KR20100065101A - 압축기 스태빌라이저 - Google Patents

Abstract

압축기 하우징 (10) 의 내부에 환상의 순환 챔버 (13) 가 배치되고, 이 순환 챔버 (13) 는 메인 유동 덕트를 반경방향으로 둘러싸고 또한 유입 영역 (11) 에서부터 압축기 휠 (1) 의 로터 블레이드 영역에서 둘러싸는 순환 개구 (12) 까지 연장한다. 둘러싸는 개구 사이에서, 순환 챔버 (13) 는 환상의 외형 벽 (15) 에 의해 메인 유동 덕트로부터 한정된다. 외형 벽은 다수의 스트럿 (14) 에 의해 내부 압축기 하우징에 연결되고, 이 스트럿은 원주 방향으로 상이한 정도로 서로 이격된다. 원주 방향으로의 스트럿의 불규칙한 배열로 인해, 원하지 않는 진동 여기가 발생하지 않는다.

압축기, 스트럿

Description

압축기 스태빌라이저 {COMPRESSOR STABILIZER}

본 발명은 배기 가스 구동식 터보과급기 분야에 관한 것이다.

본 발명은 메인 유동으로부터 한정되는 순환 챔버를 가진 상기 유형의 배기 가스 터보과급기의 압축기에 관한 것이다.

내연기관의 동력을 증가시키기 위해, 내연기관의 배기부에 있는 터빈과 내연기관의 상류측에 위치한 압축기를 구비한 배기 가스 터보과급기를 현재 표준으로 사용하고 있다. 여기서, 내연기관의 배기 가스는 터빈에서 팽창된다. 터빈에서 획득한 일 (work) 은 샤프트에 의해 압축기에 전달되고, 압축기에서는 내연기관에 공급되는 공기를 압축시킨다. 배기 가스의 에너지를 내연기관의 연소 공정에 공급되는 공기를 압축하는데 사용함으로써, 내연기관의 연소 공정과 효율을 최적화시킬 수 있다.

DE 42 13 047 A1 에는 배기 가스 터보과급기가 기재되어 있는데, 그 하우징 내에서는 압축기 휠이 회전한다. 이 하우징은, 첫째로 메인 덕트 외형을 형성하고 둘째로 이 메인 덕트를 둘러싸는 환상의 순환 챔버를 한정하는 내부벽이 삽입되는 입구 덕트를 구비한다. 환상의 챔버의 내부 공간은, 개구에 의해 압축기 의 입구에 연결되고, 압축기 휠의 영역에서는 환상의 챔버의 외형 벽내의 환상의 슬롯에 의해 입구 덕트에 연결된다. 외형 벽은 웨브에 의해 하우징과 동심으로 유지된다.

이러한 유형의 압축기에 제공되는 환상의 챔버를 특성 맵 스태빌라이징 (characteristic-map-stabilizing) 수단이라고 한다. 여기에서, 압축기의 서지 한계 (surge limit) 에 도달하기 전에, 압축기 휠로부터의 유동이 이 압축기 휠의 상류측 입구 덕트로 되돌아가는 재순환이 실시되기 때문에, 압축기 휠은 외관상 높은 처리를 하게 된다. 압축기의 초크 한계 (choke limit) 에 근접한 작동 범위에서는, 유동에 의해 추가의 입구로서 환상의 슬롯을 사용한다. 그리하여, 재순환이 더 이상 발생하지 않게 되어, 서지 한계를 더 높은 처리 쪽으로 원하는대로 이동시키게 된다.

압축기의 특성 맵의 원하는 팽창은, 종종 효율 손실뿐만 아니라 허용할 수 없는 소음과 진동 발생 등의 대가를 치르게 된다. 로터 블레이드에서의 이러한 진동 여기는, 무엇보다도, 환상 챔버의 내부 벽을 하우징에 고정시키는데 사용되는 지지 리브로부터 기인한다.

다양한 소음 저감 수단이 제안되었다. 예를 들어, EP 0605184 B1 에는, 서로 오프셋된 다수의 리브를 환상의 챔버내에 또는 공기의 유동 방향에 대하여 환상의 챔버의 상류측에 제공하여, 이 리브에 의해 소음을 편향시키고 부분적으로 반사시켜 소음을 저감시킴으로써, 소음 발생이 저감되는 것으로 되어 있는 압축기가 기재되어 있다. 하지만, 그럼에도 불구하고 소음이 압축기 하우징에 전달되고 또한 주위로 퍼지기 때문에, 이러한 리브의 부착 및 배열은 상대적으로 복잡하고 또한 단지 부분적으로만 성과가 있다.

본 발명이 기초로 하는 목적은, 메인 유동으로부터 한정되는 순환 챔버를 가진 압축기를 위한 진동 저감 수단을 규정하는 것이다.

본원에 따라서, 외형 벽을 지지하는 스트럿은 원주 방향으로 상이한 정도로 서로 이격 배치된다.

지지 리브를 균일하게 배열함으로써, 진동 여기시 바람직한 여기 차수 (excitation orders) 를 형성하게 되고, 이 바람직한 여기 차수는 지지 리브의 개수에 직접 따른다. 불균일하게 배열하면, 이용가능한 여기 에너지가 상이한 여기 차수 사이에서 분산된다. 그리하여, 여기 차수 당 여기가 저감되고, 임계 공명이 목표하는 대로 방지될 수 있다. 따라서, 지지 리브의 불균일한 배열은 로터 블레이드의 진동 여기를 저감시킨다.

게다가, 지지 리브의 불균일한 배열은 원주방향의 강성의 분포에도 영향을 준다. 일반적으로, 디퓨저의 하류측의 반경방향 압축기 단의 유동을 수용하고 또한 이 유동을 파이프라인 시스템에 공급하는 압축기 하우징은 나선형으로 구성되므로 원주방향으로 비대칭이다. 이는, 작동시 하우징의 열적 부하로 인해 불규일한 변형을 유발한다. 그 결과, 회전 압축기와 고정 하우징 사이에 유극 정도의 불균일한 배열이 형성된다. 압축기 휠의 로터 블레이드가 하우징 부품에 접하여 연마되는 것을 방지하기 위해서, 평균 유극을 증가시켜야 하고, 이는 직접적 으로 효율 손실을 유발한다. 지지 리브의 불균일한 배열을 가짐으로써, 유동 덕트에 근접한 내부 하우징에 원주방향으로 불균일한 강성이 제공될 수도 있다. 내부 및 외부 하우징의 유리한 조합으로 유극을 저감시키고 또한 효율을 증가시킬 수 있다.

선택적으로, 서로 인접하게 배치된 스트럿 쌍 모두는, 서로 인접하게 배치된 다른 쌍과는 상이한 간격을 갖는다.

본원에 따라서 구성되는 순환 챔버는 소용돌이 발생 입구 안내 휠을 가진 압축기에 사용될 수도 있다. 여기에서, 입구 안내 휠은, 유동 방향에 대하여 메인 유동 덕트의 유입 영역의 상류측에 배치되고, 또한 압축기 입구의 상류측에서, 원주 방향으로의 양 또는 음의 유동 성분을 압축기에 공급되는 공기에 적극적으로 부여해준다.

다른 장점은 종속항에 기재되어 있다.

본원에 따른 압축기의 대표적인 실시형태를 개략적으로 설명하였고 또한 도면을 기초로 하여 이하 보다 자세히 설명한다.

본원에 따라서 지지 리브를 불균일하게 배열함으로써, 로터 블레이드의 진동 여기를 저감시키고, 회전 압축기와 고정 하우징 사이의 유극을 저감시켜, 내연기관의 효율을 증가시킬 수 있다.

모든 도면에서, 동일한 부재에는 동일한 도면 부호로 나타내었다.

도 1 에 도시한 배기 가스 터보과급기의 압축기는, 압축기 하우징 (10) 및 이 하우징내에 샤프트 (3) 에 회전가능하게 배열되는 압축기 휠 (1) 을 포함한다. 마찬가지로, 샤프트 (3) 에는 터빈 하우징 (20) 내에 배치되는 터빈 휠 (2) 이 연결된다. 내연기관의 배기 가스는 터빈에서 팽창된다. 획득한 일은 샤프트에 의해 압축기 휠에 전달되고, 압축기 휠에서는 내연기관에 공급되는 공기를 압축한다. 압축기 하우징 (10) 은 유입 덕트 (11) 를 둘러싸고, 이 유입 덕트를 통하여 압축기용 매체인 공기가 압축기 휠에 운반된다. 공기 유동을 화살표로 나타내었다.

압축기 하우징의 내부에 환상의 순환 챔버 (13) 가 배치되고, 이 순환 챔버 (13) 는 메인 유동 덕트를 반경방향으로 둘러싸고 또한 유입 영역 (11) 에서부터 압축기 휠 (1) 의 안내 블레이드 영역에서 적어도 부분적으로 둘러싸는 순환 개구 (12) 까지 연장한다. 순환 챔버 (13) 는 메인 유동 덕트 방향으로 2 개의 개구를 통하여 개방된다. 반경방향 유입 개구가 압축기 휠의 상류측에 배치되고, 반경방향 외형 홈, 즉 재순환 개구 (12) 가 압축기 휠의 선단 하류측 및 압축기 휠의 입구와 겹치는 영역에 배치된다. 둘러싸는 개구 사이에서, 순환 챔버 (13) 는 환상의 외형 벽 (15) 에 의해 메인 유동 덕트로부터 한정된다. 외형 벽은 다수의 스트럿 (14) 에 의해 내부 압축기 하우징에 연결된다.

본원에 따라서, 외형 벽을 지지하는 스트럿은, 도 2 에 도시된 바와 같이, 원주 방향으로 상이한 정도로 서로 이격된다.

특히 유리한 일실시형태에 있어서, 서로 인접하게 배치된 스트럿 쌍 모두는, 서로 인접하게 배치된 다른 쌍과는 상이한 간격을 갖는다.

외형 벽을 지지하는 스트럿 (14) 은, 순환 챔버의 유동에 소용돌이를 발생시키도록, 블레이드 프로파일 또는 안내 웨브로 구성될 수 있다.

스트럿 (14) 은 순전히 반경방향으로 모두 정렬될 수 있거나 또는 반경방향에 대하여 동일한 정도로 또는 상이한 정도로 모두 경사질 수도 있다.

순환 개구 (12) 는 둘러싸는 환상의 갭으로 형성될 수 있거나 또는 다수의 환상의 갭 부분으로 나누어질 수도 있다. 마찬가지로, 환상의 챔버는 원주 방향으로 다수의 부분으로 나누어질 수도 있다. 여기에서, 이러한 부분들은 동일한 크기 또는 상이한 크기일 수도 있다.

도 1 은 순환 챔버를 가진 압축기를 구비한 배기 가스 터보과급기의 단면도, 및

도 2 는 도 1 에 따른 압축기의, 본원에 따라 구성되는 순환 챔버의 선 Ⅱ-Ⅱ 을 따른 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *

1 : 압축기 휠 10 : 압축기 하우징

11 : 유입 덕트 12 : 순환 개구

13 : 순환 챔버 14 : 스트럿

15 : 외형 벽 2 : 터빈 휠

20 : 터빈 하우징 3 : 터빈 샤프트

30 : 베어링 하우징

Claims (7)

1. 배기 가스 터보과급기의 압축기로서,

   회전가능하게 장착된 압축기 휠 (1),

   상기 압축기 휠에 압축용 매체를 공급하는 메인 유동 덕트, 및

   상기 메인 유동 덕트의 반경방향 외측에 배열되고 또한 외형 벽 (15) 에 의해 메인 유동 덕트로부터 한정되는 순환 챔버 (13) 를 포함하고,

   상기 순환 챔버는, 메인 유동 덕트의 유입 영역 (11) 에서부터 압축기 휠 (1) 의 로터 블레이드 영역에 있어서 상기 외형 벽 (15) 에 형성된 순환 개구 (12) 까지 연장하며,

   상기 외형 벽 (15) 은 순환 챔버 (13) 내의 스트럿 (14) 에 의해 압축기 하우징 (10) 에 고정되는 압축기에 있어서,

   순환 챔버 (13) 내에 서로 인접하게 배치되는 적어도 한 쌍의 스트럿 (14) 은, 서로 인접하게 배치되는 다른 쌍의 스트럿 (14) 과는 상이한 원주 방향 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
2. 제 1 항에 있어서, 서로 인접하게 배치되는 모든 쌍의 스트럿 (14) 은, 서로 인접하게 배치되는 다른 쌍의 스트럿 (14) 과는 상이한 원주 방향 간격을 갖는 압축기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 메인 유동 덕트의 유동 방향으로 서로 이격되는 2 개 이상의 순환 개구 (12) 가 외형 벽 (15) 내에 형성되는 압축기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트럿 (14) 은 순환 챔버 (13) 의 유동에 소용돌이를 발생시키도록, 블레이드 프로파일 또는 안내 웨브로 구성되는 압축기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트럿 (14) 은 순전히 반경방향으로 모두 정렬되거나 또는 반경방향에 대하여 동일한 정도로 모두 경사지는 압축기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 유동내에 소용돌이를 발생시키는 입구 안내 휠을 포함하고, 상기 입구 안내 휠은 메인 유동 덕트의 유입 영역 (11) 상류측에 배치되는 압축기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 압축기를 포함하는 배기 가스 터보과급기.

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