KR20190141089A - 가스 터보기계용 파열 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터보기계의 터빈 휠 하우징(10) 및/또는 압축기 하우징 주위에 조립하기 위해, 파이프의 적어도 하나의 파이프 섹션(2)으로 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트 형태로 형성되는 가스 터보기계용의, 특히 반경류 가스 터보기계용의, 파열 보호 장치(1)로서, 파이프의 둘레방향으로 보았을 때, 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트는 터빈 휠 하우징(10) 또는 압축기 하우징의 가스 또는 공기 출구용 중단부(U)를 구비하는 것인 파열 보호 장치에 관한 것이다.

Description

가스 터보기계용 파열 보호 장치{BURST PROTECTION DEVICE FOR A GAS TURBOMACHINE}

본 발명은 청구항 1에 따른 가스 터보기계용 파열 보호 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기한 가스 터보기계를 구비하는 내연 기관과, 상기한 파열 보호 장치를 구비하는 가스 터보기계에 관한 것이다.

배기가스 터보차저(ATL)라고 하거나 또는 흔히 터보라고도 하는 터보차저는 내연 기관의 선택적인 어셈블리이고, 성능 또는 효율을 향상시키는 역할을 한다.

배기가스 터보차저는 공통의 샤프트에 의해 서로 연결되어 있는 압축기와 터빈으로 구성된다. 터빈은 내연기관의 배기가스에 의해 구동되어, 압축기에 구동 에너지를 공급한다. 터보차저의 경우, 반경류 압축기와 구심 터빈이 대부분의 경우에 사용된다.

기본 원리는, 흡기 시스템에 있어서의 압력을 증가시키고, 이에 따라 자연 흡기 엔진을 이용한 경우보다 더 많은 외부 공기를 실린더 안으로 전달하며, 그 결과 효율을 증가시키기 위하여, 엔진 배기가스의 에너지의 일부를 이용하는 것에 있다. 따라서, 터보차저는 배기가스의 운동 에너지(펄스 터보차징) 및 압력(램 인덕션)을 이용할 수 있다. 추가적인 과급 공기 냉각기를 통해, 동일한 온도의 실린더에서 보다 높은 사용 압력이 확보될 수 있다.

개념적으로, 압축기와 터빈은 공기 안내 나선형 부분을 포함하는데, 이 공기 안내 나선형 부분은 터빈에서는 배기가스를 안내하는 역할을 하고 압축기에서는 엔진을 위한 유입 공기를 이송하는 역할을 한다.

예를 들어 과급 내연 기관의 배기가스 터보차저 등과 같은 현재 알려진 고성능 터보기계는, 터보기계의 회전 부품들의 기술적 고장의 경우에, 터보차저의 주변에 큰 위험이 된다. 특히, 터보기계의 바로 주변에 사람들이 존재하는 상황에서 작동하는 동안에는, 고장 발생시, 즉 파열 중에, 모든 부품이 안전하게 그리고 완전하게 차단되어 어떠한 사람에게도 상해를 입히지 못하는 것이 보장되어야 한다.

파편이 터보차저의 외벽을 관통하여 사람들을 위험에 빠뜨리거나 인접한 기계 구성요소들에 손상을 입히는 것을 방지하기 위하여, 이전의 터보차저에는 터빈 하우징에 있어서 터빈 임펠러의 반경방향 외측 영역에 비교적 두꺼운 벽이 마련되었다. 그러나, 이러한 해결책은, 예를 들어 하우징 중량의 상당한 증가 및 이러한 터빈 하우징의 낮은 주조성으로 인한 수축공 형성 위험 등과 같은 수많은 단점을 갖는다. 또한, 이러한 방식으로 두께가 증가된 하우징은 다르게 가열되어 열 균열을 초래할 수 있다.

DE 42 23 496 A1호에는 고속으로 회전하는 기계의 파열 부품의 운동 에너지를 감소시키기 위한 장치가 공지되어 있다. 축류 터빈의 내부에 배치되는 상기 장치는, 서로 연결된 복수 개의 보호 링으로 구성되는데, 이들 보호 링의 사이에는 연성 재료로 만들어진 크럼블 존이 각각 형성되어 있다. 그러나, 이러한 해결책은 반경류 터빈에는 적합하지 않은 데, 이는 반경류 터빈의 반경방향 가스 입구로 인하여, 반경류 터빈의 반경방향 영역에 파열 보호 장치가 이용될 수 없기 때문이다.

US 4,875,837 A호 공보에는, 다층 파열 보호부로서, 단열재가 철판에 도입되어 있고 터빈 하우징으로부터 거리를 두고 터빈 하우징의 나선형 부품에 부착되어 있는 것인 다층 파열 보호부가 공지되어 있다. 그러나, 상기 특허문헌에 기술된 다층 파열 보호부의 단점은, 이 다층 파열 보호부가 하우징의 나선형 부품의 120°의 각도 범위만을 둘러싸서 부분적으로 개방된 상태로 형성되어 있다는 점에 있다.

DE 196 40 654 A1호 공보에는, 터보차저용 반경류 터빈의 가스 입구 하우징의 외측에 마련되는 파열 보호부로서, 나선형 판금 커버로서 형성되고 복수 개의 나사에 의해 가스 입구 하우징에 탈착 가능하게 연결되는 것인 다른 파열 보호부가 공지되어 있다.

게다가, 구부러진 금속판이 나선형 부분 주위에 파열 보호부로서 배치되는 해결책으로서, 다만 상기 파열 보호부는 제조 비용을 줄이기 위해 간단한 구조로 이루어져 있고, 다만 상기 파열 보호부는 제한된 강도 및 강성만을 가지며, 작동 중에 발생하는 고유 진동수에 대한 반응으로서의 거동에 관하여도 또한 바람직하지 않은 특성을 갖는 것인 해결책이 공지되어 있다.

따라서, 본 발명의 과제는, 상기한 단점들을 피하고, 생산하기 간단한 안정성이 향상된 터보차저의 반경류 터빈용의 파열 보호 장치를 창출하여, 터보차저의 안정성을 더 향상시키며, 작동 중에 발생하는 고유 진동수로 인한 불리한 영향이 감소되게 하는 것이다.

상기한 과제는 청구항 1에 따른 특징의 조합을 통해 해결된다.

본 발명의 근본 개념은, 터빈 및/또는 압축기의 나선형부 주변에 각각 형성되며 층을 이루어 배치되는 하나 이상의 파이프 섹션으로 구성되는 파열 보호 장치를 형성하는 데 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적으로 통상의 파이프가 사용되는데, 이 통상의 파이프로부터 소기의 폭의 파이프 세그먼트를 절단하고, 가스 출구 또는 공기 출구를 위한 위치에서 절개하여, 벤드 세그먼트를 얻는다.

또한, 파이프의 파이프 섹션이 벤드 세그먼트의 형태인 경우 유리하다. 본 발명의 바람직한 형태에서는, 파이프 섹션 중의 벤드 세그먼트는 파이프의 둘레의 약 3/4를 이루거나 또는 파이프 섹션의 벤드 세그먼트는 약 260° 내지 280°의 벤드를 형성하는 것으로 상정되어 있다.

가스 터보기계, 특히 반경류 가스 터보기계의 압축기 하우징 및/또는 터빈 임펠러 하우징에 대한 어셈블리의 경우, 파이프 섹션은, 파이프의 둘레방향으로 보았을 때, 파이프 섹션의 벤드 세그먼트가 터빈 휠 하우징 또는 압축기 하우징의 가스 또는 공기 출구용 중단부를 구비하도록 구성되어 있다.

파이프 섹션의 벤드 세그먼트의 적어도 하나의 단부는 구부러져 있지 않고 반듯하게 연장되는 섹션을 형성하는 경우에 특히 유리하다. 이를 통해, 파열 보호부는 또한 터빈 휠 하우징 또는 압축기 하우징의 가스 또는 공기 출구에 대해 밀착된 채로 그 위쪽에서 이어질 수 있다.

하나 이상의 케이블, 바람직하게는 금속 와이어 케이블이, 파이프 섹션의 벤드 세그먼트의 외부 쉘을 따라 이어지며, 파이프 섹션에 부착되는 실시형태도 또한 유리하다. 여기서, 예를 들어 케이블에 의해 추가적으로 보강하는 것을 통하여, 파이프 구성요소의 벽 두께를 감소시키는 것이 가능하도록, 평행하게 이어지는 2개 이상의 금속 케이블이 외부 쉘에 대하여 신장될 수 있는 데, 이는 상기 케이블이 파이프 섹션의, 즉 파이프 섹션으로 형성된 파열 보호부의, 파열 위험을 감소시키기 때문이다. 이에 따라, 대형 구성요소들이 반경방향으로 빠져나가는 것이 추가적으로 방지된다.

본 발명의 더 바람직한 형태에서는, 상기 케이블은 케이블의 장력을 조정할 수 있도록 케이블 장력 조정 요소를 이용하여 상기 파이프 섹션에 부착되는 것으로 상정되어 있다. 또한, 케이블들이 스프링 요소를 이용하여 파이프 섹션에 부착되는 경우 바람직하다. 상기한 스프링 요소로 인해, 파이프 섹션들은 보다 얇은 벽 두께를 갖도록 구현될 수 있고, 가능하다면 케이블 직경을 줄일 수 있는 데, 이는 케이블의 탄성 배치를 통한 일종의 "제동 작용"이 이탈 구성요소에 대항한다는 점에서, 파열시 발생하는 운동 에너지가 스프링 요소에 의해 보다 양호하게 소산될 수 있기 때문이다.

케이블이 직접 또는 간접적으로 부착되는 파이프 섹션의 벤드 세그먼트에는, 유지 수단이, 바람직하게는 외측으로 돌출하는 웹이, 마찬가지로 유리하게 부착될 수 있다.

본 발명의 더 유익한 실시형태에서는, 파열 보호 장치는 복수의 부품들, 바람직하게는 차곡차곡 층을 이루며 배치된 복수의 파이프 섹션들로 이루어지는 복수의 부품들로 형성되는 것으로 상정되어 있다. 이러한 구성을 통해, 한편으로는 용례에 적합한 모듈형 해결책을 창출하는 것이 가능하고, 개별 파이프는 보다 얇은 벽 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 전술한 바와 같은 파열 보호 장치를 구비하는 가스 터보기계, 특히 반경류 가스 터보기계로서, 상기 파열 보호 장치가 가스 터보기계의 터빈 휠 하우징 또는 압축기 하우징 주변에 배치되는 것인 가스 터보기계에 관한 것이다. 분명히 파열 보호 장치는 터빈 휠 하우징과 압축기 하우징 각각의 주변에도 또한 배치될 수 있다.

가스 터보기계의 유리한 형태에서는, 터빈 휠 하우징 및/또는 압축기 하우징은 나선형 가스 덕트를 형성하고, 상기 나선형 가스 덕트는 (압축기의 경우에) 일측에 배기가스 공급부 또는 공기 공급부를 구비하며, 상기 파열 보호 장치는 파열 보호 장치의 중단부가 배기가스 공급부 또는 공기 공급부에 대한 통로를 제공하도록 상기 나선형 가스 덕트에 대해 결합되는 것으로 상정되어 있다.

본 발명의 다른 양태는 상기한 방식으로 설계된 가스 터보기계를 구비하는 내연 기관에 관한 것이다.

본 발명의 그 밖의 유익한 추가적인 개선예는, 종속 청구항에서 특징지어지며, 도면을 통한 본 발명의 바람직한 실시형태의 설명과 함께 보다 더 상세하게 이하에 제시된다. 도면에서,

도 1은 본 발명에 따른 파열 보호 장치의 예시적인 실시형태를 보여준다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 1에서는, 파열 보호 장치(1)의 예시적인 실시형태의 사시도가 터보차저 하우징 주위에 장착된 조립 상태로 도시되어 있다.

작동 상태에서, 나선형 가스 덕트(11)를 통과하는 배기가스 흐름에 의해 구동되는 터빈 휠(도시 생략)이 회전하는, 가스 터보기계의 터빈 하우징(10)이 도시되어 있다.

파열 보호 장치(1)는 파이프의 파이프 섹션(2)으로 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트 형태로 형성되며, 터빈 휠 하우징(10)의 주변에 배치된 그 조립 위치에서, 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트는, 파이프의 둘레방향으로 보았을 때, 중단부(U)를 구비한다. 파단 강도 및 노치 충격 강도에서 크게 신장되는 파이프 재료를 사용함으로써, 에너지는 상대적으로 작은 성분 크기로 최적화된 방식으로 소산되며, 이를 통해 중량 및 비용의 이점이 초래된다.

나선형 가스 덕트(11)를 형성하는 터빈 휠 하우징(10)은, 일측에 배기가스 공급부(12)를 포함하며, 파열 보호 장치(1)는 상기 중단부(U)가 상기 배기가스 공급부(12)에 대한 통로를 제공하는 방식으로 상기 나선형 가스 덕트(11)에 대해 결합된다.

게다가, 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트는 약 270°의 벤드를 형성하며, 도 1에서 그 연장선상에 있어서 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트의 상단부는, 구부러져 있지 않고 반듯하게 연장되는 섹션(2a)을 형성한다.

2개의 케이블(4), 즉 금속 와이어 케이블은 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트의 외부 쉘(3)을 따라 이어지며, 상기 2개의 케이블은 각각, 단부 측에서 파이프 섹션(2)에, 즉 유지 수단(6)에 부착되고, 상기 단부 측에 있는 유지 수단은, 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트 상에서 외측으로 돌출된다. 1개의 유지 수단(6)이 평평한 섹션(2a) 상에 형성된다. 유지 수단들(6)은 각각, 파이프 섹션(2)의 외부 쉘(3)에 대한 외측으로 돌출하는 웹으로서 부착되고, 케이블은 케이블 장력 요소(5) 및 스프링 요소(7)를 통하여 웹에 직접적으로 부착된다.

케이블의 장력이 조정될 수 있도록, 케이블 장력 조정 요소(5)는 스프링 요소(7)와 각 케이블(4)의 사이에 배치된다.

본 발명은 그 실시형태에서, 전술한 바람직한 예시적인 실시형태들에 제한되지 않는다. 이에 반하여, 도시된 해결책을 기본적으로 상이한 타입의 실시형태들과도 함께 이용하는 다양한 버전들이 고려될 수 있으므로, 예를 들어 케이블 장력 조정 요소(5)와 스프링 요소(7)의 조립 순서도 또한 반대일 수 있거나, 또는 개별 케이블들도 또한 스프링 요소없이 턴버클만을 이용하여 유지 수단에 부착될 수 있다.

Claims (11)

1. 가스 터보기계의, 특히 반경류 가스 터보기계의, 터빈 휠 하우징(10) 및/또는 압축기 하우징 주위에 장착하기 위해, 파이프의 적어도 하나의 파이프 섹션(2)으로 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트(bend segment) 형태로 형성되는 파열 보호 장치(1)로서, 파이프의 둘레방향으로 보았을 때, 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트는 터빈 휠 하우징(10) 또는 압축기 하우징의 가스 또는 공기 출구용 중단부(U)를 포함하는 것인 파열 보호 장치(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트는 약 260° 내지 280°의 벤드를 형성하는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트의 적어도 하나의 단부는 구부러져 있지 않고 반듯하게 연장되는 섹션을 형성하는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 케이블(4)은, 바람직하게는 금속 와이어 케이블은, 상기 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트의 외부 쉘(3)을 따라 이어지며, 상기 파이프 섹션(2)에 부착되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
5. 제4항에 있어서, 상기 케이블(4)은 케이블의 장력을 조정할 수 있도록 케이블 장력 조정 요소(5)를 이용하여 상기 파이프 섹션(2)에 부착되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 케이블(4)은 스프링 요소(5)를 이용하여 상기 파이프 섹션(2)에 부착되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이블(4)이 직접 또는 간접적으로 부착되는 상기 파이프 섹션(2)의 벤드 세그먼트에는, 유지 수단(6)이, 바람직하게는 외측으로 돌출하는 웹이, 단부 측에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 파열 보호 장치(1)는 복수의 부품들, 바람직하게는 차곡차곡 층을 이루며 배치된 복수의 파이프 섹션들(2)로 형성되는 것을 특징으로 하는 파열 보호 장치(1).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 파열 보호 장치(1)를 구비하는 가스 터보기계, 특히 반경류 가스 터보기계로서, 상기 파열 보호 장치는 가스 터보기계의 압축기 하우징 또는 터빈 휠 하우징(10) 주변에 배치되는 것인 가스 터보기계.
10. 제9항에 있어서, 상기 터빈 휠 하우징(10) 또는 압축기 하우징은 나선형 가스 덕트(11)를 형성하고, 상기 나선형 가스 덕트는 일측에 배기가스 공급부 또는 공기 공급부를 포함하며, 상기 파열 보호 장치(1)는 중단부(U)가 상기 배기가스 공급부 또는 공기 공급부에 대한 통로를 제공하도록 상기 나선형 가스 덕트(11)에 대해 결합되는 것을 특징으로 하는 가스 터보기계.
11. 제9항 또는 제10항에 따른 가스 터보기계를 구비하는 내연 기관.

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