KR20190059246A

KR20190059246A - 터빈 및 터보차저

Info

Publication number: KR20190059246A
Application number: KR1020180144480A
Authority: KR
Inventors: 슈테펜 브라운; 지리 클리마; 블라디미르 호르트; 토비아스 봐이스브로드; 베른트 하아스; 요하네스 니부르
Original assignee: 만 에너지 솔루션즈 에스이
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2019-05-30
Also published as: DE102017127628A1; CH714390B1; JP2019094899A; CN109812302A; CH714390A2; US10876427B2; US20190153898A1

Abstract

본 발명에 따른, 매체를 팽창하기 위한 터보차저용 터빈은, 터빈 로터와, 터빈 하우징을 포함하고, 터빈 로터의 블레이드의 반경방향 외측에 인접하여 이어져 있는 인서트 부재(13)를 구비하며, 인서트 부재(13)는 상류측 단부에 제1 플랜지(16)를 구비하고 하류측 단부에 제2 플랜지(17)를 구비하며, 제1 플랜지(16)와 제2 플랜지(17)의 사이에서 연장되는 중간 섹션(21)에서 인서트 부재(13)는 거의 일정한 두께(D)를 갖는 것이다.

Description

터빈 및 터보차저{TURBINE AND TURBOCHARGER}

본 발명은 터빈과 터빈을 구비하는 터보차저에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 알려진 터보차저(1)의 기본 구성을 보여준다.

터보차저(1)는 제1 매체를 팽창시키기 위한, 특히 내연기관의 배기 가스를 팽창시키기 위한 터빈(2)을 포함한다. 또한, 터보차저(1)는 제2 매체를, 특히 과급 공기를, 다시 말하자면 상기 제1 매체의 팽창 중에 터빈(2)에서 추출된 에너지를 이용하여, 압축시키기 위한 압축기(3)를 포함한다.

터빈(2)은 터빈 하우징(4)과 터빈 로터(5)를 포함한다. 압축기(3)는 압축기 하우징(6)과 압축기 로터(7)를 포함한다. 베어링 하우징(9)에 장착된 샤프트(8)를 통해, 압축기 로터(7)가 터빈 로터(5)에 연결되어 있고, 베어링 하우징(9)은 터빈 하우징(4)과 압축기 하우징(6)의 사이에 배치되어 있으며, 터빈 하우징(4)과 압축기 하우징(6) 양자 모두에 연결되어 있다. 또한, 도 1은 압축기측 소음기(10)를 도시한다.

터빈(2)의 터빈 하우징(4)은 유입 하우징(11)과 유출 하우징(12)을 포함한다. 터빈(2)의 구역에서 팽창될 제1 매체는, 유입 하우징(11)을 경유하여 터빈 로터(5)에 공급될 수 있다. 터빈 로터(5)의 구역에서 팽창된 제1 매체는, 유출 하우징(12)을 경유하여 또는 도시 생략된 배기관을 경유하여, 터빈을 떠나 흘러간다.

터빈 하우징(4)은 유입 하우징(11)과 유출 하우징(12) 이외에 인서트 부재(13)를 포함하는데, 상기 인서트 부재(13)는, 특히 유입 하우징(11)의 구역에서, 즉 터빈 로터(5)의 이동 블레이드(14)에 반경방향 외측에서 인접하여 터빈 로터(5)에 인접하게 이어져 있다. 터빈 하우징(4)은 노즐 링(15)을 더 포함한다. 노즐 링(15)은 또한 터빈 가이드 장치라고도 지칭된다.

작동 중에, 터빈(2)의 고장이 발생할 수 있다. 이 동안, 특히 파편이 터빈 로터(5)로부터 떨어져서 터빈 하우징(4)을 통과해 부딪칠 수 있다. 이는 회피되어야 한다. 이러한 이유로, 터보차저(1)의 터빈(2)에 파열 보호부, 예를 들어 하우징을 갖추는 것이, 실무를 통해 이미 알려져 있다.

예를 들어 보다 얇은 벽 두께를 갖는 하우징을 구현함으로써 비용 및 무게 이점을 실현하기 위해, 터빈-내부 수단을 통하여 파열 보호부를 향상시킬 필요가 있다.

이러한 점으로부터 시작하여, 본 발명은 신규 타입의 터빈 및 신규 타입의 터보차저의 창출이라고 하는 과제에 기초한 것이다. 이러한 과제는 청구항 1에 따른 터빈과 청구항 10에 따른 터보차저를 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 제1 플랜지와 제2 플랜지의 사이에서 연장되는 중간 섹션에서 또는 터빈의 구역에서, 상기 인서트 부재는 거의 일정한 두께를 갖는다.

터빈의 고장시, 본 발명에 따른 터빈의 인서트 부재는, 예를 들어 하우징 등과 같은, 격납 안전을 위한 다른 수단을 보다 용이하게 실시하면서, 비용 및 무게 이점을 실현하고 인접 구조의 부담을 덜어주는 것이 가능하도록, 한정된 방식으로 터빈 로터의 파편의 운동 에너지를 차단 및 제거하는 것을 허용한다.

인서트 부재의 중간 섹션의 두께는, 인서트 부재의 반경방향 내측의 유동-안내 벽과 인서트 부재의 반경방향 외벽 사이의 반경방향 거리로 한정되고, 거의 일정한 두께는, 중간 섹션의 평균 두께에 기초하여, 최대 ±10 % 변화한다. 중간 섹션의 평균 두께는 바람직하게는 인서트 부재의 피팅 직경의 3% 내지 9%에 상당하고, 피팅 직경은 인서트 부재의 제1 플랜지 상에 형성된 상기 터빈 하우징의 섹션에 대한 반경방향 접촉면에 의해 한정된다. 이를 통해, 터빈의 구역에 있어서의 격납 안전이, 다시 말하자면 비용 및 무게 감소를 조건으로, 특히 유익하게 제공될 수 있다.

본 발명의 더 바람직한 개선예는, 종속 청구항과 이하의 상세한 설명을 통해 확보된다. 도면을 통해 본 발명의 예시적인 실시형태를 보다 상세히 설명하지만, 이 도면에 제한되는 것은 아니다. 도면에서,

도 1은 종래 기술에 따른 터보차저의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 터빈 또는 본 발명에 따른 터보차저의 상세도이며,
도 3은 본 발명에 따른 터빈 또는 본 발명에 따른 터보차저의 다른 상세도이다.

본원에 제시된 발명은 터빈과 터보차저에 관한 것이다. 종래 기술에 따른 터빈과 터보차저의 기본적인 구조는 이미 도 1을 참조로 하여 설명하였다. 이하에서는, 본 발명에 따른 터빈과 본 발명에 따른 터보차저의 세부 사항으로서, 종래 기술과 구별짓는 세부 사항만을 설명할 것이다.

도 2와 도 3은 본 발명에 따른 터보차저의 터빈의 세부 사항을 도시하고, 도 1은 인서트 부재(13)의, 인접 노즐 링(15)의 및 터빈 하우징(4)의 인접 유입 하우징(11)의 구역에서 발췌하여 보여주는 도면이다.

인서트 부재(13)는 터빈 로터(5)의 이동 블레이드(14)에 반경방향 외측에서 연장되고, 터빈(2)의 유동 통로를 적어도 군데군데에서 획정한다.

인서트 부재(13)는 상류측 단부에서 제1 플랜지(16)를 포함하고 하류측 단부에서 제2 플랜지(17)를 포함한다.

제1 플랜지(16)에서 인서트 부재(13)는 터빈 하우징(4)의 유입 하우징(11)의 섹션(18)에 맞닿아 놓이게 되고, 이 제1 플랜지(16)에는 한편에서는 유입 하우징(11)의 섹션(18)에 대한 축방향 접촉면(16a)이 그리고 다른 한편에서는 반경방향 접촉면(16b)이 형성된다. 이 상류측 플랜지(16)의 구역에서 반경방향 접촉면(16b)은 인서트 부재(13)의 소위 피팅 직경(dP)을 한정한다.

반대편에 위치한 하류측 단부에는, 인서트 부재(13)의 제2 플랜지(17)가 형성되고, 이 제2 플랜지를 통해 인서트 부재(13)는 그 하류측 단부에서 터빈(2)의 유입 하우징(11)의 추가 섹션(19)과 상호 작용하며, 도 2에 따르면, 복수 개의 나사(20)는 플랜지를 형성하는 유입 하우징(11)의 상기 추가 섹션(19)과, 인서트 부재(13)의 제2 플랜지(17)에 걸쳐서 연장되고, 이들 나사는, 조이는 동안에 인서트 부재(13)의 상류측 단부에서 플랜지(16)를 유입 하우징(11)의 섹션(18)에 대해 압박하며, 즉 축방향 접촉면(16a)을 통해 축선 방향으로 압박한다.

인서트 부재(13)의 상류 단부의 제1 플랜지(16)와 하류 단부의 제2 플랜지(17)의 사이에, 인서트 부재(13)의 중간 섹션(13)이 형성되는데, 인서트 부재(13)의 상기 중간 섹션(21)은 거의 일정한 두께(D)에 의해 특징지어진다. 상기 두께(D)는 인서트 부재(13)의 반경방향 내측의 유동-안내 벽(13a)과 인서트 부재(13)의 반경방향 외벽(13b) 사이의 반경방향 거리로 한정된다.

인서트 부재(13)의 상기 중간 섹션(21)의 거의 일정한 두께(D)는, 중간 섹션(21)의 구역에서 두께(D)가, 중간 섹션(21)의 평균 두께에 기초하여, 최대 ±10 % 변화하고, 바람직하게는 최대 ±7 % 변화하며, 특히 바람직하게는 최대 ±5 % 변화한다는 것을 의미한다.

상기 거의 일정한 두께는, 중간 섹션(21)의 평균 두께에 기초하여, 특히 바람직하게는 최대 ±2 ㎜ 변화한다.

평균 두께는 중간 섹션의 축방향 연장선을 따라 있는 중간 섹션(21)의 모든 두께의 평균값에 의해 한정된다.

중간 섹션(21)의 평균 두께는 특히, 상기 피팅 직경(dP)의 3% 내지 9%에 상당하고, 바람직하게는 4% 내지 8%에 상당하며, 특히 바람직하게는 5% 내지 7%에 상당한다.

인서트 부재(13)는 바람직하게는, 이미 최종 윤곽으로 사전 캐스팅된 캐스팅 구성요소이다. 인서트 부재(13)의 기계 가공은 단지, 반경방향 내측의 유동-안내 벽(13a)의 구역에 제공되는데, 이 기계 가공은 바람직하게는 선삭으로 실시된다.

본 발명에 의하면, 터빈 로터(5)의 파편의 운동 에너지는 고장시 인서트 부재(13)에 의해 한정된 방식으로 제거될 수 있다. 이 때문에, 격납 안전을 위한 다른 수단이 보다 간단하게, 보다 용이하게, 그리고 보다 비용 효과적으로 구현될 수 있다. 또한, 인서트 부재(13)와 터빈 로터(5) 사이의 최적의 갭이 조정될 수 있다. 작동 중에, 열 팽창의 결과로서 인서트 부재(13)가 터빈 로터(5)를 향해 이동하여 상기 갭을 감소시킬 위험이 없다.

따라서, 상기 한정된 벽 두께를 통해, 터보차저의 열 특성이 향상된다. 작고 이에 따라 유연한 벽 두께로 함으로써, 열 팽창을 통해 구성요소에 걸리는 하중이 탄력적으로 유연한 변형을 통해 차단된다. 플랜지 베어링 하우징/터빈 유입 하우징 사이에서 플랜지에 보다 유리하게 하중이 걸리는 것과, 노즐 링과 인서트 부재를 통해 갭을 최적으로 보다 작게 함으로써 효율이 증가되는 것이 얻어진다.

본 발명의 또 다른 긍정적인 효과는, 벽 두께가 반경방향으로 한정될 뿐만 아니라 반경방향 구역 위의 전이 구역에서도 한정된다는 점에서, 플랜지 구역(플랜지 베어링 하우징-터빈 유입 하우징)의 분할이 방지된다는 것이다. 이 때문에, 상기 플랜지에 작용하는 힘은 한정된 범위로 유지된다.

1 : 터보차저 2 : 터빈
3 : 압축기 4 : 터빈 하우징
5 : 터빈 로터 6 : 압축기 하우징
7 : 압축기 로터 8 : 샤프트
9 : 베어링 하우징 10 : 소음기
11 : 유입 하우징 12 : 유출 하우징
13 : 인서트 부재 13a : 벽
13b : 벽 14 : 이동 블레이드
15 : 노즐 링 16 : 플랜지
16a : 접촉면 16b : 접촉면
17 : 플랜지 18 : 섹션
19 : 섹션 20 : 나사
21 : 섹션

Claims

매체를 팽창하기 위한 터보차저용 터빈으로서,
터빈 로터(5)와,
터빈 하우징(4)과,
터빈 로터(5)의 이동 블레이드(14)의 반경방향 외측에 인접하여 이어져 있는 인서트 부재(13)로서, 상류측 단부에 제1 플랜지(16)를 구비하고 하류측 단부에 제2 플랜지(17)
를 구비하는 것인 인서트 부재(13)를 포함하는 터보차저용 터빈에 있어서,
제1 플랜지(16)와 제2 플랜지(17)의 사이에서 연장되는 중간 섹션(21)에서 상기 인서트 부재(13)는 거의 일정한 두께(D)를 갖는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제1항에 있어서, 상기 두께(D)는 반경방향 내측의 유동-안내 벽(13a)과 반경방향 외벽(13b) 사이의 반경방향 거리로 한정되는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 플랜지(16)와 제2 플랜지(17) 사이의 거의 일정한 두께(D)는, 중간 섹션(21)의 평균 두께에 기초하여 최대 ±10% 변화하는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 플랜지(16)와 제2 플랜지(17) 사이의 거의 일정한 두께(D)는, 중간 섹션(21)의 평균 두께에 기초하여 최대 ±10 ㎜ 변화하는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제3항 또는 제4항에 있어서, 중간 섹션(21)의 평균 두께는 인서트 부재(13)의 피팅 직경(dP)의 3% 내지 9%에 상당하는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제5항에 있어서, 상기 평균 두께는 피팅 직경(dP)의 4% 내지 8%에 상당하는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제6항에 있어서, 상기 평균 두께는 피팅 직경(dP)의 5% 내지 7%에 상당하는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 피팅 직경(dP)은 인서트 부재(13)의 제1 플랜지(16) 상에 형성된 상기 터빈 하우징의 섹션(18)에 대한 반경방향 접촉면(16b)에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 인서트 부재(13)는, 터빈 하우징(4)의 유입 하우징(11)의 플랜지(19)와 인서트 부재(13)의 제2 플랜지(17)에 걸쳐서 연장되는 나사(20)를 통하여 인서트 부재(13)의 하류측 단부에서 유입 하우징(11)에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 터보차저용 터빈.
터보차저로서,
제1 매체를 팽창시키기 위한 터빈(2)과,
제2 매체를 압축시키기 위한 압축기(3)
를 포함하는 터보차저에 있어서,
터빈(2)은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.