KR20220104824A - 터빈 하우징을 센터링하기 위한 센터링 장치, 센터링 장치를 포함하는 터보 시스템, 및 터빈 하우징을 센터링하는 방법 - Google Patents

터빈 하우징을 센터링하기 위한 센터링 장치, 센터링 장치를 포함하는 터보 시스템, 및 터빈 하우징을 센터링하는 방법 Download PDF

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안드레아 바카
마티아스 리히너
안트예 헤르텔
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터보 시스템즈 스위츠랜드 엘티디.
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Abstract

터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축(33)에 대해 터빈 하우징(40)을 센터링하기 위한 센터링 장치(10)가 설명된다. 센터링 장치(10)는 외경(D1) 및 내경(D2)을 갖는 링 형상 본체(11)를 포함하며, D1/D2의 비는 ≤ 2이다. 추가로, 센터링 장치는(10)는 베어링 하우징(20) 상에 제공되는 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합하기 위해 링 형상 본체(11)의 측면(12) 상에 제공되는 2개 이상의 센터링 요소(16)를 포함한다. 2개 이상의 센터링 요소(16)는 2개 이상의 센터링 요소(16)와 각각의 상보적인 센터링 요소(21)의 결합 동안 링 형상 본체(11)의 반경방향 열 팽창을 허용하도록 구성된다. 또한, 이러한 센터링 장치를 포함하는 터보 시스템뿐만 아니라 터빈 하우징을 센터링하는 방법이 설명된다.

Description

터빈 하우징을 센터링하기 위한 센터링 장치, 센터링 장치를 포함하는 터보 시스템, 및 터빈 하우징을 센터링하는 방법
본 개시내용의 실시예는 터빈 하우징을 센터링하기 위한 중앙 장치에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용의 실시예는, 본 개시내용에서 설명된 바와 같은 센터링 장치를 갖는, 터보 시스템, 예를 들어 터보차저 또는 터보 컴파운드에 관한 것이다. 추가로, 본 개시내용의 실시예는, 특히 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치를 이용하는 것에 의해서, 터빈 하우징을 센터링하는 방법에 관한 것이다.
전형적인 터보 시스템은 터보차저 또는 터보 컴파운드이다. 오늘날, 내연 기관의 성능을 증가시키기 위해 배기 가스 터보차저가 널리 사용된다. 배기 가스 터보차저는 전형적으로 내연 기관의 배기관 내의 터빈 및 내연 기관의 상류에서 압축기를 갖는다. 내연 기관의 배기 가스는 터빈 내에서 팽창된다. 얻어진 일은 샤프트에 의해 압축기로 전달되고, 압축기는 내연 기관에 공급되는 공기를 압축한다. 내연 기관에서 연소 프로세스에 공급되는 공기를 압축하기 위해 배기 가스의 에너지를 사용함으로써, 내연 기관의 연소 프로세스 및 효율이 최적화될 수 있다. 터보 컴파운드 엔진은 배기 가스로부터 에너지를 회수하기 위해 터빈을 채용하는 왕복 엔진이다. 터보차저를 구동하기 위해 그 에너지를 사용하는 대신에, 에너지는 엔진에 의해 전달되는 총 파워를 증가시키기 위해 출력 샤프트로 보내진다.
전형적으로, 터보 시스템, 예를 들어, 터보차저 또는 터보 컴파운드는 터빈 하우징 내에 수납된 터빈, 특히 레이디얼 터빈을 포함한다. 터빈 하우징은 레이디얼 터빈의 중심축에 대해 센터링되어야 한다. 전형적으로, 터빈 하우징의 센터링은 예를 들어 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 제공되는 열 차폐부 또는 노즐 링 위에서 고온 가스 센터링에 의해 수행된다. 종래의 열 센터링 방법은 배기 가스로부터 열 센터링 요소, 예를 들어 열 차폐부로의 동등하게 빠른 열 전달이 보장될 수 없고, 그에 따라 과도 동작 조건에 있어서 터빈 휠과 터빈 케이싱 사이에 더 큰 간극이 요구된다는 문제점을 갖는다. 그러나, 터빈 휠과 터빈 케이싱 사이의 더 큰 간극은 터빈 효율에 악영향을 미친다.
따라서, 위의 관점에서, 터빈 하우징의 개선된 센터링을 제공할 필요성이 있다.
전술한 내용에 비추어 볼 때, 독립항에 따른, 터빈 하우징을 센터링하기 위한 센터링 장치, 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치를 포함하는 터보 시스템, 및 터빈 하우징을 센터링하는 방법이 제공된다. 추가 양태, 장점 및 특징은 종속항, 설명 및 첨부 도면으로부터 명백하다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축에 대해 터빈 하우징을 센터링시키기 위한 센터링 장치가 제공된다. 센터링 장치는 외경(D1)과 내경(D2)을 갖는 링 형상 본체를 포함하며, D1/D2의 비는 2 이하이다(D1/D2≤2). 추가로, 센터링 장치는 링 형상 본체의 측면 상에 제공되는 2개 이상의 센터링 요소를 포함한다. 2개 이상의 센터링 요소는 베어링 하우징 상에 제공되는 각각의 상보적인 센터링 요소와 결합하도록 구성된다. 2개 이상의 센터링 요소는 2개 이상의 센터링 요소와 각각의 상보적인 센터링 요소의 결합 동안 링 형상 본체의 반경방향 열 팽창을 허용하도록 구성된다.
따라서, 종래 기술에 비해서, 본 개시내용의 센터링 장치는 레이디얼 터빈의 중심축에 대한 터빈 하우징의 개선된 센터링을 제공한다. 특히, 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치의 실시예는, 과도 및 정상 동작에서 터빈 하우징의 센터링을 실현하는 것 그리고 터빈 휠과 터빈 하우징 사이의 최소 간극을 실현하는 것을 제공한다. 따라서, 종래 기술에 비해서, 터빈 효율은 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치를 채용함으로써 증가될 수 있다. 특히, 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치에 의해, 간극 감소 및 터빈 효율 이익이 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 개시내용의 추가 양태에 따르면, 터보 시스템이 제공된다. 터보 시스템은 베어링 하우징, 레이디얼 터빈의 터빈 하우징, 및 중심축을 따라 연장되는 샤프트를 포함한다. 샤프트는 베어링 하우징 내에 장착되고 터빈 휠이 샤프트 상에 배열된다. 또한, 터보 시스템은 터빈 휠의 상류의 터빈 하우징 내에 형성된 배기 가스 입구 통로를 포함한다. 추가로, 터보 시스템은 본원에서 설명된 실시예에 따른 센터링 장치를 포함한다. 베어링 하우징은 센터링 장치의 2개 이상의 센터링 요소와 상보적인 센터링 요소를 포함한다. 센터링 장치의 2개 이상의 센터링 요소는 베어링 하우징의 각각의 상보적인 센터링 요소와 결합된다. 2개 이상의 센터링 요소는 2개 이상의 센터링 요소와 각각의 상보적인 센터링 요소의 결합 동안 링 형상 본체의 반경방향 열 팽창을 허용하도록 구성된다.
따라서, 종래 기술에 비해서, 개선된 터보 시스템이 제공된다. 특히, 본원에서 설명된 바와 같은 터보 시스템의 실시예는, 터빈 휠과 터빈 하우징 사이의 최소화된 간극과 조합하여, 과도 및 정상 동작에서 터빈 하우징의 최적화된 센터링을 제공하고, 그에 따라 터보 시스템 효율이 개선될 수 있다.
본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축에 대해서 터빈 하우징을 센터링하는 방법이 제공된다. 방법은 본원에서 설명된 실시예에 따르면, 배기 가스로부터의 열을 센터링 장치로 전달하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 센터링 장치의 열 팽창을 통해 터빈 하우징을 센터링하는 단계를 포함한다.
따라서, 종래 기술에 비해서, 본원에서 설명된 바와 같은 방법의 실시예는, 터빈 휠과 터빈 하우징 사이의 간극이 최소화되고 터보 시스템 효율이 개선될 수 있도록, 과도 및 정상 동작에서 조합하여 터빈 하우징의 최적화된 센터링을 제공한다.
본 개시내용의 상술한 특징이 상세하게 이해될 수 있도록, 이상에서 간략히 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예를 참조하여 이루어질 수 있다. 첨부 도면은 본 개시내용의 실시예에 관한 것이며 이하에서 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 터빈 하우징을 센터링하기 위한 열 차폐부 및 레이디얼 터빈을 갖는 터보 시스템의 일부의 횡단면도를 도시한다.
도 2는 본원에서 설명된 실시예에 따른 센터링 장치의 개략적인 등각도를 도시한다.
도 3은 본원에서 설명된 실시예에 따른 센터링 장치의 센터링 요소에 대한 상보적인 센터링 요소를 포함하는 베어링 하우징의 개략적인 등각도를 도시한다.
도 4는 본원에서 설명된 실시예에 따른 센터링 장치를 포함하는 레이디얼 터빈을 갖는 터보 시스템의 일부의 횡단면을 도시한다.
이제 다양한 실시예를 상세하게 참조할 것이며, 이들 실시예의 하나 이상의 예가 각 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 설명을 위해 제공되며, 제한으로서 의미되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 설명된 특징은 임의의 다른 실시예에 사용되거나 임의의 다른 실시예와 조합하여 사용되어 추가 실시예를 산출할 수 있다. 본 개시내용이 이러한 수정예 및 변형예를 포함하는 것이 의도된다.
이하의 도면 설명에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 일반적으로, 개별 실시예에 대한 차이점만 설명한다. 달리 명시되지 않는 한, 일 실시예에서의 부분 또는 양태의 설명은 다른 실시예에서의 대응하는 부분 또는 양태에도 적용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 터빈 하우징(40)의 센터링을 위한 레이디얼 터빈(35) 및 열 차폐부(62)를 갖는 터보 시스템(100)의 횡단면도를 도시한다. 레이디얼 터빈(35)은 터빈 하우징(40), 베어링 하우징(20) 내에 장착되고 로터 블레이드(31)를 갖는 터빈 휠(30)이 제공되는 샤프트(34)를 포함한다. 추가로, 도 1은 터빈 하우징(40)과 베어링 하우징(20) 사이에 배열된 노즐 링(61) 및 열 차폐부(62)를 도시한다. 종래 기술에 따르면, 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 터빈 하우징의 고온 가스 센터링이 열 차폐부를 통해서 실시된다. 도 1에 도시된 차폐부는 저온 센터링 요소(63) 및 2개의 고온 센터링 요소(64)를 갖는다. 도 1로부터, 저온에서, 터빈 하우징(40)이 저온 센터링 요소(63)를 통해서 센터링되는 반면, 고온에서, 즉 열 차폐부(62)의 열 팽창 시에, 터빈 하우징이 고온 센터링 요소(64)를 통해서 센터링된다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 도 1로부터, 과도 동작 조건에서, 즉 터빈의 시동 중에, 센터링은 열 차폐부 전체에 걸친 불균일한 열 팽창으로 인해 최적이 아닐 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 도 1에 따른 종래 기술에 예시적으로 도시된 바와 같이, 통상적으로 노즐 링(61)과 열 차폐부(62) 사이에 공극(65)이 존재하며, 이는 고온 센터링을 실현하기 위해 배기 가스로부터 열 차폐부로의 열 전달에 유해할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 예시적으로 참조하여, 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축(33)에 대해서 터빈 하우징(40)을 센터링하기 위한 센터링 장치(10)가 설명된다. 본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 외경(D1) 및 내경(D2)을 갖는 링 형상 본체(11)를 포함한다. D1/D2의 비는 2 이하이다(D1/D2≤2). 특히, 링 형상 본체(11)의 내경(D2)은 전형적으로 중심 개구부(14)를 제공한다. 전형적으로, 과도 및 고온 동작 조건에서의 터빈 하우징의 센터링은 링 형상 본체의 외측 반경방향 쉘 표면을 통해, 즉 외경(D1)에서 실현된다.
전형적으로, 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치가 분리된 장치라는 것이 이해되어야 한다. 다시 말해서, 전형적으로 본원에서 설명된 바와 같은 센터링 장치는 베어링 하우징 또는 터빈 하우징의 일부가 아니다. 보다 구체적으로, 전형적으로 본원에서 설명된 실시예에 따른 센터링 장치는 베어링 하우징과 터빈 하우징의 일체형 부분이 아니라, 개별 장치이다.
추가로, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 센터링 장치(10)는 링 형상 본체(11)의 측면(12) 상에 제공된 2개 이상의 센터링 요소(16)를 포함한다. 전형적으로, 2개 이상의 센터링 요소(16)가 제공되는 링 형상 본체(11)의 측면(12)은 베어링 하우징 측부이다. 도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 베어링 하우징(20) 상에 제공된 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합하도록 구성된다.
또한, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 2개 이상의 센터링 요소(16)와 각각의 상보적인 센터링 요소(21)의 결합 동안 링 형상 본체(11)의 반경방향 열 팽창을 허용하도록 구성된다. 다시 말해서, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 센터링 장치(10)의 열 팽창 동안 2개 이상의 센터링 요소(16)와 상보적인 센터링 요소(21) 사이의 접촉이 보장되도록 구성된다. 보다 구체적으로, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 링 형상 본체(11)의 반경방향 열 팽창 동안 상보적인 센터링 요소(21)에 대한 2개 이상의 센터링 요소(16)의 안내 이동이 제공되도록 구성된다.
따라서, 예를 들어 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이, 터보 시스템에 센터링 장치(10)를 채용함으로써, 특히 과도 및 정상 동작 조건에서 터빈 하우징의 개선된 센터링이 제공될 수 있다. 그 결과, 터빈 휠 블레이드(31)와 터빈 하우징(40) 사이의 간극(R)이 감소될 수 있어, 터빈 효율이 향상될 수 있게 된다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 제1 평면형 안내 표면(17)을 갖는다. 각각의 상보적인 센터링 요소(21)는 도 2 및 도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이 상보적인 제2 평면 안내 표면(18)을 갖는다. 특히, 제1 평면형 안내 표면(17) 및 제2 평면형 안내 표면(18)은 링 형상 본체(11)의 열 팽창, 특히 반경방향 열 팽창 동안 각각의 상보적인 센터링 요소(21)에 대한 2개 이상의 센터링 요소(16)의 상대 이동을 안내하도록 구성된다.
예를 들어, 본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 2개 이상의 센터링 요소(16)의 제1 평면형 안내 표면(17)의 대향 표면은 서로 평행할 수 있다. 대안적으로, 2개 이상의 센터링 요소(16)의 제1 평면형 안내 표면(17)은 서로에 대해 경사질 수 있다. 특히, 제1 평면 안내 표면(17)은 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 링 형상 본체(11)의 내경의 중심(C)을 향해 경사질 수 있다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 예에 따르면, 제1 평면형 안내 표면(17)은 안내 요소(16)의 대향 측부 상에 배열되고, 제1 평면형 안내 표면(17) 중 하나는 링 형상 본체(11)의 시계방향 원주 방향으로 지향된 제1 표면 법선(N1)을 갖고, 제1 평면형 안내 표면(17) 중 다른 하나는 링 형상 본체(11)의 반시계방향 원주 방향으로 지향된 제2 표면 법선(N2)을 갖는다.
따라서, 도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이, 각각의 상보적인 센터링 요소(21) 중 하나 이상의 상보적인 제2 평면형 안내 표면(18)의 대향 표면은 센터링 장치의 링 형상 본체(11)의 열 팽창 동안 각각의 상보적인 센터링 요소(21)에 대한 2개 이상의 센터링 요소(16)의 상대 이동이 실현될 수 있도록 서로 평행하거나 또는 서로에 대해 경사질 수 있다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 대안적인 예에 따르면, 2개 이상의 센터링 요소(16) 중 하나 이상은 둥근 형상(명시적으로 도시되지 않음)을 가질 수 있다. 특히, 2개 이상의 센터링 요소(16) 중 하나 이상은 링 형상 본체(11)의 측면(12)으로부터 연장되는 원통형 형상(예를 들어, 원형 베이스, 달걀 형상 베이스 또는 타원형 베이스를 가짐)을 가질 수 있다. 따라서, 평면형 안내 표면(18)을 갖는 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합하는 둥근 형상의, 특히 원통형 형상의 센터링 요소(16)는 센터링 요소(16)와 각각의 상보적인 센터링 요소(21) 사이에 2개의 대향하여 배열된 접촉점, 특히 접촉 라인을 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 링 형상 본체의 열 팽창 동안 각각의 상보적인 센터링 요소(21)에 대한 2개 이상의 센터링 요소(16)의 상대 이동은 또한 센터링 장치(10)의 둥근 형상 또는 원통형 형상의 센터링 요소(16)로 실현될 수 있다. 본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 노치 및/또는 캠이다. 대응적으로, 각각의 2개 이상의 상보적인 센터링 요소(21)는 캠 및/또는 노치이다. 다시 말해서, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 하나 이상의 노치 및 하나 이상의 캠, 2개 이상의 노치, 또는 2개 이상의 캠을 포함할 수 있다. 각각의 상보적인 센터링 요소(21)는 대응적으로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 각각의 상보적인 센터링 요소(21)는 하나 이상의 캠 및 하나 이상의 노치, 2개 이상의 캠, 또는 2개 이상의 노치를 포함할 수 있다. 도 2는 2개 이상의 센터링 요소(16)가 3개의 노치인 예를 도시한다. 도 3은 각각의 상보적인 센터링 요소(21)가 3개의 캠인 예를 도시한다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 노즐 링에 연결되거나 노즐 링의 일부이다. 특히, 센터링 장치(10)는 용접 연결부, 납땜 연결부, 및 하나 이상의 체결구 중 적어도 하나를 통해 노즐 링에 연결될 수 있다. 대안적으로, 센터링 장치(10)는 노즐 링의 일체형 부분이다. 예를 들어, 센터링 장치 및 노즐 링은 단일 주조된 또는 기계 가공된 요소로 제조될 수도 있다.
도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 안내 베인(15)이 링 형상 본체(11)의 터빈 측부(13) 상의 중심 개구부(14) 주위에서 원주방향으로 제공될 수 있다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 일 예에 따르면, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 히트 시트(50)의 고정 요소(51), 특히 러그를 수용하기 위한 수용부(19)를 갖는 적어도 하나의 캠을 포함한다. 따라서, 유리하게는 2개 이상의 센터링 요소(16)는 이중 기능, 즉 한편으로는 센터링 및 다른 한편으로는 히트 시트의 고정을 제공하도록 구성될 수도 있다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 2개 이상의 안내 요소(16)는 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 중심 개구부(14) 주위에서 원주 방향으로 동일하게 이격된다. 대안적으로, 2개 이상의 안내 요소(16)는 중심 개구부(14) (명시적으로 도시되지 않음) 주위에서 원주 방향으로 불규칙하게 이격될 수 있다.
도 4를 예시적으로 참조하여, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 터보 시스템이 설명된다. 터보 시스템은 베어링 하우징(20), 레이디얼 터빈의 터빈 하우징(40), 중심축(33)을 따라 연장하는 샤프트(34)를 포함한다. 샤프트는 베어링 하우징(20) 내에 장착되고, 터빈 휠(30)은 샤프트 상에 배열되거나 그에 장착된다. 전형적으로, 샤프트(34)는 본원에 설명된 바와 같이 센터링 장치(10)의 중심 개구부(14)를 통해 연장된다. 터보 시스템은 터빈 휠(30)의 상류의 터빈 하우징(40) 내에 형성되는 배기 가스 입구 통로(41)를 포함한다. 추가로, 터보 시스템은 본원에서 설명된 실시예 중 임의의 실시예에 따른 센터링 장치(10)를 포함한다. 베어링 하우징(20)은 센터링 장치(10)의 2개 이상의 센터링 요소(16)와 상보적인 센터링 요소(21)를 포함한다. 2개 이상의 센터링 요소(16)는 베어링 하우징(20) 상에 제공된 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합한다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 터보 시스템의 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 특히 용접 연결부, 납땜 연결부, 및 하나 이상의 체결구 중 적어도 하나를 통해 노즐 링에 연결된다. 대안적으로, 센터링 장치(10)는 노즐 링의 일체형 부분이다. 노즐 링은 도 2 및 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이 베인(15)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 안내 베인(15)은 베어링 하우징 측부(12)에 제공되는 제1 링 형상 시트 요소(111)와 터빈 하우징 측부(13)에 제공되는 제2 링 형상 시트 요소(112) 사이에 제공될 수 있다. 또한, 제2 링 형상 시트 요소(112)는 밀봉 링(113)에 연결될 수 있다.
대안적으로, 노즐 링은 베인리스(vaneless)(명시적으로 도시되지 않음)일 수 있다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 터빈 하우징(40)의 재료 및/또는 베어링 하우징(20)의 재료보다 높은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 제조된다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 노즐 링의 재료와 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 제조된다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 터보 시스템의 실시예에 따르면, 센터링 장치(10)는 베어링 하우징(20)과 터빈 하우징(40) 사이에 배열된다. 센터링 장치(10)는 터보 시스템의 작동 중에 배기 가스로부터의 열이 센터링 장치(10)에 전달되고 배기 가스로부터 센터링 장치로의 열 유량이 연속 함수가 되도록 배열 및 구성된다. 열 유량은 ΔQ/Δt=-κ·A·ΔT/Δx이고, 여기에서 ΔQ는 순 열 (에너지) 전달이고, Δt는 소요되는 시간이고, ΔT는 저온측과 고온측 사이의 온도 차이이고, Δx는 열을 전도하는 재료의 두께(고온측과 저온측 사이의 거리)이고, κ는 열 전도도이고, A는 열을 방출하는 표면의 표면적이다. 따라서, 열 유량은 열 전도도(κ)가 열 유동의 경로 상에서 연속적이거나 일정하기만 하면 연속 함수이다.
다시 말해서, 본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 배기 가스로부터 센터링 장치로의 열 유동 경로를 따른 열 전도도의 급격한 변화가 없도록, 센터링 장치가 본원에서 설명된 바와 같은 터보 시스템 내에 구성되고 배열된다. 예를 들어, 도 1에 따른 종래 기술에 도시된 바와 같이, 노즐 링(61)과 열 차폐부 사이의 공극(65)은 "고체로부터 기체로" 그리고 "기체로부터 고체로"의 계면에서 열 유동 경로를 따른 열 전도도 변화를 나타내고, 따라서 열 유동의 불연속 함수를 제공한다.
본원에서 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 터보 시스템의 실시예에 따르면, 터보 시스템은 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이 고정 요소(51)를 갖는 히트 시트(50)를 더 포함한다. 특히, 전형적으로 고정 요소(51), 예를 들어 러그는 센터링 장치(10)의 캠의 수용부(19) 내에 배열된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 터빈 하우징(40)을 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축(33)에 대해서 센터링하는 방법이 설명된다. 방법은 본원에서 설명된 임의의 실시예에 따르면 배기 가스로부터의 열을 센터링 장치(10)로 전달하는 단계를 포함한다. 추가로, 방법은 센터링 장치(10)의 열 팽창을 통해 터빈 하우징을 센터링하는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 전형적으로 배기 가스로부터의 열을 센터링 장치로 전달하는 단계는 배기 가스로부터 센터링 장치로 열 유량을 제공하는 단계를 포함하고, 열 유량은 연속 함수이다.
상술한 견지에서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 실시예는 터빈 하우징의 최적화된 열 센터링을 유리하게 제공하고, 과도 및 정상 동작 동안 터빈, 특히, 터빈 휠 블레이드와 하우징 사이의 최소 간극을 실현함으로써 최적의 터빈 효율을 보장한다는 것이 이해되어야 한다.
이상은 실시예에 관한 것이지만, 기본 범위를 벗어나지 않는 다른 추가 실시예가 고려될 수 있으며 그 범위는 하기 청구범위에 의해 결정된다.
10 센터링 장치
11 링 형상 주 본체
12 측면
13 터빈 측부
14 중심 개구부
15 안내 베인
16 안내 요소
17 제1 안내 표면
18 제2 안내 표면
19 수용부
20 베어링 하우징
21 상보적인 안내 요소
30 터빈 휠
31 터빈 블레이드
33 중심축
34 샤프트
35 레이디얼 터빈
36 노즐 링
40 터빈 하우징
41 배기 가스 입구 통로
50 히트 시트
51 러그
61 종래 기술의 노즐 링
62 종래 기술의 열 차폐부
63 저온 센터링 요소
64 고온 센터링 요소
100 터보 시스템
111 제1 링 형상 시트 요소
112 제2 링 형상 시트 요소
113 밀봉 링
D1 외경
D2 내경
C 중심

Claims (15)

  1. 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축(33)에 대해 터빈 하우징(40)을 센터링하기 위한 센터링 장치(10)이며,
    - 외경(D1) 및 내경(D2)를 갖는 링 형상 본체(11)로서, D1/D2의 비는 ≤2인, 링 형상 본체(11); 및
    - 베어링 하우징(20) 상에 제공되는 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합하기 위해 링 형상 본체(11)의 측면(12) 상에 제공되는 2개 이상의 센터링 요소(16)를 포함하고, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 2개 이상의 센터링 요소(16)와 각각의 상보적인 센터링 요소(21)의 결합 동안 링 형상 본체(11)의 반경방향 열 팽창을 허용하도록 구성되는, 센터링 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 링 형상 본체의 열 팽창 동안 각각의 상보적인 센터링 요소(21)에 대한 2개 이상의 센터링 요소(16)의 상대 이동을 안내하기 위해, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 제1 평면형 안내 표면(17)을 갖고 각각의 상보적인 센터링 요소(21)는 상보적인 제2 평면형 안내 표면(18)을 갖는, 센터링 장치(10).
  3. 제2항에 있어서, 2개 이상의 센터링 요소(16) 중 하나 이상의 제1 평면형 안내 표면(17)의 대향 표면은 서로에 대해 평행하거나 경사져 있고, 각각의 상보적인 센터링 요소(21) 중 하나 이상의 상보적인 제2 평면형 안내 표면(18)의 대향 표면은 서로 평행하거나 서로에 대해 경사져 있는, 센터링 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 노치 및/또는 캠이고, 각각의 상보적인 센터링 요소(21)는 캠 및/또는 노치인, 센터링 장치(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 센터링 장치(10)는, 특히 용접 연결부, 납땜 연결부, 및 하나 이상의 체결구 중 적어도 하나를 통해 노즐 링에 연결되는, 센터링 장치(10).
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 센터링 장치(10)는 노즐 링의 일체형 부분인, 센터링 장치(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 캠이고, 캠 중 적어도 하나는 히트 시트(50)의 고정 요소(51), 특히 러그를 수용하기 위한 수용부(19)를 포함하는, 센터링 장치(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 안내 요소(16)는 중심 개구부(14) 주위에서 원주 방향으로 동일하게 이격되거나, 또는 2개 이상의 안내 요소(16)는 중심 개구부(14) 주위에서 원주 방향으로 불규칙적으로 이격되는, 센터링 장치(10).
  9. 터보 시스템이며,
    - 베어링 하우징(20);
    - 레이디얼 터빈의 터빈 하우징(40);
    - 중심축(33)을 따라서 연장되고, 베어링 하우징(20) 내에 장착되며 터빈 휠(30)이 배열되는, 샤프트(34),
    - 터빈 휠(30)의 상류의 터빈 하우징(40) 내에 형성되는 배기 가스 입구 통로(41), 및
    - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 센터링 장치(10)를 포함하고,
    베어링 하우징(20)은 센터링 장치(10)의 2개 이상의 센터링 요소(16)와 상보적인 센터링 요소(21)를 포함하고, 2개 이상의 센터링 요소(16)는 각각의 상보적인 센터링 요소(21)와 결합하는, 터보 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 센터링 장치(10)는, 특히 용접 연결부, 납땜 연결부, 및 하나 이상의 체결구 중 적어도 하나를 통해 노즐 링에 연결되거나, 또는 센터링 장치(10)는 노즐 링의 일체형 부분인, 터보 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 노즐 링은 센터링 장치(10)의 재료와 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는, 터보 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 센터링 장치(10)는 베어링 하우징(20)과 터빈 하우징(40) 사이에 배열되고, 센터링 장치(10)는 터보 시스템의 작동 동안 배기 가스로부터의 열이 센터링 장치(10)로 전달되고 배기 가스로부터 센터링 장치로의 열 유량이 연속 함수가 되도록 배열 및 구성되는, 터보 시스템.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제4항에 따른 센터링 장치(10)의 캠의 수용부(19) 내에 배열되는, 고정 요소(51), 특히 러그를 갖는 히트 시트(50)를 더 포함하는, 터보 시스템.
  14. 터보 시스템의 레이디얼 터빈의 중심축(33)에 대해서 터빈 하우징(40)을 센터링하는 방법이며,
    - 배기 가스로부터의 열을 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 센터링 장치(10)로 전달하는 단계, 및
    - 센터링 장치(10)의 열 팽창을 통해 터빈 하우징을 센터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 배기 가스로부터의 열을 센터링 장치로 전달하는 단계는 배기 가스로부터 센터링 장치로 열 유량을 제공하는 단계를 포함하고, 열 유량은 연속 함수인, 방법.
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