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KR20080042069A - 공기역학적으로 개선된 컴프레서 휠 포켓 구조를 갖는베어링 하우징을 가지는 터보차저 - Google Patents

공기역학적으로 개선된 컴프레서 휠 포켓 구조를 갖는베어링 하우징을 가지는 터보차저 Download PDF

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KR20080042069A
KR20080042069A KR1020087001615A KR20087001615A KR20080042069A KR 20080042069 A KR20080042069 A KR 20080042069A KR 1020087001615 A KR1020087001615 A KR 1020087001615A KR 20087001615 A KR20087001615 A KR 20087001615A KR 20080042069 A KR20080042069 A KR 20080042069A
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KR
South Korea
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compressor
housing
pocket
compressor wheel
turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020087001615A
Other languages
English (en)
Inventor
브록 프레이저
아담 라인케
닐 내론
Original Assignee
보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보르그워너 인코퍼레이티드 filed Critical 보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

공기역학적으로 개선된 포켓(52)을 갖는 터보차저 유닛(10)은 샤프트(20)에 장착된 컴프레서 휠(18)과 컴프레서 하우징(16)을 가지는 컴프레서(12)와 함께 상기 샤프트(20)에 연결된 터빈 휠(26)과 터빈 하우징(24)을 가지는 터빈(14)을 포함한다. 중간 하우징(28)은 상기 터빈 하우징(24) 및 상기 컴프레서 하우징(16) 사이에 배치되며, 상기 샤프트(20)를 둘러싸며, 컴프레서 휠 포켓(50)을 가진다. 일련의 베어링들(30)은 상기 샤프트(20)를 지지하기 위해 상기 중간 하우징(28)에 배치된다. 일련의 유체 통로들(33)은 상기 베어링들(30)을 윤활할 유체를 제공하는 상기 중간 하우징(28)에 배치된다. 시일(42)은 상기 컴프레서 휠 포켓(50)으로 오일이 들어가는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 상기 컴프레서 휠 포켓(50)은 상기 컴프레서 휠(18) 뒤의 압력 균형을 개선하기 위하여 공기역학적으로 개선된 포켓(52)을 가지며, 상기 중간 하우징(28)에 있는 오일이 상기 컴프레서 하우징(16)으로 들어가는 것을 방지한다.
터빈, 터보차저 유닛, 컴프레서, 컴프레서 휠 포켓

Description

공기역학적으로 개선된 컴프레서 휠 포켓 구조를 갖는 베어링 하우징을 가지는 터보차저{TURBOCHARGER WITH BEARING HOUSING HAVING AN AERODYNAMICALLY ENHANCED COMPRESSOR WHEEL POCKET GEOMETRY}
본 발명은 컴프레서 오일 시일(seal)에서의 불충분한 압력 균형으로 인한 오일 누출의 방지 및 터보차저에 관한 것이다.
터보차저들은 엔진들에서 출력 밀도(power density)를 증진하기 위하여 통상적으로 사용하는 장치이다. 터보차저들은 터빈 및 컴프레서를 포함한다. 상기 터빈은 터빈 하우징 및 터빈 휠을 포함하며, 상기 컴프레서는 컴프레서 하우징 및 컴프레서 휠을 포함한다. 상기 컴프레서 휠 및 터빈 휠은 모두 공통 샤프트 상에 장착된다. 상기 터빈 하우징 및 컴프레서 하우징 사이에는 이 들이 연결되는 중간 하우징이 배치된다. 상기 중간 하우징은 컴프레서 휠 포켓을 포함하고, 상기 컴프레서 휠은 부분적으로 컴프레서 휠 포켓에 배치되고, 부분적으로 컴프레서 하우징에 배치된다.
상기 터빈 휠은 상기 엔진으로부터 발생되어 배기 매니폴드(manifold)를 통 과하여 상기 터빈 하우징내로 들어가는 배기가스의 흐름에 의해 회전한다. 상기 터빈 휠이 회전함에 따라, 상기 컴프레서 휠도 또한 회전한다. 상기 컴프레서 휠이 회전함에 따라 신선한 공기가 압축되어 상기 엔진의 흡기 매니폴드 내로 압입된다. 공기가 특정의 작동 조건들 하에서 상기 컴프레서 하우징을 통하여 흐름에 따라 상기 컴프레서 휠은 높은 회전 속도로 회전하지만 부스트(boost) 압력은 낮다. 이는 차량 엔진을 높은 아이들 속도(idle speed)로 가동할 때 발생할 수 있으며, 상기 중간 하우징이 위치하는 상기 컴프레서 휠의 측면에서 압력의 불균형을 야기할 수 있다. 이 압력 불균형은 상기 컴프레서 휠 및 상기 중간 하우징 사이의 영역에서 발생한다.
상기 중간 하우징은 상기 샤프트를 지지하기 위해서 사용되는 1세트의 베어링들을 또한 포함한다. 상기 터빈 휠 및 컴프레서 휠은 둘 다 베어링들 안에서 회전하는 샤프트 상에 장착된다. 상기 베어링들은 윤활되고, 상기 중간 하우징도 또한 오일이 상기 컴프레서 하우징 내로 누출되는 것을 방지하기 위하여 사용되는 래비린스 시일(labyrinth seal)을 가진다.
상기 압력 불균형은 상기 래비린스 시일에 대한 압력의 부족과 상기 래비린스 시일이 유지하는 오일의 부족을 초래하고, 이는 상기 컴프레서 휠 포켓 내와 상기 컴프레서 하우징 내로 오일이 누출되게 할 수 있다. 상기 컴프레서 휠 및 컴프레서 하우징 상으로 누출되는 오일은 상기 컴프레서 휠 및 컴프레서 하우징을 더럽혀서 상기 엔진으로 안내하는 공기 흡입 부품들에 문제들을 일으킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 컴프레서 휠 및 중간 하우징사이의 압력 불균형을 방지하는 것을 목표로 한다. 본 발명은 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지는 터보차저 유닛을 제공하며, 상기 터보차저 유닛은 샤프트상에 장착된 컴프레서 휠과 컴프레서 하우징을 가지는 컴프레서와 함께 동일한 샤프트에 연결된 터빈 휠 및 터빈 하우징을 가지는 터빈을 포함한다. 중간 하우징은 상기 터빈 하우징 및 컴프레서 하우징 사이에 배치되며, 상기 샤프트를 둘러싸며, 컴프레서 휠 포켓을 가진다. 일련의 베어링들이 상기 샤프트를 지지하기 위해 상기 중간 하우징에 배치된다. 일련의 유체 통로들도 또한 상기 베어링들을 윤활할 유체를 제공하는 상기 중간 하우징 내에 배치된다. 시일은 오일이 상기 컴프레서 휠 포켓으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 상기 컴프레서 휠 포켓은 상기 컴프레서 휠 뒤의 압력 균형를 개선하기 위해 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지며, 상기 중간 하우징에 있는 오일이 상기 컴프레서 하우징으로 들어가는 것을 방지한다.
제1 실시예에서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 상기 컴프레서 휠 포켓의 단부에서 뾰족한 가장자리 아래에 있는 둥근 리세스(recess)로 구성된 스푼형 가장자리(spoon edge)이다.
제2의 실시예에서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 상기 컴프레서 휠 포켓의 가장자리에 있는 예각을 가지는 나이프형 가장자리(knife edge)이다.
본 발명을 적용할 추가적인 영역들은 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하지만 상세한 설명 및 구체적인 예들은 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니라고 이해된다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 더 완전하게 이해될 것이며:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따르는, 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지는 터보차저 유닛의 단면 평면도이며;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지는, 부분적으로 절단된, 중간 하우징의 확대된 단면 평면도이며;
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따르는 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지는 중간 하우징의 더 크게 확대된 단면 평면도이며;
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 공기역학적으로 개선된 포켓을 가지는, 부분적으로 절단된, 중간 하우징의 확대된 단면 평면도이다.
바람직한 실시예(들)의 다음의 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며, 본 발명, 이의 응용 또는 사용을 제한하려는 의도는 전혀 없다.
도1-3을 참조하면, 제1 실시예를 포함하는 터보차저 유닛이 전체가 10으로 도시된다. 상기 터보차저 유닛(10)은 컴프레서(12)와 터빈(14)으로 구성된다. 상기 컴프레서(12)는 유지 너트(retaining nut)(22)에 의하여 샤프트(20) 상에 부착 된 컴프레서 휠(18)과 컴프레서 하우징(16)으로 구성된다. 상기 터빈(14)은 상기 샤프트(20) 상에 용접된 터빈 휠(26)과 터빈 하우징(24)으로 구성된다. 중간 하우징(28)은 상기 터빈 하우징(24)과 상기 컴프레서 하우징(16)의 사이에 있고 이 들에 연결된다. 상기 중간 하우징(28) 내에는 1 세트의 베어링들(30)과 스러스트 베어링(32)이 배치된다. 상기 베어링들(30)과 스러스트 베어링(32)은 일련의 유체 통로들(33)로부터 오일을 받는다. 상기 일련의 유체 통로들(33)은 오일 공급 통로(34), 주 오일 통로(36), 제1의 경사진 통로(38) 및 제2의 경사진 통로(40)로 구성된다. 상기 오일 공급 통로(34)는 오일을 상기 주 오일 통로(36)로 공급하고, 상기 주 오일 통로(36)는 오일을 상기 스러스트 베어링(32), 상기 제1의 경사진 통로(38) 및 상기 제2의 경사진 통로(40)로 직접 전달한다. 상기 제1의 경사진 통로(38)와 상기 제2의 경사진 통로(40)는 오일을 상기 베어링들(30)로 전달한다. 도1에 도시된 바와 같이, 래비린스 시일(42)과 오일 실드(shield)(44)와 같은 시일을 사용함으로써 오일이 상기 컴프레서 휠(18)과 접촉하는 것이 방지된다.
이제 본 발명의 다양한 실시예들이 설명된다. 정상적인 동작 동안에, 차량 엔진으로부터의 배기가스는 상기 터빈(14)을 통하여 흐르고, 높은 회전 속도로 상기 터빈 휠(26)을 회전시킨다. 높은 회전 속도로 상기 터빈 휠(26)을 회전시키는 것은 상기 터빈 휠(26)과 같은 속도로 상기 샤프트(20)와 상기 컴프레서 휠(18)이 회전하도록 한다. 상기 컴프레서 휠(18)은 상기 컴프레서 하우징(16) 내에 있는 공기를 압축하고, 상기 압축된 공기를 상기 엔진(도시안됨)의 흡기 매니폴드 내로 압입한다. 상기 베어링들(30)은 상기 제1의 경사진 통로(38) 및 상기 제2의 경사 진 통로(40)를 통하여 흐르는 오일을 통하여 윤활된다.
뾰족한 가장자리(48)는 상기 중간 하우징(28)에 위치하는 컴프레서 휠 포켓(50)의 일부로서 도면에 도시된다. 제1 실시예에서, 상기 컴프레서 휠 포켓(50)이 스푼형 리세스(spoon-shaped recess) (54)를 가지는 공기역학적으로 개선된 포켓(52)으로서 도시된다. 상기 스푼형 리세스(54)는 상기 중간 하우징(28)에서 상기 뾰족한 가장자리(48)를 포함하고, 둥근 스푼 형상으로 리세스되어 둥근 리세스(round recess)(56)를 형성한다. 상기 터보차저(10)가 높은 오일 흐름 조건들, 예를 들면 높은 엔진 속도 및 낮은 엔진 부하 동작 조건들, 에서 작동할 때, 상기 스푼형 리세스(54)는 상기 컴프레서 휠(18)에 의하여 야기되는 압력 불균형을 감소시킨다. 상기 중간 하우징(28)의 크기, 상기 컴프레서 휠(18)의 크기 및 상기 컴프레서(12)를 통과하는 공기의 체적으로 인한 압력 불균형의 다양한 범위들을 상쇄하기 위해 상기 스푼형 리세스(54)는 다양한 반경으로 구성될 수 있다.
본 발명의 제2의 실시예는 도 4에 도시된다. 이 실시예에서, 상기 중간 하우징(28)에 있는 상기 공기역학적으로 개선된 포켓(52)은 상기 중간 하우징(28)의 상기 스푼형 리세스(54)와 동일한 뾰족한 가장자리(48)에 의해 정의되는 나이프형 리세스(58)의 형태를 가지지만, 어떤 각도(62)로 설정된 경사진 리세스(60)를 형성하기 위해 상기 하우징내로 리세스된다. 상기 터보차저(10)가 높은 오일 흐름 조건, 예를 들면 높은 엔진 속도 및 낮은 엔진 부하 작동 조건들, 에서 작동할 때, 도 4에 도시된 상기 나이프형 리세스(58)는 상기 컴프레서 휠(18)에 의하여 야기되는 압력 불균형을 감소시킨다. 상기 중간 하우징(28)의 크기, 상기 컴프레서 휠(18)의 크기 및 상기 컴프레서(12)를 통과하는 공기의 체적으로 인한 압력 불균형의 다양한 범위들을 상쇄하기 위해 상기 나이프형 리세스(58)는 다양한 각도들로 구성될 수 있다.
상기 스푼형 리세스(54) 및 나이프형 리세스(58)의 둘 다가 상기 중간 하우징(28)에서 상기 뾰족한 가장자리(48)를 정의하는 점에 주목해야 한다. 상기 뾰족한 가장자리(48)의 직경은 여기에 기술된 두 실시예에서 동일하다.
상기 중간 하우징(28) 및 상기 컴프레서 휠(18) 사이의 역(adverse) 압력 균형을 줄이는 것은 상기 터보차저(10)가 부하를 받고 있지 않는 동안 높은 회전 속도로 회전하는 상기 컴프레서 휠(18)에 의해 야기된 흡입력을 제거함으로써 상기 중간 하우징(28) 내에 오일을 유지할 상기 래비린스 시일(42)의 능력을 증가시킨다.
본 발명의 설명은 사실상 단지 예시적이며, 이에 따라 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 이러한 변형들은 본 발명의 정신과 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않는다.

Claims (23)

  1. 샤프트에 연결된 터빈 휠과 터빈 하우징을 가지는 터빈;
    상기 샤프트에 장착된 컴프레서 휠과 컴프레서 하우징을 가지는 컴프레서;
    상기 터빈 하우징 및 상기 컴프레서 하우징 사이에 배치되고, 상기 샤프트를 둘러싸며, 컴프레서 휠 포켓을 가지는 중간 하우징을 포함하며, 상기 컴프레서 휠은 상기 컴프레서 휠 포켓 내로 적어도 부분적으로 신장하며;
    상기 샤프트를 지지하기 위하여 상기 중간 하우징에 배치된 하나 이상의 베어링;
    오일이 상기 베어링을 윤활하도록 하기 위해 상기 중간 하우징에 배치된 하나 이상의 유체 통로들;
    상기 오일이 상기 컴프레서 하우징으로 유입되는 것을 방지하기 위한 시일; 및
    상기 컴프레서 휠의 주위의 공기압력의 불균형을 방지하고, 상기 오일이 상기 시일 주위에서 누출되어 상기 컴프레서 하우징으로 들어가는 것을 방지하기 위해 상기 컴프레서 휠 포켓에 있는 공기역학적으로 개선된 포켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 스푼형 리세스인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스푼형 리세스는 상기 컴프레서 휠 포켓의 단부에서 뾰족한 가장자리 및 둥근 리세스로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 나이프형 리세스인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 나이프형 리세스는 상기 컴프레서 휠 포켓의 가장자리에서 경사진 리세스를 가지는 뾰족한 가장자리로 구성되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 시일이 래비린스 시일인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  7. 터빈 휠과 터빈 하우징을 가지는 터빈을 포함하며, 상기 터빈 휠은 상기 터빈 하우징에 배치되고 샤프트에 장착되며;
    컴프레서 휠과 컴프레서 하우징을 가지는 컴프레서를 포함하며, 상기 컴프레서 휠은 상기 샤프트에 장착되고 상기 컴프레서 하우징에 배치되며;
    상기 터빈 하우징 및 상기 컴프레서 하우징 사이에 배치되는 중간 하우징;
    뾰족한 가장자리를 가지며, 상기 컴프레서 휠의 일 부분을 수용하기 위해 상 기 중간 하우징과 작동가능하게 연결되는 컴프레서 휠 포켓; 및
    상기 컴프레서 휠 주위의 공기의 유동을 균형잡기 위해 상기 컴프레서 휠 포켓에 있는 공기역학적으로 개선된 포켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 중간 하우징은 상기 샤프트를 지지하기 위한 하나 이상의 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 중간 하우징은 오일이 상기 하나 이상의 베어링을 윤활하도록 하기 위해 상기 중간 하우징에 배치된 하나 이상의 유체 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 중간 하우징은 오일이 상기 컴프레서 하우징으로 들어가는 것을 방지하기 위해 상기 일련의 유체 통로들과 작동 가능하게 연결된 시일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 시일이 래비린스 시일인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 스푼형 리세스이고, 상기 스푼형 리세스는 상기 컴프레서 휠에 근접한 상기 컴프레서 휠 포켓에 위치한 상기 뾰족한 가장자리 및 둥근 리세스를 가지는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 상기 뾰족한 가장자리와 경사진 리세스로 구성되는 나이프형 리세스이고, 상기 뾰족한 가장자리와 상기 경사진 리세스는 상기 컴프레서 휠에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  14. 터보차저 유닛에서 컴프레서 하우징을 통과하는 공기 흐름을 균형잡는 방법에 있어서,
    터빈 휠과 터빈 하우징을 가지는 터빈으로서, 상기 터빈 휠이 샤프트 상에 장착되고 상기 터빈 하우징에 의해 둘러싸이는 터빈을 제공하는 단계;
    컴프레서 휠과 컴프레서 하우징을 가지는 컴프레서로서, 상기 컴프레서 휠은 상기 샤프트 상에 장착되고 상기 컴프레서 하우징에 의하여 둘러싸이는 컴프레서를 제공하는 단계;
    상기 터빈 하우징과 상기 컴프레서 하우징 사이에 배치되며 이들에 연결된 중간 하우징과, 상기 중간 하우징에 배치된 컴프레서 휠 포켓을 제공하는 단계;
    상기 컴프레서 휠 포켓 내에 배치되는, 뾰족한 가장자리를 가지는 공기역학적으로 개선된 포켓을 제공하는 단계;
    상기 공기역학적으로 개선된 포켓으로 상기 뾰족한 가장자리 주위의 난기류의 공기흐름의 양을 줄이고 상기 컴프레서 휠의 적어도 일부를 상기 공기역학적으 로 개선된 포켓에 배치하므로써 상기 컴프레서 휠 주위의 공기 흐름의 균형을 잡는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 샤프트를 지지하기 위해 상기 중간 하우징에 배치된 하나 이상의 베어링을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 중간 하우징에 배치된 하나 이상의 유체 통로를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체 통로를 통해 흐르는 오일로 상기 적어도 하나의 베어링을 윤활하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 중간 하우징 내에 배치된 시일을 제공함으로써 상기 오일이 상기 컴프레서 하우징으로 들어가는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓으로 상기 컴프레서 휠 주위의 공기 흐름을 균형잡음으로써 상기 시일 주위로 오일이 누출되는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 스푼형 리세스로 구성되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 스푼형 리세스는 상기 컴프레서 휠 포켓 내에 배치된 둥근 리세스 및 상기 뾰족한 가장자리로 구성되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 공기역학적으로 개선된 포켓은 나이프형 리세스로 구성되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 나이프형 리세스는 상기 컴프레서 휠 포켓 내에 배치된 경사진 리세스 및 상기 뾰족한 가장자리로 구성되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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