KR20120099617A - 다단 터보차저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 터빈 하우징(26A), 베어링 하우징(27A), 압축기 하우징(28A)을 구비한 고압 터보차저(20); 및 터빈 하우징(26B), 베어링 하우징(27B), 압축기 하우징(28B)을 구비한 저압 터보차저(21)를 포함하며, 배기가스를 운반하기 위한 일체형 내부 쉘(23)이 터빈 하우징들(26A, 26B)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1)에 관한 것이다.

Description

다단 터보차저 장치{MULTI-STAGE TURBOCHARGER ARRANGEMENT}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 내연기관용 다단 터보차저 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 주지된 통상의 다단 터보차저 장치는 일반적으로 직렬로 배치된 2개 이상의 터보차저로 구성된다. 상기 시스템, 특히 폐쇄된 고압 터빈 바이패스 밸브 하류에 발생하는 배기가스 누출은, 터보차저 장치가 모든 작동 상태에서 최적으로 기능하는 것을 방지한다. 종래 기술에서, 상기 누출은, 사용된 바이패스 밸브가 밸브 시트에서 누출이 매우 적다는 점에서 방지된다. 그러나, 배기가스 유동 덕트와 터빈 하우징 사이에 열전달을 저감하기 위해 공극을 가지며, 마찬가지로 공극에 둘러싸인 고압 터빈 바이패스 밸브를 구비하는 종래 기술의 다단 터보차저 장치에서도, 고압 터빈 바이패스 밸브를 둘러싼 공극을 통해, 폐쇄된 고압 터빈 바이패스 밸브 하류에 상당한 배기가스 누출이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 주지된 터보차저 장치에 비해 효율이 개선된 다단 터보차저 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.
종속 청구항들은 본 발명의 유리한 양상에 관한 것이다.
터빈 하우징 내에 배기가스를 운반하기 위한 일체형 내부 쉘을 배치하면, 터빈으로의 배기가스 공급이 최적화되기 때문에 효율이 개선된다. 또한, 종래 기술의 터보차저 장치에 비해, 터빈 하우징 영역의 배기가스 누출량이 상당히 감소한다. 아울러, 일체형 내부 쉘로 인해, 특히 터빈 하우징 유닛 및 베어링 하우징 유닛에 대한 단열을 개선하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 상세들, 이점들 및 특징들은 첨부 도면에 기반한 예시적인 실시형태들에 대한 후술하는 설명에 의해 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 제1 실시형태의 개략적으로 단순화된 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 제2 실시형태의 개략적으로 단순화된 도면이다.
도 3은 종래 기술의 다단 터보차저 장치의 개략적으로 단순화된 도면이다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치(1)의 제1 실시형태가 도 1을 참조하여 이하에 설명될 것이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 다단 터보차저 장치(1)는, 고압 터빈(4)이 샤프트(14)에 의해 고압 압축기(10)에 연결된 고압 터보차저(20), 및 저압 터빈(6)이 샤프트(15)에 의해 저압 압축기(9)에 연결된 저압 터보차저(21)를 구비한다. 고압 터빈(4)과 저압 터빈(6)은 공통의 터빈 하우징 유닛(26)에 배치되고, 상기 터빈 하우징 유닛은 고압 터보차저(20)의 터빈 하우징 섹션(26A) 및 저압 터보차저(21)의 터빈 하우징 섹션(26B)으로 나뉘어진다. 열에 의해 팽창할 수 있는 내부 쉘(23)이 터빈 하우징 유닛(26)의 내부에 삽입되고, 상기 내부 쉘(23) 내에서 뜨거운 엔진 배기가스(Ag)가 고압 터빈(4) 및 저압 터빈(6)을 통해 흐른다. 다단 터보차저 장치(1)의 상기 제1 실시형태의 내부 쉘(23)은, 내부 쉘(23) 중 공극(22)에 인접한 면에 마련되는 전체 실링 재킷(23A)을 구비한다.
터빈 하우징 유닛(26)과 베어링 하우징 유닛(27)에 대해, 엔진 배기가스(A)에 의해 가열되는 내부 쉘(23)을 단열하는 공극(22)이, 내부 쉘(23)의 실링 재킷(23A)과 터빈 하우징 유닛(26) 및 또한 베어링 하우징 유닛(27) 사이에 형성된다. 아울러, 터빈 하우징 유닛(26)과 베어링 하우징 유닛(27)에는 각각 냉각 덕트(24, 25)가 형성되고, 상기 냉각 덕트에는 냉각수가 흘러 터빈 하우징 유닛(26)과 베어링 하우징 유닛(27)의 온도를 낮추거나, 또는 상기 온도를 터보차저 장치(1)의 모든 작동 상태에서 허용 가능한 레벨로 유지한다.
또한, 고압 터빈(4)의 바이패스(5)가 고압 터보차저(20)의 터빈 하우징 섹션(26A)에 형성되고, 상기 바이패스(5)는 조절 밸브(5a)를 구비하여, 조절 밸브(5a)가 개방될 때, 엔진 배기가스(A)가 이를 통해 고압 터빈(4)을 우회한다. 더욱이, 웨이스트게이트 장치(7)가 저압 터보차저(21)의 터빈 하우징 섹션(26B)에 형성되고, 상기 웨이스트게이트 장치(7)의 내부에 웨이스트게이트 밸브(7a)가 배치된다. 웨이스트게이트 밸브(7a)가 개방될 때, 엔진 배기가스(A) 유동의 일부가 저압 터빈(6)을 우회하여 배기구(8)로 직접 흐를 수 있다(도 3 참조).
고압 터보차저(20)의 샤프트(14) 및 저압 터보차저(21)의 샤프트(15)는, 고압 터보차저(20)의 베어링 하우징 섹션(27A) 및 저압 터보차저(21)의 베어링 하우징 섹션(27B)으로 조립된 공통의 베어링 하우징 유닛(27)에 장착된다.
고압 터보차저(20)의 고압 압축기(10) 및 저압 터보차저(21)의 저압 압축기(9)는, 고압 터보차저(20)의 압축기 하우징 섹션(28A) 및 저압 터보차저(21)의 압축기 하우징 섹션(28B)으로 조립되고 압축기 커버(29)에 의해 폐쇄되는 공통의 압축기 하우징 유닛(28)에 배치된다. 도 1의 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 고압 압축기(10)는 또한 베어링 하우징 유닛(27)에 부분적으로 형성되고, 저압 압축기(9)는 또한 압축기 커버(29)에 부분적으로 형성된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기(L)가 압축기 커버(29)에 형성된 덕트(16)를 통해 외부로부터 저압 압축기(9)로 공급되는데, 상기 덕트(16)는 추가 프로파일에 걸쳐 저압 압축기(9)와 고압 압축기(10) 사이의 압축기 하우징 유닛(28)에 형성되어, 고압 압축기(10) 하류의 베어링 하우징 유닛(27), 압축기 하우징 유닛(28), 및 압축기 커버(29)를 통해 진행된다. 아울러, 압축기 바이패스 덕트(11)가 고압 압축기(10) 영역에서 압축기 커버(29)에 형성되며, 압축기 바이패스 밸브(11a)를 포함한다. 상기 압축기 바이패스 덕트(11)를 통해 충전 공기(L)가 고압 압축기(10) 주위에서 전체적으로 또는 부분적으로 운반되어, 다량의 공기 유동 시에 고압 압축기(10)의 스로틀링(throttling)을 방지할 수 있다.
공통의 터빈 하우징 유닛(26), 베어링 하우징 유닛(27), 압축기 하우징 유닛(28) 중 서로 실질적으로 평행하게 형성된 연결면들은, 나사 연결, 용접 연결, 접착 연결, 및/또는 클램핑 연결에 의해 서로 연결되지만, 도 1에 도시되어 있지 않다.
주변 공극(22)에 대해 전체 실링 재킷(23A)을 구비한 내부 쉘(23)의 경우, 고압 터빈(4)의 바이패스(5)의 조절 밸브(5a)가 내부 쉘(23)에 통합되어, 조절 밸브(5a)가 폐쇄될 때, 실질적으로 배기가스가 고압 터빈(4)을 통과하지 않고는 고압 터빈(4) 상류의 영역(A)으로부터 고압 터빈(4) 하류의 영역(C)으로 전달될 수 없다.
또한, 저압 터빈(6)의 웨이스트게이트 밸브(7a)가 내부 쉘(23)에 통합되어, 웨이스트게이트 밸브(7a)가 폐쇄될 때, 실질적으로 배기가스가 저압 터빈(6)을 통과하지 않고는 저압 터빈(6) 상류의 영역(C)으로부터 저압 터빈(6) 하류의 영역(D)으로 전달될 수 없다.
더욱이, 내부 쉘(23)은 완전히 실링되므로, 배기가스가 고압 터빈(4) 상하류의 영역들(A, B) 및 저압 터빈(6) 상하류의 영역들(C, D)로부터 주변 공극(23) 영역(E)으로 빠져나가거나, 또는 고압 터빈(4) 또는 저압 터빈(6) 또는 고압 터빈 조절 밸브(5a) 또는 저압 터빈 바이패스 밸브(7a)를 우회하거나 주변 환경으로 배출될 수 없다. 내부 쉘(23)은 열에 따라 팽창 및 수축할 수 있도록 설계되어, 실링 성능을 잃지 않고 온도 사이클 중에 발생하는 열응력을 보상한다. 여기서, 내부 쉘(23)은 가능한 한 큰 열팽창이 가능해야 한다.
또한, 내부 쉘(23)의 모든 부분, 및 내부 쉘(23)의 다양한 부분이 서로 결합되고 내부 쉘(23)이 시작 및 종료되는 연결부는, 실링 성능을 잃지 않고 높은 압력 및 압력 충격을 견디어야 한다.
아울러, 내부 쉘(23) 내의 모든 연결부는 가열된 부품의 열팽창으로 인한 움직임에도 실링을 제공해야 한다.
더욱이, 내부 쉘(23)의 실링면을 내부 쉘(23)의 부품 수에 따라 특별히 설계하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 제2 실시형태가 도 2를 참조하여 이하에 설명될 것이다. 여기서, 동일한 구성요소는, 도 1에 도시된 제1 실시형태와 동일한 참조 부호에 의해 나타낸다. 제2 실시형태는, 내부 쉘(23)에 부분 실링 재킷(23B)이 구비되며 고압 터빈(4)의 하류에 가스 배리어(30)가 구비된다는 점에서 전술한 제1 실시형태와 다르다.
부분 실링 재킷(23B)을 구비한 내부 쉘(23)을 포함하는 상기 제2 실시형태에서, 적어도 고압 터빈 조절 밸브(5a)를 내부 쉘(23)에 통합하는 것이 또한 가능하다.
아울러, 여기서, 고압 터빈(4) 영역 내의 공극(22) 영역(E)으로부터 저압 터빈(6) 영역 내의 공극(22) 영역(F)으로의 유동이 가능하지 않도록 하나 이상의 가스 배리어(30)를 구현하는 것이 가능하다. 고압 터빈 조절 밸브(5a)가 폐쇄될 때, 조절 밸브(5a) 상하류에 상당한 압력차가 발생하고, 그에 따라 고압 터빈(4) 상류의 영역(A)과 고압 터빈(4) 영역 내의 공극(22) 영역(E)과 고압 터빈(4) 하류의 영역(B), 및 저압 터빈 상하류의 영역들(C, D, F) 사이에 상당한 압력차가 발생한다. 가스 배리어로 인해, 배기가스가 고압 터빈(4) 영역 내의 공극(22) 영역(E)을 통해, 그리고 저압 터빈(6) 영역 내의 공극(22) 영역(F)을 통해 조절 밸브(5a)를 우회하는 것이 가능하지 않다.
고압 터빈(4) 상류의 영역(A) 및 저압 터빈(6) 상류의 영역(C) 주위에 실링 재킷을 구비하지 않은 내부 쉘(23)의 더 간단하고 더 비용효율적이지만 누출을 완전히 방지하진 않은 이러한 실시형태에서는, 영역(E)에서 영역(F)까지 가스 배리어(30)를 통한 가스 누출이 가능하지 않지만, 가스 배리어(30) 상류의 영역들(A, E) 및 가스 배리어(30) 하류의 영역들(C, F) 사이에 약간의 누출 또는 압력 등화가 허용 가능한 작은 정도로 발생한다.
실링 재킷이 없는 내부 쉘(23) 중 단지 단열하는 영역들(A, C)(고압 터빈 상류 및 저압 터빈 상류)은 제한 없이 팽창 및 수축하는 특성을 가진 "부동(floating)" 요소로 설계될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 요소들에는 단지 약간의 열응력만이 발생한다.
고압 터빈(4) 하류의 영역(B) 및 저압 터빈(6) 하류의 영역(D) 주위의 내부 쉘(23)은, (고압 터빈(4) 영역 내의) 공극(22) 영역(E)으로부터 (고압 터빈(4) 하류의) 영역(B)으로의 유동을 방지하기 위해 완전한 실링 성능을 가져야 한다. 상기 영역들(B, D)의 크기 또는 체적은 상응하여 최소화된다.
또한, 내부 쉘(23) 내의 "병목(bottleneck)" 위치에서 가스 배리어(30)는 필요한 실링면이 최소화되도록 형성된다.
더욱이, 가스 배리어 상에 금속 시일을 사용하는 것이 가능하며, 상기 금속 시일은 열팽창을 흡수할 수 있지만, 냉각된 인접 하우징들에 대해 여전히 내부 쉘(23)을 실링한다.
대안적으로, 고압 터빈 조절 밸브(5a)의 하우징 주위에 가스 배리어(30)의 필요 공극(23)을 실링하기 위한 적절한 유동 배리어 기능을 가진 탄성 단열재, 예를 들어 섬유 매트를 이용하는 것이 가능하며, 이 때 상응하는 유동 배리어 기능을 가진 기타 재료들이 또한 대안적으로 사용될 수 있다.
또한, 가스 배리어(30) 영역을 냉각시키는 것이 유리한데, 이는 상기 영역이 가열된 내부 쉘(23) 및 냉각된 외부 하우징들 사이의 주접촉 영역들 중 하나이기 때문이다.
가스 배리어(30)는 바람직하게 자체 실링 기능이 작동 중에 고압 터빈(4) 상류의 영역(A) 및 저압 터빈(6) 상류의 영역(C) 사이의 압력차의 도움을 받도록 설계된다.
아울러, 가스 배리어(30)는 바람직하게 스프링력의 압력에 의해 실링을 제공하도록 설계될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 다단 터보차저 장치의 실시형태들에서, 과열 방지를 위해 냉각 덕트들(24, 25)을 구비한 터빈 하우징 유닛(26)과 베어링 하우징 유닛(27) 사이에 샌드위치처럼 배치된 내부 쉘(23) 내에서만 뜨거운 배기가스 유동이 흐른다. 대안적으로, 냉각 덕트들(24, 25)이 또한 서로 연결될 수 있다. 다른 가능한 실시형태들에서, 하우징 유닛들(26, 27, 28)이 또한 본원에 설명된 실시형태들에서와 상이하게 나뉘어질 수 있다. 더욱이, 대안적으로, 모든 하우징 유닛을 냉각시키거나, 또는 배기가스 유동 덕트의 단지 일부분만을 공극에 의해 단열시키는 것이 가능하다.
양 실시형태들에서, 고압 터빈(4)과 저압 터빈(6) 또는 저압 압축기(9)와 고압 압축기(10)는 각각 가변적인 터빈 기하형상을 가질 수 있고, 이는 고압 터빈(4)의 경우 예로서 도 3에 참조 부호 4a로 표시되어 있다. 아울러, 압축기 바이패스 밸브(11a)는 자동 밸브 또는 조절 밸브일 수 있고, 웨이스트게이트 밸브(7a)는 비용 절감을 위해 일부 장치에서 생략될 수 있다.
도 3은 종래 기술의 다단 터보차저 장치의 개략적으로 단순화된 도면으로, 예를 들어 디젤 엔진의 통상의 2단 터보차저 시스템에 사용된 것이다. 여기서, 동일한 구성요소는, 도 1 및 도 2와 동일한 참조 부호에 의해 나타낸다. 도 3에 도시된 다단 터보차저 장치(10)는, 배기 매니폴드(3)로부터 배기구(8)를 통해 토출구로 흐르는 엔진(2) 배기가스(A)의 유동 프로파일, 및 흡기 라인(16)을 통해 엔진(2)의 흡기 매니폴드(13)로 흐르는 유입 공기(L)의 유동 프로파일을 나타낸다. 상기 통상의 터보차저 장치는 다수의 유사한 설계 및 변형으로 알려져 있지만, 이들의 구성은 본원에서 더 상세히 설명되지 않을 것이다.
본 발명에 따른 다단 터보차저 장치는, 터빈 하우징, 바이패스 밸브, 및 웨이스트게이트 밸브 영역에서의 상당한 누출 감소 및 배기 덕트와 인접 하우징 부품 사이의 추가적인 단열 최적화로 인해, 종래 기술의 주지된 터보차저 장치에 비해 상당한 효율 개선을 보인다.
상기 개시내용을 보완하기 위해, 도 1 및 도 2의 본 발명의 개략적인 도시를 명확하게 참조한다.
참조 부호 설명
1 다단 터보차저 장치
2 엔진
3 배기 매니폴드
4 고압 터빈
4a 가변 터빈 기하형상
5 고압 터빈의 바이패스
5a 조절 밸브
6 저압 터빈
7 웨이스트게이트 장치
7a 웨이스트게이트 밸브
8 배기구
9 저압 압축기
10 고압 압축기
11 압축기 바이패스 덕트
11a 압축기 바이패스 밸브
12 충전 공기 냉각기
13 흡기 매니폴드
14 고압 터보차저의 샤프트
15 저압 터보차저의 샤프트
16 덕트
20 고압 터보차저
21 저압 터보차저
22 공극
23 내부 쉘
23A 전체 실링 재킷
23B 부분 실링 재킷
24 터빈 하우징 유닛의 냉각 덕트
25 베어링 하우징 유닛의 냉각 덕트
26 터빈 하우징 유닛
26A 고압 터보차저의 터빈 하우징 섹션
26B 저압 터보차저의 터빈 하우징 섹션
27 베어링 하우징 유닛
27A 고압 터보차저의 베어링 하우징 섹션
27B 저압 터보차저의 베어링 하우징 섹션
28 압축기 하우징 유닛
28A 고압 터보차저의 압축기 하우징 섹션
28B 저압 터보차저의 압축기 하우징 섹션
29 압축기 커버
30 가스 배리어
Ag 엔진 배기가스
L 흡입 공기

Claims (11)

  1. 터빈 하우징(26A), 베어링 하우징(27A), 압축기 하우징(28A)을 구비한 고압 터보차저(20); 및
    터빈 하우징(26B), 베어링 하우징(27B), 압축기 하우징(28B)을 구비한 저압 터보차저(21)를 포함하며,
    배기가스를 운반하기 위한 일체형 내부 쉘(23)이 터빈 하우징들(26A, 26B)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    내부 쉘(23)은 공극(22)에 둘러싸인 것인 다단 터보차저 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내부 쉘(23)은 전체 실링 재킷(23A)을 포함하는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  4. 제3항에 있어서,
    실링 재킷(23A)은 내부 쉘(23) 중 공극(22)에 인접한 면에 마련되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  5. 제1항에 있어서,
    부분 실링 재킷(23B)이 내부 쉘(23)에 구비되고, 가스 배리어(30)가 고압 터빈(4)의 하류에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  6. 제1항에 있어서,
    터빈 하우징들(26A, 26B)은 적어도 하나의 터빈 하우징 유닛(26)을 형성하도록 결합되고/되거나, 베어링 하우징들(27A, 27B)은 적어도 하나의 베어링 하우징 유닛(27)을 형성하도록 결합되고/되거나, 압축기 하우징들(28A, 28B)은 적어도 하나의 압축기 하우징 유닛(28)을 형성하도록 결합되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  7. 제6항에 있어서,
    터빈 하우징 유닛(26), 베어링 하우징 유닛(27), 및 압축기 하우징 유닛(28)은 나사 연결, 용접 연결, 접착 연결 또는 클램핑 연결에 의해 서로 연결되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 터보차저(20)의 고압 터빈(4)은, 바이패스 밸브(5a)를 구비한 일체형 바이패스(5)를 포함하는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    저압 터보차저(21)의 저압 터빈(6)은 일체형 웨이스트게이트 장치(7)를 포함하는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 냉각 덕트(20)가 베어링 하우징 유닛(11)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 냉각 덕트(21)가 터빈 하우징 유닛(10)에 구비되는 것인 다단 터보차저 장치(1).
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