KR20200130170A - 터보기계 - Google Patents

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KR20200130170A
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오스발트 뢰블라인
마티아스 슈트라우스
세바스티안 슈펭글러
보리스 타저
프랑크 그리스샤버
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

터보기계로서, 하우징(30), 하우징(30) - 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 적어도 2개의 하우징부(31, 32)를 포함함 - 에 수용되는 임펠러 를 포함하고, 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 하우징부들 중 제1 하우징부(31)는 연결 나사(34)를 위한 나사형 보어(35)를 포함하고. 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 하우징부들 중 제2 하우징부(32)는 연결 나사(34)를 위한 관통 보어(37)를 포함하며, 제2 하우징부(32)는 제1 페이스(39)에 의해 제1 하우징부(31)와 맞닿게 놓이고, 연결 나사(34)의 나사 헤드(41)는 제2 하우징부(32)의 대향하는 제2 페이스(40)와 맞닿게 놓이며, 제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 것보다 작은 단면적을 갖는 터보기계가 제공된다.

Description

터보기계{TURBO MACHINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 터보기계에 관한 것이다.
터보차저의 기본적인 구성은 여기에서 다루는 업계의 당업자에게 알려져 있다. 터보차저는 터빈을 포함하며, 터빈에서는 제1 매체가 팽창된다. 터보차저는 압축기를 더 포함하며, 압축기에서는 제1 매체의 팽창 중에 터빈에서 추출되는 에너지를 활용하여 제2 매체가 압축된다.
터보차저의 터빈은 터빈 하우징과 터빈 로터를 포함한다. 터보차저의 압축기는 압축기 하우징과 압축기 로터를 포함한다. 터빈의 터빈 하우징과 압축기의 압축기 하우징 사이에는 베어링 하우징이 위치 설정되고, 베어링 하우징은 일측부에서는 터빈 하우징에 연결되고 타측부에서는 압축기 하우징에 연결된다. 베어링 하우징에는, 터빈 로터를 압축기 로터에 커플링하는 샤프트가 장착된다.
터빈의 터빈 하우징, 압축기의 압축기 하우징 및/또는 베어링 하우징은 각각, 플랜지 연결부에 의해 서로 연결되는 다수의 하우징부로 구성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 플랜지 연결부를 통해 터빈 하우징은 베어링 하우징에 연결될 수 있고, 압축기 하우징은 베어링 하우징에 연결될 수 있으며, 이들 하우징 각각은 터보차저의 하우징부를 형성한다.
터보차저의 작동 중에는, 압축기 로터 또는 터빈 로터가 파손되고, 파손된 로터의 파편이 각각의 하우징을 관통하여, 주위로 들어갈 우려가 있다. 이것은 안정상의 이유로 회피되어야만 한다.
이에 따라, 각각의 플랜지 연결부가 고장나고, 로터의 파편이 주위로 들어갈 우려가 없도록 하우징의 하우징부들이 서로 연결되는 터보기계가 필요하다.
이것은 터보차저뿐만 아니라, 압축기, 가스 터빈, 배기가스 재순환 디바이스의 송출기 등과 같은 다른 터보기계를 위한 요건이다.
이것으로부터 시작하여, 본 발명은 신규한 타입의 터보기계를 형성하고자 하는 목적에 기초한다. 이 목적은 청구항 1에 따른 터보기계를 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 제2 페이스 상의 그리고 제2 페이스 상에 인접한 제2 하우징부의 관통 보어가 제1 페이스 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 것보다 작은 단면적을 갖는다.
특히 파손의 경우, 로터의 파편이 플랜지 연결부를 통해 서로 연결된 하우징부들 중 하나를 가격하고, 그 결과 로터의 파편의 운동 에너지로 인해, 플랜지 연결부를 통해 서로 연결된 하우징부들이 서로에 대해 이동 또는 변위될 때, 플랜지 연결부의 연결 나사가, 예컨대 굴곡 및/또는 전단 응력으로 인해 파손될 우려가 있다. 따라서, 파손의 경우에도 플랜지 연결부를 통해 서로 연결된 하우징부의 안전한 연결도 또한 이에 따라 보장되고, 그 결과 소위 터보기계의 격납 안정성(containment safety)이 개선된다.
제1의 유리한 양태에 따르면, 제2 하우징부의 관통 보어의 단면적은 그 크기가 제2 페이스에서 제1 페이스 방향으로 적어도 부분적으로 연속적으로, 특히 깔대기 형상이나 절두원추 형상으로 증가한다. 제2의 유리한 양태에 따르면, 제2 하우징부의 관통 보어의 단면적은 그 크기가 제2 페이스에 시작하여 제1 페이스 방향으로 계단식으로 증가한다. 상기 2개의 유리한 양태에 있어서, 터보기계의 격납 안정성이 증가될 수 있다. 제2 하우징부의 제1 페이스 방향으로, 제1 영역에서는 관통 보어의 단면적의 크기가 연속적으로 증가하고, 제2 영역에서는 관통 보어의 단면적이 계단식으로 증가하도록, 이들 2개의 유리한 양태를 서로 조합하는 것이 가능하다.
제2 페이스 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 제2 하우징부의 관통 보어는 원형 단면적을 포함한다. 제1 페이스 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 관통 보어는 원형이나 타원형 또는 긴 구멍 형상의 단면적을 갖는다. 이들 피쳐(feature)도 또한 터보기계의 격납 안정성을 증가시키는 기능을 한다.
제2 페이스 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 제2 하우징부의 관통 구멍의 부분은 제1 페이스 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 제2 하우징부의 관통 보어의 부분에 대해 동심으로 또는 편심되게 연장된다. 터보기계의 격납 안정성은 또한 이에 의해도 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 양태는 종속항 및 아래의 설명에서 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 의해 보다 상세히 설명되지만, 도면으로 제한되지 않는다.
도 1은 종래기술에 따른 터보기계로부터 이 터보기계의 플랜지 연결부 영역을 발췌한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 터보기계로부터 이 터보기계의 플랜지 연결부 영역을 발췌한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 제2 터보기계로부터 이 터보기계의 플랜지 연결부 영역을 발췌한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 제3 터보기계로부터 이 터보기계의 플랜지 연결부 영역을 발췌한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 다른 터보기계로부터 이 터보기계의 플랜지 연결부 영역을 발췌한 도면.
도 1은 종래기술에 따른 터보기계로부터, 서로 연결된 2개의 하우징부(11, 12)의 영역을 발췌한 도면이다. 2개의 하우징부(11, 12)는 다수의 연결 나사(14)를 포함하는 플랜지 연결부(13)를 통해 서로 연결된다. 종래 기술에 따르면, 플랜지 연결부(13)를 통해 서로 연결된 하우징부(11, 12)들 중 제1 하우징부(11)는 나사형 보어(15)를 포함하며, 이 보어는 각각의 연결 나사(13)의 나사형부(16)와 상호 작용한다. 플랜지 연결부(13)를 통해 서로 연결되는 하우징부(11, 12)들 중 제2 하우징부(12)는 연결 나사(14)의 관통 보어(17)를 포함하고, 연결 나사(14)의 비나사형부(18)는 이들 관통 보어(17)를 통해 연장된다.
연결 나사(14)를 위한 관통 보어(17)를 포함하는 제2 하우징부(12)는 제1 페이스(19)가 제1 구성요소(11)에 맞닿게 놓인다. 연결 나사(14)는 나사 헤드(21)가 제2 구성요소(12)의 대향하는 제2 페이스(20)에 맞닿게 놓인다.
특히 예컨대, 터보기계의 로터(도시하지 않음)가 파손된 경우, 로터의 파편이 플랜지 연결부(13)를 통해 연결된 하우징부(11, 12)들 중 어느 하나를 가격하고, 파편의 운동 에너지로 인해, 특히 도 1에 도시한 화살표 X 방향으로 서로 연결된 하우징부(11, 12)들 간의 상대 이동이 야기될 때, 플랜지 연결부(13)의 연결 나사(14)는 굴곡 및 전단 응력을 받고, 그 결과 연결 나사(14)가 전단되고, 이에 따라 손상될 우려가 있다. 이 경우, 파편은 이어서 주위로 들어갈 수 있지만, 이는 안전상의 이유로 회피되어야만 한다.
도 2는 본 발명에 따른 터보기계로부터, 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결된 하우징부(31, 32)를 포함하는 하우징(30)의 영역을 발췌한 도면이다. 여기에서, 플랜지 연결부(33)는 다수의 연결 나사(34)를 포함한다. 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결된 하우징부(31, 32)들 중 제1 하우징부(31)는 연결 나사(34)를 위한 나사형 보어(35)를 포함한다. 연결 나사(34)의 나사형부(36)가 나사형 보어(35) 내로 연장되거나, 나사형 보어와 맞물린다. 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 하우징부(31, 32) 중 제2 하우징부(32)는 연결 나사(34)를 위한 관통 보어(37)를 포함하고, 연결 나사(34)의 비나사형부(38)가 이들 관통 보어(37)를 통해 연장된다.
관통 보어(37)를 지닌 제2 하우징부(32)는 제1 페이스(39)에 의해 제1 구성요소(31)와 맞닿도록 놓이고, 연결 나사(34)는 그 나사 헤드(41)에 의해 제2 구성요소(32)의 대향하는 제2 페이스(40)와 맞닿도록 놓인다.
본 발명에 따른 터보기계에서, 제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 것보다 작은 단면적을 갖는다. 여기에서, 도 2의 예시적인 실시예에서는, 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)의 단면적은 그 크기가 제2 페이스(40)에서 시작하여 제1 페이스(39) 방향으로 계단식으로 증가하고, 이에 따라 관통 보어(37)의 2개 부분(37a, 37b)이 상이한 단면적을 갖도록 형성되지만, 상기 단면적은 상기 부분들의 부분 길이에 대해서는 일정하다. 여기에서, 관통 보어(37)의 2개 부분(37a, 37b)은 각각, 즉 제1 페이스 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 부분에서 그리고 제2 페이스 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 부분에서 원형 단면적을 갖는다. 그러나, 단면 원형인 관통 보어(37)의 이들 2개 부분(37a, 37b)은 서로에 대해 편심되게 위치 설정되어, 관통 보어(37)의 부분(37a, 37b)의 종방향 중심축은 이에 따라 서로 상하로 놓이는 것이 아니라 서로 평행하게 오프셋된다.
상기한 관통 보어(37)의 구성을 통해, 플랜지 연결부(33) 그리고 이에 따라 연결 나사(34)를 통해 서로 연결된 2개의 구성요소(31, 32) 사이의 인터페이스 영역에 보다 큰 단면적이 마련되고, 이것은 서로 연결된 2개의 구성요소(31, 32)의 서로에 대한 상대 이동을 더 크게 하며, 그 결과 연결 나사(34)의 전단 그리고 이에 따라 파손이 감소된다. 그러나, 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결된 구성요소(31, 32) 중 제2 구성요소(32)의 제2 페이스(40) 영역에서는, 나사 헤드(41)를 위한 적절히 큰 접촉 페이스가 마련된다.
관통 보어(37)의 2개 부분(37a, 37b)이 단면 원형이고 서로 편심되게 배향되는, 도 2에 도시한 예시적인 실시예와 달리, 단면 원형인 단면 영역을 지닌 2개 부분(37a, 37b)이 서로 동심으로 위치 설정되는 것도 또한 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 터보기계로부터 하우징(30)의 영역, 즉 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결된 2개의 하우징부(31, 32)의 연결 영역을 발췌한 도면이다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 도 3의 예시적인 실시예에 관해서, 도 2의 예시적인 실시예와 동일한 참조부호가 사용되고, 이하에서는 도 2의 예시적인 실시예와 상이한 도 3의 예시적인 실시예의 상세만을 설명하겠다. 나머지 상세 모두에 관해서, 도 3의 예시적인 실시예는 도 2의 예시적인 실시예에 대응하며, 따라서 도 2의 예시적인 실시예에 관한 설명을 참고한다.
도 3의 예시적인 실시예에서, 관통 보어(37)의 단면도 또한 제2 페이스(40)에서 시작하여 제2 구성요소(32)의 제1 페이스(39) 방향으로 계단식으로 확대되지만, 도 3에서 제1 페이스(39)에 인접한 관통 보어(37)의 제2 부분(37b)은 단면 원형으로 형성되는 것이 아니라, 타원형 또는 긴 구멍 형상 단면으로 형성된다. 이것은 특히 도 3의 단면 B-B를 따른 것이며, 도 3으로부터 도시한 관통 보어(37)의 부분(37b)의 긴 구멍 형상 구성을 볼 수 있다. 제2 구성요소(32)의 제2 페이스(40) 상에서 또는 제2 페이스에 인접한 부분에서, 각각의 관통 보어(37)의 부분(37a)은 원형 단면을 갖는다.
도 2와 대조적으로, 각각의 관통 보어(37)의 2개 부분(37a, 37b)은 도 3에서 서로 동심으로 배열되며, 이에 따라 부분(37a, 37b)들의 종방향 중심축이 일치한다. 도 3에 도시한 예시적인 실시예와 달리, 2개 부분(37a, 37b), 즉 단면 원형인 부분(37a)과 단면이 긴 구멍 형상인 부분(37b)은 서로에 대해 편심되게 위치 설정되는 것도 또한 가능하다.
이에 따라, 도 2 및 도 3의 예시적인 실시예 각각은, 제2 하우징 부분(32)의 관통 보어(37)의 단면적의 크기가 제2 페이스(40)에서 시작하여 제1 페이스 방향(39)으로 증가되는 관통 보어(37)의 구성을 보여주고, 도 4 및 도 5 각각은, 본 발명에 따른 터보기계로부터 각각의 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)가 그 단면적이 제2 구성요소의 제1 페이스(39) 방향으로 그리고 이에 따라 각각의 제1 하우징부(31) 방향으로 깔때기 형상이나 절두 원추 형상으로 증가하는 방식으로 형성되는, 하우징(30) 영역을 발췌한 도면을 보여준다.
여기에서, 도 4의 예시적인 실시예에서는, 그 단면적에 관하여 연속적으로 확대되는 관통 보어(37)가 그 전체 연장부에 걸쳐, 즉 제2 페이스(40) 상에서 그리고 제2 페이스에 인접한 부분에서, 뿐만 아니라 제1 페이스(39) 상에서 그리고 제1 페이스에 인접한 부분에서 원형 단면을 갖는 반면, 도 5에서는 관통 보어(37)가 제2 페이스(40) 상에서 그리고 제2 페이스에 인접한 부분에서만 원형 단면을 갖고, 제1 페이스(39)에 인접한 영역과 이들 2개의 페이스 사이에서는 각각 타원형 또는 긴 구멍 형상의 윤곽을 갖는다.
관통 보어(37)의 종방향 중심축을 기초로, 연속적인 단면 확대가 대칭으로 또는 비대칭으로 구현될 수 있다.
도 2 내지 도 4의 예시적인 실시예의 플랜지 연결부(33)에 있는 연결 나사(34)는 생크(shank), 특히 웨이스트형 생크를 지닌 나사, 스터드 나사 등일 수 있다.
10 : 하우징 11 : 하우징부
12 : 하우징부 13 : 플랜지 연결부
14 : 연결 나사 15 : 나사형 보어
16 : 나사형부 17 : 관통 보어
18 : 비나사형부 19 : 페이스
20 : 페이스 21 : 나사 헤드
30 : 하우징 31 : 하우징부
32 : 하우징부 33 : 플랜지 연결부
34 : 연결 나사 35 : 나사형 보어
36 : 나사형부 37 : 관통 보어
37a : 부분 37b : 부분
38 : 비나사형부 39 : 페이스
40 : 페이스 41 : 나사 헤드

Claims (9)

  1. 터보기계로서,
    하우징(30), 및
    하우징(30) - 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 적어도 2개의 하우징부(31, 32)를 포함함 - 에 수용되는 임펠러
    를 포함하고, 플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 하우징부들 중 제1 하우징부(31)는 연결 나사(34)를 위한 나사형 보어(35)를 포함하고.
    플랜지 연결부(33)를 통해 서로 연결되는 하우징부들 중 제2 하우징부(32)는 연결 나사(34)를 위한 관통 보어(37)를 포함하며,
    제2 하우징부(32)는 제1 페이스(39)에 의해 제1 하우징부(31)와 맞닿게 놓이고, 연결 나사(34)의 나사 헤드(41)는 제2 하우징부(32)의 대향하는 제2 페이스(40)와 맞닿게 놓이는 것인 터보기계에 있어서,
    제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스에 인접한 것보다 작은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  2. 제1항에 있어서, 제2 하우징부(32)에 있는 관통 보어(37)의 단면적은 크기에 있어서 제2 페이스(40)에서 제1 페이스(39) 방향으로 적어도 부분적으로 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  3. 제2항에 있어서, 관통 보어(37)의 단면적은 크기에 있어서 깔대기 형상 또는 절두원추 형상으로 증가하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 하우징부(32)에 있는 관통 보어(37)의 단면적은 크기에 있어서 제2 페이스(40)에서 시작하여 제1 페이스(39) 방향으로 계단식으로 증가하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스(40)에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 원형 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스(39)에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 원형 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스(39)에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)는 타원형 또는 긴 구멍 형상의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스(40)에 인접한, 제2 하우징부(32)에 있는 관통 보어(37)의 부분(37a)은 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스(39)에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)의 부분(37b)에 대해 동심으로 연장되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 페이스(40) 상의 그리고 제2 페이스(40)에 인접한, 제2 하우징부(32)에 있는 관통 보어(37)의 부분(37a)은 제1 페이스(39) 상의 그리고 제1 페이스(39)에 인접한 제2 하우징부(32)의 관통 보어(37)의 부분(37b)에 대해 편심되게 연장되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
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