KR20180120704A - 방사류 압축기의 디퓨저 - Google Patents

Abstract

방사류 압축기의 디퓨저의 덕트 단면은 디퓨저 섹션의 입구 영역에서 상당히 더 크다. 이는 실제 디퓨저 덕트의 상류에서의 유동에 이용할 수 있는 공간을 증대시키고, 그로 인해 빠른 감속과 압력의 빠른 증가를 가져온다. 따라서, 유동 속도는 압축기의 하류 부품들에서 감소되고 그에 따라 유동 손실이 감소된다.

Description

방사류 압축기의 디퓨저

본 발명은 터보기계 분야에 관한 것이다; 본 발명은 방사상 압축기의 디퓨저, 이러한 유형의 디퓨저를 갖는 방사상 압축기, 및 이러한 유형의 디퓨저를 갖는 방사상 압축기를 갖는 배기 가스 터보차저에 관한 것이다.

특히, 내연 기관의 과급을 위한 배기 가스 터보차저에는 방사상 압축기가 사용된다. 방사상 압축기의 압축기 임펠러는 유입되는 공기 유동에 회전 운동을 부여하고, 그 결과 외부로 방사상으로 증가하는 압력을 갖는 압력 장이 원심력의 결과로서 형성된다. 스파이럴 수집 공간 (스파이럴) 에서의 유동 속도를 낮게 유지하기 위해, 압축기 임펠러로부터의 공기 유동의 항상 비교적 높은 출구 속도는 디퓨저의 지연을 필요로 하며, 그 결과 벽 마찰 손실이 감소하고 압축기 스테이지 전체의 효율성이 향상된다.

여기서, 방사상 압축기의 디퓨저 (방사상 디퓨저라고도 함) 는 원칙적으로 평행 벽의 환상 공간으로서 구성된다. 상기 환상 공간은 압축기 임펠러 출구와 방사상으로 인접한다. 환상 공간은, 원칙적으로, 압축기의 샤프트의 회전 축선에 대해서 수직하게 또는 대략 수직하게 놓이는 두 개의 환상 플레이트들에 의해 경계가 정해진다.

또한, 디퓨저의 효율성은 원주를 따라 배치된 가이드 블레이드들 (유동 안내를 위한 프로파일드 블레이드들, 쐐기형 블레이드들 또는 원형 아치형 블레이드들) 을 갖는 스테이터를 추가함으로써 증가될 수 있다. 블레이드형 디퓨저의 일 예가 DE102008044505 에 개시되어 있다.

방사상 디퓨저의 중요한 파라미터는 2 개의 인접한 가이드 블레이드들 사이의 최협소 단면적 ("스로트"), 덕트 출구/덕트 입구 면적비 (AR) 및 덕트 길이와 입구 폭의 비율 (LWR) 이다.

디퓨저에서, 반경 r 이 증가함에 따라 영역 A 는 유동 방향으로 외측을 향해 방사상으로 증가한다 (A = 2*pi*r*b, b = 폭). 측벽 발산 (평행도로부터의 편향) 에 의해, 디퓨저 덕트는 블레이드들 사이에서 뿐만 아니라 측벽들의 방향으로 또한 넓어지고, 따라서 덕트 부분의 지연이 주로 증가될 수 있다. 이는 평행 벽 디퓨저와 비교하여 동일한 전체 길이의 경우에 보다 현저한 지연을 초래하고, 따라서 압축기 효율성의 추가적인 개선에 기여한다. 그러나, 과도한 지연의 경우에는 디퓨저에서 쉐딩하는 경계층으로 인한 유동 불안정성이 발생하기 때문에, 주어진 작동 지점에 대한 기하학적 변화에 의해 디퓨저에서 달성될 수 있는 지연 또는 압력 증가는 제한적이며, 이는 압축기 성능 곡선 범위, 즉 안정된 작동 범위에 부정적인 영향을 미친다.

본 발명의 목적은 큰 지연에도 불구하고 유동 불안정성이 존재하지 않는 방식으로 방사상 압축기의 디퓨저를 최적화하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이는 디퓨저 섹션의 입구 영역에서 유동이 통과하는 영역을 현저하게 증가시킴으로써 달성된다. 결과적으로, 실제 디퓨저 덕트의 상류에서의 유동에 이미 더 많은 공간이 주어지며, 이로 인해 조기 지연 및 그에 따른 압력 상승이 유발된다. 결과적으로, 유동의 속도는 상응하여 감소된 유동 손실을 갖는 압축기의 다음 부품들에서 감소된다. 또한, 현저한 지연은, 하프-블레이드형 디퓨저 영역 및 블레이드형 디퓨저 부분의 상류 공간에서의 관련된 명백한 압력 상승과 함께, 성능 곡선 범위에 긍정적인 영향을 미친다.

블레이드형 디퓨저의 입구 영역/블레이드형 디퓨저의 상류의 유동 단면에서의 현저한 증가는 측방향 디퓨저 벽 (평행 벽으로 됨 또는 발산을 가짐) 의 원주 리세스에 의해 수행된다. 상기 원주 리세스는 바람직하게는 측방향 디퓨저 벽의 터닝에 의해 생성된다. 그러나, 제조 기술의 관점에서의 더 큰 복잡성에 의해, 리세스를 포함하는 디퓨저 벽의 직접적인 1차 성형 또는 밀링에 의한 원주 리세스의 제조가 가능하다. 리세스는 2 개의 측벽들 상에 또는 측벽들 중의 하나의 측벽 상에만 놓일 수 있다. 이는 하나 이상의 단계에서 수행될 수 있다. 리세스는 또한 경사부 (ramp) 로서 구성될 수도 있다.

여기서, 리세스는 2 개의 인접한 블레이드들 사이의 최협소 단면 ("스로트") 과 임펠러 출구 사이의 영역에 놓인다.

스로트에서 이와 같이 얻어지는 영역은, 특히 편평한 디퓨저 블레이드 각도들의 경우에 불량한 흡입 손실의 감소와 함께 디퓨저 입구의 영역에서의 증가된 유동 지연을 허용한다. 스로트의 영역과 디퓨져 각도는 리세스에 의해 서로 독립적으로 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 매우 평평한 디퓨저 블레이드 각도들의 경우에 한정된 스로트 영역이 달성될 수 있으며, 이는 서지 한계에 가까운 감소된 손실을 갖는 양호한 유입 조건을 유발한다.

이하, 도면을 사용하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1 은 종래의 배기 가스 터보차저의 개략도를 도시하며, 블레이드형 방사상 디퓨저를 갖는 압축기측이 터빈측보다 더 상세하게 도시되어 있다.
도 2 는 하우징 벽에 슈라우드측 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이다.
도 3 은 하우징 벽에 허브측의 경사형 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이다.
도 4 는 하우징 벽의 양측에 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이다.
도 5 는 하우징 벽의 양측에 경사형 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이다.
도 6 은 하우징 벽의 양측에 다단 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이다.
도 7 은 하우징 벽에 리세스를 갖는, 본 발명에 따라 구성된 디퓨저의 압축기측의 상세도이, 리세스는 슈라우드측에서 경사형이고 허브측에서 다단형이다.

도 1 은 배기 가스 터보차저에 의해 과급될 내연 기관의 배기 가스가 가스 입구 (51) 를 통해 로딩되는 개략적으로 도시된 배기 가스 터빈 (50) 을 갖는 배기 가스 터보차저를 도시한다. 배기 가스 스트림에 포함된 에너지는 샤프트 (30) 를 통해 터빈의 임펠러에 연결된 압축기 임펠러를 구동하기 위해 터빈에서 회전 에너지로 변환된다. 압축기 임펠러는 허브 (10) 및 허브 상에 배열된 다수의 로터 블레이드 (11) 를 포함한다. 샤프트 (30) 는 베어링 하우징 (40) 내에 회전 가능하게 장착된다. 그 일부를 위한 압축기 임펠러는 베어링 하우징 (40) 에 인접한 압축기 하우징 (2) 내에 배치된다. 도시된 실시형태에서, 압축기 하우징은 외부 부품인 외부 압축기 하우징 (22) 및 삽입된 내부 부품인 내부 압축기 하우징 (20) 을 포함한다. 베어링 하우징의 벽부 및 압축기 임펠러의 허브와 함께, 압축기 하우징의 상이한 부품들은 압축될 공기 매스를 위한 유동 덕트를 한정한다. 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 압축될 공기는 축방향에 있어서 압축기 임펠러를 향해 공급된다. 압축기 임펠러의 로터 블레이드의 영역에서, 유동 덕트는 허브 (10) 및 내부 압축기 하우징 (20) 에 의해 경계가 정해진다. 이 섹션에서, 유동은 축방향으로부터 반경방향으로의 방향 전환을 경험한다. 이어서, 유동은 외부 압축기 하우징 내의 수집 공간 (24) 까지 압축기 임펠러의 출구로부터 유동 섹션 (23) 을 형성하는 디퓨저의 영역으로 들어간다. 수집 공간은 나선형 구성이며, 공기 유동은 내연 기관의 공기 입구 또는 인터쿨러의 방향으로 스파이럴의 넓은 단부에서 압축기를 떠난다.

디퓨저 영역은 환상의 면형 벽에 의해 양측에서 경계가 정해지는 실질적으로 환상 공동이다. 압축기 임펠러의 로터 블레이드의 관점에서, 사용되는 용어는 슈라우드측 (블레이드 팁측) 벽 섹션 (21) 및 허브측 벽 섹션 (41) 이다. 도시된 실시형태에서, 나선형 수집 공간 내로 개구까지 압축기 임펠러 출구로부터 연장되는 2 개의 벽 섹션들 (21 및 41) 은 도시된 샤프트 축선에 대하여 수직으로 연장된다. 선택적으로, 처음에 설명된 바와 같이, 슈라우드측 벽 영역 또는 허브측 벽 영역 또는 2 개의 벽 영역들은 엄밀히 방사상 방향과 다를 수 있으며, 이로 인해 약간의 발산 벽 코스가 발생할 수 있다.

처음에 설명된 바와 같이, 디퓨저 영역은 원주를 따라 배열된 다수의 가이드 블레이드들 (25) 을 갖는 블레이드형일 수 있다. 상기 가이드 블레이드들은 원칙적으로 유동 안내를 위한 프로파일형 블레이드, 쐐기형 블레이드 또는 원형 환형 블레이드로서 구성된다. 이들은 규칙적으로 또는 불규칙적으로 분포될 수 있고, 동일하거나 상이한 방사상 높이로 배치될 수 있으며, 동일하거나 상이한 형상의 구성일 수 있다. 각각의 경우에, 인접하게 배치된 2 개의 가이드 블레이드들 사이에 최협소 단면 (기술 용어에서는 스로트라고 불리움) 을 갖는 하나의 지점이 있다.

도 2 내지 도 7 은 유동 덕트 단면의 본 발명에 따른 증가를 갖는 디퓨저의 다른 실시형태를 도시한다. 도 2 및 도 3 은 일 측에 배치된 상이한 구성의 리 세스들을 도시하고, 도 4 내지 도 7 은 2 개의 측에 배치된 상이한 구성의 리세스들을 도시한다.

도 2 에 따른 실시형태에서, 디퓨저를 한정하는 벽 섹션 (41) 을 갖는 허브측 하우징 벽은 압축기 임펠러의 출구와 동일 평면에 있고, 그 결과 허브측에는 유동 단면의 확대가 수행되지 않는다. 그러나, 유동 단면의 상기 확대는 대향 슈라우드측에서 발견될 수 있다. 상기 제 1 실시형태에서, 리세스 (211) 는 하우징 벽에 대해서 약 90°의 각도로 진행하는 직각 단차로서 구성된다. 각도는 선택적으로 더 세밀할 수 있으며, 그 결과 리세스는 비스듬한 경사부의 형태로 나타난다.

도 3 에 따른 실시형태는 이러한 유형의 경사형 리세스를 갖는다. 그러나, 상기 실시형태에서, 단면의 일측 확대는 허브측에, 즉 베어링 하우징에 속하는 벽 섹션 (41) 에 배치된다. 압축기 임펠러의 출구에서의 유동 덕트 (231) 는, 유동 방향에 있어서 허브측 리세스 (402) 로 인해, 디퓨저의 가이드 블레이드들 (25) 의 영역에서 그리고 상류측에서 확대 단면의 유동 덕트 섹션 (232) 을 향하여 넓어진다. 각도는 선택적으로 최대 90°까지 덜 예리할 수도 있으며, 그 결과 리세스는 가파른 경사부 또는 심지어 직각 단차의 형태로 나타난다.

도 4 및 도 5 는 전술한 단면의 일측 확대를 양측에 구성한 것을 도시한다; 먼저 양측에 직각형 리세스 (211, 401) 가 있고, 그 다음에 양측에 경사형 리세스 (212, 402) 가 있다.

전술한 일측 또는 양측 리세스는 또한 각각의 경우에 방사상으로 이격된 복수의 부분 단차들로 구성될 수 있는데, 부분 단차들은 각각의 경우에 하우징 벽에 대해서 동일하거나 상이한 각도를 가지는 것이 가능하다. 도 6 은 다단 리세스 (213, 403) 를 갖는 대응하는 구성의 단면의 양측 확대를 도시한다.

마지막으로, 도 7 에 도시된 바와 같이, 다르게 구성된 양측 리세스들이 서로 조합될 수 있다. 허브측 다단 리세스 (403) 및 슈라우드측 경사형 리세스 (212) 의 도시된 조합은 여기서 단지 하나의 가능한 조합으로 이해되어야 한다. 모든 가능한 조합이 생각될 수 있으며, 다음의 청구범위에 의해 보호된다.

양측에 배치되고 단면을 넓히는 리세스의 경우, 이들은 동일한 방사상 높이에 배치될 수 있는데, 이는 유동 방향에 있어서 전체적으로 단면의 단일 확장을 가져온다. 대안으로서, 양측 리세스들은 상이한 방사상 높이에 배치될 수 있는데, 이는 서로를 따르는 단면의 2 개의 확장을 전체적으로 가져오거나, 또는 다단 또는 경사형 리세스들의 경우에는 더 큰 단면에 걸쳐 연속적으로 단면의 더 큰 확장을 가져온다.

도시된 실시형태들에서, 각각의 리세스들은 유동 방향에 있어서 가이드 블레이드들의 리딩 에지 (251) 의 상류에 명확하게 배치된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 단면에서의 확대는, 특히, 인접하게 배치된 2 개의 가이드 블레이드들 사이의 각각의 최협소 지점의 상류에서 수행될 때에 효과적이다. 이 경우, 리세스들은 인접하게 배치된 2 개의 가이드 블레이드들 사이의 최협소 지점 ("스로트") 지점의 방사상 높이보다 낮은 방사상 높이에 배치된다.

10 압축기 임펠러의 허브
11 압축기 임펠러의 로터 블레이드
2 압축기 하우징 (20-24 포함)
20 내부 압축기 하우징
21 환상 벽 섹션 (슈라우드측)
211 디퓨저 단면의 확대를 위한 리세스 (슈라우드측)
212 디퓨저 단면의 확대를 위한 경사 리세스 (슈라우드측)
213 디퓨저 단면의 확대를 위한 다단 리세스 (슈라우드측)
22 외부 압축기 하우징 (스파이럴 하우징)
23 디퓨저 영역의 유동 덕트
231 디퓨저 영역의 유동 덕트 섹션
232 디퓨저 영역의 확대 단면을 갖는 유동 덕트 섹션
24 외부 압축기 하우징의 수집 공간 (스파이럴)
25 디퓨저의 가이드 블레이드
251 가이드 블레이드의 리딩 에지
30 터보 차저의 샤프트
40 베어링 하우징
41 환상 벽 섹션 (허브측)
411 디퓨저 단면의 확대를 위한 리세스 (허브측)
412 디퓨저 단면의 확대를 위한 경사 리세스 (허브측)
413 디퓨저 단면의 확대를 위한 다단 리세스 (허브측)
50 터빈
51 가스 입구 (내연 기관으로부터 배기 가스를 공급)
52 가스 출구 (터빈으로부터 배기 파이프로 배기 가스를 배출)

Claims (11)

1. 2 개의 환형 벽 섹션들 (21, 41) 에 의해 경계가 정해지며 방사상 내부 입구 개구를 갖는 방사상 외향 개방 유동 덕트 (23) 를 포함하는 방사상 압축기의 디퓨저로서,
   상기 벽 섹션들 중의 적어도 하나의 환형 벽 섹션에서의 축방향으로의 원주 리세스로 인해, 상기 유동 덕트는 유동 방향에 있어서 상기 방사상 내부 입구 개구로부터 방사상 외측으로 진행하는 단면의 확대부 (232) 를 갖는, 방사상 압축기의 디퓨저.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 벽 섹션들 (21, 41) 사이에 배치된 복수의 가이드 블레이드들 (25) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
3. 제 2 항에 있어서,
   각각의 경우에 2 개의 인접한 가이드 블레이드들 사이에 하나의 최협소 지점이 형성되고, 적어도 하나의 상기 리세스는 축방향에 있어서 2 개의 인접한 가이드 블레이드들 사이의 최협소 지점의 방사상 높이보다 낮은 방사상 높이에 배치되고, 그럼으로써 상기 유동 덕트의 단면의 확대부가 유동 방향에 있어서 2 개의 인접한 가이드 블레이드들 사이의 최협소 지점의 상류에서 발생하는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 가이드 블레이드들 (25) 은 각각의 경우에 하나의 리딩 에지 (251) 를 갖고, 적어도 하나의 상기 리세스는 축방향에 있어서 상기 가이드 블레이드들의 리딩 에지들 (251) 의 방사상 높이보다 낮은 방사상 높이에 배치되고, 그럼으로써 상기 유동 덕트의 단면의 확대부가 유동 방향에 있어서 상기 가이드 블레이드들의 상류에서 발생하는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   2 개의 상기 벽 섹션들 중의 적어도 하나의 벽 섹션의 리세스는 각각의 벽 섹션에 대하여 45°내지 90°의 각도로 실시되는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   2 개의 상기 벽 섹션들 중의 적어도 하나의 벽 섹션의 리세스는 각각의 경우에 하나의 축방향 부분 리세스와 방사상으로 이격된 복수의 단차들로 실시되는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
7. 제 5 항에 있어서,
   2 개의 상기 벽 섹션들 중의 적어도 하나의 벽 섹션의 각각의 부분 리세스들은 각각의 벽 섹션에 대하여 45°내지 90°의 각도로 실시되는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   2 개의 상기 벽 섹션들에 리세스가 배치되고, 2 개의 상기 벽 섹션들의 리세스들은 동일한 방사상 높이에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   2 개의 상기 벽 섹션들에 리세스가 배치되고, 2 개의 상기 벽 섹션들의 리세스들은 상이한 방사상 높이에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방사상 압축기의 디퓨저.
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 디퓨저를 포함하는 방사상 압축기.
11. 제 9 항에 따른 방사상 압축기를 포함하는 배기 가스 터보차저.

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