KR20160061442A - 단축 자동 조심 피봇부를 갖는 가변 터빈 구조 베인 - Google Patents

단축 자동 조심 피봇부를 갖는 가변 터빈 구조 베인 Download PDF

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KR20160061442A
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스콧 샤넌
모건 엘리
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

가변 구조 터보과급기(10)용 베인 팩(vane pack) 어셈블리(25)는 상부 베인 링(28), 하부 베인 링(30) 및 터빈 하우징(20) 안에 배치되는 복수의 단축 자동 조심(self-centering) 조절 가능 안내 베인(26)을 포함한다. 복수의 안내 베인(26)은 포스트(post)(50)를 포함하며, 이 포스트는 그와 일체적으로 형성되어 있는 베인(52)을 갖는다. 각각의 포스트(50)는 일 단부에서, 하부 베인 링에 있는 상보적인 형상의 오목한 자동 조심 피봇 오목부(48)에 안착 되도록 적합하게 되어 있는 볼록한 자동 조심 피봇부(56a, 56b)를 포함한다. 베인(52)은 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이에 위치되고, 터빈 휠로 가는 배기 가스 유동을 제어하도록 회전한다. 자동 조심 피봇부는, 열팽창의 차의 효과로 인한 터빈 하우징(20)과 베인 링(28, 30)의 움직임 또는 변형을 보상해 준다.

Description

단축 자동 조심 피봇부를 갖는 가변 터빈 구조 베인{VARIABLE TURBINE GEOMETRY VANE WITH SINGLE-AXLE, SELF-CENTERING PIVOT FEATURE}
본 발명은 내연 기관용 터보과급 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 열적 뒤틀림을 허용하면서 가변 터빈 구조(variable turbine geometry; VTG) 베인 팩(vane pack) 어셈블리에 제동 능력과 내구성을 제공하는 단축 자동 조심(self-centering) 피봇부를 갖는 VTG 베인 팩 어셈블리에 관한 것이다.
터보과급기는 내연 기관에 사용되는 일종의 강제 유도(forced induction) 시스템이다. 터보과급기는 압축 공기를 엔진 흡기부에 전달하여 더 많은 연료가 연소될 수 있게 해주며, 그래서 엔진 중량을 크게 증가시킴이 없이 엔진의 마력을 증대시켜 준다. 따라서, 터보과급기는 통상적으로 흡기되는 더 큰 엔진으로서, 동일한 양의 마력을 발생시키는 더 작은 엔진을 사용할 수 있게 해준다. 차량에서 더 작은 엔진을 사용하면, 차량의 질량이 감소되고 성능이 증가되며 또한 연비가 향상되는 바람직한 효과가 얻어진다. 더욱이, 터보과급기를 사용하면, 엔진에 전달되는 연료의 더 완전한 연소가 가능하게 되는데, 이러한 완전한 연소는 더 청정한 환경을 실현하고자 하는 아주 바람직한 목표에 기여한다.
터보과급기는 일반적으로 엔진의 배기 매니폴드에 연결되는 터빈 하우징, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되는 압축기 하우징, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징 사이에 배치되어 이들 두 하우징을 함께 연결하는 중심 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 하우징은 스크롤(scroll) 또는 볼류트(volute)로 이루어진 대체로 환형인 챔버를 형성하며, 터빈 휠을 둘러싸고, 엔진의 배기 매니폴드로부터 이어져 있는 배기 공급 유동 채널로부터 배기 가스를 받는다. 터빈 어셈블리는 일반적으로 상기 챔버로부터 터빈 휠 안으로 이어져 있는 목부를 포함한다. 터빈 하우징 내의 터빈 휠은 배기 매니폴드로부터 공급되는 배기 가스의 유입 유동에 의해 회전 가능하게 구동된다. 중심 베어링 하우징 안에 회전 가능하게 지지되는 축은 터빈 휠을 압축기 하우징 내의 압축기 임펠러에 연결하며, 그래서 터빈 휠의 회전에 의해 압축기 임펠러가 회전된다. 터빈 휠과 압축기 휠을 연결하는 상기 축은 회전 축선이 되는 라인을 규정한다. 배기 가스는 환형 터빈 챔버(스크롤 또는 볼류트로 이루어져 있음)로부터 상기 목부를 통과해 터빈 휠로 유동하며, 이 터빈 휠이 배기 가스에 의해 구동되어 매우 높은 속도로 회전하게 된다. 터빈 유동 및 압력 제어 수단을 사용하여, 배기 가스 배압 및 터보과급기 속도를 조절한다. 터빈 휠이 매우 높은 속도로 회전함에 따라, 터빈은 배기 가스로부터 동력을 추출하여 압축기를 구동시키게 된다. 압축기는 압축기 하우징의 입구를 통해 주변 공기를 안으로 끌어들이고, 그 주변 공기는 압축기 휠에 의해 압축되며 그런 다음에 압축기 하우징으로부터 엔진 공기 흡기부에 배출된다. 압축기 임펠러의 회전에 의해, 엔진 흡기 매니폴드를 통해 엔진의 실린더에 전달되는 공기 질량 유량, 공기 유동 밀도 및 공기 압력이 증가되며, 그래서 엔진의 출력이 증대되고, 높은 엔진 성능이 제공되며, 연료 소비가 줄어들며, 또한 이산화탄소(CO2) 배출이 저감되어 환경 오염 물질이 감소된다.
터보과급기는 설계에 의해 작동 조건의 제한된 범위에서 최적으로 작동한다. 대형 터빈은 더 높은 공기 질량 유량에서 최적으로 작동할 수 있다. 그러나, 낮은 공기 질량 유량에서 대형 터빈은 효율적이지 않으며, 또한 부스트(boost)에 대한 요구를 만족시키기 위해 빠르게 회전할 수 없는데, 그래서 터보 래그(turbo lag)라고 하는 현상이 일어나게 된다. 한편, 소형 터빈은 더 낮은 공기 질량 유량에서 양호한 부스트를 제공할 수 있다. 하지만, 소형 터빈은 더 높은 공기 질량 유량을 받으면 질식될 수 있다. 이러한 이유로, 소형 터빈은 간단한 형태의 부스트 압력 제어 기구로서 바이패스를 구비할 수 있다. 바이패스를 구비하는 터빈의 경우, 터빈의 크기는, 낮은 엔진 속도에서의 토크 특성 요건이 만족될 수 있고 또한 양호한 차량 운전성이 얻어지도록 선택된다. 이러한 설계로, 필요한 부스트 압력을 생성시키는데 필요한 것 보다 더 많은 배기 가스가, 최대 토크에 도달하기 바로 전에 터빈에 공급된다. 일단 특정의 부스트 압력이 얻어지면, 잉여 배기 가스 유동의 일부가 터빈 주위로 바이패스를 통해 공급된다. 그 바이패스를 개폐하는 웨이스트 게이트(wastegate)는 보통 부스트 압력에 응하여 스프링 부착 다이어프램에 의해 작동된다. 그러나, 터빈을 우회한다는 것은, 배기 에너지의 일부가 버려지고 회수되지 않음을 의미한다.
가변 터빈 구조는 터빈 유동 단면이 엔진 작동점에 따라 변화될 수 있게 해준다. 이리하여, 전체 배기 가스 에너지가 이용될 수 있고 또한 터빈 유동 단면이 각각의 작동점에 대해 최적으로 설정될 수 있다. 결과적으로, 터보과급기의 효율 및 엔진의 효율이 바이패스 제어로 얻어지는 것 보다 높게 된다(Mayer의 "Turbochargers, Effective Use of Exhaust Gas Energy", Verlag Moderne Inudstrie, 2nd Revised Edition 2001 참조). 볼류트 하우징과 터빈 휠 사이에 있는 가변 안내 베인은 압력 형성 거동에 영향을 주며, 그래서 터빈 출력에 영향을 준다. 낮은 엔진 속도에서는 안내 베인이 폐쇄되어 유동 단면이 감소된다. 터빈 입구와 출구 사이의 더 높은 압력 강하의 결과로 부스트 압력이 상승되고 그로 인해 엔진 토크도 상승된다. 높은 엔진 속도에서, 안내 베인이 점진적으로 개방된다. 요구되는 부스트 압력은 낮은 터빈 압력비 및 감소된 엔진 연료 소비에서 얻어진다. 차량이 낮은 속도로부터 가속되는 중에, 안내 베인은 폐쇄되어 배기 가스의 최대 에너지를 얻는다. 속도가 증가함에 따라, 베인이 개방되어 대응하는 작동점에 적응하게 된다.
오늘날, 현대의 고출력 디젤 엔진의 배기 가스 온도는 830℃까지 달하게 된다. 고온 배기 가스 유동 내에서의 정확하고 신뢰적인 안내 베인 운동을 위해서는, 재료에 대한 높은 요구가 있게 되고 또한 터빈 내의 공차가 정확히 규정되어야 한다. 전체 차량 수명에 걸쳐 신뢰적인 작동을 보장하기 위해서는, 터보과급기 프레임의 크기에 무관하게 안내 베인에서는 최소의 틈이 요구된다.
일반적으로, VTG의 조절 가능한 안내 베인은, 터빈 하우징 내부에서 한쌍의 베인 링(상하부 링) 및/또는 노즐 벽 사이에 회전 가능하게 장착된다. 조절 가능한 안내 베인은 회전되어, 터빈 휠로 가는 배기 가스 유동의 속도 또는 방향을 변경시켜 배기 가스 배압과 터보과급기 속도를 제어하게 된다. 더 낮은 배기 가스 공기 질량 유량에서, 상기 조절 가능한 안내 베인은 비교적 폐쇄된 위치로 움직여, 배기 가스의 유동을 위한 더 작은 통로를 형성할 수 있다. 그리하여, VTG는 배기 가스의 가용성이 더 낮은 경우에도 더 높은 회전 속도를 얻을 수 있는 소형 터빈을 모방해 있다. 반면, 엔진이 더 높은 속도에 있을 때는, 배기 가스 공기 질량 유량이 높다. 그러므로, 조절 가능한 안내 베인이 개방되어, 배기 가스의 유동 및 필요하다면 적절한 양의 부스트를 위한 더 큰 통로를 형성할 수 있다. 조절 가능한 안내 베인이 개폐될 수 있으므로, 터보과급기는 엔진의 요구를 만족시키기 위해 더 넓은 범위의 조건 하에서 작동할 수 있다. 바이패스 제어와 비교하여, VTG는 전체 배기 가스 에너지를 이용하며, 그래서 배기 가스 터보과급기의 효율이 향상되고 그래서 엔진의 효율도 향상된다.
터빈 하우징 어셈블리가 한쌍의 베인 링을 둘러싸도록, VTG 터보과급기는 일반적으로 스터드, 볼트, 또는 너트를 갖는 스터드와 같은 적어도 3개의 체결구를 사용하여 상기 한쌍의 베인 링(즉, 상부 베인 링 및 하부 베인 링)을 터빈 하우징에 고정시킨다. 체결구는 양 베인 링을 통과하여 상부 베인 링을 하부 베인 링에 죄고 또한 하부 베인 링을 터빈 하우징에 죈다. 베인을 우회하여 베인과 베인 링 사이의 틈을 관류하는 배기 가스는 VTG의 효율을 감소시킨다. 그래서, 베인이 배기 가스의 유동을 최적으로 제어하기 위해, 베인과 베인 링 사이의 틈은 매우 작아야 한다. 베인이 그러한 작은 틈을 갖고 회전할 수 있도록, VTG 베인 어셈블리는 높은 기하학적 평행도로 터빈 하우징에 장착되어야 한다. 이러한 평행은 터빈이 매우 넓은 온도 범위에 있을 때에도 유지되어야 한다. 상이한 구성품들은 다른 열팽창 계수를 갖는 다른 금속으로 만들어진다. 터빈 하우징은 열팽창의 차로 인해 온도 범위에 걸쳐 어느 정도 변형된다. 터빈 하우징의 변형에 의해, 고정 기구/체결구가 기하학적 평행성을 상실하게 되며, 그래서 베인과 가동 구성품들은 더 이상 자유롭게 회전할 수 없게 되고 그래서 들러붙거나 록업(lock-up)된다. 고정 기구/체결구의 평행성이 상실되면, 그 고정 기구/체결구에 높은 응력이 또한 발생되는데, 이러한 응력으로 인해 고정 기구/체결구의 기능 실패 또는 파손이 일어날 수 있다. 베인 링의 뒤틀림으로 인해, 특이한 마모 패턴이 생길 수 있거나 원치 않는 틈이 발생될 수 있으며, 그래서 터보과급기의 공기역학적 효율이 더 저하된다.
따라서, 베인 링 어셈블리가 터빈 하우징 내에 위치되어 기능할 수 있게 해주는 VTG 어셈블리가 필요하다. 또한, 베인 어셈블리 구성품들의 서로에 대한 위치를 유지하고 최고 효율을 최적화하면서 터빈 하우징 및/또는 베인 링 어셈블리의 열적 확대와 뒤틀림에 대처하는 것이 필요하다. 또한 추가적으로, 비용 효과적이고 신뢰할 수 있으며 제조, 조립 및/또는 분해의 용이함을 촉진하는 그러한 시스템 및 방법도 필요하다.
이들 목적은 복수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인을 갖는 베인 팩 어셈블리를 포함하는 가변 터빈 구조(VTG) 터보과급기로 달성된다. 베인 팩 어셈블리는 대체로 환형인 제 1 또는 상부 베인 링 및 대체로 환형인 제 2 또는 하부 베인 링을 포함할 수 있다. 상부 베인 링이 하부 베인 링으로부터 이격되어 환형 공간이 형성되도록, 상부 베인 링과 하부 베인 링 사이에는 복수의 스페이서가 배치된다. 이 환형 공간 내에는, 다수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인이 회전 가능하게 장착된다. 이들 안내 베인은 상부 베인 링과 하부 베인 링 사이에 회전 가능하게 장착된다. 안내 베인은 자동 조심 피봇부를 갖는 포스트를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 포스트의 일 단부 또는 양 단부는 구형이고, 디스크에 있는 "U" 형 오목부에 수용된다. 포스트는 볼-인-소켓 방식으로 상기 오목부에 끼워진다. 원통형 보어 안에 있는 종래의 원통형 포스트와 비교하여(볼-인-소켓 끼움 포스트의 경우에 디스크 사이의 정렬 불량 또는 연속된 포스트 사이의 정렬 불량 또는 한 디스크의 다른 디스크에 대한 회전이 일어나면 상기 종래의 원통형 포스트는 속박될 것이다), 포스트의 어떠한 정렬 불량도 쉽게 허용되며 속박을 야기하지 않을 것이다. 터빈 하우징이 넓은 범위의 온도에 노출된 결과 변위되거나 변형되더라도, 상기 베인 팩 어셈블리는 포스트의 상기 자동 조심 피봇부 덕분에 기능할 수 있다. 작동 기구를 사용해 안내 베인을 개폐하여, 안내 베인의 회전 운동을 제어하고 그리하여 배기 가스의 속도 및 배압을 제어한다.
복수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인 덕분에, 베인 링 어셈블리가 터빈 하우징 내부에 배치되어 터보과급기의 효율을 유지하면서 하우징 및/또는 베인 링 어셈블리의 열팽창의 효과 또는 열적 확대의 차의 효과를 무효화할 수 있다. 추가로, 복수의 안내 베인의 자동 조심 피봇부는 공기 역학적 힘이 주는 경향이 있는 굽힘 모멘트를 제한하여 베인 팩 어셈블리에 내구성 및 제동 능력을 부가한다. 복수의 안내 베인은 비용 효과적이고 신뢰할 수 있으며 또한 조립이 용이하도록 설계되어 있다. 하부 베인 링 또는 하우징의 변형이 일어나면, 베인은 자동 조심 피봇 표면 덕분에 단축 조인트 내에서 계속 회전할 수 있다. 그리고, 하부 베인 링 또는 터빈 하우징에 대해서는 더 다양한 재료가 고려될 수 있다. 시스템의 수명에 걸쳐, 자동 조심 표면은 베인 포스트를 설계된 방식으로 회전하도록 계속 안내하게 된다.
본 발명의 추가 상세 내용, 이점 및 특징은 도면에 근거하여 예시적인 실시 형태에 대한 이하의 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
도 1 은 가변 터빈 구조(VTG) 터보과급기의 일 양태의 단면도이다.
도 2 는 베인 팩 어셈블리의 일 양태의 단면도이다.
도 3 은 도 2 에 있는 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인의 일 양태의 정면도이다.
도 4 는 베인 팩 어셈블리의 다른 양태의 단면도이다.
도 5 는 도 4 에 있는 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인의 일 양태의 정면도이다.
도 6 은 VTG 터보과급기 베인 팩 어셈블리의 일 양태의 단면도로, 체결구와 스페이서가 나타나 있다.
도 7 은 도 6 에 있는 VTG 터보과급기 베인 팩 어셈블리의 상면도이다.
도 1 은 압축기 스테이지(12)와 터빈 스테이지(14)를 포함하는 터보과급기(10)의 일 양태를 상세히 나타낸다. 압축기 스테이지(12)는 압축기 하우징(16)과 압축기 휠(18)을 포함한다. 터빈 스테이지(14)는 터빈 하우징(20)과 터빈 휠(22)을 포함한다. 압축기 하우징(16)은 베어링 하우징(23)에 의해 터빈 하우징(20)으로부터 떨어져 있다. 축(24)이 압축기 휠(18)을 터빈 휠(22)에 연결하면서 베어링 하우징(23)을 통해 연장되어 있다. 베인 팩(vane pack) 어셈블리(25)(도 2 에 더 상세히 나타나 있음)는, 대체로 환형인 제 1 또는 상부 베인 링(28)과 대체로 환형인 제 2 또는 하부 베인 링(30) 사이에 위치되는 복수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인(26)을 포함한다. 복수의 안내 베인(26) 각각은 작동 기구(27)에 의해 회전된다. 작동 기구(27)는 공압식 액츄에이터, 기어식 액츄에이터, 전기 액츄에이터, 또는 당 업계에 알려져 있는 어떤 유사한 기구라도 포함할 수 있다.
상기 베인 팩 어셈블리(25)는 도 2 에 상세히 나타나 있다. 어떤 양태에서, 베인 팩 어셈블리(25)의 기본적인 구성품은 복수의 안내 베인(26)(도 3), 상부 베인 링(28), 하부 베인 링(30), 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이에 배치되는 스페이서(70), 및 복수의 베인 조절 레버(74)를 포함한다. 포스트(post)(50)를 나타내는 가상선이 보일 수 있도록 도의 우측 부분에서는 크로스 햇칭이 생략되어 있다.
상부 베인 링(28)은 대략 등간격으로 있는 복수의 구멍(38)을 포함하며, 이들 구멍은 상부 베인 링(28)의 상부 표면(40)에서 바닥 표면(42)까지 그 상부 베인 링을 통과해 연장되어 있다. 하부 베인 링(30)은 상부 표면(44)과 바닥 표면(46)을 포함한다. 하부 베인 링(30)의 상부 표면(44)은 대략 등간격으로 있는 복수의 자동 조심 피봇 오목부(48)를 포함한다. 이 피봇 오목부(48)는 하부 베인 링(30)의 상부 표면(44)으로부터 그 하부 베인 링(30) 안으로 부분적으로 연장되어 있다. 피봇 오목부(48)는 하부 베인 링(30)의 바닥 표면(46)까지 완전히 관통해 연장되어 있지는 않다.
일 양태에서, 도 3 에 나타나 있는 복수의 안내 베인(26) 각각은 포스트(50)를 포함하며, 이 포스트는 그와 일체적으로 형성된 베인(52)을 가지고 있다. 포스트(50)는 제 1 단부(54) 및 자동 조심 피봇부(56a)를 갖는 제 2 단부를 포함한다. 포스트(50)의 제 1 단부(54)는 상부 베인 링(28)의 상부 표면(40)을 완전히 관통하여 약간 넘어 연장되어 있을 수 있다. 복수의 베인 조절 레버(74)는 복수의 관통 구멍(33)을 포함하는데, 안내 베인(26)의 포스트(50)의 제 1 단부(54)가 상기 관통 구멍을 통해 연장되어 있다. 복수의 베인 조절 레버(74)를 통과해 연장되어 있는 포스트(50)는 복수의 베인 조절 레버(74)를 슬라이딩가능하게 평평하게 상부 베인 링(28)에 회전 가능하게 장착한다. 포스트(50)의 제 2 단부의 상기 자동 조심 피봇부(56a)는 대응하는 자동 조심 피봇 오목부(48) 내에 수용되어 안내 베인(26)을 하부 베인 링(30)에 대해 위치시키고 조심(centering)시킨다. 배기 가스는 상부 베인 링의 하부 표면과 하부 베인 링의 상부 표면 사이에 있는 환형 틈을 고압, 고속으로 관류하게 된다. 배기 가스가 구멍(38)을 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 안내 베인(26)은 환형 공간 내에서 플랜지(58)를 더 포함하는데, 이 플랜지는 상부 베인 링의 하부 표면에서 상기 구멍(38)을 덮는다. 안내 베인에는 제 2 플랜지(60)가 제공될 수 있는데, 이 제 2 플랜지는 하부 베인 링의 상부 표면에서 상기 자동 조심 피봇 오목부(48)를 덮는다. 상기 플랜지(58, 60)는 또한 베인(52)과 상부 베인 링의 하부 표면 및 하부 베인 링의 상부 표면 사이의 정확한 간격을 보장해 준다.
상기 자동 조심 피봇부(56a)는 구형일 수 있다. 도 2 및 3 의 자동 조심 피봇부(56a)는 구형으로 되어 있지만, 다른 형상도 효과적인 것으로 알려져 있다.
어떤 양태에서는, 도 4 및 5 에 나타나 있는 바와 같이, 자동 조심 피봇부(56b)는 원추형일 수 있다. 본 발명의 다른 모든 양태는 앞에서 도 1 ∼ 3 과 관련하여 상세히 설명한 것과 유사하다. 자동 조심 피봇부(56a, 56b)를 위한 구형 또는 원추형이 상세히 설명되었지만, 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 절두 원추형, 절두 구형, 부분 원추형, 부분 구형 또는 이의 어떤 조합이라도 될 수 있다.
다른 양태에서, 하부 베인 링(30)은 생략될 수 있다(나타나 있지 않음). 이와 관련하여, 등간격으로 있는 복수의 자동 조심 피봇 오목부(48)가 터빈 하우징(20)에 형성된다. 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 터빈 하우징(20)에 등간격으로 형성되어 있는 복수의 자동 조심 피봇 오목부(48)에 수용된다. 복수의 안내 베인(26)은 스페이서(70)와 같은 베인 팩 어셈블리(25)의 다른 구성품과 함께, 터빈 하우징(20)에 대해 베인 팩 어셈블리(25)를 유지하는데 도움을 준다. 따라서, 베인 팩 어셈블리(25)는 열적 확대의 효과 또는 열적 확대의 차의 효과로 인한 터빈 하우징(20)의 움직임 또는 변형을 보상하기 위해 회전할 수 있다. 그렇지 않은 경우 이러한 종류의 움직임은 종래의 이중 축 및/또는 일반적으로 알려져 있는 다른 터보과급기 구성으로는 가능하지 않을 것이다.
가장 바람직하게는, 상기 포스트의 일 단부 또는 양 단부는 구형이고 디스크에 있는 "U" 형 오목부에 수용된다. 포스트는 볼-인-소켓 방식으로 오목부 안에 끼워진다. 원통형 보어 안에 있는 종래의 원통형 포스트와 비교하여(볼-인-소켓 끼움 포스트의 경우에 디스크 사이의 정렬 불량 또는 연속된 포스트 사이의 정렬 불량 또는 한 디스크의 다른 디스크에 대한 회전이 일어나면 상기 종래의 원통형 포스트는 속박될 것이다), 포스트의 어떠한 정렬 불량도 쉽게 허용될 수 있으며 속박을 야기하지 않을 것이다.
터보과급기(10)는 150,000 ∼ 300,000 RPM의 고주파 회전 범위에서 작동하며 1050℃ 보다 높은 온도를 받을 수 있다. 이들 조건은, 정밀 공차 구성품에는 도움이 되지 않는 열 프로파일 및 열팽창 차를 발생시키게 되는데, 정밀 공차 구성품에서는 구성품의 들러붙음 또는 과도한 마모를 방지하기 위해 뒤틀림이 최소화되어야 한다. 따라서, 복수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인(26)의 특정한 크기, 형상, 갯수, 및 재료는 이들 특성에 근거하여 선택될 수 있는데, 하지만 조립의 용이성, 터빈 휠의 크기와 여기(exitation), 요망되는 강성 및 열변형 제어, 열팽창 계수, 내부식성, 비용, 강도 및 내구성을 포함한 많은 다른 인자에 근거하여 선택될 수도 있다. 베인 팩 어셈블리(25) 및 그의 구성품은 고온 및 엔진 연소의 부식성 부생성물에의 심한 노출에 견디므로, 니켈, 스테인레스강 또는 다른 유사한 재료와 같은 재료가 효과적인 것으로 알려져 있다.
도 6 은 베인 팩 어셈블리(25)의 특정 구성의 일 양태를 상세히 나타낸다. 상부 베인 링(28) 및 하부 베인 링(30)은 체결 수단(68)에 의해 함께 유지된다. 복수의 스페이서(70)(그중 3개가 도 7 에 나타나 있음)가, 여기서 나타나 있는 바와 같이 체결 수단(68) 둘레에서 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이에 배치되어 있거나, 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이의 다른 위치에 배치된다. 스페이서(70)는 대체로 환형인 상부 베인 링(28)과 대체로 환형인 하부 베인 링(30) 사이의 거리를 결정하고, 그들 두 베인 링 사이의 간격을 유지한다. 따라서, 스페이서(70)는 플랜지(58, 60)와 상부 베인 링(28)의 바닥 표면(42) 및 하부 베인 링(30)의 상부 표면(44) 사이의 틈(나타나 있지 않음)을 형성시킨다. 체결 수단(68)에 부착되는 너트(72)는 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30)을 복수의 스페이서(70)에 체결하는 죔력을 가하는 역할을 한다. 체결 수단(68)은 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30)을 통과해 연장되어 베인 팩 어셈블리(25)를 형성하며, 이 어셈블리는 터빈 하우징(20) 안에 쉽게 조립될 수 있다. 일반적으로, 베인 팩 어셈블리의 방향을 잡고 이의 회전을 막기 위해 인덱싱 수단이 제공된다.
사용시, 배기 가스는 엔진으로부터 터보과급기(10)를 관류하여 터빈 휠(22)을 구동시키며, 그리고 이 터빈 휠은 압축기 휠(18)을 구동시킨다. 압축기 휠(18)은 공기를 터보과급기(10) 안으로 끌어들이고 이 공기를 압축하여 엔진의 흡기측(나타나 있지 않음)에 전달한다. 이 과정 중에, 복수의 안내 베인(26)이 사용되어 배기 가스의 유동을 제어하게 되며, 배기 가스는 터빈 휠(22)에 충돌하여 터빈 스테이지(14)의 동력을 제어하게 된다. 그러므로 복수의 안내 베인(26)은 또한 압축기 스테이지(12)에 의해 발생되는 압력비를 제어한다.
VTG 터보과급기(10)의 작동에 대한 다른 양태가 도 7 에 상세히 나타나 있다. 유니슨(unison) 링(71)이 복수의 안내 베인(26)을 제어한다. 유니슨 링(71)은 베인 조절 레버(74)의 상부 표면에 위치되어 있는 아치형 표면(32) 상에 걸쳐져 있다. 유니슨 링(71)의 회전 운동은 작동 기구에 연결되어 있는 제어 아암(27)에 의해 제어되며, 이 제어 아암(27)은 레버 아암(74)과 슬라이드 블럭(75)에 의해 유니슨 링(71)에 작동 연결되어 있다.
작동 기구의 레버 아암(27)은 제어 아암(74)의 운동을 일으키고, 이 운동은 슬라이드 블럭(75)을 통해 유니슨 링(71)에 전달된다. 유니슨 링(71)이 회전함에 따라, 이 유니슨 링에 회전 가능하게 장착되어 있는 다수의 더 작은 슬라이드 블럭(76)이 유니슨 링과 함께 움직이게 된다. 베인 조절 레버(74)의 포크의 레그(leg)들 사이에 접촉하는 다수의 더 작은 슬라이드 블럭(76)의 운동에 의해 복수의 베인 조절 레버(74)가 회전하게 된다. 이 운동에 의해 복수의 안내 베인(26)의 회전 운동이 일어나고, 이 회전 운동으로 인해 베인(52)의 각위치(angular position)가 변경되어 배기 가스 유동이 변하고 그래서 제어된다.
터보과급기(10)가 작동하고 터빈 스테이지(14) 내에서의 심한 온도 변동에 노출됨에 따라, 터빈 하우징(20)이 변형되어 베인 팩 어셈블리(25)의 정렬 불량을 야기할 수 있다. 어떠한 약간의 움직임이라도 나타나면, 자동 조심 피봇부(56a, 56b)가, 하부 베인 링(30) 또는 터빈 하우징(20)에 등간격으로 형성되어 있는 상기 자동 조심 피봇 오목부(48) 내에서 회전할 수 있다. 그래서, 터빈 하우징(20)이 열팽창에 응하여 움직이고 변형될 때, 회전 운동을 통해 터빈 하우징(20) 내에서의 베인 팩 어셈블리(25)의 위치 결정이 정확하게 제어될 수 있다.
따라서, 베인(52) 및 다른 가동 구성품의 들러붙음 또는 록업(lock-up)을 야기하는 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30)의 뒤틀림이 방지된다. 추가로, 베인(52)의 뒤틀림으로 인해 생길 수 있는 특이한 마모 패턴이 제거되며, 그리하여, 원치 않는 틈의 발생이 줄어들고 또한 터보과급기(10)의 공기역학적 효율이 증가된다.
여기서 설명한 베인 팩 어셈블리(25)의 양태들은 많은 이점을 제공할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 상기 구성으로 인해 최종 조립이 용이하게 된다. 또한, 베인 팩 어셈블리(25)는 비교적 저렴한 부품을 사용할 수 있고 또한 외래종 재료로 만들어진 부품의 사용을 피할 수 있다. 베인 팩 어셈블리(25)는 상기 어셈블리의 부품의 용접에 대한 필요성이 없도록 구성되어 있다.
단축 자동 조심 피봇부(56a, 56b)를 포함하는 예시적인 베인 팩 어셈블리(25)를 설명하였다. 여기서 사용되는 용어는 한정적이라기 보다는 설명적인 것이다. 전술한 교시에 비추어 많은 변형예가 가능함이 명백하다. 그러므로, 첨부된 청구 범위 내에서 본 발명의 개념 및 장치는 상세한 설명에서 명시적으로 상술한 바와는 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다

Claims (7)

  1. 가변 구조 터보과급기용 베인 팩(vane pack) 어셈블리(25)로서,
    상부 베인 링(28);
    상부 표면과 하부 표면을 가지며, 또한 상기 상부 표면에 형성되어 있는 자동 조심 피봇 오목부(48)를 갖는 하부 베인 링(30);
    포스트(post)(50)를 포함하며, 이 포스트는 그와 일체적으로 형성되어 있는 베인(52)을 가지며, 이 베인은 상기 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이에 작동 위치되는 복수의 단축 자동 조심 조절 가능 안내 베인(26);
    상기 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30)을 통과해 연장되어 있는 복수의 체결 수단(68); 및
    상기 상부 베인 링(28)과 하부 베인 링(30) 사이의 간격을 유지하기 위한 복수의 스페이서(70)를 포함하며,
    상기 포스트(50)의 적어도 일 단부에는, 상기 하부 베인 링에 있는 상보적인 형상의 오목한 자동 조심 피봇 오목부(48)에 안착 되도록 되어 있는 볼록한 자동 조심 피봇부(56a, 56b)가 제공되어 있는, 가변 구조 터보과급기용 베인 팩 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 구형으로 되어 있는 베인 팩 어셈블리(25).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 원추형으로 되어 있는 베인 팩 어셈블리(25).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 절두 구형으로 되어 있는 베인 팩 어셈블리(25).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 조심 피봇부(56a, 56b)는 절두 원추형으로 되어 있는 베인 팩 어셈블리(25).
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 베인 포스트의 적어도 일 단부는 구형이고, 또한 디스크에 있는 대응하는 오목부에 볼-인-소켓 방식으로 수용되는 베인 팩 어셈블리(25).
  7. 제 1 항에 있어서,
    각 베인 포스트의 양 단부는 구형이고, 또한 디스크에 있는 대응하는 오목부에 볼-인-소켓 방식으로 수용되는 베인 팩 어셈블리(25).
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