KR20190028541A - 무급유 유정압 베어링을 구비한 터보차저 - Google Patents

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KR20190028541A
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KR1020197004853A
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알렉스 피네라
티모시 제이. 밀러
Original Assignee
플로리다 터빈 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

내연기관 엔진용 터보차저로서, 상기 터보차저는 컴프레서(11)로부터 공급된 압축공기에 의해 반경 방향 및 축 방향 모두에서 유정압 베어링들(15, 16)에 의해 지지되고, 별개의 부스트 컴프레서(17)에 의해 터보차저의 로터를 지지하기에 충분히 높은 압력으로 압력이 부스팅된다. 터보차저 유정압 베어링들(15, 16)은 와이어 메시 또는 분산형 마찰식 댐퍼들(33, 41)을 사용하여 댐핑된다.

Description

무급유 유정압 베어링을 구비한 터보차저
(미국 정부의 실시권)
본 발명은 미국 공군에 의해 수여된 계약번호 FA86500-14-M-2470에 의거하여 미국 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권한를 소유한다.
본 발명은 일반적으로 터보차저에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 기계적 댐퍼들을 갖는 무급유 유정압 베이링을 구비한 터보차저에 관한 것이다.
터보차저는 고온의 가스 배기를 구동력으로서 사용하여 엔진에 공급되는 공기를 압축시키는데 사용된다. 엔진 배기는 압축공기를 엔진에 공급하기 위해 컴프레서를 구동하는 터빈을 구동시킨다. 압축공기로 인해 엔진의 성능은 향상된다.
종래의 터보차저들은 베어링에 유동압 막(hydrodynamic film)을 제공하기 위해 유체의 점도에 따른 오일 윤활처리된 베이링들을 사용하는 샤프트 지지 시스템을 필요로 한다. 샤프트 상의 구성요소들은 통상적으로 샤프트의 일단에 장착된 컴프레서 로터 및 샤프트의 타단에 장착된 터빈 로터를 포함한다.
터보차저의 동작시, 상당한 반경 방향 및 축 방향의 힘은 반경 방향의 저널 베어링과 축 방향의 스러스트 베어링을 통해 하우징에 반응하는 컴프레서와 터빈에 의해 생성된다. 이는 통상적으로 열을 제거하고 구름 저항(rolling resistance)을 감소시키기 위해 가압된 오일의 윤활 시스템으로 달성될 수 있다. 터보차저의 경우, 윤활 시스템은 오일이 코킹(coking)되는 것을 방지하면서 베어링들에 충분한 압력을 가하기 위해 오일 냉각기 및 펌프를 필요로 한다. 유압이 손실되거나 오일이 내연기관(IC) 엔진으로부터 오염되는 경우, 윤활 또는 냉각의 손실로 인한 베어링 성능의 저하가 발생하여 터보차저 베이링 시스템의 파국 고장(catastrophic failure)을 초래한다. 일부 개선된 고온 터보차저들은 오일의 코킹을 방지하기 위해 베어링 하우징에 추가 냉각제 시스템을 채용하여 베어링과 베어링 유체의 온도를 더 낮춘다. 별개의 베어링 윤활 시스템은 무인항공기 또는 UAV로서의 이러한 항공기에 매우 중요한 중량을 항공기에 추가한다.
본 발명은 내연기관 엔진에 압축공기를 공급하는 터보차저를 유리하게 제공한다. 터보차저는 터빈에 의해 구동되는 컴프레서 및 유정압 베어링들에 의해 반경 방향 및 축 방향으로 지지되는 로터를 포함한다. 컴프레서로부터의 압축공기는 유정압 베어링들에 사용되는 압력을 증가시키는 부스트 컴프레서로 보내어진다. 부스트 컴프레서는 IC 엔진으로부터 또는 전기 모터와 같은 별개의 모터로부터 동력 인출 샤프트(power take-off shaft)에 의해 구동될 수 있다.
유정압 베어링들은 무급유이며 임의의 다른 유체를 갖지 않지만, 중량이 성능에 중요한 무인항공기(UAV)와 같은 경량 항공기에 사용하기 위한 터보차저의 전체 중량을 제한하고 고온에 노출시킬 수 있도록 컴프레서 및 부스트 컴프레서로부터의 압축공기를 사용한다.
유정압 베어링들은 오버헝(overhung) 컴프레서 및 터빈을 구비한 터보펌프의 중앙에 저널 베어링들을 포함한다. 기계식 또는 마찰식 댐퍼들이 진동의 감쇠를 제공하기 위해 저널 베어링들에 사용된다. 기계식 댐퍼들은 완전 후프형(full hoop) 댐퍼일 수 있거나 베어링 주변에 원주방향으로 이격된 세그먼트일 수 있다. 완전 후프 내 소형의 구형 부재들이 배열된 분산형 마찰식 댐퍼도 사용될 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해 및 이에 수반되는 이점들 및 특징들은 첨부도면들과 함께 고려되는 경우에 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 이해가 보다 수월할 것이다.
도 1은 본 발명의 무급유 유정압 베어링들을 구비한 터보차저의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 무급유 유정압 베어링들을 구비한 터보차저의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 무급유 베어링들 및 유정압 스러스트 베어링을 갖는 기계식 댐퍼들을 구비한 터보차저의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 무급유 베어링들 및 균형 피스톤을 갖는 기계식 댐퍼들을 구비한 터보차저의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 무급유 베어링들 및 분산형 마찰식 댐퍼들을 구비한 터보차저의 단면도를 도시한다.
도 6은 도 5의 터보차저 내 분산형 마찰식 댐퍼의 단면도를 도시한다.
도 7은 완전한 고리 형상을 갖는 마찰식 댐퍼들 중 하나의 측단면도를 도시한다.
도 8은 3개의 아크부가 하우징 주변에 배치된 마찰식 댐퍼의 제 2 실시형태를 도시한다.
도 9는 유정압 베어링들 및 균형 피스톤으로 유입되고 배출되는 흐름의 흐름도를 도시한다.
본 발명은 무급유 유정압 베어링 및 기계식 또는 분산형 마찰식 댐퍼들을 구비한 터보차저이다. 컴프레서의 배출 가스는 충분한 유정압의 부하 용량 및 베어링들의 댐핑을 달성하도록 부스트 컴프레서와 함께 유정압 베어링을 위한 동작 유체로서 사용된다. 본 발명은 종래의 터보차저들의 온도에 민감한 오일 윤활, 오일 냉각기, 오일 펌프 및 베어링 하우징 냉각 시스템들을 제거함으로써 신뢰성 및 내구성을 향상시킨다. 이는 샤프트를 유정압적으로 지지하기 위해 컴프레서로부터의 압축가스(공기)를 채용함으로써 달성된다. 시스템의 전체 전력소비를 감소시키기 위해, 베어링 공급 시스템은 터보차저 컴프레서에 의해 사전 부스팅되며, 이후에 악세사리 인출 샤프트(18)를 통해 엔진에서 직접 구동되거나 소형 전기모터(19)에 의해 구동되는 무급유 용적형 컴프레서를 사용하여 요구되는 동작 압력까지 부스팅된다. 다른 경우에 있어서, 전체 전력 드로우가 비교적 적어 내연기관(IC) 엔진 성능에 미치는 영향이 최소화된다.
도 1은 무급유 유정압 베어링들을 구비한 터보차저의 다이어그램도를 도시한다. 터보차저는 컴프레서(11) 및 통상의 로터(13)에 연결된 터빈(12)을 포함한다. 하나 이상의 반경 방향의 유정압 베어링들(15) 및 하나 이상의 축 방향의 유정압(또는 스러스트) 베어링들(16)은 로터(13)를 반경 방향 및 축 방향 모두에서 지지한다.
내연기관(IC) 엔진(14)으로부터의 고온의 배기가스는 공기를 압축하기 위해 로터(13)를 통해 컴프레서(11)를 구동하는 터빈(12)에 공급된다. 이후에, 압축공기는 엔진(14)으로 전달된다. 컴프레서(11)로부터의 압축공기의 일부가 추출되고, 부스트 컴프레서 유입구를 통해 부스트 컴프레서(17)에 공급되며, 압축공기는 유정압적으로 로터(13)를 지지하기에 충분한 양까지 압력을 증가시키는 부스트 컴프레서(17)에 공급된다. 부스트 컴프레서(17)의 배출구는 하나 이상의 유정압 베어링들(16)과 유체 연통된다.
부스트 컴프레서(17)는 악세서리 인출 샤프트(18), 엔진 내 압축 실린더를 통해 엔진(14)에 의해 직접 구동될 수 있거나, 전기 모터(19)와 같은 별개의 모터에 의해 구동될 수 있다.
유정압 유체 막 베어링들은 이들을 고속 터보차저 샤프트/로터 지지 시스템들에서 특히 유용하게 하는 다수의 이점들을 제공한다. 이러한 이점들에는 큰 하중을 지지하는 능력, 여기서 유정압 베어링 부하 용량은 유압이 작용하는 베어링 지면에 걸친 압력 강하의 함수이며; 표면이 접촉되지 않는 것에 의한 긴 수명(이론상 무한함), 및 정확한 위치 및 제어를 제공하는 매우 큰 강성 및 댐핑 계수를 포함한다.
터보차저 적용예에 대해 유정압 베어링 내 동작 유체로서 오일 대신에 압축공기를 사용하면 윤활 고장 모드들의 제거와 같은 이점들도 제공되며. 보다 높은 터빈 유입구 온도에서의 동작을 가능하게 한다. 또한, 오일이 과열되는 것을 방지하기 위해 요구되는 냉각 통로를 제거함으로써 베어링 하우징 내 열 응력을 감소시킨다. 희박 연소 내연기관 엔진들에서 동작 온도가 증가함에 따라, 터보차저의 로터를 지지하기 위해서는 보다 고온의 베어링들이 요구된다. UAV와 같은 소형 항공기는 지속적인 하이 G 턴 및 난기류에서의 동작들을 포함하는 기동으로부터 보다 높은 부하에 견딜 수 있는 베어링들을 필요로 한다. 또한, 유정압 베어링들은 내부 부품들이 베어링 리프트 오프(lift-off)가 발생한 후에 마찰되지 않기 때문에 개선된 코팅의 사용을 요구하지 않으므로, 세라믹을 포함하는 고온 재료들은 베어링 재료로서 사용될 수도 있다. 높은 고도의 터보차저의 적용예들에서 유정압 베어링의 핵심 이점은 모든 터보차저 동작 조건들에 대한 부하 용량을 최대화시키기 위해 작은 무급유 컴프레서의 유입구 압력을 사전 부스팅하도록 터보차저 컴프레서에 의해 제공되는 부스트 압력을 채용하는 능력이다. 베어링들은 IC 엔진의 점화 이전 또는 직후에 리프트 오프되어 전체 동작 범위에 걸쳐 마모가 없는 동작을 가능하게 한다.
유정압 베어링들에 의해 제공되는 다른 중요한 이점은 이들이 제공할 수 있는 정밀한 허용오차의 제어이다. 이는 특히 작은 직경의 슈리우드가 없는 컴프레서들과 터빈들이 누출을 감소시키기 위한 최소한의 여유 공간(반경 방향 및 축 방향 모두)을 필요로 하는 터보차저의 효율을 극대화하는데 특히 중요하다. 고도의 강성과 댐핑을 갖는 샤프트의 정밀한 제어는 유정압 베어링을 무인항공 시스템의 터보차저 적용에 적합하게 한다.
도 2는 도 1의 다이어그램도의 무급유 유정압 베어링들을 구비한 터보차저의 단면도를 도시한다. 터보차저는 컴프레서 유입구(21) 및 컴프레서 배출구(22), 터빈 유입구(23) 및 터빈 배출구(24), 하나 이상의 저널 베어링들(25), 스러스트 베어링(26), 회전 저널(27), 베어링 하우징(28), 베어링 급기용 끼움부(29), V-밴드(30) 및 밀폐 지면(31)을 포함한다. 터보차저는 중앙 하우징에 베어링들을 구비한 오버헝 컴프레서 및 터빈 요소들을 가지며, 베어링실을 밀폐하는 밀폐부를 갖는다. 스러스트 베어링(26)은 유정압 저널 베어링(25) 각각에 대해 대칭인 통풍구들을 제공하기 위해 샤프트 중앙에 위치된다. 도 2의 터보의 설계는 베어링실 구성요소들의 단순화를 제공한다. 베어링의 설계는 스러스트 베어링(26)의 중심 평면에 대해 완전히 대칭이므로, 그 자체를 유정압 베어링들을 구비하지 않은 기존 생산된 터보차저로 부품시장 업그레이드가 되는 부품 복제를 제공한다. 하나는 종래의 터보차저의 베어링 하우징을 도 2의 유정압 공기 베어링으로 대체할 수 있다.
도 3은 베어링 하우징(28)과 유정압 저널 베어링(25) 사이에 배치된 기계식 댐퍼(33)를 구비한 터보차저를 도시한다. 기계 마찰식 댐퍼들은 와이어 메시형이다. 유정압 스러스트 베어링(34)은 좌측에 위치되며, 축 방향의 마찰 멈춤부(35)는 우측에 위치된다.
도 4는 도 3의 터보차저와 유사하지만, 좌측에 균형 피스톤 캐비티(36)를 구비한 터보차저를 도시한다. 기계 마찰식 댐퍼들(33)은 도 3과 동일한 위치에 사용된다.
도 5에 있어서, 터보차저의 실시형태는 완전 후프 배열에 분산형 마찰식 댐퍼들을 사용한다. 이러한 마찰식 댐퍼들은 제한된 공간 내에서 서로 마찰됨으로써 댐핑되는 소형의 구형(spherical) 요소들이거나 세라믹 또는 금속 재료로 만들어진 볼들이다. 도 6은 밀폐부(42), 스냅 링 부재(43), 밀폐 또는 덮개판(44) 및 제한된 공간 내에서 마찰식 댐퍼들(41)을 압축시키기 위한 스프링(45)을 구비한 분산형 마찰식 댐퍼들(41) 중 하나의 상세도를 도시한다. 베어링 하우징(28)과 플로팅 저널 베어링(25) 사이에 여유 공간(47)이 형성된다. 저널(46)은 하우징(28) 내에 플로팅되어 있다. 분산형 마찰식 댐퍼들(41)은 베어링 저널이 플로팅되어 있는 동안에(베어링이 댐퍼들을 통해 지면에 지지됨) 베어링과 하우징 사이의 완전 후프 공간을 채우는 소형의 구형 부재들로 형성된다. 이러한 구형 부재들은 금속 또는 세라믹일 수 있고, 서로 마찰됨으로써 댐퍼 역할을 하여 감쇠 효과를 나타낸다. 분산형 마찰식 댐퍼들은 비압축성 유체처럼 작용하며 오일 스퀴즈 필름 댐퍼를 모방한다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시형태에 사용되는 2개의 마찰식 댐퍼들(33)은 각각 Metex Corporation(www.metexcorp.com)제의 충격 & 진동 방지장치와 같은 미세한 와이어 메시 편성물로부터 형성된 완전 360°고리형 마찰식 댐퍼이다. 도 7은 외면의 베어링 하우징과 내면의 저널 베어링(25) 사이에 고정된 완전 고리형 마찰식 댐퍼(33)의 측면도이다. 마찰식 댐퍼(33)는 도넛 형상이다. 도 8은 저널 베어링(25) 주변에 균등하게 이격된 3개의 아크부들(51)이 사용되는 마찰식 댐퍼의 제 2 실시형태를 도시한다.
도 9는 급기 및 통풍 시스템의 개략적인 흐름도이다. 고압의 기류가 끼움부(29)를 통해 중앙의 오리피스를 통해 유입된다. 이후에, 기류는 저널 베어링(25) 및 갭(47) 내 중앙의 캐비티 내로 유동한다. 필요에 따라, 기류 중 소량은 냉각제를 댐퍼들(41 또는 33)에 제공하기 위해 갭(47)을 통해 유동한다. 이후에 대다수의 기류는 베어링 저널(25)에서 기류의 절반이 컴프레서측 베어링으로 그리고 다른 절반은 터빈측 베어링으로 분리된다. 유정압 베어링에 양력을 제공한 후, 기류가 러너(27)와 러너(27) 내 일련의 오리피스들(60)을 통하는 샤프트(13) 사이의 캐비티(51)에 유입되는 경우에, 기류는 러너(27)와 베어링 저널(25) 사이에 형성된 저압의 캐비티(50) 내로 유정압 베어링들의 중심부를 빠져나간다. 캐비티(51)에 진입한 후, 기류는 러너(27) 내 일련의 오리피스들(61)을 통해 빠져나가며, 최종적으로 배기된 터빈의 유동 경로(24)로 배출된다. 이러한 공기는 터빈 로터(12) 후측에 냉각을 제공한다. 베어링 유동의 다른 절반은 캐비티(52)를 통해 빠져나가고 제어 오리피스들(62)을 통해 주변 압력으로 배출된다.
단방향의 스러스트 베어링(34) 또는 스러스트 피스톤(36)의 유동은 오리피스들(63)을 통해 중앙의 압력 끼움부(29)로부터 분리되어 캐비티(53)로 유입된다. 캐비티(53)는 스러스트 베어링 또는 스러스트 피스톤을 오리피스들(64)을 통해 스러스트 캐비티(54) 내로 제공한다. 소량은 캐비티(54)로부터 컴프레서 내로 누출되며, 대다수는 캐비티(52) 내로 누출되고 오리피스들(62)을 통해 배출된다.
본 발명이 본 명세서에 특별히 기재되고 도시된 내용에 한정되지 않는다는 점은 당업자가 이해할 것이다. 또한, 그 반대에 대해 상기에 언급되지 않는 한, 모든 첨부도면은 비율에 맞게 도시되지 않은 점을 이해해야 한다. 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 상기 교시에 비추어 다양한 수정 및 변경이 가능하며, 이는 하기의 청구범위들에 의해서만 한정된다.

Claims (13)

  1. 내연기관 엔진용 터보차저로서,
    상기 내연기관 엔진 내 연소를 위해 공기를 압축시키는 컴프레서;
    상기 내연기관 엔진으로부터 고온의 가스 배기를 이용하여 상기 컴프레서를 구동시키는 터빈;
    상기 터보차저의 상기 컴프레서와 상기 터빈 사이에 연결된 로터;
    상기 로터를 반경 방향으로 회전 가능하게 지지하기 위한 제 1 유정압 저널 베어링 및 제 2 유정압 저널 베어링;
    상기 제 1 유정압 저널 베어링과 베어링 하우징 사이에 배치된 제 1 진동 댐퍼 및 상기 제 2 유정압 저널 베어링과 상기 베어링 하우징 사이에 배치된 제 2 진동 댐퍼;
    상기 로터를 지지하기 위해 상기 컴프레서의 배출구에 연결된 유입구 및 상기 제 1 유정압 베어링과 상기 제 2 유정압 베어링에 연결된 배출구를 갖고, 상기 로터를 지지하기 위해 상기 컴프레서로부터의 압축공기의 압력을 더 높은 압력으로 증가시키는 부스트 컴프레서를 포함하는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는 상기 부스트 컴프레서로부터의 압축공기가 공급되는 유정압의 축 방향 스러스트 베어링을 포함하는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컴프레서는 상기 내연기관 엔진으로부터 동력 인출 샤프트에 의해 구동되는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컴프레서는 전기 모터에 의해 구동되는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컴프레서는 상기 내연기관 엔진 내 추가 압축 실린더인, 내연기관 엔진용 터보차저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 댐퍼 및 상기 제 2 진동 댐퍼 각각은 와이어 메시 댐퍼인, 내연기관 엔진용 터보차저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 댐퍼는 상기 제 1 유정압 저널 베어링과 상기 베어링 하우징 사이에 형성된 캐비티 내에 둘러싸여 있는 복수의 요소들을 포함하며;
    상기 제 2 진동 댐퍼는 상기 제 2 유정압 저널 베어링과 상기 베어링 하우징 사이에 형성된 캐비티 내에 둘러싸여 있는 복수의 요소들을 포함하는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 댐퍼 및 상기 제 2 진동 댐퍼 각각의 상기 복수의 요소들은 세라믹으로 구성된 세라믹 구형인, 내연기관 엔진용 터보차저.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 댐퍼 및 상기 제 2 진동 댐퍼 각각의 상기 복수의 요소들은 금속으로 구성된 금속 구형인, 내연기관 엔진용 터보차저.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 와이어 메시 댐퍼는 도넛형 댐퍼인, 내연기관 엔진용 터보차저.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 댐퍼는 상기 제 1 유정압 저널 베어링 주변에 원주 방향으로 배열된 다수의 세그먼트들을 포함하며,
    상기 제 2 진동 댐퍼는 상기 제 2 유정압 저널 베어링 주변에 원주 방향으로 배열된 다수의 세그먼트들을 포함하는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 와이어 메시 댐퍼는 상기 제 1 유정압 저널 베어링 및 상기 제 2 유정압 저널 베어링을 냉각시키는데에도 사용되는 냉각공기를 사용하여 냉각되는, 내연기관 엔진용 터보차저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유정압 저널 베어링 및 상기 제 2 유정압 저널 베어링에 사용되는 상기 압축공기는 상기 터빈 로터의 허브측을 냉각시키는데에도 사용되는, 내연기관 엔진용 터보차저.
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