KR20140007296A

KR20140007296A - 배기가스 터빈의 디퓨저

Info

Publication number: KR20140007296A
Application number: KR1020130079960A
Authority: KR
Inventors: 알레산드로 소피아; 크리슈티안 크라이엔캄프; 다니엘 캐슈틀리; 다니엘 외슈거; 마르쿠스 슈테델리; 라이너 프롭슈트; 토마스 레힌; 빌리암 기치; 마르켈 요호; 마티아스 야루젤; 안드레아 바카
Original assignee: 에이비비 터보 시스템즈 아게
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-01-17
Also published as: EP2685054A2; JP5859494B2; EP2685054B1; JP2014015936A; CN103541778B; EP2685054A3; CN103541778A; KR101501833B1

Abstract

배기가스 터빈의 터빈 디퓨저 (82) 는 흐름채널을 관통하여, 방사방향으로 내측에 놓여 있는, 상기 흐름채널을 한정하는, 로터의 유닛에게 할당되어 있는 하우징 부품 (81) 들에 고정되어 있다. 이는 특별히 정렬 및 형성된 버팀대 (83) 들을 통해 수행된다. 이는 외부 하우징들을 분해할 필요 없이, 하나의 유닛 안의 로터와 터빈 디퓨저와 노즐링의 하나의 공통의 분해를 가능하게 한다.

Description

배기가스 터빈의 디퓨저{DIFFUSER OF AN EXHAUST GAS TURBINE}

본 발명은 내연기관의 배기가스의 작용을 받는 터보차저 (turbocharger) 분야에 관한 것이다. 본 발명은 떼어내질 수 있는 로터 블록 (rotor block) 을 가진, 축방향 흐름을 갖는 배기가스 터빈에 관한 것이다.

터보차저는 왕복 피스톤 내연기관의 출력 향상을 위해 이용된다. 터보차저는 샤프트 (shaft) 를 통하여 압축기휠을 구동시키는 터빈을 사용한다. 축방향으로의 흐름을 갖는 배기가스 터빈 (따라서 이 문헌에서는 간략히 축류 터빈이라고 불리우며, 이때 축류 터빈의 이 유형은 특히 흐름을 방사상 방향으로 방향전환시키는 배출측 터빈 디퓨저에 근거하여, 가스 터빈의 1단 또는 다단 축류 터빈과 비교 가능해서는 안 된다) 을 가진 배기가스 터보차저 (exhaust gas turbocharger) 에 있어서, 터빈 디퓨저는 기계적으로 (mechanically) - 예컨대 단단히 나사결합을 통하여 - 터빈의 가스 배출 하우징과 커플링되어 있다. 이를 통해, 터빈휠의 분해시 압축기의 방향으로 터빈 디퓨저를 우선 가스 배출 하우징으로부터 분리시켜야 하는 필요성이 생기며, 이는 특히 녹이 슨 또는 달리 끼어서 움직이지 못하는 고정 수단 (fastening means) 들에 있어서 또는 베어링 하우징 안의 개구부를 통해서만 풀릴 수 있는 고정 수단들에 대한 접근성 때문에, 힘이 드는, 또한 시간이 많이 걸리는 작업이다. 정비 시 배기가스 흐름에 노출된 배기가스 터보차저의 전체 부품의 분해를 간단하게 하기 위해, 전체 로터 블록 (rotor block) - 즉 회전하는 모든 부품 및 관련 베어링 영역들 - 이 안내 장치와 함께 배기가스 터빈의 상류에서 다 함께 유닛 (unit) 으로서 터빈 하우징 밖으로 분리될 수 있도록 배기가스 터보차저의 설계를 최적화하고자 하는 노력이 존재한다. 하지만 종래 방식으로 형성된, 도 1 에 도시되어 있는 축류 터빈은 이에 적합하지 않다.

부품들, 즉 가스 배출 하우징과 터빈 디퓨저 사이의 연결부는 종래의 축류 터빈에 있어서는 일반적으로 상대운동을 겪지 않으며, 그리고 금속성 접촉부를 통해 가스 누출 (gas leak) 에 대해 밀봉되어 있다. 이로써, 터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징 사이의 터빈의 주요 흐름채널 (main flow channel) 의 외부에서의 누출 흐름 (터빈 바이패스) 이 존재하지 않으며, 그리고 이로써 이 인터페이스 (interface) 에서 밀봉하기 위한 특별한 조치를 위한 필요성이 존재하지 않는다.

본 발명의 목적은, 축방향으로의 흐름을 갖는 배기가스 터빈에 있어서, 배기가스 흐름을 터빈 블레이드 (turbine blade) 들의 하류에서 축방향으로부터 방사방향으로 방향전환시키는 터빈 디퓨저 (turbine diffuser) 를 기계적으로 터보차저-외부 하우징들로부터 디커플링하고, 그리고 그 대신에 상기 터빈 디퓨저 및 선택적으로 그에 고정된 노즐링 (nozzle ring) 을 기계적으로 로터 유닛 (rotor unit) 에게 할당하는 것이다.

이는 본 발명에 따르면 터빈 디퓨저가 흐름채널 (flow channel) 을 관통하여, 방사방향으로 내측에 놓여 있는, 상기 흐름채널을 한정하는, 로터의 유닛 (unit) 에게 할당되어 있는 하우징 부품들 (전문 용어로 후드 (hood) 라고 불리움) 에 고정됨으로써 달성된다. 이는 특별히 정렬 및 형성된 버팀대 (strut) 들을 통하여 수행된다. 이를 통해, 새로운 유닛, 이른바 후드 디퓨저 (hood diffuser) 가 생긴다.

실현된 전체 컨셉은 외부 하우징을 분해시킬 필요 없이, 하나의 유닛 안의 로터와 터빈 디퓨저와 노즐링의 하나의 공통의 분해를 가능하게 한다.

이를 통해, 보다 짧은 분해 및 재조립 시간이 발생한다.

또한, 터빈 블레이드들의 방사방향 여유공간 (clearance) 에의, 그리고 이로써 터빈 효율에의 외부 하우징 (outer housing) 의 변형의 영향이 최소화될 수 있는데, 왜냐하면 터빈 디퓨저 (바로 가동 블레이드 (moving blade) 들을 통하여, 일반적으로 커버링 (cover ring) 이라고 불리우는 영역을 포함하여) 가 기계적으로 상기 외부 하우징으로부터 디커플링되기 때문이다. 이는 특히 2 단 과급에 있어서의 고압 터보차저에서 중요할 수 있는데, 왜냐하면 거기에서는, 터빈 디퓨저와 외부 하우징이 단단히 연결되어 있을 경우, 안전을 이유로 (터빈 디퓨저에서 가동 블레이드들이 가볍게 스치는 것을 저지함) 보다 큰 블레이드 끝 여유공간을 필요로 하는 외부 하우징들의 현저한 변형이 있을 수 있기 때문이다.

가스 배출 하우징에 체결하는 것이 아니라 로터 블록에 터빈 디퓨저를 체결함으로서, 상기 터빈 디퓨저는 상기 가스 배출 하우징으로부터 기계적으로 디커플링된다. 로터 유닛과 외부 하우징 사이의 새로운 인터페이스를 통한, 터빈의 주요 흐름채널의 외부에서의 누출 흐름 (터빈 바이패스) 을 저지하기 위해, 본 발명에 따르면 반정적 (semi-static) 스로틀 밀봉 부위가 도입된다.

상기 후드 디퓨저의 하나 또는 다수의 버팀대 안으로 공기 채널 (air channel) 들이 도입되어 있으면, 상기 버팀대들을 통해, 디퓨저 흐름 (diffuser flow) 안으로 취입되기 위한 공기가 안내될 수 있다. 이로써, 디퓨저 흐름은 공기 역학적으로 작동점 (operating point) 에 맞춰질 수 있으며, 이를 통해 디퓨저는 보다 짧게 설계될 수 있고, 유동손실 (flow losses) 이 감소될 수 있다.

그 밖의 장점들은 종속항들에 나타나 있으며, 또는 실시예의 상세한 설명에서 알 수 있다.

이하, 본 발명의 여러 가지 실시형태가 도면들을 근거로 상세히 설명된다.

도 1 은 종래기술에 따른 배기가스 터보차저의, 축방향으로의 흐름을 갖는 배기가스 터빈의 축을 따라 취해진 단면,
도 2 는 본 발명에 따라 형성된 터빈 디퓨저를 가진 배기가스 터보차저의, 축방향으로의 흐름을 갖는 배기가스 터빈의 축을 따라 취해진 단면,
도 3 은 디퓨저와 도 2 에 따른 배기가스 터빈의 가스 배출 하우징 사이의 본 발명에 따라 기계적으로 디커플링된 (decoupled) 영역의 확대된 도면,
도 4 는 도 3 에 따른 기계적으로 디커플링된 영역 안의 스로틀 시일의 개략적인 도면,
도 5 는 본 발명에 따라 형성된 터빈 디퓨저를 가진 배기가스 터빈을 가진 배기가스 터보차저의 축을 따라 취해진 단면,
도 6 은 추가적인 공기 취입 장치를 가진 본 발명에 따라 형성된 터빈 디퓨저를 가진 배기가스 터빈을 가진 배기가스 터보차저의 축을 따라 취해진 단면이다.

도입부에 언급된 바와 같이, 도 1 은 대형 배기가스 터보차저 안에 전형적으로 이용되는 종래의 축류 터빈 (axial-flow turbine) 을 나타낸다. 상기 축류 터빈은 휠 허브의 방사방향으로 외측 가장자리에 가동 블레이드 (31) 들을 가진 둥근 테를 구비한 터빈휠 (30) 을 포함하는 배기가스 터빈이며, 상기 가동 블레이드들은 축방향으로 안내된 배기가스 흐름에 노출되고, 그리고 상기 터빈휠과 연결된 샤프트 (60) 가 회전 운동을 하도록 구성된다. 상기 배기가스는 내연기관의 연소챔버들로부터 가스 유입 하우징 (10) 을 통해서 터빈으로 안내된다. 상기 가스 유입 하우징은 구형 캡 (spherical cap, 11) 을 포함하며, 상기 구형 캡으로, 관 모양의 배기가스 공급라인은 환상 관 모양의 흐름채널 (flow channel) 로 전환된다.

상기 가동 블레이드들의 바로 상류에는, 안내 장치 (70), 이른바 노즐링 (nozzle ring) 이 다수의 가동 블레이드와 함께 배치되어 있다. 이러한 구조의 종래의 배기가스 터빈에 있어서, 상기 노즐링은 가스 유입 하우징 (10) 에 또는 가스 배출 하우징 (20) 에 고정되어 있다. 상기 가스 배출 하우징은 큰 수집 공간 옆에 디퓨저 (40) 를 포함하며, 상기 디퓨저는 흐름채널을 터빈 블레이드들의 하류에서 방사방향으로 바깥으로 한정한다. 마주하고 있는 쪽에서, 상기 흐름채널은 베어링 하우징 (50) 에 고정된 하우징 부품, 이른바 후드 (hood, 51) 에 의해 한정된다. 즉, 후드와 디퓨저는, 축방향으로부터 방사방향으로의 흐름의 방향전환에 대하여 책임이 있는 상기 흐름채널을 형성한다. 터빈 영역의 이 실시형태에 있어서 샤프트측으로부터, 배기가스 흐름에 노출된, 그러므로 터빈의 정비와 관련된 부품들을 분해할 수 있기 위해, 터빈휠을 밖으로 끌어낸 후 우선 상기 노즐링과 상기 가스 유입 하우징 또는 상기 가스 배출 하우징 사이의 연결이 풀려야 한다. 이는, 위에서 언급한 바와 같이, 상응하는 고정 수단 (fastening means) 들이 녹슬어 있거나, 오염되어 있거나 또는 달리 끼어서 움직일 수 없게 되어 있으면 어려울 수 있다. 또한, 터빈 하우징 안의 좁은 개구부로 인해 고정 수단들에 대한 접근이 비교적 어렵다.

이러한 이유로 인해, 도 2 에 따른 본 발명에 따른 축류 터빈에서는, 로터 블록 (rotor block) 에 고정된 후드 (hood) 와 터빈 디퓨저 (turbine diffuser) 사이에 연결 버팀대 (connecting strut) 들이 삽입됨으로써 상기 로터 블록에서의 노즐링의 고정을 위한 길이 터진다. 이를 통해 새로이 만들어진 유닛 (unit) 은 후드 디퓨저 (8) 라고 불리울 수 있다. 이 후드 디퓨저 (8) 는 관 모양의 2개의 섹션과, 터빈측 단부에 방사방향으로 바깥에 놓여 있는 디퓨저 (82) 와, 방사방향으로 안쪽에 놓여 있는 후드를 포함한다. 상기 후드 디퓨저의 샤프트측 단부에서, 즉 가스 배출 하우징 (20) 안의 수집 공간 (21) 에 접해 있는 영역에서, 관 모양의 상기 두 섹션은 비교 가능한 방사방향 높이를 가지며, 이로써 관 모양의 상기 두 섹션은 구부러져 있고, 그리고 흐름채널을 엄격히 축방향인 정렬로부터 가동 블레이드 (31) 들의 바로 하류에서 방사방향으로 전환시킨다. 후드 디퓨저 (8) 의 관 모양의 상기 두 섹션은 둘레를 따라 분배되어 배치된 다수의 버팀대 (83) 를 통해 연결되어 있다. 상기 버팀대들은 디퓨저와 후드 사이에 나사결합되거나, 용접되거나, 납땜되거나 또는 바로 주조될 수 있다. 전체 유닛, 즉 후드 디퓨저 (8) 를 하나의 유일한 주조 부품으로 제조하는 것이 제조 기술적으로 바람직하다.

터빈휠을 향해 있는 터빈 디퓨저 (82) 의 단부에는, 선택적으로 노즐링 (70) 이 고정되어 있다. 이로써, 상기 노즐링은, 이제 상기 터빈 디퓨저도 포함하는 로터 유닛 (rotor unit) 의 분해시 마찬가지로 터빈 디스크와 함께 터빈 하우징 밖으로 제거될 수 있다. 선택적으로, 상기 노즐링은 추가적으로 내부 터빈 하우징과, 이른바 구형 캡과 연결되어 있을 수 있고, 따라서 상기 구형 캡은 분해시 상기 로터 유닛과 함께 터빈 하우징 밖으로 끌어내질 수 있다. 대안적으로, 상기 터빈 디퓨저에 고정된 상기 노즐링은 기계적으로 상기 내부 터빈 하우징으로부터 디커플링되어 있을 수 있으며, 이 경우, 상기 노즐링의 방사방향 내부 영역을 통한 누출 흐름을 저지하는 수단들, 예컨대 이 원형면을 닫는 하우징 커버가 상기 노즐링에 제공되어 있으면 유리할 수 있다.

상기 버팀대들의 개수는 상기 버팀대들을 통해 초래된 가동 블레이드들의 진동 여기 (vibration excitation) (로터 평면 뒤의 압력장 안의 방해) 의 익사이터 배열을 결정한다. 이때, 익사이터 배열은, 제 1 고유 주파수의 여기 (excitation) 가 이미 낮은 회전속도 범위에서 수행되도록, 그리고 전부하 회전속도에 가까운 작동과 관련된 높은 작동범위에서 수행되지 않도록 높아야 한다. 이는 적어도 7개의 버팀대 개수를 가지고 보장되어 있다.

상기 버팀대들은 바람직하게는 유동손실을 감소시키기 위한 드롭형 (drop-shaped) 횡단면을 가진다. 이때, 드롭형 프로파일들은 회전 대칭적으로 배치되고 방사방향으로 정렬되어 있어야 하며, 따라서 거울대칭적인 드롭의 프로파일 현 (profile chord) 은 터보차저의 반지름 벡터 (radius vector) 와 평행하게, 영각 없이 뻗어 있다. 이는 터빈의 설계점 (design point) 에서 디퓨저 밖으로의 소용돌이 없는 흐름을 근거로 최소의 손실을 초래한다. 이에 반해, 정의된 (defined) 배출 소용돌이가 존재하도록 터빈이 설계되어야 하면, 상기 드롭의 프로파일 현과 반지름 벡터 사이의 상응하는 영각이 정의되어야 한다. 전체 부품의 고유 주파수가 터보차저 회전속도 위에 있도록, 상기 버팀대들의 횡단면적은 충분히 커야 한다. 제한된 방사방향 설치높이로 인해 상기 프로파일 횡단면은 임의로 확대될 수 없는데, 왜냐하면 상기 프로파일 현의 길이가 고정적이기 때문이다. 상기 드롭형 프로파일을 굵게함으로써만 강성이 증가될 수 있다. 각각의 굵게 된 부분 (thickened area) 은 유동손실의 상승과 관련되어 있다. 상부 경계는 원형 횡단면을 나타낸다.

상기 버팀대들의 둘레 위치와 관련하여, 적어도 7 개의 버팀대 중 하나를 가스 배출 하우징 (20) 안의 개구부와 관련하여 가운데에 배치시키는 것이 바람직하다. 상기 터보차저의 설계점 안에서의 작동에 있어서, 그리고 이와 관련된, 터빈 밖으로의 소용돌이 없는 흐름에 있어서, 상기 가스 배출 하우징 안에는 2개의 나선형 소용돌이가 형성되며, 상기 나선형 소용돌이들은 상기 가스 배출 하우징의 개구부의 가운데에서 상기 가스 배출 하우징의 배출 플랜지의 방향으로 함께 흐른다. 이 배열을 가지고, 유동손실이 최소화된다.

상기 버팀대 (83) 들은 바람직하게는 터보차저 축에 대해 평행으로 정렬되어 있고, 그리고 출구 안내 베인들 (outlet guide vanes) 로서의 터빈휠의 로터 평면 바로 뒤 대신에, 상기 가스 배출 하우징 안의 수집 공간을 향해 있는 단부에 배치되어 있다. 이 조치도 유동손실의 최소화를 초래하는데, 왜냐하면 이로써 상기 버팀대들은 가능한 한 작은 속도를 가진 위치에 부착되기 때문이다. 보다 가까이 터빈 로터 평면에서는 그리고 (더욱 방사방향 구성에 있어서는), 유닛, 즉 후드 디퓨저의 강성과 관련된 일종의 장점들을 가져올 수 있기는 하나, 하지만 이를 위해 보다 높은 유동손실이 감수되어야 하는데, 왜냐하면 그곳에서는 흐름 안의 속도가 보다 높기 때문이다. 추가적으로, 가동 블레이드들의 보다 높은 진동 여기 (vibration excitation) 가 예상될 수 있다.

도 5 에 따르면, 마찬가지로 하나의 유닛으로서의 터빈 하우징 (turbine housing) 밖으로 분해 가능한 로터 유닛 (rotor unit) 에 속하는 베어링 하우징 (50) 에 후드 디퓨저를 고정시키기 위해, 본 발명에 따르면 가능한 한 큰 방사방향 높이에서, 즉 후드 (81) 의 바깥 가장자리의 영역에서 다수의 고정 수단 (fastening means, 85), 예컨대 나사들은 압축기측으로부터 베어링 하우징 (50) 안의 보어들을 통해 상기 후드 디퓨저에서의 상응하는 보어들 안으로 안내된다. 고정 수단 (85) 들이 충분히 큰 방사방향 높이에 배치되어 있으면, 이를 통해 얻어진 상기 후드 디퓨저의 가능한 한 큰 강성 이외에, 비록 압축기휠 (64) 이 샤프트로부터 제거되어 있지 않을지라도, 분해된 로터 그룹 (rotor group) 에 있어서 상기 고정 수단들 (나사 머리들) 에 대한 접근 가능성이 주어져 있다. 이를 통해, 필요시 - 예컨대 세척하기 위해 또는 교체하기 위해 - 먼저 그 밖의 부품이 제거될 필요 없이 상기 후드 디퓨저는 상기 로터 그룹으로부터 분리될 수 있다. 작동 중의 오염을 저지하기 위해, 그리고 압축기 디퓨저 안의 흐름에 부정적으로 작용하지 않기 위해, 상기 고정 수단들은 압축기 디퓨저 안의 흐름채널에 대해 덮혀져 있다. 커버 (cover) 로서는, 선택적으로 압축기 디퓨저 안의 안내 장치 (노즐링) 의 고리 모양의 하우징 (68) 이 적합하며, 상기 압축기 디퓨저에는 개별적인 가동 블레이드 (67) 들이 고정되어 있다. 경우에 따라 오염된 흐름매체의 침투를 저지하기 위해, 상기 커버 뒤에 놓여 있는 중공 공간 (hollow space) 은 선택적으로 주변 실링링 (sealing ring) 들을 이용해 압축기의 흐름채널에 대해 밀봉되어 있다.

예컨대 터빈 디퓨저가, 위에서 설명된 바와 같이, 가스 배출 하우징에 체결되는 대신 로터 유닛 (rotor unit) 에 체결됨으로써 상기 터빈 디퓨저가 상기 가스 배출 하우징으로부터 기계적으로 디커플링되면 (decoupled), 터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징 사이의 새로운 인터페이스가 만들어진다. 이 두 부품 사이에 틈새가 생기며, 상기 틈새는 터빈단 둘레의 누출 경로로서 작용한다. 터빈 효율에 부정적으로 작용하는, 누출 흐름 (A) 이 터빈의 주요 흐름채널의 외부에서 형성되는 (터빈 바이패스) 위험이 존재한다.

터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징 사이의 작동 중의 상대운동을 통해, 상기 틈새는 일시적인 작동 중 시간적으로 변경 가능한 기하학적 구조 (geometry) 를 가진다. 일어날 수 있는 누출 흐름에 의한 터빈 효율의 손실을 제한하기 위해, 상기 틈새는 모든 관련된 작동상태에서 충분히 밀봉되어야 한다. 이를 위해, 본 발명에 따르면 반정적 (semi-static) 시일 (seal) 이 제공되어 있다. 피스톤 링 (piston ring) 에 근거를 두거나 또는 대안적으로 박판링들에 근거를 둔 시일들이 특히 적합하다. 두 시일 유형은 스로틀 시일 (throttle seal) 이며, 그리고 일반적으로 방사방향 상대운동 및 축방향 옮김 (오프셋) 없이 동심적 원통면들 사이에 삽입된다. 하지만, 여기에 존재하는 삽입 목적을 위해, 작동 중 원통면들 (터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징) 사이의 강한 방사방향 상대운동 및 오프셋이 고려되어야 한다. 이러한 스로틀 시일들의 통례적인 사용 시 억제되지 않는 그 밖의 문제는 중유 연소로부터의 배기가스 잔류물에 의한 오염이다.

도 3 및 도 4 를 근거로 설명되는 본 발명에 따른 스로틀 시일은 터빈 디퓨저 (82) 의 바깥지름 상의 그루브 (groove, 821) 안의 금속성 실링링 (sealing ring, 91) 들 (피스톤 링들, 박판링들 또는 유사한 요소들) 의 배열을 포함한다. 이때, 상기 그루브 폭은, 피스톤 링에서의 안내 부품의 방사방향 및 축방향 상대운동으로 인한 끼임이 초래되지 않도록 선택된다. 또한, 선택적으로, 경사진 그루브벽들의 형성을 통해, 터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징 사이의 오프셋에 있어서, 즉 가스 배출 하우징과 관련된 터빈 디퓨저의 기울기에 있어서, 실링링이 상기 그루브 안에 끼어서 움직이지 않는 것이 저지될 수 있다. 이때, 그루브벽들의 기울기 (방사방향에 대한 각도) 는 바람직하게는 작동 동안의 예상될 수 있는 기울기에 상응한다. 특히 꼭 맞게 치수화된 틈새폭에 있어서, 상기 경사진 그루브벽들은 실링링의 끼임을 저지하는 것을 돕는다.

로터 (rotor) 의 조립시 터빈 디퓨저 (82) 는 가스 배출 하우징 (20) 안으로 진입된다 (도 3 에서 왼쪽으로부터). 이때, 상기 가스 배출 하우징의 진입 슬로프 (slope) (22) 를 통하여 실링링 (91) 들은 가스 배출 하우징 (20) 의 안지름에 대해 클램핑된다. 즉, 작동 중 상기 가스 배출 하우징의 안지름에 대한 상기 실링링들의 가압력이 나타나며, 상기 가압력은 상기 실링링의 초기응력 및 결과로 초래된, 방사방향으로 바깥으로 작용하는, 상기 실링링에의 압축력으로부터 발생한다. 피스톤 링들에 있어서, 상기 방사방향 압축력의 효과는 피스톤 링, 그루브, 밀봉 틈새의 기하학적 구조에 따라 분명히 유용하다. 편평한 피스톤 링은 축방향 작동면에 대한 높은 적응력을 가지며, 흔들거림에 대해 덜 민감하고, 이에 반해 세로로 있는 좁은 피스톤 링은 높은 표면압력을 위해 방사방향으로 및 축방향으로 설계되어 있다.

박판링들에 있어서는, 제조에 의한 구조 (지름과 횡단면의 비율) 에 근거하여, 결과로 초래된 방사방향 압축력은 무시해도 될 정도로 작다.

도 4 는 방사방향으로 밀착하는 실링링들을 가진 시일 배열체의 개략적인 도면을 나타낸다. 상기 배열체는 선택적으로 1 개 또는 2 개의 실링링을 구비한다. 추가적으로, 배기가스 잔류물에 의한 틈새 안의 오염을 저지하기 위해, 선택적으로 밀봉 공기가 상기 실링링들의 상류에서 또는 상기 실링링들 사이에 불어 넣어질 수 있다. 마찬가지로 시일 영역 안의 오염을 저지하기 위해, 시일 부위들의 상류에는 래버린스 시일 (labyrinth seal, 822) 이 제공되어 있을 수 있으며, 상기 래버린스 시일은 본질적인 스로틀링 작용 (throttling effect) 을 발생시키지는 않으나, 방향전환 작용을 통해 배기가스 잔류물의 침전에 기여한다. 터빈 디퓨저와 가스 배출 하우징 사이의 틈새 안으로 침투하는 배기가스 잔류물은 실링링들이 끼어서 움직이지 않는 것을 초래할 수 있다. 그러므로, 밀봉 부분의 오염이 가능한 한 저지되어야 한다.

실링링들에 대해 대안적으로, 가스 배출 하우징 안에는 또는 터빈 디퓨저 안에는 사전 조립된 컴펜세이터 판금 (compensator sheet metal) 이 상기 틈새를 밀봉하기 위해 이용될 수 있다. 이때, 상기 컴펜세이터 판금은 조립 초기응력을 통해 두 부품에 밀착할 것이다. 작동 변형은 상기 판금의 형태화를 통해 잘 수용될 수 있다.

선택적으로, 도 6 에 따르면 상기 후드 디퓨저의 하나 또는 다수의 버팀대 (83) 안으로 공기 채널 (air channel, 831) 들이 도입되어 있을 수 있다. 이 공기 채널들을 통해, 터빈의 디퓨저 영역 안으로 불어 넣기 위한 공기가 안내될 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에서 공기는 압축기휠의 뒷 공간 (641) 으로부터 빼내지며, 그리고 공기 챔버 (642) 안에 수집된다. 베어링 하우징 안의 하나 또는 다수의 공기 라인 (air line, 501) 및 선택적인 밸브 (55) 를 통하여, 공기는 상기 버팀대 안의 공기 채널 (831) 에 공급된다. 상기 공기 채널은 그 밖의 수집 공간 안으로 통해 있고, 그곳으로부터 디퓨저 안의 취입 개구부 (832) 들로 공급 라인들이 이어진다.

축류 터보차저에 있어서, 터빈측에서 손실 없는 흐름의 감속을 위해 터빈의 하류에는 터빈 디퓨저가 이용된다. 이는 최적으로 공칭 하중 작동점을 위해 설계된다. 이때, 디퓨저 출구 대 특정한 디퓨저 입구, 즉 면적비가 실현되며, 그리고 최적의 각도의 선택을 통해, 요구된 길이가 발생한다. 터빈 디퓨저의 축방향 길이는 축류 터보차저들에 있어서 바로 설치길이에 상응하며, 그리고 이로써 터보차저의 콤팩트함에 직접적인 영향을 미친다. 너무 긴 설치길이를 피할 수 있기 위해, 축방향 설치길이와 디퓨저 안의 최적의 압력회복 사이의 타협이 이루어진다.

게다가, 상기 디퓨저를 접해 있는 작업 영역들 안의 작동점을 위해 설계함으로써, 터빈 디퓨저 안의 훨씬 더 높은 손실이 예컨대 외벽에서의 흐름의 분리를 통해 예상될 수 있다. 디퓨저들 안에서, 너무 높은 개방각도들에 있어서 디퓨저 채널의 외부 영역에서의 분리가 발생한다. 흐름의 상기 분리는 추가적인 압력손실을 초래한다. 이 분리는 대개 디퓨저의 매우 평탄한 개방각도를 통해 저지되며, 이는 높아진 축방향 설치길이를 초래한다. 디퓨저 흐름 안으로 공기의 취입 또는 흡입을 통해, 상기 디퓨저는 작동 중 공기 역학적으로 작동점에 맞춰질 수 있다. 이로써 디퓨저가 보다 짧게 설계될 수 있고 또는 유동손실이 감소될 수 있다. 벽 영역 안의 흐름 거동은 공기의 취입 또는 흡입을 통해 밀착 거동과 관련하여 영향을 받을 수 있다는 것이 일반적으로 알려져 있다 (비행기에서의 지지 구조 흐름, 흐름이 최적화된 경주용 자동차 등등). 터빈 디퓨저를 공기 역학적으로 맞추기 위해, 터빈 디퓨저 자체에서 공기는 (압축기 뒷 공간으로부터) 흐름의 밀착을 달성하기 위해 분리점 또는 변동점 조금 전에 취입되어야 한다. 이때, 예컨대 부분 부하 영역에서, 밀착하는 흐름이 존재하지 않으면 공기만 불어 넣어져야 한다. 이는 예컨대 스위칭 가능한 밸브 (55) 를 통하여 실현될 수 있다. 또한, 2단 또는 다단 터보차저 시스템 안에서, 예컨대 웨이스트 게이트 (waste gate) 또는 모터 바이패스를 통하여 배출되는 보다 높은 단의 뜨거운 가스 또는 압축기 공기가 사용될 수 있다. 이 가스는 밸브 (55) 의 영역 안의 외부 연결부를 통하여 공급될 수 있다 (도시되어 있지 않음). 취입을 위해 사용된 가스는 후드 디퓨저 안에 존재하는 웨브 (web) 들을 통하여 취입 장소로 안내된다. 취입에 대해 대안적으로, 경계층의 흡입이 수행될 수 있으며, 그리고 이로써 흐름의 개방각도가 확대될 수 있다. 이를 위해, 밸브 (55) 의 영역에는 흡입 라인이 제공될 수 있으며, 상기 흡입 라인은 흡입된 공기를 터보차저 밖으로 안내한다.

10 : 가스 유입 하우징
11 : 구형 캡 (내부 가스 유입 하우징)
20 : 가스 배출 하우징
21 : 수집 공간
22 : 진입 기울기
30 : 터빈휠
31 : 터빈휠의 가동 블레이드
40 : 터빈 디퓨저
50 : 베어링 하우징
501 : 베어링 하우징 안의 공기 채널
51 : 후드
55 : 밸브
60 : 샤프트
64 : 압축기휠
641 : 압축기휠의 뒷 공간
642 : 공기 챔버
65 : 압축기 하우징
67 : 압축기 디퓨저 안의 안내 장치의 가동 블레이드
68 : 압축기 디퓨저 안의 안내 장치의 하우징
70 : 안내 장치 (노즐링)
8 : 후드 디퓨저
81 : 후드
82 : 터빈 디퓨저
821 : 디퓨저 안의 그루브
822 : 래버린스 시일
83 : 버팀대
831 : 버팀대 안의 공기 채널
832 : 디퓨저에서의 취입 개구부
85 : 고정 수단 (나사)
9 : 스로틀 시일
91 : 실링링
A : 누출 흐름

Claims

축방향 흐름을 갖는 배기가스 터빈 (exhaust gas turbine) 으로서, 상기 배기가스 터빈은 복수의 가동 블레이드들 (moving blades, 31) 를 가진 터빈휠 (30), 흐름 (flow) 을 상기 터빈휠의 상기 가동 블레이드들 상으로 정렬시키기 위한 안내 장치 (70), 및 흐름채널 (flow channel) 을 포함하며, 상기 흐름채널은 상기 흐름을 상기 가동 블레이드들로부터 가스 배출 하우징으로 안내하기 위해 상기 터빈휠의 상기 가동 블레이드들의 하류에 배치되어 있고, 그리고 이를 위해 축방향으로부터 방사방향으로 만곡 (curvature) 되며, 이때 상기 흐름채널은 방사방향으로 외측에서는 터빈 디퓨저 (40, 82) 에 의해 한정되어 있고, 방사방향으로 내측에서는 하우징 부품 (51, 81) 에 의해 한정되는, 상기 배기가스 터빈에 있어서, 상기 터빈 디퓨저 (82) 는 상기 가스 배출 하우징 (20) 으로부터 기계적으로 디커플링되어 있으며, 그리고 상기 터빈 디퓨저 (82) 와, 상기 흐름채널을 방사방향으로 내측에서 한정하는 상기 하우징 부품 (81) 은 상기 흐름채널 안의 버팀대 (83) 들을 통해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈 디퓨저 (82) 와 상기 흐름채널을 방사방향으로 내측에서 한정하는 상기 하우징 부품 (81) 과, 상기 버팀대 (83) 들은 일체로 형성되는, 배기가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈 디퓨저 (82) 와 상기 흐름채널을 방사방향으로 내측에서 한정하는 상기 하우징 부품 (81) 사이에는 적어도 7 개의 상기 버팀대들 (83) 이 배치되는, 배기가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈 디퓨저 (82) 와 상기 흐름채널을 방사방향으로 내측에서 한정하는 상기 하우징 부품 (81) 과 상기 버팀대 (83) 들로 구성된 유닛 (8) 의 분해시, 이 유닛 (8) 과 함께 상기 터빈의 하우징 밖으로 끌어내어지도록, 상기 안내 장치 (70) 는 상기 터빈 디퓨저에 고정되어 있는, 배기가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈 디퓨저 (82) 와 상기 가스 배출 하우징 (20) 사이의 틈새 안에는 스로틀 시일 (9) 이 배치되어 있는, 배기가스 터빈.
제 1 항에 있어서,
상기 버팀대 (83) 들을 통해 적어도 하나의 공기 채널 (air channel, 831) 이 안내되며, 상기 적어도 하나의 공기 채널 (831) 은 상기 터빈 디퓨저에서의 취입 개구부 (blow-in opening, 832) 들과 연결되어 있는, 배기가스 터빈.
제 5 항에 있어서,
상기 스로틀 시일 (9) 은 상기 터빈 디퓨저 (82) 안의 그루브 (groove, 821) 안에 배치된 적어도 하나의 실링링 (sealing ring, 91) 을 구비하는, 배기가스 터빈.
배기가스 터보차저로서, 상기 배기가스 터보차저는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 터빈, 및 베어링 하우징 (bearing housing, 50) 안에 설치된 샤프트 (shaft) 를 포함하고, 상기 샤프트는 그 위에 고정된 압축기휠 (64) 을 가지며, 이때 터빈 디퓨저 (82) 와, 흐름채널을 방사방향으로 내측에서 한정하는 하우징 부품 (81) 과, 버팀대 (83) 들로 구성된 유닛 (8) 은 고정 수단 (fastening means, 85) 들을 이용해 상기 베어링 하우징 (50) 의 압축기측으로부터 상기 베어링 하우징 (50) 에 고정되어 있는, 배기가스 터보차저.