KR20150003855A - 가변 터빈 구조 베인 팩을 위한 베이오넷 스페이서 유지 시스템 - Google Patents

가변 터빈 구조 베인 팩을 위한 베이오넷 스페이서 유지 시스템 Download PDF

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조지 이. 3세 헤디
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Abstract

가변 형상 터보차저는 복수의 스페이서 커넥터들에 의해 연결되는 한 쌍의 베인 링들에 의해 구속되는 회전 가능한 베인들을 구비한 베인 팩을 포함한다. 스페이서 커넥터들은 베인 링들 사이의 최소 간격을 유지하기 위한 스페이서 바디를 포함할 수 있다. 스페이서 커넥터들은 베인 링들 중 적어도 하나에 베이오넷 장착되도록 구성된다. 이를 위해, 스페이서 커넥터들은 스페이서 바디의 양측으로부터 연장되는 샤프트부들을 포함할 수 있다. 복수의 횡방향 돌출부들이 각각의 샤프트부로부터 외향 연장될 수 있다. 각각의 샤프트부는 베인 링의 각각의 개구에 수용될 수 있다. 스페이서 커넥터들은, 횡방향 돌출부들이 횡방향 부분들의 통과를 허용하는 개구 부분들로부터 오프셋되어, 베인 링들을 이격된 상태로 제자리에 유지하도록, 회전될 수 있다. 이러한 시스템은 긴밀한 공차, 압입, 고가의 볼트형 조인트, 또는 용접 공정을 방지한다.

Description

가변 터빈 구조 베인 팩을 위한 베이오넷 스페이서 유지 시스템{BAYONET SPACER RETENTION SYSTEM FOR VARIABLE TURBINE GEOMETRY VANE PACKS}
구현예들은 전반적으로 터보차저에 관한 것으로, 특히 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩에 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 증가시킬 수 있다. 큰 물리적 크기의 자연 흡기 엔진을 대체하는 작은 터보차지형 엔진은 질량을 감소시킬 것이며, 차량의 공기역학적 전방 면적을 감소시킬 수 있다.
도 1은 통상적인 가변 형상 터보차저(10)를 도시한다. 일반적으로, 터보차저(10)는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기가스 유동을 사용하여 터빈 휠(12)을 구동하고, 터빈 휠(12)은 터빈단(16)을 형성하기 위해 터빈 하우징(14) 내에 위치한다. 터빈 휠(12)에 의해 추출된 에너지는 회전 운동으로 변환되며, 이후 회전 운동은 압축기 휠(18)을 구동하고, 압축기 휠(18)은 압축기단(22)을 형성하기 위해 압축기 커버(20) 내에 위치한다. 압축기 휠(18)은 터보차저(10) 내로 공기를 끌어들이고, 이 공기를 압축하여, 엔진의 흡기측에 전달한다.
가변 형상 터보차저는 통상적으로, 터빈 휠(12)에 부딪히는 배기가스의 질량 유동을 제어하며 터빈단(16)의 동력을 제어하기 위해, 복수의 회전 가능한 베인들(24)을 사용한다. 따라서, 이러한 베인들(24)은 또한 압축기단(22)에 의해 발생되는 압력비를 제어한다. 고압 배기가스 재순환(high pressure exhaust gas recirculation, HP EGR) 기법의 사용에 의해 NOx의 생성을 제어하는 엔진에 있어서, 가변 형상 터보차저 내의 베인 팩의 기능은 또한 배기 배압을 제어 및 발생시키기 위한 수단을 제공하는 것이다.
복수의 베인들(24)이 대략 환상의 상부 베인 링(UVR; 28)과 대략 환상의 하부 베인 링(LVR; 30) 사이에 구비된다. 복수의 베인들(24) 및 2개의 베인 링들(28, 30)로 구성된 조립체는 통상적으로 베인 팩(26)으로 알려져 있다. 각각의 베인(24)은 한 쌍의 대향 액슬들(32) 상에서 회전하되, 대향 액슬들(32)은 베인(24)의 서로 정반대의 측에서 돌출되며, 동일한 중심선 상에 있다. 각각의 베인(24)에 대해, 하나의 액슬(32)은 LVR(30)의 개구(34) 내에 위치하며, 다른 액슬(32)은 UVR(28)의 개구(36) 내에 위치한다. UVR(28)의 각도 배향은, 베인 링들(28, 30)의 상보적인 개구들(34, 36)이 베인(24)의 액슬들(32)과 동심을 갖도록, 설정된다. 베인(24)은 2개의 액슬들(32)의 중심선을 중심으로 자유롭게 회전하며, 이 중심선은 2개의 개구들(34, 36)의 이제 설정된 중심선과 동심을 가진다. 베인(24)의 UVR측의 각각의 액슬(32)은 UVR(28)을 통해 돌출되며, 베인 링들(28, 30)에 대한 베인(24)의 회전 위치를 제어하는 각각의 베인 암(38)에 부착된다. 통상적으로, 모든 베인 암들(38)을 공동으로 제어하는 별개의 유니슨 링(unison ring)이 있다. 이러한 유니슨 링은 엔진 전자 제어 장치(ECU)에 의해 통상적으로 제어되는 액추에이터에 의해 제어된다.
회전 가능한 베인들(24) 사이의, 보다 구체적으로는 베인들(24)의 볼부들(cheeks)(40)과 상하부 베인 링들(28, 30)의 내표면들(29, 31) 사이의 간극은, 터빈 휠(14)의 전단에서의 배압의 발생 및 터빈 휠(14)에 부딪히도록 허용된 배기가스의 제어 모두에 있어서 효율 손실의 주요 원인이다. 베인 볼부들(40)과 베인 링들(28, 30)의 상보적인 내표면들(29, 31) 사이의 간극을 최소화하여, 베인 팩(26)의 효율을 증가시키는 것이 바람직하다. 불행히도, 측면 간극으로 인한 효율의 증가는 베인 팩(26)에 전달되는 터빈 하우징(14) 내의 열 변형으로 인한 베인 팩(26)의 마모, 점착, 또는 완전한 걸림(jam) 성향과 반비례한다. 그러므로, 베인 팩(26)은 열유도 왜곡의 전달을 최소화하는 방식으로 터빈 하우징(14) 내에 정확하게 배치 및 구속될 필요가 있다. 베인 팩(26)의 내부에 있는 동안, 전술한 간극은 점착, 걸림, 및 마모 가능성을 최소화하면서 효율을 최대화하도록 설정될 필요가 있다.
일부 VTG들에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, LVR(30)이 복수의 볼트들(42)에 의해 터빈 하우징(14)에 구속된다. UVR(30) 및 LVR(20)은 베인 링들(28, 30) 상에, 및 베인 링들(28, 30) 사이에 배치되는 복수의 스페이서들(46) 상에 클램프 하중을 적용하는 역할을 하는 스터드들 또는 볼트들(44)에 의해 서로 고정되고, 그에 따라 스페이서(46)의 길이는 UVR(28)과 LVR(30) 사이의 간격, 및 그에 따른 베인들(24)의 볼부들(40)과 베인 링들(28, 30)의 내표면들(29, 31) 사이의 간극을 결정한다. 볼트들 또는 스터드들(4)은 또한 베인들의 액슬들(32)이 구속되는 개구들(34, 36)의 각도 배향을 제공하는 역할을 한다. 그러나, 이러한 스터드들이 진동을 겪을 때, 특히 고온 상황(740℃ 내지 1050℃)에서 풀리지 않도록 스터드들을 고정하기가 어렵다. 마찬가지로, 온도가 영하 온도 내지 높은 연소형 온도(740℃ 내지 1050℃)인 상황에서, 클램프 하중 세트 내의 구성요소들의 재료들 사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 너트(48)가 느슨해지지 않도록 너트(48)를 통해 클램프 하중을 유지하기가 어렵다. 따라서, 간단한 클램핑 장치(즉, 너트와 볼트)인 것처럼 보이는 것이 실제로는 복잡한 공학적인 문제점이 있고, 이는 통상적으로 클램프 하중이 전술한 온도 범위에 걸쳐 유지되도록 구성요소들을 위해 고가의 특수 재료를 사용하는 것을 필요로 한다.
일부 VTG들에서는, LVR이 복수의 스페이서들에 의해 터빈 하우징에 구속된다. 스페이서들은 스페이서의 서로 반대편의 단부들 상에 샤프트를 포함한다. 하나의 샤프트는 LVR의 수용 개구에 압입되고, 다른 샤프트는 UVR의 수용 개구에 압입된다. 스페이서들은 샤프트들과 개구들 사이의 압입의 마찰력에 의해 제자리에 고정된다. 그러나, 터보차저의 작동 중에, 이러한 베인 팩은 스페이서들이 베인 링들로부터 분리되는 문제점을 경험하였다.
베인 팩(26)의 조립 중에, 정확한 구성요소들이 사용되고, 정확한 클램프 하중이 적용되도록 보장하기 위해 많은 노력이 이루어진다.
따라서, 베인 팩에 원하는 클램프 하중을 적용하기 위한 비용효율적이며 비교적 신속한 방식에 대한 필요성이 존재한다.
본원의 구현예들은 복수의 스페이서 커넥터들을 사용함으로써 전술한 문제점들을 최소화할 수 있다. 각각의 스페이서 커넥터는 스페이서 바디, 및 스페이서 바디의 서로 반대편의 단부면들로부터 연장되는 제1 및 제2 샤프트부를 포함할 수 있다. 샤프트부들은 외주면을 구비할 수 있다. 복수의 횡방향 돌출부들이 각각의 샤프트부의 외주면으로부터 연장될 수 있다. 각각의 샤프트부는, 횡방향 돌출부들이 베인 링의 개구를 지나 연장되도록, 각각의 개구에 수용될 수 있다. 스페이서 커넥터들은, 횡방향 돌출부들이 개구들로부터 오프셋되도록, 회전될 수 있다. 그 결과, 샤프트부들이 개구들을 통해 인출되는 것이 방지되고, 베인 링 축방향 간격이 스페이서 바디들에 의해 제어될 수 있다. 이러한 시스템은 긴밀한 공차, 압입, 고가의 볼트형 조인트, 또는 용접 공정을 요구하지 않는다.
구현예들은 유사한 도면부호들이 유사한 구성요소들을 나타내는 첨부 도면에 제한이 아닌 예로써 도시된다:
도 1은 통상적인 가변 형상 터보차저를 도시한다.
도 2는 통상적인 베인 팩의 단면도 및 추가 확대도이다.
도 3은 본원의 구현예들에 따른 커넥터 스페이서의 일례이다.
도 4는 본원의 구현예들에 따른 스페이서를 구비한 베인 팩의 단면도이다.
도 5는 연결 스페이서의 샤프트부를 수용하는 개구 및 회전-방지 핀을 수용하는 개구를 나타내는, 베인 링의 내표면의 일부의 도면이다.
도 6은 카운터보어와 함께 연결 스페이서의 샤프트부를 수용하는 개구를 나타내는, 베인 링의 외표면의 일부의 도면이다.
도 7은 본원의 구현예들에 따른 베인 팩의 일부의 부분 분해도이다.
도 8은 본원의 구현예들에 따른 베인 팩의 일부의 일례의 도면이다.
도 9는 베인 팩 내에 배치된 연결 스페이서의 도면이다.
본원에 설명된 장치들은 베인 링 조립체를 위한 유지 시스템 및 방법과 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 실제로 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 9에 도시되었지만, 구현예들은 도시된 구조 또는 응용에 제한되지 않는다.
본원의 구현예들에 따른 베인 팩은 복수의 스페이서 커넥터들을 포함할 수 있다. 스페이서 커넥터들은 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 하나의 가능한 스페이서 커넥터(50)의 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 스페이서 커넥터(50)는 스페이서 바디(52), 제1 샤프트부(54), 및 제2 샤프트부(56)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)는 스페이서 바디(52)의 서로 반대편의 단부면들(58, 60)로부터 연장될 수 있다. 스페이서 바디(52)는 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 스페이서 바디(52)는 실질적으로 원통형일 수 있거나, 공기역학적으로 효율적인 형상(예컨대, 에어포일 형상 또는 눈물방울 형상)을 가질 수 있다. 스페이서 바디(52)는 실질적으로 대칭형일 수도 있고, 대칭형이 아닐 수도 있다. 전술한 구성들은 단지 예로써 제시된 것이므로, 스페이서 바디(52)를 위한 다른 적절한 형태들이 가능하다.
제1 샤프트부(54) 및 제2 샤프트부(56)는, 제1 샤프트부(54)의 종축(62)이 제2 샤프트부(56)의 종축(64)과 실질적으로 동축을 갖도록, 서로 실질적으로 정렬될 수 있다. 게다가, 축들(62, 64)은 스페이서 바디(52)와 실질적으로 동축을 가질 수 있다. 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)는 실질적으로 직선형일 수 있다. 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)는 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)는 실질적으로 원형 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)는 실질적으로 일정한 단면 크기 및/또는 형상을 가질 수 있거나, 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 단면 크기 및/또는 형상은 그 길이의 적어도 일부를 따라 가변될 수 있다. 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)는 서로 실질적으로 동일할 수 있거나, 하나 이상의 측면에서 서로 상이할 수 있다.
제1 샤프트부(54)는 근위 단부(66)와 원위 단부(68)를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 제2 샤프트부(56)는 근위 단부(70)와 원위 단부(72)를 구비할 수 있다. "근위" 및 "원위"라는 용어는 스페이서 바디(52)에 대한 샤프트부들(54, 56)의 단부들의 위치를 나타내기 위해 사용된다. 제1 샤프트부(54)는 외주면(74)을 구비할 수 있고, 제2 샤프트부(56)는 외주면(76)을 구비할 수 있다.
스페이서 커넥터들(50)은 베인 팩의 상부 및/또는 하부 베인 링에 베이오넷 장착되도록 구성될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "바이오넷 장착" 및 그 변형들은 복수의 돌출부들을 구비한 수형 부재(male element)와 암형 리셉터클(female receptacle) 사이의 부착 방식이다. 수형 부재는 암형 리셉터클에 수용되고, 돌출부들이 돌출부들의 통과를 허용하도록 구성되는 암형 리셉터클의 부분들로부터 오프셋되도록, 암형 리셉터클 내에서 회전된다. 이런 방식으로, 수형 부재가 암형 리셉터클로부터 인출되는 것을 방지한다.
스페이서 커넥터들(50)과 베인 링들 사이의 베이오넷 장착을 달성하기 위해 다양한 가능한 구성들이 있을 수 있다. 도 3은 하나의 가능한 예를 도시한다. 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 원위 단부(68, 72)는 스페이서 커넥터(5)가 베인 팩의 상부 및 하부 베인 링에 베이오넷 장착되도록 구성될 수 있다. 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 원위 단부(68, 72)의 외주면(74, 76)으로부터 연장될 수 있다. "원위 단부의 외주면으로부터 연장된다"는 문구 및 그 변형들은, 횡방향 돌출부들(78)이 정확히 각각의 원위 단부(68, 72)의 외주면(74, 76)으로부터, 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 원위 단부(74, 76)로부터 스페이서 바디(52) 쪽으로 약간 이격된 위치로부터 연장될 수 있음을 의미한다는 것을 주목해야 한다. 횡방향 돌출부들(78)은 임의의 적절한 형태를 가질 수 있다. 일례로, 횡방향 돌출부들(78)은 로브들(80)로 구성될 수 있다. 횡방향 돌출부들(78)은 실질적으로 편평한 내표면(82)을 가질 수 있거나, 다른 경우엔 베인 링의 일부와 실질적으로 대응하여 결합되도록 구성된다.
횡방향 돌출부들(78)은 임의의 적절한 방식으로 원위 단부(68, 72)의 외주면(74, 76)으로부터 연장될 수 있다. 예컨대, 횡방향 돌출부들(78)은 각각의 샤프트부(54, 56)의 외주면(74, 76)으로부터 실질적으로 반경방향으로 연장될 수 있다(즉, 각각의 샤프트부(54, 56)의 축(62, 64)으로부터 실질적으로 반경방향으로 연장될 수 있다). 일 구현예에서, 횡방향 돌출부들(78)은 각각의 샤프트부(54, 56)의 외주면(74, 76)으로부터 실질적으로 90°로 연장될 수 있다(즉, 각각의 샤프트부(54, 56)의 축(62, 64)으로부터 실질적으로 반경방향으로 연장될 수 있다).
임의의 적절한 수량의 횡방향 돌출부들(78)이 있을 수 있다. 일 구현예에서, 2개의 횡방향 돌출부들(78)이 각각의 샤프트부(54, 56)의 원위 단부(68, 72)의 외주면(74, 76)으로부터 연장될 수 있다. 그러나, 3개 이상의 횡방향 돌출부들(78)이 구비될 수 있음은 물론이다. 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 임의의 적절한 방식으로 각각의 샤프트부(54, 56)의 외주면(74, 76) 주위에 분포될 수 있다. 예컨대, 복수의 횡방향 돌출부들(78)은 각각의 샤프트부(54, 56)의 외주면(74, 76) 주위에 실질적으로 균일하게 이격될 수 있다. 대안적으로, 복수의 횡방향 돌출부들(78)은 각각의 샤프트부(54, 56)의 외주면(74, 76) 주위에 균일하지 않게 이격될 수 있다.
각각의 샤프트부(54, 56)와 관련하여, 복수의 횡방향 돌출부들(78)은 서로 실질적으로 동일할 수 있거나, 횡방향 돌출부들(78) 중 적어도 하나는 하나 이상의 측면에서 다른 횡방향 돌출부들(78)과 상이할 수 있다. 마찬가지로, 제1 샤프트부(54)의 외주면(74)으로부터 연장되는 횡방향 돌출부들(78)은 제2 샤프트부(56)의 외주면(76)으로부터 연장되는 횡방향 돌출부들(78)과 실질적으로 동일할 수 있다. 대안적으로, 제1 샤프트부(54)의 외주면(74)으로부터 연장되는 횡방향 돌출부들(78)은 본원에 설명된 것들 중 임의의 것을 포함하는 하나 이상의 측면에서 제2 샤프트부(56)의 외주면(76)으로부터 연장되는 횡방향 돌출부들(78)과 상이할 수 있다. 일 구현예에서, 제1 샤프트부(54)의 횡방향 돌출부들(78) 각각은 제2 샤프트부(56)의 횡방향 부분들(78) 각각과 실질적으로 정렬될 수 있다.
스페이서 커넥터(50)는 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 스페이서 커넥터(50)는 몇 가지 가능성을 들자면 400 시리즈 스테인리스 강, Inconel 718, 또는 Nimonic80A로 이루어질 수 있다. 스페이서 커넥터(50)는 기계가공과 같은 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다.
스페이서 커넥터(50)는 작동 위치에 설치될 때 그 회전이 최소화되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 스페이서 커넥터(50)의 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)는 회전-방지 부재와 결합되는 영역(84)을 포함할 수 있다. 예컨대, 영역(84)은 제1 및 제2 샤프트부(54, 56) 중 적어도 하나에 형성되는 실질적으로 편평한 표면(86)으로 구성될 수 있다. 일 구현예에서, 샤프트부들(54, 56) 중 하나만이 편평한 표면(86), 또는 회전-방지 부재와 결합되는 다른 영역(84)을 포함할 수 있다.
스페이서 바디(52)가 일체형 구조로서 제1 및 제2 샤프트부(54, 56)와 함께 형성된 것으로 도 3에 도시된 반면, 스페이서 커넥터(50)의 구현예들은 이러한 구성에 제한되지 않는다는 것을 주목해야 한다. 실제로, 스페이서 바디(52)는 샤프트부들(54, 56)과 따로 형성될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 제1 및 제2 샤프트부는 단일 샤프트(미도시)의 서로 반대편의 부분들일 수 있다. 별개의 스페이서 바디는 단일 샤프트를 수용하기 위해 관통 연장되는 통로를 포함할 수 있다. 이 통로는 횡방향 돌출부들의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본원의 구현예들에 따라 구성된 베인 팩(90)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 베인 팩(90)은 하부 베인 링(LVR; 92) 및 상부 베인 링(UVR; 94)을 포함할 수 있다. "내부" 및 "외부"라는 용어는 편의상 사용된 것이며, 제한하려는 의도가 아니다. LVR(92) 및 UVR(94)은 대략 환상일 수 있다. LVR(92)은 외표면(96) 및 내표면(98)을 구비할 수 있다. 마찬가지로, UVR(94)은 외표면(100) 및 내표면(102)을 구비할 수 있다. "상부" 및 "하부"라는 용어는 이러한 표면들의 서로에 대한 상대 위치와 관련하여 사용된다. 따라서, 베인 링들(92, 94)의 내표면들(98, 102)은 서로를 향하고, 베인 링들(92, 94)의 외표면들(96, 100)은 서로 반대편을 향한다.
복수의 개구들(104)이 LVR(92)에 구비될 수 있고, 복수의 개구들(106)이 UVR(94)에 구비될 수 있다. 개구들(104, 106)은 베이오넷 장착의 암형 리셉터클을 형성할 수 있다. 개구들(104, 106)은 횡방향 돌출부들(78)을 포함한 제1 및 제2 샤프트부(54, 56) 각각의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 개구들(104, 106)은 횡방향 돌출부들(78)을 수용하는 부분들(107)을 포함할 수 있다. 부분들(107)은 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 부분들(107)은 횡방향 돌출부들(78)과 상보적인 형상을 가질 수 있다. LVR(92)은 또한 그 외표면(96)에 카운터보어(108)가 형성될 수 있다. UVR(94)은 또한 그 외표면(100)에 카운터보어(110)가 형성될 수 있다.
이하에서는, 본원에 설명된 구현예들에 따른 베인 팩(90)의 조립 방법이 설명될 것이다. 그러나, 설명된 방법은 일례로 제공된 것이며, 구현예들은 설명된 특정한 방법에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 조립 방법은 이에 설명되지 않은 다른 단계들을 포함할 수 있고, 방법은 설명된 모든 단계들을 포함하도록 제한되지 않는다. 또한, 조립 방법의 일부로 본원에 설명된 단계들은 이 특정한 연대순에 제한되지 않는다. 실제로, 단계들 중 일부는 설명된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있고/있거나, 설명된 단계들 중 적어도 일부는 동시에 이루어질 수 있다.
각각의 스페이서 커넥터(50)의 제1 샤프트부(54)는 LVR(92)의 내표면(98)측으로부터 LVR(92)의 개구들(104) 중 하나에 삽입될 수 있다. 이러한 삽입은 횡방향 돌출부들(78)이 LVR(92)의 외표면(96)측에서 개구(104)를 빠져나갈 때까지 계속될 수 있다. 일례로, 횡방향 돌출부들(78)은 LVR(92)의 카운터보어(108) 내에 있을 수 있다.
복수의 베인들(88)이 구비될 수 있다. VTG 터보차저에 알려진 바와 같이, 복수의 베인들(88)은 UVR(56)과 LVR(54) 사이에 피벗 가능하게 장착될 수 있다. 베인들(88)은 LVR(54) 및 UVR(56)의 각각의 개구들(미도시)에 수용되는 베인 액슬들(미도시)을 구비할 수 있다. 베인들(88)의 구조 및 베인 팩 내부에서의 이들의 조립/장착은 공지되어 있으며, 이에 동일하게 적용 가능하다.
UVR(94)은, 스페이서 커넥터들(50)의 제2 샤프트부들(56) 각각이 UVR(94)의 내표면(102)측으로부터 UVR(94)의 개구들(106) 중 하나에 수용되도록, 위치할 수 있다. 제2 샤프트부들(56) 및 UVR(94) 사이의 상대 운동은 횡방향 돌출부들(78)이 UVR(94)의 외표면(100)측에서 개구(106)를 빠져나갈 때까지 계속될 수 있다. 일례로, 횡방향 돌출부들(78)은 UVR(94)의 카운터보어(110) 내에 있을 수 있다.
스페이서 커넥터들(50)은, 샤프트부들(54, 56)의 원위 단부들(68, 72)의 횡방향 돌출부들(78)이 베인 링들(92, 94)의 개구들(104, 106)로부터 오프셋되도록, 회전될 수 있다. ?의좁?은 횡방향 돌출부들(78)의 어떤 부분도 개구들(104, 106)의 부분들(107)과 중첩되지 않는 것을 포함한다. ?의좁?은 또한 횡방향 돌출부들이 개구들(104, 106)의 부분들(107) 중 소수와 중첩되는 경우를 포함한다. 스페이서 커넥터들(50)의 임의의 적절한 양의 회전이 수행될 수 있다. 일 구현예에서, 스페이서 커넥터들(50)은 개구들(104, 106)의 부분들(107)에 대해 약 90° 회전될 수 있다. 샤프트부들(54, 56)의 횡방향 돌출부들(78)의 내표면(82)은 카운터보어들(108, 110)과 같은 각각의 베인 링의 일부와 실질적으로 대응하여 결합될 수 있다.
그 결과, 스페이서 커넥터들(50)은 베이오넷 장착을 통해 베인 링들(92, 94)을 작동적으로 연결한다. 스페이서 바디들(52)은 LVR(92)의 내표면(98)과 UVR(94)의 내표면(102) 사이의 축방향 간격을 제어할 수 있다. 스페이서 바디들(52)은 일 단부에서 LVR(92)과, 타 단부에서 UVR(94)과 직접 접촉할 수 있다. 스페이서 커넥터들(50)과 베인 링들(92, 94) 사이의 결합의 결과로, 클램프 하중이 베인 링들(92, 94) 상에 적용될 수 있다. 스페이서 커넥터들(50)은 또한 베인들(88)의 걸림을 방지하기 위해 베인 액슬들(미도시)을 위한 개구들(미도시) 사이의 실질적인 정렬을 유지하기 위해 베인 링들(92, 94)의 서로에 대한 원주방향 각도 배향을 유지할 수 있다.
제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 원위 단부들(68, 72)은 베인 링들(92, 94)의 각각의 외표면(96, 100)과 실질적으로 같은 높이에 있을 수 있음은 물론이다. 대안적으로, 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 원위 단부들(68, 72)은, 예컨대 각각의 카운터보어(108, 110)에 수용됨으로써, 베인 링들(92, 94)의 각각의 외표면(96, 100)보다 오목하게 될 수 있다. 경우에 따라, 터빈 하우징 및/또는 베인 팩(90)의 베인 암들(89; 도 7)의 운동 범위를 방해하지 않는 한, 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)의 원위 단부들(68, 72)은 베인 링들(92, 94)의 각각의 외표면(96, 100)을 지나 돌출될 수도 있다.
스페이서 커넥터(50)가 적절한 위치로 회전되면, 이러한 위치가 실질적으로 유지되어야 함은 물론이다. 이를 위해, 베인 팩은 스페이서 커넥터(50)의 회전을 최소화하도록 구성될 수 있다. 스페이서 커넥터(50)의 회전-방지는 임의의 적절한 방식으로 달성될 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 스페이서 커넥터(50)의 제1 및/또는 제2 샤프트부(54, 56)는 회전-방지 부재와 결합되는 영역(84)(예컨대, 편평한 표면(86))을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 베인 링들(92, 94)은 영역(84)과 결합되도록, 또는 영역(84)과 결합되는 회전-방지 부재를 수용하도록 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 복수의 개구들(114)은 LVR(92)과 같은 베인 링들 중 하나의 외주면(112)에 형성될 수 있다. 개구(114)는 각각의 스페이서 커넥터(50)를 위해 구비될 수 있다. 개구(114)는 각각의 베인 링(92, 94)에 형성되는 개구(104, 106)와 소통되도록 연장될 수 있다. 개구(114)는 각각의 베인 링에서 실질적으로 반경방향으로 연장될 수 있다.
핀(116)과 같은 회전-방지 부재가 각각의 개구(114)에 수용될 수 있다. 핀(116)은 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 핀(116)은 실질적으로 직선형일 수 있으며, 대략 원형의 단면 형상을 가질 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 가능하다. 핀(116)의 제1 단부(118)는 스페이서 커넥터(50)의 편평한 표면(86)과 결합될 수 있다(예컨대, 직접 접경할 수 있다). 이러한 결합은 스페이서 커넥터(50)의 회전을 최소화할 수 있다. 핀(116)은 기계적 결합, 체결구, 접착제, 및/또는 다른 적절한 수단을 포함하는 임의의 적절한 방식으로 개구(114) 내의 제자리에 고정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 핀(116)은 터빈 하우징에 의해 제자리에 고정될 수 있다. 베인 팩이 터빈 하우징 내에 배치될 때, 핀(116)의 제2 단부(120) 및 LVR(92)의 외주면(112)은 터빈 하우징과 직접 접촉하여, 핀(116)이 개구(114) 밖으로 인출되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 본원의 구성들은 베인 팩(90)이 새로운 하중을 겪게 할 수 있고, 조립체의 취약부를 형성할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 예컨대, 베인 링들(92, 94) 중 하나 또는 둘다에 개구(114)를 포함시키면, 이러한 구조들은 약화될 수 있다. 베인 링들(92, 94)은 개구들(104, 106)에 부분들(107)을 포함시킴으로써 더 약화될 수 있다. 횡방향 돌출부들(78)(예컨대, 로브들(80)) 역시 베인 링들(92, 94) 상에 구조적 하중을 가할 수 있다. 본원의 구현예들에 따르면, 횡방향 돌출부들(78) 및 부분들(107)은 베인 링들(92, 94) 중 하나 또는 둘다의 하중을 최소화하도록 배치될 수 있다.
이를 위해, 개구들(104, 106)의 부분들(107)은 도 9에 전체적으로 도시된 바와 같이 개구(112)의 축과 실질적으로 평행할 수 있는 반경방향(R)에 대해 실질적으로 45°로 배향될 수 있다. 게다가, 스페이서 커넥터들(50)은 부분들(107)로부터 약 90°회전될 수 있다. 그 결과, 횡방향 돌출부들(78)의 최종 위치는 반경방향(R)에 대해 약 45°일 수 있다. 이런 방식으로, 개구 부분들(107) 및 횡방향 돌출부들(78)은 회전-방지 핀(116)을 수용하는 개구(114)에 전반적으로 걸쳐있을 수 있다. 따라서, 횡방향 돌출부들(78) 및/또는 개구 부분들(107)로 인한 베인 링들(92, 94)의 약화 및/또는 구조적 하중은 회전-방지 핀(116)을 위한 개구(114)를 추가함으로써 도입된 임의의 취약부로부터 오프셋되어, 이러한 요인들의 지나친 정렬을 방지할 수 있다.
그러나, 스페이서 커넥터들(50)이 회전되는 양뿐만 아니라, 부분들(107) 및 횡방향 돌출부들(78)의 다른 배치들도 가능하다. 일례로, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 개구들(104, 106)의 부분들(107)은 반경방향에 대해 실질적으로 90°로 배향될 수 있다. 횡방향 돌출부들(78)과 반경방향 사이의 임의의 적절한 각도를 달성하기 위해, 스페이서 커넥터들(50)은 임의의 적절한 양으로 회전될 수 있다.
본원에 설명된 시스템들 및 방법들이 다수의 이점들을 제공할 수 있음은 물론이다. 예컨대, 스페이서 커넥터 시스템은 베인 팩 조립체를 함께 포지티브 잠금할 수 있다. 게다가, 본원에 제공된 구현예들은 긴밀한 공차를 요구하지 않는다. 또한, 본원에 설명된 구현예들은 압입, 고가의 볼트형 조인트, 또는 용접 공정을 방지한다. 아울러, 본원에 설명된 구현예들은 베인 팩이 터빈 하우징으로부터 구조적으로 분리될 수 있게 한다. 이러한 이점들 및 다른 이점들은 본원의 구현예들에 따라 실현될 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 (16)

  1. 가변 형상 터보차저를 위한 베인 팩(90)에 있어서,
    제1 베인 링(92);
    제2 베인 링(94);
    상기 제1 및 제2 베인 링(92, 94)을 연결하며, 이들 사이의 간격을 유지하고, 상기 제1 베인 링(92) 및 상기 제2 베인 링(94) 중 적어도 하나에 베이오넷 장착되도록 구성되는 복수의 스페이서 커넥터들(50)을 포함하는 베인 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 커넥터들(50)은 서로 반대편의 단부면들(58, 60)을 구비한 스페이서 바디(52)를 포함하고, 제1 샤프트부(54)가 상기 스페이서 바디(52)의 상기 단부면들 중 하나(60)로부터 원위 단부(68)로 연장되며, 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제1 베인 링(92)에 베이오넷 장착되도록 상기 제1 샤프트부(54)의 외주면(74)으로부터 연장되는, 베인 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서 바디(52) 및 상기 제1 샤프트부(54)는 일체형 구조로 형성되는, 베인 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 베인 링(92)은 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 부분들(107)을 구비한 복수의 제1 개구들(104)을 포함하고, 상기 각각의 제1 샤프트부(54)는, 상기 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제1 개구들(104)의 상기 부분들(107)로부터 오프셋되어, 상기 각각의 제1 샤프트부(54)가 상기 각각의 제1 개구(104)로부터 인출되는 것을 방지하도록, 상기 각각의 제1 개구(104)에 수용되며 회전되는, 베인 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 상기 개구 부분들(107)은 상기 제1 베인 링(92)의 반경방향에 대해 실질적으로 45°인, 베인 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 횡방향 돌출부들(78)은 상기 제1 베인 링(92)의 반경방향에 대해 실질적으로 45°이며, 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 상기 개구 부분들(107)에 대해 실질적으로 90°인, 베인 팩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 제1 개구들(104)은 카운터보어(108)를 포함하며, 상기 각각의 제1 샤프트부들(54)의 상기 원위 단부(68)는, 상기 원위 단부(68)가 상기 제1 베인 링(92)의 외표면(96)과 실질적으로 같은 높이에 있거나 그보다 오목하게 되도록, 상기 카운터보어(108)에 수용되는, 베인 팩.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 스페이서 커넥터들(50)은 상기 스페이서 바디(52)의 상기 단부면들 중 다른 하나(58)로부터 원위 단부(72)로 연장되는 제2 샤프트부(56)를 포함하고, 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제2 베인 링(94)에 베이오넷 장착되도록 상기 스페이서 커넥터들(50)의 상기 제2 샤프트부(56)의 외주면(76)으로부터 연장되며, 상기 제2 베인 링(94)은 상기 제2 샤프트부(56)의 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 부분들(107)을 구비한 복수의 제2 개구들(106)을 포함하고, 상기 각각의 제2 샤프트부(56)는, 상기 각각의 제2 샤프트부(56)의 상기 횡방향 돌출부들(78)이 상기 각각의 제2 개구들(106)의 상기 부분들(107)로부터 오프셋되어, 상기 각각의 제2 샤프트부(56)가 상기 각각의 제2 개구(106)로부터 인출되는 것을 방지하도록, 상기 제2 베인 링(94)의 상기 각각의 제2 개구(106)에 수용되며 회전되는, 베인 팩.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 각각의 스페이서 커넥터(50)의 상기 제1 샤프트부(54)는 실질적으로 편평한 표면(86)을 구비한 영역(84)을 포함하는, 베인 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 핀들(116)을 더 포함하고,
    상기 각각의 핀(116)은, 상기 핀(116)의 단부(118)가 상기 실질적으로 편평한 표면(86)과 결합되어 상기 스페이서 커넥터(50)의 회전을 방지하도록, 상기 제1 베인 링들(92)에 형성되는 복수의 개구들(114) 각각에 수용되는, 베인 팩.
  11. 가변 형상 터보차저의 베인 팩(90)의 유지 방법에 있어서,
    제1 베인 링(92)을 제공하는 단계;
    제2 베인 링(94)을 제공하는 단계;
    복수의 스페이서 커넥터들(50)을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 베인 링(92, 94)이 서로 이격되어 유지되며, 각각의 스페이서 커넥터(50)가 상기 제1 베인 링(92) 및 상기 제2 베인 링(94) 중 적어도 하나에 베이오넷 장착되도록, 상기 각각의 스페이서 커넥터(50)를 상기 제1 및 제2 베인 링(92, 94)에 연결하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스페이서 커넥터들(50)은 서로 반대편의 단부면들(58, 60)을 구비한 스페이서 바디(52)를 포함하고, 제1 샤프트부(54)가 상기 스페이서 바디(52)의 상기 단부면들 중 하나(60)로부터 원위 단부(68)로 연장되며, 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제1 샤프트부(54)의 외주면(74)으로부터 연장되고, 상기 제1 베인 링(92)은 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 부분들(107)을 구비한 복수의 제1 개구들(104)을 포함하며;
    상기 연결 단계는:
    상기 각각의 제1 샤프트부(54)를 상기 각각의 제1 개구(104)에 삽입하는 단계;
    상기 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제1 개구들(104)의 상기 부분들(107)로부터 오프셋되어, 상기 각각의 제1 샤프트부(54)가 상기 각각의 제1 개구(104)로부터 인출되는 것을 방지하도록, 상기 스페이서 커넥터들(50)을 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 제1 개구들(104) 각각은 카운터보어(108)를 포함하고, 상기 회전 단계는 상기 제1 샤프트부(54)의 상기 원위 단부(68) 및 상기 횡방향 돌출부들(78)이 상기 카운터보어(108) 내에 위치하는 동안 이루어지는, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 스페이서 커넥터들(50)은 상기 스페이서 바디(52)의 상기 단부면들 중 다른 하나(58)로부터 원위 단부(72)로 연장되는 제2 샤프트부(56)를 더 포함하고, 복수의 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제2 베인 링(94)에 베이오넷 장착되도록 상기 스페이서 커넥터들(50)의 상기 제2 샤프트부(56)의 외주면(76)으로부터 연장되며, 상기 제2 베인 링(94)은 상기 제2 샤프트부(56)의 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 부분들(107)을 구비한 복수의 제2 개구들(106)을 포함하고,
    상기 연결 단계는:
    상기 각각의 제2 샤프트부(56)를 상기 각각의 제2 개구(106)에 삽입하는 단계;
    상기 횡방향 돌출부들(78)이 상기 제2 개구들(106)의 상기 부분들(107)로부터 오프셋되어, 상기 각각의 제2 샤프트부(56)가 상기 각각의 제2 개구(106)로부터 인출되는 것을 방지하도록, 상기 스페이서 커넥터들(50)을 회전시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 스페이서 커넥터들(50)은 실질적으로 편평한 표면(86)을 구비한 영역(84)을 포함하고, 복수의 개구들(114)이 상기 제1 베인 링(92)에 구비되며,
    상기 방법은:
    복수의 핀들(116)을 제공하는 단계;
    상기 핀(116)의 단부(118)가 상기 각각의 스페이서 커넥터(50)의 상기 실질적으로 편평한 표면(86)과 결합되어 상기 스페이서 커넥터(50)의 회전을 방지하도록, 상기 각각의 핀(116)을 상기 각각의 개구(114)에 삽입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 회전 단계 후에, 상기 횡방향 돌출부들(78)은 상기 제1 베인 링(92)의 반경방향에 대해 실질적으로 45°이며, 상기 횡방향 돌출부들(78)을 수용하도록 구성되는 상기 개구 부분들(107)에 대해 실질적으로 90°인, 방법.
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