KR20150005451A

KR20150005451A - 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입구

Info

Publication number: KR20150005451A
Application number: KR1020140080929A
Authority: KR
Inventors: 아르민 슈미트; 크리슈티안 크라이엔캄프; 베른트 알비츠
Original assignee: 에이비비 터보 시스템즈 아게
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-01-14
Also published as: EP2821596A1; CN104279190A; JP2015014287A; DE102013107134A1

Abstract

압축기의 공기 유입 하우징에서의 흡입 원추는 상기 압축기의 삽입벽에 대한 잠재적인 접촉영역에서, 밖에 위치한, 축방향으로 안내된 노치들에 의해 국부적으로 의도적으로 약화된다. 상기 노치들은 1 내지 3 mm 의 잔여 깊이까지 밖으로부터 상기 흡입 원추에 파지고, 따라서 흐름채널을 밖으로 한정하는 상기 흡입 원추의 벽은 안으로부터 온전히 남아 있다. 그러므로, 상기 노치들의 영역에서는, 부하하에 파괴되는 사전 결정된 파괴점들이 형성된다. 상기 삽입벽의 국부적인 부딪침 영역에서, 부딪칠 때 응력집중이 발생한다. 상기 부딪침에 의해 초래된 압축응력들은 상기 사전 결정된 파괴점들 중 적어도 하나의 파괴를 초래하고, 이로 인해 상기 공기 유입 하우징의 배출 평면에서의 연속적인 환상 횡단면이 중단된다. 그 후, 상기 압축응력들은 상기 적어도 하나의 파괴점에 의해 중단된 상기 흡입 원추의 환상 횡단면에 걸쳐 더 이상 분배될 수 없다. 상기 흡입 원추의 개별적인 세그먼트들의 고장 및 파열이 발생한다. 상기 흡입 원추 밖으로의, 사전 결정된 파괴점들에 의해 한정된 개별적인 세그먼트들의 상기 파열로 인해, 에너지가 변형을 통해 감소되고 상기 삽입벽의 변형을 위한 길이 충분히 제공됨으로써, 전체 공기 유입 하우징에 전달된 축방향 충격이 감소된다.

Description

배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입구 {AIR INLET OF A COMPRESSOR OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 과급된 내연기관 분야에 관한 것이다. 본 발명은 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징, 특히 필터 소음기 또는 공기 흡입 매니폴더에 관한 것이며, 또한 이러한 유형의 공기 유입 하우징을 갖는 압축기에 관한 것이다.

터보차저들은 공기 유입 하우징을 구비한다. 이는 일반적으로 필터 소음기이거나 또는 공기 흡입 매니폴더이다. 어떤 변형이 이용되는가는 엔진에서의 도관 안내에 따라 구별되고, 엔진 제조사에 의해 확정된다. 일반적으로는, 터보차저 제조사들에 의해, 동일한 터보유형을 위해 두 공기 유입구 변형이 제공된다.

압축기휠의 바로 상류의 영역에서의 흐름채널 (flow channel) 을 한정하는 공기 유입 하우징의 내부 윤곽은 공기 유입 하우징들의 상기 두 변형에 있어서 가능한 한 동일한 구조로 설계된다. 압축기휠로의 흐름 유입의 질은 열역학적 거동에 영향을 미치고, 이로써 효율, 배기가스 터보차저의 압축기 안정성 및 기계적 거동, 예컨대 압축기휠의 블레이드 진동에 영향을 미친다. 그러므로, 유동 기술적인 면에서 볼 때, 압축기휠로의 흐름 유입이 가능한 한 균일하고, 가능한 한 적은 압력손실만 발생하는 것이 필요하다. 이를 위해, 오늘날의 터보차저들에서는 흡입 원추 (inlet cone) 가 이용되고, 상기 흡입 원추는 필터 소음기 및 공기 흡입 매니폴더를 위해 동일하게 설계된다. 이로써, 두 공기 유입구 변형을 위해 압축기의 상류에서의 비슷한 흐름상태를 얻는다.

파열시 - 높은 회전속도에서의 압축기휠의 파열 - 안전 규정을 근거로, 부품들이 터보차저에서 이탈하지 않는 것이 보장되어야 한다. 압축기휠의 파열시 삽입벽 (insert wall) 의 유입구 모서리는 소성변형을 근거로 축방향으로 공기 유입구 방향으로 이동된다. 이로 인해, 공기 유입 하우징 안의 상기 흡입 원추의 배출 평면과 상기 삽입벽 안의 흐름채널의 유입 평면 사이의 간극이 다 없어지고, 상기 삽입벽과 상기 흡입 원추의 영역에서의 상기 공기 유입 하우징 사이에 접촉이 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 삽입벽은 상기 흡입 원추에 부딪칠 때 축방향 충격을 상기 공기 유입 하우징으로 전달한다. 이는 상기 공기 유입 하우징에서의 고정 플랜지의 파열 또는 이 플랜지에서의 나사결합의 고장을 초래할 수 있다.

압축기로의 흐름 유입이 언급할 정도로 방해를 받지 않으면서, 봉쇄의 경우에 발생하는 상기 공기 유입 하우징으로의 상기 축방향 충격을 최소화하는 공기 유입 채널을 위한 설계가 필요해진다.

한 가지 선택은, 상기 공기 유입 하우징 안의 상기 흡입 원추의 상기 배출 평면과 상기 삽입벽 안의 흐름채널의 상기 유입 평면 사이의 간극을 확대시키는 것일 것이다. 상기 공기 유입 하우징 안의 상기 흡입 원추의 상기 배출 평면과 상기 삽입벽 안의 흐름채널의 상기 유입 평면 사이의 확대된 간극에 의해, 상기 삽입벽의 큰 소성변형에서만 상기 삽입벽과 상기 흡입 원추 사이의 접촉이 발생한다. 단점은 잠재적으로 보다 높은 유입손실 그리고 이로써 보다 낮은 압축기 효율이다.

그 밖의 선택은, 상기 흡입 원추를 잠재적인 접촉영역에서 축방향 슬릿 (slit) 들을 통해 국부적으로 의도적으로 약화시키는 것일 것이다. 상기 공기 유입 하우징의 배출 평면에서의 연속적인 환상 횡단면은 상기 축방향 슬릿들에 의해 중단된다. 이렇게 하여, 상기 삽입벽의 국부적인 부딪침 영역에서, 부딪칠 때 응력집중이 발생한다. 상기 부딪침에 의해 초래된 압축응력들은 (상기 슬릿들에 의해 중단된) 상기 흡입 원추의 환상 횡단면에 걸쳐 더 이상 분배될 수 없다. 상기 흡입 원추의 개별적인 세그먼트 (segment) 들의 고장 및 파열이 발생한다. 이는 의도된 효과이다. 상기 흡입 원추 밖으로의 상기 개별적인 세그먼트들 (세그먼트는 한 슬릿으로부터 다른 슬릿으로 연장된다) 의 상기 파열로 인해, 에너지가 변형을 통해 감소되고 상기 삽입벽의 변형을 위한 길이 충분히 제공됨으로써, 전체 공기 유입 하우징에 전달된 축방향 충격이 감소된다. 그러므로, 봉쇄와 관련된 다음과 같은 위험들이 감소된다:

공기 유입 하우징의 플랜지의 고장

플랜지 연결부 안의 나사들의 파괴

터보차저로부터 공기 유입 하우징 구조의 분리

하지만 상기 슬릿들에 의해 압축기휠로의 흐름 유입이 방해를 받고 압력손실이 발생되기 때문에, 이 조치는 압축기 효율에 부정적인 영향을 미친다. 추가적으로, 상기 슬릿들에 의해 압축기 블레이드들의 기계적 부하가 높아질 수 있는데, 왜냐하면 흐름에 의해 유도된, 상기 압축기 블레이드들의 추가적인 진동자극이 생길 수 있기 때문이다.

본 발명의 목적은 흐름 유입의 높은 질을 유지하면서, 파열의 경우 구조 부하가 최소화될 수 있도록 배기가스 터보차저의 압축기의 흐름 유입 영역을 최적화하는 것이다.

이는 본 발명에 따르면 상기 공기 유입 하우징에서의 상기 흡입 원추가 상기 압축기의 상기 삽입벽에 대한 잠재적인 접촉영역에서, 밖에 위치한, 축방향으로 안내된 노치 (notch) 들에 의해 국부적으로 의도적으로 약화됨으로써 달성된다. 상기 노치들은 잔여 깊이까지 밖으로부터 상기 흡입 원추에 파지고, 따라서 흐름채널을 밖으로 한정하는 상기 흡입 원추의 벽은 안으로부터 온전히 남아 있다. 그러므로, 상기 노치들의 영역에서는, 부하하에 파괴되는 사전 결정된 파괴점들 (predetermined breaking points) 이 형성된다. 상기 삽입벽의 국부적인 부딪침 영역에서, 부딪칠 때 응력집중이 발생한다. 상기 부딪침에 의해 초래된 압축응력들은 상기 사전 결정된 파괴점들 중 적어도 하나의 파괴를 초래하고, 이로 인해 상기 공기 유입 하우징의 배출 평면에서의 연속적인 환상 횡단면이 중단된다. 그 후, 상기 압축응력들은 상기 적어도 하나의 파괴점에 의해 중단된 상기 흡입 원추의 환상 횡단면에 걸쳐 더 이상 분배될 수 없다. 상기 흡입 원추의 개별적인 세그먼트들의 고장 및 파열이 발생한다. 상기 흡입 원추 밖으로의, 사전 결정된 파괴점들에 의해 한정된 개별적인 세그먼트들의 상기 파열로 인해, 에너지가 변형을 통해 감소되고 상기 삽입벽의 변형을 위한 길이 충분히 제공됨으로써, 전체 공기 유입 하우징에 전달된 축방향 충격이 감소된다.

그러므로, 슬릿들을 갖는 상기 공지의 설계의 장점들이, 상기 설계의 단점들을 감수할 필요 없이, 이용된다.

그 밖의 장점들은 종속항들에 나타나 있다.

이하, 본 발명은 도면들을 근거로 상세히 설명된다.

도 1 은 개략적으로 도시된 2개의 서로 다른 공기 유입 하우징, 즉 필터 소음기와 공기 흡입 매니폴더를 포함하는 압축기를 갖는 선행기술에 따른 배기가스 터보차저의 전체 도면,
도 2 는 본 발명에 따라 형성된 흡입 원추를 갖는 필터 소음기의 기본 몸체,
도 3 은 본 발명에 따라 형성된 흡입 원추를 갖는 공기 흡입 매니폴더,
도 4 는 본 발명에 따라 형성된 흡입 원추를 갖는, 도 1 에 따른 압축기의 공기 유입구를 통한 영역 IV 에서 이어지는 축방향 단면을 나타낸다.

도 1 은 압축기 (1) 와 배기가스 터빈 (3) 을 갖는 종래의 배기가스 터보차저의 측면도를 나타낸다. 상기 압축기는 압축기 하우징 (10) 안에 배치된 압축기휠을 포함하고, 상기 터빈은 터빈 하우징 (30) 안에 배치된 터빈휠을 포함한다. 상기 터빈과 상기 압축기 사이에 베어링 하우징 (20) 이 배치된다. 배기가스 터빈 (3) 의 상기 하우징은 가스 유입구 (31) 를 포함하고, 상기 가스 유입구를 통해 뜨거운 배기가스가 상기 터빈휠로 흐르고, 상기 배기가스가 가스 배출구 (32) 를 통해 배기 장치에 공급되기 전에 상기 터빈휠을 구동시킨다.

상기 터빈휠은 축 (A) 둘레로 회전 가능한 터보차저 샤프트의 일 단부에 배치되고, 상기 터보차저 샤프트는 베어링 하우징 (2) 안에 회전 가능하게 설치된다. 상기 터보차저 샤프트의 다른 단부에는 상기 압축기휠이 위치하고, 상기 압축기휠은 공기 유입구 (11) 를 통해 흡입된 공기를 압축하고, 그 후 상기 공기는 스파이럴 또는 컬렉터 하우징 안에 수집되고, 공기 배출구 (12) 를 통하여 내연기관의 연소실들에 공급된다. 공기는 관 모양의 공기 흡입 매니폴더 (22) (도 1 에서 왼쪽 절반부에서 축 (A) 위에 도시됨) 를 통하여 또는 소음기 (21) (도 1 에서 왼쪽 절반부에서 축 (A) 아래에 도시됨) 를 통하여 상기 압축기의 흡입 영역에 공급될 수 있다. 상기 소음기는 추가적으로 필터요소들을 포함할 수 있고, 상기 필터요소들은 보다 큰 입자들이 상기 압축기 안으로 들어가는 것을 저지한다. 이 경우, 필터 소음기라고 부른다.

도 2 는 삽입된 댐핑요소들 없이 그리고 씌워진 필터요소 없이 필터 소음기의 원통형 기본 몸체 (210) 를 나타낸다. 상기 기본 몸체는 일체 (주조 부품) 이거나 또는 다수의 개별부품으로 결합된 하나의 부품이다. 본 경우, 상기 기본 몸체는 폐쇄된 정면측 전방벽 (211), 및 중앙 공기 배출 개구부 (213) 를 갖는 후방벽 (212) 을 구비한다. 상기 원통형 기본 몸체의 측면 둘레에는 일반적으로 필터요소가 배치되고, 상기 필터요소를 통해 공기가 상기 필터 소음기의 내부 안으로 흐르고, 그곳에서 대략 방사상 방향에서, 이를 위해 제공된 그루브 (groove, 214) 들 안에 배치된 댐핑요소들을 따라서 중앙 중공 공간 안으로 흐른다. 축방향으로의 전환 후 상기 공기는 후방벽 (212) 안의 중앙 공기 배출 개구부 (213) 를 통해 흡입 원추 (24) 를 따라서 상기 필터 소음기로부터 압축기의 유입 영역 안으로 흐른다. 본 발명에 따르면 밖에 위치한 노치 (25) 들이 흡입 원추 (24) 에 파져 있다.

도 3 은 도시된 형태에서 상기 압축기에 공급되는 공기 흐름을 방사상 방향으로부터 축방향으로 전환시키는 공기 흡입 매니폴더를 나타낸다. 공기 흡입 매니폴더 (22) 는 2개의 고정 플랜지, 고정 수단들을 수용하기 위한 구멍들을 갖는 유입측 고정 플랜지 (221), 및 고정 수단들을 수용하기 위한 구멍들을 갖는 배출측 고정 플랜지를 갖는다. 유입측에서 상기 플랜지에는 공급라인이 연결되고, 배출측에서 상기 공기 흡입 매니폴더는 상기 압축기 하우징에 고정된다. 배출 영역에서 상기 공기 흡입 매니폴더 (22) 는 흡입 원추 (24) 를 구비하고, 상기 흡입 원추는 흐름을 상기 압축기의 유입 영역 안으로 안내한다. 본 발명에 따르면 밖에 위치한 노치 (25) 들이 흡입 원추 (24) 에 파져 있다.

상기 필터 소음기 또는 상기 공기 흡입 매니폴더의 흡입 원추 (24) 에 파져 있는 노치 (25) 들은 도 4 를 근거로 상세히 설명된다.

공기 유입 하우징 (2) (필터 소음기 또는 공기 흡입 매니폴더) 에서의 흡입 원추 (24) 는 본 발명에 따르면 상기 압축기의 삽입벽에 대한 잠재적인 접촉영역에서, 밖에 위치한, 축방향으로 안내된 노치 (25) 들에 의해 국부적으로 의도적으로 약화된다. 상기 노치들은 잔여 벽두께 (b) 까지 밖으로부터, 벽두께 (a) 를 갖는 흡입 원추 (24) 에 파지고, 따라서 흐름채널 (S) 을 밖으로 한정하는 상기 흡입 원추의 벽은 안으로부터 온전히 남아 있다. 그러므로, 상기 노치들의 영역에서는, 부하하에 파괴되는 사전 결정된 파괴점들이 형성된다.

상기 압축기휠의 파열시 삽입벽 (15) 의 유입구 모서리 (151) 는 소성변형을 근거로 축방향으로 공기 유입구 방향으로 이동된다 (도면에서 오른쪽으로). 이로 인해, 공기 유입 하우징 (2) 안의 흡입 원추 (24) 안의 흐름채널의 배출 평면 (F_A) 과 삽입벽 (15) 안의 흐름채널의 유입 평면 (F_E) 사이의 간극 (c) 이 다 없어지고, 삽입벽 (15) 과 흡입 원추 (24) 의 영역에서의 공기 유입 하우징 (2) 사이에 접촉이 발생할 수 있다. 상기 삽입벽의 국부적인 부딪침 영역에서, 부딪칠 때 응력집중이 발생한다. 상기 부딪침에 의해 초래된 압축응력들은 상기 사전 결정된 파괴점들 중 적어도 하나의 파괴를 초래하고, 이로 인해 상기 공기 유입 하우징의 배출 평면에서의 연속적인 환상 횡단면이 중단된다. 그 후, 상기 압축응력들은 상기 적어도 하나의 파괴점에 의해 중단된 상기 흡입 원추의 환상 횡단면에 걸쳐 더 이상 분배될 수 없다. 상기 흡입 원추의 개별적인 세그먼트들의 고장 및 파열이 발생한다. 상기 흡입 원추 밖으로의, 사전 결정된 파괴점들에 의해 한정된 개별적인 세그먼트들의 상기 파열로 인해, 에너지가 변형을 통해 감소되고 상기 삽입벽의 변형을 위한 길이 충분히 제공됨으로써, 전체 공기 유입 하우징에 전달된 축방향 충격이 감소된다.

상기 흡입 원추는 공기 유입 하우징 (2) 의 구성요소이고, 일반적으로 주조에 통합된다. 바람직한 실시형태에서, 8개의 축방향 노치를 갖는 상기 흡입 원추가 실시된다. 압축기휠의 파열시, 경험에 의하면 4개까지의 보다 큰 파편이 예상될 수 있다. 후에 국부적으로 부하를 받는 세그먼트들로의 상기 환상 횡단면의 분할의 상기 원하는 효과를 실현하기 위해 8개의 노치면 충분하다. 상기 노치들은 대칭으로 원둘레에 걸쳐 분배된다. 선택적으로, 상기 노치들은 균일하지 않게 원둘레에 걸쳐 분배될 수 있다.

상기 노치의 깊이는 제조 기술적으로 합리적인 크기를 갖는다. 잔여 벽두께 (a) 가 얇으면 얇을수록 제조비용 및 상기 공기 유입 하우징 제조시의 불량품 생산율이 더 높다. 일반적으로, 최적의 노치 깊이는 상기 노치를 따른 상기 흡입 원추의 중앙 벽두께의 약 70-90% 일 것이며, 이때 제조 기술적으로 비스듬이 이어지는 상기 노치의 가장자리 영역들은 고려되지 않는다. 11 mm 의 출발 벽두께 (a) 에 있어서, 상기 언급된 값 70-90% 노치 깊이는 (주조 허용오차 및 이용된 가공방법에 따라) 약 1 내지 3 mm 의 잔여 벽두께에 상응한다. 이는 접촉시 상기 원하는 고장 모습 (상기 흡입 원추 밖으로의 개별적인 세그먼트들의 파열) 을 얻기 위해 충분하다. 관통 슬릿들과는 달리 흐름에의 부정적인 영향이 발생하지 않는데, 왜냐하면 흐름을 안내하는 지오메트리가 변경되지 않기 때문이다.

1 : 압축기
10 : 압축기 하우징
11 : 공기 유입 하우징 (필터 소음기 또는 공기 흡입 매니폴더) 안으로의 공기 유입구
12 : 압축기 밖으로의 공기 배출구
13 : 압축기휠
15 : 삽입벽
151 : 유입구 모서리
16 : 나머지 압축기 하우징에 삽입벽을 고정시키기 위한 받침대
2 : 공기 유입 하우징
21 : (필터) 소음기
210 : 필터 소음기의 기본 몸체
211 : 필터 소음기의 전방벽
212 : 후방벽
213 : 중앙 공기 배출 개구부
214 : 댐핑요소들을 안내/고정하기 위한 그루브
22 : 공기 흡입 매니폴더
23 : 고정 수단들을 수용하기 위한 구멍들을 갖는 고정 플랜지
24 : 흡입 원추
25 : 노치
3 : 배기가스 터빈
30 : 터빈 하우징
31 : 터빈 안으로의 가스 유입구
32 : 터빈 밖으로의 가스 배출구
40 : 베어링 하우징
41 : 필터 소음기의 하우징
6 : 공기 흡입 매니폴더
A : 회전자 (압축기휠, 터빈휠, 터보차저 샤프트) 의 축
S : 흐름채널
F_A : 흡입 원추의 흐름채널의 배출 평면
F_E : 삽입벽 안의 흐름채널의 유입 평면
a : 흡입 원추의 벽두께
b : 노치의 밑바닥에서의 잔여 벽두께
c : 흡입 원추의 배출 평면과 삽입벽 안의 흐름채널의 유입 평면 사이의 간극

Claims

공기 유입 하우징의 하우징벽 (housing wall) 에 의해 형성되고 압축기의 흡입 영역 안으로 공기를 공급하기 위한 흡입 원추 (inlet cone, 24) 를 포함하는, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징 (2) 으로서,
상기 흡입 원추는 흐름 방향으로 상기 흡입 원추의 배출 평면까지 연장되는 흐름채널을 둘러싸고,
잔여 벽두께 (b) 의 유지 하에서 방사상 외부 노치 (25) 들이, 상기 흡입 원추 (24) 를 형성하는 상기 하우징벽에 파져 있고, 상기 노치들은 상기 흡입 원추의 축방향 확장부를 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 1 항에 있어서,
다수의 노치가 제공되고, 상기 노치들은 원둘레를 따라서 분배되어 배치되는, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 2 항에 있어서,
상기 노치들은 대칭으로 원둘레를 따라서 분배되어 배치되는, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노치들은 상기 흡입 원추 (24) 를 형성하는 상기 하우징벽의 중앙 벽두께 (a) 의 70-90% 의 깊이를 가지며, 상기 노치를 따른 평균 벽두께가 중앙 벽두께 (a) 로 간주되는, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 유입 하우징은 소음기 (21) 인, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 유입 하우징은 공기 흡입 매니폴더 (intake manifold) (22) 인, 배기가스 터보차저의 압축기의 공기 유입 하우징.
제 5 항 또는 제 6 항에 따른 공기 유입 하우징을 포함하는, 배기가스 터보차저의 압축기.