 이점들과 실시예들이 아래의 설명과 관련된 도면들로부터 보여질 수 있다.

본 발명은 예를 이용하여 설명되며 유사한 참조 번호들이 유사한 부품들을 가리키는 첨부된 도면들에 한정되지 않으며:

도 1은 본 발명의 독창적 양상들에 따른 2단계 터보차저의 사시도이며;

도 2는 상기 두 개의 터빈 하우징들의 연결을 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 2는 2단계 터보차저의 상기 고압(HP) 터빈 하우징(1)과 상기 저압(LP) 터빈 하우징(2)에 대한 상기 씨일(3)과 상기 댐퍼(4)의 위치를 나타내고 있다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 상기 씨일(3)과 상기 댐퍼(4)는 다음의 작동 조건들 하에서 작동할 수 있다: 대략 750℃ 의 최대 온도; 1 내지 2 mm의 하우징들 사이의 근접한 선형 성장; 두 개의 상기 하우징들(1, 2)의 주물들 모두를 위한 소재는 HiSiMo 철임; 진동수의 제1 모드는 300Hz보다 큼; 및 열적 사이클들의 최소 수는 대략 10,000임.

일 실시예에서, 상기 반경방향 씨일(3)은 300계열 스테인레스강의 편직된 와이어 메시로 만들어질 수 있으며 약 0.20 mm의 와이어 직경을 가질 수 있다. 본 발명은 비용과 같은 몇 개의 요인들에 근거한 다른 재료들(예를 들면, 저탄소강, 400계열 스테인레스강, 등)의 사용을 또한 고려하고 있다. 그러나, 상기 배기 가스 내의 수분 함량과 상기 철제 하우징들의 성질 때문에, 상기 씨일(3)을 파괴하지 않고 필요에 따라 성장/수축하는 상기 하우징들(1, 2)의 성능을 제한할 수 있는 부식이 일어날 수 있다. 이익 대비 비용이 고려되어야 하지만 더 높은 비용의 재료들(예를 들면, 니켈 합금, 오스테나이트 니켈기반 초합금들, INCONEL®, 등)이 또한 사용될 수 있다. 상기 씨일(3)을 형성하기 위해 사용되는 와이어의 직경은 0.15 내지 0.30 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 씨일(3)의 와이어는 질석, 흑연, 등과 같은 미끄러운 재료를 하나의 기하학적 형상에 유지하며 약간의 강성을 제공하는 골격으로서 작용을 할 수 있다. 상기 부품의 씨일링 능력은 와이어 직경에 덜 민감할 수 있다. 상기 함침된 메시 장치는 얇은 벽이 있는 원통형 링의 형상일 수 있으며 상기 두 개의 터빈 하우징들(1, 2)을 연결하는 상기 숫형 커플링 구조(10)와 상기 암형 커플링 구조(20)에 의해 형성되는 상기 숫형/암형 조인트의 내부에 압축 하에 설치될 수 있다. 상기 메시 씨일(3)은 3.0 내지 6.0 mm 범위의 두께를 가질 수 있으며 70 내지 80%의 와이어 함량의 밀도를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 와이어 메시 씨일(3)은 질석 슬러리로 함침될 수 있다. 상기 씨일(3)은 흑연 또는 다른 적당한 매체로 또한 함침될 수 있다. 상기 질석 슬러리, 흑연 또는 다른 적당한 매체는 다음과 같은 특성을 가질 수 있다:

a) 750℃보다 높은 정상 상태 온도들을 견디는 열적 능력;

b) 박리(delaminating)가 없이 상기 하우징들(1, 2)의 사이에 압축될 때의 설치 시의 내구성;

c) 열적 사이클들과 미끄럼 마찰이 박리를 일으키지 않도록 하기 위한 서비스의 내구성; 및

d) 상기 부품들이 서로에 대해 상기 씨일 표면들의 위에서 미끄러지도록 하기 위한 상기 작동 온도 범위에 걸친 윤활성.

다른 실시예에서, 상기 댐퍼(4)는 약 0.28 mm의 와이어 직경과 약 25%의 밀도를 가지는 300계열 스테인레스강과 같은 편직된 와이어 메시로 만들어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 댐퍼(4)는 함침되지 않는다. 상기 씨일(3)에 유사하게, 다른 더 낮거나 더 높은 비용의 재료들이 또한 사용될 수 있지만, 부식의 가능성과 비용이 고려되어야 한다.

상기 댐퍼(4)의 와이어 직경은 0.10 내지 0.40 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 씨일(3)과는 다르게, 상기 와이어 직경이 상기 댐퍼(4)의 중요한 특성들 중의 하나일 수 있다는 것이 발견되었다. 밀도와 함께, 이 두 개의 특성들은 상기 댐퍼(4)의 "튜닝" 이 열적 성장 및 진동 감쇠를 위해 필요한 탄성 계수를 제공하는 것을 허용한다. 댐퍼 밀도는 열적 성장, 필요한 모드 응답들 및 선택된 와이어 직 경에 의존할 수 있다. 상기 부품들이 설계된 특별한 응용에 대해서는, 밀도는 15 및 25% 사이로 제한되어야 한다. 설명된 변수들에 따라서, 밀도는 대략 10 내지 80%의 범위에 분포할 수 있다. 와이어 직경, 열적 성장 및 모드 응답에 따라, 일반적으로, 2.0 내지 10.0mm가 상기 댐퍼(4)의 두께를 위한 바람직한 범위이다.

씨일들은 배기 매니폴드들과 다른 파이프 타입의 응용들에 사용되었으며, 반면에 댐퍼 링들은 또한 다른 응용들에 사용되었다. 그러나, 상기 하우징들(1, 2)의 열적 성장을 허용하고 동시에 누설 및 모드 응답의 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 배기 조인트를 디커플링하도록 2단계 터보차징 시스템에 본 발명의 상기 씨일(3)과 댐퍼(4)를 함께 적용한다.

씨일들이 배기 매니폴드에 사용되었지만, 터보차저의 온도가 통상의 배기 매니폴드의 온도보다 상당히 높기 때문에 어떤 씨일들은 상기 터보차저에 사용될 수 없다는 것이 일반적인 인식이다. 또한, 상기 누설의 문제는 터보차저에서 만큼 통상의 배기 매니폴드에서는 중요하지 않다.

본 발명이 설명을 위해 선택된 특정의 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이에 대한 수많은 변형들이 본 기술분야에서 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (18)

1. 2단계 터보차징 시스템의 두 개의 터빈 하우징들(1, 2)을 연결하기 위한 연결장치로서, 상기 연결장치는:

   상기 두 개의 터빈 하우징들을 결합하기 위한 숫형/암형 조인트(10, 20);

   배기가스를 씨일링하기 위해 상기 숫형/암형 조인트의 내부에 압축 하에 설치되는 원통형 링 씨일(3); 및

   평편한 와셔의 형상을 가지며 상기 두 개의 터빈 하우징들의 사이에 위치되는 진동 댐퍼(4)를 포함하며,

   상기 원통형 링 씨일은 한 재료로 함침된 와이어 메시로 만들어지며 상기 진동 댐퍼는 함침되지 않은 와이어 메시로 만들어지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 진동 댐퍼와 상기 원통형 링 씨일의 적어도 하나의 상기 와이어 메시는 스테인레스강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 와이어 메시는 300계열 스테인레스강으로 만들어지는 것을 특징으로 하 는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 함침되는 재료는 열적 능력, 설치 시의 내구성, 서비스의 내구성, 및 온도 범위에 걸친 윤활성을 포함하는 기준들에 근거하여 선택되는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 함침되는 재료는 질석 또는 흑연인 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 진동 댐퍼는 여기(excitation)의 범위 내에서 진동을 감쇠시키기 위해 튜닝되는 탄성 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 탄성 계수(elastic modulus)는 와이어 직경과 직조 밀도(woven density)를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 와이어 직경은 약 0.10 내지 0.40 mm이며 밀도는 약 10 내지 80%인 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 와이어 직경은 약 0.28 mm이며 밀도는 약 15 내지 25%인 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 원통형 링 씨일은 약 0.15 내지 0.30 mm의 와이어 직경, 약 3.0 내지 6.0 mm의 두께, 및 약 70 내지 80%의 와이어 함량의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 원통형 링 씨일은 약 0.20 mm의 와이어 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
12. 제10항에 있어서,

    상기 댐퍼는 약 2.0 내지 10.0 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 두 개의 터빈 하우징들을 연결하기 위한 연결 장치.
13. 2단계 터보차저 시스템은:

    숫형 커플링(10)을 갖는 하우징(2)을 가지는 제1 터빈;

    암형 커플링(20)을 갖는 하우징(1)을 가지며, 상기 숫형 및 암형 커플링은 숫형/암형 조인트를 형성하기 위해 연결 가능한 제2 터빈;

    배기가스를 씨일링하기 위해 상기 숫형/암형 조인트의 내부에 압축 하에 설치되는 원통형 링 씨일(3); 및

    평편한 와셔의 형상을 가지며, 상기 두 개의 하우징들의 사이에 배치되는 진동 댐퍼(4)를 포함하며, 상기 원통형 링 씨일은 한 재료로 함침된 와이어 메시로 만들어지며, 상기 진동 댐퍼는 함침되지 않은 와이어 메시로 만들어지는 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 진동 댐퍼와 상기 원통형 링 씨일의 적어도 하나의 상기 와이어 메시는 스테인레스강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.
15. 제14항에 있어서,

    상기 함침되는 재료는 질석 또는 흑연인 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.
16. 제13항에 있어서,

    상기 진동 댐퍼는 여기의 범위 내에서 진동을 감쇠시키기 위해 튜닝되는 탄성 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.
17. 제13항에 있어서,

    상기 원통형 링 씨일은 약 0.15 내지 0.30 mm의 와이어 직경, 약 3.0 내지 6.0 mm의 두께, 및 약 70 내지 80%의 와이어 함량의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.
18. 제13항에 있어서,

    상기 진동 댐퍼는 2.0 내지 10. mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 2단계 터보차저 시스템.

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