KR20140033455A - 복류식 터빈 하우징 터보차저 - Google Patents

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바히딘 알라제고빅
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Abstract

본 개시의 구현예들은 터보차저 시스템을 위한 터빈 어셈블리에 관한 것이다. 몇몇 구현예에서, 터빈 하우징은, 유체 공급원과의 유체 소통을 위한 유입구, 및 유입구를 내부 유입구와 외부 유입구로 분할하는 벽을 한정하는 바디; 및 하우징 내에 배치되며 복수의 베인을 포함하는 유체 가이드 어셈블리로, 복수의 베인은 하우징 내에서 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하되, 내부 볼류트는 내부 유입구와 유체 소통되며, 외부 볼류트는 외부 유입구와 유체 소통되고, 복수의 베인 각각은 반경 방향에 대해 각각의 각도로 고정되며, 복수의 베인은 유체 유동을 외부 볼류트로부터 내부 볼류트로 안내하는 유체 가이드 어셈블리를 포함한다.

Description

복류식 터빈 하우징 터보차저{DOUBLE FLOW TURBINE HOUSING TURBOCHARGER}
본 발명은 터보차징에 관한 것으로, 특히 터보차저를 위한 복류식 터빈에 관한 것이다.
터보차저는 통상적으로, 회전 가능하게 장착된 샤프트의 제1 단부에 결합되는 터빈, 및 샤프트의 제2 단부에 결합되는 압축기를 포함한다. 압축기는 일반적으로 압축기 하우징에 의해 둘러싸인 압축기 휠을 포함하고, 터빈은 일반적으로 터빈 하우징에 의해 둘러싸인 터빈 휠을 포함한다. 사용 중에, 내연기관에 의해 생성된 배기가스가 터빈 휠을 구동시키기 위해 사용되고, 이후 터빈 휠은 압축기 휠에 동력을 공급한다. 압축기는 엔진에 진입하는 공기의 압력을 증가시키고, 그에 따라 일반적으로 자연 흡기 엔진을 이용하여 가능한 것보다 더 많은 양의 산소가 연소를 위해 공급될 수 있다(이러한 효과는 청정 연소를 위한 화학양론적 한계를 초과하는 공연비(air-fuel ratio)를 종종 요구하는 디젤 엔진에 특히 유리할 수 있다). 압축기에 의해 제공되는 이러한 압력의 증가는 보통 "부스트(boost)"로 지칭된다.
터빈은 터빈 휠을 수용하도록 그리고 터빈 휠에 배기가스 유동을 도입하도록 설계된 터빈 하우징을 포함한다. 높은 부하(예컨대, 높은 엔진 속도)의 몇몇 경우에, 미검사 상태로 남겨진 경우, 터빈 휠에 공급되는 흐르는 배기가스의 에너지는 압축기로 하여금 엔진이 안전하게 견딜 수 있는 것보다 많은 부스트를 생성하도록 강제한다. 이러한 상태는 "오버부스트(over-boost)"로 지칭된다.
통상적으로, 배기가스 바이패스 또는 "웨이스트게이트"를 제공하여 오버-부스트를 억제하였다. 웨이스트게이트는 흐르는 배기가스의 일부를 터빈으로부터 멀리 우회시킴으로써(즉, 웨이스트게이팅함으로써) 터빈 휠에 공급되는 에너지를 제한하도록 설계된다. 그러나, 웨이스트게이트를 구비한 터보차저는 대개 낮은 유동 조건(예컨대, 낮은 부하 또는 엔진 속도 조건)을 위한 크기를 가지므로, 정격 출력에서 또는 그 인근에서 상당한 웨이스트게이팅을 요구한다. 정격 출력에서의 웨이스트게이팅은, 대량 유동 처리량(mass flow throughput)의 손실이 터빈에 걸친 팽창비의 증가에 의해 상쇄되어야 하기 때문에, 종종 열악한 연비를 초래한다. 그 결과로, 터빈 상류의 압력이 상승하고, 이는 엔진에 대한 펌핑 손실의 증가로 이어진다.
최근에는, 가변 터빈 구조(variable turbine geometry, VTG)가 오버부스트를 억제하기 위해 사용되었다(VTG는 또한 배기가스를 다시 흡기 매니폴드로 구동시키는 데에 필요한 역압력 구배를 생성하기 위해 사용될 수 있다. "EGR"로 지칭되는 디젤 배기 전략). VTG는 터빈 하우징의 내부 공간의 구조를 변경하여, 터빈 휠에 도입되는 흐르는 배기가스의 압력을 조절함으로써 부스트를 제어하기 위해, 터빈 하우징 내에 배치되는 일련의 이동 가능한 베인들을 사용한다. VTG는 효과적이지만, 종종 매우 복잡하며, 까다로운 제어 시스템을 요구한다. 다수의 소형 이동부들, 센서들, 및 제어기들로 인해, 다른 터보차저들보다 더 고비용이며, 더 유지가 어렵다.
낮은 부하 조건과 높은 부하 조건 모두에 대해 충분한 부스트 제어를 제공하는 보다 효율적이고, 비용효과적이며, 적응적인 터보차저를 위한 개선을 지속적으로 추구한다.
몇몇 양상에서, 본 발명의 구현예들은 터보차저를 위한 터빈 하우징을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 터빈 하우징은, 유체 공급원과의 유체 소통을 위한 유입구, 및 유입구를 내부 유입구와 외부 유입구로 분할하는 벽을 한정하는 바디; 및 하우징 내에 배치되며 복수의 베인을 포함하는 유체 가이드 어셈블리로, 복수의 베인은 하우징 내에서 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하되, 내부 볼류트는 내부 유입구와 유체 소통되며, 외부 볼류트는 외부 유입구와 유체 소통되고, 복수의 베인 각각은 반경 방향에 대해 각각의 각도로 고정되며, 복수의 베인은 유체 유동을 외부 볼류트로부터 내부 볼류트로 안내하는 유체 가이드 어셈블리를 포함한다.
몇몇 양상에서, 유체 가이드 어셈블리는 바디에 고정되는 가이드 플레이트를 더 포함한다. 몇몇 양상에서, 베인들은 가이드 플레이트에 각각 고정된다. 몇몇 양상에서, 베인들은 가이드 플레이트와 각각 일체로 형성된다.
몇몇 양상에서, 적어도 하나의 베인은 터빈 휠의 방사상 중심에 대해 선택된 각도로 위치한다. 몇몇 양상에서, 선택된 각도는 약 30° 내지 약 80°이다. 몇몇 양상에서, 선택된 각도는 약 40° 내지 약 70°이다. 몇몇 양상에서, 선택된 각도는 약 50° 내지 60°이다. 몇몇 양상에서, 각각의 베인은 선택된 각도로 위치한다. 몇몇 양상에서, 선택된 각도는 제1 선택 각도를 포함하고, 적어도 하나의 다른 베인은 터빈 휠의 방사상 중심에 대해 제2 선택 각도로 위치한다. 몇몇 양상에서, 선택된 각도는 터빈 휠 개구의 중심점과 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사상 라인, 및 베인의 중심점과 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정된다.
몇몇 양상에서, 베인들은 터빈 휠에 대한 유체 유동의 입사각을 제공하도록 위치한다. 몇몇 양상에서, 입사각은 최대 약 10°이다.
몇몇 양상에서, 각각의 베인의 각각의 각도는 베인에 걸친 유체 유동 분리를 억제하기 위해 제공된다.
몇몇 양상에서, 적어도 하나의 베인은 비대칭 에어포일 형상의 베인을 포함한다.
몇몇 양상에서, 유입구는 내부 유체 유로와 외부 유체 유로를 포함하고, 내부 유체 유로는 내부 볼류트와 유체 소통된다.
몇몇 양상에서, 하우징은, 외부 유입구와 외부 볼류트 사이의 유체 소통을 조절하기 위한 밸브 어셈블리로, 외부 유입구를 통한 유체 유동을 억제하기 위한 완전 폐쇄 위치 및 외부 유입구를 통한 유체 유동을 허용하기 위한 완전 개방 위치 사이에서 이동 가능한 게이트를 포함하는 밸브 어셈블리를 더 포함한다. 몇몇 양상에서, 터빈 휠 개구의 중심점과 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사형 라인, 및 베인의 중심점과 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 베인들의 각각의 각도는 약 60°이며, 게이트는 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 80% 개방되어 위치한다. 몇몇 양상에서, 터빈 휠 개구의 중심점과 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사형 라인, 및 베인의 중심점과 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 베인들의 각각의 각도는 약 55°이며, 게이트는 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 80% 개방되어 위치한다. 몇몇 양상에서, 터빈 휠 개구의 중심점과 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사형 라인, 및 베인의 중심점과 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 베인들의 각각의 각도는 약 50°이며, 게이트는 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 약 100% 개방되어 위치한다.
몇몇 양상에서, 터보차저는 본원에 개시된 바와 같은 하우징의 구현예들을 포함한다.
몇몇 양상에서, 터보차저 하우징을 제조하는 방법의 구현예들을 제공한다. 몇몇 양상에서, 방법은, 유체 공급원과의 유체 소통을 위한 유입구, 및 유입구를 내부 유입구와 외부 유입구로 분할하는 벽을 한정하는 바디를 형성하는 단계, 각각이 반경 방향에 대해 각각의 각도로 고정되는 복수의 베인을 포함하는 유체 가이드 어셈블리를 조립하는 단계, 및 복수의 베인이 하우징 내에서 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하되, 내부 볼류트는 내부 유입구와 유체 소통되며, 외부 볼류트는 외부 유입구와 유체 소통되고, 복수의 베인은 유체 유동을 외부 볼류트로부터 내부 볼류트로 안내하도록 작동 가능하도록, 바디 내에 유체 가이드 어셈블리를 고정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예의 상세가 첨부 도면 및 하기 설명에서 기술된다. 본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 이러한 설명 및 도면 그리고 청구범위로부터 명확해질 것이다.
도 1은 터보차저 시스템을 위한 예시적인 터빈 어셈블리의 사시도이다.
도 2는 도 1의 예시적인 터빈 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 가이드 베인들을 포함하는 예시적인 유체 가이드 어셈블리의 사시도이다.
도 4a는 가이드 베인들을 포함하는 도 3의 유체 가이드 어셈블리의 평면도이다.
도 4b는 가이드 베인들에 걸친 유체 유동을 나타내는 도 4a의 평면도의 일부분을 도시한다.
도 5a는 가이드 베인들이 없는 도 3의 가이드 플레이트의 평면도이다.
도 5b는 예시적인 가이드 베인의 사시도이다.
도 6a는 일체로 형성된 가이드 베인들을 포함하는 제2 예시적인 가이드 플레이트의 전방 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 가이드 플레이트의 후방 사시도이다.
도 7a는 제1 예시적인 유체 유동을 나타내는 도 1의 예시적인 터빈 어셈블리의 단면도이다.
도 7b는 제2 예시적인 유체 유동을 나타내는 도 1의 예시적인 터빈 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 예시적인 모듈식 가이드 플레이트의 평면도이다.
도 9a는 도 8의 모듈식 가이드 플레이트의 전방 사시도이다.
도 9b는 도 8의 모듈식 가이드 플레이트의 후방 사시도이다.
도 10은 도 1의 터빈 어셈블리 내에 배치된 도 8의 모듈식 가이드 플레이트의 단면도이다.
도 11a는 대수 스크롤 배치(logarithmic scroll arrangement)로 배치된 가이드 베인들을 포함하는 예시적인 모듈식 가이드 플레이트의 평면도이다.
도 11b는 가이드 베인들과 스플리터 베인들을 포함하는 예시적인 모듈식 가이드 플레이트의 평면도이다.
다양한 도면의 유사 도면부호들은 유사 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 구현예들은 전반적으로, 터빈 휠을 구동시키기 위한 다수의 유체 유동 경로를 선택적으로 제공하기 위한 이중-볼류트 배치를 포함하는, 터보차저 시스템용 터빈 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 본 개시의 구현예들은 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하기 위해 터빈 하우징 내에 배치되는 복수의 가이드 베인을 포함한다. 가이드 베인들은 외부 볼류트로부터 내부 볼류트로, 궁극적으로는 터빈 휠로 유체 유동을 유도한다. 몇몇 구현예에서, 가이드 베인들은 터빈 휠에서 바람직한 입사각을 제공하도록, 가이드 베인들에 걸친 유체 유동 분리를 억제하도록, 및/또는 가이드 베인들 사이의 바람직한 스로틀 영역을 제공하도록 설계 및 위치된다.
도 1은 예시적인 터빈 어셈블리(100)의 사시도이고, 도 2는 예시적인 터빈 어셈블리(100)의 단면도이다. 터빈 어셈블리(100)는 터보차저 시스템 또는 터보차저 키트의 부품일 수 있다. 예컨대, 터빈 어셈블리(100)는 터빈 휠(102; 도 2에 개략적으로 도시됨)을 위한 적절한 인클로져를 제공할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 부품은 단일 부품으로, 또는 다양한 규칙적 또는 불규칙적 형상을 가지며 서로 결합되는 부품들의 조합으로 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2의 실시예에서, 터빈 어셈블리(100)는 가압 유체 유동(예컨대, 연소 엔진 배기 생성물)을 터빈 휠(102)을 향해 안내하도록 구성된다. 특히, 터빈 어셈블리(100)는 이하에 추가로 상세히 설명되는 하나 이상의 물리적 특징부(예컨대, 표면, 부재, 구조 등)를 포함하고, 이러한 물리적 특징부는 하우징에 진입하는 가압 유체 유동을 터빈 휠(102)을 향해 안내하도록 형성, 위치, 및/또는 배치된다. 유체는 액체, 기체, 증기, 및/또는 이들의 임의의 혼합 또는 조합을 포함할 수 있다.
터빈 어셈블리(100)는 유입 밸브 어셈블리(106)와 가이드 어셈블리(108) 모두를 지지하는 바디(104)를 포함한다. 사용 중에, 바디(104)는 가압 유체 유동을 공급하는 유체 공급원(예컨대, 엔진에 결합된 배기 매니폴드)에 결합된다. 바디(104)는 하나 이상의 물체 또는 부품 사이의 간접 연결(예컨대, 하나 이상의 중개 연결) 또는 직접 연결에 의해 유체 공급원에 결합될 수 있다. 가압 유체 유동이 바디(104)의 내부 공간에 진입할 때, 유입 밸브 어셈블리(106)는 유입구의 하나 이상의 부분을 통해 유체 유동을 조절한다. 가이드 어셈블리(108)는 가압 유체 유동을 유입구로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내한다.
몇몇 구현예에서, 바디(104)는 다양한 규칙적 또는 불규칙적 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 바디(104)의 부분들은 직선형, 만곡형, 또는 이들의 조합일 수 있다. 따라서, 바디(104)는 임의의 적절한 형상 또는 크기를 가지고 구비될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 바디(104)는 실질적으로 직선면 및 만곡면 모두를 포함하는 불규칙적 형상을 가진다. 또한, 본 실시예에서, 바디(104)는 자동차의 엔진 공동 내에 배치되기에 적절한 크기를 가진다. 바디(104)는 바디(104)의 하나 이상의 부분을 한정하는 내표면(110)과 외표면(112)을 포함한다. 일반적으로, 바디(104)는 연소 엔진의 통상의 배기 생성물에 대해 주로 화학적으로 불활성인 하나 이상의 재료를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
몇몇 구현예에서, 내표면(110) 및/또는 외표면(112)은 연소 엔진의 통상의 배기 생성물에 대해 주로 화학적으로 불활성인 코팅재를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 내표면(110)과 외표면(112)은 하나 이상의 거칠고/거칠거나 실질적으로 매끄러운 부분을 포함한다. 예컨대, 내표면(110)은 바디(104)의 내부 공간을 통해 흐르는 가압 유체가 겪는 임의의 마찰 압력 손실(예컨대, 헤드 손실)을 제한하기 위한 하나 이상의 매끄러운 부분을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외표면(112)은 바디(104)에 개선된 냉각 효과를 제공하기 위한 하나 이상의 거친 부분을 포함한다. 예컨대, 거친 부분들은 외표면(112)에 걸쳐 흐르는 냉각 유체(예컨대, 공기, 오일 등)의 난류를 촉진하여, 냉각 유체와 바디(104) 사이의 열전달율을 증가시킬 수 있다.
도시된 바와 같이, 바디(104)는 유체 유입구(114), 유체 토출구(116), 결합 요소(118), 밸브실(valve compartment)(120), 및 내부 공간(122)을 포함하며, 그 상세가 이하에 설명된다. 도시된 실시예에서, 유체 유입구(114)는 유체 공급원에 의해 공급되는 가압 유체 유동이 바디의 내부 공간(122)에 진입하는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 가압 유체 유동은 유체 유입구(114) 내에 한정된 개구(124)를 통과할 수 있다. 개구(124)는 가압 유체 유동이 선택된 유량으로 내부 공간(122)에 진입할 수 있게 하기에 적절한 형상(예컨대, 원형, 타원형, 다각형, 또는 직선형 및 만곡형 가장자리들의 조합을 포함함) 및 적절한 크기(예컨대, 면적)를 가질 수 있다.
유체 유입구(114)는 내부 유입구(126)와 외부 유입구(128)를 제공하도록 분할된다. 내부 유입구(126)는 내벽(130)의 외표면과 분할벽(132; 도 2 참조)의 내표면에 의해 한정된다. 외부 유입구(128)는 분할벽(132)의 외표면과 내표면(110)에 의해 한정된다. 도시된 바와 같이, 내부 유입구(126)는 바디(104)의 내부 볼류트(158)와 유체 소통되고, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 외부 유입구(128)는 유입 밸브 어셈블리(106)의 작동에 의해 바디(104)의 외부 볼류트(160)와 선택적으로 유체 소통된다. 내부 볼류트(158)와 외부 볼류트(160)는 각각 유체 유동을 수용 및 안내하기 위한 나선형 또는 트위스트형 통로, 도관, 또는 케이싱으로 구비될 수 있다. 도시된 실시예에서, 내부 유입구(126)는 바디(104)의 내부 볼류트와 함께 가압 유체 유동을 위해 터빈 휠(102)을 향한 주요 경로를 제공한다. 주요 경로 외에도, 외부 유입구(128)는 외부 볼류트(160)와 함께 가압 유체 유동을 위해 터빈 휠(102)을 향한 보조 경로를 제공한다. 도시된 바와 같이, 내부 유입구(126)와 외부 유입구(128)를 한정하는 내표면과 외표면은 내부 볼류트(158)와 외부 볼류트(160)의 곡률에 상응하는 곡률을 포함하여, 터빈 휠(102)을 향해 흐르는 가압 유체가 겪는 헤드 손실을 제한한다.
유체 유입구(114)는, 유체 유입구(114)와 유체 공급원이 서로 유체 소통되어 배치되도록, 유체 공급원에 결합 또는 연결될 수 있다. 유체 유입구(114)는 이를 유체 공급원에 연결하기 위한 플랜지(134)를 더 포함한다. 플랜지(134)는 유체 유입구(114)를 유체 공급원에 연결하기 위한 하나 이상의 기계적 체결구(미도시)를 수용하는 구멍들(136)을 포함한다. 기계적 체결구들은 2개 이상의 요소를 서로 결합시키며, 볼트, 핀, 리벳, 와이어, 용접, 및 이러한 요소들의 조합을 포함할 수 있다.
유체 토출구(116)는 유체 유동이 터빈 휠(102)을 구동시킨 후에 내부 공간(122)을 빠져나갈 수 있게 한다. 예컨대, 배출된 유체 유동은 유체 토출구(116)에 의해 한정된 개구를 통과할 수 있다. 개구는 배출된 유체 유동이 내부 공간(122)을 빠져나갈 수 있게 하기에 적절한 형상(예컨대, 원형, 타원형, 다각형, 또는 직선형 및 만곡형 가장자리들의 조합을 포함함) 및 크기를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 결합 요소(118)는 축방향 돌출부로 구비된다. 결합 요소(118)는 배기 부품의 보완적인 특징부들과 맞물릴 수 있는 외부 특징부들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 결합 요소(118)는, 배기 부품의 밀봉을 위해, 그리고 유체 유동이 대기로 배출되는 것을 억제하기 위해, 그 주위에 하나 이상의 밀봉 요소(예컨대, 금속 개스킷, O링 개스킷 등)를 보유하도록 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 밸브실(120)은 유입 밸브 어셈블리(106)의 하나 이상의 부품을 수용하기에 적절한 형상 및 크기를 포함하는 내부 공간(142)을 한정한다. 도시된 실시예에서, 내부 공간(142)은 유입 밸브 어셈블리(106)가 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 구동될 수 있게 하기에 충분한 크기를 가진다. 개방 위치는 외부 유입구(128)를 통과하여 외부 볼류트(160)로 향하는 유체 유동을 허용하는 임의의 밸브 위치를 포함할 수 있다. 폐쇄 위치는 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 차단하는 밸브 위치를 포함한다. 유입 밸브(106)가 폐쇄 위치에 놓일 때, 외부 볼류트(160)는 외부 유입구(128)로부터 구획되고, 외부 볼류트(160)로의 유체 유동이 억제된다. 유입 밸브(106)가 개방 위치에 놓일 때, 외부 볼류트(160)는 외부 유입구(128)와 유체 소통된다. 유입 밸브(106)는 최소 유체 유동에서 최대 유체 유동까지 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 조절하기 위해 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 조정될 수 있다. 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 밸브실(120)은 그 안에서 유입 밸브(106)를 연결 및 회전 가능하게 지지하기 위한 하나 이상의 체결구(미도시)를 수용하는 구멍들(144)을 가진 플랜지(미도시)를 포함한다.
내부 공간(122)은 터빈 휠(102)과 유체 가이드 어셈블리(108)를 수용하기에 적절한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 내부 공간(122)은 또한 유체 유동을 유체 유입구(114)로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내하는 유체 가이드 어셈블리(108)의 능력을 증대시키기에 적절한 형상을 가진다. 예컨대 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 내부 공간(122)은 터빈 휠(102)을 향해 이어지는 스크롤-형상의 단면을 포함한다.
유입 밸브 어셈블리(106)는 베이스 플레이트(148), 연동 장치(150), 및 게이트(152)를 포함한다. 베이스 플레이트(148)는 바디(104)에 고정 결합되며, 유입 밸브(106)의 하나 이상의 다른 부재를 위한 구조적 베이스를 제공한다. 도시된 실시예에서, 베이스 플레이트(148)는 밸브실(120)의 플랜지에 조립되며, 구멍들(144)에 의해 수용된 기계적 체결구들(146)을 이용하여 바디(104)에 고정 연결된다. 연동 장치(150)는 게이트(152)와 베이스 플레이트(148) 사이의 기계적 연동을 제공한다. 예컨대, 연동 장치(150)의 제1 부분이 베이스 플레이트(148)에 결합되고, 연동 장치(150)의 제2 부분이 게이트(152)에 결합된다. 본 실시예에서, 연동 장치(150)는 (예컨대, 하나 이상의 부싱, 베어링 등을 통해) 베이스 플레이트(148)에 회전 가능하게 장착되는 샤프트를 포함한다. 게이트(152)의 일 단부는 샤프트에 결합되고, 그에 따라 샤프트를 회전시키면 게이트 상에 힌지 운동을 가한다(도 2 참조). 게이트(152)는 외부 유입구(128)를 통한 외부 볼류트(160)로의 유체 접근의 구조적 수단 역할을 한다. 예컨대, 유입 밸브(106)가 폐쇄 위치에 놓일 때, 게이트(152)는 외부 유입구(128)에 걸쳐 위치하여, 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 억제 또는 방지한다. 유입 밸브(106)가 개방 위치로 조정될 때, 게이트(152)는 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 허용하기 위해 외부 유입구(128)로부터 멀리 이동한다(도 2 참조). 유입 밸브(106)는 폐쇄 위치로부터 복수의 개방 위치로 조정될 수 있다. 하나 이상의 개방 위치에서, 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동이 적어도 부분적으로 억제된다; 그리고 하나 이상의 다른 개방 위치(예컨대, 완전 개방 위치)에서, 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동이 실질적으로 억제되지 않는다. 유입 밸브(106)의 조정은 연동 장치(150)에 결합되어 작동하는 액츄에이터(미도시)에 의해 영향을 받을 수 있다. 액츄에이터는 임의의 적절한 공급원(예컨대, 기계적 연동, 전류, 유압 유체 압력, 및/또는 공압)에 의해 작동될 수 있다.
게이트(152)의 위치는 완전 개방 위치(100% 개방)와 완전 폐쇄 위치(0% 개방)에 대한 개방 퍼센트의 관점에서 제공될 수 있다. 이러한 위치는 완전 개방 위치(100% 개방)와 완전 폐쇄 위치(0% 개방) 사이의 무한한 위치들을 포함할 수 있다. 완전 개방 위치(100% 개방)와 완전 폐쇄 위치(0% 개방) 사이의 예시적인 위치로는, 20% 개방, 50% 개방, 및 80% 개방이 포함될 수 있다.
유입 밸브(106)는 사용 중에 유체 유입구(114)의 하나 이상의 부분을 통한 유체 유동을 조절한다. 보다 구체적으로는, 유입 밸브(106)는 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 선택적으로 조절하도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 유입 밸브(106)는 완전 폐쇄 위치(0% 개방)에 놓여, 외부 유입구(128)를 통한 유체 유동을 차단한다. 몇몇 경우에, (예컨대, 오버부스트를 방지하기 위해) 터빈 휠(102)에 부딪치는 유체의 유량을 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 유입 밸브(106)를 개방 위치(예컨대, 0% 개방 초과)로 조정하고, 그로 인해 유체의 일부가 외부 유입구(128)를 통해 제공된 보조 경로를 통해 흐르는 것을 허용하여, 바디(104)에 의해 제공되는 유동에 대한 전체 제한을 감소시킴으로써, 유량을 조절할 수 있다. 그 결과로, 터빈 휠(102) 상류의 압력이 실질적으로 감소할 수 있다. 이러한 팽창비의 감소는 터빈 휠(102)에 의한 일 추출(work extraction)의 감소로 이어질 수 있고, 이는 터보차저에 의해 엔진에 제공되는 부스트를 제한한다. 또한, 유입 밸브(106)를 개방 위치(예컨대, 20% 개방, 50% 개방 등)로부터 적어도 부분적 폐쇄 위치(즉, 이전 밸브 위치보다 덜 개방된 임의의 밸브 위치)로 조정함으로써, 유량을 조절할 수 있다. 유입 밸브(106)를 폐쇄하면, 유동 제한과 터빈 일 추출 모두를 증가시켜서, 터보차저에 의해 제공되는 부스트를 증가시킬 수 있다.
이제 도 3 내지 도 4b를 참조하면, 유체 가이드 어셈블리(108)의 사시도 및 평면도가 제공된다. 유체 가이드 어셈블리(108)는 유체 유동을 유체 유입구(114)로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내하도록 구성된다. 보다 구체적으로는, 유체 가이드 어셈블리(108)는 유체를 터빈 휠(102)을 향해 안내하도록 형성, 위치, 및/또는 배치되는 하나 이상의 부품을 포함하고, 이는 이하에 보다 상세히 설명된다. 도시된 실시예에서, 유체 가이드 어셈블리(108)는 가이드 플레이트(154a), 및 가이드 베인들(156a)로서 구비된 복수의 유체 안내 부재를 포함한다. 유체 가이드 어셈블리(108)는, 가이드 베인들(156a)이 내부 공간(122) 내에 배치되도록, 바디(104)에 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가이드 베인들(156a)은 내부 볼류트(158)와 외부 볼류트(160)를 한정하기 위해 내부 공간의 일부를 구획한다(도 2 참조).
도 5a는 가이드 플레이트(154a)의 평면도이다. 가이드 플레이트(154a)는 선택된 구성으로 가이드 베인들(156a)을 장착 및 고정하기에 적절한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 예컨대 그리고 도시된 바와 같이, 가이드 플레이트(154a)는 개구(162)와 키홈들(keyways)(164)을 한정하는 곡선형 플레이트 형태로 구비된다. 도시된 바와 같이, 개구(162)는 원형이며, 터빈 휠(102)을 수용하기에 충분한 크기를 가진다. 키홈들(164)은, 가이드 베인들(156a)이 선택된 배향으로 가이드 플레이트(154a)에 회전 가능하게 고정되도록, 가이드 베인들(156a)의 일부를 수용한다. 도시된 실시예에서, 키홈들(164)은 가이드 베인들(156a)의 회전 운동을 억제하기 위한 비원형 개구들을 포함한다. 키홈들(164)은 개구(162)의 중심(161)으로부터 취해진 반경(156)으로부터 비스듬하게 가이드 플레이트(154a)에 배치된다. 다시 말하면, 키홈들(164)은 개구(162)의 중심(161)에 대해 나선형 경로(163)를 따라 배치된다. 그 결과로, 가이드 베인들(156a)이 키홈들(164) 내에 고정될 때, 가이드 베인들(156a)은 나선형 경로(163)를 따라 반경 방향으로 비스듬하게 배치된다. 본원에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 가이드 베인들(156a)의 선택된 배향은 개구(162)의 중심(161)으로부터 반경(159)에 대해 선택된 각도를 포함할 수 있다.
도 5b는 가이드 베인(156a)의 사시도이다. 가이드 베인(156a)은 베인 바디(168)에 결합되는 베인 포스트(166)를 포함한다. 베인 포스트(166)는 임의의 주지의 방법(예컨대, 용접, 접착 등)에 의해 베인 바디(168)에 결합될 수 있다. 대안적으로, 몇몇 구현예에서, 베인 포스트들(166)과 베인 바디(168)는 (예컨대, 주조를 통해) 단일 부품으로 형성된다. 베인 포스트(166)는 키홈(164) 내에 고정 배치되기에 적절한 형상 및 크기를 가진다. 도시된 실시예에서, 베인 포스트(166)의 하단은 키홈(164)에 압입되기에 적절한 형상 및 크기를 가진다. 몇몇 실시예에서, 베인 포스트는 베인 바디(168)의 유체 베어링면들에 걸친 유체 유동으로 인해 겪게 되는 심각한 굽힘 또는 전단 응력을 견디도록 구성된다. 베인 포스트(166)는 사용 중에 베인 바디(168)에 의해 베인 포스트(166)에 가해지는 부하를 분산하기 위한 내부 플랜지(170)와 외부 플랜지(172)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 베인 바디(168)의 종방향을 따라 유체 유동을 위한 비차단 유체 경로를 제공하기 위해, 채널(174)이 밸브 바디(168)에 걸쳐 한정된다. 몇몇 구현예에서, 채널(174)은 가이드 베인(156a) 주위의 가압 유체의 누출을 억제하기 위해 사이드 레일에 의해 연장된다.
계속 도 5b를 참조하면, 베인 바디(168)는 내부 유체 베어링면(176), 외부 유체 베어링면(178), 측면(180), 리딩 에지(182), 및 트레일링 에지(184)를 포함한다. 베인 바디(168)의 구조(예컨대, 두께, 캠버 등의 조합)는 사용 중에 특정한 유체 유동 특성을 달성하도록 제공된다. 예컨대, 베인 바디(168)는 유체 유동의 기생 손실을 줄이기 위해 비대칭 에어포일 형상을 가질 수 있다. 에어포일 형상의 가이드 베인들은 또한, 유입 밸브(106)가 개방 위치에 놓일 때, 외부 볼류트(160)로부터 내부 볼류트(160)로 흐르는 유체의 원활한 통합을 제공할 수 있다. 게다가, 도시된 실시예에서, 베인 바디(168)의 구조는 내부 및 외부 유체 베어링면(176, 178) 모두로부터 유체 유동 분리를 억제하도록 제공된다. 몇몇 구현예에서, 내부 및 외부 유체 베어링면(176, 178)은 유체 유동 분리를 억제하기 위해 매끄러운 표면들을 가진다.
전술한 바와 같이 그리고 몇몇 구현예에서, 가이드 베인들(156a)은 가이드 플레이트(154a)와 별개의 부품들로 형성되어, 이후 가이드 플레이트(154a)에 결합될 수 있다. 그러나, 도 6a 및 도 6b는 몇몇 다른 실시예에서 가이드 베인들(156b)이 가이드 플레이트(154b)와 일체로 형성될 수 있다는 것을 나타낸다. 다시 말하면, 가이드 플레이트(154b)와 가이드 베인들(156b)은 단일 부품으로 형성될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 가이드 플레이트(154b) 및 가이드 베인들(156b)은 가이드 플레이트(154a) 및 가이드 베인들(156a)과 유사하게 구성된다. 가이드 베인들(156b)은 가이드 베인들(156a)과 유사하게 구성될 수 있고, 적어도 내부 유체 베어링면, 외부 유체 베어링면, 리딩 에지, 및 트레일링 에지를 포함할 수 있다. 가이드 플레이트(154b)와 가이드 베인들(156b)을 하나의 일체형 부품으로 형성하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 이러한 방식으로 가이드 플레이트와 가이드 베인들을 형성하면, 이 부품들 사이의 접합부를 생략함으로써 구조적 고장을 억제 또는 방지할 수 있다. 다른 예로, 가이드 플레이트에 대한 가이드 베인들의 조립이 선행되기 때문에, 제조 효율을 개선할 수 있으며, 비용을 절감할 수 있다.
유체 유동 특징부들뿐만 아니라, 가이드 베인들의 특정한 특징부들 및/또는 가이드 베인들의 서로에 대한 배치가 이하에 설명된다. 몇몇 경우에 그리고 예로서, 가이드 베인들(156a)을 참조한다. 몇몇 경우에 그리고 또한 예로서, 가이드 베인들(156b)을 참조한다. 몇몇 경우에 그리고 또한 예로서, 가이드 베인들(156c; 도 8 내지 도 12b)을 참조한다. 그러나, 가이드 베인 특징부들과 유체 유동 특징부들은 가이드 베인들(156a), 가이드 베인들(156b), 및/또는 가이드 베인들(156c)을 포함하는 배치에 적용 가능함은 물론이다.
다시 도 2 내지 도 4a를 참조하면, 가이드 베인들(156a)은 내부 공간(122)의 일부를 내부 볼류트(158)와 외부 볼류트(160)로 구획한다. 도시된 실시예에서, 가이드 베인들(156a)은 스크롤형 구성(예컨대, 대수 스크롤)으로 위치한다. 도시된 바와 같이, 가이드 베인들(156a)은, 각각의 스로트 영역들(throat areas)(186a~186f; 도 4a 참조)이 가이드 베인(156a)의 트레일링 에지(184)와 다음 가이드 베인(156a)의 리딩 에지(182) 사이에서 한정되도록, 위치한다. 몇몇 실시예에서, 가이드 베인들(156a)은, 각각의 스로트 영역(186a~186f)의 크기가 같도록, 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈 어셈블리(100)는 소정의 바람직한 유동 특성 및/또는 효율을 달성하기 위해 엔진 작동 조건에 기반하여 튜닝될 수 있고, 이는 이하에 보다 상세히 설명된다. 가이드 베인들(156a)은 터빈 휠(102)의 반경 방향(188)으로부터 비스듬하게 가이드 플레이트(154a) 상에 배치된다(도 2 및 도 4a 참조). 반경 방향(188)은 터빈 휠(102)의 회전축 또는 중심점(161)으로부터 연장된다. 가이드 베인들(156a)은 반경 방향(188)과 가이드 베인(156a)의 중심선(190)에 대해 선택된 각도(α)로 배치된다. 도시된 실시예에서, 중심선(190)은 베인 포스트(166)의 중심점과 트레일링 에지(184) 사이에서 연장된다. 몇몇 실시예에서, 각각의 가이드 베인(156a)은 모든 다른 가이드 베인(156a)과 동일한 베인 각도(α)로 배치된다. 다른 실시예들에서, 각각의 가이드 베인(156a)은 다른 가이드 베인들(156a)의 베인 각도들과 상이할 수 있는 각각의 베인 각도(α)로 배치된다. 베인 각도(들)(α)는 바람직한 유동 특성을 달성하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 베인 각도(들)(α)는 (이하에 상세히 설명되는 바와 같이) 유체 유동에 대한 입사각을 설정하고/설정하거나, 스로트 영역들(186a~186f)의 크기를 설정할 수 있다.
가이드 베인들(156a)은 또한 각각의 중첩 영역들(187a~187f)을 형성하도록 위치할 수 있다. 중첩 영역들(187a~187f)은 스로트 영역들(186a~186f)의 길이를 한정할 수 있고, 내부 및 외부 볼류트(158, 160) 사이의 "크로스토크(crosstalk)"를 억제함으로써 (또는 심지어 방지함으로써) 내부 볼류트(158)에 대한 유체 유동을 제한하는 것을 도울 수 있다. 예컨대, 도 4b에 도시된 바와 같이, 중첩 영역들(187a~187f)은 내부 볼류트(158)를 통해 흐르는 유동이 베인들 사이의 스로트 영역을 통과하여 내부 볼류트(160)를 향하는 것을 억제할 수 있다.
가이드 베인들(156a)은 유체 유동을 터빈 휠(102)로 안내하며, 바람직한 유체 유동 특성을 제공한다. 베인 각도(들)(α)는, 유체 유동이 터빈 휠(102)에 대한 특정한 입사각(즉, 유체가 터빈 블레이드의 면과 접촉하는 각도)으로 내부 유입구(126)로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내되도록, 선택될 수 있다. 입사각은 특정한 터빈 휠이 가압 유체 유동에 의해 얼마나 효율적으로 구동될 것인지 결정할 수 있다. 예컨대, 터빈 휠의 설계가 최적의 입사각을 결정할 수 있다. 그러므로, 몇몇 실시예에서, 유체 유동을 최적의 입사각으로 터빈 휠에 안내하기에 적절한 베인 각도를 선택함으로써, 높은 터빈 휠 효율을 달성할 수 있다. 특히, 더 큰 입사각을 가진 유체 유동에 비해, 더 작은 입사각을 가진 유체 유동이 더 큰 접선 성분을 가질 것이다. 가이드 베인들(156a)이 더 작은 베인 각도(α)로 배치될 때보다 더 큰 베인 각도(α)로 배치될 때, 입사각이 더 작아질 것이다.
각각의 베인 각도(α)는 하나 이상의 작동 조건에서 특정한 터빈 휠에 대해 최적의 입사각을 제공할 수 있다(몇몇 베인 각도(α)는 단지 하나의 작동 조건에서만 최적의 입사각을 제공할 수 있다). 이로써, 단계 성능 저하를 방지하는 한편, 하나 이상의 선택된 작동 조건에서 최적의 입사각을 달성하도록 베인 각도(α)를 일정하게 유지하기 위해, 가이드 플레이트(154) 상에 가이드 베인들(156a)을 고정 위치시키는 것이 유리할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 베인 각도(들)(α)는, 가압 유체 유동이 특정한 속도로 외부 유입구(128)로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내되도록, 선택될 수 있다. 예컨대, 가이드 베인들(156a)이 비교적 큰 베인 각도(α)를 가지고 배치될 때, 스로트 영역들(186a~186f)이 비교적 작다. 스로트 영역들(186a~186f)은 터빈 휠(102)을 향해 유체 유동을 가속시키기 위한 노즐들로 작용한다.
베인 각도(들)(α)는 또한, 유체 유동이 외부 볼류트(160)로부터 터빈 휠(102)을 향해 안내될 때, 유동 제한 및/또는 유동 분리를 최소화하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 가이드 베인들(156a)이 비교적 작은 베인 각도(α)를 가지고 배치될 때, (비교적 큰 베인 각도로 얻어진 스로트 영역들에 비해) 스로트 영역들(186a~186f)이 비교적 크다. 비교적 큰 스로트 영역(186a~186f)을 통해 흐르는 유체는 비교적 작은 스로트 영역을 통해 흐르는 유체보다 적은 유동 제한을 겪을 것이다. 그러나, 베인 각도(α)가 너무 크거나 너무 작은 경우, 바람직하지 않은 유동 특성이 발생하여, 비효율을 초래할 수 있다. 예컨대, 가이드 베인 표면들에서의 바람직하지 않은 유체 분리가 발생하고/발생하거나, 가이드 베인들 사이의 바람직하지 않은 유동 제한이 발생할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 베인 각도(α)는 약 30° 내지 80°도로 제공된다. 몇몇 실시예에서, 베인 각도(α)는 약 40° 내지 70°도로 제공된다. 몇몇 실시예에서, 베인 각도(α)는 약 50° 내지 60°도로 제공된다. 몇몇 실시예에서, 베인 각도(α)는, 하나 이상의 다른 가이드 베인과 비교할 때, 하나 이상의 가이드 베인에 대해 상이할 수 있다. 예컨대, 각각의 가이드 베인은 다른 가이드 베인들의 베인 각도들에 대해 고유한 베인 각도를 갖도록 배치될 수 있다. 다른 예로, 제1 군의 가이드 베인들은 각각 제1 베인 각도로 배치될 수 있고, 제2 군의 가이드 베인들은 각각 제1 베인 각도와 상이한 제2 베인 각도로 배치될 수 있다.
베인 각도 또는 베인 각도들이 작동 환경에 따라 변화될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 터빈 어셈블리(100)를 포함하는 제1 터보차저가 제1 엔진 시스템에 구비될 수 있고, 터빈 어셈블리(100)를 포함하는 제2 터보차저가 제2 엔진 시스템에 구비될 수 있다. 제1 엔진 시스템은 제2 엔진 시스템과 상이한 작동 특성을 가질 수 있다. 그 결과로, 제1 터보차저의 베인 각도(들)는 제1 엔진 시스템에 특정된 바람직한 유동 특성 및 효율을 제공하도록 한정될 수 있다. 제2 터보차저의 베인 각도(들)는 제2 엔진 시스템에 특정된 바람직한 유동 특성 및 효율을 제공하도록 한정될 수 있다.
유체 가이드 어셈블리(108)는 상이한 작동 환경에 대해 상이한 유동 특성 및 맞춤화(customization)를 가진 터보차저의 효율적이며 비용효과적인 제조를 가능하게 한다. 예컨대, 제1 작동 환경에 바람직한 베인 각도(들)를 포함하는 제1 유체 가이드 어셈블리(108)를 제공할 수 있다. 제2 작동 환경에 바람직한 베인 각도(들)를 포함하는 제2 유체 가이드 어셈블리(108)를 제공할 수 있다. 제1 터빈 어셈블리(100)와 제2 터빈 어셈블리(100)가 제공될 수 있으며, 일반적으로 동일한 설계로 이루어질 수 있다. 제1 유체 가이드 어셈블리(108)는 제1 터빈 어셈블리(100)에 조립될 수 있고, 제2 유체 가이드 어셈블리(108)는 제2 터빈 어셈블리(100)에 조립될 수 있으므로, 궁극적으로는 제1 및 제2 작동 환경에 각각 맞춤화된 제1 및 제2 터보차저를 제공할 수 있다. 다른 예로, 특정한 작동 환경에 맞춤화된 터보차저들을 제공하기 위해, 상이한 베인 형상을 가진 가이드 베인들이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체 가이드 어셈블리(108)는 맞춤화된 유동 특성을 제공하기 위해 공통의 하우징 설계가 사용될 수 있게 한다.
도 7a는 밸브(106)가 폐쇄 위치에 놓일 때 바디(104)를 통과하여 터빈 휠(102)을 향하는 예시적인 유체 유동을 도시하는 터빈 어셈블리(100)의 단면도이다. 도 7b는 밸브(106)가 개방 위치에 놓일 때 바디(104)를 통과하여 터빈 휠(102)을 향하는 예시적인 유체 유동을 도시하는 터빈 어셈블리(100)의 단면도이다.
터빈 어셈블리(100)는 특정한 파라미터들에서 해당 터보차저의 피크 효율을 제공하도록 설계될 수 있다. 예시적인 파라미터들로, 게이트(152)의 위치와 베인 각도(α)가 포함될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 해당 터보차저의 피크 효율은 약 60°의 베인 각도와 약 80% 개방의 게이트 위치로 제공될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 해당 터보차저의 피크 효율은 약 55°의 베인 각도와 약 80% 개방의 게이트 위치로 제공될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 해당 터보차저의 피크 효율은 약 50°의 베인 각도와 약 100% 개방의 게이트 위치로 제공될 수 있다.
도 8, 도 9a, 및 도 9b는 가이드 베인들(156c)을 포함하는 예시적인 모듈식 가이드 플레이트(154c)의 평면도 및 사시도들이다. 본 실시예에서, 가이드 베인들(156c)은 모듈식 가이드 플레이트(154c)와 일체로 형성된다. 도시된 바와 같이, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 이를 바디(104)에 고정하기 위한 장착 플랜지(192)를 포함한다. 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 또한, 장착 플랜지(192)로부터 연장되며 실질적으로 편평한 면으로 끝나는 표면(194)을 포함하고, 이 편평한 면 위에 가이드 베인들(156c)이 형성된다. 본 실시예에서, 경사진 홈(196)이 구비되며, 표면(194)의 외주 가장자리 인근에 위치된다. 홈(196)은 유체 유입구(114)를 통해 유입된 유체 유동에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 예컨대, 홈(196)은 유체 유입구(114)에 진입한 유체를 내부 볼류트(158)로 안내하는 것을 도울 수 있다.
몇몇 실시예에서, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 적절한 베어링 하우징(미도시)에 바디(104)를 결합시키기 위한 결합 요소를 제공한다. 예컨대, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 플랜지(192)로부터 외향 연장되는 연결 특징부들(198)을 포함한다. 본 실시예에서, 연결 특징부들(198)은 표준 V자형 밴드 결합구들을 수용하도록 구비되지만, 다른 배치들(예컨대, 볼트형 연결부) 역시 구비될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 터빈 어셈블리(100)를 위한 밀봉 요소 역할을 할 수 있다. 예컨대, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 밀봉면(200; 도 9a 참조)을 포함할 수 있다. 도 10은 바디(104)와 밀봉 방식으로 조립된 모듈식 가이드 플레이트(154c)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 장착 플랜지(192)의 밀봉면(202)은 바디(104)의 해당 밀봉면(206)과 접경한다. 바디(104)의 다른 밀봉면(208)은 밀봉면(200)과 접경한다. 몇몇 구현예에서, 모듈식 가이드 플레이트(154c)와 바디(104) 사이의 실질적으로 유체 기밀한 밀봉을 유지하기 위해, 밀봉 부재(210)가 그 사이에 조립될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서, 밀봉 부재는 환상 밀봉 링(예컨대, c-씰) 형태로 구비된다.
다시 도 8, 도 9a, 및 도 9b를 참조하면, 가이드 베인들(156c)은 (상세히 전술한 바와 같이) 바람직한 유체 유동 특성을 달성하기 위해 선택된 구성으로 배치될 수 있다. 가이드 베인들(156c)의 구조(예컨대, 트레일링 에지, 리딩 에지, 내부 및 외부 베어링면) 역시 동일한 목적을 위해 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 가이드 베인(156c)은 각각의 구조를 가지고 구비될 수 있다. 예컨대, 각각의 가이드 베인(156)은 상이한 유효 길이(212a~212g)(예컨대, 가이드 베인 바디의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 간격)를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 그리고 몇몇 실시예에서, 가이드 베인들(156c)의 유효 길이는, 유체 유동의 방향으로 제1 가이드 베인(156c)에서 최종 가이드 베인(156c)까지 감소한다. 몇몇 실시예에서, 유효 길이의 감소는 각각의 다음 가이드 베인에 대해 약 1% 내지 15%(예컨대, 약 2% 내지 8%)일 수 있다. 예컨대, 유효 길이(212b)는 유효 길이(212a)보다 약 1% 내지 15% 짧을 수 있다. 점진적으로 감소하는 유효 길이를 가진 가이드 베인들을 제공하면, 유동 왜곡을 저감 또는 억제할 수 있다. 예컨대, 가이드 베인들의 유효 길이를 줄이면, 기체가 대수 스크롤 유동 경로를 통해 나아감에 따라, 계속 감소하는 회전 반경으로 인해 나타날 수 있는 유체 왜곡을 억제하는 것을 도울 수 있다. 점진적으로 더 짧은 베인들은 기체 유동의 팽팽해진 회전 반경에 상응하는 본질적으로 더 작은 캠버 반경을 가진다. 점진적으로 더 짧은 베인들은 또한 (예컨대, 바디(104)의 내부 공간(122)에 끼워맞춤되는 베인 스크롤을 제공함으로써) 패키지 제약을 받아들일 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나의 가이드 베인의 트레일링 에지와 다음 가이드 베인의 리딩 에지 사이의 공간적 관계는 내부 및 외부 볼류트 사이의 유체 유동에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 관계는 연속적인 가이드 베인들 사이의 스로트 영역 및/또는 중첩 영역의 관점에서 기술될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 이러한 관계는, 각각의 스로트 또는 중첩 영역이 다른 스로트 또는 중첩 영역들과 상이한 크기를 가지고 설정되도록, 개별적으로 한정될 수 있다. 예컨대, 도 8에 도시된 실시예에서, 이웃하는 가이드 베인들 사이에 한정되는 중첩 및 그에 따른 스로트 영역들은 최상류 가이드 베인에서 최하류 가이드 베인까지 감소한다. 이웃하는 가이드 베인들 사이의 공간적 관계를 독립적으로 한정함으로써, 내부 및 외부 볼류트 주위의 유체 유동의 변화를 설명할 수 있다.
몇몇 구현예에서, 모듈식 가이드 플레이트(154c)는 다른 경우라면 따로따로 통합될 수도 있는 유체 안내 부품들(예컨대, 가이드 베인들(156c))의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 모듈식 가이드 플레이트(154c)를 구성하면, 터보차저 성능(예컨대, 유동 용량, 효율맵 전환 등)을 변경할 수 있는, 공통 하드웨어(예컨대, 바디(104))에 설치되는 단일 요소를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상이한 모듈식 가이드 플레이트들이 구비될 수 있고, 이들 각각은 (예컨대, 특정한 가이드 베인 배치를 구비함으로써) 선택된 유동 특성을 달성하도록 구성된다. 이로써, 제1 구성을 가진 모듈식 가이드 플레이트를, 제1 구성과 상이한 제2 구성을 가진 제2 모듈식 플레이트 대신 설치함으로써, 터보차저를 특정한 엔진 파라미터들로 튜닝할 수 있다.
상세히 전술한 바와 같이, 가이드 베인들(156a, 156b, 156c)의 구조 및 배치(예컨대, 베인 각도)는 다양한 유체 유동 특성을 결정할 수 있다. 소정의 유체 유동 특성은 또한 스크롤 구성으로 구비된 베인들의 개수에 의해 영향을 받을 수 있다. 도 11a는 대수 스크롤 배치로 배치된 4개의 가이드 베인(156c)을 포함하는 예시적인 가이드 플레이트(154g)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 비교적 적은 수의 가이드 베인들(156c) 때문에, 가이드 베인들(156c) 사이의 스로트 영역들이 비교적 크다. 큰 스로트 영역들은 비교적 큰 유동 용량을 허용하여, 더 적은 유동 제한을 제공한다. 그러나, 몇몇 경우에, 각각의 스로트 영역에서 외부 볼류트와 내부 볼류트 사이의 유체 유동의 단계 변화로부터 비효율이 초래될 수 있다.
도 11b는 가이드 플레이트(154g)와 유사한, 가이드 베인들(156c)의 스크롤 배치를 탑재한 예시적인 가이드 플레이트(154h)의 전면도이다. 그러나, 가이드 플레이트(154h)는 복수의 스플리터 베인(156d)을 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 3개의 스플리터 베인들(156d)이 가이드 베인들(156c) 사이에 구비된다. 그러나, 다른 적절한 개수의, 예컨대 하나 이상의 스플리터 베인이 인접한 가이드 베인들 사이에 구비될 수 있음은 물론이다. 각각의 스플리터 베인(156d)은 가이드 베인들(156c)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 스플리터 베인들(156d)의 구조는 또한 가이드 베인들(156c)과 상이할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스플리터 베인들(156d)을 추가하면, 유동 제한 증가의 대가로 외부 볼류트와 내부 볼류트 사이의 유체 유동의 통합을 원활하게 할 수 있다. 게다가, 본 실시예에서는 스플리터 베인들(156d)이 가이드 베인들(156c) 사이의 각각의 스로트 영역에 배치되지만, 다른 배치 역시 가능하다. 예컨대, 몇몇 구현예에서, 스플리터 베인들(156d)은 단지 하나 또는 2개의 스로트 영역 사이에 배치될 수 있다.
본 개시의 다수의 구현예를 설명하였다. 그러나, 본 개시의 정신 및 범주를 벗어남 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다른 구현예들이 하기 청구범위의 범주에 속한다.

Claims (20)

  1. 터보차저를 위한 터빈 하우징에 있어서,
    유체 공급원과의 유체 소통을 위한 유입구, 및 상기 유입구를 내부 유입구와 외부 유입구로 분할하는 벽을 한정하는 바디; 및
    상기 하우징 내에 배치되며 복수의 베인을 포함하는 유체 가이드 어셈블리로, 상기 복수의 베인은 상기 하우징 내에서 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하되, 상기 내부 볼류트는 상기 내부 유입구와 유체 소통되며, 상기 외부 볼류트는 상기 외부 유입구와 유체 소통되고, 상기 복수의 베인 각각은 반경 방향에 대해 각각의 각도로 고정되며, 상기 복수의 베인은 유체 유동을 상기 외부 볼류트로부터 상기 내부 볼류트로 안내하는 유체 가이드 어셈블리를 포함하는 터빈 하우징.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체 가이드 어셈블리는 상기 바디에 고정되는 가이드 플레이트를 더 포함하되, 상기 복수의 베인이 상기 가이드 플레이트에 고정되는, 터빈 하우징.
  3. 제1항 및 제2항 중 하나 이상의 항에 있어서, 적어도 하나의 베인은 상기 터빈 휠의 방사상 중심에 대해 선택된 각도로 위치하는, 터빈 하우징.
  4. 제3항에 있어서, 상기 선택된 각도는 약 30° 내지 약 80°인, 터빈 하우징.
  5. 제3항에 있어서, 상기 선택된 각도는 약 40° 내지 약 70°인, 터빈 하우징.
  6. 제3항에 있어서, 상기 선택된 각도는 약 50° 내지 60°인, 터빈 하우징.
  7. 제3항에 있어서, 상기 각각의 베인은 선택된 각도로 위치하는, 터빈 하우징.
  8. 제3항에 있어서, 상기 선택된 각도는 제1 선택 각도를 포함하고, 적어도 하나의 다른 베인은 상기 터빈 휠의 방사상 중심에 대해 제2 선택 각도로 위치하는, 터빈 하우징.
  9. 제3항에 있어서, 상기 선택된 각도는 터빈 휠 개구의 중심점과 상기 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사상 라인, 및 상기 베인의 중심점과 상기 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정되는, 터빈 하우징.
  10. 제1항 내지 제9항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 베인들은 터빈 휠에 대한 유체 유동의 입사각을 제공하도록 위치하는, 터빈 하우징.
  11. 제10항에 있어서, 상기 입사각은 최대 약 10°인, 터빈 하우징.
  12. 제1항 내지 제11항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 각각의 베인의 각각의 각도는 상기 베인에 걸친 유체 유동 분리를 억제하기 위해 제공되는, 터빈 하우징.
  13. 제1항 내지 제12항 중 하나 이상의 항에 있어서, 적어도 하나의 베인은 비대칭 에어포일 형상의 베인을 포함하는, 터빈 하우징.
  14. 제1항 내지 제13항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 유입구는 내부 유체 유로와 외부 유체 유로를 포함하고, 상기 내부 유체 유로는 상기 내부 볼류트와 유체 소통되는, 터빈 하우징.
  15. 제1항 내지 제14항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 외부 유입구와 상기 외부 볼류트 사이의 유체 소통을 조절하기 위한 밸브 어셈블리로, 상기 외부 유입구를 통한 유체 유동을 억제하기 위한 완전 폐쇄 위치 및 상기 외부 유입구를 통한 유체 유동을 허용하기 위한 완전 개방 위치 사이에서 이동 가능한 게이트를 포함하는 밸브 어셈블리를 더 포함하는 터빈 하우징.
  16. 제15항에 있어서, 터빈 휠 개구의 중심점과 상기 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사상 라인, 및 상기 베인의 중심점과 상기 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 상기 베인들의 각각의 각도는 약 60°이며, 상기 게이트는 상기 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 80% 개방되어 위치하는, 터빈 하우징.
  17. 제15항에 있어서, 터빈 휠 개구의 중심점과 상기 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사상 라인, 및 상기 베인의 중심점과 상기 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 상기 베인들의 각각의 각도는 약 55°이며, 상기 게이트는 상기 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 80% 개방되어 위치하는, 터빈 하우징.
  18. 제15항에 있어서, 터빈 휠 개구의 중심점과 상기 베인의 중심점을 통해 진행되는 방사상 라인, 및 상기 베인의 중심점과 상기 베인의 트레일링 에지를 통해 진행되는 라인으로부터 측정될 때, 상기 베인들의 각각의 각도는 약 50°이며, 상기 게이트는 상기 터보차저의 피크 효율을 제공하기 위해 약 100% 개방되어 위치하는, 터빈 하우징.
  19. 제1항 내지 제18항 중 하나 이상의 항에 따른 터빈 하우징을 포함하는 터보차저.
  20. 제1항 내지 제16항 중 하나 이상의 항에 따른 터빈 하우징을 제조하는 방법에 있어서,
    유체 공급원과의 유체 소통을 위한 유입구, 및 상기 유입구를 내부 유입구와 외부 유입구로 분할하는 벽을 한정하는 바디를 형성하는 단계;
    각각이 반경 방향에 대해 각각의 각도로 고정되는 복수의 베인을 포함하는 유체 가이드 어셈블리를 조립하는 단계; 및
    상기 복수의 베인이 상기 하우징 내에서 내부 볼류트와 외부 볼류트를 구획하되, 상기 내부 볼류트는 상기 내부 유입구와 유체 소통되며, 상기 외부 볼류트는 상기 외부 유입구와 유체 소통되고, 상기 복수의 베인은 유체 유동을 상기 외부 볼류트로부터 상기 내부 볼류트로 안내하도록 작동 가능하도록, 상기 바디 내에 상기 유체 가이드 어셈블리를 고정하는 단계를 포함하는 방법.
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