KR20180015077A - 터보과급기의 축류 터빈 및 터보과급기 - Google Patents

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KR20180015077A
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turbine
axial
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미카엘 돈데러
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만 디젤 앤 터보 에스이
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Abstract

매체(medium)를 팽창시키기 위한 터보과급기의 축류 터빈(2)은, 가동 블레이드(7)를 포함하는 터빈 로터(5); 팽창될 매체의 흐름 방향에서 볼 때 가동 블레이드(7)의 상류에 위치 설정되는 조절 가능한 가이드 블레이드(11)를 포함하는 가이드 장치(6)로서, 각각의 가이드 블레이드(11)는 가이드 블레이드 리프(12), 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14), 및 가이드 링(15)에 장착되는 가이드 블레이드 핀(13)을 포함하는 것인 가이드 장치; 팽창될 매체의 흐름 방향에서 볼 때 가이드 장치(6)의 상류에 위치 설정되는 유입 하우징(3)으로서, 이를 통해 팽창될 매체는 가이드 장치(6)의 가이드 블레이드(11)에 공급될 수 있는 것인 유입 하우징을 구비한다. 유입 하우징(3) 내에 적어도 하나의 밀봉 공기 보어(18; sealing air bore)가 도입된다. 가이드 링(15) 내에 둘레방향 밀봉 공기 홈(19; sealing air groove)이 도입된다. 유입 하우징(3)에 도입되는 밀봉 공기 보어(18)는 유입 하우징(3)을 통해 연장되고, 가이드 링(15)에 도입되는 밀봉 공기 홈(19) 내로 개방되며, 가이드 링(15)과 각각의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이에서 밀봉 공기 홈(19)으로부터 밀봉 공기가 공급될 수 있는 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 밀봉 공기 압력은, 상기 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 배기 가스 압력보다 크다.

Description

터보과급기의 축류 터빈 및 터보과급기{AXIAL TURBINE OF A TURBOCHARGER AND TURBOCHARGER}
본 발명은 터보과급기의 축류 터빈 및 터보과급기에 관한 것이다.
DE 44 26 522 A1로부터, 터보기계, 즉 터빈 및 압축기를 갖춘 배기 가스 터보과급기가 알려져 있다. 배기 가스를 팽창시키는 역할을 하는, 배기 가스 터보과급기의 터빈은 터빈 유입 하우징(turbine inflow housing)을 포함하며, 이 터빈 유입 하우징을 통해 배기 가스가 터빈의 터빈 로터에 공급되고, 상기 터빈 로터는 복수 개의 가동 블레이드를 포함한다. 터빈의 가동 블레이드의 하류에는, 디퓨저를 갖춘 터빈 유출 하우징(turbine outflow housing)이 연결된다. 배기 가스 터보과급기의 터빈의 영역에서 배기 가스의 팽창 중에 추출되는 에너지는, 과급 공기를 압축하기 위해 배기 가스 터보과급기의 압축기의 영역에서 사용된다.
DE 100 16 745 B4는 터보과급기의 축류 터빈을 개시하고 있으며, 배기 가스의 흐름 방향에서 볼 때 조절 가능한 가이드 블레이드(guide blade)를 갖춘 가이드 장치가 터빈 로터의 가동 블레이드의 상류에 배치된다. 상기 가이드 장치의 가이드 블레이드는 가이드 블레이드 리프(guide blade leaf), 가이드 블레이드 스위블 플레이트(guide blade swivel plate), 및 가이드 블레이드 핀(guide blade pin)을 포함한다. 가이드 블레이드는 조절 디바이스를 통해 조절 가능하며, 가이드 링(guide ring) 상에 조절 가능하게 장착되는데, 이는 가이드 블레이드 캐리어(guide blade carrier)로서 또한 설명된다. 가이드 블레이드를 위한 베어링이 가이드 링과 각각의 가이드 블레이드의 가이드 블레이드 핀 사이에 형성된다. 가이드 링과 각각의 가이드 블레이드의 가이드 블레이드 스위블 플레이트 사이에 있는 분리 가능한 연결부에 의해, 배기 가스 누출분은 가이드 블레이드의 베어링의 영역 내로 유동할 수 있고, 이는 가이드 블레이드의 베어링의 영역에서 바람직하지 않은 퇴적물(deposit)을 유발하며, 이에 따라 가이드 장치의 조절 디바이스의 고장을 유발할 수 있다.
이로부터 시작하여, 본 발명은, 배기 가스의 누출이 가이드 장치의 조절 가능한 가이드 블레이드의 베어링에서 발생되지 않게 할 수 있는, 새로운 유형의 터보과급기의 축류 터빈을 형성하려는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 터보과급기의 축류 터빈을 통해 달성된다. 터빈의 유입 하우징에 적어도 하나의 밀봉 공기 보어(sealing air bore)가 도입된다. 가이드 링에 둘레방향 밀봉 공기 홈(sealing air groove)이 도입된다. 유입 하우징에 도입되는 밀봉 공기 보어는 유입 하우징을 통해 연장되며, 가이드 링에 도입되는 밀봉 공기 홈 내로 개방되고, 가이드 링과 각각의 가이드 블레이드의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(guide blade swivel plate) 사이에서 밀봉 공기 홈으로부터의 밀봉 공기가 공급될 수 있는 분리 가능한 연결부의 영역에서의 밀봉 공기 압력은 상기 분리 가능한 연결부의 영역에서의 배기 가스 압력보다 크다. 밀봉 공기 보어를 통해 가이드 링의 밀봉 공기 홈의 영역에 도입될 수 있는 밀봉 공기에 의해, 가이드 링과 각각의 가이드 블레이드의 가이드 블레이드 스위블 플레이트 사이의 분리 가능한 연결부를 통한 배기 가스 누출은 방지될 수 있으며, 이에 따라 배기 가스 누출은 가이드 블레이드의 베어링에서 발생하지 않게 될 수 있다. 이에 따라, 가이드 블레이드의 베어링의 영역에서 바람직하지 않은 퇴적물이 형성되는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 가이드 장치의 조절 디바이스의 고장 위험이 줄어든다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 따르면, 각각의 가이드 블레이드의 가이드 블레이드 핀과 가이드 링 사이에 형성되는 각각의 가이드 블레이드의 베어링 표면에는 밀봉 공기 홈으로부터의 밀봉 공기가 공급될 수 있다. 마찬가지로, 베어링에 밀봉 공기를 공급하는 것은 특히 가이드 블레이드의 베어링의 냉각에 유리하다. 밀봉 공기 홈은 바람직하게는 가이드 링에 있는 구멍을 통해 상기 분리 가능한 연결부 및 베어링에 밀봉 공기를 공급한다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 따르면, 밀봉 공기 홈을 밀봉하기 위한 밀봉 요소가 가이드 링과 유입 하우징 사이에 배치된다. 이에 따라, 밀봉 공기 홈의 영역에서 적절하게 높은 밀봉 공기 압력이 유지될 수 있다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 따르면, 밀봉 공기 보어는 축류 터빈의 축 방향에 대해 그리고 축류 터빈의 반경 방향에 대해 비스듬하게 설정된다. 이에 따라, 터빈 유입 하우징의 특히 유리한 구성 실시예가 허용된다.
본 발명에 따른 터보과급기는 청구항 8에 한정되어 있다.
본 발명의 바람직한 추가적인 실시예는 종속 청구항 및 이하의 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명되지만, 이로써 한정되지는 않는다.
도 1은 터보과급기의 축류 터빈의 영역에서의 터보과급기를 취한 것이다.
도 2는 도 1의 상세도(II)이다.
도 3은 도 2의 상세도로부터 취한 것이다.
도 4는 다른 사시도로서, 도 3으로부터 취한 것이다.
도 5는 추가적인 사시도로서, 도 3 및 도 4로부터 취한 것이다.
도 6은 도 5의 상세도(IV)이다.
본 발명은 터보과급기의 축류 터빈 및 터보과급기에 관한 것이다.
도 1은 터보과급기의 축류 터빈(2)의 영역에서 취한 터보과급기(1)를 도시한 것이다. 축류 터빈(2)의, 터빈 유입 하우징(3), 디퓨저(22)를 갖춘 터빈 유출 하우징(4), 터빈 로터(5), 및 가이드 장치(6)가 도시되어 있다. 터보과급기(1)의 축류 터빈(2)에서 팽창되도록 되어 있는 배기 가스가 터빈 유입 하우징(3)을 통해 축류 터빈(2)에, 즉 터빈 로터(5)에 공급되며, 배기 가스의 흐름 방향에서 볼 때, 유입 하우징(3)의 하류에 그리고 터빈 로터(5)의 상류에 가이드 장치(6)가 배치된다.
터빈 로터(5)는 복수 개의 가동 블레이드(7)를 포함하며, 이러한 가동 블레이드는 터빈 로터(5)와 함께 회전한다. 축류 터빈(2), 즉 터빈 로터(5)를 통해 유동하는 배기 가스는 터빈 로터(5)의 영역에서 팽창되며, 이러한 과정에서 추출되는 에너지는, 도시되어 있지 않으며 샤프트(8)를 통해 터빈 로터(5)에 결합되는, 배기 가스 터보과급기(1)의 압축기의 압축기 로터를 구동시키는 데 이용된다. 체결 요소(10)를 통해 터빈 유출 하우징(4)에 결합되는 커버 링(cover ring; 9)은 외측에서 반경방향으로 터빈 로터(5)의 가동 블레이드(7)에 인접한다.
이미 설명된 바와 같이, 가이드 장치(6)가 터빈 로터(5)의 상류에 위치 설정되어, 터빈 로터(5)의 가동 블레이드(7)의 상류에 위치 설정되고, 이에 따라 터빈 유입 하우징(3)을 통해 터빈 로터(5)의 방향으로 안내되는 배기 가스는, 후속하여 배기 가스가 터빈 로터(5)의 가동 블레이드(7)를 통해 안내되기 전에 초기에 가이드 장치를 통해 유동한다. 가이드 장치(6)는 가이드 블레이드(11)를 포함하며, 각각의 가이드 블레이드(11)는 가이드 블레이드 리프(12), 가이드 블레이드 핀(13) 및 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14)를 포함한다.
가이드 블레이드(11)는, 가이드 블레이드(11)의 회전을 통해 가이드 장치(6)를 조절하기 위해 해당 가이드 블레이드 핀(13)을 통해 가이드 링(15) 내에 회전 가능하게 장착되는데, 가이드 링은 가이드 블레이드 캐리어로서 설명된다.
상세하게 도시되어 있지는 않지만 보통 조절 메커니즘 및 조절 디바이스를 포함하는, 가이드 장치(6)를 위한 조절 디바이스에 의해, 가이드 장치(6)의 가이드 블레이드(11)는 가이드 링(15) 내에서 회전하게 될 수 있다.
이에 따라, 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13) 사이에, 조절 가능한 가이드 장치(6)의 가이드 블레이드(11)를 위한 베어링(16)이 형성된다.
가이드 링(15)과 가이드 장치(6)의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이에, 분리 가능한 연결부(17)가 형성된다. 이러한 분리 가능한 연결부(17)를 통해, 배기 가스 누출분은 종래 기술에 따라 유동할 수 있다. 알려져 있는 축류 터빈에 있어서, 이러한 배기 가스 누출분은 가이드 블레이드(11)의 베어링(16)의 영역에 유입될 수 있는데, 이러한 배기 가스 누출분은 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13)과 가이드 링(15) 사이에 형성되어 베어링(16)의 영역에 퇴적될 수 있다. 이는 불리하다.
가이드 블레이드(11)의 베어링(16)의 영역에서의 이러한 퇴적을 방지하기 위해, 유입 하우징(3)에 적어도 하나의 밀봉 공기 보어(18; sealing air bore)가 도입된다. 바람직하게는, 터빈 유입 하우징(3)에서 둘레에 걸쳐 복수 개의 전술한 밀봉 공기 보어(18)가 도입된다. 가이드 링(15)에 둘레방향 밀봉 공기 홈(19; sealing air groove)이 도입된다. 유입 하우징(3)에 도입되는 밀봉 공기 보어(18)는 유입 하우징(3)을 통해 연장되며, 가이드 링(15)에 도입되는 밀봉 공기 홈(19) 내로 개방된다. 여기서, 밀봉 공기 홈(19)은, 가이드 링(15)에 있는 구멍(21)을 통해, 각각의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14)와 가이드 링(15) 사이에서 분리 가능한 연결부(17)와 연통되며, 이에 따라 밀봉 공기 홈(19)에 존재하는 밀봉 공기 압력을 통해, 가이드 링(15)과 각각의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이의 분리 가능한 연결부(17)에는 밀봉 공기가 공급될 수 있고, 밀봉 공기 홈(19)에서의 밀봉 공기 압력 및 각각의 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 밀봉 공기 압력은 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 배기 가스 압력보다 크다.
이에 따라, 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이의 분리 가능한 연결부(17)를 통해 유동할 수 있는, 종래 기술에 따른 배기 가스 누출은, 분리 가능한 연결부(17)에 밀봉 공기를 공급함으로써 방지된다. 이에 따라, 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13)과 가이드 링(15) 사이에서 베어링(16)의 영역에는 배기 가스가 유입될 수 없다.
밀봉 공기 홈(19)으로부터 시작하여, 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13) 사이의 베어링(16)에도 또한 밀봉 공기가 공급될 수 있으며, 그 결과로서 베어링이 냉각될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적을 위해서는, 적어도 하나의 밀봉 공기 보어(18), 바람직하게는 복수 개의 밀봉 공기 보어(18)가 터빈 유입 하우징(3)에 도입되는 것이 중요하다. 밀봉 공기 보어(18)는 가이드 링(15)에 도입되는 둘레방향 밀봉 공기 홈(19)과 연통하며, 한편으로는 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이의 분리 가능한 연결부(17)에 그리고 다른 한편으로는 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13) 사이의 베어링(16)에 밀봉 공기 홈으로부터 밀봉 공기가 공급될 수 있다.
이는 가이드 링(15)에 있는 구멍(21)을 통해 이루어지는데, 이 구멍은 압력측에서의 밀봉 공기 홈(19)을, 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이의 분리 가능한 연결부(17)에 그리고 가이드 링(15)과 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13) 사이의 베어링(16)에 결합시킨다. 이 때문에, 한편으로는 배기 가스 누출이 베어링(16)의 영역에 유입되는 것이 방지될 수 있는 반면, 다른 한편으로는 베어링(16)이 냉각된다. 따라서, 가이드 링(15)에서의 조절 가능한 가이드 블레이드(11)의 장착 실패에 대한 대응이 가능할 수 있다.
도 6에서 가장 명확한 바와 같이, 도시되지 않은 밀봉 요소를 위한 수용 홈(20)이, 터빈 유입 하우징(3)에 면하는 측에서 밀봉 공기 홈(19)에 이웃하는 가이드 링(15)에 도입된다. 수용 홈(20)에 위치 설정되는 이러한 밀봉 요소에 의해, 가이드 링(15)과 유입 하우징(3) 사이의 분리 가능한 연결부를 통한 밀봉 공기 누출이 방지되도록, 밀봉 공기 홈(19)이 밀봉될 수 있다.
밀봉 공기 보어(18)는 바람직하게는 축류 터빈(2)의 축 방향에 대해 그리고 또한 축류 터빈의 반경 방향에 대해 비스듬하게 설정된다. 바람직하게는, 각각의 밀봉 공기 보어(18)는 축류 터빈(2)의 축 방향과 15 도 내지 75 도 사이의 각도를 포함하며, 바람직하게는 30 도 내지 60 도의 각도를 포함한다. 이에 따라, 밀봉 공기 보어(18)는, 특히 바람직하게는 유입 하우징(3)에서 가이드 링(15)의 밀봉 공기 홈(19)의 영역 내로 가능한 멀리 안내될 수 있다.
밀봉 공기는, 어찌되었든 존재하는 과급 공기 시스템의 과급 공기 또는 별도의 압축 공기 시스템의 압축 공기일 수 있다.
1 : 터보과급기
2 : 축류 터빈
3 : 유입 하우징
4 : 유출 하우징
5 : 터빈 로터
6 : 가이드 장치
7 : 가동 블레이드
8 : 샤프트
9 : 커버링(covering)
10 : 체결 요소
11 : 가이드 블레이드
12 : 가이드 블레이드 리프
13 : 가이드 블레이드 핀
14 : 가이드 블레이드 스위블 플레이트
15 : 가이드 링
16 : 베어링
17 : 분리 가능한 연결부(separating joint)
18 : 밀봉 공기 보어
19 : 밀봉 공기 홈
20 : 수용 홈
21 : 구멍
22 : 디퓨저

Claims (8)

  1. 매체(medium)를 팽창시키기 위한, 터보과급기의 축류 터빈(2; axial turbine)으로서,
    가동 블레이드(7)를 포함하는 터빈 로터(5);
    팽창될 매체의 흐름 방향에서 볼 때 상기 가동 블레이드(7)의 상류에 위치 설정되는 조절 가능한 가이드 블레이드(11)를 포함하는 가이드 장치(6)로서, 각각의 가이드 블레이드(11)는 가이드 블레이드 리프(12; guide blade leaf), 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14; guide blade swivel plate); 가이드 링(15)에 장착되는 가이드 블레이드 핀(13)을 포함하는 것인 가이드 장치;
    팽창될 매체의 흐름 방향에서 볼 때 가이드 장치(6)의 상류에 위치 설정되는 유입 하우징(3)으로서, 유입 하우징을 통해 가이드 장치(6)의 가이드 블레이드(11)에 팽창될 매체가 공급될 수 있는 것인 유입 하우징
    을 구비하며,
    상기 유입 하우징(3)에 적어도 하나의 밀봉 공기 보어(18; sealing air bore)가 도입되고,
    상기 가이드 링(15)에 둘레방향 밀봉 공기 홈(19; sealing air groove)이 도입되며,
    유입 하우징(3)에 도입되는 밀봉 공기 보어(18)는 유입 하우징(3)을 통해 연장되고, 가이드 링(15)에 도입되는 밀봉 공기 홈(19) 내로 개방되며, 가이드 링(15)과 각각의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 스위블 플레이트(14) 사이에서 밀봉 공기 홈(19)으로부터 밀봉 공기가 공급될 수 있는 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 밀봉 공기 압력은 상기 분리 가능한 연결부(17)의 영역에서의 배기 가스 압력보다 큰 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 가이드 블레이드(11)의 가이드 블레이드 핀(13)과 가이드 링(15) 사이에 각각의 베어링(16)이 형성되고, 이 베어링에는 밀봉 공기 홈(19)으로부터 밀봉 공기가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉 공기 홈(19)은 가이드 링(15)에 있는 구멍(21)을 통해 분리 가능한 연결부(17) 및 베어링(16)과 연통하며, 상기 분리 가능한 연결부 및 상기 베어링에 밀봉 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유입 하우징(3)과 가이드 링(15) 사이에는, 밀봉 공기 홈(19)을 밀봉하기 위한 밀봉 요소가 배치되는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 밀봉 공기 홈(19)에 이웃한 가이드 링(15)은 밀봉 요소를 위한 수용 홈(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 밀봉 공기 보어는 축류 터빈의 축 방향에 대해 그리고 축류 터빈의 반경 방향에 대해 비스듬하게 설정되는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밀봉 공기 보어(18)는, 축류 터빈의 축 방향과 15 도 내지 75 도, 특히 30 도 내지 60 도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  8. 배기 가스를 팽창시키고 배기 가스의 팽창 중에 에너지를 추출하기 위한 축류 터빈(2), 그리고 이 축류 터빈(2)에서 추출된 에너지를 이용하여 과급 공기를 압축하기 위한 압축기를 갖춘 터보과급기로서, 축류 터빈(2)은 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따라 구성되는 것인 터보과급기.
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