KR20100133430A - 실링 에어 채널을 가진 안내 장치의 캐리어 링 - Google Patents

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KR20100133430A
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Abstract

캐리어 링 (40) 의 축방향 전면에 파져 있는 실링 에어 채널 (46) 은 그의 열린 쪽에서 가스 배출 하우징 (22) 에 의해 밀봉된다. 상기 실링 에어 채널은 배치 때문에 횡단면 프로파일의 외부 영역에서 큰 횡단면을 가질 수 있고, 따라서 전체 실링 에어는 원주를 따라 단지 한 지점에서만 공급될 수 있다.

Description

실링 에어 채널을 가진 안내 장치의 캐리어 링{CARRIER RING OF A CONDUCTING DEVICE WITH SEALING AIR CHANNEL}
본 발명은 터보 기계를 위한, 특히 과급된 내연기관을 위한 배기가스 터보차저의 터빈을 위한 안내 장치 분야에 관한 것이다.
본 발명은 조정 가능한 가이드 베인 (guide vane) 들을 가진 안내 장치의 캐리어 링, 이러한 캐리어 링을 가진 안내 장치, 및 이러한 캐리어 링을 가진 이러한 안내 장치를 가진 터보 기계에 관한 것이다.
배기가스 터보차저는 내연기관 (왕복 피스톤 내연기관) 의 성능 향상을 위해 이용된다. 배기가스 터보차저는 내연기관의 배기가스 흐름 안의 배기가스 터빈과 내연기관의 흡입관 안의 압축기로 구성된다. 배기가스 터빈의 터빈 휠은 내연기관의 배기가스 흐름에 의해 회전하게 되며, 샤프트를 통해 압축기의 작동 휠을 구동시킨다. 압축기는 내연기관의 흡입관 안의 압력을 높이며, 따라서 흡입시 보다 많은 공기량이 연소챔버들 안에 도달한다. 배기가스 터빈들은 실용 터빈들로서 이용된다. 이 경우, 실용 터빈들은 샤프트를 통해 배기가스 터보차저의 압축기를 구동시키는 것이 아니라 발전기를 구동시키며, 또는 커플링을 통해 다른 기계식 상용 부품을 구동시킨다.
오늘날의 왕복 피스톤 내연기관 분야에서의 가장 최근의 개발은 배출물의 감소, 비용 감소, 및 연료 소모의 감소를 추구한다. 엔진의 과급 시스템은 개발 목표의 달성에 결정적으로 기여한다. 과거에는, 대형 엔진들에 있어서, 고정형 기하학적 형상 (Fixed Geometry) 을 가진 터빈 및 압축기 구성요소들을 가진 배기가스 터보차저가 대부분 사용되었다. 이 기하학적 형상은 각각의 개별 엔진을 위해 설계되어 맞춰져 있다. 하지만 그것들은 엔진의 작동 동안 변화될 수 없었다. 앞으로는 작동 동안 배기가스 터보차저를 엔진에 보다 잘 적응시킬 수 있기 위해, 작동 중 조정 가능한 (또는 가변적인) 터빈 기하학적 형상 (VTG) 의 이용이 더욱더 논의되고 있다. 이 경우, 배기가스 터빈의 안내 장치의 가이드 베인들의 개구부는 가이드 베인들의 비틀림을 통해 변화된다. 조정 가능한 터빈 기하학적 형상의 사용은 공지의 선행기술에서는 특히 소형 엔진의 분야에서 (예컨대 승용차에서 이용되는 것과 같이) 널리 보급되어 있다. 대형 엔진의 경우, 연료/공기 비율의 정확한 조절을 요구하는 가스 엔진들에 있어서, 가변 터빈 기하학적 형상이 이미 오늘날 사용되고 있다. 앞으로는 대형 엔진들에 있어서 가변 터빈 기하학적 형상의 이용이 확장될 것으로 여겨진다.
가변 터빈 기하학적 형상을 가진 배기가스 터보차저에 있어서 안내 장치의 가이드 베인들의 지지 위치들 안으로 내연기관의 배기가스가 유입되는 것을 저지하기 위해, 또한 주변으로 배기가스가 누출되는 것을 막기 위해, 안내 장치는 실링 에어 (sealing air) 를 공급받아야만 한다.
통상적인 안내 장치들에 있어서, 실링 에어는 안내 장치의 지지 하우징링 - 이하, 지지 링이라고 불리운다 - 의 횡단면 프로파일의 내부에 배치된 환형 채널 안으로 안내된다. 상기 지지 링의 주조시 이 환형 채널 때문에 주조 코어 (core) 가 필요하며, 이는 주조 공정에 많은 비용이 들게끔 한다. 이 이외에, 실링 에어 채널의 횡단면은 상기 지지 링의 프로파일의 내부에서의 제한된 공간 비율로 인해 비교적 작다. 그러므로, 실링 에어의 균일한 공급을 달성하기 위해 공기는 다수의 지점들에서 공급되어야만 한다. 이를 위해, 안내 장치의 외부에는 그 밖의 특별한 관들이 필요하다.
본 발명의 목적은 비용 절감적으로 제조될 수 있는, 터보 기계의 안내 장치의 캐리어 링을 제공하는 것이다.
이는 본 발명에 따르면 흐름 채널로부터 안내 장치의 가이드 베인들의 지지 위치들 안으로의 가스의 유입을 저지하기 위한 실링 에어 채널 (sealing air channel) 이 바깥쪽으로 열리는, 원주 방향으로 연장되는 그루브 (groove) 또는 홈으로서 형성되어 있는 캐리어 링을 갖고 달성된다. 축방향으로 관류되는 안내 장치를 위한 캐리어 링에 있어서, 그루브는 상기 캐리어 링의 축방향 전면 (front side) 에 파져 있다. 방사상으로 관류되는 안내 장치에 있어서, 그루브는 방사상 바깥쪽에 또는 안쪽에 놓여 있는 측면 (lateral side) 에 파져 있다. 실링 에어 채널이 캐리어 링 안의 개방된 홈으로서 형성되면, 이로 인해 상기 캐리어 링은 실링 에어 채널을 위한 코어 없이 주조될 수 있다.
캐리어 링의 축방향 전면 또는 측면에 파져 있는 상기 실링 에어 채널은 본 발명에 따르면 그의 열린 쪽에서 가스 배출 하우징 및/또는 다른 하우징 부품, 예컨대 커버 링 (cover ring) 에 의해 밀봉된다.
본 발명에 따라 형성된 캐리어 링의 실링 에어 채널은 배치 때문에 횡단면 프로파일의 외부 영역에서 큰 횡단면을 가지며, 따라서 전체 실링 에어는 원주를 따라 단지 한 지점에서만 공급될 수 있다. 이는 분배관들의 생략을 가능하게 하며, 캐리어 링의 보다 적은 개수의 기계식 가공을 요구한다.
그 밖의 장점들은 종속항들에 기재되어 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1 은 선행기술에 따른 배기가스 터보차저의 전체 도면이다.
도 2 는 선행기술에 따른 축방향으로 관류되는 조정 가능한 안내 장치를 가진 배기가스 터빈의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따라 형성된 캐리어 링을 가진 축방향으로 관류되는 조정 가능한 안내 장치를 가진 배기가스 터빈의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4 는 도 3 에 따른 본 발명에 따라 형성된 캐리어 링의 축방향에서의 도면이다.
도 5 는 도 4 에 따른 캐리어 링의 V-V 을 따라 안내된 단면을 나타내는 도면이다.
도 6 은 방사상으로 관류되는 안내 장치의 본 발명에 따라 형성된 캐리어 링의 단면을 나타내는 도면이다.
도 1 은 배기가스 터빈 (20), 압축기 (10), 및 그 사이에 배치된 베어링 하우징 (50) 을 가진 통상적인 배기가스 터보차저를 나타낸다. 배기가스 터빈 (20) 은 가스 유입 하우징 (21) 을 포함하며, 상기 가스 유입 하우징을 통해 뜨거운 배기가스는, 배기가스가 가스 배출 하우징 (22) 을 통해 배기 장치에 공급되기 전에 터빈 휠 상으로 흐르고, 이것을 구동시킨다. 터빈 휠은 축 (A) 둘레로 회전 가능한 샤프트의 일단부에 배치되어 있으며, 상기 샤프트는 베어링 하우징 (50) 안에 회전 가능하게 지지되어 있다. 상기 샤프트의 다른 단부에는 압축기 휠이 위치하며, 상기 압축기 휠은 공기 유입 하우징 (11) 을 통해 흡입된 공기를 압축하고, 후속하여 상기 공기는 공기 배출 하우징 (21) 안에 수집되며, 내연기관의 연소챔버들에게 공급된다. 도시되어 있는 실시형태에서, 상기 터빈은 축방향으로 흐르는 축류 터빈이다. 대안적으로, 배기가스는 엄격히 방사상 방향에서, 또는 방사상 방향에서 약간 기울어진 방향에서 터빈 휠 상에 안내될 수 있고, 이 경우에는 방사류 터빈 또는 혼류 터빈이라고 불리운다.
도 2 는 통상적인 배기가스 터보차저의 축류 터빈의 섹션을 나타낸다. 터빈 휠 (25) 은, 축 (A) 둘레로 회전 가능하게 베어링 하우징 (50) 안에 지지된 샤프트 (30) 상에 배치되어 있다. 터빈 휠 (25) 은 다수의 가동 블레이드 (26) 를 포함하며, 상기 가동 블레이드들은 터빈 휠의 방사상 외부 가장자리에 그의 둘레를 따라 분배되어 배치되어 있다. 가스 유입 하우징 (21) 으로부터 가스 배출 하우징 (22) 까지의 흐름 채널 안의 배기가스 흐름은 도면들에 각각 화살표들로 암시되어 있다. 상기 터빈 휠의 상기 가동 블레이드들은 축방향에서 흐름을 받는다. 배기가스 터빈의 가동 블레이드 (26) 들의 상류에는, 조정 가능한 안내 장치 (조정 가능한 터빈 기하학적 형상) 가 배치되어 있다. 조정 가능한 이 안내 장치는 다수의 가이드 베인 (41) 을 포함하며, 상기 가이드 베인들은 각각 섕크 (shank, 42) 를 구비한다. 각각의 가이드 베인 (41) 은 각각 그의 섕크 (42) 와 함께 축 (B) 둘레로 회전 가능하게 하우징 안에 설치되어 있다. 상기 안내 장치의 하우징은 캐리어 링 (40) 을 포함하며, 상기 캐리어 링은 흐름 채널을 링 모양으로 둘러싼다. 흐름 채널쪽으로 캐리어 링 (40) 은 커버 링 (45) 을 둘러쌀 수 있다. 가이드 베인 (41) 들의 섕크 (42) 들은 캐리어 링 (40) 안에, 즉 이를 위해 제공된 보어 (bore) 들 안에 배치되어 지지되어 있다. 이 지지 위치들은 - 가이드 베인 (41) 들의 섕크 (42) 들처럼 - 본질적으로 방사상 방향에서 뻗어 있다. 캐리어 링 (40) 은 일반적으로 고정 수단을 이용해 가스 배출 하우징 (22) 및/또는 가스 유입 하우징 (21) 에 고정되어 있다. 상기 고정 수단으로는 볼트, 나사 또는 접합판이 사용된다. 이 이외에, 조정 가능한 상기 안내 장치는 조정 링 (43), 및 가이드 베인당 조정 레버 (44) 를 포함하며, 상기 조정 레버는 캐리어 링 안의 개구부 (49) 들을 통해 섕크 (42) 쪽으로 안내되어 있다. 상기 안내 장치를 조정하기 위해, 조정 링 (43) 은 원주 방향으로 움직여진다. 조정 레버 (44) 는 회전 운동을 가이드 베인들의 섕크 (42) 들로 전달한다. 배기가스가 가이드 베인 (41) 들의 지지 위치들 안으로 유입되는 것을 저지하기 위해, 또한 주변으로 배기가스가 누출되는 것을 막기 위해, 캐리어 링 (40) 안에는 실링 에어 채널 (46) 이 배치되어 있다. 실링 에어는 하나 또는 다수의 지점에서, 링 모양으로 캐리어 링 (40) 의 프로파일의 내부에 뻗어 있는 실링 에어 채널 (46) 안으로 공급되고, 가이드 베인들의 섕크들을 위한 개구부들을 통해 흐름 채널 안으로 흐른다.
도 3 에 따른 본 발명에 따라 형성된 캐리어 링을 가진 축방향으로 관류되는 안내 장치에 있어서, 가이드 베인 (41) 들의 섕크 (42) 들을 수용 및 지지하기 위한 개구부 (48) 들은 이 경우에도 실링 에어 채널 (46) 을 통해 실링 에어를 공급받는다. 조정 레버 (44) 를 통과시키기 위한 개구부 (49) 에 대해 실링 에어 채널 (46) 은 실링 요소 (47) 들로 밀봉되어 있고, 따라서 이 방향으로 가이드 베인들의 섕크를 따라 실링 에어가 샐 수 없다. 도 4 및 도 5 에 따른 축방향으로 관류되는 안내 장치의 개략적인 도면들로부터 또한 알 수 있는 바와 같이, 실링 에어 채널 (46) 은 본 발명에 따르면 캐리어 링 (40) 의 축방향 전면에 파져 있는 그루브로서 형성되어 있다.
장착된 상태에서, 실링 에어 채널 (46) 은 상기 축방향 전면에 접해 있는 하우징 부품 (22) 에 의해 한정된다. 그러므로, 장착된 상태에서, 캐리어 링 (40) 안에 파져 있는 그루브로서의 실링 에어 채널 (46) 을 위해 환형 중공 공간 (hollow space) 이 생긴다. 상기 실링 에어 채널의 횡단면을 확대시키기 위해, 하우징쪽에는 축방향에서 열리는 그루브 (23) 가 파져 있을 수 있다. 이 경우, 상기 실링 에어 채널은 캐리어 링쪽 실링 에어 채널 (46) 및 하우징쪽 그루브 (23) 로 구성된다.
상기 캐리어 링과, 접해 있는 하우징 부품들 사이의 접촉면들은 상기 실링 에어 채널의 영역에서 납작하게, 비스듬히 또는 단차식으로 (stepped) 형성되어 있을 수 있다.
선택 사양적으로, 하우징쪽에서 상기 실링 에어 채널을 확대시키는 그루브 (23) 는 커버 링 (45) 의 영역 안까지 연장될 수 있다. 이로 인해, 횡단면은 더욱 커질 수 있다.
선택 사양적으로, 상기 실링 에어 채널은, 상기 실링 에어 채널의 방사상 내부 및/또는 외부에 배치된 실링 요소 (47) 에 의해 밀봉될 수 있다. 이로써, 과압을 이용해 실링 에어 채널 (46) 안으로 공급된 실링 에어가 가스 배출 하우징 (22) 과 캐리어 링 (40) 사이의 연결부를 통해 새는 것이 저지될 수 있다.
선택 사양적으로, 실링 에어 채널 (46) 을 형성하는 그루브는 가스 유입 하우징 (21) 을 향해 있는 캐리어 링 (40) 의 전면에 파져 있을 수 있다.
선택 사양적으로, 캐리어 링 안의 및/또는 접해 있는 하우징 안의, 실링 에어 채널을 형성하는 그루브들은 환형 그루브 세그먼트들 (annular groove segments) 로서 형성될 수 있고, 즉 원주를 따라 다수의 섹션으로 분할되어 있을 수 있다. 각각의 실링 에어 채널 세그먼트는 개별적으로 바깥으로부터 실링 에어를 공급받을 수 있다.
도 6 은 예컨대 방사류 터빈 또는 혼류 터빈에서 이용되는, 방사상으로 관류되는 안내 장치의 캐리어 링의 단면을 나타낸다. 이 경우, 실링 에어 채널 (46) 은 본 발명에 따르면 방사상 바깥으로 또는 방사상 안쪽으로 열리는, 캐리어 링 안으로의 그루브에 의해 형성되어 있다. 그러므로, 실링 에어 채널 (46) 을 형성하는 이 그루브는 캐리어 링 (40) 의 측면에 파져 있다. 환형 중공공간쪽으로의 그루브의 한정은 이웃한 하우징 부품에 의해 수행되며, 상기 하우징 부품은 배기가스 터빈의 경우 예컨대 가스 유입 하우징 (21) 이다. 이웃한 하우징 부품 안으로 실링 에어 채널 (46) 을 확대시키기 위해, 주변 그루브 (peripheral groove, 23) 가 파져 있을 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 6 에 따른 개략적인 도면들에서, 가이드 베인을 조정하기 위한 조정 레버는 도시되어 있지 않다.
상세히 기술된 상기 실시예들은 배기가스 터빈의 조정 가능한 안내 장치로서 본 발명에 따라 형성된 캐리어 링을 가진 안내 장치를 나타낸다. 하지만 모든 특징은 임의의 터보 기계, 특히 압축기에서의 일반적인 적용에 대해서도 유효해야 한다.
10 : 압축기
11 : 압축기의 공기 유입 하우징
12 : 압축기의 공기 배출 하우징
20 : 배기가스 터빈
21 : 배기가스 터빈의 가스 유입 하우징
22 : 배기가스 터빈의 가스 배출 하우징
23 : 배기가스 터빈의 하우징 안의 그루브
25 : 터빈 휠
26 : 터빈 휠의 가동 블레이드
30 : 배기가스 터보차저의 샤프트
40 : 안내 장치의 캐리어 링
41 : 가이드 베인, 조정 가능함
42 : 가이드 베인의 섕크
43 : 조정 링
44 : 조정 레버
45 : 커버 링
46 : 캐리어 링 안의 실링 에어 채널
47 : 실링 요소
48 : 가이드 베인의 섕크를 수용 및 지지하기 위한 개구부
49 : 조정 레버를 통과시키기 위한 개구부
50 ; 배기가스 터보차저의 샤프트를 지지하기 위한 베어링 하우징
A : 배기가스 터보차저의 샤프트의 축
B : 가이드 베인의 섕크의 축

Claims (13)

  1. 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 안내 장치의 캐리어 링 (40) 으로서, 상기 캐리어 링은 상기 가이드 베인들의 섕크 (42) 들을 수용 및 회전 가능하게 지지하기 위한 개구부 (48) 들, 및 상기 안내 장치 안으로 실링 에어를 공급하기 위한 실링 에어 채널 (46) 을 포함하고, 상기 실링 에어 채널 (46) 은 베인 섕크 (42) 들을 수용하기 위한 개구부 (48) 들 안으로 통하는, 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 안내 장치의 캐리어 링 (40) 에 있어서, 실링 에어 채널 (46) 은 바깥쪽으로 열리는, 원주 방향으로 연장되는 그루브로서 캐리어 링 (40) 의 외면에 파져 있는 것을 특징으로 하는, 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 안내 장치의 캐리어 링 (40).
  2. 제 1 항에 있어서, 실링 에어 채널 (46) 은 원주를 따라 다수의 환형 그루브 세그먼트들로 분할되어 있는 캐리어 링.
  3. 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 안내 장치로서, 가이드 베인 (41) 들은 각각 섕크 (42) 를 구비하며, 상기 섕크는 각각 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 캐리어 링 (40) 의 개구부 (48) 안에 회전 가능하게 지지되어 있는 안내 장치.
  4. 제 3 항에 따른 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 축방향으로 관류되는 안내 장치로서, 실링 에어 채널 (46) 은 축방향에서 열리는, 원주 방향으로 연장되는 그루브로서 캐리어 링 (40) 의 축방향 전면에 파져 있는, 축방향으로 관류되는 안내 장치.
  5. 제 3 항에 따른 조정 가능한 가이드 베인 (41) 들을 가진 방사상으로 관류되는 안내 장치로서, 실링 에어 채널 (46) 은 방사상 방향에서 열리는, 원주 방향으로 연장되는 그루브로서 캐리어 링 (40) 의 측면에 파져 있는, 방사상으로 관류되는 안내 장치.
  6. 하우징 (22) 및 제 3 항 또는 제 4 항에 따른 안내 장치를 포함하는 터보 기계로서, 상기 하우징 (22) 이 실링 에어 채널 (46) 을 축방향에서 한정하도록 캐리어 링 (40) 은 실링 에어 채널 (46) 을 구비하는 상기 전면과 함께 상기 터보 기계의 하우징 (22) 상에 놓여 있는 터보 기계.
  7. 제 6 항에 있어서, 실링 에어 채널 (46) 의 축방향 한정부의 영역에서의 하우징 (22) 안에는, 축방향에서, 캐리어 링 (40) 안의 실링 에어 채널 (46) 쪽으로 열린, 원주 방향으로 연장되는 그루브 (23) 가 파져 있는 터보 기계.
  8. 하우징 (21) 및 제 3 항 또는 제 5 항에 따른 안내 장치를 포함하는 터보 기계로서, 상기 하우징 (21) 이 실링 에어 채널 (46) 을 방사상 방향에서 한정하도록 캐리어 링 (40) 은 실링 에어 채널 (46) 을 구비하는 상기 측면과 함께 상기 터보 기계의 하우징 (21) 상에 놓여 있는 터보 기계.
  9. 제 8 항에 있어서, 실링 에어 채널 (46) 의 방사상 한정부의 영역에서의 하우징 (21) 안에는, 방사상 방향에서, 캐리어 링 (40) 안의 실링 에어 채널 (46) 쪽으로 열린, 원주 방향으로 연장되는 그루브 (23) 가 파져 있는 터보 기계.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 실링 에어 채널 (46) 을 밀봉하기 위해, 캐리어 링 (40) 과 터보 기계의 하우징 사이의 전이 영역 (transition area) 에는 실링 요소 (47) 들이 배치되어 있는 터보 기계.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 배기가스 터빈.
  12. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 압축기.
  13. 제 11 항에 따른 배기가스 터빈 및/또는 제 12 항에 따른 압축기를 포함한 배기가스 터보차저.
KR1020107022843A 2008-04-23 2009-04-23 실링 에어 채널을 가진 안내 장치의 캐리어 링 KR101244956B1 (ko)

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