KR20140142319A - 통합된 저널 및 스러스트 베어링 기능을 제공하는 스러스트 베어링을 구비한 터보차저 - Google Patents

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Abstract

터보차저는 통상적으로 별개의 유체동압 저널 및 스러스트 베어링들을 포함한다. 감소된 축방향 공간 엔벨로프를 구비한 터보차저를 형성하기 위해, 스러스트 베어링 기능을 유지하면서 저널 베어링의 기능을 스러스트 베어링에 통합하는 터보차저를 위한 터보차저 스러스트 베어링을 제공한다. 이러한 스러스트 베어링은 보어 주위에 원주방향으로 분포되는 복수의 테이퍼-랜드 쌍들을 갖도록 형상화되는 보어를 포함한다. 그 결과, 터보차저 베어링 하우징 및 샤프트의 축방향 길이가 감소할 수 있다.

Description

통합된 저널 및 스러스트 베어링 기능을 제공하는 스러스트 베어링을 구비한 터보차저{TURBOCHARGER WITH THRUST BEARING PROVIDING COMBINED JOURNAL AND THRUST BEARING FUNCTIONS}
구현예들은 전반적으로 터보차저에 관한 것으로, 특히 터보차저 내의 베어링 시스템에 관한 것이다.
터보차저는 일종의 강제 흡기 시스템이다. 터보차저는 일반적인 흡기 구성에서 가능한 것보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡기구에 전달하여, 더 많은 연료가 연소되게 하므로, 엔진 중량을 현저히 증가시키지 않으면서 엔진 마력을 증가시킨다. 이는 큰 물리적 크기의 일반적인 흡기 엔진을 대체하는 작은 터보차지형 엔진의 사용을 가능하게 하여, 차량의 질량 및 공기역학적 전방 면적을 감소시킬 수 있다.
터보차저의 회전형 조립체는 작은 로터의 경우 약 200,000RPM, 큰 로터의 경우 80,000RPM의 매우 높은 속도로 회전한다. 통상적으로, 터보차저의 회전형 조립체는 내부 가압 또는 유체동압 베어링으로 알려진 일종의 베어링에 의해 지지된다. 이러한 종류의 베어링에서, 샤프트를 수용하는 보어에 대한 샤프트의 회전은 회전 방향으로 윤활유를 끌어당겨서, 비교적 낮은 속도의 요소와 비교적 높은 속도의 요소 사이에 오일 쐐기의 발생을 야기한다. 시스템의 압착막 특성으로 인해, 비대칭력이 샤프트에 가해진다. 불균형에 의해 베어링에 적용되는 힘의 크기는 샤프트 속도의 제곱과 비례한다.
도 1은 통상적인 부동 베어링(floating bearing) 터보차저(10)의 단면도를 도시한다. 터보차저(10)는 터빈단(12) 및 압축기단(14)을 포함한다. 터보차저는 터빈 하우징(미도시) 내에 위치하는 터빈 휠(16)을 구동하기 위해 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 유동을 사용한다. 배기가스가 터빈 휠(16)을 통과하고, 터빈 휠(16)이 배기가스로부터 에너지를 추출하면, 소모된 배기가스는 엑스듀서(exducer)를 통해 터빈 하우징을 빠져나가고, 차량 다운파이프, 및 대개는 촉매 컨버터, 분진 트랩, 및 NOx 트랩과 같은 후처리 장치들로 전달된다. 터빈 휠(16)에 의해 추출된 에너지는 회전 운동으로 변환되며, 이후 회전 운동은 압축기 휠(18)을 구동한다. 압축기 휠(18)은 터보차저(10) 내로 공기를 끌어들이고, 이 공기를 압축하여, 엔진의 흡기측에 전달한다. 회전형 조립체는 터빈 휠(16); 터빈 휠(16)이 장착되는 샤프트(20); 역시 샤프트(20) 상에 장착되는 압축기 휠(18); 오일 플린저(22); 및 스러스트 구성요소들과 같은 주요 구성요소들로 구성된다. 샤프트(20)는 연관된 회전축(21)을 가진다.
샤프트(20)는 통상적으로 엔진에 의해 제공되는 오일이 공급되는 유체동압 베어링 시스템 상에서 회전한다. 베어링 시스템은 베어링 하우징(23) 내에 구비될 수 있다. 오일은 오일 공급 포트(24)를 통해 전달되어, 저널 베어링들(26) 및 스러스트 베어링들(28) 모두에 공급된다. 통상적으로, 터보차저 내의 2개의 저널 베어링들 각각에 동일한 시스템이 사용된다. 저널 베어링의 기능은 회전형 조립체의 반경방향 진동을 제어, 유지, 및 감쇠하는 것이다. 별개의 스러스트 베어링(28)이 터빈 하우징 및 압축기 하우징(미도시) 내의 공기역학적 특징부들에 대한 회전형 조립체의 축방향 위치를 제어 및 유지한다. 스러스트 하중은 통상적으로 한 쌍의 스러스트 와셔들(26)의 상보적인 축방향-대향 회전면들과 함께 작동하는 램프형 유체동압 베어링들에 의해 운반된다. 몇몇 터보차저들에서, 하나의 스러스트 와셔는 오일 플린저(22)의 일부이며, 다른 스러스트 와셔는 상보적인 조립체의 일부가 된다. 다른 터보차저들에서, 스러스트 와셔는 보빈 형태의 원통형 부품 상에 제조되는 2개의 대향면들을 구비한 단일 부품이며, 스러스트 베어링 보어의 하부 세그먼트는 스러스트 와셔를 수용하기 위해 편자처럼 개방 상태로 남아있다. 일단 사용되면, 오일은 베어링 하우징(23)으로 배출되며, 엔진 크랭크케이스에 유체 연결되는 오일 배출구(32)를 통해 빠져나간다.
통상적인 부동 저널 베어링에 의하면, 2개의 유체동압막들이 작동한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 유체동압막은 베어링 하우징(23)의 정지형 내부 보어(34)의 표면과 저널 베어링(26)의 회전형 외주면(36) 사이에서 작동한다. 다른 유체동압막은 저널 베어링(26)의 회전형 내주면(38)과 샤프트(20)의 더 빠르게 움직이는 외주면(40) 사이에서 작동한다. 베어링 하우징(23)이 (샤프트(20)에 대해) 정지형인 반면, 저널 베어링(26)은 외부 오일막 토크와 내부 오일막 토크 사이의 토크 밸런스에 따라 샤프트(20) 속도의 약 10% 내지 30%로 회전한다. 저널 베어링들(26)은 통상적으로 베어링 하우징(23)의 홈들 내에 위치하는 리테이닝 링들(42)의 사용에 의해 제자리에 유지된다.
테이퍼-랜드 저널 베어링 시스템은 통상적으로 하나의 회전형 오일막 시스템만을 구비한 "비회전형 베어링"을 포함하고, 이는 회전형 샤프트의 외표면과 회전 고정형 베어링의 보어의 내표면 사이의 시스템이다. 이러한 베어링 설계에서, 통상적으로, 베어링의 외표면과 베어링 하우징의 내표면(23) 사이에 비회전형 오일막이 여전히 존재한다. 후자는 감쇠 메커니즘으로만 사용되어, 차동기 응답(subsynchronous response)을 발생시키지 않는다. 통상적인 테이퍼-랜드 베어링은 부동형일 수 있고, 비회전 장치를 통해 외부 오일막에 의해 감쇠될 수 있는 한편, 회전이 방지된다. 불균형 하중을 견디는 베어링 시스템의 성능 외에도, 회전형 유체막들 중 하나(예컨대, 저널 베어링(26)의 외주면(36)과 베어링 하우징 보어(34)의 내주면 사이의 유체막)를 제거하는 것은 차동기 진동 전달 경로를 감소시키고, 이는 진동이 불쾌한 소음으로서 베어링 하우징을 통해 전달될 가능성을 제거한다. 테이퍼 랜드 설계의 내부 오일막 시스템은 회전형 조립체의 회전형 샤프트 상에 안정화 균형 하중을 인위적으로 발생시키기 위해, 비회전형 베어링의 기본 내경의 표면 및 회전형 샤프트(20)의 외주면(40)에 의해 형성되는 환상부의 외부에 있는, 축방향으로 한정된 한 쌍의 3포켓 테이퍼-랜드 특징부들을 사용한다.
베어링들의 기능들의 요건들은 베어링들이 차륜들의 현수 질량을 최소화하기 위해 배치된다는 점에서 터보차저의 축방향 길이를 부분적으로 결정한다. 스러스트 베어링은 통상적으로 압축기-단부 저널 베어링의 선외에 있으므로, 터보차저의 축방향 길이를 더 많이 추가한다. 베어링들의 축방향 범위는 터보차저의 축방향 길이에 있어서 중요한 요소가 되며, 그에 따라 터보차저 또는 더 일반적으로는 다수의 터보차저들을 차량의 엔진 베이에 끼워맞추는 데에 있어서 중요한 요소가 된다.
현대 차량의 엔진룸은 차량의 전방 면적을 감소시키기 위해 항상 조밀하게 이루어지며, 이는 터보차저를 차량의 다양한 경계면들에 끼워맞추는 데에 어려움을 야기한다. 더 엄격한 배기가스 규제를 만족시키는 한편, 엔진의 양호한 연비를 위한 구동과 더불어, 차량의 공기역학을 개선하기 위한 차량 제조업체들의 노력에 따라, 터보차저를 위해 할당된 공간은 더 문제가 많아진다. 2단 터보차저의 수용이 계속 증가하면서, 차량 제조업체들은 이제 하나의 터보차저를 위해 할당된 공간에 2개의 터보차저들을 끼워맞추려 노력하고 있고, 그에 따라 터보차저의 크기가 더욱 중요해지고 있다.
따라서, 터보차저의 축방향 길이를 감소시키기 위한 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
구현예들은 스러스트 베어링의 보어 내에 테이퍼-랜드 구성을 포함하는 터보차저 스러스트 베어링의 설계와 관련된다. 이러한 방식으로, 저널 베어링 및 스러스트 베어링의 기능들이 스러스트 베어링 내에서 달성되어, 별개의 저널 베어링에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 그 결과, 터보차저의 축방향 길이가 감소할 수 있다.
본 발명은 유사한 도면부호들이 유사한 구성요소들을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 제한이 아닌 예로써 설명된다:
도 1은 통상적인 부동 베어링 터보차저의 단면도이다.
도 2는 통상적인 부동 터보차저 베어링의 상세도이다.
도 3은 통합형 저널 및 스러스트 베어링 시스템을 구비한 터보차저의 단면도이다.
도 4는 통합형 저널 및 스러스트 베어링 시스템을 제공하도록 구성된 스러스트 베어링의 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 스러스트 베어링의 단면도이다.
도 6은 스러스트 베어링의 상세도를 도시한다.
도 7은 스러스트 베어링의 테이퍼-랜드 쌍의 상세도이다.
도 8은 스러스트 베어링의 단면도이다.
본원에 설명된 장치들은 스러스트 베어링 기능을 여전히 지원하면서 스러스트 베어링 내에 압축기-단부 저널 베어링 기능을 제공하도록 구성되는 스러스트 베어링을 구비한 장치 터보차저와 관련된다. 상세한 구현예들이 본원에 개시된다; 그러나, 개시된 구현예들은 단지 예시의 목적이라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본원에 개시된 특정한 구조적, 기능적 상세는 제한의 의도로 해석되는 것이 아니라, 당업자가 사실상 임의의 적절하게 상세화된 구조에서 본원의 양상들을 다양하게 채용하도록 교시하기 위한 대표적인 근거 및 청구범위를 위한 근거로만 이해되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어들 및 문구들은 제한의 의도가 아니라, 가능한 구현예들의 이해할 만한 설명을 제공하도록 의도된 것이다. 장치들이 도 3 내지 도 8에 도시되었지만, 구현예들은 도시된 구조 또는 응용에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 본원의 구현예들에 따라 구성된 스러스트 베어링(52)을 구비한 터보차저(50)가 도시되어 있다. 터보차저(50)는 샤프트(20)를 수용하는 베어링 하우징(23)을 포함한다. 샤프트(20)는 터빈단(12) 인근에 있는 터빈 영역(51)을 포함한다. 샤프트(20)는 또한 압축기단(14) 인근에 있는 압축기 영역(53)을 포함한다. 이러한 터보차저(50)에서, 저널 베어링들(26)이 샤프트(20)의 터빈 영역(51)을 지지하기 위해 구비된다. 그러나, 본원의 구현예들에 따르면, 저널 베어링들은 샤프트(20)의 압축기 영역(53)을 지지하기 위해 구비되지는 않는다.
도 4 내지 도 8은 본원의 구현예들에 따라 구성된 스러스트 베어링(52)의 일 실시예를 도시한다. 스러스트 베어링(52)은 본체(55)를 포함할 수 있다. 스러스트 베어링(52)은 임의의 적절한 유형의 스러스트 베어링일 수 있다. 예컨대, 스러스트 베어링(52)은 본원에 참조로서 통합된 미국 특허 제7,401,980호에 교시된 유형일 수 있다. 그러나, 스러스트 베어링(52)은 내부 오일 갤러리들에 의해 오일을 분배하는 스러스트 베어링과 같은 임의의 터보차저 스러스트 베어링일 수 있다.
(미국 특허 제7,401,980호에 교시된 스러스트 베어링을 포함한) 대부분의 유형의 스러스트 베어링들에서와 같이, 스러스트 베어링(52)은 그 축방향 대향측(58) 주위에 구비되는 램프(ramp; 54) 및 랜드(land; 56) 쌍들의 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 램프-랜드 쌍은 미리 결정된 호 길이 내에 끼워맞춤될 수 있다. 예컨대, 램프(54)는 호 길이
Figure pct00001
내에 수용될 수 있고, 랜드는 호 길이
Figure pct00002
내에 수용될 수 있다. 오일은 크로스컷 관통 홈(60; 키 베드(key bed)로도 지칭됨)을 통해 각각의 램프(54)에 공급되어, 스러스트 베어링(52)의 2개의 축방향 대향측들(58, 59)을 연결할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스러스트 와셔(62)가 스러스트 베어링(52)의 각각의 축방향 대향측(58, 59)에 실질적으로 인접하게 구비될 수 있다. 통상적인 스러스트 베어링에서와 같이, 스러스트 와셔들(62)은 샤프트의 축방향 위치 및 각각의 하우징에 대한 압축기 휠 및 터빈 휠의 상대 위치를 설정 및 유지하기 위해, 스러스트 베어링(52)을 통해 베어링 하우징에 회전형 조립체의 하중을 가할 수 있다. 한 쌍의 스러스트 와셔들(62) 각각의 내부 대향 회전면(64)의 상대 표면 속도는 일부 오일에 운동을 가하며, 오일이 수렴형 램프(54) 상을 통과할 때 오일을 압축한다. 임의의 적절한 수량의 홈들(60)이 스러스트 베어링(52)에 구비될 수 있다. 램프-랜드 쌍은 이웃한 홈들(60) 사이에 구비될 수 있다. 이러한 특징부들은 스러스트 베어링(52)에 요구되는 하중 운반 용량을 제공할 수 있다. 램프 대 랜드의 비가 원하는 하중 및 효율을 달성하기 위해 수정될 있음은 물론이다. 램프(54) 및 랜드(56)는 압인가공(coining), 기계가공(machining), 또는 다른 적절한 방법과 같은 임의의 적절한 방식으로 스러스트 베어링(52)에 형성될 수 있다.
스러스트 베어링(52)은 오일 캐널(66) 및 오일 전달 갤러리들(68)을 포함할 수 있다. 오일 캐널(66)은 오일 전달 갤러리들(68)과 유체 소통될 수 있다. 오일을 아래의 램프들(54) 및 랜드들(56)에 분배하기 위해(즉, 오일 전달 갤러리들(68)에 의해 간접적으로 공급하기 위해), 외주 홈(70)이 스러스트 베어링(52)의 축방향 대향면들(58, 59) 각각에 구비될 수 있다.
스러스트 베어링(52)은 샤프트(20)의 일부를 수용할 수 있는 내부 보어(72)를 구비할 수 있다. 내부 보어(72)는 연관된 중심축(74)을 가질 수 있다. 스러스트 베어링(52)은 중심축(84) 주위에 연장되는 연관된 원주방향을 가질 수 있다.
홈들(60)은 보어(72)에 개방될 수 있고, 이와 유체 소통될 수 있다. 홈들(60) 및 보어(72)는 스러스트 베어링(52)을 통해 축방향으로 연장된다. 홈들(60) 사이에 있는 보어(72)의 부분들은 패드들(74)로 지칭된다.
본원의 구현예들에 따르면, 보어(72)는 저널 베어링의 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 보어(72)는 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)을 제공하도록 형상화될 수 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 테이퍼부(80) 및 랜드부(82)를 포함할 수 있다. 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 임의의 적절한 기계가공 공정과 같은 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다.
테이퍼부들(80)은 임의의 적절한 형태를 가질 수 있다. 테이퍼부들(80)은 대략 아치형일 수 있다. 테이퍼부(80)는 중심축(84)으로부터 제1 반경방향 거리(R1)에서 시작될 수 있다. 회전 방향(88)으로 이동함에 따라, 테이퍼부(80)는 대략 원주방향으로 연장될 수 있다. 중심축(84)으로부터의 테이퍼부(80)의 반경방향 거리는 테이퍼부(80)의 시작 부분부터 테이퍼(80)의 끝 부분(예컨대, 테이퍼부(80)와 랜드부(82) 사이의 전이부(86) 또는 그 인근)을 향해 감소할 수 있다. 반경방향 거리는 테이퍼부(80)의 길이를 따라 실질적으로 연속적으로 감소할 수 있거나, 또는 반경방향 거리는 하나 이상의 단차 또는 갑작스런 형상 변화와 같이 비연속적인 방식으로 감소할 수 있다. 테이퍼부들(80)은 중심축(84)으로부터 오프셋된 반경에 의해 한정될 수 있다.
테이퍼부(80)는 중심축(84)으로부터 제2 반경방향 거리(R2)에서 랜드부(82)로 전이될 수 있다. 제2 반경방향 거리(R2)는 제1 반경방향 거리(R1)보다 작을 수 있다. 전체 랜드부(82)는 중심축(84)으로부터 실질적으로 일정한 반경방향 거리에 있을 수 있다. 각각의 랜드부(82)는 보어(72)의 중심축(84)으로부터 실질적으로 동일한 반경으로 구비될 수 있다. 테이퍼(80)로부터 랜드(82)로의 전이부(86)는 임의의 적절한 방식으로 이루어질 수 있다. 일 구현예에서, 테이퍼(80)로부터 랜드(82)로의 전이부는 보어(72)를 따라 연장되는 라인을 형성할 수 있다. 라인은 중심축(84)과 실질적으로 평행할 수 있거나, 또는 중심축(84)과 평행하지 않을 수 있다. 또한, 테이퍼(80)와 랜드(82) 사이의 전이부는 중심축(84)의 방향으로 비선형 전이부일 수 있으므로, 라인이 아닐 수도 있다.
각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 연관된 호 길이(qTL)를 가질 수 있고, 이는 각각의 램프(54)-랜드(56) 쌍의 호 길이와 같을 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 서로 실질적으로 동일할 수 있거나, 또는 테이퍼-랜드 쌍들(78) 중 적어도 하나는 하나 이상의 측면에서 다른 테이퍼-랜드 쌍들(78)과 상이할 수 있다.
일 구현예에서, 테이퍼부(80)의 시작 부분과 테이퍼부의 끝 부분(예컨대, 전이부(86)) 사이의 반경의 차이는 약 0.1㎜보다 작을 수 있고, 특히 약 0.05㎜일 수 있다.
테이퍼부(80) 및 랜드부(82)는 서로에 대해 임의의 적절한 비율로 구비될 수 있다. 일 구현예에서, 각각의 통합된 테이퍼-랜드의 전체 호 길이는 약 50%의 랜드 및 약 50%의 테이퍼일 수 있다. 테이퍼부의 호 길이는 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 전체 호 길이의 대부분을 차지할 수 있다. 즉, 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)에 대해, 테이퍼부의 호 길이는 랜드부의 호 길이보다 클 수 있다. 일 구현예에서, 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 전체 호 길이는 약 30%의 랜드부 및 약 70%의 테이퍼부일 수 있다. 당연히, 테이퍼부들(80) 및 랜드부들(82)의 상대 비율은 사용 가능한 응용에 따라 필요 시 수정될 수 있다.
임의의 적절한 수량의 테이퍼-랜드 쌍들(78)이 있을 수 있다. 도 5에 도시된 구현예는 5개의 테이퍼-랜드 쌍들(78)을 보여주지만, 구현예들이 이러한 수량에 제한되지 않음은 물론이다. 몇몇 경우에, 테이퍼-랜드 쌍(78)은 각각의 패드(74)를 위해 구비될 수 있다. 다른 경우에, 패드들(74)의 수보다 적은 수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)이 있을 수 있다.
테이퍼-랜드 쌍들(78)은 스러스트 베어링(52)의 축방향 대향측들(58, 59)의 램프(54)-랜드(56) 쌍들 각각의 구성과 관련될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다는 점을 주목해야 한다. 예컨대, 램프(54)와 랜드(56) 사이의 전이부(57)는 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78) 사이의 전이부(86)와 실질적으로 반경방향으로 정렬될 수 있다. 다른 경우에, 램프(54)와 랜드(56) 사이의 전이부(57)는 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78) 사이의 전이부(86)로부터 오프셋될 수 있다.
샤프트(20)가 스러스트 베어링(52)의 보어(72)에 수용될 때, 그 사이에 환상 간극(90)이 한정될 수 있다. 본원에 설명된 테이퍼-랜드 쌍들(78)의 구성으로 인해, 간극(90)은 샤프트(20)의 회전축과 실질적으로 동일선 상에 있을 수 있는 중심축(84) 주위에서 변화된다. 따라서, 샤프트(20)의 외주면(40)과 패드들(74) 사이의 거리가 랜드부(82)에서보다 테이퍼부(80)에서 더 클 수 있음은 물론이다.
독창적인 조합의 스러스트 베어링(52)은, 베어링 하우징의 핀이 끼워맞춤되는, 스러스트 베어링의 구멍(75)에 의해 중심선(21) 주위에서 회전 구속될 수 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 구현예들은 시계 방향으로 회전하는 샤프트와 관련된다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 구현예들이 이러한 장치에 제한되지 않음은 물론이다. 실제로, 샤프트가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 램프들(54), 랜드들(56), 테이퍼들(80), 및 랜드들(81)의 전술한 관계는 서로에 대해 동일하지만, 반대 방향일 것이다. 즉, 회전 방향으로, 램프들(54) 및 테이퍼들(80)은 각각의 랜드들(56, 82)에 선행할 것이다.
샤프트(20)의 회전은 동일한 회전 속도로 스러스트 와셔들(62)의 회전을 야기할 수 있다. 스러스트 영역에서, 오일 캐널(66)을 통해 오일 전달 갤러리들(68), 외주 홈(70), 및 크로스컷 관통 홈들(60)로 공급된 윤활유가 램프들(54) 내로 흘러 들어간다. 스러스트 베어링(52)이 장착된 베어링 하우징(23)에 대해 회전형 조립체에 의해 가해진 축방향 하중을 지지하기 위해, 윤활유의 점성 메커니즘을 통한 스러스트 와셔들(62)의 회전은 회전형 스러스트 와셔들(62)과 정지형 램프들(54) 및 랜드들(56) 사이에서 유체동압이 증가하게 한다.
또한, 샤프트(20)의 회전은 샤프트(20)와 동일한 회전 속도로 스러스트 와셔들(62) 사이에서 실린더(65)가 회전하게 할 수 있다. 오일 캐널(66)을 통해 오일 전달 갤러리들(68), 외주 홈(70), 및 크로스컷 관통 홈들(60)로 공급된 윤활유는 회전형 샤프트(20)에 의해 끌어당겨져서 테이퍼부들(80) 내로 운반될 수 있다. 테이퍼부(80)로부터 랜드부(82)로 이어지는, 샤프트(20)의 외주면(40)과 보어(72) 사이의 영역의 감소로 인해, 오일의 유체동압이 증가할 수 있다. 그러므로, 유막 압력에 의해 힘이 샤프트(20) 상에 가해진다. 오일이 랜드부(82)에 도달할 때까지, 오일은 샤프트(20)와 스러스트 베어링(52)이 접촉하지 않도록 보장하기 위해 상당히 높은 압력을 가진다. 게다가, 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 샤프트(20)와 보어(72) 사이에 복수의 비교적 높은 압력점들을 제공하여, 샤프트(20)를 중앙에 유지할 수 있다.
일 구현예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 축방향 대향 벽들(92)이 각도
Figure pct00003
에 의해 한정되는 테이퍼 및 랜드 구역들 내에 제공될 수 있다. 벽들(92)의 내부 경계는 기본 보어 또는 패드 직경일 수 있다. 이러한 벽들(92)의 기능은, 윤활유의 유체동압의 축적이 테이퍼부(80), 랜드부(82), 및 회전형 샤프트(20)의 외주면(40)에 의해 형성되는 환상부로부터 축방향으로 빠져나가는 것을 방지하는 포켓을 형성하는 것이다.
본원에 설명된 바와 같이, 스러스트 베어링 기능을 여전히 지원하면서 스러스트 베어링 내에 압축기-단부 저널 베어링 기능을 제공하도록 구성되는 스러스트 베어링(52)이 다양한 이점을 제공할 수 있음은 물론이다. 예컨대, 스러스트 베어링의 내부 보어의 테이퍼-랜드 구성은 압축기측 저널 베어링의 기능을 달성하여, 잠재적으로 압축기측 저널 베어링에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 그러므로, 압축기측 저널 베어링 기능을 스러스트 베어링 엔벨로프에 통합함으로써, 터보차저 베어링 하우징의 축방향 길이를 상당히 감소시킬 수 있다.
축방향 길이의 감소는 약 20%로 추정되었다. 도 1의 터보차저 섹션은 도 3에 도시된 터보차저와 같이 동일한 터빈 휠 및 압축기 휠로 동일한 공기역학적 기능을 제공할 수 있지만, 터빈 휠(16)과 압축기 휠(18) 사이의 축방향 길이보다 약 20% 적고, 스터브 샤프트-저널 베어링 직경에서의 견부(16)와 저널 베어링-용접된 보스 직경에서의 견부(15) 사이의 축방향 길이보다 15% 적은 것으로 추정된다. 이러한 길이 감소는 터보차저의 질량을 감소시키며, 이는 이후 연비에 도움이 될 수 있다.
또한, 샤프트(20)의 길이가 감소할 수 있고, 이는 이후 더 강하고 더 안정된 로터를 형성할 수 있다. 터보차저의 전체 축방향 길이의 감소 외에도, 압축기 휠의 현수 회전 관성의 모멘트 암의 노드가 베어링 중심에 더 인접하게 대략 동일한 양만큼 이동하여, 훨씬 더 강한 샤프트를 형성하며, 이는 스터브 샤프트의 절곡 및 최종 압축기 휠 변위를 감소시키고, 그에 따라 간극이 압축기단 효율을 개선하기 위해 더 긴밀해질 수 있다.
베어링으로부터의 압축기의 현수 질량을 감소시킴으로써, 로터 동역학이 개선될 수 있다. 또한, 샤프트 기울기의 감소로 인해 스러스트 용량이 개선될 수 있다. 아울러, 터보차저의 축방향 길이의 감소는 엔진 내의 터보차저의 패키징과 관련하여 유리할 수 있다. 최종적으로, 압축기측 저널 배어링들의 제거에 따라 터보차저의 부품 개수를 줄이는 것이 가능할 수 있다. 본원에 사용된 "부정관사(a, an)"는 1개, 또는 2개 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "복수"라는 용어는 2개, 또는 3개 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "다른"이라는 용어는 적어도 제2, 또는 그 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "포함하는" 및/또는 "구비한"이라는 용어는 포함하는(comprising)으로 정의된다(즉, 개방형 언어).
본원에 설명된 양상들은 본 발명의 정신 또는 본질적인 속성을 벗어남 없이 다른 형태들 및 조합들로 구현될 수 있다. 따라서, 구현예들은 단지 예로써 주어진 본원에 설명된 특정한 상세에 제한되지 않으며, 후술하는 청구범위 내에서 다양한 수정들 및 변경들이 가능하다는 점을 물론 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 보어(72)를 구비한 본체(55)로, 상기 보어(72)는 중심축(84) 및 상기 중심축(84) 주위의 연관된 원주방향을 가지고, 상기 보어(72)는 그 주위에 원주방향으로 분포되는 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)을 제공하도록 형상화되며, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 랜드부(82)로 전이되는 테이퍼부(80)를 포함하고, 상기 각각의 테이퍼부(80)는 상기 중심축(84)으로부터 제1 반경방향 거리에서 시작되며, 그로부터 상기 랜드부(82)까지 대략 원주방향으로 연장되고, 상기 랜드부(82)는 상기 중심축(84)으로부터 실질적으로 일정한 제2 반경방향 거리에서 대략 원주방향으로 연장되며, 상기 제2 반경방향 거리는 상기 제1 반경방향 거리보다 작은 것인 본체(55)를 포함하는 터보차저 스러스트 베어링(52).
  2. 제1항에 있어서, 상기 본체(55)에 형성되며, 상기 보어(72)에 개방되는 복수의 홈들(60)을 더 포함하고, 각각의 상기 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 각각의 이웃한 홈들(60)의 쌍 사이에 구비되는, 터보차저 스러스트 베어링.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 반경방향 거리와 상기 제2 반경방향 거리 사이의 차이는 약 0.05㎜ 내지 약 0.1㎜인, 터보차저 스러스트 베어링.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 연관된 호 길이
    Figure pct00004
    를 가지며, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 상기 호 길이
    Figure pct00005
    의 적어도 약 50%는 상기 테이퍼부(80)로 이루어지는, 터보차저 스러스트 베어링.
  5. 제4항에 있어서, 상기 테이퍼부(80)는 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 상기 호 길이
    Figure pct00006
    의 적어도 약 70%를 포함하는, 터보차저 스러스트 베어링.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(80)은 원주방향으로 실질적으로 균일하게 이격되는, 터보차저 스러스트 베어링.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중심축(84)으로부터의 상기 테이퍼부(80)의 반경방향 거리는 상기 제1 반경방향 거리에서 상기 제2 반경방향 거리까지 실질적으로 연속적으로 감소하는, 터보차저 스러스트 베어링.
  8. 베어링 하우징(23);
    상기 베어링 하우징(23) 내에 구비되며, 보어(72)를 구비한 스러스트 베어링(52)으로, 상기 보어(72)는 중심축(84) 및 상기 중심축(84) 주위의 연관된 원주방향을 가지고, 상기 보어(72)는 그 주위에 원주방향으로 분포되는 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)을 제공하도록 형상화되며, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 랜드부(82)로 전이되는 테이퍼부(80)를 포함하고, 상기 각각의 테이퍼부(80)는 상기 중심축(84)으로부터 제1 반경방향 거리에서 시작되며, 그로부터 상기 랜드부(82)까지 대략 원주방향으로 연장되고, 상기 랜드부(82)는 상기 중심축(84)으로부터 실질적으로 일정한 제2 반경방향 거리에서 대략 원주방향으로 연장되며, 상기 제2 반경방향 거리는 상기 제1 반경방향 거리보다 작은 것인 스러스트 베어링(52); 및
    연관된 회전축(21) 및 상기 축(21) 주위의 회전 방향을 가진 샤프트(20)로, 상기 샤프트(20)의 적어도 일부는 상기 보어(72)에 수용되며, 상기 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 상기 테이퍼부(80)가 회전 방향으로 상기 랜드부(82)에 선행하도록 배치되는 것인 샤프트(20)를 포함하는 터보차저(50).
  9. 제8항에 있어서, 상기 샤프트(20)는 압축기 영역(53) 및 터빈 영역(51)을 포함하고, 상기 샤프트(20)의 상기 터빈 영역(51)은 적어도 하나의 저널 베어링(26)에 의해 지지되며, 상기 샤프트(20)의 상기 압축기 영역(53)은 저널 베어링에 의해 지지되지 않는, 터보차저.
  10. 제8항에 있어서, 상기 본체(55)에 형성되며, 상기 보어(72)에 개방되는 복수의 홈들(60)을 더 포함하고, 각각의 상기 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 각각의 이웃한 홈들(60)의 쌍 사이에 구비되는, 터보차저.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 반경방향 거리와 상기 제2 반경방향 거리 사이의 차이는 약 0.05㎜ 내지 약 0.1㎜인, 터보차저.
  12. 제8항에 있어서, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)은 연관된 호 길이(qTL)를 가지며, 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 상기 호 길이
    Figure pct00007
    의 적어도 약 50%는 상기 테이퍼부(80)로 이루어지는, 터보차저.
  13. 제12항에 있어서, 상기 테이퍼부(80)는 상기 각각의 테이퍼-랜드 쌍(78)의 상기 호 길이
    Figure pct00008
    의 적어도 약 70%를 포함하는, 터보차저.
  14. 제8항에 있어서, 상기 복수의 테이퍼-랜드 쌍들(78)은 원주방향으로 실질적으로 균일하게 이격되는, 터보차저.
  15. 제8항에 있어서, 상기 중심축(84)으로부터의 상기 테이퍼부(80)의 반경방향 거리는 상기 제1 반경방향 거리에서 상기 제2 반경방향 거리까지 실질적으로 연속적으로 감소하는, 터보차저.
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