KR20090111085A - 무급유 터보차저 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속의 조건에서 공기포일베어링을 사용하기 위하여 냉각이 용이하고 회전축의 내열 코팅이 용이한 무급유 터보차저 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명은 저널부와 회전축이 일정한 간극을 갖도록 형성되어 회전체의 질량이 줄어들고, 회전관성이 낮은 회전체 어셈블리를 갖는 무급유 터보차저 어셈블리 를 제공한다. 본 발명에 따른 터보차저는 냉매를 이용하여 냉각되어 냉각효율이 우수하며, 각 회전체 어셈블리 부품들이 개별적으로 내열가공되어 생산성이 높아진다.
무급유 터보차저, 공기포일베어링, 회전관성, 내열가공, 고체 윤활제 코팅, 연마, 폴리싱

Description

무급유 터보차저 어셈블리{OIL-FREE TURBOCHARGER ASSEMBLY}
본 발명은 터보차저 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고속의 조건에서 공기포일베어링을 사용하기 위하여 냉각이 용이하고 회전축의 내열 코팅이 용이한 무급유 터보차저 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 터보차저는 차량의 엔진, 가스터빈의 효율을 증가시키기 위하여 사용되며 터보과급기라고도 한다. 신뢰성이 우수하면서도 고효율의 터보차저를 개발하기 위한 가장 중요한 것은 운전조건에 가장 적합한 베어링을 선정하는 것이다. 베어링은 터보차저의 효율 및 동적 안정성에 지대한 영향을 미치는 핵심적인 기계요소 중의 하나이며, 실제 터보차저 시스템과 관련된 문제점이 베어링과 직접적 또는 간접적으로 관련되어 있다.
최근에는 디젤 차량에 대한 개발이 증가되고 있으며, 디젤 차량에 사용되는터보차저의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 따라서, 터보차저의 제조시 경제성 및 효율증가를 위한 노력이 계속되고 있다.
이하, 도 1을 참조하여 종래의 터보차저 어셈블리의 구성을 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 터보차저를 도시한 단면도이다. 통상적인 터보차저 의 회전체는 볼 베어링에 의해 지지된다. 그러나, 고속, 고온의 환경에서 터보차저의 회전축을 볼 베어링으로 지지하는 경우 마찰에 의한 손실이 크고 고열에 의한 구조적 변형 및 파손이 발생할 수 있다. 도 1의 종래기술에 따른 터보차저는 공기포일베어링을 사용하였다. 하우징(10) 내부에 회전축(20)이 축설되고 회전축(20)의 양단에 터빈(1)과 임펠러(2)가 부착된다. 축 방향의 누설을 막기 실링(sealing)부재(30)가 축과 임펠러(2) 사이에 구비된다. 회전축(20)과 하우징(10) 사이에서 회전축(20)이 부양될 수 있도록 동압을 형성하는 공기포일저널베어링(40)이 구비된다. 회전축(20)의 중앙부에는 회전축(200)을 축방향으로 지지하는 스러스트패드(50)가 구비되며, 스러스트패드(50) 양단의 하우징(10)에는 공기포일스러스트베어링(80)이 구비된다. 하우징(10)에는 회전축(20)과 공기포일저널베어링(40) 및 스러스트패드(50)를 냉각시키기 위한 기냉식 냉각기(60)가 설치된다.
회전축(20)과 스러스트패드(50) 및 실링부재(30)는 연삭 가공에 의해 일체로 형성된다. 회전축(20)의 두께는 공기포일저널베어링(40)과의 간극을 줄여 충분한 동압을 형성하여야 하므로 대응하는 하우징(10) 전체에 걸쳐 두껍게 형성된다.
일체로 형성된 회전축(20)과 스러스트패드(50) 및 실링부재(30)는 내열성을 높이기 위해 마찰을 줄이는 고체 윤활제가 코팅되고 연마(grinding) 및 표면 폴리싱(surface polishing)과정을 거친다.
터보차저의 작동 환경이 고온, 고속화 됨에 따라 부품들의 내열가공이 중요해졌다. 그러나, 종래와 같이 회전축(20)과 스러스트패드(50) 및 실링부재(30) 등의 부품이 일체로 형성된 터보차저에서는 고체 윤활제의 코팅이 일정하게 이루어지 기 어렵고, 특히 모서리 부분의 코팅이 어렵다. 또한, 연마 및 폴리싱 과정에서 파손이 일어나 내열 가공의 성공률이 약 20%(5회에 1번)에 지나지 않았다.
또한, 전술한 바와 같이, 공기포일저널베어링(40)에 의한 충분한 동압을 형성하기 위하여 회전축(20)과 일체로 형성된 저널부(21)의 두께를 두껍게 하여야 하기 때문에 원재료비가 현저히 상승되며, 이러한 저널부의 회전관성이 증가하여 급 가속시 가속 응답성 부족(turbo-lag) 현상이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 작동 환경이 극한의 환경으로 갈수록 기냉식 냉각 방식으로는 냉각 효율을 유지할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 회전축과 함께 회전하는 부품들을 별도의 부품으로 형성하고 결합한다. 따라서, 각 부품을 별도로 코팅, 연마 및 폴리싱 할 수 있어서 제조 성공율을 높일 수 있는 무 급유 터보차저 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 회전축의 두께를 늘리기 위한 저널을 회전축에 결합하여 무게 및 원재료 비용을 줄이고 회전관성을 낮추어 가속 응답성 부족 현상을 줄일 수 있는 무급유 터보차저 어셈블리를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 오일 냉각을 통해 터보차저의 냉각효율을 현저히 증가시킬 수 있는 무급유 터보차저 어셈블리를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하우징과; 상기 하우징 내부에 축설되며 양단에 임펠러 및 터빈이 결합된 회전축, 상기 회전축으로부터 일정 간극을 갖고 떨어져 위치하는 원통부를 구비하며 상기 회전축에 결합하는 저널부, 및 상기 회전축에 결합하며 상기 회전축과 동축의 원판으로 이루어진 스러스트패드를 포함하는 회전체 어셈블리와; 상기 하우징 내면에 구비되며 상기 저널부의 회전구동을 지지하는 저널베어링과; 상기 스러스트패드를 축방향으로 지지하는 스러스트베어링을 포함하는 무급유 터보차저 어셈블리를 제공한다.
상기 회전체 어셈블리의 회전축, 저널부 및 스러스트패드는 개별적으로 내열가공된 후 조립되며, 상기 회전체 어셈블리의 회전축, 저널부 및 스러스트 패드는 개별적으로 고체 윤활제 코팅과정, 연마과정 및 폴리싱 과정을 거치는 것이 바람직하다.
상기 스러스트패드에는 결합홀이 형성되고, 상기 저널부의 임펠러측 단부에는 저널부결합돌기가 형성되며, 상기 스러스트패드의 결합홀에 저널부결합돌기가 임펠러측으로 열박음 및 점용접되는 것이 바람직하다. 상기 스러스트패드의 결합홀에 터빈측으로 열박음 및 점용접되는 결합돌기를 갖는 결합부재를 구비될 수 있다.
상기 저널베어링은 상기 회전축의 저널부가 회전하면 상기 회전체 어셈블리를 지지하기 위한 동압을 형성하는 공기포일베어링이고, 상기 스러스트베어링은 상기 스러스트패드가 회전하면 상기 회전체 어셈블리를 축방향으로 지지하기 위한 동압을 형성하는 공기포일베어링인 것이 바람직하다. 이때, 상기 스러스트베어링은 원주 방향으로 일정간격 절개된 탑포일과 범프포일을 구비한 공기포일스러스트베어 링인 것이 바람직하다.
상기 저널부에 대응하는 하우징 외면을 냉매를 이용하여 냉각시키는 냉각기를 더 포함할 수 있다. 상기 하우징 외주면에는 다수개의 냉각핀이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 냉각기는 인터쿨러(intercooler)와 연결되어 냉매가 하우징을 냉각한 후 상기 인터쿨러에서 냉각되어 다시 냉각기로 유입되어 순환하는 것이 바람직하다.
상기 냉매는 냉각용 엔진오일이거나, 냉각수일 수 있다.
본 발명에 따르면, 무급유 터보처저 어셈블리에서 회전축과 연결된 회전부품들을 별개의 부품으로 제조하여 결합할 수 있어서, 각 부품의 제조단계에서 내열가공 과정인 고체 윤활제 코팅, 연마 및 폴리싱 과정을 거칠 수 있다. 따라서, 저널부의 내열가공과정 중에 불량이 생기거나 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 저널부가 축과 별개의 부품으로 이루어져 저널부의 질량이 낮아진다. 따라서, 회전부품의 회전관성이 줄어들고 가속 응답성 부족현상을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 스러스트 패드를 임펠러측에 가까이 구비시켜 하우징 전체에 걸쳐 냉매로 냉각함으로써 터보차저의 냉각 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 회전체 어셈블리를 분해하여 도시한 단면도이며, 도 4는 도 3의 회전체 어셈블리의 조립 상태를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 터보차저 어셈블리는 하우징(110)과, 하우징(110) 내부에 축설되며, 터빈과(101)과 임펠러(102)가 양 단에 결합된 회전축(120)과, 회전축(120)의 둘레에 결합되며 하우징(110)의 내면과 인접한 외면을 가지며 내부는 비어있는 저널부(170)와, 하우징(110) 내면에 구비되어 저널부(170)가 회전하면 동압을 형성하여 저널부(170)를 지지하는 공기포일저널베어링(140)과, 임펠러 측 회전축에 반경방향으로 결합한 스러스트패드(150)와, 스러스트패드(150)의 전 후면에 배치되어 스러스트패드(150)의 회전시 동압을 형성하여 스러스트패드(150)를 지지하는 공기포일스러스트베어링(180)과, 저널부(170) 및 스러스트패드(150)를 견고히 결합하는 덮개를 구성하는 결합부재(130)와, 하우징(110)의 외면을 냉매를 이용하여 냉각시키는 냉각기(160)를 포함한다. 하우징(110)외면에는 냉각핀(111)을 형성하여 냉각효율을 더 높일 수 있다.
터보차저의 회전체를 이루는 회전체 어셈블리는 터빈(101), 회전축(120), 저널부(170), 스러스트패드(150), 결합부재(130) 및 임펠러(102)로 이루어지며, 이들은 결합되어 함께 회전한다.
회전체 어셈블리의 결합상태는 다음과 같다.
회전축(120)의 전단부에는 임펠러(102)가 결합된다. 회전축(120)에는 저널부(170)와 결합하기 위한 체결부(121)가 형성되며, 저널부(170)의 후단에는 체결부(121)가 삽입될 수 있도록 체결홈(171)이 형성된다. 저널부(170)의 체결홈(171) 전방으로는 원통부(172)가 구비되어 회전축(120)과 저널부(170)가 결합하면, 회전축(120)과 원통부(172) 사이는 일정간극이 유지된 상태가 된다. 따라서 회전체 어셈블리 전체의 질량을 줄이고 회전관성을 줄일 수 있다.
저널부(170) 전단에는 스러스트패드(150)와 결합부재(130)가 차례로 결합한다. 스러스트패드(150)에는 결합홀(151)이 형성되며 저널부(170)의 임펠러측 전단에는 결합홀(151)의 후방에서 삽입되는 저널부결합돌기(173)가 형성되고, 결합부재(130)의 터빈측 후단에는 결합홀(151)의 전방에서 삽입되는 결합돌기(131)가 형성된다. 결합부재(130) 전방으로 임펠러(102)가 회전축에 결합된다. 터빈(101)과 임펠러(102)는 회전축 양단에 나사결합 되고 너트에 의해 조여진다.
상기와 같이, 저널부(170)가 회전축(120)과 일체로 형성되지 않고 원통형으로 이루어져 회전축에 결합하여 회전체 어셈블리의 질량이 줄어들고 회전관성이 줄어든 경우, 터보차저의 가속 응답성 부족 현상, 즉, 터보 랙(turbo-lag) 현상이 현저히 줄어든다. 따라서, 터보차저의 성능이 현저히 향상된다.
또한, 상기와 같이 회전체 어셈블리의 각 부품들을 별개로 제조한 뒤 결합하는 경우, 각 부품을 제조하는 개개의 공정에서, 고체 윤활제 코팅, 연마 및 폴리싱 과정을 수행할 수 있다. 각 부품들은 열박음과 점용접에 의해 결합될 수 있어서, 결합이 견고히 유지될 수 있다. 즉, 회전체 어셈블리가 일체로 이루어진 경우보다 내열 가공이 균일하고 양호하게 수행될 수 있다. 즉, 내열처리가 완료된 이후에 이루어진 상태에서 각 부품을 조립하기 때문에 고체 윤활제 코팅이 균일하게 이루어진다. 또한, 연마 및 폴리싱 과정에서 형상 변화의 구배가 심한 부분에서의 파손이나 변형이 일어나지 않기 때문에 제조 생산성도 현저히 높아진다. 구체적으로, 회전축, 저널부, 스러스트패드 등을 연삭가공하여 일체로 형성한 후 고체 윤활제를 코팅하고, 연마 및 폴리싱하는 등 내열가공 과정을 수행하면 코팅 실패율이 높아서 약 20% 성공율을 보이지만, 본 발명의 경우에는 내열 처리된 부품들의 조립 실패율은 높지 않고, 단순한 형상의 각 부품들을 내열 가공하는 것은 쉽기 때문에, 결과적인 불량율은 현저히 낮아진다.
또한, 저널부의 질량이 줄어들어 원재료의 사용량이 줄어든다.
도 5는 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 하우징, 냉각기 및 저널 베어링을 도시한 정면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(110) 내면으로 공기포일저널베어링(140)이 구비되고, 하우징 외면으로 냉각기(160)가 구비된다. 냉각기(160)의 냉각실(161)은 하우징 외면과 접하며, 그 내부로 냉매가 통과한다. 공기포일저널베어링(140)과 회전축(120) 사이에서 발생한 열은 하우징을 통해 전도되고, 냉각실(161)을 통과하는 냉매에 대류를 통해 전달된다. 따라서, 기냉식에 비해 열전달율을 높일 수 있으며, 냉각효과가 크다. 특히 고온, 고속의 작동환경에서 회전축의 저널부 표면은 급격한 열변화에 놓이게 되고 이에 따른 파손이 발생할 수 있으므로, 냉각효과 를 증대시켜 터보차저의 내구성을 증가시킬 수 있다.
냉각실을 거쳐 데워진 냉매는 냉매 유출구(162)를 통해 배출되어 냉각기와 연결된 외부의 인터쿨러(intercooler)(미도시)를 통해 다시 냉각된 후 다시 냉각기로 유입되는 순환 과정을 거친다. 상기의 냉매로 냉각용 엔진오일, 냉각수 등이 사용될 수 있다.
도 5에서 공기포일저널베어링(140)은 범프포일과 탑포일을 구비한 형태로 도시되었으나, 공기포일저널베어링의 형태는 이에 한정되지는 않는다. 즉, 공기포일저널베어링은 회전축의 회전시에 회전축을 지지할 수 있는 동압을 형성하는 형태이면 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 스러스트 패드 및 스러스트베어링을 도시한 분해사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스러스트 베어링(150) 전 후방으로는 공기포일스러스트베어링(180)이 구비된다. 공기포일스러스트베어링(180)은 스러스트패드(150)의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일(181)과 동압 형성시 감쇄효과를 가지는 범프포일(182) 및 탑포일과 범프포일을 하우징에 결합하는 결합부(183)로 이루어진다. 이러한 공기포일스러스트베어링의 형태 또한 예시적인 것으로서, 이에 한정되지는 않는다.
공기포일스러스트베어링(180)의 탑포일(181)과 범프포일(182)에는 방사상으로 절개부가 다수개 구비된다. 이는 스러스트패드가 고속으로 회전하는 경우 공기의 경계층을 얇게 할 수 있는 것으로서 공기의 동압을 형성하는데 도움이 된다.
도 7은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리에서 회전부품을 제외한 부품들을 분해하여 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 터보차저 어셈블리는 공기포일저널베어링(140) 및 냉각기(160)의 케이싱이 장착되는 하우징(110) 외에 공기포일스러스트베어링(180)과 스러스트패드(150)가 쉽게 장착될 수 있도록 제1스러스트하우징(112) 및 제2 스러스트하우징(113)을 더 포함한다. 이로 인해 회전체 어셈블리의 장착이 용이해 진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 터보차저를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 회전체 어셈블리의 분해하여 도시한 단면도,
도 4는 도 3의 회전체 어셈블리의 조립 상태를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 하우징, 냉각기 및 저널 베어링을 도시한 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리의 스러스트 패드 및 스러스트베어링을 도시한 분해사시도, 그리고
도 7은 본 발명에 따른 무급유 터보차저 어셈블리에서 회전부품을 제외한 부품들을 분해하여 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
110: 하우징 120: 회전축
130: 결합부재 140: 공기포일저널베어링
150: 스러스트패드 160: 냉각기
170: 저널부 180: 공기포일스러스트베어링

Claims (12)

  1. 하우징과;
    상기 하우징 내부에 축설되며 양단에 임펠러 및 터빈이 결합된 회전축, 상기 회전축으로부터 일정 간극을 갖고 떨어져 위치하는 원통부를 구비하며 상기 회전축에 결합하는 저널부, 및 상기 회전축에 결합하며 상기 회전축과 동축의 원판으로 이루어진 스러스트패드를 포함하는 회전체 어셈블리와;
    상기 하우징 내면에 구비되며 상기 저널부의 회전구동을 지지하는 저널베어링과;
    상기 스러스트패드를 축방향으로 지지하는 스러스트베어링을 포함하는
    무급유 터보차저 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전체 어셈블리의 회전축, 저널부 및 스러스트패드는 개별적으로 내열가공된 후 조립되는 무급유 터보차저 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전체 어셈블리의 회전축, 저널부 및 스러스트 패드는 개별적으로 고체 윤활제 코팅과정, 연마과정 및 폴리싱 과정을 거치는 무급유 터보차저 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스러스트패드에는 결합홀이 형성되고,
    상기 저널부의 임펠러측 단부에는 저널부결합돌기가 형성되며,
    상기 스러스트패드의 결합홀에 저널부결합돌기가 임펠러측으로 열박음 및 점용접되고,
    상기 스러스트패드의 결합홀에 터빈측으로 열박음 및 점용접되는 결합돌기를 갖는 결합부재를 더 포함하는
    무급유 터보차저 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저널베어링은 상기 회전축의 저널부가 회전하면 상기 회전체 어셈블리를 지지하기 위한 동압을 형성하는 공기포일베어링인 무급유 터보차저 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스러스트베어링은 상기 스러스트패드가 회전하면 상기 회전체 어셈블리를 축방향으로 지지하기 위한 동압을 형성하는 공기포일베어링인 무급유 터보차저 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스러스트베어링은 원주 방향으로 일정간격 절개된 탑포일과 범프포일을 구비한 공기포일스러스트베어링인 무급유 터보차저 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저널부에 대응하는 하우징 외면을 냉매를 이용하여 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는 무급유 터보차저 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징 외주면에는 다수개의 냉각핀이 구비되는 무급유 터보차저 어셈블리.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 냉각기는 인터쿨러와 연결되어 냉매가 하우징을 냉각한 후 상기 인터쿨러에서 냉각되어 다시 냉각기로 유입되어 순환하는 무급유 터보차저 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각용 엔진오일인 무급유 터보차저 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각수인 무급유 터보차저 어셈블리.
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