KR20140099200A

KR20140099200A - 축류 터빈 및 이를 포함하는 터보 과급기

Info

Publication number: KR20140099200A
Application number: KR1020140010435A
Authority: KR
Inventors: 비트 호우슈츠; 바츨라프 까레슈
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-08-11
Also published as: US9429162B2; CN103967541A; EP2762683B1; CN103967541B; US20140219790A1; EP2762683A3; EP2762683A2

Abstract

터보 과급기용 스테이터리스 또는 노즐리스 축류 터빈은 실질적으로 축방향으로 배기가스의 소용돌이 흐름을 수용하는 축류 터빈 휠을 갖는다. 터빈은 내연기관으로부터 별개의 배기가스 스트림을 각각 수용하는 복수의 별개의 배기가스 입구를 형성하는 섹터 분할형 터빈 하우징을 구비하며, 상기 섹터 분할형 터빈 하우징은 상기 터빈 휠을 둘러싸는 원주의 일부를 각각 차지하는 복수의 별개의 각을 이룬 섹터 통로를 더 형성하고, 상기 각을 이룬 섹터 통로는 원주방향으로 서로 연속하여 형성되고, 각각의 각을 이룬 섹터 통로는 복수의 배기가스 입구 중 해당하는 하나에 의해 배기가스를 공급받는다. 상기 터빈 하우징 조립체는 각각의 각을 이룬 섹터 통로를 위한 별개의 섹터 출구를 형성한다. 상기 터빈 하우징 조립체는 별개로 형성된 히트 슈라우드를 구비할 수 있고, 상기 섹터 출구는 상기 히트 슈라우드에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.

Description

축류 터빈 및 이를 포함하는 터보 과급기{AXIAL TURBINE WITH SECTOR-DIVIDED TURBINE HOUSING}

본 발명은 터보 과급기의 터빈이 왕복운동 엔진으로부터의 배기가스에 의해 구동되는 터보 과급기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 별개의 배출물 시스템에 의해 각각 공급되는 복수의 실질적으로 별개의 섹션으로 분할되는 터빈 하우징에 관한 것이다.

멀티-피스톤 왕복운동 엔진에서, 배출물 스트림에서 발생하는 압력 맥동을 이용하는 방식으로 배출물 시스템을 설계하는 것이 공지되어 있다. 특히, "펄스 분리(pulse separation)"로서 알려진 것을 이용하는 것이 공지되어 있으며, 여기서 엔진의 실린더는 복수의 서브 그룹으로 분할되고, 실린더의 서브 그룹 각각으로부터의 펄스는 각각의 서브 그룹을 위한 독립적인 배출물 통로를 가짐으로써 다른 서브 그룹의 것과는 실질적으로 격리된다. 펄스 분리를 가장 잘 이용하기 위해서는, 실린더의 별개의 그룹들 사이에 연통(communication) 또는 "크로스 톡(cross talk)"을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 터보 과급형 엔진의 경우에는, 터보 과급기의 터빈 내에 별개의 배출물 통로를 전면적으로 유지하는 것이 유리하다. 이에 따라, 배기가스를 공급하는 터빈 하우징은 일반적으로 복수의 실질적으로 별개인 부품으로 분할된다.

터빈 하우징을 분할하는데에는 기본적으로 2가지 방식, 즉 (1) 경선 분할(meridional division) 및 (2) 섹터 분할(sector division)이 있다. 경선 분할형 터빈 하우징에서, 터빈을 둘러싸고 배기가스를 공급하는 대체로 환형의 볼류트 또는 챔버는 경선면에서 복수의 통로로 분할됨으로써, 미국특허 4,027,994호의 도 4에 도시한 바와 같이, 각각의 통로가 전체의 원주를 차지하고 통로가 축방향으로 서로 연속한다.

본 발명은 섹터 분할형 터빈 하우징에 관한 것이다. 섹터 분할형 터빈 하우징에서, 대체로 환형의 챔버는 원주의 일부만을 각각 차지하는 각을 이룬 섹터로 분할됨으로써, 미국특허 6,260,358호의 도 2에 도시한 바와 같이, 통로가 원주방향으로 서로 연속한다. 또한, 본 도면은 챔버의 반경방향 내측에 바로 위치되며 터빈 휠 내로 흐름을 안내하는 가이드 베인(12)을 도시한다.

특히, 본 개시내용은 터보 과급기용 터빈 그리고 이러한 터빈을 갖는 터보 과급기에 관한 것으로서, 섹터 분할형 터빈 하우징은 별개의 배기가스 스트림을 "스테이터리스(statorless)" 축류 터빈으로 공급한다. 용어 "스테이터리스(statorless)"는 터빈이 회전하는 블레이드를 갖지만, 스테이터를 가지지 않음을 의미하며, 특히 블레이드 내로 흐름을 안내하기 위한 입구 스테이터를 갖지 않음을 의미한다. 이러한 입구 스테이터는 종종 축류 터빈 분야에서 "노즐"로 불리고, 그에 따라 본 개시내용의 축류 터빈은 "노즐리스(nozzleless)"로 불릴 수 있다.

이에 따라, 본원에 개시된 일 실시예에서, 스테이터리스 축류 터빈은 허브와, 상기 허브로부터 반경방향 외측으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 축류 터빈 휠과, 상기 축류 터빈 휠을 수용하는 터빈 하우징 조립체를 포함한다. 상기 터빈 하우징 조립체는 상기 터빈 하우징 내에 복수의 별개의 배기가스 입구를 형성하는 섹터 분할형 터빈 하우징을 포함한다. 각각의 배기가스 입구는 내연기관으로부터 별개의 배기가스 스트림을 수용한다. 상기 섹터 분할형 터빈 하우징은 상기 터빈 휠을 둘러싸는 원주의 일부를 각각 차지하는 복수의 별개의 각을 이룬 섹터 통로(separate angular sector passageways)를 더 형성하고, 상기 각을 이룬 섹터 통로는 원주방향으로 서로 연속하여 형성된다. 각각의 각을 이룬 섹터 통로는 복수의 배기가스 입구 중 해당하는 하나에 의해 배기가스를 공급받고 상기 배기가스를 가속하도록 내측방향으로 나선형으로 형성되어 수렴하는 수렴형 단면을 특징으로 한다.

상기 터빈 하우징 조립체는 각각의 각을 이룬 섹터 통로를 위한 별개의 섹터 출구를 형성하고, 상기 별개의 섹터 출구를 통해 상기 터빈 휠의 축방향으로 상기 터빈 휠의 입구 측 내에 해당하는 배기가스 스트림이 공급된다.

일 실시예에서, 상기 터빈 하우징 조립체는 상기 섹터 분할형 터빈 하우징과, 별개로 형성된 히트 슈라우드(separated formed heat shroud)를 포함하고, 상기 섹터 출구는 상기 히트 슈라우드에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.

상기 히트 슈라우드는 반경방향 플랜지부와, 상기 별개의 섹터 출구를 서로 분할하도록 나선형 방식으로 반경방향 내측 및 원주방향으로 연장되며 상기 반경방향 플랜지부에 연결되는 복수의 분할 벽을 갖는다.

일 실시예에서, 상기 히트 슈라우드는 상기 반경방향 플랜지부로부터 축방향으로 연장되며, 상기 터빈 휠으로의 축방향 입구의 반경방향 내측 경계부를 형성하도록 상기 터빈 휠의 입구 측을 향해 반경이 감소하는 테이퍼부를 갖는다.

상기 블레이드의 반경방향 외측 팁부에 의해 형성되는 상기 터빈 휠의 외경은, 상기 터빈 휠의 입구 측으로부터 출구 측으로 대체로 일정하다.

일 실시예에서, 2개의 배기가스 입구와, 2개의 각을 이룬 섹터 통로가 있으며, 상기 각을 이룬 섹터 통로 각각은 원주를 따라 실질적으로 180도를 차지한다. 그러나, 본 발명은 2개의 섹터에 한정되는 것이 아니라, 소망된다면 2개 이상이 이용될 수 있다.

일반적인 용어로 본 발명을 기술함에 있어서, 첨부한 도면에 참조가 이루어지며, 이는 반드시 축척되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 과급기의 축방향 단면도,
도 1a는 도 1의 확대도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 조립체의 단면도,
도 3은 터빈 조립체의 또 다른 단면도,
도 4는 터빈 조립체의 절결 입면도,
도 5는 터빈 조립체의 섹터 분할형 부재의 사시도,
도 6은 섹터 분할형 부재의 축방향 도면,
도 7은 섹터 분할형 부재의 측면도,
도 8은 터빈 조립체의 터빈 하우징의 절결 입면도.

이하, 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 충분히 기술될 것이며, 본 발명의 모든 실시예를 도시하지는 않는다. 실제로, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 채용될 수 있고, 본원에 개시된 실시예에 제한되는 것으로 의도되지 않아야 하고, 오히려 이들 실시예는 본 개시내용이 적용가능한 법적 요건을 만족하도록 제공된다. 유사한 참조부호는 전체적으로 유사한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 과급기(201)를 도시한다. 터보 과급기(201)는 미국특허 8,353,161호, 미국특허출원 12/799,182호, 미국특허출원 12/799,195 및 미국특허출원 12/799,196에 기술된 것과는 다수의 관점에서 유사하며, 이 모두는 본원에 참고로 편입된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 터보 과급기(201)는 터보 과급기 하우징과, 베어링 세트 상의 로터의 회전 축(203)을 따라 터보 과급기 하우징 내에서 회전하도록 구성된 로터를 구비한다. 터보 과급기 하우징은 터빈 하우징(205), 압축기 하우징(207), 및 터빈 하우징을 압축기 하우징에 연결하는 베어링 하우징(209)(즉, 레이디얼 및 스러스트 베어링을 수용하는 중앙 하우징)을 구비한다. 로터는 터빈 하우징 내에 실질적으로 위치된 축류 터빈 휠(211), 압축기 하우징 내에 실질적으로 위치된 반경방향 압축기 휠(213), 및 터빈 휠을 압축기 휠에 연결하고 회전 축(203) 둘레에서의 회전으로 압축기 휠을 구동하기 위해 터빈 휠을 제공하도록 베어링 하우징을 통해 로터 회전의 축을 따라 연장되는 샤프트(215)를 구비한다.

터빈 하우징(205)과 터빈 휠(211)은 엔진의 배출물 매니폴드로부터 고압 및 고온 배기가스를 수용하도록 구성된 터빈 또는 터빈 조립체를 형성한다. 터빈 휠(및 그에 따른 로터)은 터빈 휠의 복수의 블레이트(231)에 작용하는 고압 및 고온 배기가스에 의해 로터의 회전 축(203) 둘레에서 회전하여 구동된다. 배기가스는 블레이드를 통과하는 동안에 보다 낮은 총 압력으로 팽창되고, 터빈 출구(210)를 거쳐 배출물 시스템(미도시) 내로 후속적으로 축방향으로 해제된다.

터빈 휠(211)은 축류 터빈 휠(axial-flow turbine wheel)로서, 이는 유입하는 흐름이 휠에 실질적으로 반경방향 내측으로 지향되는 반경방향-유입 휠(radial-inflow wheel)과는 구별되는 바와 같이, (흐름이 실질적인 원주방향 또는 실질적으로 소용돌이 방향 성분을 가지지만) 배기가스가 실질적으로 축방향으로 휠에 도입함을 의미한다. 블레이드(231)의 반경방향 외측 팁부에 의해 형성된 바와 같이, 터빈 휠(211)의 외경은 터빈 휠의 입구 측으로부터 출구 측으로 대체로 일정하다.

압축기 하우징(207)과 압축기 휠(213)은 반경방향 압축기를 형성한다. 샤프트(215)를 거쳐 배기가스 구동형 터빈 휠(211)에 의한 회전으로 구동되는 압축기 휠은, 압축기로부터 원주방향 및 반경방향으로 배출되어 엔진 흡기부 상에 보내어질 수 있는 가압된 공기 스트림 내에 축방향으로 수용된 입력 공기(예컨대, 주위 공기 또는 다단 압축기 내의 기존 스테이지로부터의 이미 가압된 공기)를 압축하도록 구성된다.

도 1, 1a 및 2를 참조하면, 터빈 하우징(205)은 로터 회전 축(203)에 수직하며 그로부터 반경방향으로 오프셋된 방향으로 엔진으로부터 배기가스를 수용하도록 구성된 배기가스 입구 통로(217)를 형성한다. 배출물 스트림 내에서 발생하는 압력 맥동을 이용하는 방식으로 왕복운동 엔진의 배출물 시스템을 설계하는 것이 바람직하다. 특히, "펄스 분리(pulse separation)"로서 알려진 것을 이용하는 것이 공지되어 있으며, 여기서 엔진의 실린더는 복수의 서브 그룹으로 분할되고, 실린더의 서브 그룹 각각으로부터의 펄스는 각각의 서브 그룹을 위한 독립적인 배출물 통로를 가짐으로써 다른 서브 그룹의 것과는 실질적으로 격리된다. 펄스 분리를 가장 잘 이용하기 위해서는, 실린더의 별개의 그룹들 사이에 연통(communication) 또는 크로스 톡(cross talk)을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 터보 과급형 엔진의 경우에는, 터보 과급기의 터빈 내에 별개의 배출물 통로를 전면적으로 유지하는 것이 유리하다. 이로써, 터보 과급기의 터빈 하우징(205)은 섹터 분할형 터빈 하우징을 유리하게 포함한다. 구체적으로, 배기가스 입구 통로(217)는 2개의 별개의 통로(217a, 217b)를 형성하며, 하나의 통로는 엔진 실린더의 하나의 서브 그룹으로부터 배기가스를 수용하고, 다른 통로는 엔진 실린더의 다른 서브 그룹으로부터 배기가스를 수용한다. 또한, 터빈 하우징은 서로 분리되며 배기가스 입구 통로(217)의 별개의 통로(217a, 217b)를 거쳐 배기가스와 함께 각각 공급되는 2개의 각을 이룬 섹터(219a, 219b)로 분할된 대체로 환형의 챔버(219)를 형성한다. 본 발명에 따라 여러 가지 개수의 섹터가 이용될 수 있지만, 2개의 섹터가 도면에 도시되며, 소망된다면 2개 이상의 섹터가 이용될 수 있다.

도 1 내지 4는 본 발명에 따른 터빈 조립체의 일 실시예를 도시하며, 대체로 환형의 챔버(219)는 챔버의 원주의 대략 180도를 각각 차지하는 2개의 각을 이룬 섹터(219a, 219b)로 분할된다. 챔버는 터빈 하우징 내에 설치된 섹터 분할 부재(221)에 의해 섹터들로 분할된다. 상대적으로 고온의 터빈 하우징과 상대적으로 저온의 중앙 하우징 사이에서 히트 슈라우드로서 기능하는 섹터 분할 부재(221)는 (일반적으로 실질적인 원주방향 또는 접선방향 성분을 가지지만) 대체로 반경방향 내측으로 연장되는 한 쌍의 분할 "텅(tongues)" 또는 벽(223)을 형성한다. 분할 벽(223)은 각을 이룬 섹터(219a, 219b)의 출구를 서로 분할하는 터빈 하우징(205)의 해당하는 벽(206)의 연장부로서 효과적으로 기능한다. 다른 실시예(미도시)에서, 분할 벽(223)은 터빈 하우징(205)과 일체 형성됨으로써, 히트 슈라우드(221)가 섹터 분할에서 역할을 하지 않을 수 있다.

분할 부재(221)는 도 1 및 1a에 도시한 바와 같이, 터빈 하우징(205)과 중앙 하우징(209) 사이에 점유되거나 개재된 반경방향 플랜지부(225)를 갖는다. 분할 부재 또는 히트 슈라우드(221)는 도 5 내지 7에 격리되게 도시된다. 반경방향 플랜지부(225)로부터 짧은 거리로 대체로 관형의 축방향으로 연장되는 부분(226)이 연장되며, 이는 터빈 휠(211)로의 축방향 입구의 반경방향 내측 경계부를 형성하도록 축방향 및 반경방향으로 연장되는 테이퍼부(227)와 결합한다. 분할 벽(223)은 반경방향 플랜지부(225) 및 관형부(226)와 결합하며, 대체로 나선형 방식으로 반경방향 내측으로 그리고 원주방향으로 연장되어 테이퍼부(227)에 인접한 반경방향 내측 단부에서 종단(terminate)한다. 이에 따라, 분할 부재 또는 히트 슈라우드(221)는 터빈 휠(211) 내로의 배기가스 스트림 각각을 실질적으로 축방향으로 지향시킨다(즉, 블레이드(231)의 선단 에지에서 반경방향 속도 성분이 (거의) 없음).

본 실시예의 터빈은 베인리스(vaneless) 또는 스테이터리스(statorless) 설계(본원에서, "노즐리스(nozzleless)" 터빈으로 지칭됨)를 갖는다. 베인 또는 노즐을 갖는 설계와 비교할 때, 이러한 설계는 비용 효율적이고, (부품이 쉽게 부식될 수 있는 환경으로부터 부품을 제거한다는 점에서) 신뢰성이 있고, 마찰 압력 손실을 회피하며, 몇 가지의 작동 조건에서 흐름을 막을 수 있는 임계 목 영역(critical throat area)의 확립을 회피한다. 입구에 베인 또는 노즐이 없다는 것은, 휠(211)로 들어가는 흐름이 실질적으로 원주방향 또는 소용돌이 속도 성분을 가짐을 의미한다.

도 2 내지 4를 참조하면, 각을 이룬 섹터(219a, 219b) 각각은, 배기가스를 가속하도록 그리고 배기가스가 축방향 하류에서 터닝하여 블레이드(231)의 축방향 상류 단부에 충돌함에 따라 엔진(및 그에 따른 터보 과급기)의 적어도 몇 가지의 작동 조건 동안에 초음속을 성취하도록, 내측으로 나선 형상을 이루어 수렴하는 수렴형 단면을 특징으로 하는 내측방향으로 나선 형상인 통로를 포함한다. 이에 따라, 각을 이룬 섹터(219a, 219b)의 내경 내의 가속된 배기가스 스트림의 잠재적인 초음속 흐름은 실질적으로 축방향으로 터빈 휠(211) 내로 지향된다.

도 1을 참조하면, 압축기 하우징(207)과 압축기 휠(213)은 듀얼, 평행형 반경방향 압축기(dual, parallel, radial compressor)를 형성한다. 보다 상세하게, 압축기 휠은 2개의 연달아 배향된 임펠러 블레이드 세트를 갖는다. 제1 임펠러 블레이드 세트(301)는 그 방향으로부터 공기를 수용하도록 축방향 외측으로 면하는 (터빈으로부터 멀어지게) 입구를 갖는 종래의 구성으로 배향된다. 제2 임펠러 블레이드 세트(303)는 접선방향으로 제공된 공기를 수용하도록 축방향 내측으로 면하는 (터빈을 향해) 입구를 갖는 역전된 구성으로 배향되며, 제2 임펠러 블레이드 세트 내로 축방향으로 이동하도록 터닝된다. 제1 및 제2 임펠러 블레이드 세트는, 예컨대 도시한 바와 같이 단일의 일체형 휠의 형태로 제조될 수 있거나, 또는 복수의 부품의 조립체를 포함할 수 있다.

압축기 하우징(207)은 압축기 블레이드의 각 세트에 평행하게 입구 공기를 지향시키고, 각 압축기로부터 가압된 공기의 통로를 지향시키도록 구성된다. 본 실시예에서, 압축기 하우징은 2개의 별개의 축방향으로 배치된 공기 입구들, 즉 제1 압축기 블레이드(301)로 축방향으로 입구 공기를 통과시키도록 압축기 하우징의 일 단부에 인접하게 배치된 제1 공기 입구 통로(305)와, 제1 공기 입구 통로(305)로부터 분리된 제2 공기 입구 통로(307)를 포함한다. 압축기 휠(213)에 의해 제공된 가압된 공기는 단일의 디퓨저(311)를 통해 임펠러 블레이드의 각 세트(301, 303)로부터 압축기 볼류트(313)로 반경방향으로 지향된다.

이러한 듀얼-경로, 평행형 반경방향 압축기 구성은 비교가능한 단일-경로 반경방향 압축기보다 빠른 속도로 작동할 수 있고, 정상 상태 작동에서 실질적으로 축방향 부하를 생성하지 않을 수 있다. 일반적으로, 보다 빠른 작동 속도는 축류 터빈의 작동 속도와 보다 양호하게 일치할 것이다.

본 실시예의 구성은 다수의 이유에 대해 중요하다. 기술된 바와 같이, 터빈 휠(211)로의 입구로 전체적으로 연장되는 터빈 하우징의 섹터 분할은 실린더의 다른 서브 그룹으로부터의 배출물 스트림 내의 펄스로부터 엔진 실린저의 하나의 서브 그룹으로부터의 배출물 스트림 내의 펄스를 분리 또는 격리가능하게 보호한다. 이러한 펄스 분할은 개선된 밸브 충전 교환(valve charge exchange) 및 부스트 압력의 감소된 요건으로 인해 내연기관의 전체 효율을 개선시킨다.

추가로, 기술된 실시예의 구성은 소형 가솔린 구동형 엔진 상의 터보 과급기의 효율성을 제한하는 효율 제한사항을 극복하는데 특히 효과적인데, 여기서 종래의 축류 터빈의 실제적인 제한사항은 실제적이고 효율적인 사용에 대해 상대적으로 비효율적이다.

기술된 실시예는 소형 사이즈에서도 효율적으로 제조될 수 있는 대형 블레이드를 갖는 효율적인 터빈을 제공한다. 축류 터빈 블레이드의 비교적 큰 사이즈 및 적은 개수는, 보다 작은 블레이드가 종래의 주조 기술에 대해 너무 작을 수 있는 경우에 소형 사이즈에서 주조하는데 적합하다. 대형 블레이드는 매우 소형의 터빈에 적용될 때 제한될 수 있는 제조 공차를 필요로 하지 않는다.

특이하게, 축방향 부하 없는 터빈(no-axial-load turbine) 또는 축방향 부하 없는 압축기(no-axial load compressor)를 사용하면, 종래의 축방향 부하형의 대응한 것보다 덜 효율적이다. 더욱이, 터빈 및 압축기는 일반적으로 부분적으로 오프셋된 축방향 부하를 갖도록 구성된다. 이러한 부하가 완전하게 일치하지 않더라도, 이러한 부하는 축방향 부하로부터 적어도 얼마간의 완화를 제공한다. 하나의 구성요소(즉, 터빈 또는 압축기)만이 축방향 부하를 형성하지 않으면, 다른 구성요소로부터의 나머지 부하는 부분적으로 오프셋되지 않고, 더욱 많은 축방향 부하가 발생할수록, 보다 큰 스러스트 베어링을 필요로 한다.

본 발명에서, 축방향 부하 없는 압축기(no-axial load compressor)는 축방향 부하 없는 터빈(no-axial-load turbine)과 조합됨으로써, 훨씬 더 효율적인 스러스트 베어링의 사용을 허용한다. 일부 실시예에서, 스러스트 부하 요건은 종래의 대응하는 것의 20% 만큼 적을 수 있다. 이러한 적은 부하를 지탱하도록 구성된 베어링은 실질적으로 보다 에너지 효율적으로 채택될 수 있다. 그 결과, 시스템 구성요소 중 일부의 잠재적으로 보다 낮은 효율에도 불구하고, 터보 과급기의 전체 시스템 효율은 종래의 대응하는 것보다 상당히 높을 수 있다.

종래의 많은 터보 과급기가 하류 소용돌이를 생성하지 않도록 설계되지만, 본 발명의 일부 실시예는 네거티브 또는 포지티브 소용돌이를 생성하는 블레이드를 갖도록 구성될 수 있다. 본 발명 하에서의 터빈을 설계할 때, 하류의 소용돌이의 생성은 효율적인 에너지 추출보다는 적은 관심사로 고려되는 한편, 축방향 부하를 (거의) 생성하지 않을 수 있다.

본원에 개시된 본 발명의 다수의 수정 및 다른 실시예는 전술한 설명과 그와 관련된 도면에 제공된 교시에 대한 이점을 갖는 것으로 당업자를 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되는 것이 아니고, 첨부한 특허청구범위의 범위 내에 수정 및 다른 실시예가 포함되도록 의도되어야 한다. 본원에 특정 용어가 이용되지만, 일반적이고 설명을 위해서만 이용된 것이고, 제한을 목적으로 이용된 것이 아니다.

Claims

배기가스 구동형 터보 과급기(exhaust-gas-driven turbocharger)용 축류 터빈(axial turbine)에 있어서,
허브와, 상기 허브로부터 반경방향 외측으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 축류 터빈 휠과, 상기 축류 터빈 휠을 수용하는 터빈 하우징 조립체
를 포함하며,
상기 터빈 하우징 조립체는 상기 터빈 하우징 내에 복수의 별개의 배기가스 입구를 형성하는 섹터 분할형 터빈 하우징(sector-divided turbine housing)을 포함하며, 각각의 배기가스 입구는 내연기관으로부터 별개의 배기가스 스트림을 수용하고, 상기 섹터 분할형 터빈 하우징은 상기 터빈 휠을 둘러싸는 원주의 일부를 각각 차지하는 복수의 별개의 각을 이룬 섹터 통로(separate angular sector passageways)를 더 형성하고, 상기 각을 이룬 섹터 통로는 원주방향으로 서로 연속하여 형성되고, 각각의 각을 이룬 섹터 통로는 복수의 배기가스 입구 중 해당하는 하나에 의해 배기가스를 공급받고 상기 배기가스를 가속하도록 내측방향으로 나선형으로 형성되어 수렴하는 수렴형 단면을 특징으로 하고,
상기 터빈 하우징 조립체는 각각의 각을 이룬 섹터 통로를 위한 별개의 섹터 출구를 형성하고, 상기 별개의 섹터 출구를 통해 상기 터빈 휠의 축방향으로 상기 터빈 휠의 입구 측 내에 해당하는 배기가스 스트림이 공급되는,
축류 터빈.
제1항에 있어서,
상기 터빈 하우징 조립체는 상기 섹터 분할형 터빈 하우징과, 별개로 형성된 히트 슈라우드(separated formed heat shroud)를 포함하고, 상기 섹터 출구는 상기 히트 슈라우드에 의해 적어도 부분적으로 형성되는,
축류 터빈.
제2항에 있어서,
상기 히트 슈라우드는 반경방향 플랜지부와, 상기 별개의 섹터 출구를 서로 분할하도록 나선형 방식으로 반경방향 내측 및 원주방향으로 연장되며 상기 반경방향 플랜지부에 연결되는 복수의 분할 벽을 갖는,
축류 터빈.
제3항에 있어서,
상기 히트 슈라우드는 상기 반경방향 플랜지부로부터 축방향으로 연장되며, 상기 터빈 휠으로의 축방향 입구의 반경방향 내측 경계부를 형성하도록 상기 터빈 휠의 입구 측을 향해 반경이 감소하는 테이퍼부를 갖는,
축류 터빈.
제1항에 있어서,
상기 블레이드의 반경방향 외측 팁부에 의해 형성되는 상기 터빈 휠의 외경은, 상기 터빈 휠의 입구 측으로부터 출구 측으로 대체로 일정한,
축류 터빈.
제1항에 있어서,
2개의 배기가스 입구와, 2개의 각을 이룬 섹터 통로가 있으며,
상기 각을 이룬 섹터 통로 각각은 원주를 따라 실질적으로 180도를 차지하는,
축류 터빈.
터보 과급기에 있어서,
입구 스테이터를 갖지 않는 축류 터빈으로서,
허브와, 상기 허브로부터 반경방향 외측으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 축류 터빈 휠과, 상기 축류 터빈 휠을 수용하는 터빈 하우징 조립체를 포함하며,
상기 터빈 하우징 조립체는 상기 터빈 하우징 내에 복수의 별개의 배기가스 입구를 형성하는 섹터 분할형 터빈 하우징을 포함하며, 각각의 배기가스 입구는 내연기관으로부터 별개의 배기가스 스트림을 수용하고, 상기 섹터 분할형 터빈 하우징은 상기 터빈 휠을 둘러싸는 원주의 일부를 각각 차지하는 복수의 별개의 각을 이룬 섹터 통로(separate angular sector passageways)를 더 형성하고, 상기 각을 이룬 섹터 통로는 원주방향으로 서로 연속하여 형성되고, 각각의 각을 이룬 섹터 통로는 복수의 배기가스 입구 중 해당하는 하나에 의해 배기가스를 공급받고 상기 배기가스를 가속하도록 내측방향으로 나선형으로 형성되어 수렴하는 수렴형 단면을 특징으로 하고,
상기 터빈 하우징 조립체는 각각의 각을 이룬 섹터 통로를 위한 별개의 섹터 출구를 형성하고, 상기 별개의 섹터 출구를 통해 상기 터빈 휠의 축방향으로 상기 터빈 휠의 입구 측 내에 해당하는 배기가스 스트림이 공급되는, 상기 축류 터빈;
압축기 하우징 내에 장착된 압축기 휠을 포함하는 압축기로서, 상기 압축기 하우징은 상기 압축기 휠로부터 가압된 공기를 수용하는 압축기 토출 볼류트를 형성하는, 상기 압축기;
상기 압축기 휠에 부착된 일단부와, 상기 터빈 휠에 부착된 대향 단부를 갖는 샤프트; 및
상기 터빈 하우징 조립체와 상기 압축기 하우징 사이에 연결되며, 상기 샤프트를 위한 베어링을 수용하는 중앙 하우징 조립체
를 포함하는,
터보 과급기.
제7항에 있어서,
상기 터빈 하우징 조립체는 상기 섹터 분할형 터빈 하우징과, 별개로 형성된 히트 슈라우드(separated formed heat shroud)를 포함하고, 상기 섹터 출구는 상기 히트 슈라우드에 의해 적어도 부분적으로 형성되는,
터보 과급기.
제8항에 있어서,
상기 히트 슈라우드는 반경방향 플랜지부와, 상기 별개의 섹터 출구를 서로 분할하도록 나선형 방식으로 반경방향 내측 및 원주방향으로 연장되며 상기 반경방향 플랜지부에 연결되는 복수의 분할 벽을 갖는,
터보 과급기.
제9항에 있어서,
상기 히트 슈라우드는 상기 반경방향 플랜지부로부터 축방향으로 연장되며, 상기 터빈 휠으로의 축방향 입구의 반경방향 내측 경계부를 형성하도록 상기 터빈 휠의 입구 측을 향해 반경이 감소하는 테이퍼부를 갖는,
터보 과급기.
제7항에 있어서,
상기 블레이드의 반경방향 외측 팁부에 의해 형성되는 상기 터빈 휠의 외경은, 상기 터빈 휠의 입구 측으로부터 출구 측으로 대체로 일정한,
터보 과급기.
제7항에 있어서,
2개의 배기가스 입구와, 2개의 각을 이룬 섹터 통로가 있으며,
상기 각을 이룬 섹터 통로 각각은 원주를 따라 실질적으로 180도를 차지하는,
터보 과급기.