KR20170035570A - 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징 - Google Patents

터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 공기가 입구부(10)를 통하여 유로(20)로 유입되고, 유입된 공기를 압축시키는 컴프레서 휠(30)을 포함하는 터보차저용 컴프레서 하우징에 있어서, 상기 유로(20)는 상기 입구부(10)부터 상기 컴프레서 휠 입구(40) 사이에서 최소 단면적이 존재하고, 최소 단면적을 기준으로 상류 측과 하류 측으로 각각 단면적이 증가한다.

Description

터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징 {AIR REFLUX DELAY COMPRESSOR HOUSING FOR TURBOCHARGER}
본 발명은 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징에 관한 것으로써, 구체적으로는 컴프레서 하우징 입구 부근의 가공 형상을 변경하여 서지영역에서의 역류되는 유동을 지연시키는 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징에 관한 것이다.
터보차저는 엔진의 출력을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로써, 샤프트의 일단에는 터빈 휠이, 샤프트의 타단에는 컴프레서 휠이 일체로 회전될 수 있도록 장착되어 있다. 엔진에서 배출되는 배기가스가 터빈을 감싸고 있는 터빈 하우징으로 유입되어 터빈 휠을 고속으로 회전시키고, 이로 인하여 샤프트와 컴프레서 휠이 함께 회전하면서 컴프레서 휠을 감싸고 있는 컴프레서 하우징을 통해 압축된 공기가 토출된다. 이렇게 가압된 공기가 연소실로 보내지게 되고, 이는 엔진의 충진효율을 향상시키고 출력을 증대시킨다.
특히 차량용으로 사용되는 원심식 컴프레서는 엔진의 실린더에 압축된 공기를 넣어주는 역할을 한다. 터보차저가 장착된 엔진의 저속구간(최근에는 1500rpm 이하)에서는 배기가스 에너지를 모두 터빈이 사용하여 컴프레서의 압축일을 만들게 되는데, 만약 엔진 저속구간의 출력을 상승시키기 위해서는 컴프레서는 더 많은 압축일을 하여야 한다. 그러나, 동일 유량에서 더 많은 압축일을 할 경우에 서지 영역으로 들어가게 되면서 큰 소음을 동반하게 되어 컴프레서 사용이 불가능한 문제점이 발생하게 된다. 이러한 경우, 서지 마진(Surge Margin)이 더 넓은 컴프레서라면 엔진의 저속출력을 향상시키는데 기여하게 된다.
한국공개특허공보 제10-2012-0107776호
본 발명의 일 실시예에 따른 컴프레서 하우징 입구부 가공 형상을 변경하여 서지영역에서의 역류되는 유동을 지연시키는 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징을 제공한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기가 입구부를 통하여 유로로 유입되고, 유입된 공기를 압축시키는 컴프레서 휠을 포함하는 터보차저용 컴프레서 하우징에 있어서, 상기 유로는 상기 입구부부터 상기 컴프레서 휠 입구 사이에서 최소 단면적이 존재하고, 최소 단면적을 기준으로 상류 측과 하류 측으로 각각 단면적이 증가할 수 있다.
상기 최소 단면적은 상기 컴프레서 휠 입구의 목넓이(Throat Area)보다 크게 설계될 수 있다.
상기 최소 단면적(A0)은 하기 수식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
(이 때, A0는 최소 단면적, 1.1 ≤ B ≤ 1.2 , D1 은 컴프레서 휠 입구에서 CL1을 뺀 길이이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징은 컴프레서 휠 입구 부근의 가공 형상이 변경되어 서지영역에서의 역류되는 유동을 지연시키고, 효율이 상승하는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 입구부 형상을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 종래 기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 단면도이다.
도 3은 종래 기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 격자 형상을 나타낸 단면도이다.
도 4는 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 입체 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 목넓이(Ath ,Throat Area)의 개념을 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 6은 종래기술에 따른 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 정압 분포 및 속도 벡터의 단면도이다.
도 8은 종래기술에 따른 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 압력 수치가 표기된 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 압력 수치가 표기된 단면도이다.
도 10은 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 컴프레서 휠 내부의 정압 및 마하수 분포를 나타내는 단면도이다.
도 11은 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b) 내에서 컴프레서 휠 1mm 전단에서의 유동 분포(정압, 마하수, 축방향 유속분포)를 나타내는 단면도이다.
도 12는 종래 기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 서지 부근의 압력비 분포 및 각 서지점에서의 효율을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하. 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 역류현상을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, CL1 은 컴프레서 휠의 회전을 위하여 빈 공간으로 존재하고, 컴프레서 휠의 회전으로 인하여 P2 > P1의 관계가 성립되는 경우 P2의 압력이 높아짐으로 인하여 CL1 의 빈 공간을 통하여 P1 방향으로 유체가 이동하려는 현상이 일어나게 된다. 이와 같이 휠 내부유동에서 역류가 발생하는 경우, 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징 입구 형상을 변경함에 의하여 역류범위가 좁아지게 하여 서지(Surge) 현상을 지연시킬 수 있게 된다.
도 2는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 단면도이다.
도 3은 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 격자형상을 나타낸 단면도이다.
컴프레서 휠(30)은 회전이 가능하도록 컴프레서 하우징과 일정한 틈(Gap)을 가지고 있으며, 이러한 틈은 컴프레서 휠(30) 입구 끝단(Blade Tip)에서 유동 박리를 만들게 되어 효율 저하를 발생시킨다. 또한, 이러한 틈은 압축일을 하지 못하는 빈 공간과 같아서 컴프레서 출구의 압력이 높아질 경우 입구로 역류하는 통로가 되기도 한다. 도 3은 이러한 컴프레서 출구로부터 이러한 틈을 통해 역류되는 유동에 변화를 주기 위한 방안이다.
도 3을 참조하면, 종래 기술은 컴프레서 휠(30)의 축방향 단면을 기준으로 상기 유로의 내측 상부의 선이 특별한 곡선 없이 직선으로 컴프레서 휠(30)과 연결된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 형상은 컴프레서 휠(30)의 축방향 단면을 기준으로 입구부(10)부터 상기 유로의 내측 상부의 선이 급격하게 하향하다가 컴프레서 휠 입구로 들어가는 유로 직전에 급격한 상향을 하도록 단면적 변화를 주었다.
즉, 공기가 입구부(10)를 통하여 유로(20)로 유입되고, 유입된 공기를 압축시키는 컴프레서 휠(30)을 포함하는 터보차저용 컴프레서 하우징에 있어서, 유로(20)는 입구부(10)부터 컴프레서 휠 입구(40) 사이에서 최소 단면적이 존재하고, 최소 단면적을 기준으로 상류 측과 하류 측으로 각각 단면적이 증가하는 것이 바람직하다.
또한, 최소 단면적은 상기 컴프레서 휠 입구의 목넓이(Ath, Throat Area)보다 크게 설계되는 것이 바람직하다. 최소 단면적이 컴프레서 휠 입구에서 생기는 목넓이보다 크게 설계될 경우 최대유량이 줄어들지 않게 하는 효과가 있다.
도 4는 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 입체 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 목넓이(Ath ,Throat Area)의 개념을 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 최소 단면적(A0)은 하기 수식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
(이 때, A0는 최소 단면적, 1.1 ≤ B ≤ 1.2 , D1 은 컴프레서 휠 입구에서 CL1을 뺀 길이이다.)
도 6은 종래기술에 따른 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 정압 분포 및 속도 벡터의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 서지(Surge)점에서의 유동은 컴프레서 휠(30)과 하우징 사이의 틈을 통하여 유동이 역류하는 현상을 보이고 있으며, 이렇게 역류하는 유동은 입구로 유입되는 유동(C1)에 의하여 그 흐름이 유입되는 유동(C1)방향으로 꺾이게 된다. 종래 기술과 비교하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 경우 그 흐름이 컴프레서 휠(30) 입구 가까이에서 꺾이는 현상을 확인할 수 있다.
도 8은 종래기술에 따른 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 압력 수치가 표기된 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 정압 분포 및 속도 벡터를 나타내는 압력 수치가 표기된 단면도이다.
도 10은 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 컴프레서 휠 내부의 정압 및 마하 수(Mach Number) 분포를 나타내는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 마하 수 분포에서 파란 색 부분이 마하 수가 0에 가까운 정체구간(역류되는 유동은 유속이 느리기 때문에 마하 수가 0에 가깝다)에 해당되며, 유동이 컴프레서 휠 입구를 넘어 역류되는 현상이 눈에 띄게 커진 것을 확인할 수 있다.
도 11은 종래기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b) 내에서 컴프레서 휠 1mm 전단에서의 유동 분포(정압, 마하수, 축방향 유속분포)를 나타내는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 경우 마하 수 분포로부터 유동이 정체되는 현상이 넓게 나타나며, 정체부근에서의 압력이 높아진 것을 확인할 수 있다. 종래 기술에 비하여 축방향 속도가 음수가 되는(역류되는) 속도가 낮아진 것(파란색이 하늘색으로 변화된 현상)을 확인할 수 있다.
도 12는 종래 기술(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징(b)의 서지 부근의 압력비 분포 및 각 서지점에서의 효율을 나타낸 그래프이다. 도 12를 참조하면, 압력비 그래프에서 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징의 경우 유동 단면적이 급격히 축소되다가 급격히 확대되면서 역류된 유동이 컴프레서 하우징 입구에서 멀리 가지 못하고 최소 단면적 위치 부근에서 차단되며, 이로 인하여 압력비 2.0 이하의 서지 마진은 증가하고 그 이상에서는 감소하는 현상을 보이며, 서지 부근에서 효율은 1~2.5% 증가한다.
이와 같이 본 발명에 일 실시예에 따른 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징은 그 형상을 변화시켜, 효과적인 서지 마진 상승 및 서지 부근의 효율을 개선시켜 엔진 저속 성능 향상에 기여한다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 입구부
20: 유로
30: 컴프레서 휠
40: 컴프레서 휠 입구

Claims (3)

  1. 공기가 입구부(10)를 통하여 유로(20)로 유입되고, 유입된 공기를 압축시키는 컴프레서 휠(30)을 포함하는 터보차저용 컴프레서 하우징에 있어서,
    상기 유로(20)는 상기 입구부(10)부터 상기 컴프레서 휠 입구(40) 사이에서 최소 단면적이 존재하고, 최소 단면적을 기준으로 상류 측과 하류 측으로 각각 단면적이 증가하는 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최소 단면적은 상기 컴프레서 휠 입구(40)의 목넓이(Throat Area, Ath)보다 크게 설계된 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최소 단면적(A0)은 하기 수식으로 정의되는 터보차저용 공기역류지연 컴프레서 하우징.
    Figure pat00005

    Figure pat00006

    (이 때, A0는 최소 단면적, 1.1 ≤ B ≤ 1.2 , D1 은 컴프레서 휠 입구에서 CL1을 뺀 길이이다.)

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