KR20140012715A - 작동샤프트의 가스 압력 편향형 밀봉 방법 - Google Patents

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Abstract

예를 들어, 터보차저 터빈 하우징과 주위 공기와 같이 상이한 압력들을 갖는 체적들을 연결하는 보어를 통하여 연장되는 샤프트의 둘레에서 가스가 누출되는 성향은, 가스와 매연에 대한 연속적인 밀봉을 제공하도록 가스 압력에 의하여 편향되는 한 쌍의 밀봉링들을 추가하여 최소화된다.

Description

작동샤프트의 가스 압력 편향형 밀봉 방법 {GAS PRESSURE BIASED SEALING METHOD FOR AN ACTUATING SHAFT}
본 발명은 터보차저 하우징의 벽들을 관통하는 터보차저 샤프트들의 개선된 샤프트 밀봉 디자인에 대한 요구에 대응하기 위한 것이다.
터보차저는 과급 시스템의 한 종류이다. 터보차저는 정상적인 흡입 구성에서 가능한 밀도보다 더 큰 밀도를 가지는 공기를 엔진 흡입구로 전달하여 보다 많은 연료가 연소되도록 함으로써, 엔진의 중량을 크게 증가시키지 않으면서 엔진의 마력을 증가시킬 수 있다. 큰 물리적 크기를 갖는 정상적인 흡입 엔진을 대체하는 터보차저가 달린 작은 엔진은, 그 질량을 줄이고, 차량의 공기역학적 전방 면적을 줄일 수 있다.
터보차저는 터보차저 하우징(2)의 내부에 위치하는 터빈휠(21)을 구동하기 위하여 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기유동을 사용한다. 배기가스가 터빈휠을 통과하고, 상기 터빈휠이 배기가스로부터 에너지를 얻으면, 소비된 배기가스는 엑스듀서(exducer)를 통하여 상기 터보차저 터빈 하우징으로부터 배출되고, 차량의 다운파이프(downpipe)를 따라 덕트를 통하여 이동하며, 보통, 촉매 컨버터(catalytic converter), 입자성 물질 포집기(particulate trap), 및 질소산화물 포집기(NOx trap)와 같은 후처리 장치로 덕트를 통하여 이동한다.
웨이스트 게이트로 된 터보차저에서, 터빈 벌류트(volute)가 바이패스 덕트에 의하여 터빈 엑스듀서에 유체 연결된다. 바이패스 덕트를 통한 유동은 웨이스트 게이트 밸브(61)에 의하여 제어된다. 바이패스 덕트의 유입구는 상기 터빈휠의 상류 측인 상기 벌류트의 유입구 측에 위치되고, 바이패스 덕트의 유출구는 상기 터빈휠의 하류 측인 상기 벌류트의 엑스듀서 측에 위치되기 때문에, 바이패스 덕트를 통한 유동은, 바이패스 모드인 경우에 상기 터빈휠을 우회하며, 이에 따라, 상기 터빈휠에 동력을 공급하지 않는다. 웨이스트 게이트를 작동시키기 위해, 작동력 또는 제어력은 터빈 하우징의 외부로부터, 터빈 하우징을 통하여, 터빈 하우징 내부의 웨이스트 게이트 밸브로 전달되어야 한다. 웨이스트 게이트 회동샤프트는 터빈 하우징을 통하여 연장된다. 터빈 하우징의 외부에서, 액추에이터(73)가 링크(74)를 경유하여 웨이스트 게이트암(62)에 연결되고, 웨이스트 게이트암(62)은 웨이스트 게이트 회동샤프트(63)에 연결된다. 터빈 하우징의 내부에서, 회동샤프트(63)는 웨이스트 게이트 밸브(61)에 연결된다. 액추에이터로부터의 작동력은 터빈 하우징의 내부에서 웨이스트 게이트 밸브(61)를 이동시키는 회동샤프트(63)의 회전으로 변환된다. 웨이스트 게이트 회동샤프트는 원통형의 부싱(68)의 내부에서 회전되거나, 터빈 하우징에 직접적으로 접촉된다. 환형의 유격이 샤프트와 내부에 샤프트가 위치되는 부싱의 보어 사이에 존재하기 때문에, 이 유격을 통하여 가압된 터빈 하우징으로부터의 고온의 유독성 배기가스 및 매연의 배출이 가능하다.
터빈 하우징들은 큰 온도 구배(temperature gradients) 및 온도 변화(temperature flux)를 겪는다. 벌류트 표면들은, 상기 엔진 내에서 사용되는 연료에 따라, 740℃ 내지 1,050℃ 범위의 배기가스와 접촉하는 반면, 상기 터빈 하우징의 외부는 주위의 공기 온도에 직면한다. 액추에이터는, 상기한 바와 같은 변환 운동을 통하여, 상기 웨이스트 게이트를 제어할 수 있으며, 이에 따라, 터빈휠로의 유동을 정확하고, 반복가능하며, 방해 없는(non-jamming) 방식으로 제어할 수 있어야 한다.
가변터빈구조(VTG, variable turbine geometry) 기구는, 상기 터빈휠로의 배기가스의 유동을 제어하는 데에 사용될 뿐만 아니라, EGR 배기가스를, 연소 챔버로의 재유입이 허용되도록, 압축기 시스템으로 구동하기 위해 요구되는 상기 터빈의 배압을 압력 구배에 대하여 제어하는 데에 사용된다. 터빈 시스템 내부의 배압은 500 kPa에 이르는 영역 내에 있을 수 있다. 터빈단 내부의 이러한 고압은 임의의 개구들 또는 간격들을 통한 배기가스의 대기로의 배출을 야기할 수 있다. 이러한 개구들을 통한 배기가스의 흐름은 보통 가스 배출 통로의 출구측상의 검은색 매연 잔여물을 수반한다. 이러한 매연 침전물은 미적 관점에서 바람직하지 않다. 따라서, 배기가스 누출은 앰뷸런스 및 버스와 같은 차량에 특히 민감한 문제이다. 배출의 관점에서 볼 때, 터빈단으로부터 배출되는 가스는 엔진/차량의 후처리 시스템들에 의해 포집되지 않고 처리되지 않는다.
통상적으로, 부싱의 단부면들이 일반적으로 밸브암의 내부플랜지(inboard flange) 또는 외부플랜지(outboard flange), 또는 웨이스트 게이트 제어 기구의 구동암의 표면에 접촉되어 누출을 소정의 시간 동안 차단하였기 때문에, 원통형상의 보어의 내부에서 회전하는 샤프트에 의하여 형성되는 환형체를 통한 가스 및 매연의 누출은 어느 정도 용인되었다.
때때로 피스톤 링으로도 불리는 밀봉링들(seal ring)과 같은 밀봉수단은 보통, 터보차저의 내부에 사용되어 정적 베어링 하우징과 동적 회전 어셈블리(즉, 터빈휠, 압축기휠, 및 샤프트) 사이의 밀봉을 생성하여 베어링 하우징으로부터 압축기 및 터빈단들 모두로의 오일 및 가스의 흐름 및 그 반대의 경우에서의 흐름을 제어한다. 보그워너(BorgWarner)는 이러한 목적의 밀봉링들을 최초의 터보차저들이 대량으로 생산될 때인 적어도 1954년부터 생산하여 왔다. 직경이 19mm인 밀봉링 보스(boss)를 가지며 150,000 RPM으로 회전하는 샤프트에 대하여, 밀봉링의 횡면(cheek) 및 밀봉링홈의 측벽 사이의 상대적 러빙(rubbing) 속도는 대략 149,225 mm/sec이다.
상기한 바와 같이 사용되는 다양한 밀봉링들은 때때로 상대적으로 저속인 회전샤프트들 (150,000 RPM의 터보차저 회전 어셈블리 밀봉과 비교하여)에 대한 밀봉장치로서 사용된다. 이러한 저속의 회전샤프트들은 7 내지 8mm/sec의 상대적 러빙 속도와 동일시 되는 대략 15 RPM 회전속도로 회전한다.
터보차저의 내부에 사용되는 밀봉링은, 밀봉링의 측벽의 일부분을 밀봉링홈의 일측벽에 접촉시키고, 밀봉링의 외경을 내부에 샤프트가 위치되는 보어의 내경에 접촉시키는 것에 의하여, 밀봉을 최적으로 형성한다. 링이 샤프트에 조립되도록 하고, 샤프트 및 링이 보어의 내부에 조립되도록 하기 위하여, 밀봉링홈의 깊이는, 링이 외경(따라서, 유효원주 및 내경)에서 붕괴되어 밀봉링의 외경이 내부에서 밀봉링이 작동하는 보어의 내경과 거의 같게 될 수 있는 정도여야 한다. 도 2A는, 샤프트(63)의 직경에 걸쳐 링을 강제로 팽창시키고 홈의 내부에 안착시키는 것에 의해 샤프트에 조립되어 있지만, 자연적 팽창 조건에서의 밀봉링(80)을 도시한다. 링이 조립된 샤프트가 부싱(68)의 보어 내부로 밀림에 따라 챔퍼부(chamfer)(69)가 링의 외경이 부싱의 내경(70) 내에서 슬라이드할 수 있을 때까지 링을 압축한다. 현재 압축된 링은 샤프트의 임의의 축방향 위치에서 부싱의 내경을 밀봉한다.
이러한 조건에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 밀봉링(80)은 링홈의 국한된 범위 내의 임의의 축방향 위치에서 축방향으로 위치될 수 있고, 밀봉링홈은 샤프트(86)의 외경의 반경방향 요소와 밀봉링홈의 바닥(82)의 직경 사이의 체적과, 밀봉링홈의 내벽(83) 및 외벽(81) 사이의 거리로 정의된다. 이러한 밀봉링홈의 정의에 의하면, 링의 하측(즉, 압축된 피스톤링의 내경(84)과 밀봉링홈의 바닥(82)의 직경과의 사이)에는 항상 체적이 존재함을 알 수 있다. 또한, 밀봉링홈의 내벽(83)과 밀봉링의 근접벽 사이에 체적이 존재할 수 있다. 밀봉링홈의 반대측에서도, 밀봉링홈의 외벽(81)과 밀봉링의 근접벽 사이에도 체적이 존재할 수 있다. 도 3은 밀봉링(80)이 밀봉링홈의 내벽(83)과 외벽(81) 사이에서 어느 정도 중간에 위치되어, 밀봉링의 둘레에 가스 및 매연(86)의 흐름을 허용하는 조건을 도시한다. 밀봉링의 축방향 위치는 부싱 내부의 보어의 내경과의 마찰에 의하여 제어되고, 홈의 측벽과의 임의의 접촉에 의해서 이동되기 때문에, 최적화된 밀봉조건은 밀봉링의 측벽이 밀봉링홈의 측벽에 직접적으로 접촉할 때에만 존재한다. 이와 다른 어떠한 축방향 조건에서는, 도 3에 도시된 누출통로가 존재한다.
링들 사이에 압력 또는 진공을 도입하여 복수의 밀봉링들을 횡단하는 압력차를 변경하는 것에 의해 이러한 누출을 감소시키는 디자인들을 교시하는 다수의 특허들이 있으나, 상기 링들이 홈의 측벽(들)과 직접적으로 접촉하지 않는다면 잠재적인 누출이 항상 존재한다.
따라서, 터보차저들 내부의 "느리게 회전하는" 웨이스트 게이트 및 VTG 회동샤프트들에 대한 완전한 가스 밀봉을 형성하는 디자인에 대한 요구가 있음을 알 수 있다.
본 발명은, 터보차저 내부의 액추에이터 샤프트에 대한 제1 및 제2밀봉링들 사이에 가스 압력을 도입하고, 가스 압력이 강제로 복수의 밀봉링들을 밀봉 접촉되게 하여, 배기가스 및 매연에 의해 내부적으로 가압된 챔버와 외부 환경 사이의 가스 및 매연의 연속적인 밀봉을 제공함으로써, 상기한 문제들을 해결하기 위한 것이다.
본 발명은 예로서 도시되며, 동일한 도면부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부된 도면에 한정되지 않는다.
도 1은 전형적인 웨이스트 게이트 터보차저의 단면을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 밀봉링 압축을 나타내는 두 개의 단면을 도시한다.
도 3은 가스 누출 흐름을 나타내는 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 단면도를 도시한다.
도 5은 본 발명의 제1실시예의 확대도를 도시한다.
터보차저 내부로부터 터보차저 주위의 깨끗한 주위 공기로의 가스 및 매연의 누출은 엔진 제조자들에 의하여 허용되지 않는다. 터보차저 제조자들은, 베어링 하우징 캐비티와, 터빈단 및/또는 압축기단 사이의 가스 및 오일의 연통을 밀봉하기 위하여, 1950년대 터보차저가 처음으로 디젤엔진의 내부에 대량 생산되었던 때부터 줄곧 피스톤 링, 또는 밀봉링을 사용하여 왔다. 따라서 이러한 밀봉에 대한 공학 및 응용은 부담이 덜한 터보차저상의 위치에서의 임의의 가스 또는 물질의 밀봉에 대하여 타당하다.
일반적인 조립 밀봉링을 통과하는 단면은, 밀봉링이 조립되는 샤프트의 축에 대하여 수직으로 나타낸 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 샤프트의 내부에서 환형 홈의 내부에 부분적으로 배치되거나 내부에서 샤프트가 회전하는 보어의 내부에 부분적으로 배치되는 좁은 직사각형 단면을 가지며, 양 방법은 샤프트와 그 보어 사이의 밀봉 수준을 제공한다. 축방향으로, 밀봉링은 바람직하게는 밀봉링홈의 측벽들 중 하나를 향하여 위치되지만, 그런 편향(biasing)을 일으키는 기계적 수단은 없다. 홈은 일반적으로 밀봉링의 대응측의 길이에 비하여 큰 홈의 반경방향 깊이를 가지는 직사각 형상의 단면을 갖는다. 보어의 내부에 위치되는 밀봉링홈인 경우, 이는 밀봉링의 팽창에 의하여, 밀봉링이 밀봉링홈의 내부로 조립되도록 하고, 이에 따라, 대응샤프트(mating shaft)가 부품의 보어를 통과하도록 한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 샤프트의 내부에 위치되는 밀봉링홈인 경우, 이는 밀봉링의 수축에 의하여, 밀봉링이 샤프트의 내부에서 밀봉링홈의 내부에 조립되도록 하여, 조립된 구성에서 밀봉링의 팽창이 허용될 때까지 대응샤프트 및 수축된 밀봉링을 부품의 보어를 통과하도록 한다. 직사각형의 홈의 폭은 이상적으로는 최적의 밀봉을 제공하기 위해, 밀봉링의 폭에 가깝다. 일반적으로, 홈과 밀봉링의 폭들이 가까울수록, 밀봉능력이 좋으나, 밀봉링이 홈의 내부에 붙잡히는 성향이 커지게 된다.
도 2b의 밀봉링은, 안착상태에서, 링의 여유 있는 형상의 대략적인 직경이, 내부에 링이 조립되는 보어(70)의 직경에 비하여 크게 되도록 하여 조립된 상태에서, 수축된 링의 스프링 힘이 밀봉링의 부분적인 원주의 외측을 향하는 면을 내부에 링이 위치되는 보어의 내측을 향하는 면으로 밀도록 설계된다. 결과적인 밀봉은 보어(70) 및 링(80) 사이의 원통형 경계면 뿐만 아니라 홈 벽(81) 및 링(80) 사이의 반경방향 경계면을 통한 배기가스의 배출을 방지하는 접촉 밀봉이 된다. 따라서, 이러한 밀봉 방법은, 고압 영역을 횡단하는 배기가스의 천이를 방지하는 "에어 댐(air dam)"을 형성하기 위해 압력하의 가스가 끊임 없이 공급되어야 하는 "퍼지 밀봉(purge seal)"과 다르다. 본 발명에 따르면 압력 매체의 누출이 더 적으므로, 압력 매체가 압력 어큐뮬레이터와 같은 정적 수단에 의해 공급될 수 있거나, 소형 공압 펌프 등의 동적 수단이나 압축기 출구와의 연결을 통해 공급될 수 있다.
적대적인 열적 및 화학적 환경으로 인하여, 일반적으로 회동샤프트는 터빈 하우징 내에 직접적으로 기계 가공된 보어에 직접적으로 끼워지지 않으나, 터빈 하우징(2) 내의 보어 내에 위치되는 정지 상태의 부싱 또는 베어링(68)에 보다 자주 끼워진다. 이는 열팽창계수에 더 부합하도록 하기 (유격을 긴밀하게 유지시키기) 위한 것이며, 회동샤프트의 물질과 터빈 하우징의 물질 사이에서 심각한 골링(galling) 가능성을 억제하기 위한 것이다. 일반적으로 부싱은, 부싱의 축과 수직하한 보어를 통과하며 부싱의 외경 및 터빈 하우징의 보어를 관통하는 핀(59)에 의하여 축방향으로 구속되며, 이에 따라, 부싱이 터빈 하우징의 내부에 구속된다.
저속 웨이스트 게이트 또는 VTG 회동샤프트 상에서, 각 밀봉링들이 그 밀봉링홈 내에 장착되는, 복수의 밀봉링들을 사용하는 본 발명의 구성에서, 본 발명자들은 그 내부로 압력하의 가스가 도입되며, (적어도) 두 개의 링들 사이에서 규정되는 환형체의 측면 각각에 하나의 링을 가지는 적어도 두 개의 밀봉링들을 사용하는 디자인을 개발하였다. 따라서, 각 밀봉링은 가스가 채워진 환형체에 근접한 일측면 및 가스가 채워진 환형체로부터 멀리 떨어진 일측면을 가지며, 각 밀봉링 상의 환형의 원위측면과 각 밀봉링홈상의 환형의 접촉측면 사이에 직접적인 접촉이 생성되도록 밀봉링들이 환형체의 내부로 도입되는 가스 압력에 의해 축방향으로 이격된다.
홈의 측면에 대하여 내측 밀봉링에 힘을 가하기 위하여 환형체 내로 도입된 가스의 압력은 터빈 하우징 내부의 압력을 초과하여야 한다. 그러므로, 요구되는 압력은, 주어진 적용예에서, 터빈 하우징 내부의 가스의 압력에 좌우되며, 용이하게 결정될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에서는, 도 4에 도시되고 도 5의 확대도로서 나타낸 바와 같이, 두 개의 밀봉링들(80)은 회전 가능한 회동샤프트(63)의 둘레에 배치되고, 이들이 내부로 끼워지는 밀봉링홈들의 측벽들에 의하여 축방향으로 위치된다.
압력하의 가스(91)는, 가압된 가스를, 회동샤프트(63)의 외경 및 부싱(68) 내의 보어(70)의 내경에 의하여 반경방향으로 한정되고 내측 및 외측 밀봉링(80)의 근접면들에 의하여 축방향으로 한정된 환형의 체적으로 유체 연결하는 포트(90)로 덕트를 통하여 이동된다. 밀봉링들 사이에 작용되는 가스 압력은, 밀봉링들(80)의 외측을 향하는 면들이 부싱(68)의 보어(70)의 내측을 향하는 면에 원주방향으로 접촉하면서 샤프트(63)의 밀봉링홈들의 상호보완형 환형 밀봉면들(64, 66)에 접촉할 때까지, 밀봉링들이 축방향으로 이격시켜, 회동샤프트와 내부에 회동샤프트가 장착되는 보어의 둘레에서의 가스 및 매연의 밀봉을 제공한다. 이러한 본 발명의 밀봉은 터보차저의 내부와 터보차저의 외부 환경 사이에서의 가스 및 매연의 밀봉을 제공한다.
본 발명의 제1실시예에 대한 변형예에서는, 본 발명의 제1실시예에서와 같은 하나의 홈마다 하나의 밀봉링 대신에, 복수의 밀봉링들이 적당하게 넓은 홈의 내부에 설치된다.
본 발명의 해결수단에서는, 가스 압력이 밀봉링들이 터보차저 외부의 환경으로의 배기가스 및 매연의 흐름을 차단하는 그들의 밀봉링홈들의 상호보완형 환형 밀봉면들에 접촉할 때까지 밀봉링들을 물리적으로 이동시키기 위해 사용된다는 것을 알 수 있다.
이상 본 발명을 설명하였다.

Claims (9)

  1. 터보차저 하우징(2) 내의 터빈;
    상기 터보차저 하우징 내의 장치;
    상기 터보차저 하우징 내의 상기 장치를 작동시키기 위해 상기 터보차저의 외부에 위치된 액추에이터(73);
    작동기구로부터 상기 장치로의 작동이동을 전달하기 위하여 상기 터보차저 하우징을 통하여 연장되는 보어(70) 내부에 회전 가능하게 장착된 회동샤프트(63);
    상기 회동샤프트 및 상기 보어 중 적어도 하나의 내부의 적어도 하나의 원주방향 홈 내에 구비된 제1 및 제2 밀봉링(80); 및
    작동 조건하에서 각각의 밀봉홈 벽(81, 83)에 대하여 상기 밀봉링들을 축방향으로 각각 이격시키도록 충분한 압력을 상기 밀봉링들 사이로 도입하는 수단을 포함하는 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    양 밀봉링들은 동일한 홈 내에 구비되는 터보차저.
  3. 제1항에 있어서,
    각 밀봉링은 별개의 홈에 구비되는 터보차저.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 원주방향 홈이 상기 회동샤프트 내에 구비되는 터보차저.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 원주방향 홈이 상기 보어 내에 구비되는 터보차저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보어는 부싱의 내부에 구비되고, 상기 부싱은 상기 터보차저 하우징 내에 안착되는 터보차저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 웨이스트 게이트 밸브(61)인 터보차저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 터보차저는 가변터빈구조(VTG) 기구를 구비하고, 상기 장치는 상기 VTG 기구인 터보차저.
  9. 터보차저 하우징(2) 내의 터빈, 상기 터보차저 하우징 내의 장치, 상기 터보차저 하우징 내의 상기 장치를 작동시키기 위해 상기 터보차저의 외부에 위치된 액추에이터(73), 작동기구로부터 상기 장치로의 작동이동을 전달하기 위하여 상기 터보차저 하우징을 통하여 연장되는 보어(70) 내부에 회전 가능하게 장착된 회동샤프트(63), 및 상기 회동샤프트 및 상기 보어 중 적어도 하나의 내부의 적어도 하나의 원주방향 홈 내에 구비된 제1 및 제2 밀봉링(80)을 포함하는 터보차저를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    작동 조건하에서 각각의 밀봉홈 벽(81, 83)에 대하여 상기 밀봉링들을 축방향으로 각각 이격시키도록 충분한 압력을 상기 밀봉링들 사이로 도입하는 단계를 포함하는 방법.
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