KR20100009655A - 방사형 압축기용 디퓨져 - Google Patents

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Abstract

서로 인접하게 배열되어 있고 원주를 따라 변화하는 디퓨져의 2 개의 가이드 베인 (21) 사이의 각도 간격에 의해 압축기의 공명 진동을 줄일 수 있다.
가이드 베인, 각도 간격, 디퓨져.

Description

방사형 압축기용 디퓨져{DIFFUSER FOR RADIAL COMPRESSORS}
본 발명은 충전된 내연기관용 배기 가스 터보챠져의 기술분야에 관한 것이다. 본 발명은 그러한 배기 가스 터보챠져의 원심 압축기 (centrifugal compressor ) 의 배출 영역, 이는 다시 말해 압축기 임펠러의 하류에 형성된 원심 압축기의 영역에 관한 것이며 이는 대체로 베인 디퓨져 (vaned diffuser) 및 비대칭 형성 스크롤 케이싱을 포함한다.
현대의 터보챠져에 있어서, 베인 디퓨져가 있는 단일-단 (single-stage) 원심 압축기는 대체로 엔진의 유도 압력을 높이기 위해 사용된다. 디퓨져에는, 압축되는 매체의 동적 에너지가 정적 압력으로 변환된다. 압축기 임펠러는 특정 개수의 임펠러 블레이드를 포함하며 디퓨져는 각주형 (prismatic) 대체로 공기 역학적 프로파일 (웨지형 또는 에어포일형) 의 가이드 베인을 포함한다. 압축기의 축선 방향으로 나타낸 바와 같이, 가이드 베인은 유도 에지부에 결정된 접선방향 각 (입구각), 트레일 에지부에 결정된 접선방향 각 (출구각), 또한 각각의 경우에 서로 인접하게 배열되어 있는 2 개의 가이드 베인 사이에 원주방향으로 결정된 간격을 갖는다.
압축기 단 (compressor stages) 을 설계할 때, 공기 역학적 성능, 기계적 하중, 및 압축기에 의한 소음 전개 간에 지속적으로 타협이 이루어져야 한다. 특 정한 고 흡입 (swallowing) 용량을 갖는 현대 압축기 단은 길고 얇은 임펠러 블레이드를 가지며 그의 본래의 형태는 낮은 주파수에서 발생하며 쉽게 여자되고 진동상태로 될 수 있다. 상기 여자의 주요 공급원은 디퓨져의 가이드 베인에 의해 형성되는 압력 전위장 (pressure potential field) 이다. 기하학적으로 균일하게 형성된 압축기 임펠러 블레이드와 디퓨져 가이드 베인으로 인하여, 진동 에너지가 증가함에 따라 나타나게 되는 공명 진동이 발생할 수 있다. 배출 압력을 얻기 위해 필요한 고속으로 인하여 극단적인 경우에 진동은 압축기 임펠러 블레이드에 기계적인 손상 (고-싸이클 피로: high-cycle fatigue: HCF) 을 초래할 수 있다.
EP 1 772 596 은 축선방향 관통 유동에 노출된 압축기의 임펠러 블레이드의 앞 뒤 각각의 경우에 디퓨져 베인 열 (row) 이 배열되어 있는 원심 압축기의 2-단 (two-stage) 디퓨져를 개시한다. 디퓨져 베인 열은 그 디퓨져 베인 열 사이에 배열된 임펠러 블레이드 상에 베인이 불균일하게 집중되도록, 진동 영향을 감소시킬 수 있게 하반부 및 상반부 각각에 다른 개수의 가이드 베인을 구비한다. 관통 유동이 축선방향으로 일어나며, 원주방향을 따르는 대표적인 2-단 디퓨져 앞 뒤의 유동 조건은 대칭적이다. 그러한 대칭 유동 조건은 원주방향을 따라 가급적 대칭인 유동이 공급되는 축선 방향 터빈이 디퓨져의 하류에 배치되므로 필요하다.
US 3 873 231 은 원주를 따라서 배치되는 방식으로 배열된 복수 개의 가이드 베인과 다수의 블레이드가 구비된 임펠러가 있는 액체 펌프를 개시한다. 상기 경우에 가이드 베인은 펌핑되는 액체의 일정한 압력 패턴을 기피할 수 있게 원주를 따라 불균일하게 분포되어 있다.
본 발명의 목적은 디퓨져의 가이드 베인의 하류에 배치되어 있는 비대칭 형성 스크롤 케이싱 및 원심 압축기 임펠러의 임펠러 블레이드와 상호작용하면서 디퓨져가 가능한 낮은 공명 진동을 일으키도록 원심 압축기의 배출 영역을 개선하는 것에 있다.
본 발명에 따르면, 2 개의 인접하게 배치된 디퓨져의 가이드 베인 사이의 변화하는 각도 간격과, 원주 방향으로 상이한 각 위치 (angular position) 에 위치될 수 있는 스크롤 케이싱에 대하여 결정되는 각 위치로 배치되기 때문에 불균일하게 형성되는 디퓨져에 의해 달성된다.
이 경우, 일 실시형태에서 개별적인 가이드 베인 쌍은 잔여 가이드 베인 쌍과는 다른 각도 간격을 갖는다.
다른 실시형태에서, 서로 나란히 배치되거나, 원주를 따라서 균일하게 또는 불균일하게 배치되는 복수 개의 가이드 베인 쌍은 각각의 경우에 선택적으로 동일한 각도 간격을 가질 수 있지만 잔여 가이드 베인 쌍의 각도 간격과는 다른 각도 간격을 가질 수 있다.
다른 실시형태에서, 복수 개의 그룹의 가이드 베인 쌍은 선택적으로 각각의 경우에 동일한 각도 간격을 가질 수 있다. 그러한 그룹의 상기 가이드 베인 쌍은 서로 인접하는 방식으로 또는 원주에 걸쳐 배치되는 방식으로 배열될 수 있다.
다른 실시형태에서, 모든 가이드 베인 쌍은 선택적으로 상이한 각도 간격을 가질 수 있다.
압축기 축선에 대한 가이드 베인의 형상, 길이, 입구각 및 출구각 그리고 또한 입구 반경과 출구 반경이 모든 가이드 베인에 있어서 동일할 수 있거나, 또는 몇 개의 가이드 베인 또는 모든 가이드 베인에 있어서 축선 방향 및 원주방향으로 다를 수 있다.
본 발명에 따라 불균일하게 형성되는 그러한 디퓨져는 단일-단 또는 다-단 (multistage) 형태로 설계될 수 있으며 복수 개의 단의 경우에는 반경방향으로 하나 뒤에 다른 하나가 배치되는데 이는 다시 말해 압축기 축선에 대하여 동심으로 배치되어 있다.
다른 이점은 종속항으로부터 얻어진다.
본 발명에 따라 형성되는, 원심 압축기의 디퓨져의 실시형태는 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 베인 디퓨져를 갖춘 원심 압축기를 관통하는 압축기 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 2 는 불규칙 배열 가이드 베인을 갖춘 것으로서 본 발명에 따라 형성된 디퓨져의 제 1 실시형태를 관통하는 압축기 축선에 수직인 단면도이다.
도 3 은 각각의 경우에 서로 인접하게 배열되어 있는 가이드 베인 사이에 원주 방향으로 교번하는 각도 간격을 갖는, 본 발명에 따라 형성된 디퓨져의 제 2 실시형태를 관통하는 압축기 축선에 수직인 단면도이다.
도 4 는 도 1 내지 도 3 중 어느 한 도면에 따른 디퓨져의 개별적인 가이드 베인을 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 압축기 임펠러 (허브)
11: 압축기 임펠러 블레이드
12: 샤프트
21: 디퓨져의 가이드 요소 (가이드 베인)
22: 디퓨져의 벽
23: 위치결정 캠
30: 베어링 하우징
31: 스크롤 케이싱
32: 흡입 케이싱
33: 위치결정 슬롯
αx: 2 개의 디퓨져 가이드 베인 사이의 각도 간격
βA: 디퓨져 가이드 베인의 출구각
βE: 디퓨져 가이드 베인의 입구각
rA: 디퓨져 가이드 베인의 출구 반경
rE: 디퓨져 가이드 베인의 입구 반경
I: 가이드 베인의 길이
도 1 은 배기 가스 터보챠저의 압축기 부분을 샤프트 축선을 관통하는 단면으로 나타낸다. 압축기는, 샤프트 (12) 상에 배치되어 있으며 허브 (10) 와 임펠러 블레이드 (11) 가 위에 배열된 압축기 임펠러를 구비한다. 임펠러 블레이드는 메인 블레이드와 중간 블레이드로 분할될 수 있으며, 메인 블레이드는 허브 및 인접 케이싱부에 의해 범위가 한정되는 유동로의 전체 길이에 걸쳐 신장되어 있고, 반면에 중간 블레이드는 대체로 단축 방식으로 형성되며 역류 유도 에지부를 갖는다. 이 경우에, 메인 블레이드 당 하나 이상의 중간 블레이드가 배열될 수 있다. 압축기 임펠러는 대체로 복수 개의 부분, 예컨대, 스크롤 케이싱 (31) 과 흡입 케이싱 (32) 을 포함하는 압축기 케이싱에 배치된다. 샤프트의 베어링을 포함하는 베어링 하우징 (30) 은 미도시된 터빈과 압축기 사이에 위치된다. 압축기 영역에서 이전에 언급한 유동로는 압축기 케이싱에 의해 범위가 한정된다. 압축기 임펠러 영역에서 압축기 임펠러의 허브는 반경방향 내측 경계를 담당하며, 압축기 임펠러의 임펠러 블레이드는 유동로에 배열되어 있다. 압축해야하는 매체의 유동 방향으로 압축기 임펠러의 하류에 디퓨져가 배치되어 있다. 도입에 언급한 바와 같이, 디퓨져는 압축기 임펠러에 의해 가속되는 유동을 감속시키는 역할을 한다. 이는 압축 매체가 내연 기관의 연소실로 공급되는 곳으로부터 한편으로는 디퓨져의 가이드 베인 (21) 에 의해서 다른 한편으로는 스크롤 케이싱에 의해 수행된다. 디퓨져의 가이드 베인은 유동로의 한측에 또는 양측에서 디 퓨져 벽 (22) 또는 케이싱부에 연결되어 있다.
본 발명에 따른 디퓨져는 복수 개의 가이드 베인을 구비한다. 가이드 베인은 서로 다른 각도 간격을 갖는다. 서로 인접하게 배열된 2 개의 가이드 베인의 유도 에지부 사이의 각도가 본 명세서의 의미 내에서 각도 간격이라고 칭해진다. 예컨대 가이드 베인이 입구각을 상이하게 형성하거나 또는 유도 에지부가 다른 반경에 위치될 때 서로 인접하게 배열된 2 개의 가이드 베인의 2 개의 다른 대응점 사이의 각도를 선택적으로 각도 간격이라고 칭할 수도 있다. 이 경우에, 예컨대 트레일 에지부 사이의 각도 또는 프로파일 중간 지점 사이의 각도는 각도 간격이라고 일컬어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 인접하게 배치된 가이드 베인 사이의 각도 간격은 전체 원주에 걸쳐서 동일하지 않다. 이 경우, 가이드 베인 사이의 각도 간격이 변화하는 디퓨져를 실현할 가능성이 높다.
도 2 에 따른 제 1 실시형태에서, 서로 인접하게 배치된 디퓨져의 가이드 베인 (21) 의 모든 쌍을 위한 각도 간격 (αx) 은 다른데, 이는 다시 말해 16 개의 가이드 베인 쌍 사이의 16 개의 각도 간격 중 어떠한 2 개의 각도 간격도 동일하지 않다. 도 2 에 따라 예시적으로 도시된 실시형태의 개별적인 각도 간격을 위한 값은 이하의 표로부터 수집될 수 있다.
Figure 112009079402511-PCT00001
표 1: 도 2 의 각도 간격
표에서 수집될 수 있는 바와 같이 상이한 각도 간격이 나타낸 실시예의 모든 쌍의 가이드 베인에 불규칙적으로 배치되어 있다. 대안으로, 각도 간격은 또한 원주방향으로 규칙적으로 증가할 수도 있고 또는 감소할 수도 있고 또는 먼저 증가하고 다시 감소할 수도 있다. 각도 간격이 이하의 조화함수 예컨대 싸인 함수에 따라서 커지고 작아질 때 특히, 이로운 결과가 얻어질 수 있다.
도 3 에 따른 제 2 실시형태에서, 2 개의 각도 간격 α0 과 α1 은 원주를 따라 교번 방식으로 가이드 베인의 쌍으로 배치되어 있다. 예시적으로 나타낸 실시형태의 개별적인 각도 간격을 위한 값은 이하의 표로부터 다시 수집될 수 있다.
Figure 112009079402511-PCT00002
표 2: 도 3 의 각도 간격
미도시된 다른 실시형태도 가능하다. 이 경우, 예컨대 모든 각도 간격이 그중에 하나 또는 몇개만을 제외하고는 동일할 수 있다. 동일한 각도 간격의 그룹이 형성될 수 있다. 이렇게 동일한 각도 간격을 가지며 쌍을 이루는 가이드 베인은 서로 인접해 있거나 또는 서로 분리되어 있는 방식으로 배열될 수 있다.
상이한 각도 간격을 갖는 가이드 베인을 구비한 디퓨져의 경우에는 균일하게 베인을 구비한 디퓨져와 비교하여 최대 50 % 의 공명 진동 감소가 측정을 기초로 하여 증명될 수 있었다.
선택적으로 디퓨져의 개별적인 가이드 베인이 디퓨져에 추가적인 불균형을 도입하기 위하여 형상, 길이, 입구각 및 출구각 그리고 또한 입구 반경 및 출구 반경을 서로 다르게 할 수도 있다. 이 경우에 상이한 설계는 축선 방향 (압축기 축선에 대하여) 으로 모두, 이는 다시 말해 블레이드 높이 방향 및 원주 방향으로 영향을 받을 수 있다. 이 경우에, 가이드 베인 모두가 또는 몇 개만이 상이하게 형성되거나 배치될 수 있다.
본 발명에 따라 불규칙적으로 형성된 그러한 디퓨져는 단일-단 또는 다-단의 형태로 설계될 수 있으며 다-단의 경우에는 상기 디퓨져들은 방사방향으로 다시 말해 압축기 축선에 대하여 동축으로 하나의 디퓨져가 다른 디퓨져 뒤에 배열된다.
원주 방향으로 불규칙하게 형성된 디퓨져는 원주방향으로 비대칭으로 형성된 스크롤 케이싱에 대하여 고정된 각도 위치에 위치된다. 게다가, 상이한 각도 간격의 값과 원주를 따르는 그들의 분포는 가이드 베인의 하류에 비대칭으로 형성된 스크롤 케이싱 (31) 에 맞게 조정된다. 예컨대 각도 간격은 스크롤 케이싱 의 반경과 유사한 원주를 따라서 증가할 수 있거나 또는 스크롤 텅의 시작 영역에 배열된 가이드 베인 쌍이 잔여 가이드 베인과는 다른 각도 간격을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면 스크롤 케이싱 (31) 이 원주를 따라서 다른 각도 위치에 위치될 수 있기 때문에, 위치 결정수단으로 각각의 경우에 디퓨져가 스크롤 케이싱으로 의도하는 각도 위치에 위치되는 것이 보장된다. 이 경우에 의도된 각도 위치는 유리하게도 작업중에 최소 공명 진동이 발생된다. 최소한의 공명 진동의 발생으로, 스크롤 케이싱으로의 디퓨져 각도 위치는 선택적으로 계산될 수 있거나 실험적으로 결정될 수 있다. 도 2 에는 스크롤 케이싱에 있는 위치결정 슬롯 (33) 에 결합되는, 디퓨져 벽 (22) 의 반경방향 외측 에지부 상의 위치결정 캠 (23) 으로 가능한 위치결정 수단이 표시되어 있다. 기타의 형상-고정 위치 결정 수단 예컨대 양측에서 끼워져 있는 구멍에 정렬되어 있는 위치결정 핀을 생각해 볼 수 있다. 제 3 구성요소, 예컨대 흡입 케이싱 (32) 또는 베어링 하우징 (30) 을 통한 간접적 위치결정 역시 생각해볼 수 있다.

Claims (10)

  1. 원주방향으로 비대칭으로 형성되어 있으며 그 원주방향에 있어서 상이한 각 위치에 위치될 수 있는 스크롤 케이싱 (31) 및, 또한 원주 방향으로 배치된 방식으로 배열된 복수 개의 가이드 요소 (21) 를 구비하고 그 원주 방향에 있어서 상이한 각 위치에 위치될 수 있는 베인 디퓨져를 포함한 원심 압축기의 배출 영역에 있어서,
    서로 인접하게 배열된 2 개의 가이드 요소 (21) 의 각도 간격 (α0) 은 서로 인접하게 배열된 다른 2 개의 가이드 요소 (21) 의 각도 간격 (α1) 과 다르며 수단 (23, 33) 은 비대칭 형성된 스크롤 케이싱의 각 위치에 대하여 베인 디퓨져를 위치시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 가이드 요소 (21) 의 복수 개의 쌍이 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 잔여 가이드 요소와는 다른 각도 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  3. 제 2 항에 있어서, 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 적어도 두 쌍의 가이드 요소는 제 1 각도 간격 (α0) 을 가지고, 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 적어도 두 쌍의 다른 가이드 요소는 제 1 각도 간격과는 다른 제 2 각도 간격 (α1) 을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  4. 제 3 항에 있어서, 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 복수 개의 가이드 요소는 각각의 경우에 동일한 각도 간격 (α0, α1) 을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 각각의 경우에 서로 동일한 각도 간격을 갖는 쌍은 다른 가이드 요소로부터 조립되며 서로 거리를 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  6. 제 2 항에 있어서, 서로 인접하게 배열된 가이드 요소의 각 쌍은 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 잔여 가이드 요소와는 다른 각도 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경우에 서로 인접하게 배열된 가이드 요소 사이의 각도 간격은 조화 함수에 따라 원주를 따라서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 가이드 요소 는 다른 가이드 요소와 유동 방향으로의 길이 (I) 및/또는 형상이 상이한 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 가이드 요소는 다른 가이드 요소와는 다른 입구각 (βE) 및/또는 출구각 (βA) 및/또는 다른 입구 반경 (rE) 및/또는 다른 출구 반경 (rA) 을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 배출 영역.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 배출 영역이 있는 원심 압축기를 특징으로 하는 배기 가스 터보챠져.
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