KR101265927B1

KR101265927B1 - 터보기계 및 배기-가스 터보차저

Info

Publication number: KR101265927B1
Application number: KR1020107016534A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 야루젤; 페터 노이엔슈반더; 벤트 필립센; 토르슈텐 보제
Original assignee: 에이비비 터보 시스템즈 아게
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2029-01-12
Also published as: JP2011510207A; CN101910566A; EP2229508A1; JP5123400B2; US8251647B2; WO2009090149A1; US20100278651A1; KR20100095642A; EP2080871A1

Abstract

가스 출구 하우징 (20) 에 안내 장치 (40) 를 부착하기 위한 체결부가 안내 블레이드 (41, 42) 의 반경 방향 외부 영역에 위치된다. 안내 블레이드의 원주 위치는 이에 따라 미리 정해진 각도 내에서 자유롭게 선택될 수도 있다. 안내 블레이드 (41, 42) 와 체결 수단 (50) 사이에는 충돌이 발생하지 않는다.

Description

터보기계 및 배기-가스 터보차저{TURBOMACHINE AND EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 터보기계 분야, 특히 과급 내연 기관용 배기-가스 터보차저에 관한 것이다.

본 발명은 상기 유형의 터보기계의 하우징에 안내 장치를 체결하는 것에 관한 것이다.

배기-가스 터보차저가 내연기관 (왕복 피스톤 기관) 의 성능을 향상시키는데 사용된다. 배기-가스 터보차저는 내연 기관의 배기-가스 유동에 있는 배기-가스 터빈 및 내연 기관의 흡기 구역에 있는 압축기를 포함한다. 배기-가스 터빈의 터빈 휠은 내연 기관의 배기-가스 유동에 의해 회전식으로 설정되고 샤프트를 통해 압축기의 로터를 구동한다. 압축기는 내연 기관의 흡기 구역에서 압력을 증가시켜서, 더 많은 양의 공기가 흡기 동안에 연소실 안으로 통과하게 된다. 배기-가스 터빈은 또한 동력 터빈으로서도 사용된다. 이 경우에, 이들은 샤프트를 통해 배기-가스 터보차저의 압축기가 아니라 발전기를 구동하고, 또는, 클러치를 통해, 몇몇 다른 기계 동력부를 구동한다.

현대의 왕복-피스톤 기관 분야의 최근의 발전은 배기, 비용 및 연료 소비의 감소에 의한 것이었다. 여기에서, 기관의 과급 시스템은 이들 발전 목표를 달성하는데 상당히 기여한다. 과거에, 대형 기관에서는, 고정된 구조를 갖는 압축기 부품 및 터빈을 갖는 배기-가스 터보차저가 주로 이용되었다. 상기 구조는 각각의 개별적인 기관에 대해 설계되고 적합했다. 그러나 이들은 기관의 작동 동안에 불변이었다. 미래에 작동 동안에 기관에 대한 배기-가스 터보차저의 더 나은 적합을 가능하게 하기 위해서, 작동 동안에 조정될 수 있는 (가변적일 수 있는) 터빈 구조 (가변 터빈 구조, VTG) 의 사용이 더욱 더 고려되고 있다. 여기에서, 배기-가스 터빈의 안내 장치의 안내 블레이드의 개구는 안내 블레이드의 회전에 의해 가변적이다. 조정가능한 터빈 구조의 사용이 종래에 알려져 있고 특히 소형 기관 분야에서 널리 보급되어 있고, 예를 들어 승용차에 이용된다. 대형 기관에 있어서, 가변 터빈 구조는 오늘날 이미 공연비의 정확한 조정을 요구하는 가스 기관에서 이용되고 있다. 미래에는, 대형 기관에서 가변 터빈 구조의 보다 넓은 사용이 기대되고 있다.

효율성의 이유로, 터보차저의 유동 부품은 높은 특정한 처리량 (기하학적 크기와 관련한 높은 매스 플로우) 을 위해 발전되어 왔다. 이러한 터보 기계의 터빈의 이동 블레이드는 극도의 진동 여기를 받을 수 있다. 신뢰성있는 작동 거동을 보장하기 위해서, 안내 장치 (노즐 링) 및 안내 블레이드 구조의 매우 정확한 좌표가 터빈의 발전에 필수적이다.

특히, 안내 장치의 안내 블레이드는, 안내 블레이드의 수와 회전 속도의 곱과 동일한 주파수로, 터빈 휠의 이동 블레이드에 대해 주기적인 외란을 구성한다는 문제점이 발생한다. 상기 주파수가 이동 블레이드의 고유 주파수에 대응한다면, 공진이 발생할 수 있다. 상기 공진에서의 교번 스트레스 (alternating stresees) 는 최대의 재료 손상을 야기할 수 있다. 공진 진폭이 안내 블레이드의 개구의 감소에 따라 증가한다는 것이 알려져 있다. 이는 안내 블레이드의 허용가능한 개구의 제한을 야기할 수 있다. 가변 터빈 구조에서는, 안내 블레이드 개구의 가용 조정 범위가 큰 것이 중요하다. 허용가능한 안내 블레이드 개구의 범위가 허용불가한 공진의 결과로서 제한되어야 한다면, 가변 터빈 구조의 이점이 감소된다.

"Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Rotor Blade Vibration in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing"; R. H. Kemp, M. H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4373, 1958 로부터, 안내 블레이드의 원주 위치의 불균일한 분포가 공진 진폭의 상당한 감소를 불러일으킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 안내 블레이드의 불균일한 배열은 오늘날 공진 진폭을 감소시키기 위해 많은 터보기계에서 이용되고 있다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 대형 기관용 배기-가스 터보차저에서, 가변 안내 장치 (VTG) 는 일반적으로 별도의 모듈로서 구성되고 배기-가스 터빈의 가스 입구 및 가스 출구 하우징에 고정된다. 이 방식으로 고정된 가변 안내 장치를 갖는 배기-가스 터빈이 DE 100 13 335 에 공지되어 있다. 가스 입구 하우징 및 가스 출구 하우징은 일반적으로, 상이한 기관에 적합하도록, 규정된 각도에서, 예컨대 15°로 자유롭게 회전될 수 있다. 이는 통상적으로 원주에 걸쳐 균일하게 분배된 나사를 사용하게 한다 (15°세그먼트의 경우에, 나사는 24 개가 됨). 불균일하게 배열된 안내 블레이드가 사용된다면, 안내 블레이드와 나사 사이의 충돌이 불가피하다.
가변 안내 장치를 갖는 배기-가스 터빈은 마찬가지로 US 3 542 484 에 공지되어 있다.

본 발명의 목적은, 인접한 하우징에 체결하기 위해 사용되는 체결 수단이 하우징에 대한 안내 장치의 정렬과 상관없이 부착될 수 있도록, 배기-가스 터빈 등의 터보기계를 위한 조정가능한 안내 장치를 최적화시키는 것이다.

본 발명의 개념은, 안내 블레이드의 반경 방향 외부의 영역에, 특히 안내 블레이드의 섕크의 반경 방향 외부의 영역에 안내 장치의 부착을 위한 체결부를 재위치시키는 것이다. 이 방식으로, 안내 블레이드의 원주 위치는 미리정해진 각도 내에서 자유롭게 선택될 수도 있다. 안내 블레이드와 체결 수단 사이에는 충돌이 발생하지 않는다.

안내 블레이드는 원주 상에 균일하게 또는 분균일하게 분배될 수도 있다.

불균일한 배열에 대해서, 안내 블레이드는 릴리프 링, 지지 링 및 홈 링에서의 안내 블레이드의 장착을 불균일하게 분배하는 것에 의해 실현된다.

본 발명의 실시형태가 이하의 도면에 기초하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 조정가능한 안내 장치를 갖는 배기-가스 터빈의 단면도를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따라 설계된 조정가능한 안내 장치를 갖는 배기-가스 터빈의 단면도를 도시한다.

도 1 은 배기-가스 터보차저의 종래의 축방향 터빈을 상세하게 도시한다. 터빈 휠 (10) 은 축 (A) 에 대해 회전가능하도록 베어링 하우징에 장착된 샤프트 (30) 상에 배열된다. 터빈 휠 (10) 은 터빈 휠의 반경 방향 외부 에지 상의 원주를 따라 분배되어 배열된 복수 개의 이동 블레이드 (11) 를 포함한다. 유동 덕트 내에서의 배기-가스 유동은 화살표로 표시된다. 유동은 터빈 휠의 이동 블레이드에 축선 방향으로 접근한다. 배기-가스 터빈의 이동 블레이드 (11) 의 상류에는 조정가능한 안내 장치 (1) (조정가능한 터빈 구조) 가 배열되어 있다. 상기 조정가능한 안내 장치 (1) 는 각각의 경우에 하나의 섕크 (42) 를 갖는 복수 개의 안내 블레이드 (41) 를 포함한다. 각각의 경우에 각각의 안내 블레이드 (41) 에는 축 (B) 에 대해 회전가능하도록 하우징 내에서 그 섕크 (42) 가 장착된다. 안내 장치 (1) 의 하우징은 유동 덕트를 환형으로 둘러싸는 지지 링 (40) 을 실질적으로 포함한다. 유동 덕트를 향해, 지지 링 (40) 은 릴리프 링 (45) 도 둘러쌀 수 있다. 안내 블레이드 (41) 의 섕크 (42) 는 이를 위해 제공된 보어에서 지지 링 (40) 내에 배열된다. 안내 블레이드 (41) 의 섕크 (42) 와 마찬가지로, 보어는 실질적으로 반경 방향으로 이동한다. 지지 링은 체결 수단 (50) 에 의해 가스 출구 하우징 (20) 에 체결된다. 볼트 또는 나사가 체결 수단으로서 이용된다. 조정가능한 안내 장치 (1) 는 또한 조정 링 (43), 및 안내 블레이드 당 하나의 조정 레버 (44) 를 포함한다. 안내 장치 (1) 를 조정하기 위해서, 조정 링 (43) 은 원주 방향으로 이동된다. 조정 레버 (44) 는 회전 운동을 안내 블레이드의 섕크 (42) 에 전달한다.

도 2 에 도시된 본 발명에 따라 설계된 안내 장치 (1) 에 있어서, 체결 수단 (50) 은 안내 블레이드의 섕크 (42) 의 베어링 지점 (46) 의 반경 방향 외부, 또는 안내 블레이드의 섕크의 자유 단부의 반경 방향 외부에 배열된다. 체결 수단 (50) 이 위치된 외부의 반경 (r₂) 은 이에 따라 안내 블레이드 섕크가 위치된 내부의 반경 (r₁) 보다 크다.

안내 블레이드 (41) 는 이에 따라 안내 블레이드의 섕크 (42) 및 체결 수단 (50) 이 서로 교차하되는 일이 없이 지지 링의 원주를 따라 균일하게 및 분균일하게 분배될 수도 있다. 안내 블레이드 (41) 의 불균일한 배열은, 릴리프 링 (45), 지지 링 (40) 및 조정 링에서의 안내 블레이드의 장착을 불균일하게 분배하는 것에 의해 실현된다. 또한 안내 블레이드가 불균일하게 분배된 경우에도, 체결 수단을 위한, 원주를 따라 분배되어 배열된 보어에 의해 허용된 가스 출구 하우징 (20) 에 대해 지지 링 (40) 을 임의의 각도로 위치시키는 것이 가능하다. 안내 블레이드의 원주 위치는 이에 따라 미리 정해진 각도 내에서 자유롭게 선택될 수도 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 가스 입구 하우징 (21) 은, 조정 레버 (44) 의 반경 방향 내부에서, 별도의 체결 수단에 의해 지지 링 (40) 에 연결될 수도 있다.

1: 안내 장치
10: 터빈 휠
11: 터빈 휠의 이동 블레이드
20: 배기-가스 터빈의 가스 출구 하우징
30: 배기가스 터보차저의 샤프트
40: 안내 장치의 하우징의 지지 링
41: 조정가능한 안내 블레이드
42: 안내 블레이드의 섕크
43: 조정 링
44: 조정 레버
45: 릴리프 링
46: 안내 블레이드의 섕크를 장착하기 위한 베어링 지점
50: 터빈 하우징에 지지 링을 체결하기 위한 체결 수단
60: 제 1 관통홀
70: 제 2 관통홀
r₁: 안내 블레이드 섕크의 외부 반경
r₂: 터빈 하우징에 지지 링을 체결하기 위한 체결 수단의 내부 반경
A: 배기-가스 터보차저의 샤프트의 축
B: 안내 블레이드의 섕크의 축

Claims

하우징 (20), 환형 안내 장치 (1) 를 포함하는 터보기계에 있어서,
상기 환형 안내 장치 (1) 는 지지 링 (40), 회전 가능한 안내 블레이드 (41), 체결 수단 (50) 및 조정 링 (43) 을 포함하고,
상기 지지 링 (40) 은 제 1 관통홀 (60) 및 제 2 관통홀 (70) 을 가지며, 상기 제 1 관통홀 (60) 은 상기 제 2 관통홀 (70) 보다 반경 방향 외부에 배열되고,
상기 회전 가능한 안내 블레이드 (41) 는 상기 환형 안내 장치 (1) 의 원주를 따라 배열되고, 상기 회전 가능한 안내 블레이드 (41) 각각은 상기 지지 링 (40) 에 장착하기 위한 반경 방향 이동 섕크 (42) 를 포함하고,
상기 지지 링 (40) 은 상기 안내 블레이드 (41) 의 섕크 (42) 를 고정하기 위한 베어링 지점 (46) 을 포함하고,
상기 체결 수단 (50) 은 상기 지지 링 (40) 을 상기 제 1 관통홀 (60) 을 통해 상기 하우징 (20) 에 체결하기 위한 체결 수단 (50) 으로서, 상기 안내 블레이드의 섕크 (42) 의 자유 단부가 제 1 반경 (r₁) 의 반경 방향 내부에 배열되고, 상기 체결 수단 (50) 은 제 2 반경 (r₂) 의 반경 방향 외부에 배열되며, 상기 제 1 반경 (r₁) 은 상기 제 2 반경 (r₂) 보다 작아서, 상기 지지 링 (40) 을 상기 하우징 (20) 에 체결하기 위한 상기 체결 수단 (50) 은 상기 안내 블레이드의 섕크 (42) 의 자유 단부의 반경 방향 외부에 배열되고, 이 방식으로, 상기 안내 블레이드의 원주 위치가 안내 블레이드의 섕크와 상기 체결 수단 (50) 사이의 충돌 발생없이 미리 정해진 각도 내에서 선택되며,
상기 조정 링 (43) 은 상기 지지 링 (40) 의 상기 제 2 관통홀 (70) 을 통해 배열되는 조정 레버 (44) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
제 1 항에 있어서, 안내 블레이드 (41) 는 안내 장치의 원주를 따라 불균일하게 서로 상이한 간격으로 배열되는 터보기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 터보기계로서 구성된 배기-가스 터빈을 포함하는 배기-가스 터보차저.