KR20140116967A

KR20140116967A - 터빈 하우징 및 과급기

Info

Publication number: KR20140116967A
Application number: KR1020147024932A
Authority: KR
Inventors: 다케히코 가토
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-10-06
Also published as: US20140363282A1; CN104145102A; JPWO2013133312A1; WO2013133312A1; DE112013001950T5

Abstract

터빈 하우징(1)은, 하우징 텅(31)을 포함하는 스크롤 유로(23)를 가진다. 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)에는, 홈부(노치)(33)가 형성된다. 홈부(33)는, 벽면(S)에 있어서 플랜지(19) 측의 에지부 Sf에 가까운 위치에 위치한다. 홈부(33)는 하우징 텅(31)의 선단측으로부터 스크롤 유로(23)의 연장 방향으로 연장되어 있다. 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 홈부(33)의 가장 깊은 부분의 곡률 반경은 하우징 텅(31)의 벽면(S)의 최소 곡률 반경보다 작다.

Description

터빈 하우징 및 과급기{TURBINE HOUSING AND SUPERCHARGER}

본 발명은, 과급기(過給機)에서의 터빈 임펠러(impeller)를 수용하는 터빈 하우징 등에 관한 것이다.

최근, 과급기에 사용되는 터빈 하우징에 대하여 각종 개발이 되어 있다. 일반적인 터빈 하우징의 구성은 다음과 같다.

터빈 하우징의 내부에는, 터빈 임펠러를 수용하기 위한 임펠러 수용 공간이 형성되어 있다. 또한, 터빈 하우징에서의 임펠러 수용 공간의 축 방향의 일단측에는, 베어링 하우징에서의 환형(環形)의 상대 플랜지에 G 커플링에 의해 체결 가능(결합 가능)인 환형의 플랜지가 형성되어 있다.

터빈 하우징에서의 상기 축 방향으로 교차하는 측에는, 배기 가스를 도입하기 위한 가스 도입 통로가 형성되어 있다. 또한, 터빈 하우징의 내부에서의 임펠러 수용 공간의 주위에는, 소용돌이형의 스크롤 유로(流路)가 형성되어 있고, 이 스크롤 유로는, 임펠러 수용 공간 및 가스 도입 통로와 연통되어 있고, 스크롤 유로의 유로 면적은, 권취 개시측으로부터 권취 종료측을 향해 점차 작아지게 되어 있다. 또한, 터빈 하우징의 상기 축 방향의 타단측에는, 배기 가스를 배출하기 위한 가스 배출 통로가 형성되어 있고, 이 가스 배출 통로는, 임펠러 수용 공간과 연통되어 있다.

터빈 하우징의 내부에서의 가스 도입 통로와 스크롤 유로의 권취 종료측과의 사이에는, 하우징 텅(housing tongue)[하우징 설부(舌部)]이 칸막이하도록 형성되어 있고, 이 하우징 텅의 두꺼운 부분은, 선단측을 향해 점차 얇게 되어 있다.

따라서, 일반적인 터빈 하우징을 구비한 과급기를 가동시키는 경우에는, 가스 도입 통로로부터 도입된 배기 가스가 스크롤 유로를 경유하여 임펠러 수용 공간에 유통됨킴으로써, 배기 가스의 압력 에너지를 이용하여 터빈 임펠러에 회전력을 발생시켜, 터빈 임펠러와 동축형(同軸形)으로 일체로 설치된 압축기 임펠러를 회전시킨다. 이로써, 엔진에 공급되는 공기를 과급(압축)할 수 있다. 그리고, 임펠러 수용 공간을 유통한 배기 가스는, 가스 배출 통로로부터 터빈 하우징의 외측으로 배출된다.

그리고, 본 발명에 관한 선행 기술로서 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 나타낸 것이 있다.

일본 공개특허 제2010―144664호 공보 일본 공개특허 평 제7―49036호 공보

그런데, 과급기의 가동중, 하우징 텅의 양쪽의 벽면(가스 도입 통로 측의 벽면과 스크롤 유로측의 벽면)은 고온의 배기 가스에 노출되어 있고, 하우징 텅에 높은 열응력이 생겨, 크랙이 발생하기 쉽게 되어 있다. 또한, 플랜지는 G 커플링에 의해 베어링 하우징에서의 상대 플랜지에 견고하게 체결되어 있고, 플랜지의 기단부(基端部)에 국소적으로 높은 응력이 생겨, 크랙이 발생하는 경우가 있다. 또한, 하우징 텅은 플랜지의 근방에 위치하고 있고, 하우징 텅에 발생한 크랙이 플랜지측(직경 방향 외측)으로 진전(進展)하는 경향이 있다. 그러므로, 하우징 텅에 발생한 크랙이 플랜지측으로 진전하는 것을 방지할 수 없으면, 과급기의 가동 상황에 따라서는 하우징 텅에 발생한 크랙과 플랜지에 발생한 크랙이 연결되어, 터빈 하우징의 내구성(耐久性)을 저하시킬 가능성이 있다. 즉, 터빈 하우징의 내구성을 향상시키기 위해서는, 하우징 텅에 발생한 크랙이 플랜지측으로 진전하지 않도록 컨트롤하는 것이 유효한 수단으로 된다.

본 발명은, 내구성을 높이는 것이 가능한 터빈 하우징 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 태양(態樣)은 베어링 하우징에 장착되는 과급기의 터빈 하우징으로서, 터빈 임펠러를 수용하는 임펠러 수용부와, 상기 터빈 임펠러를 상기 임펠러 수용부에 삽입하기 위한 개구부를 가지는 플랜지와, 상기 임펠러 수용부의 외주를 따라 형성되고, 또한 상기 임펠러 수용부에 가스를 도입하기 위한 가스 도입 통로와 연통되는 권취 개시부와, 상기 임펠러 수용부에 연통되는 권취 종료부를 가지는 스크롤 유로를 구비하고, 상기 스크롤 유로는, 그 상기 권취 종료부와 상기 가스 도입 통로와의 사이를 칸막이하도록, 상기 임펠러 수용부의 상기 외주를 따라 형성되는 하우징 텅을 포함하고, 상기 하우징 텅은, 그 선단측을 향해 점차 얇아지는 두께와, 스크롤 유로측의 벽면에 형성되고, 그 상기 선단측으로부터 상기 스크롤 유로의 연장 방향으로 연장되는 홈부를 가지고, 상기 홈부는, 상기 플랜지의 에지부에 가까운 위치에 위치하는 것을 요지로 한다.

그리고, 「상기 하우징 텅의 선단측」이란, 상기 하우징 텅의 선단뿐아니라, 상기 하우징 텅의 선단에 가까운 위치를 포함하는 뜻이다.

본 발명의 제2 태양은, 엔진으로부터의 가스의 에너지를 이용하여, 상기 엔진측에 공급되는 공기를 과급하는 과급기로서, 제1 태양의 터빈 하우징을 구비한 것을 요지로 한다.

본 발명에 의하면, 하우징 텅에서의 홈부 부근에 발생한 크랙이 플랜지측으로 진전하는 것을 방지할 수 있으므로, 하우징 텅에 발생한 크랙과 플랜지에 발생한 크랙이 이어지지 않는다. 즉, 내구성을 높이는 것이 가능한 터빈 하우징을 제공할 수 있다.

도 1의 (a)는, 도 2에서의 IA―IA선을 따른 단면도(斷面圖), 도 1의 (b)는, 도 1의 (a)에서의 화살표부 IB의 확대도이다.
도 2는, 도 5에서의 II―II선을 따른 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시형태에 관한 터빈 하우징의 우측면도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시형태에 관한 터빈 하우징의 좌측면도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시형태에 관한 과급기의 일부의 정단면도이다.

본 발명의 일실시형태에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 그리고, 도면에 나타낸 바와 같이, 「R」은, 우측 방향, 「L」은, 좌측 방향이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 터빈 하우징(하우징 본체)(1)은, 엔진(도시하지 않음)으로부터의 배기 가스(가스의 일례)의 에너지를 이용하여 엔진에 공급되는 공기를 과급(압축)하는 과급기(3)에 사용되고, 과급기(3)에서의 터빈 임펠러(5)를 수용하는 것이다. 또한, 터빈 하우징(1)은, 과급기(3)에서의 베어링 하우징(7)에 장착 가능하다.

여기서, 베어링 하우징(7)의 좌단부에는, 환형의 플랜지(상대 플랜지)(9)가 형성되어 있고, 베어링 하우징(7) 내에는, 복수(1개만 도시)의 베어링(11)이 설치되어 있다. 또한, 복수의 베어링(11)에는, 좌우 방향으로 연장된 로터축(rotor shaft)(터빈축)(13)이 회전 가능하게 설치되어 있고, 이 로터축(13)의 좌단부에는, 전술한 터빈 임펠러(5)가 일체로 설치되어 있다. 그리고, 로터축(13)의 우단부에는, 압축기 임펠러(도시하지 않음)가 일체로 설치되어 있고, 환언하면, 압축기 임펠러가 로터축(13)을 통하여 터빈 임펠러(5)와 동축형으로 일체로 형성되어 있고, 베어링 하우징(7)의 우측에는, 압축기 임펠러를 수용하는 압축기 하우징(도시하지 않음)이 설치되어 있다.

이어서, 본 발명의 실시형태에 관한 터빈 하우징(1)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 터빈 하우징(1)의 내부에는, 터빈 임펠러(5)를 수용하기 위한 임펠러 수용 공간(임펠러 수용부)(15)이 형성되어 있다. 또한, 터빈 하우징(1)의 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD의 일단측(우측단측)에는, 베어링 하우징(7)에서의 환형의 플랜지(9)에 G 커플링(커플링의 일례)(17)에 의해 체결 가능(결합 가능)인 환형의 플랜지(19)가 형성되어 있다. 플랜지(19)는, 터빈 임펠러(5)를 임펠러 수용 공간(15)에 삽입하기 위한 개구부(19a)를 가진다. 개구부(19a)는 터빈 임펠러(5)의 직경 이상의 직경을 가지고, 임펠러 수용 공간(15)과 연통되어 있다. 그리고, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 개구부(19a)는, 베어링 하우징(7)의 좌단부가 그 내부에 끼워지도록 테이퍼형으로 형성되어 있어도 된다.

터빈 하우징(1)에서의 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD에 교차하는 측에는, 배기 가스를 도입하기 위한 가스 도입 통로(가스 도입구)(21)가 형성되어 있고, 이 가스 도입 통로(21)는, 엔진의 배기 매니폴드(도시하지 않음)에 접속 가능하다. 또한, 터빈 하우징(1)의 내부에서의 임펠러 수용 공간(15)의 직경 방향 외측에는, 소용돌이형의 스크롤 유로(23)가 형성되어 있다. 환언하면, 스크롤 유로(23)는 임펠러 수용 공간(15)의 외주를 따라 형성되어 있다. 이 스크롤 유로(23)는, 임펠러 수용 공간(15) 및 가스 도입 통로(21)를 연통시킨다. 스크롤 유로(23)의 유로 면적은, 가스 도입 통로(21)와 연통되는 권취 개시측(권취 개시부)(23s)으로부터, 임펠러 수용 공간(15)과 연통되는 권취 종료측(권취 종료부)(23e)을 향해 점차 작아지게 되어 있다.

터빈 하우징(1)의 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD의 타단측(좌측단측)에는, 배기 가스를 배출하기 위한 가스 배출 통로(가스 배출구)(25)가 형성되어 있다. 가스 배출 통로(25)는, 임펠러 수용 공간(15)과 연통되어 있다. 또한, 터빈 하우징(1)에서의 가스 배출 통로(25)의 직경 방향 외측에는, 배기 가스를 배출하기 위한 가스 배출 통로(가스 배출구)(27)가 형성되어 있다. 가스 배출 통로(25) 및 가스 배출 통로(27)는, 배기 가스를 정화하는 촉매(도시하지 않음)에 접속관(도시하지 않음)을 통하여 접속 가능하다. 그리고, 터빈 하우징(1)의 내부에서의 임펠러 수용 공간(15)의 직경 방향 외측에는, 바이패스(bypass) 통로(바이패스 구멍)(29)가 형성되어 있다. 바이패스 통로(29)는, 가스 도입 통로(21)로부터 도입된 배기 가스를 가스 배출 통로(27) 측[터빈 하우징(1)의 출구측]으로 바이패스시킨다. 바이패스 통로(29)의 개구부는, 웨이스트 게이트(waste gate) 밸브(도시하지 않음)의 작동에 의해 개폐 가능하다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 터빈 하우징(1)의 내부에서의 가스 도입 통로(21)와 스크롤 유로(23)의 권취 종료측(23e)과의 사이에는, 하우징 텅(하우징 설부)(31)이 칸막이하도록 돌출되어 형성되어 있다. 환언하면, 하우징 텅(31)은, 임펠러 수용 공간(15)의 외주를 따라 형성되어 있다. 또한, 하우징 텅(31)은, 가스 도입 통로(21) 측의 벽면(W)과 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)을 가지고 있고, 하우징 텅(31)의 두께는, 선단측을 향해 점차 얇게 되어 있다.

도 1의 (a) 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)에는 홈부(노치)(33)가 형성되어 있다. 홈부(33)는, 플랜지(19) 측의 에지부 Sf에 가까운 위치에 위치한다. 홈부(33)는, 하우징 텅(31)의 선단측으로부터 스크롤 유로(23)의 연장 방향을 따라 연장되어 있다. 또한, 하우징 텅(31)과 교차하고, 또한 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 홈부(33)의 가장 깊은 부분의 곡률 반경은, 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)의 최소 곡률 반경보다 작아지게 되어 있다. 그리고, 홈부(33)의 개수를 복수 개로 하여, 복수 개의 홈부(33)가 하우징 텅(31)의 선단으로부터 스크롤 유로(23)를 따라 뻗도록 해도 상관없다.

그리고, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD에 따른 단면(斷面)[환언하면, 하우징 텅(31)과 교차하고, 또한 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는 단면]에 있어서, 홈부(33)는, 교점 IP를 중심으로 하여, 제1 가상 기준선 L1으로부터 20∼80°의 각도, 바람직하게는 40∼60°의 각도에 위치한다. 여기서, 제1 가상 기준선 L1은, 하우징 텅(31)과 교차하고, 또한 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 하우징 텅(31)의 가장 두께가 얇은 개소(箇所)를 지나고 또한 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD[환언하면, 스크롤 유로(23)의 연장 방향]에 직교하는 가상선을 말한다. 또한, 제2 가상 기준선 L2는, 하우징 텅(31)과 교차하고, 또한 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)에서의 플랜지(19) 측의 에지부 Sf를 지나고, 또한 임펠러 수용 공간(15)의 축 방향 AD에 평행한[환언하면, 스크롤 유로(23)의 연장 방향에 직교하는] 가상선을 말한다. 또한, 홈부(33)의 각도 위치 θ를 20° 이상으로 설정한 것은, 20°미만이면, 하우징 텅(31)에서의 홈부(33) 부근에 발생한 크랙이 플랜지(19) 측(직경 방향 외측)으로 진전하는 것을 충분히 방지하는 것이 곤란하게 되기 때문이다. 한편, 홈부(33)의 각도 위치 θ를 80° 이하로 설정한 것은, 80°를 넘으면, 플랜지(19) 측의 크랙의 유발을 방지하는 것이 곤란하게 되기 때문이다.

이어서, 본 발명의 실시형태의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.

터빈 하우징(1)을 구비한 과급기(3)를 가동시키는 경우에는, 가스 도입 통로(21)로부터 도입된 배기 가스가 스크롤 유로(23)를 경유하여 임펠러 수용 공간(15)에 유통시킴으로써, 배기 가스의 압력 에너지를 이용하여 터빈 임펠러(5)에 회전력을 발생시켜, 압축기 임펠러를 회전시킨다. 이로써, 터빈 하우징(1) 내에 받아들인 공기를 압축하여, 압축기 하우징으로부터 배출할 수 있어 엔진에 공급되는 공기를 과급할 수 있다. 그리고, 임펠러 수용 공간(15)을 유통한 배기 가스는, 가스 배출 통로(25)로부터 터빈 하우징(1)의 외측으로 배출된다.

과급기(3)의 가동 중에, 압축기 임펠러의 출구측의 압력이 설정압에 도달하면, 웨이스트 게이트 밸브의 작동에 의해 바이패스 통로(29)의 개구부가 개방되어, 가스 도입 통로(21)로부터 터빈 하우징(1) 내에 유입된 배기 가스를 다른 가스 배출 통로(27) 측으로 바이패스시켜, 과급압의 과도한 상승을 억제한다. 또한, 바이패스 통로(29)의 개구부를 개방한 후에, 압축기 임펠러의 출구측의 압력이 설정압 미만으로 되면, 웨이스트 게이트 밸브의 작동에 의해 바이패스 통로(29)의 개구부를 폐쇄한다.

여기서, 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)에서의 플랜지(19) 측의 에지부 Sf에 가까운 위치에 홈부(33)가 형성되고, 홈부(33)가 하우징 텅(31)의 선단으로부터 스크롤 유로(23)를 따라 연장되어 있으므로, 과급기(3)의 가동 중에 하우징 텅(31)에 발생하는 열응력을 홈부(33) 부근에 집중시킬 수 있다. 특히, 홈부(33)의 가장 깊은 부분의 곡률 반경이 하우징 텅(31)의 스크롤 유로(23) 측의 벽면(S)의 최소 곡률 반경보다 작아지게 되어 있으므로, 그 열응력을 홈부(33) 부근에 의해 집중시킬 수 있다. 이로써, 하우징 텅(31)에서의 홈부(33) 부근 이외의 부위에 크랙이 발생하는 것을 억제하여, 하우징 텅(31)에서의 홈부(33) 부근에 발생한 크랙이 플랜지(19)측(직경 방향 외측)으로 진전하는 것을 충분히 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시형태에 따르면, 하우징 텅(31)에 발생한 크랙과 플랜지(19)에 발생한 크랙이 이어지지 않아, 터빈 하우징(1)의 장수명화를 도모하여 터빈 하우징(1)의 내구성을 높은 레벨까지 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명은, 전술한 실시형태의 설명에 한정되지 않고, 적절한 변경을 행함으로써, 각종 태양으로 실시 가능하다. 또한, 본 발명에 포함되는 권리 범위는, 이들의 실시형태에 한정되지 않는 것이다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명에 의하면, 하우징 텅에서의 크랙이 플랜지측으로 진전하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 내구성을 높이는 것이 가능한 터빈 하우징을 제공할 수 있다.

Claims

베어링 하우징에 장착되는 과급기(過給機)의 터빈 하우징으로서,
터빈 임펠러(turbine impeller)를 수용하는 임펠러 수용부;
상기 터빈 임펠러를 상기 임펠러 수용부에 삽입하기 위한 개구부를 가지는 플랜지; 및
상기 임펠러 수용부의 외주를 따라 형성되고, 또한 상기 임펠러 수용부에 가스를 도입하기 위한 가스 도입 통로와 연통되는 권취 개시부와, 상기 임펠러 수용부에 연통되는 권취 종료부를 가지는 스크롤 유로(流路);
를 포함하고,
상기 스크롤 유로는, 상기 스크롤 유로의 상기 권취 종료부와 상기 가스 도입 통로 사이를 칸막이하도록, 상기 임펠러 수용부의 상기 외주를 따라 형성되는 하우징 텅(housing tongue)을 포함하고,
상기 하우징 텅은, 상기 하우징 텅의 선단측을 향해 점차 얇아지는 두께와, 상기 스크롤 유로측의 벽면에 형성되고, 상기 하우징 텅의 선단측으로부터 상기 스크롤 유로의 연장 방향으로 연장되는 홈부를 가지고,
상기 홈부는, 상기 플랜지의 에지부에 가까운 위치에 위치하는,
터빈 하우징.
제1항에 있어서,
상기 하우징 텅과 교차하고, 또한 상기 스크롤 유로의 상기 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 상기 홈부의 가장 깊은 부분의 곡률 반경은, 상기 하우징 텅의 상기 스크롤 유로측의 상기 벽면의 최소 곡률 반경보다 작은, 터빈 하우징.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 하우징 텅과 교차하고, 또한 상기 스크롤 유로의 상기 연장 방향에 직교하는 단면에 있어서, 상기 하우징 텅의 가장 두께가 얇은 개소(箇所)를 지나고, 또한 상기 스크롤 유로의 상기 연장 방향에 직교하는 제1 가상 기준선과, 상기 하우징 텅의 상기 스크롤 유로측의 상기 벽면에서의 상기 플랜지측의 에지부를 지나고, 또한 상기 스크롤 유로의 상기 연장 방향에 직교하는 제2 가상 기준선과, 상기 제1 가상 기준선 및 제2 가상 기준선의 교점을 가정한 경우, 상기 홈부는, 상기 교점을 중심으로 하여 상기 제1 가상 기준선으로부터 20~80°의 각도에 위치하는, 터빈 하우징.
엔진으로부터의 가스의 에너지를 이용하여, 상기 엔진측에 공급되는 공기를 과급(過給)하는 과급기로서,
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 터빈 하우징을 포함하는, 과급기.