KR20190088408A - 가스 터보 기관을 위한 파열 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 터빈 하우징(20) 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠(21)을 완전히 에워싸는 것인, 터빈 하우징(20)을 갖는, 가스 터보 기관을 위한, 특히 가스 레이디얼 터보 기관을 위한, 파열 보호 장치(1)에 관한 것으로, 파열 보호 장치(1)는, 터빈 휠(21)의 영역에서 터빈 하우징(20)을 파지하기 위해, 원주 방향으로 중심축(A)을 중심으로 환형으로 그리고 단면 방향으로 상자와 같이, 구성되고, 파열 보호 장치(1)는, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션(10, 11, 12)을 포함하며, 그리고 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 액시얼 벽 섹션(10) 및 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 레이디얼 벽 섹션(12)은, 이들 사이에 놓이는 중간 벽 섹션(11)을 통해 간접적으로 상호 연결되며, 그리고 축 방향으로 중간 벽 섹션(11)의 적어도 부분적 영역이 액시얼 벽 섹션(10) 및 레이디얼 벽 섹션(12)의 배향에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것인, 파열 보호 장치에 관한 것이다.

Description

가스 터보 기관을 위한 파열 보호 장치{BURST PROTECTION DEVICE FOR A GAS TURBO ENGINE}

본 발명은, 터빈 하우징 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠을 완전히 에워싸는 것인, 터빈 하우징을 갖는, 청구항 1의 전제부에 따른 가스 터보 기관을 위한 파열 보호 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 가스 터보 기관을 갖는 내연 기관에, 뿐만 아니라 그러한 파열 보호 장치를 갖는 가스 터보 기관에 관한 것이다.

또한 배기 가스 터보 차저(ATL)로 또는 구어체로 터보로 지칭되는, 터보 차저는, 연소 기관의 선택적 조립체이며, 그리고 성능 또는 효율을 증대시키도록 역할을 한다.

배기 가스 터보 차저는, 공유 샤프트에 의해 서로 연결되는, 압축기 및 터빈으로 구성된다. 연소 기관의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈은, 압축기를 위한 구동 에너지를 운반한다. 대부분의 경우에, 레이디얼 압축기들 및 구심 터빈들이, 터보 차저들을 위해 사용된다.

기본적 원리는, 흡입 시스템 내의 압력을 증가시키기 위해 그리고 그로 인해 과급되지 않는 엔진에 비해 실린더 내로 더 많은 외부 공기를 이송하기 위해, 엔진 배기 가스로부터의 에너지의 일부를 사용하는 것을 수반하고, 이는 효율의 증대로 이어진다. 결과적으로, 터보 차저들은, 배기 가스의 압력(축적 과급) 및 운동 에너지(펄스 과급)를 사용할 수 있다. 부가적인 인터쿨러가, 실린더 내에서 동일 온도에서 더 높은 작용 압력을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

개념적으로, 압축기 및 터빈은, 터빈을 위해 배기 가스를 안내하는 그리고 압축기를 위해 엔진의 흡기 공기를 운반하는 역할을 하는, 공기 전달 나선형 채널을 구비한다.

터보 과급 내연 기관의 배기 가스 터보 차저와 같은, 현재 공지된 고성능 터보 기관들은, 터보 차저의 회전 부품들의 기술적 고장의 발생 시 그들의 환경에 높은 위험을 초래한다. 특히 사람이 터보 기관의 바로 근처에 있을 수 있는 상황에서의 작동 도중에, 고장, 즉 파열의 경우에, 모든 부품이 신뢰할 수 있게 그리고 완전하게 수집될 수 있으며 그리고 어떤 사람도 다치게 하지 않는 것이, 보장되어야만 한다.

파편들이 터보 차저의 외측벽을 통해 관통하는 것을 방지하기 위해, 그리고 그에 따라 사람에 대한 어떤 위험한 상태 또는 인접한 기계 부품들에 대한 손상을 방지하기 위해, 터보 차저들은 과거에, 터빈 하우징 내의 터빈 러너 반경 방향 외측의 영역에서, 비교적 두꺼운 벽들을 갖도록 제공되었다. 그러나, 이러한 해법들은, 일련의 결점들과, 예를 들어, 그러한 터빈 하우징의 더 열악한 주조 가능성에 기인하는, 공동 형성의 위험 및 상당한 부가적 중량과, 연관된다. 부가적으로, 이러한 방식으로 두꺼워진 하우징은, 상이하게 가열되고, 이는, 열적 균열들을 생성할 수 있다.

고속으로 회전하는 기계들을 위한 파열 부품들의 운동 에너지를 감소시키기 위한 장치가, DE 42 23 496 A1로부터 공지된다. 이러한 장치는, 액시얼 터빈의 내부에 배열되며 그리고, 연성 재료로 이루어지는 개별적인 크럼플 존(crumple zone)이 그들 사이에 형성되는 것인, 여러 개의 상호 연결된 보호 링들로 구성된다. 그러나, 이러한 유형의 해법은, 그들의 레이디얼 가스 유입구가, 터빈의 레이디얼 영역에 임의의 파열 보호 장치가 배치되는 것을 허용하지 않기 때문에, 레이디얼 터빈을 위해 적절하지 않다.

단열 재료가 그 내부에서 철 플레이트 내로 도입되는, 그리고 터빈 하우징으로부터 이격되어 그리고 터빈 하우징의 나선형 부품에 체결되는, 복수층 파열 보호기가, 공개문헌 US 4,875,837 A로부터 공지된다. 그러나, 그 문헌에서 설명되는 파열 보호기에 대한 결점들은, 이러한 파열 보호기가 단지, 하우징의 나선형 부품의 120° 각도 구역만을 에워싸며, 그리고 그에 따라 부분적으로 개방된 설계를 갖는다는, 점이다.

터보 차저를 위한 레이디얼 터빈의 가스 유입 하우징의 외부에 제공되고, 나선형 시트 금속 케이스로서 설계되며, 그리고 여러 개의 스크류들에 의해 가스 유입 하우징과 탈착 가능하게 연결되는, 다른 파열 보호기가, DE 196 40 654 A1로부터 공지된다.

제조 비용을 감소시키기 위해 설계가 구조적으로 단순한 가운데, 단지 제한된 강도 및 강성을 가지며, 그리고 어떻게 이들이 작동 도중에 발생하는 고유 진동수에 대응하는지의 관점에서 또한 바람직하지 않게 거동하는, 만곡된 금속 시트들이, 파열 보호기로서 나선형 부품 둘레에 배열되는 해법들이, 또한 공지된다.

그에 따라, 본 발명의 목적은, 작동 도중에 발생하는 고유 진동수에 기인하는 불리한 영향들이 감소되도록, 상기한 결점들을 회피하는 것, 및 터보 차저들의 레이디얼 터빈들을 위한, 개선된, 제조가 용이한, 그리고 신뢰할 수 있는 파열 보호 장치를 제공하는 것, 그리고 그로 인해, 터보 차저들의 안전을 더욱 개선하는 것이다.

이러한 목적은, 청구항 제 1항에 따른 특징 조합에 의해 달성된다.

본 발명의 하나의 기본적 개념은, 터빈의 나선형 부분 둘레에 형성되며 그리고, 반경 방향으로 둘러싸는 방식으로 연장되는 여러 개의 섹션들로 구성되는, 구체적으로 형성된 구조를 구비하는 방식으로, 파열 보호 장치를 구성하는 것, 및 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 액시얼 섹션 및 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 레이디얼 섹션을, 이들 사이에 놓이는 경사진 중간 섹션으로서, 개별적으로 적어도 하나의 부분적 영역에서 액시얼 섹션 및 레이디얼 섹션의 배향에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것이 바람직한, 경사진 중간 섹션을 통해 상호 연결하는 것을 포함한다.

이러한 이유로, 본 발명은, 터빈 하우징 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠을 완전히 에워싸는 것인, 터빈 하우징을 갖는, 가스 터보 기관을 위한, 특히 가스 레이디얼 터보 기관을 위한, 파열 보호 장치로서, 파열 보호 장치는, 터빈 휠의 영역에서 터빈 하우징을 파지하기 위해, 원주 방향으로 중심축을 중심으로 환형으로 그리고 단면 방향으로 상자와 같이, 구성되고, 파열 보호 장치는, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션을 더 포함하며, 그리고 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 액시얼 벽 섹션 및 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 레이디얼 벽 섹션은, 이들 사이에 놓이는 중간 벽 섹션을 통해 간접적으로 상호 연결되며, 그리고 축 방향으로 중간 벽 섹션의 적어도 부분적 영역이 액시얼 벽 섹션 및 레이디얼 벽 섹션의 배향에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것인, 파열 보호 장치를 제공한다.

파열 보호 장치가 추가로, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션으로 일체형으로 구성되는 것이, 유리하다.

2개의 레이디얼 벽 섹션이, 반경 방향으로 연장되며 그리고 사이에 놓이는 개별적인 중간 벽 섹션을 통해 액시얼 벽 섹션과 간접적으로 연결되는 것이, 특히 바람직하다. 결과적으로, 파열 보호 장치는 바람직하게, 반경 방향으로 연장되는 2개의 레이디얼 벽 섹션을 구비하고, 이들 사이에 액시얼 벽 섹션이 위치하게 된다. (원주 방향에 대해 횡단하는 단면으로 주어지는) 파열 보호 장치를 통해 보이는 바와 같은 단면에서, 그 중심에 터빈 휠을 수용하는 것인, 터빈의 나선형 배기 가스 전달 채널을 수용하기 위한 내향으로 개방된 상자 형상을 생성한다.

본 발명의 바람직한 실시예가, 반경 방향으로 연장되는 2개의 레이디얼 벽 섹션이 각각, 액시얼 벽 섹션에 대해 대략 90°의 각도로 배향되며, 그리고 중간 벽 섹션들은, 자체의 축방향 연장에 대해 각도(α)만큼 액시얼 벽 섹션에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것을, 제공한다.

파열 보호 장치는, 높은 절연 내력을 갖는 하나 또는 여러 개의 시트 메탈 부품으로 일체형으로 구성되는 것이 더욱 유리하다.

본 발명의 다른 유리한 실시예가, 중간 벽 섹션들이, 축 방향에 대해, 30° 내지 60° 사이의, 바람직하게 40° 내지 50° 사이의, 그리고 특히 바람직하게 45°의 양의 각도 또는 음의 각도(α)로 배향되는, 본질적으로 하나의 방향으로 평평하게 연장되는 벽 섹션들로서 설계되는 것을, 제공한다. 어떤 경우든, (종래기술로부터 부분적으로 공지되는 바와 같이) 90°의 정도의 각도들은, 이러한 공간이, 파열 보호 장치의 다양한 특성들, 예를 들어, 강도, 진동 거동, 강성 등을 위해 바람직하지 않은 것으로 판명되었기 때문에, 바람직하지 않다.

본 발명의 다른 양태가, 터빈 하우징 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠을 구비하는 것인 터빈 하우징 및 터빈 하우징 둘레에 배열되는 이상에 설명되는 종류의 파열 보호 장치를 갖는, 가스 터보 기관에, 특히 가스 레이디얼 터보 기관에 관련된다.

바람직한 실시예가, 터빈 하우징은, 그의 하나의 측부가 배기 가스 급송기(exhaust gas feeder)를 구비하는 것인, 나선형 가스 전달 채널을 형성하며, 그리고 파열 보호 장치는 적어도 부분적으로 가스 전달 채널을 에워싸는 것을, 제공한다.

다른 유리한 실시예가, 파열 보호 장치의 액시얼 벽 섹션은, 나선형 가스 전달 채널의 중앙 부분적 섹션 위로 축 방향으로 연장되는 가운데, 액시얼 벽 섹션에 의해 커버되지 않는 전방 부분적 섹션 및 후방 부분적 섹션이, 경사진 배향을 갖는 중간 벽 섹션들에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 것을, 제공한다. 결과적으로, 파열 보호 장치는, 파열의 경우에 파열 파편(burst splitter)의 운동 에너지를 감소시키는데 바람직한 효과를 갖는, 작은 거리만큼 이격된, 가스 전달 채널의 그리고 그에 따라 터빈 하우징의, 표면 윤곽을 따라 안내될 수 있다.

제1 레이디얼 벽 섹션이 가스 전달 채널의 전방측 벽 섹션의 전방에 배열되고, 제2 레이디얼 벽 섹션이 가스 전달 채널의 후방측 벽 섹션의 후방에 배열되며, 그리고 전방 및 후방의 레이디얼 벽 섹션들은 각각, 경사지거나 또는 만곡되는 중간 벽 섹션들에 의해 액시얼 벽 섹션과 연결되는 것이, 유리하게 제공된다.

본 발명의 다른 양태에서, 이상에 설명된 바와 같은 가스 터보 기관을 갖는, 내연 기관과 관련된다.

본 발명의 다른 유리한 추가적 개선예들은, 종속 청구항들에서 특징지어지거나, 또는 도면들에 기초하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명과 함께, 이하에서 더욱 상세하게 제시될 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 파열 보호 장치의 제1 예시적 실시예이며, 그리고
도 2는 본 발명에 따른 파열 보호 장치의 대안적인 예시적 실시예이다.

본 발명은, 동일한 참조 부호들이 동일한 구조적 및/또는 기능적 특징부들을 지시하는, 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1 및 도 2는, 터보 차저(부분적 도면으로 도시됨)의 둘레에 장착되는, 조립 상태에서의 파열 보호 장치(1)의 개별적으로 대안적인 구성에 대한 2개의 예시적 실시예의 단면도를 도시한다.

터빈 하우징(20) 내에 회전 가능하게 배열되며 그리고 체결 수단(24)에 의해 터보 차저 축(23)에 체결되는, 터빈 휠(21)을 갖는 가스 터보 기관의 개별적인 터빈 하우징(20)이, 도시된다. 터빈 하우징(20)은, 그의 하나의 측부가 배기 가스 급송기(더 상세하게 도시되지 않음)를 구비하는 것인, 배기 가스를 전달하기 위한 나선형 가스 전달 채널(22)을 에워싼다.

2개의 실시예는 추가로, 가스 전달 채널(22)의 영역에서 나선형 터빈 하우징 둘레에 적어도 부분적으로 맞물리는, 파열 보호 장치(1)를 도시한다.

파열 보호 장치(1)는 여기서, 터빈 휠(21)의 상기한 영역에서 터빈 하우징(20)을 파지하도록 하기 위해, 원주 방향으로 환형으로 터보 차저 축(23)을 통한 중심축(A) 둘레로 연장되도록 그리고 단면 방향으로 상자와 같이, 성형된다.

도 1 및 도 2의 양자 모두의 실시예에서, 개별적인 파열 보호 장치(1)는, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션(10, 11, 12)으로 구성되는, 절연 시트 금속으로 일체형으로 형성되고, 축 방향으로 (즉, 터보 차저 축(23)의 방향으로) 연장되는 파열 보호 장치(1)의 개별적인 액시얼 벽 섹션(10)은, 터빈 하우징(20) 둘레에서 커버와 같이 연장된다. 개별적인 벽 섹션(10, 11, 12)은, 평평하게 연장되는 벽 섹션들로서 설계된다. 그러나, 중간 벽 섹션(11)은 또한, 더 얇은 곡선으로 도 1 상에 예시적으로 도시되는 바와 같이, 만곡된 섹션(11')과 같이 연장될 수 있다.

도 1에 따른 상측의 예시적 실시예에서, (즉, 축 방향에 대해 가로지르는) 반경 방향으로 연장되는 레이디얼 벽 섹션(12)이, 경사진 중간 벽 섹션(11)에 의해 액시얼 벽 섹션(10)과 간접적으로 연결된다.

도 2에 따른 하측의 예시적 실시예에서, 반경 방향으로 연장되는 2개의 레이디얼 벽 섹션(12)이 각각, 경사진 중간 벽 섹션(11)에 의해 액시얼 벽 섹션(10)과 간접적으로 연결된다.

중간 벽 섹션들(11)은, 자체의 축 방향 연장에 비교하여 약 55°의 각도(α)로, 액시얼 벽 섹션(10)에 대해 경사지게 된다. 좌측 또는 우측 각도(α)로 도 2에 지시되는 바와 같이, 각도는, 대안적으로 또한, 개별적으로, 30° 내지 60° 사이의, 바람직하게 40° 내지 50° 사이의, 그리고 특히 바람직하게 45° 각도의, 양의 또는 음의 각도(α)로 배향될 수 있다. 각도들은, 어떻게 파열 보호 장치(1)가 터빈 하우징(20)의 외측 윤곽을 따라 조절되어야 하는지에 의존하여, 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 중간 벽 섹션(11)의 형상은 또한, 특정 조절을 이루기 위해, 선형 형상 및 만곡된 형상의 조합일 수 있다.

도 2에 따른 실시예에서, 파열 보호 장치(1)의 액시얼 벽 섹션(10)은, 나선형 가스 전달 채널(22)의 중앙 부분적 섹션(22m) 위로 축 방향으로 연장되는 가운데, 액시얼 벽 섹션(10)에 의해 커버되지 않는 부분적 섹션들이, 경사진 배향을 갖는 중간 벽 섹션들(11)에 의해 적어도 부분적으로 커버된다. 제1(좌측) 레이디얼 벽 섹션(12)은, 가스 전달 채널(22)의 전방측 벽 섹션(22v)의 전방에 배열되며, 그리고 제2(우측) 레이디얼 벽 섹션(12)은 가스 전달 채널(22)의 후방측 벽 섹션(22h)의 후방에 배열되고, 전방 및 후방의 레이디얼 벽 섹션들(12)은 각각, 이상에 설명되는 바와 같은 경사진 중간 벽 섹션들(11)을 통해 액시얼 벽 섹션(10)과 연결된다.

본 발명은, 그의 구현에서, 이상에 지시되는 바람직한 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다. 대신에, 설명된 해법을 심지어 기본적으로 상이한 실시예들에서 사용하는, 복수의 변형예가, 고려될 수 있다.

Claims (11)

1. 터빈 하우징(20) 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠(21)을 완전히 에워싸는 것인, 터빈 하우징(20)을 갖는, 가스 터보 기관을 위한, 특히 가스 레이디얼 터보 기관을 위한, 파열 보호 장치(1)에 관한 것으로,
   상기 파열 보호 장치(1)는, 상기 터빈 휠(21)의 영역에서 상기 터빈 하우징(20)을 파지하기 위해, 원주 방향으로 중심축(A)을 중심으로 환형으로 그리고 단면 방향으로 상자와 같이, 구성되고, 상기 파열 보호 장치(1)는, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션(10, 11, 12)을 포함하며, 그리고 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 액시얼 벽 섹션(10) 및 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 레이디얼 벽 섹션(12)은, 이들 사이에 놓이는 중간 벽 섹션(11)을 통해 간접적으로 상호 연결되며, 그리고 축 방향으로 상기 중간 벽 섹션(11)의 적어도 부분적 영역이 상기 액시얼 벽 섹션(10) 및 상기 레이디얼 벽 섹션(12)의 배향에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것인, 파열 보호 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 파열 보호 장치(1)는, 원주 방향으로 나란하게 배열되는 여러 개의 벽 섹션(10, 11, 12)으로 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 파열 보호 장치(1)는, 반경 방향으로 연장되는 2개의 레이디얼 벽 섹션을 구비하고, 이들 사이에 상기 액시얼 벽 섹션(10)이 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   반경 방향으로 연장되는 상기 2개의 레이디얼 벽 섹션(12)은 각각, 상기 액시얼 벽 섹션(10)과 연결되며, 그리고 상기 중간 벽 섹션들(11)은, 자체의 축방향 연장에 대해 각도(α)만큼 상기 액시얼 벽 섹션(10)에 대해 경사지게 및/또는 만곡되게 연장되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파열 보호 장치(1)는, 하나 또는 여러 개의 시트 메탈 부품으로 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 벽 섹션들(11)은, 축 방향에 대해, 30° 내지 60° 사이의, 바람직하게 40° 내지 50° 사이의, 그리고 특히 바람직하게 45°의 양의 각도 또는 음의 각도(α)로 배향되는, 본질적으로 하나의 방향으로 평평하게 연장되는 벽 섹션들로서 설계되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치.
7. 가스 터보 기관, 특히 가스 레이디얼 터보 기관으로서,
   터빈 하우징(20) 내에 회전 가능하게 배열되는 터빈 휠(21)을 완전히 에워싸는 것인, 터빈 하우징(20), 뿐만 아니라 상기 터빈 하우징 둘레에 배열되는, 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 파열 보호 장치(1)를 갖는 것인, 가스 터보 기관.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 터빈 하우징(20)은, 그의 하나의 측부가 배기 가스 급송기를 구비하는 것인, 나선형 가스 전달 채널(22)을 형성하며, 그리고 상기 파열 보호 장치(1)는 적어도 부분적으로 상기 가스 전달 채널(22)을 에워싸는 것을 특징으로 하는 가스 터보 기관.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 파열 보호 장치(1)의 액시얼 벽 섹션(10)은, 상기 나선형 가스 전달 채널(22)의 중앙 부분적 섹션(22m) 위로 축 방향으로 연장되는 가운데, 상기 액시얼 벽 섹션(10)에 의해 커버되지 않는 부분적 섹션들이, 경사진 배향을 갖는 중간 벽 섹션들(11)에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 것을 특징으로 하는 가스 터보 기관.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    제1 레이디얼 벽 섹션(12)이 상기 가스 전달 채널(22)의 전방측 벽 섹션(22v)의 전방에 배열되고, 제2 레이디얼 벽 섹션(12)이 상기 가스 전달 채널(22v)의 후방측 벽 섹션(22h)의 후방에 배열되며, 그리고 전방 및 후방의 레이디얼 벽 섹션들(12)은, 경사지거나 또는 만곡되는 중간 벽 섹션들(11)에 의해 상기 액시얼 벽 섹션(10)과 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터보 기관.
11. 내연 기관으로서,
    제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 가스 터보 기관을 갖는 것인, 내연 기관.

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