KR20110000751A

KR20110000751A - 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저 및 고정 요소

Info

Publication number: KR20110000751A
Application number: KR1020107025100A
Authority: KR
Inventors: 랄프 뵈닝; 디르크 프란켄슈테인; 홀거 패트; 마르크 힐러
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2011-01-05
Also published as: BRPI0910643A2; EP2268928A1; JP5345670B2; US8932008B2; CN101999046B; DE102008017821A1; US20110027074A1; JP2011518289A; CN101999046A; KR101523937B1; WO2009124824A1; EP2268928B1

Abstract

본 발명은 헤드 섹션(2), 생크(3)를 포함하고, 상기 생크 내에 정성적 및/또는 정량적으로 사전설정된 굽힘 토크 프로파일을 고려함으로써, 일정한 생크 단면을 갖는 고정 요소에 관하여 상기 단면이 상기 생크 내에 실질적으로 균일한 굽힘 응력 프로파일을 갖도록 상기 생크의 단면이 축선 방향으로 변하는 고정 요소(1)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저(11)에 관한 것으로, 상술한 형태의 하나 이상의 고정 요소(1)를 포함하는 VTG-가이드 베인 장치(15)가 배기 가스 터보차저의 하우징 성분(12)에 고정되는 배기 가스 터보차저에 관한 것이다.

Description

가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저 및 고정 요소{SECURING ELEMENT AND EXHAUST GAS TURBOCHARGER HAVING VARIABLE TURBINE GEOMETRY}

본 발명은 고정 요소, 특히 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저용 고정 요소에 관한 것이고, 이러한 고정 요소를 구비한, 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저에 관한 것이다.

본 발명의 동기 및 제안은 가변식 터빈 구조(VGT: variable turbine geometry)를 갖는 배기 가스 터보차저의 가이드 베인 장치를 고정하기 위해 예를 들어 조임 스크루(fastening screw)를 이용하는 것으로 아래에 설명하고 있으나, 본 발명은 이러한 조임 스크루에 한정되지 않고 또한 조임 스크루의 사용을 배기 가스 터보차저의 경우 가이드 베인 장치를 고정하는 것에 한정되지 않는다.

가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저들은, 고정식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저들에 비해, 배기 가스 터보차저의 터빈 휠로 가이드되는 고온의 배기 가스가 아래로 지나가는 흡입 단면(intake cross-section)이 조절가능한 가이드 장치에 의해 조절될 수 있다는 장점을 갖는다. 이런 방식에 의해, 충진 압력(charging pressure)의 축적의 동적 특성이 관련 엔진 작동 포인트에 실제로 최적으로 적응될 수 있다.

독일 특허출원 DE 10 2004 033 884 A1이 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저를 개시한다. 이 경우 가변식 터빈 구조는 조절가능한 가이드 베인 장치에 의해 구현된다. 이 가이드 베인 장치는 터빈의 배기 가스 입구 채널 및 베인 챔버(vane chamber)라고 지칭되는 터빈 로터 사이의 좁은 영역에 배열된 가변식 배열의 가이드 베인들의 링으로 이루어진다. 가이드 베인들은 지지 링 위에 피봇식으로(in pivotable manner) 지지되는데, 가이드 베인 장치의 가이드 베인들은 조절 링에 의해 조절된다.

또한, 이 공보는 지지 링, 다수의 스페이서 튜브들, 및 플랜지 섹션이라고 불리는 추가의 원형 성분으로 이루어진, 아래에 VTG-가이드 베인 장치가라고 지칭되는 이 어셈블리가 스크루들에 의해 어떻게 배기 가스 터보차저의 베어링 하우징에 고정되는지 기재하고 있다.

지지 링과 플랜지 섹션이 고온의 배기 가스 유동들에 직접 노출되고 그에 따라 하우징 성분보다 높은 온도를 갖는다는 사실의 결과로 그리고 사용된 재료들이 하우징 성분보다 높은 열 팽창 계수를 갖기 때문에, 작동 중에 상기 지지 링과 플랜지 섹션이 높은 온도-관련 팽창을 나타낸다.

서로 브레이싱된(braced) 성분들의 후속하는 불균일 온도-관련 팽창 때문에, 각각의 스크루가 반지름 방향으로 바람직하지 못한 전단 응력(shearing stress)을 받게 된다. 또한, 발생된 횡방향 힘이 굽힘 토크를 초래하고 이는 스크루 내에 굽힘 응력을 초래한다. 스크루 내에 발생하는 굽힘 응력의 프로파일은 바람직하지 못하게 매우 불규칙하다. 하우징 성분 내의 스크루-인(screw-in) 포인트 및 스크루 헤드의 영역이 고정된 고정 포인트들로 작용하기 때문에, 그곳에 매우 높은 굽힘 응력들이 생기고, 한편 사이에 놓인 스크루 샤프트의 영역들은 심한 굽힘만을 겪는다.

교번적인 배기 가스 온도들 또는 배기 가스 처리량들을 갖는 터보차저의 비정상상태(non-steady state) 작동 동안, 스크루 내에 또한 가변 굽힘 응력이 설정된다. 이 때문에, 스크루-인 포인트 및 스크루 헤드에서 심하게 변형된(highly strained) 영역들에서 특히, 스크루가 취성(embrittlement) 및 가소화(plastification) 경향을 보이며, 그 결과 스크루에서 초기 응력(initial stressing force)의 손실 또는 최악의 경우, 스크루의 피로 파괴를 초래한다. 스크루의 포스(force)에서 초기 응력의 손실의 경우, VTG-가이드 베인 장치의 치수 안정성(dimentional stability)이 보장되지 않는다. 베인 챔버 내에서 가이드 베인의 공극(play)이 증가하고, 그로 인해 가이드 베인에서 유동 손실의 증가가 발생하며, 이는 배기 가스 터보차저의 전체 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 스크루에서 초기 응력의 손실로 인해, 스크루들이 진동으로 인해 완전히 느슨하게 작업할 위험이 있고, 결과적으로 VTG-가이드 베인 장치의 전체적인 고장을 초래할 수 있다. 스크루의 피로 파괴는 VTG-가이드 베인 장치의 즉각적인 완전 고장을 초래한다.

따라서 본 발명의 목적은 개선된 고정 요소, 특히 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저용 개선된 고정 요소를 생산하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 구성들을 구비한 고정 요소 그리고 청구항 9의 구성을 구비한 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저에 의해 달성된다.

따라서, 헤드 섹션, 생크(shank)를 포함하고, 상기 생크 내에 정성적 및/또는 정량적으로 사전설정된 굽힘 토크 프로파일을 고려함으로써, 일정한 생크 단면을 갖는 고정 요소에 관하여 상기 단면이 상기 생크 내에 실질적으로 균일한 굽힘 응력 프로파일을 갖도록 상기 생크의 단면이 축선 방향으로 변하는 고정 요소가 제공된다.

또한, 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저가 제공되는데, 이 터보차저는 상기 고정 요소의 연결을 위한 하나 이상의 연결 포인트를 갖는 하나 이상의 하우징 성분, 터빈 유동 단면을 변화시키기 위한 조절가능한 VTG-가이드 베인 장치를 포함하고, 상기 VTG-가이드 베인 장치는 적어도 상기 고정 요소를 이용하여 상기 하우징 성분에 상기 VTG-가이드 베인 장치를 고정하기 위해 하나 이상의 리세스를 가지고, 상기 고정 요소는 상기 VTG-가이드 베인 장치의 리세스에 의해 상기 하우징 성분의 연결 포인트를 통해 고정된다.

본 발명의 기본적 사상은 생크 내의 굽힘 토크 프로파일에 부합하는(adapted), 생크를 구비한 고정 요소를 제공하여, 굽힘 응력의 결과로 고정 요소의 생크 내에 안정적인 재료 응력(steady material stress)이 설정되도록 하는 것이다. 이 목적을 위해, 본 발명에 따른 고정 요소는 축선 방향으로 단면이 변하는 생크를 갖는다. 상기 생크의 굽힘 저항 토크는 생크의 각 포인트에서 굽힘 토크에 부합하여 고정 요소의 생크 내에서 굽힘 응력의 균일한 분포가 일어난다.

본 발명의 추가적인 사상은 본 발명에 따른 VTG-가이드 베인 장치를 고정 요소에 의해 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 고정시키는 것을 포함한다. 이 때문에, VTG-가이드 베인 장치에 의해 초래되는 고정 요소 내에서의 굽힘 응력의 온도관련 팽창이 균일해진다(even out). 고정 요소 내에서 국부적인 과도 굽힘 응력을 방지함으로써, 고정 요소의 가소화 및 취성의 위험이 감소된다. 그 결과, 고정 요소 내의 성분의 고장(failure) 위험이 크게 감소하고, 이는 다른 한편으로 VTG-가이드 베인 장치 및 터보차저 전체로 높은 작동 안전성을 가져온다.

본 발명의 유리한 개선들 및 추가의 실시예들은 종속항들의 내용 및 도면을 참고한 상세한 설명을 형성한다.

본 발명의 한 실시예에서, 고정 요소의 생크가 하나의 포인트 또는 다수의 포인트들에서 협소해진 단면을 갖는다. 그 결과, 생크 내 굽힘 토크 프로파일의 국부적 하강이 보상되어 일정한(constant) 굽힘 스트레스 프로파일이 도입된다.

본 발명의 한 실시예에서, 고정 요소의 생크가 하나의 포인트 또는 다수의 포인트들에서 국부적으로 두꺼워진 단면을 갖는다. 그 결과, 굽힘 토크 프로파일에서 국부적으로 과도한 증가가 보상되어 일정한 굽힘 스트레스 프로파일이 도입된다.

본 발명의 한 실시예에서, 상기 고정 요소를 다른 성분 내로 나사식 결합할 수 있도록 또는 추가의 고정 요소, 예를 들어 너트를 본 발명에 따른 고정 요소 상으로 나사식 결합할 수 있도록, 상기 고정 요소의 생크가 나사산을 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에서, 고정 요소의 헤드 섹션은 고정 요소 상에 형성된 스크루 헤드로 구현된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 고정 요소의 헤드 섹션은 고정 요소의 생크 상으로 나사식 결합되는 너트로 구현된다.

본 발명에 따른 고정 요소는 절삭가공 강(machining steel), 냉간 압조 강(cold headed steel), 냉간 압출 강(cold extruded steel), 일반 건축용 강(general construction steel) 또는 열처리용 강(heat-treatable steel)으로 만들어질 수도 있다. 배기 가스 터보차저 내에서와 같이 고온 환경에서 사용되기 위해, 본 발명에 따른 고정 요소가 바람직한 실시예에서 고온용 오스테나이트계 강으로 만들어진다. 본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서, 상기 고정 요소가 철, 니켈, 플래티늄, 크롬 및/또는 코발트 계열(basis)의 초합금(super alloy)으로 이루어진다. 이와 같은 초합금의 사용은 배기 가스 터보차저 내에서와 같은 극히 고온 분위기에서 고정 요소의 적용을 가능하게 한다. 하기 물질들, 즉, 스텔라이트(Stellite), 트리발로이(Tribaloy), 하스텔로이(Hastelloy), 인코로이(Incoloy), 인코넬(Inconel), 니모닉(Nimonic) 및 R88DT는 이러한 초합금의 예시이다.

생크 모양 고정 요소들의 경우, 본 발명에 따른 고정 요소가 냉간 성형 또는 열간 성형에 의해 생산될 수 있다. 본 발명에 따른 고정 요소의 생크 단면이 조건에 따라 심하게 변한다는 사실 때문에, 본 발명에 따른 고정 요소는 바람직한 실시예에서 터닝(turning)에 의해 생산된다. 이런 방식으로 생산된 고정 요소에 의해, 보다 복잡한 생크 구조가 만들어질 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 상기 고정 요소는 그라인딩(grinding)에 의해 생산된다. 이러한 고정 요소 또한 특히 바람직한데, 그 이유는 한편으로 복잡한 생크 구조가 만들어지기 때문이고 다른 한편으로 엄격한 생산 공차가 달성될 수 있기 때문이다.

가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저의 본 발명에 따른 한 실시예에서, 본 발명에 따른 고정 요소가 연결 포인트를 통해 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 나사 결합된다. 터보차저의 하우징 성분에 대한 이와 같은 고정 요소의 연결에 의해, 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 대한 VTG-가이드 베인 장치의 신뢰성있는 고정이 매우 용이한 방식으로 달성될 수 있다. 이를 위해서는, 대안으로, 본 발명에 따른 고정 요소가 예를 들어 하우징 성분에서 연결 포인트 내로 압입되거나 연결 포인트에 대한 납땝 또는 용접 조인트에 의해 고정될 수도 있다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 바람직한 실시예에서, 상기 VTG-가이드 베인 장치의 리세스와 상기 고정 요소의 생크 사이에 방사상 공극이 제공된다. 이러한 방사상 공극에 의해, 바람직하지 못한 부하의 도입(introduction of load)이 상기 고정 요소의 생크 내로 일어나는 것이 방지된다. 특히, 하우징 성분의 연결 포인트의 영역에서, 고정 요소의 생크의 바람직하지 못한 전단 응력이 이러한 방사상 공극에 의해 방지될 수 있다. 이 때문에, 연결 포인트의 영역에서 전단 응력에 의해 초래된 생크의 심한 휨(curvature)의 결과인 생크의 가소화 및 취성의 위험이 방지된다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 바람직한 실시예에서, 고정 요소의 생크가 VTG-가이드 베인 장치의 리세스의 벽에 대해 직접 맞닿는다. 이것에 의해, 특히 고정 요소의 헤드 섹션의 영역에서, 상기 고정 요소의 생크 내에 국부적으로 부하가 도입될 수 있다. 이러한 구성의 다른 장점은 VTG-가이드 베인 장치의 단일 성분들이 고정 요소의 생크 상에 지지될 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 터보차저의 전형적인 실시예에서, 본 발명에 따른 고정 요소에 의해 VTG-가이드 베인 장치가 고정되어 지는 하우징 성분이 배기 가스 터보차저의 베어링 하우징이다. 본 발명의 배기 가스 터보차저의 대안적인 전형적 실시예에서, 본 발명에 따른 고정 요소에 의해 VTG-가이드 베인 장치가 고정되어 지는 하우징 성분은 배기 가스 터보차저의 터빈 하우징이다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 다른 전형적 실시예에서, 본 발명에 따른 고정 요소에 의해 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 고정되는 VTG-가이드 베인 장치가 적어도 하나의 지지 링 및 다수의 VTG-가이드 베인들을 포함하고, 상기 VTG-가이드 베인들은 상기 지지 링 상에 피봇식으로 지지된다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 바람직한 실시예에서, VTG-가이드 베인 장치가 두 개의 지지 링을 포함하고, VTG-가이드 베인들은 제 1 지지 링과 제 2 지지 링 사이에 샌드위치처럼 배열되며 상기 제 1 지지 링과 제 2 지지 링 상에 피봇식으로 지지된다. VTG-가이드 베인의 단지 하나의 지지 링과의 매입(embedding)과 비교할 때, 이러한 VTG-가이드 베인들의 양면 매입은 보다 큰 베어링 지지 폭을 갖는 장점이 있다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 다른, 전형적 실시예에서, VTG-가이드 베인 장치는 하나 또는 다수의 스페이서를 포함하고, 이것은 조립 상태에서, VTG-가이드 베인들의 자유로운 움직임(free mobility)을 보장할 수 있다. 이러한 스페이서들은 VTG-가이드 베인 장치 내에 고정 요소에 의해 도입된 인장력을 VTG-가이드 베인들로부터 멀리 유지하여, 조립 상태에서도 이들의 피봇 운동성이 유지되게 한다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 다른, 전형적인 실시예에서, VTG-가이드 베인들의 위치를 변경하기 위해 VTG-가이드 베인 장치가 조절 링을 갖는다. 팽행하게 그리고 동축으로 지지 링에 부착된 이 조절 링을 뒤트는(twist) 것에 의해 VTG-가이드 베인들이 조절된다. 조절 링의 뒤틀림 운동성을 보장하기 위해, 조절 링은 조립 상태에서 고정 요소에 의해 VTG-가이드 베인 장치 내에 도입된 인장력을 받지 않는다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 다른 바람직한 실시예에서, VTG-가이드 베인 장치가 하나의 롤러 요소 또는 다수의 롤러 요소들을 가지고, 이들 위에서 상기 조절 링이 VTG-가이드 베인들을 조절하기 위해 피봇식으로 지지된다. 이러한 롤러 요소들을 이용함으로써, 조절 링의 용이한 뒤틀림 운동성이 보장된다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 다른, 바람직한 실시예에서, VTG-가이드 베인 장치가, 조립 상태에서 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 밀접하게 끼워지고 본 발명에 따른 고정 요소에 의해 VTG-가이드 베인 장치 내에 도입되는 인장력을 받는 스페이싱 부재(distance piece)를 갖는다. 이러한 스페이싱 부재는 VTG-가이드 베인 장치의 나머지 성분들이 하우징 성분으로부터 일정 거리 떨어져서 설비될 수 있다는 장점을 갖는다. 특히, 이러한 스페이싱 부재는 고온의 지지 링의 온도관련 팽창의 결과로 하우징 성분의 연결 포인트의 영역에서 고정 요소의 생크의 특히 바람직하지 못한 전단(shearing)을 방지한다.

이하에서는 첨부된 개략적 도면들에 나타난 예시적 실시예들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고정 요소의 제 1 예시적 실시예의 측면도이다.
도 1a는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 1 예시적 실시예에서 굽힘 토크 프로파일을 그래프로 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 1 예시적 실시예에서 굽힘 응력 프로파일을 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 2 예시적 실시예의 측면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 2 예시적 실시예에서 굽힘 토크 프로파일을 그래프로 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 2 예시적 실시예에서 굽힘 응력 프로파일을 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 배기 가스 터보차저의 제 1 예시적 실시예의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 배기 가스 터보차저의 제 2 예시적 실시예의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 배기 가스 터보차저의 제 3 예시적 실시예의 단면도이다.

다른 설명이 없는 한 모든 도면에서 동일 부호는 동일 또는 기능적으로 동등한 성분을 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 고정 요소(1)의 제 1 예시적 실시예의 측면도이다. 상기 고정 요소(1)는 헤드 섹션(2) 및 생크(shank; 3)를 갖는다. 헤드 섹션(2)은 여기서 상기 고정 요소의 한 부분으로 형성된 스크루 헤드(9)로 구현된다. 고정 요소(1)의 생크(3)는 상기 헤드 섹션(2)의 반대편에 나사산(8)을 갖는다. 고정 요소(1)의 생크(3)는 예를 들어 국부적 협소부(6)를 갖는다.

도 1a는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 1 예시적 실시예에서 굽힘 토크 프로파일 M(x)를 그래프로 나타낸 것이다. 굽힘 토크 프로파일 M(x)는 생크(3)의 길이방향 좌표(x)의 함수로 나타나 있다.

도 1b는 본 발명에 따른 고정 요소(1)의 제 1 예시적 실시예에서 굽힘 응력 프로파일 σ(x)를 그래프로 나타낸 것이다. 굽힘 응력 프로파일 σ(x)는 생크(3)의 길이방향 좌표(x)의 함수로 나타나 있다. 이 경우, 굽힘 응력 프로파일 σ(x)는 생크(3)의 중립 나사산(neutral thread)으로부터 최대 거리에 설정되는 굽힘 응력 프로파일 σ(x)로 이해될 것이다.

도 1, 1a 및 1b를 전체적으로 보면, 생크(3)의 국부적 협소부(6)는, 도 1a에 나타난 굽힘 토크 프로파일 M(x)에서 국부적 하강을 적절히 고려하여, 도 1b에 나타난 일정한(constant) 굽힘 응력 프로파일 σ(x)이 고정 요소(1)의 생크(3) 내에 설정되도록 구현된다.

도 2는 본 발명에 따른 고정 요소(1)의 제 2 예시적 실시예의 측면도를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 스크루 헤드(9)와는 달리, 이 경우 사용된 스크루 헤드(9)는 외부 육각형 대신 내부 육각형을 갖는다. 또한, 여기서는 고정 요소(1)의 생크(3)가 국부적 협소부(6)는 물론 국부적 비대부(7)를 갖는다는 점에서 차이가 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 고정 요소의 제 2 예시적 실시예에서 굽힘 토크 프로파일 M(x)를 그래프로 나타낸 것이다.

도 2b는 본 발명에 따른 고정 요소(1)의 제 2 예시적 실시예에서 굽힘 응력 프로파일 σ(x)를 그래프로 나타낸 것이다. 이 경우, 굽힘 응력 프로파일 σ(x)는 생크(3)의 중립 나사산(neutral thread)으로부터 최대 거리에서 설정되는 굽힘 응력 프로파일 σ(x)로 이해될 것이다.

도 2, 2a 및 2b를 전체적으로 보면, 고정 요소(1)의 생크(3)의 국부적 협소부(6) 또는 국부적 비대부(7)는, 도 2a에 나타난 고정 요소(1)의 생크(3)의 굽힘 토크 프로파일 M(x)에서 국부적 하강 또는 국부적 상승을 고려하여, 도 2b에 나타난 일정한 굽힘 응력 프로파일 σ(x)이 설정되도록 구현된다.

도 1, 2에 도시된 고정 요소들(1)은 예를 들어, 절삭가공 강, 냉간 압조 강(cold headed steel) 또는 냉간 압출 강(cold extruded steel)으로 제조된다. 이들은 고온 환경에서의 사용을 위해, 바람직하게 고온용 오스테나이트계 강으로 제조되고 그리고 매우 고온의 환경에서 사용하기 위해 이상적으로 초합금으로 제조된다.

상기 고정 요소들(1)은 예를 들어 냉간 성형 또는 열간 성형에 의해 생산된다. 고정 요소(1)의 보다 복잡한 생크 구조를 구현하기 위해, 이들이 바람직하게 터닝(turning)에 의해 생산될 수 있다. 보다 복잡한 생크 구조를 구현하는 동시에 엄격한 생산 공차를 맞추기 위해, 본 발명에 따른 고정 요소(1)가 바람직하게 그라인딩에 의해 생성될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 배기 가스 터보차저(11)의 제 1 예시적 실시예의 부분도이다. 도 3의 예시에 나타난 바와 같이, 베어링 하우징(12)과 터빈 하우징(13) 사이에 배열된 VTG-가이드 베인 장치(15)가 본 발명의 고정 요소(1)에 의해 가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저(11)의 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다. 이 목적을 위해, 스크루 헤드(9)와 함께 구현된 본 발명에 따른 고정 요소(1)가 VTG-가이드 베인 장치(15)의 리세스(16)에 의해 베어링 하우징(12)의 연결 포인트(14)를 통해 고정된다. 도시된 고정 요소(1)의 생크(3)는 스크루 헤드(9)의 반대쪽에 나사산(8)을 갖는다. 고정 요소(1)는 상기 나사산(8)에 의해 베어링 하우징(12)의 연결 포인트(14)내로 나사 결합된다.

후속하여 이하에서는 예시적으로 도시된 VTG-가이드 베인 장치(15)를 형성하는 성분들을 설명하기로 한다.

베어링 하우징(12)의 연결 포인트(14)와 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2) 사이의 VTG-가이드 베인 장치(15)는 고정 요소(1)가 관통하는 다음 성분들: 즉, 스페이서(22), 롤러 요소(21), 제 1 지지 링(17), 스페이서(19) 및 제 2 지지 링(17)을 갖는다. 여기에 추가로, 다수의 VTG-가이드 베인들(18) 중 하나의 VTG-가이드 베인이 나타나 있는데, 이것은 두 개의 지지 링들(17) 사이에 피봇식으로 지지되어 있다. 위로는 VTG-가이드 베인 장치(15)가 VTG-가이드 베인들(18)을 조절하기 위해 조절 링(20)을 갖는데, 이는 롤러 요소(21) 상에 피봇식으로 지지된 것으로 도시되어 있다. 롤러 요소(21)는 고정 요소(1) 상에 피봇식으로 지지되는 한편 고정 요소(1)의 생크(3)는 롤러 요소(21)의 리세스(16)의 벽에 맞닿게 놓인다(lie against). 또한, 스페이서(19)의 방사상 장착을 위해, 고정 요소(1)의 생크(3)가 스페이서(19)의 리세스(16)의 벽에 맞닿게 놓인다. 지지 링들(17)의 열팽창에서 기인한 횡방향 힘을 베어링 하우징(12) 내의 수용 포인트(14)로부터 가능한 먼 거리로 고정 요소(1)의 생크(3) 내에 도입하기 위해, 고정 요소(1)의 생크(3)와 제 1 고정 링(17)의 리세스 사이에 방사상 공극이 제공되는 한편, 고정 요소(1)의 생크(3)는 제 2 지지 링(17)의 리세스(16)의 벽에 맞닿게 놓인다. 고정 요소(1)의 내구성에 관련하여 그리고 베어링 하우징(12)에서 연결 포인트(14) 영역에 해로운 전단 응력을 방지하기 위해, 고정 요소(1)의 생크(3)와 스페이서(22)의 리세스(16) 사이에 방사상 공극이 제공된다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고정 요소(1)는 고정 요소(1)의 생크(3)에서 굽힘 응력을 균일하게 하기 위해 축선 방향으로 변화하는 단면을 갖는 생크(3)를 갖는다.

도 4는 본 발명의 배기 가스 터보차저(11)의 제 2 예시적 실시예의 부분 단면도를 나타낸 것이다. 여기서 VTG-가이드 베인 장치(15)는 도 3에 도시된 VTG-가이드 베인 장치(15)와 구조적으로 상이하지 않다. 다른 한편으로, 이 가이드 베인 장치(15)는 본 발명의 고정 요소(1)에 의해 베어링 하우징(12)의 연결 포인트(14)에 고정된다. 도시된 고정 요소(1)의 생크(3)는 - 도 3에 도시된 예시적 실시예에서와 동일하게 - 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2) 반대편 상에 나사산(8)을 갖는다. 이 고정 요소(1)는 상기 나사산(8)에 의해 베어링 하우징(12)의 연결 포인트(14) 내로 나사식으로 조여진다. 도 3에 도시된 예시적 실시예와 달리, 도시된 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2)은 예를 들어 너트(10)로 구현되고, 이는 고정 요소(1)의 생크(3) 상으로 나사식 결합된다.

도 5는 본 발명의 배기 가스 터보차저(11)의 제 3 예시적 실시예의 단면도이다. 지금까지의 예시적 실시예들과 반대로, 배기 가스 터보차저(11) 내에 도시된 VTG-가이드 베인 장치(15)가 베어링 하우징(12)이 아닌, 터빈 하우징(13)에 고정되어 있다. 이 VTG-가이드 베인 장치(15)는 터빈 하우징(13)의 연결 포인트(14)와 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2) 사이에 있고 고정 요소(1)에 의해 관통되는 다음 성분들: 즉, 제 1 지지 링(17), 스페이서(19) 및 제 2 지지 링(17)을 나타낸다. 또한, VTG-가이드 베인 장치(15)는 제 1 지지 링과 제 2 지지 링(17) 사이에 피봇식으로 지지된 VTG-가이드 베인들(18)을 갖는다. 또한, 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)는 VTG-가이드 베인들(18)을 조절하기 위해 조절 링(20)을 갖는다. 조절 링(20)의 뒤틀림 가능성을 보장하기 위해, 이것은 배기 가스 터보차저(11)의 터빈 하우징(13) 내에 지지된 롤러 요소들(21)에 떠받쳐 움직일(ride on) 수 있다. 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2)은 고정 요소(1)의 생크(3) 상으로 나사식 결합된 너트(10)로 구현된다. 터빈 하우징(13) 내의 연결 포인트(14) 근방에서 전단 응력을 방지하기 위해, 고정 요소(1)의 생크(3)와 제 1 지지 링(17)의 리세스(16)의 벽 사이에 방사상 공극(radial play)이 제공된다. 지지 링(17)의 영팽창으로 기인한 횡방향 힘들을 터빈 하우징(13) 내의 연결 포인트(14)로부터 최대한 멀리 상기 고정 요소(1)의 생크(3)에 도입하기 위해, 상기 생크(3)가 제 2 지지 링(17)의 리세스(16)의 벽에 바로 맞대어 놓인다. 스페이서(19)를 방사상으로 고정하기 위해, 고정 요소(1)의 생크(3)가 상기 스페이서(19)의 리세스(16)의 벽에 맞닿게 놓인다. 본 발명의 고정 요소(1)의 생크(3)는 고정 요소(1)의 생크(3) 내에서 굽힘 응력 프로파일을 균일하게 하기 위해, 생크(3)의 축선 방향으로 변하는 단면을 갖는다.

본 발명이 비록 바람직한 예시적 실시예들에 의해 상술되었으나, 여기에 국한되지 않고, 다양한 방식으로 수정될 수 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 도면들에 나타난 고정 요소들의 특정 구조로 제한되어서는 안된다. 이들 고정 요소는 본 발명의 기본 원리로부터 벗어나지 않은 채 임의의 방식으로 수정될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 고정 요소의 생크가 반드시 원형으로 구현될 필요는 없다. 본 발명에 따른 고정 요소가 기초로 하고 있는 원리는 예를 들어 타원형, 정사각형 또는 다변형의(multi-sided) 생크 단면을 이용하여서도 구현될 수 있다. 또한, 생크 단면의 기하학적 기본 형태가 생크의 축선 방향으로 변하는 것도 가능할 것이다. 본 발명에 따른 고정 요소는 예를 들어 헤드 섹션 근처에서는 원형 생크 단면을, 헤드 섹션 반대편에서는 각진 생크 단면을 가질 수 있을 것이다.

본 발명의 고정 요소의 헤드 섹션이 다양한 방식으로 만들어질 수 있다는 것은 명확하다. 고정 요소의 헤드 섹션이 고정 요소 상으로 성형된 스크루 헤드로 구현되는 경우, 이 스크루 헤드는 예를 들어 육각형 스크루 헤드로, 원통형 스크루 헤드로, 접시머리형(countersunk) 스크루 헤드로, 원형 스크루 헤드로, 치즈형(cheese) 스크루 헤드로 또는 심지어 내부 육각형 헤드 스크루로 구현될 수 있다. 고정 요소의 헤드 섹션이 고정 요소 상으로 나사식 결합된(screwed) 너트로 구현되면, 이 너트는 예를 들어 일반적인 육각형 너트로, 캡 너트로, 키 단부(keyed end)용 너트로, 윙 너트로, 슬롯형 너트로, 육각형 용접 너트로, 크로스-홀 너트로, 마개(spigot)를 갖는 육각형 너트로 또는 돔 너트로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 고정 요소의 헤드 섹션은 결과적으로 고정 요소의 헤드 섹션들이 고정 요소 내의 축방향 고정력(clamping force)을 전달하는데 적합하기만 하다면, 고정 요소와 임의의 방식으로 하나의 부품으로 형성되거나 별개의 부품으로 형성될 수 있다.

가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저용으로 이 경우에 보여진 예시적 실시예들은 당연히 설명을 위한 예시적 실시예들로 이해되어야 한다. 본 발명의 배기 가스 터보차저 내의 VTG-가이드 베인 장치가 상기 예시된 실시예들에 도시된 디자인들과 상당히 다를 수 있다는 것이 자명하다. VTG-가이드 베인 장치의 상기 개념은 가변식 배열의 VTG-가이드 베인들 및 상기 VTG-가이드 베인들의 배열을 변경하기 위한 조절 메카니즘을 포함하는 어셈블리로 여기서 매우 일반적인 용어들로 이해되어야 한다.

본 발명의 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 VTG-가이드 베인 장치의 고정은 본 발명에 따른 하나의 고정 요소 또는 임의의 개수의 고정 요소들에 의해 당연히 수행될 수 있다. 예시적 실시예들에서 이미 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고정 요소들은 이런 이유에서 VTG-가이드 베인 장치의 모든 성분들을 반드시 관통할 필요는 없다.

비록 예시적으로 배기 가스 터보차저의 하우징 성분에 VTG-가이드 베인 장치를 고정하기 위한 고정 요소를 이용하여 본 발명이 설명되었으나, 본 발명에 따른 고정 요소의 적용이 배기 가스 터보차저에만 국한되지 않는다는 것이 자명하다. 대신에 본 발명에 따른 고정 요소는 생크 모양 고정 요소 내에서 굽힘 응력 프로파일을 균일화하는데 유동한 어떤 경우에도 사용될 수 있다.

Claims

헤드 섹션(2),
축선 방향으로 단면이 변하는 생크(shank; 3)를 포함하고,
단면의 변화에 있어서는, 상기 생크(3) 내에 정성적 및/또는 정량적으로 사전설정된 굽힘 토크 프로파일(4)을 고려함으로써, 일정한 생크 단면을 갖는 고정 요소와 관련하여 상기 단면이 상기 생크(3) 내에 실질적으로 균일한 굽힘 응력 프로파일(5)을 갖도록 상기 생크(3)의 단면이 구성된
고정 요소.
제 1 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)의 상기 생크(3)가 하나 이상의 국부적 협소부(6)를 갖는
고정 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)의 상기 생크(3)가 하나 이상의 국부적 비대부(7)를 갖는
고정 요소.
제 1 항 내지 제 3 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)의 상기 생크(3) 중 적어도 섹션들이 나사산(8)을 갖는
고정 요소.
제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 헤드 섹션(2)이 상기 고정 요소(1) 상으로 형성된 스크루 헤드(9)로 구현된
고정 요소.
제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 헤드 섹션(2)이 상기 고정 요소(1)의 상기 생크(3) 상으로 나사 결합된 너트(10)로 구현된
고정 요소.
제 1 항 내지 제 6 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)가 절삭가공 강(machining steel), 냉간 압조 강(cold headed steel) 또는 냉간 압출 강(cold extruded steel) 또는 일반 건축용 강(general construction steel) 또는 열처리용 강(heat-treatable steel), 바람직하게는 고온용 오스테나이트계 강 더욱 바람직하게는 초합금(super alloy)으로 이루어진
고정 요소.
제 1 항 내지 제 7 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)가 냉간 성형 또는 열간 성형, 바람직하게는 터닝(turning) 더욱 바람직하게는 그라인딩(grinding)에 의해 생산되는
고정 요소.
제 1 항 내지 제 8 항 중 적어도 어느 한 항에 따른 고정 요소를 연결하기 위한 하나 이상의 연결 포인트(14)를 갖는 하나 이상의 하우징 성분(12, 13),
하나 이상의 리세스(16)를 갖는, 터빈 유동 단면을 변화시키기 위한 조절가능한 VTG-가이드 베인 장치(15),
상기 하우징 요소(12, 13)에 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)를 고정하기 위해 제 1 항 내지 제 8 항 중 적어도 어느 한 항에 따른 하나 이상의 고정 요소(1)를 포함하고,
상기 고정 요소(1)가 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)의 상기 리세스(16)를 통해 상기 하우징 성분(12, 13)의 상기 연결 포인트(14)에 고정되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항에 있어서,
상기 고정 요소(1)가 상기 연결 포인트(14) 내로 나사식 결합되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
적어도 상기 연결 포인트(14)의 영역에서, 생크(3) 내로 부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)의 리세스(16)와 상기 생크(3) 사이에 방사상 공극이 제공되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 11 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 생크(3)가 적어도 상기 고정 요소(1)의 헤드 섹션(2)의 영역에서, 상기 생크(3) 내로 부하의 도입을 위해 및/또는 상기 생크(3) 상에 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)의 성분들의 방사상 매입(embedding)을 위해 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)의 상기 리세스(16)의 벽에 맞닿게 놓이는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 12 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징 성분(12, 13)이 상기 배기 가스 터보차저(11)의 베어링 하우징(12) 또는 터빈 하우징(13)인
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 13 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(15)가 하나 이상의 지지 링(17) 및 다수의 VTG-가이드 베인들(18)을 가지고, 상기 VTG-가이드 베인들(18)은 상기 지지 링(17) 내에 피봇식으로 지지되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 14 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(15)가 두 개 이상의 지지 링(17)을 가지고, 상기 VTG-가이드 베인들(18)이 제 1 지지 링과 제 2 지지 링(17) 사이에 샌드위치 형태로 배열되고 상기 제 1 지지 링 상에 그리고 제 2 지지 링(17) 내에 피봇식으로 지지되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 15 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(15)가 하나 이상의 지지 링(17)에 맞닿게 놓인 하나 이상의 스페이서(19)를 가지고, 조립 상태에서 이것이 상기 VTG-가이드 베인들(18)의 자유로운 움직임을 보장할 수 있는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 15 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(15)가 상기 VTG-가이드 베인들(18)의 위치를 변경하기 위해 하나 이상의 조절 링(20)을 갖는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 17 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(13)가 하나 이상의 롤러 요소(21)를 가지고, 상기 조절 링(20)이 VTG-가이드 베인들(16)을 조절하기 위해 상기 롤러 요소 위에 피봇식으로 지지되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.
제 9 항 내지 제 18 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 VTG-가이드 베인 장치(15)가 하나 이상의 스페이서(22)를 가지고, 조립 상태에서 이것이 상기 하우징 성분(12, 13)에 맞닿게 놓이며 이것에 의해 상기 VTG-가이드 베인 장치(15)의 나머지 성분들이 상기 하우징 성분(12, 13)으로부터 일정 간격으로 이격되는
가변식 터빈 구조를 갖는 배기 가스 터보차저.