KR20150102096A

KR20150102096A - 가변 피벗 센터 vtg 베인 및 베인 팩 조립체

Info

Publication number: KR20150102096A
Application number: KR1020157020283A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 엔. 왈드
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-09-04
Also published as: US10036274B2; CN104870777A; CN104870777B; WO2014107270A1; US20150322849A1; DE112013005673T5

Abstract

가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체(14)는 독립형 조립체이며, 터보차저와 별도로 조립되고 운송될 수 있다. 베인 팩 조립체(14)는 원주방향으로 이격되는 복수의 가이드 베인들(16), 및 복수의 피벗 센터들(38)을 포함한다. 피벗 센터들(38) 중 각각의 하나는 가이드 베인들(16) 중 하나에 대응한다. 가이드 베인들(16)에 대한 피벗 센터들(38)의 위치는 가이드 베인들(16)의 각위치가 조절됨에 따라 변화된다.

Description

가변 피벗 센터 VTG 베인 및 베인 팩 조립체{VARIABLE PIVOT CENTER VTG VANES AND VANE PACK ASSEMBLY}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "가변 피벗 센터 VTG 베인 및 베인 팩 조립체"라는 명칭으로 2013년 1월 4일에 출원된 미국 가출원번호 제61/748,921호의 우선권 및 모든 이익을 주장한다.

본 발명은 내연기관을 위한 가변 터빈 구조 터보차저에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가변 피벗 센터를 갖는 조절 가능한 가이드 베인들을 구비한 가변 터빈 구조 터보차저에 관한 것이다.

터보차저는 내연기관과 함께 사용되는 일종의 강제 흡기 시스템이다. 터보차저는 압축된 공기를 엔진 흡기구에 전달하여, 더 많은 연료가 연소되게 하므로, 엔진 중량을 현저히 증가시키지 않으면서 엔진의 동력 밀도를 증가시킨다. 따라서, 터보차저는 더 큰 자연 흡기 엔진과 동일한 양의 동력을 발전시키는 더 작은 엔진의 사용을 가능하게 한다. 차량에서 더 작은 엔진을 사용하면, 차량의 질량을 감소시키며, 성능을 증대시키고, 연비를 향상시키는 바람직한 효과가 있다. 아울러, 터보차저를 사용하면, 엔진에 전달된 연료의 보다 완전한 연소가 가능하게 되고, 이는 배기 감소라는 매우 바람직한 목표에 기여한다.

터보차저는 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 터빈 하우징을 구비한 터빈, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되는 압축기 하우징을 구비한 압축기, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징을 서로 연결하는 베어링 하우징을 포함한다. 터빈은 터빈 하우징 내부에 배치되는 터빈 휠을 포함하고, 압축기는 압축기 하우징 내부에 배치되는 압축기 임펠러를 포함한다. 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급된 배기가스의 유동에 의해 회전 가능하게 구동된다. 샤프트가 베어링 하우징 내에 회전 가능하게 지지되며 터빈 휠을 압축기 임펠러에 결합하여, 터빈 휠의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 야기하게 된다. 터빈 휠과 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트는 회전축을 정의한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 이는 압축기 하우징에 들어가는 주변 공기를 압축하여, 엔진의 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더들에 전달되는 공기 압력, 기류 밀도, 및 공기 질량 유속을 증가시킨다.

터보차저의 효율, 반응성, 또는 작동 범위를 개선하기 위해, 터빈 휠을 향한 배기가스의 유동을 조절하는 것이 종종 유리하다. 터빈 휠을 향한 배기가스의 유동을 조절하는 하나의 방법은 일반적으로, 가변 터빈 구조(VTG), 가변 구조 터빈(VGT), 가변 노즐 터빈(VNT), 또는 간단히 가변 구조(VG)를 비롯한 여러 명칭들로 지칭된다. VTG 터보차저는 터빈 휠로 이어지는 휠 입구 내부에 피벗 가능하게 지지되는 복수의 조절 가능한 가이드 베인들을 포함한다. 인접한 가이드 베인들 사이의 공간은 터빈 휠을 향한 배기가스의 유동을 조절하기 위한 유동 채널들을 구성한다. 유동 채널들의 형상은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 미리 결정된 다양한 각위치들(angular positions) 내에서 가이드 베인들을 피벗시킴으로써 조절 가능하다. 개방 위치에서, 가이드 베인들은 배기가스가 휠 입구를 통해 터빈 휠로 흐르는 것을 허용하기 위해 샤프트의 회전축에 대해 대략 반경방향으로 연장된 위치로 배향된다. 폐쇄 위치에서, 가이드 베인들은 배기가스가 터빈 휠로 흐르는 것을 차단하기 위해 샤프트의 회전축에 대해 대략 접선방향으로 연장된 위치로 배향된다.

엔진에 전달되는 부스트 압력을 제어하기 위해, 가이드 베인들은 인접한 가이드 베인들 사이의 유동 채널들을 수축시키거나 개방하도록 조절된다. 유동 채널들을 수축시키면, 터빈 휠에 부딪치는 배기가스의 속도가 증가하고, 이는 터빈 휠을 더 빠르게 회전하게 한다. 다음으로, 터빈 휠의 회전을 증가시키면, 압축기 임펠러의 회전이 증가하고, 그로 인해 엔진에 전달되는 부스트 압력이 증가한다. 이와 반대로, 유동 채널들을 개방하면, 터빈 휠에 부딪치는 배기가스의 속도가 감소하고, 이는 터빈 휠을 더 느리게 회전하게 한다. 다음으로, 터빈 휠의 회전을 감소시키면, 압축기 임펠러의 회전이 감소하고, 그로 인해 엔진에 전달되는 부스트 압력이 감소한다. 가이드 베인들은 또한 산화질소(NOx) 배기를 제어하기 위해 배기가스 재순환(EGR)을 사용하는 엔진 내에 배기가스 배압을 제어하고 생성하기 위한 수단을 제공한다.

통상적으로, 가이드 베인들은 고정된 피벗 포스트를 중심으로 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피벗한다. 각각의 가이드 베인을 위한 피벗 포스트는 각각의 가이드 베인의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에 위치한다. 가이드 베인들이 개방 위치에 있을 때, 피벗 포스트가 리딩 에지쪽에 위치하는 것이 공기역학적으로 유리하다. 이는 유동 채널들을 통한 배기가스의 안정된 공기역학적 유동을 가져오며, 파괴적인 베인 플러터(flutter)의 발생을 방지한다. 그러나, 가이드 베인들이 폐쇄 위치에 있을 때, 피벗 포스트가 리딩 에지쪽에 위치하는 경우, 배기가스는 피벗 포스트 전후방으로 압력 델타를 생성하는데, 이는 가이드 베인들을 개방 위치쪽으로 강제로 피벗시키는 경향이 있다. 이로써, 가이드 베인들을 폐쇄 위치에 유지하기 위해 바람직하지 않게 높은 작동 노력이 요구된다. 이와 반대로, 가이드 베인들이 폐쇄 위치에 있을 때, 피벗 포스트가 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 대략 중간에 위치하는 경우, 피벗 포스트 전후방의 압력 델타는 일반적으로 균등화된다.

따라서, 가이드 베인들이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피벗함에 따라 가변되는 피벗 위치를 갖는 조절 가능한 가이드 베인들을 포함하는 가변 터빈 구조 터보차저를 제공하는 것이 바람직하다. 가이드 베인들이 개방 위치에 있을 때 리딩 에지쪽에 위치하며 가이드 베인들이 폐쇄 위치에 있을 때 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 대략 중간에 위치하는 피벗 포스트를 중심으로 가이드 베인들을 피벗시키는 것이 추가로 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체는 독립형 조립체이며, 터보차저와 별도로 조립되고 운송될 수 있다. 베인 팩 조립체는 원주방향으로 이격되는 복수의 가이드 베인들, 및 복수의 피벗 센터들을 포함한다. 피벗 센터들 중 각각의 하나는 가이드 베인들 중 하나에 대응한다. 가이드 베인들에 대한 피벗 센터들의 위치는 가이드 베인들의 각위치가 조절됨에 따라 변화된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체는 하부 베인 링, 및 하부 베인 링으로부터 축방향으로 이격되는 상부 베인 링을 포함한다. 복수의 가이드 베인들이 원주 방향으로 이격되며, 하부 및 상부 베인 링들 사이에 축방향으로 배치된다. 복수의 피벗 센터들 중 각각의 하나는 가이드 베인들 중 하나에 대응한다. 조절 링이 조절 링의 회전에 응하여 가이드 베인들의 각위치를 변경하기 위해 가이드 베인들에 작동 가능하게 결합된다. 조절 링에 인접한 고정 링이 베인 팩 조립체를 함께 유지하기 위해 하부 베인 링에 결합된다. 피벗 센터들의 위치는 가이드 베인들의 각위치가 조절 링의 회전에 응하여 조절됨에 따라 가이드 베인들에 대해 변화된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체는 하부 베인 링, 및 하부 베인 링으로부터 축방향으로 이격되는 상부 베인 링을 포함한다. 복수의 가이드 베인들이 하부 및 상부 베인 링들 사이에서 원주 방향으로 이격된다. 각각의 가이드 베인은 이를 통해 축방향으로 연장되는 예장형 슬롯을 포함한다. 복수의 베인 스터드들이 하부 베인 링에 견고하게 고정된다. 각각의 베인 스터드는 가이드 베인들 중 하나의 예장형 슬롯을 통해 축방향으로 연장된다. 조절 링이 조절 링의 회전에 응하여 가이드 베인들의 각위치를 변경하기 위해 가이드 베인들에 작동 가능하게 결합된다. 조절 링에 인접한 고정 링이 베인 팩 조립체를 함께 유지하기 위해 하부 베인 링에 결합된다. 서로 정반대의 제1 및 제2 방향으로의 조절 링의 회전은 개방 및 폐쇄 위치들 사이에서 베인 스터드들에 대한 가이드 베인들의 피벗 운동 및 슬라이딩 운동을 야기한다.

본 발명의 이점들은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 후술하는 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해되므로 쉽게 인정될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 팩 조립체를 구비한 터빈 하우징의 단면도이다.
도 2는 가이드 베인의 사시도이다.
도 3은 베인 스터드의 사시도이다.
도 4는 하부 베인 링, 복수의 베인 스터드들, 및 복수의 가이드 베인들을 도시한 부분 조립된 베인 팩 조립체의 사시도이다.
도 5는 하부 베인 링, 복수의 베인 스터드들, 복수의 가이드 베인들, 및 상부 베인 링을 도시한 부분 조립된 베인 팩 조립체의 사시도이다.
도 6은 하부 베인 링, 복수의 베인 스터드들, 복수의 가이드 베인들, 상부 베인 링, 및 조절 링을 도시한 부분 조립된 베인 팩 조립체의 사시도이다.
도 7은 하부 베인 링, 복수의 베인 스터드들, 복수의 가이드 베인들, 상부 베인 링, 조절 링, 및 고정 링을 도시한 부분 조립된 베인 팩 조립체의 사시도이다.
도 8은 터빈 하우징 내부에 위치하는 하부 베인 링, 복수의 베인 스터드들, 복수의 가이드 베인들, 상부 베인 링, 조절 링, 및 고정 링을 도시한 부분 조립된 베인 팩 조립체의 사시도이다.
도 9는 내부에 베인 팩 조립체를 유지하기 위해 커버 링을 구비한 터빈 하우징의 사시도이다.
도 10은 명확함을 위해 상부 베인 링과 고정링이 제거된, 개방 위치의 가이드 베인들을 도시한 베인 팩 조립체의 단편적인 사시도이다.
도 11은 명확함을 위해 상부 베인 링과 고정링이 제거된, 폐쇄 위치의 가이드 베인들을 도시한 베인 팩 조립체의 단편적인 사시도이다.

당업계에 주지된 바와 같이, 터보차저는 엔진 배기 매니폴드에 연결되는 터빈 하우징(10)을 구비한 터빈, 엔진 흡기 매니폴드에 연결되는 압축기 하우징을 구비한 압축기, 및 터빈 하우징(10)과 압축기 하우징을 서로 연결하는 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 휠이 터빈 하우징(10) 내부에 배치되고, 압축기 임펠러가 압축기 하우징 내부에 배치된다. 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급된 배기가스에 의해 회전 가능하게 구동된다. 샤프트가 베어링 하우징 내에 회전 가능하게 지지되며 터빈 휠을 압축기 임펠러에 결합하여, 터빈 휠의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 야기하게 된다. 터빈 휠과 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트는 축방향으로 연장되는 터빈 회전축(R1)을 정의한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 이는 압축기 하우징에 들어가는 주변 공기를 압축하고, 이 압축된 공기는 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더들에 전달된다.

터보차저의 성능 및 효율을 최대화하기 위해, 가변 터빈 구조(VTG)를 사용하여 터빈 휠로 흐르는 배기가스를 제어하거나 조절하는 것이 일반적이다. 전체를 도면부호 14로 나타낸 베인 팩 조립체가 터빈 휠로 흐르는 배기가스를 조절하기 위해 터빈 하우징(10) 내부에 위치한다. 본 구현예에서, 베인 팩 조립체(14)는 독립형 조립체이며, 터보차저와 별도로 조립되고 운송될 수 있다.

베인 팩 조립체(14)는 복수의 가이드 베인들(16)을 포함하고, 이들 중 하나가 도 2에 도시되어 있다. 가이드 베인들(16)은 터빈 회전축(R1)을 중심으로 원주방향으로 배치되며, 터빈 휠로 이어지는 휠 입구(12) 내부에 위치된다. 유동 채널들이 가이드 베인들(16) 사이에 한정되는데, 이를 통해 배기가스는 터빈 휠로 흐른다. 가이드 베인들(16)의 각위치를 변경함으로써, 유동 채널들의 단면을 조절한다. 각각의 가이드 베인(16)은 대략 에어포일 형상이며 리딩 에지(18)와 트레일링 에지(20) 사이에 연장된다. 리딩 에지(18) 및 트레일링 에지(20)를 연결하는 직선은 가이드 베인(16)의 현길이(chord length; C)를 한정한다. 작동 포스트(22)가 리딩 에지(18)에 인접하게 각각의 가이드 베인(16)의 제1 평면(24)으로부터 축방향으로 연장된다. 내부 슬롯(26)이 제1 평면(24)에서 제2 평면(28)까지 축방향으로 각각의 가이드 베인(16)을 통해 연장된다. 내부 슬롯(26)은 전단부(30)와 후단부(32) 사이에 리딩 및 트레일링 에지들(18, 19)의 방향으로 길게 형성된다. 도시된 실시예에서, 내부 슬롯(26)은 전후 단부들(30, 32) 사이에서 실질적으로 선형이다. 그러나, 만곡된 프로필을 갖는 가이드 베인을 수용하기 위해, 내부 슬롯(26)이 전후 단부들(30, 32) 사이에서 만곡될 수도 있다는 것을 고려한다.

가이드 베인들(16)은 원주방향으로 이격되며, 하부 베인 링(34)과 상부 베인 링(26) 사이에 회전 가능하게 지지된다. 가이드 베인들(16)은 각각의 가이드 베인(16)의 제2 평면(28)이 하부 베인 링(34)에 인접하고 각각의 가이드 베인(16)의 제1 평면(24)이 상부 베인 링(36)에 인접하도록 배향된다. 각각의 가이드 베인(16)은 축방향으로 연장되는 베인 스터드(38) 상에 이동 가능하게 지지된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 베인 스터드(38)는 제1 나사산 단부(40)와 제2 나사산 단부(42) 사이에 축방향으로 연장된다. 하부 베인 링(34)은 원주방향으로 이격되는 복수의 나사산 보어들(미도시)을 포함한다. 각각의 베인 스터드(38)의 제1 나사산 단부(40)는 베인 스터드들(38)이 하부 베인 링(34)에 견고하게 고정되도록 나사산 보어들 중 대응하는 하나에 나사결합된다.

제1 및 제2 나사산 단부들(40, 42) 사이에, 각각의 베인 스터드(38)는 베인부(44) 및 조절부(46)를 포함한다. 베인부(44)는 제1 나사산 단부(40)에 인접하고, 제2 조절부(46)는 제2 나사산 단부(42) 및 베인부(44)에 인접한다. 베인부(44)는 제1 외경을 갖고, 조절부(46)는 제2 외경을 갖는다. 베인부(44)의 제1 외경은 견부(48)가 베인부(44)와 조절부(46) 사이에 형성되도록 조절부(46)의 제2 외경보다 크다.

도 4를 참조하면, 각각의 베인 스터드(38)는 베인부(44)의 제1 외경이 내부 슬롯(36)의 내벽들과 맞물리도록 가이드 베인들(16) 중 하나의 내부 슬롯(26)을 통해 연장된다. 대안적인 실시예에서, 직사각형 블록이 각각의 베인 스터드(38)의 베인부(44) 상에 배치될 수도 있다는 것을 고려한다. 직사각형 블록은 베인 스터드(38)에 대해 피벗하며, 직사각형 블록의 반대면들은 내부 슬롯(26)의 내벽들과 맞물린다. 직사각형 블록들은 베인 스터드들(38)과 내부 슬롯들(26)의 내벽들 사이의 접촉 면적을 증가시켜서, 마모를 감소시키고 내구성을 증가시킨다.

상부 베인 링(36)은 원주방향으로 이격되는 복수의 보어들(미도시)을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 베인 링(36)은 베인 스터드들(38)이 복수의 보어들을 통해 연장되도록 베인 스터드들(38) 위에 끼워진다. 보다 구체적으로, 각각의 베인 스터드(38)의 조절부(46)는 상부 베인 링(36)의 보어들 중 대응하는 하나를 통해 연장된다. 상부 베인 링(36)의 제1 측(52)이 가이드 베인들(16)의 제1 평면(24)에 대향하며, 하부 베인 링(34)에 대해 축방향으로 상부 베인 링(36)을 위치시키기 위해 각각의 베인 스터드(38)의 견부(48)와 접경한다. 이로써, 베인 스터드들(38)은 가이드 베인들(16)을 위한 적절한 간극을 제공하기 위해 하부 및 상부 베인 링들(34, 36) 사이의 간격을 제어한다.

조절 링(54)이 도 10에 도시된 개방 위치와 도 11에 도시된 폐쇄 위치 사이에서 가이드 베인들(16)의 각위치를 변경하기 위해 제공된다. 개방 위치에서, 가이드 베인들(16)은 터빈 회전축(R1)에 대해 대략 반경방향으로 위치하여, 배기가스가 휠 입구(12)를 통해 터빈 휠로 흐르는 것을 허용한다. 폐쇄 위치에서, 가이드 베인들(16)은 터빈 회전축(R1)에 대해 대략 접선방향으로 위치하여, 배기가스가 휠 입구(12)를 통해 터빈 휠로 흐르는 것을 차단한다. 가이드 베인들(16)은 터빈 휠을 향한 배기가스의 원하는 유동에 따라 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 다양한 각위치들을 통해 조절 가능하다. 터빈 회전축(R1)을 중심으로 제1 방향(도면을 기준으로 시계방향)으로의 조절 링(54)의 회전 운동은 가이드 베인들(16)이 개방 위치쪽으로 이동하게 한다. 이와 반대로, 터빈 회전축(R1)을 중심으로 제2 방향(도면을 기준으로 반시계방향)으로의 조절 링(54)의 회전 운동은 가이드 베인들(16)이 폐쇄 위치쪽으로 이동하게 한다.

도 6을 참조하면, 조절 링(54)은 상부 베인 링(36)의 제2 측(56)에 인접하게 위치하며, 원주방향으로 이격되는 복수의 보어들(58)을 포함한다. 각각의 가이드 베인(16)의 작동 포스트(22)는 상부 베인 링(36)의 외주(60)에 인접하며, 상부 베인 링(36)의 제2 측(56)을 지나 축방향으로 연장된다. 각각의 가이드 베인(16)의 작동 포스트(22)는 조절 링(54)의 보어들(58) 중 대응하는 하나에 수용된다. 도 1에 도시된 바와 같은 조절 링(54)의 단면도를 참조하면, 조절 링(54)은 상부 베인 링(36)의 외주(60)에 인접하게 축방향으로 연장되는 립(61)을 포함한다. 립(61)은 휠 입구(12)를 위한 벽의 일부를 한정한다는 것을 이해한다. 조절 링(54)의 내주(62)는 원주방향으로 이격되는 복수의 노치들(64)을 포함한다. 부싱(66)이 각각의 베인 스터드(38) 상에 배치된다. 부싱(66)은 베인 스터드(38)의 조절부(46)를 둘러싸며, 대응하는 노치(64) 내부에서 조절 링(54)과 맞물린다. 이로써, 각각의 부싱(66)은 노치들(64) 중 대응하는 하나에 적어도 부분적으로 배치된다. 노치들(64)은 제1 단부(68)와 제2 단부(70) 사이에 원주방향으로 연장된다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 상부 베인 링 또는 고정 링(72)이 조절 링(54)에 인접하게 위치하며, 베인 팩 조립체(14)의 전술한 구성요소들을 함께 유지하기 위해 복수의 너트들(74)로 제자리에 고정된다. 고정 링(72)은 원주방향으로 이격되는 복수의 보어들(미도시)을 포함한다. 고정 링(72)은 베인 스터드들(38)이 복수의 보어들을 통해 연장되도록 베인 스터드들(38) 위에 끼워진다. 보다 구체적으로, 각각의 베인 스터드(38)의 제2 나사산 단부(42)는 고정 링(72)의 보어들 중 대응하는 하나를 통해 연장되고, 너트들(74)은 제2 나사산 단부(42) 상에 나사결합된다. 각각의 부싱(66)의 제1 면(78)이 상부 베인 링(36)의 제2 측(56)과 접촉하고, 각각의 부싱(66)의 제2 면(80)이 상부 베인 링(36)에 대해 축방향으로 고정 링(72)을 위치시키기 위해 고정 링(72)과 접촉한다. 이로써, 부싱들(66)은 조절 링(54)의 회전 운동을 위한 적절한 간극을 제공하기 위해 상부 베인 링(36)과 고정 링(72) 사이의 간격을 제어한다.

도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 커버 링(82)이 터빈 하우징(10) 내부에 베인 팩 조립체(14)를 유지하기 위해 복수의 볼트들(84)로 터빈 하우징(10)에 견고하게 고정된다.

가이드 베인들(16)의 각위치를 조절하기 위해, 액추에이터 장치(미도시)가 제공된다. 액추에이터 장치는 액추에이터 피벗 샤프트(86)에 작동 가능하게 연결되고, 액추에이터 피벗 샤프트(86)는 커버 링(82)을 통해 연장되며, 피벗 샤프트 부싱(88)에 의해 지지된다. 다음으로, 액추에이터 피벗 샤프트(86)는 볼트(92)로 조절 링(54)에 견고하게 고정되는 액추에이터 블록(90)에 작동 가능하게 결합된다. 볼트(92)는 액추에이터 블록(90)을 통해 연장되며, 조절 링(54)의 나사산 보어(94) 내에 나사결합된다. 그로 인해, 액추에이터 장치의 작동 운동은 조절 링(54)의 회전 운동으로 전환된다.

우선, 가이드 베인들(16)은 중간 또는 0도 위치에 위치할 수 있고, 여기서 가이드 베인들(16)은 일반적으로 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에 위치한다. 0도 위치에서, 각각의 베인 스터드(38)는 대응하는 가이드 베인(16)의 내부 슬롯(26)의 전후 단부들(30, 32) 사이의 대략 중간에 배치되며, 조절 링(54)의 대응하는 노치(64)의 제1 및 제2 단부들(68, 70) 사이의 대략 중간에 배치된다.

가이드 베인들(16)을 개방 위치로 조절하기 위해, 액추에이터 장치는 조절 링(54)이 터빈 회전축(R1)을 중심으로 제1 방향(도면을 기준으로 시계방향)으로 회전하게 한다. 조절 링(54)이 제1 방향으로 회전함에 따라, 조절 링(54)은 각각의 가이드 베인(16) 상의 작동 포스트(22)를 밀고, 이는 노치들(64)의 제1 단부(68)가 베인 스터드들(38) 상의 부싱(66)과 접경할 때까지 가이드 베인들(16)이 베인 스터드들(38)에 대해 피벗하며 슬라이딩하게 한다. 노치들(64)의 제1 단부(68)가 베인 스터드들(38) 상의 부싱(66)과 접경하여, 가이드 베인들(16)의 개방 위치를 한정할 때, 베인 스터드들(38)과 내부 슬롯들(26)의 전단부(30) 사이에 작은 간극이 존재할 수도 있다는 것을 고려한다. 간극은 가이드 베인들(16)이 완전한 이동(full travel)을 달성할 수 있게 하는 한편, 내부 슬롯들(26) 내의 배기 파편의 있을 수 있는 축적을 허용하기 위해 제공된다. 대안적으로, 개방 위치로의 가이드 베인들(16)의 완전한 이동은 본 발명의 범주를 벗어남 없이 베인 스터드들(38)이 내부 슬롯들(26)의 전단부(30)와 접경하는 것에 대응할 수 있다. 베인 스터드들(38)은 가이드 베인들(16)의 피벗 센터들로서 작동한다. 베인 스터드들(38)이 내부 슬롯들(26)의 전단부(30)에 있거나 그 가까이에 있는 상태에서, 리딩 에지(18)로부터 측정될 때, 베인 스터드들(38)은 가이드 베인들(16)의 현길이(C)의 대략 25%에 위치한다. 베인 스터드들(38)의 이러한 위치는 배기가스가 휠 입구(12)를 통해 흐를 때 개방 위치에서의 가이드 베인들(16)의 안정성에 바람직하다.

가이드 베인들(16)을 폐쇄 위치로 조절하기 위해, 액추에이터 장치는 조절 링(54)이 터빈 회전축(R1)을 중심으로 제2 방향(도면을 기준으로 반시계방향)으로 회전하게 한다. 조절 링(54)이 제2 방향으로 회전함에 따라, 조절 링(54)은 각각의 가이드 베인(16) 상의 작동 포스트(22)를 당기고, 이는 베인-대-베인 접촉이 발생하여 가이드 베인들(16)의 폐쇄 위치를 한정할 때까지 가이드 베인들(16)이 베인 스터드들(38)에 대해 피벗하며 슬라이딩하게 한다. 가이드 베인들(16)이 폐쇄 위치에 있을 때, 베인 스터드들(38)과 내부 슬롯들(26)의 후단부(32) 사이에 작은 간극이 존재할 수도 있다는 것을 고려한다. 간극은 가이드 베인들(16)이 완전한 이동을 달성할 수 있게 하는 한편, 내부 슬롯들(26) 내의 배기 파편의 있을 수 있는 축적을 허용하기 위해 제공된다. 대안적으로, 폐쇄 위치로의 가이드 베인들(16)의 완전한 이동은 본 발명의 범주를 벗어남 없이 베인 스터드들(38)이 내부 슬롯들(26)의 후단부(32)와 접경하는 것 또는 베인 스터드들(38) 상의 부싱(66)이 노치들(64)의 제2 단부(70)와 접경하는 것에 대응할 수 있다. 베인 스터드들(38)은 가이드 베인들(16)의 피벗 센터들로서 작동한다. 베인 스터드들(38)이 내부 슬롯들(26)의 후단부(32)에 있거나 그 가까이에 있는 상태에서, 리딩 에지(18)로부터 측정될 때, 베인 스터드들(38)은 가이드 베인들(16)의 현길이(C)의 대략 50%에 위치한다. 베인 스터드들(38)의 이러한 위치는 피벗 센터 전후방에서 가이드 베인들(16) 상에 작용하는 배기가스의 압력을 일반적으로 균등화한다. 피벗 센터 전후방에서 배기가스 압력의 균형을 이루면, 가이드 베인들(16)을 폐쇄 위치에 유지하기 위해 요구되는 노력이 최소화될 것이라는 점을 고려한다.

본 발명은 본원에 예시적인 방식으로 설명되었고, 사용된 용어는 제한이 아닌 설명을 위해 의도된 것임을 이해해야 한다. 상기한 교시를 고려하여 본 발명의 다양한 수정 및 변경이 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 범주 내에서, 본 발명은 설명에서 구체적으로 열거된 것과 달리 실시될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체(14)에 있어서,
원주방향으로 이격되는 복수의 가이드 베인들(16); 및
복수의 피벗 센터들(38)로, 상기 복수의 피벗 센터들(38) 중 각각의 하나는 상기 복수의 가이드 베인들(16) 중 하나에 대응하고, 상기 복수의 가이드 베인들(16)에 대한 상기 복수의 피벗 센터들(38)의 위치는 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 각위치가 조절됨에 따라 변화되는 복수의 피벗 센터들(38)을 포함하는, 베인 팩 조립체(14).
제1항에 있어서,
하부 베인 링(34);
상기 하부 베인 링(34)으로부터 축방향으로 이격되는 상부 베인 링(36)으로, 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 상기 하부 베인 링(34)과 상기 상부 베인 링(36) 사이에 상기 축방향으로 배치되는 상부 베인 링(36);
상기 하부 베인 링(34)에 견고하게 고정되며, 각각이 상기 복수의 가이드 베인들(16) 중 하나의 예장형 슬롯(26)을 통해 상기 축방향으로 연장되는 복수의 베인 스터드들(38);
조절 링(54)의 회전에 응하여 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 상기 각위치를 변경하기 위해 상기 복수의 가이드 베인들(16)에 작동 가능하게 결합되는 상기 조절 링(54); 및
상기 조절 링(54)에 인접하며, 상기 베인 팩 조립체(14)를 함께 유지하기 위해 상기 하부 베인 링(34)에 결합되는 고정 링(72)을 더 포함하는, 베인 팩 조립체(14).
제2항에 있어서,
제1 방향으로의 상기 조절 링(54)의 회전은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 개방 위치쪽으로 상기 복수의 베인 스터드들(38)에 대해 피벗하고 슬라이딩하게 하고, 제2 방향으로의 상기 조절 링(54)의 회전은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 폐쇄 위치쪽으로 상기 복수의 베인 스터드들(38)에 대해 피벗하고 슬라이딩하게 하는, 베인 팩 조립체(14).
제3항에 있어서,
상기 예장형 슬롯(26)은 전단부(30)와 후단부(32) 사이에 연장되고, 상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 상기 개방 위치에 있을 때 상기 예장형 슬롯(26)의 상기 전단부(30)에 일반적으로 배치되며, 상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 예장형 슬롯(26)의 상기 후단부(32)에 일반적으로 배치되는, 베인 팩 조립체(14).
제4항에 있어서,
상기 복수의 가이드 베인들(16) 각각의 리딩 에지(18) 및 트레일링 에지(20)를 연결하는 직선은 현길이(C)를 한정하고, 상기 복수의 베인 스터드들(38)은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 상기 개방 위치에 있는 상태에서 상기 현길이(C)의 대략 25%에 배치되며, 상기 복수의 베인 스터드들(38)은 상기 복수의 가이드 베인들(16)이 상기 폐쇄 위치에 있는 상태에서 상기 현길이(C)의 대략 50%에 배치되는, 베인 팩 조립체(14).
제5항에 있어서,
상기 복수의 가이드 베인들(16) 각각은 상기 축방향으로 연장되는 작동 포스트(22)를 포함하고, 상기 작동 포스트(22)는 상기 조절 링(54)의 대응하는 보어(58)에 수용되는, 베인 팩 조립체(14).
제6항에 있어서,
상기 상부 베인 링(36)은 상기 복수의 가이드 베인들(16)과 상기 조절 링(54) 사이에 상기 축방향으로 배치되고, 상기 고정 링(72)은 상기 상부 베인 링(36)으로부터 상기 축방향으로 이격되는, 베인 팩 조립체(14).
제7항에 있어서,
상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각은 제1 직경을 갖는 베인부(44) 및 제2 직경을 갖는 조절부(46)를 포함하고, 상기 제1 직경은 견부(48)가 상기 베인부(44)와 상기 조절부(46) 사이에 한정되도록 상기 제2 직경보다 큰, 베인 팩 조립체(14).
제8항에 있어서,
상기 상부 베인 링(36)은 상기 복수의 가이드 베인들(16)을 위한 간극을 제공하기 위해 상기 하부 베인 링(34)과 상기 상부 베인 링(36) 사이의 간격을 제어하도록 상기 하부 베인 링(34)에 대해 상기 축방향으로 상기 상부 베인 링(36)을 위치시키기 위해 상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각의 상기 견부(48)와 접경하는, 베인 팩 조립체(14).
제9항에 있어서,
상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각은 상기 상부 베인 링(36)과 상기 고정 링(72) 사이에 배치되는 부싱(66)을 포함하고, 상기 상부 베인 링(36)은 상기 부싱(66)의 제1 면(78)과 접경하며, 상기 고정 링(72)은 상기 부싱(66)의 제2 면(80)과 접경하고, 상기 부싱(66)은 상기 조절 링(54)의 회전 운동을 위한 간극을 제공하기 위해 상기 상부 베인 링(36)과 상기 고정 링(72) 사이의 간격을 제어하도록 상기 상부 베인 링(36)에 대해 상기 축방향으로 상기 고정 링(72)을 위치시키는, 베인 팩 조립체(14).
제10항에 있어서,
상기 조절 링(54)의 내주(62)는 상기 원주방향으로 이격되는 복수의 노치들(64)을 포함하고, 상기 복수의 베인 스터드들(38) 각각의 상기 부싱(66)은 상기 복수의 노치들(64) 중 하나에 적어도 부분적으로 배치되는, 베인 팩 조립체(14).
제11항에 있어서,
상기 복수의 노치들(64) 각각은 제1 단부(68)와 제2 단부(70) 사이에 상기 원주방향으로 연장되고, 상기 개방 위치는 상기 부싱(66)이 상기 복수의 노치들(64)의 상기 제1 단부(68)와 접경할 때 한정되며, 상기 폐쇄 위치는 상기 복수의 가이드 베인들(16) 사이의 베인-대-베인 접촉에 의해 한정되는, 베인 팩 조립체(14).
가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체(14)에 있어서,
하부 베인 링(34);
상기 하부 베인 링(34)으로부터 축방향으로 이격되는 상부 베인 링(36);
원주방향으로 이격되며, 상기 하부 베인 링(34)과 상기 상부 베인 링(36) 사이에 상기 축방향으로 배치되는 복수의 가이드 베인들(16);
각각의 하나가 상기 복수의 가이드 베인들(16) 중 하나에 대응하는 복수의 피벗 센터들(38);
조절 링(54)의 회전에 응하여 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 각위치를 변경하기 위해 상기 복수의 가이드 베인들(16)에 작동 가능하게 결합되는 상기 조절 링(54); 및
상기 조절 링(54)에 인접하며, 상기 베인 팩 조립체(14)를 함께 유지하기 위해 상기 하부 베인 링(34)에 결합되는 고정 링(72)을 포함하고;
상기 복수의 피벗 센터들(38)의 위치는 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 상기 각위치가 상기 조절 링(54)의 회전에 응하여 조절됨에 따라 상기 복수의 가이드 베인들(16)에 대해 변화되는, 베인 팩 조립체(14).
제13항에 있어서,
상기 복수의 가이드 베인들(16) 각각은 현길이(C)를 한정하고, 상기 피벗 센터들(38)의 상기 위치는 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 상기 각위치가 조절됨에 따라 상기 현길이(C)에 대해 가변되는, 베인 팩 조립체(14).
가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩 조립체(14)에 있어서,
하부 베인 링(34);
상기 하부 베인 링(34)으로부터 축방향으로 이격되는 상부 베인 링(36);
상기 하부 베인 링(34)과 상기 상부 베인 링(36) 사이에 원주방향으로 이격되며, 각각이 상기 축방향으로 관통 연장되는 예장형 슬롯(26)을 포함하는 복수의 가이드 베인들(16);
상기 하부 베인 링(34)에 견고하게 고정되며, 각각이 상기 복수의 가이드 베인들(16) 중 하나의 상기 예장형 슬롯(26)을 통해 상기 축방향으로 연장되는 복수의 베인 스터드들(38);
조절 링(54)의 회전에 응하여 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 각위치를 변경하기 위해 상기 복수의 가이드 베인들(16)에 작동 가능하게 결합되는 상기 조절 링(54); 및
상기 조절 링(54)에 인접하며, 상기 베인 팩 조립체(14)를 함께 유지하기 위해 상기 하부 베인 링(34)에 결합되는 고정 링(72)을 포함하고,
서로 정반대의 제1 및 제2 방향으로의 상기 조절 링(54)의 회전은 개방 및 폐쇄 위치들 사이에서 상기 복수의 베인 스터드들(38)에 대한 상기 복수의 가이드 베인들(16)의 피벗 운동 및 슬라이딩 운동을 야기하는, 베인 팩 조립체(14).