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KR20100117060A - 과급기 - Google Patents

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KR20100117060A
KR20100117060A KR1020107016025A KR20107016025A KR20100117060A KR 20100117060 A KR20100117060 A KR 20100117060A KR 1020107016025 A KR1020107016025 A KR 1020107016025A KR 20107016025 A KR20107016025 A KR 20107016025A KR 20100117060 A KR20100117060 A KR 20100117060A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thrust bearing
turbine shaft
turbine
bearing
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
KR1020107016025A
Other languages
English (en)
Inventor
마사토시 에구치
카즈히로 오니츠카
마사히로 시미즈
Original Assignee
가부시키가이샤 아이에이치아이
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 가부시키가이샤 아이에이치아이 filed Critical 가부시키가이샤 아이에이치아이
Publication of KR20100117060A publication Critical patent/KR20100117060A/ko
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Abstract

[과제] 래디얼 베어링의 외측에 쓰러스트 베어링(thrust bearing)을 구비하고, 공급된 윤활유가 베어링부로부터 원활하게 배출되어 윤활유에 의한 저항을 저감할 수 있는 과급기를 제공한다.
[해결 수단] 터빈축(12)에 작용하는 쓰러스트 힘(thrust force)을 회전 가능하게 지지하는 쓰러스트 베어링(30)을 구비한다. 쓰러스트 베어링(30)은 터빈축과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(thrust collar)(32)와, 쓰러스트 칼라의 축방향 이동을 저지하는 터빈 측 쓰러스트 베어링(34) 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)으로 이루어진다. 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)은 쓰러스트 칼라와 접하는 표면에 하우징 내부로부터 윤활유를 공급하는 오일 공급 유로(36a)와, 터빈축이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된 고리 모양의 홈(36b)과, 홈 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 오일 배출 유로(36c)를 가진다.

Description

과급기{SUPERCHARGER}
본 발명은 과급기에 관한 것이다.
압축기에 의해 밀도를 높인 공기를 기관(엔진)에 공급하는 것을 과급(supercharging)이라고 하고, 이 중 배기 에너지에 의해 압축기를 구동하는 것을 배기 터빈 과급기(exhaust-gas turbocharger)라고 부른다.
배기 터빈 과급기는 일반적으로 베어링 유닛을 사이에 두고 배치된 압축기(컴프레서)와 터빈으로 이루어지고, 압축기는 컴프레서 임펠러를, 터빈은 터빈 임펠러를 각각 내장한다. 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러는 베어링 유닛으로 지지된 연결축(샤프트)으로 서로 연결되며, 엔진의 배기 가스로 터빈 임펠러를 회전 구동하고, 이 회전력을 연결축을 통하여 컴프레서 임펠러에 전달하고, 컴프레서 임펠러로 공기를 압축하여 엔진에 과급하게 되어 있다.
배기 터빈 과급기의 베어링, 및 그 급유 수단으로서, 특허문헌 1 및 2가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 베어링 장치는, 도 1a와 도 1b에 나타내는 바와 같이, 베어링 케이스(71)의 쓰러스트 베어링(thrust bearing)(72, 73)의 외주에 대응하는 위치에 오일 저장용 스페이스(74)를 마련하고, 스페이스(74)와 베어링 테이블(75)과 오일 배출구(76)를 연통하는 좌우 각 2개소의 오일 배출 통로(77)를 마련한 것이다.
특허문헌 2의 과급기는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 터빈 샤프트(81), 래디얼 베어링(82), 계단부(83), 오일 드레인(84)을 가지는 과급기에 있어서, 래디얼 베어링의 측벽면에서 계단부까지의 거리 L을, 터빈 회전수가 엔진의 아이들(idle) 운전 시의 터빈 회전수보다 큰 영역에서, 래디얼 베어링의 단부(端部)로부터 이동한 오일이 계단부에 비접촉이 되는 거리로 한 것이다.
배기 터빈 과급기에서는 일반적으로 터빈 임펠러에 작용하는 압력이 컴프레서 임펠러에 작용하는 압력보다 높기 때문에, 컴프레서 임펠러로 향하는 방향으로 큰 쓰러스트 힘(thrust force)이 발생한다.
그 때문에, 배기 터빈 과급기의 회전축을 지지하는 쓰러스트 베어링에는 충분한 양의 윤활유를 공급할 필요가 있다.
그러나, 래디얼 베어링의 컴프레서 측 외측에 쓰러스트 베어링을 구비할 경우, 컴프레서 측의 윤활유 유로가 복잡하기 때문에, 공급된 윤활유가 베어링부로부터 배출되기 어려워져 윤활유에 의한 저항이 증대될 우려가 있었다.
특허문헌 1: 일본 실용실안 공개 소60-52352호 공보, ‘배기 터빈 과급기의 베어링 장치’ 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2002-54448호 공보, ‘내연기관용 배기 터빈식 과급기 및 과급 시스템’
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 래디얼 베어링의 컴프레서 측 외측에 쓰러스트 베어링을 구비하는 경우라도, 공급된 윤활유가 베어링부로부터 원활하게 배출되어 윤활유에 의한 저항을 저감할 수 있는 과급기를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따르면, 터빈 임펠러를 일단에 가지는 터빈축과, 터빈축으로 회전 구동되는 컴프레서 임펠러를 구비한 과급기로서,
터빈축에 작용하는 쓰러스트 힘을 회전 가능하게 지지하는 쓰러스트 베어링을 구비하고,
쓰러스트 베어링은 터빈축과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(thrust collar)와, 쓰러스트 칼라의 축방향 이동을 저지하는 터빈 측 쓰러스트 베어링 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링으로 이루어지고,
컴프레서 측 쓰러스트 베어링은 쓰러스트 칼라와 접하는 표면에 하우징 내부로부터 윤활유를 공급하는 오일 공급 유로와, 터빈축이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된 고리 모양의 홈과, 홈 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 오일 배출 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 과급기가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링과 컴프레서 임펠러 사이를 구분하는 고정 격벽과, 고정 격벽과 컴프레서 측 쓰러스트 베어링 사이에 위치하고 터빈축과 함께 회전하는 오일 쉴드 부재와, 오일 쉴드 부재와 고정 격벽 사이를 액체 밀봉되게 씰링하는 씰링 부재를 가지고,
상기 오일 쉴드 부재는 컴프레서 측 쓰러스트 베어링의 중공 관통홀보다 크고, 또한 터빈축에 거의 직교하는 수직면을 가진다.
상기 본 발명의 구성에 따르면, 쓰러스트 베어링이, 터빈축과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라와 터빈 측 쓰러스트 베어링 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링으로 이루어지므로, 터빈 측 쓰러스트 베어링 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링으로 쓰러스트 칼라를 파지(把持)하여, 터빈축에 작용하는 양방향의 쓰러스트 힘을 회전 가능하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링이, 쓰러스트 칼라와 접하는 표면에 하우징 내부로부터 윤활유를 공급하는 오일 공급 유로를 가지므로, 오일 공급 유로로부터 충분한 양의 윤활유를 공급함으로써, 컴프레서 임펠러로 향하는 방향의 큰 쓰러스트 힘을 컴프레서 측 쓰러스트 베어링과 쓰러스트 칼라 사이에 개재되는 윤활유로 저저항으로 그리고 확실하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링이, 터빈축이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된 고리 모양의 홈과, 홈 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 오일 배출 유로를 가지므로, 중공 관통홀의 내면과 터빈축의 틈으로부터 컴프레서 측으로 유출되려 하는 윤활유를 고리 모양 홈으로 포착(捕捉)하여, 여기에 모인 윤활유를 오일 배출 유로를 통해 하방으로 원활하게 낙하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 래디얼 베어링의 컴프레서 측 외측에 쓰러스트 베어링을 구비하는 경우에도, 공급된 윤활유가 베어링부로부터 원활하게 배출되어 윤활유에 의한 저항을 줄일 수 있고, 씰링 성능을 확보할 수 있으며, 과급기 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1a는 특허문헌 1의 베어링 장치의 종단면도이다.
도 1b는 도 1a의 B-B선에서 바라본 단면도이다.
도 2는 특허문헌 2의 과급기의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 과급기의 전체 구성도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 과급기의 전체 구성도이다. 도면에서 본 발명의 과급기(10)는 터빈축(12), 컴프레서 임펠러(14), 및 하우징을 구비한다. 하우징은 이 예에서는, 베어링 하우징(16), 터빈 하우징(18), 및 컴프레서 하우징(20)으로 이루어진다.
터빈축(12)은 터빈 임펠러(11)를 일단(도면에서 좌단)에 가진다. 이 예에서 터빈 임펠러(11)는 터빈축(12)에 일체로 형성되어 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며, 터빈 임펠러(11)를 별도로 부착하는 구성으로도 할 수 있다.
컴프레서 임펠러(14)는 터빈축(12)의 타단(도면에서 우단)에 축단 너트(15)에 의해 일체로 회전하게 연결된다.
베어링 하우징(16)은 터빈축(12)을 래디얼 베어링(17)으로 회전 가능하게 지지한다. 또한, 터빈축(12)은 쓰러스트 베어링(30)에 의해 축방향으로 이동하지 않게 지지된다.
터빈 하우징(18)은 터빈 임펠러(11)를 회전 가능하게 둘러싸고 또한 베어링 하우징(16)에 연결된다. 터빈 하우징(18)은 내부에 외부로부터 배기 가스가 도입되는 스크롤실(18a)과, 스크롤실(18a)로부터 터빈 임펠러(11)까지 배기 가스를 안내하는 고리 모양으로 형성된 유로(18b)를 가진다.
또한, 유로(18b)에는 복수의 노즐 날개(19)가 원주 방향으로 일정한 간격으로 배치된다. 노즐 날개(19)는 가변 노즐 날개이고 그 사이에 형성되는 유로 면적을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며 고정 노즐 날개로 할 수도 있다.
또한, 유로(18b)에 노즐 날개(19)가 없는 형태로도 할 수 있다.
컴프레서 하우징(20)은 컴프레서 임펠러(14)를 회전 가능하게 둘러싸고 또한 베어링 하우징(16)에 연결된다. 컴프레서 하우징(20)은 내부에 압축 공기가 도입되는 스크롤실(20a)과, 컴프레서 임펠러(14)로부터 스크롤실(20a)까지 압축 공기를 안내하는 고리 모양으로 형성된 유로(20b)를 가진다.
상술한 구성에 의하여, 엔진의 배기 가스로 터빈 임펠러(11)를 회전 구동하고, 이 회전력을 터빈축(12)을 통하여 컴프레서 임펠러(14)에 전달하고, 컴프레서 임펠러(14)로 공기를 압축하여 엔진에 과급할 수 있다.
도 3의 예에서는 과급기의 가속을 보조하기 위한 모터 로터(22) 및 모터 스테이터(24)를 구비한다. 모터 로터(22)는 전동기의 회전자이고, 모터 스테이터(24)는 전동기의 고정자이다. 모터 로터(22)와 모터 스테이터(24)에 의해 브러시리스의 교류 전동기가 구성된다.
모터 로터(22)는 바람직하게는 터빈축(12)에 고정된다.
한편, 본 발명에서는 과급기의 가속을 보조하기 위한 전동기는 반드시 필요하지는 않으며, 모터 로터(22) 및 모터 스테이터(24)는 없어도 된다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도면에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 쓰러스트 베어링(30)은 터빈축(12)과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(32)와, 쓰러스트 칼라(32)의 축방향 이동을 저지하는 터빈 측 쓰러스트 베어링(34) 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)으로 이루어진다.
컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)은 오일 공급 유로(36a), 고리 모양의 홈(36b), 및 오일 배출 유로(36c)를 가진다.
오일 공급 유로(36a)는 쓰러스트 칼라(32)와 접하는 표면(도면에서 좌면)에 베어링 하우징(16) 내부로부터 윤활유를 공급하는 기능을 가진다.
또한, 고리 모양 홈(36b)은 터빈축(12)이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된다.
또한, 오일 배출 유로(36c)는 고리 모양 홈(36b)의 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 기능을 가진다. 오일 배출 유로(36d)는 이 예에서는 하방을 향하여 거의 수직으로 마련되어 있지만, 터빈축의 회전에 수반하여 고리 모양 홈부(36b)에 모이는 윤활유에도 회전하고 있기 때문에, 그 회전력에 의해 하방으로 낙하하기 쉽게 하기 위하여 비스듬하게 개방하는 것도 효과적이다.
도 5는 도 4와 동일한, 본 발명의 다른 실시 형태도이다.
이 도면에서도 쓰러스트 베어링(30)은 터빈축(12)과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(32)와, 쓰러스트 칼라(32)의 축방향 이동을 저지하는 터빈 측 쓰러스트 베어링(도시하지 않음) 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)으로 이루어진다.
컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)의 형상은 이 도면에서는 평판 형상이다.
또한 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)은 도 4와 동일한 오일 공급 유로(36a), 고리 모양의 홈(36b), 및 오일 배출 유로(36c)를 가진다. 오일 배출 유로(36d)는 이 예에서는 하방을 향하여 비스듬하게 마련된다.
도 5는 모터 로터(22) 및 모터 스테이터(24)가 없는 점에서 도 4의 구성과 다르지만, 그 밖의 구성은 도 4와 동일하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 쓰러스트 베어링(30)이, 터빈축과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(32)와 터빈 측 쓰러스트 베어링(34) 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)으로 이루어지므로, 터빈 측 쓰러스트 베어링(34) 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)으로 쓰러스트 칼라(32)를 축방향으로 파지하여, 터빈축(12)에 작용하는 양방향의 쓰러스트 힘을 회전 가능하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)이, 쓰러스트 칼라(32)와 접하는 표면에 하우징 내부로부터 윤활유를 공급하는 오일 공급 유로(36a)를 가지므로, 오일 공급 유로(36a)로부터 충분한 양의 윤활유를 공급함으로써, 컴프레서 임펠러로 향하는 방향의 큰 쓰러스트 힘을 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)과 쓰러스트 칼라(32) 사이에 개재되는 윤활유로 저저항으로 그리고 확실하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)이, 터빈축(12)이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된 고리 모양의 홈(36b)과, 홈(36b) 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 오일 배출 유로(36c)를 가지므로, 중공 관통홀의 내면과 터빈축의 틈으로부터 컴프레서 측으로 유출되려 하는 윤활유를 고리 모양 홈(36b)으로 포착하여, 여기에 모인 윤활유를 오일 배출 유로(36c)를 통해 하방으로 원활하게 낙하시킬 수 있다.
본 발명의 과급기는 고정 격벽(26), 오일 쉴드 부재(28), 및 씰링 부재(29)를 가진다.
고정 격벽(26)은 이 예에서는 베어링 하우징(16)에 고정되고, 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)과 컴프레서 임펠러 사이를 구분하는 격벽이다.
오일 쉴드 부재(28)는 고정 격벽(26)과 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36) 사이에 위치하고, 터빈축(12)에 고정되며, 터빈축(12)과 함께 회전한다. 오일 쉴드 부재(28)는 컴프레서 측 쓰러스트 베어링(36)의 중공 관통홀보다 크고, 또한 터빈축(12)에 거의 직교하는 수직면(28a)을 가진다.
씰링 부재(29)는 오일 쉴드 부재(28)와 고정 격벽(26) 사이를 액체 밀봉되게 씰링한다.
이 구성에 의해, 고리 모양 홈(36b)에서 포착되지 않고 고리 모양 홈(36b)을 넘어 컴프레서 측으로 흘러 오일 쉴드 부재(28)의 수직면(28a)까지 도달한 윤활유를 오일 쉴드 부재(28)의 고속 회전에 의한 원심력으로 반경 방향 바깥쪽으로 날릴 수 있다.
따라서, 수직면(28a)의 축방향 반대 측에 위치하는 씰링 부재(29)까지 도달하는 윤활유량을 대폭 저감할 수 있고, 컴프레서 측의 씰링부에 도달하는 윤활유량을 줄일 수 있어, 씰링 성능을 확보할 수 있으며, 과급기 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.

Claims (2)

  1. 터빈 임펠러를 일단에 가지는 터빈축과, 터빈축으로 회전 구동되는 컴프레서 임펠러를 구비한 과급기로서,
    터빈축에 작용하는 쓰러스트 힘(thrust force)을 회전 가능하게 지지하는 쓰러스트 베어링(thrust bearing)을 구비하고,
    상기 쓰러스트 베어링은 터빈축과 함께 회전하는 원반 모양의 쓰러스트 칼라(thrust collar)와, 상기 쓰러스트 칼라의 축방향 이동을 저지하는 터빈 측 쓰러스트 베어링 및 컴프레서 측 쓰러스트 베어링으로 이루어지고,
    컴프레서 측 쓰러스트 베어링은 쓰러스트 칼라와 접하는 표면에 하우징 내부로부터 윤활유를 공급하는 오일 공급 유로와, 터빈축이 관통하는 중공 관통홀의 내면에 마련된 고리 모양의 홈과, 상기 홈 내부에 모이는 윤활유를 하방으로 낙하시키는 오일 배출 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 과급기.
  2. 제1항에 있어서,
    컴프레서 측 쓰러스트 베어링과 컴프레서 임펠러 사이를 구분하는 고정 격벽과, 상기 고정 격벽과 컴프레서 측 쓰러스트 베어링 사이에 위치하고 터빈축과 함께 회전하는 오일 쉴드 부재와, 상기 오일 쉴드 부재와 고정 격벽 사이를 액체 밀봉되게 씰링하는 씰링 부재를 가지고,
    상기 오일 쉴드 부재는 컴프레서 측 쓰러스트 베어링의 중공 관통홀보다 크고, 또한 터빈축에 거의 직교하는 수직면을 가지는 것을 특징으로 하는 과급기.
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