KR20200091803A - 터보기계 - Google Patents

Abstract

터보기계로서, 이 터보기계는 내부 쉘(13) 및 외부 쉘(14)에 의해 한정되며 임펠러(11)의 하류에 제공되는 디퓨저(12)와, 디퓨저(12)의 하류에 제공되는 수집 챔버(15)로서 디퓨저(12)가 입구 단면부에서 수집 챔버(15)에 반경방향으로 이어지는 것인 수집챔버와, 수집 챔버(15)에 인접하거나 또는 수집 챔버(15) 안으로 돌출되는 디퓨저(12)의 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)를 갖는다.
외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)는 수집 챔버(15)를 향하는 표면부(18)를 포함하고, 이 표면부는 횡단면에 있어 반경방향으로 연장된다. 수집 챔버(15)를 향하고 반경방향으로 연장되는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(18)는 횡단면에 있어 원호형 윤곽을 가진 표면부(19)와 함께, 디퓨저(12)를 향하는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(20)로 통합된다.

Description

터보기계{TURBOMACHINE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 터보기계에 관한 것이다.

터보과급기의 기본적인 구조는 여기서 다뤄지는 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 터보과급기는, 그 안에서 제1 매체가 팽창되는 터빈을 포함한다. 또한, 터보과급기는, 그 안에서 제2 매체가 압축, 즉, 제1 매체의 팽창 과정에서 터빈으로부터 추출된 에너지를 이용하여 압축되는 압축기를 포함한다. 터보과급기의 터빈은 터빈 하우징 및 터빈 로터를 포함한다. 터보과급기의 압축기는 압축기 하우징 및 압축기 로터를 포함한다. 터빈의 터빈 하우징과 압축기의 압축기 하우징 사이에는 베어링 하우징이 배치되며, 베어링 하우징의 한 쪽은 터빈 하우징에 연결되고 다른 쪽은 압축기 하우징에 연결된다. 베어링 하우징에는 샤프트가 장착되어 이 샤프트를 통해 터빈 로터가 압축기 로터에 결합된다.

DE 101 37 899 C1 에 의해, 축류 터빈으로 설계된 터보과급기의 터빈이 공지되어 있으며, 이 터빈은, 터빈 임펠러에 후속하되 내부 쉘 및 외부 쉘에 의해 한정되는 디퓨저를 포함한다. 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때, 수집 챔버가 디퓨저에 후속하고, 디퓨저는 반경방향으로 입구(mouth) 단면부에서 수집 챔버로 합류하거나 또는 수집 챔버로 이어진다. 배기 가스 유동 라인은 수집 챔버로부터 멀어지게 안내된다. 디퓨저의 외부 쉘의 출구측 또는 배출측 단부에는 수집 챔버 안으로 돌출되거나 수집 챔버에 인접한 엣지가 형성, 즉, 디퓨저의 입구 단면부에 인접하여 형성된다.

유동은, 바람직하게는, 디퓨저로부터 수집 챔버 안으로 방해받지 않는 방식으로 통과한다. 실제로 알려진 터보기계에서, 이는 어려운 것으로 판명되고 있다. 특히, 수집 챔버 안으로 돌출되거나 수집 챔버에 인접하는 디퓨저의 외부 쉘의 출구측 단부 영역에서 유동 분리가 발생할 수 있다. 이는 문제가 된다.

따라서, 디퓨저로부터 발산된 유동이 방해받지 않는 방식으로 디퓨저에 인접한 수집 챔버를 지나 흐를 수 있는 터보기계가 필요하다.

이로부터 시작하여, 본 발명은 새로운 유형의 터보기계를 생성하는 목적에 기초한다. 이러한 목적은 청구항 1에 따른 터보기계를 통해 달성된다.

본 발명에 따르면, 외부 쉘의 출구측 단부는 수집 챔버를 향하고 단면이 반경방향으로 연장되는 표면부를 포함한다. 수집 챔버를 향하고 반경방향으로 연장되는 외부 쉘의 출구측 단부의 표면부는 단면이 원호형 윤곽을 가진 표면부와 함께 디퓨저를 향하는 외부 쉘의 출구측 단부의 표면부로 통합된다.

본 발명에 따른 디퓨저 외부 쉘의 출구측에서의 터보기계 구성을 통해 디퓨저로부터의 유동이 방해받지 않는 방식으로 수집 챔버를 지나 흐르도록 보장될 수 있다. 특히, 유동 분리 및 와류를 피할 수 있다. 이러한 방법으로, 유동 손실은 최소화되고 효율은 증가될 수 있다.

바람직하게는, 원호형 윤곽을 가진 표면부는 수집 챔버를 향하는 표면부 및/또는 디퓨저를 향하는 표면부로 접선방향으로 통합된다. 출구 단부에서 디퓨저 외부 쉘의 이러한 윤곽은 유동 손실을 최소화하기 위해 특히 바람직하다.

유용한 추가 개량에 따르면, 반경방향으로 연장되는 디퓨저의 외부 쉘의 출구측 단부의 표면부는 다음 식: 0.1*X ≤ L ≤ X (여기서, X는 축방향에서 디퓨저의 입구 단면부의 치수)이 성립하는 반경방향 길이(L)를 갖는다. 더 유용한 추가 개량에 따르면, 원호형 윤곽을 가진 디퓨저 외부 쉘의 출구측 단부의 표면부는 다음 식: 0.1*X ≤ R ≤ X (여기서, X는 축방향에서 디퓨저의 입구 단면부의 치수)이 성립하는 반경(R)을 가진다. 특히 위 조건들 중 하나 또는 바람직하게는 양자 모두의 조건이 모두 충족되는 경우, 유동은 유동 손실을 최소화하도록 디퓨저로부터, 특히 유리하게는, 수집 챔버를 지나 흐를 수 있다.

바람직하게는 상기 터보기계는 축류 터빈이며, 특히 바람직하게는 터보과급기의 축류 터빈이다. 본 발명은 터보과급기의 축류 터빈으로서 형성된 터보기계에서 사용될 때 특히 유용하다.

본 발명의 더 바람직한 개량은 종속항 및 이하의 설명으로부터 얻어질 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은, 한정하려는 것은 아니지만, 도면을 통해 더 자세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 터보기계로부터 발췌한 개략적인 횡단면도.

도 1은 배기 가스 터보과급기의 축류 터빈(10)으로서 형성된 터보기계로부터의 발췌 부분, 즉 경선(meridian) 단면의 상당히 개략화된 횡단면을 도시하고, 여기에서 축류 터빈(10)의 임펠러(11)에 대한 축방향 유입 및 축방향 유출이 이루어진다. 터빈 임펠러(11)의 하류에 디퓨저(12)가 후속하고, 이 디퓨저는 축류 터빈(10) 내의 유동을 축방향에서 반경방향으로 변경시키며, 디퓨저(12)는 내부 쉘(13) 및 외부 쉘(14)에 의해 한정된다. 배기 가스의 유동 방향에서 보면, 디퓨저(12)에는 수집 챔버(15)가 후속한다. 디퓨저(12)를 경유하여 수집 챔버(15)로 진입하거나 수집 챔버(15)를 지나 흐르는 배기 가스는 도시되지 않은 유출 라인을 통해 수집 챔버(15)로부터 배출될 수 있다.

디퓨저(12)는 입구 단면부(16)로 수집 챔버(15)에 이어진다. 이미 설명한 바와 같이, 디퓨저(12), 따라서, 입구 단면부(16)는 한편으로는 내부 쉘(13)에 의해, 다른 한편으로는 외부 쉘(14)에 의해 한정된다.

디퓨저(12)의 출구측 단부(17), 따라서, 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)에서, 외부 쉘(14)은, 외부 쉘(14)의 출구측 단부가 수집 챔버를 향하는 표면부(18)를 가지도록 획정된 윤곽을 가지며, 횡단면, 즉, 도 1의 경선 단면에서 반경방향으로, 즉, 반경방향으로만 연장된다.

수집 챔버(15)를 향하고 경선 단면에서 반경방향으로만 연장되는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 이러한 표면부(18)는 횡단면 또는 경선 단면에서 원호형 윤곽을 가진 표면부(19)와 함께 디퓨저(12)를 향하는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(20)로 통합된다.

여기에서 바람직하게는, 원호형 윤곽을 가진 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(19)가 경선 단면에서 반경방향으로만 연장되는 수집 챔버(15)를 향하는 표면부(18)로, 그리고 디퓨저의 윤곽을 따르는 디퓨저(12)를 향한 표면부(20)로 통합되고, 각각에 있어 접선방향으로, 즉, 연속적으로 통합된다.

디퓨저(12)의 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)는 수집 챔버(15)에 인접하거나, 적어도 일부분이 수집 챔버(15) 내부로 돌출된다.

경선 단면에서 보았을 때, 외측에서 디퓨저(12)를 한정하는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)는 두 가지의 기하학적 특성치, 즉, 반경방향으로 연장되는 표면부(18)의 길이(L) 및 원호형 윤곽을 가진 표면부(19)의 반경(R)을 특징으로 한다.

바람직하게는 하기 조건 중 하나, 특히 바람직하게는 하기 조건 모두를 만족한다.

0.1* X ≤ L ≤ X

0.1* X ≤ R ≤ X

여기에서 L은 반경방향으로 연장되는 표면부(18)의 길이이고, R은 원호형 윤곽을 갖는 표면부(19)의 반경이며, X는 축방향에서 디퓨저의 입구 단면부의 치수이다.

디퓨저(12)의 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)는, 도 1의 경선 단면에서 외부 쉘(14)의 인접한 부분보다 더 두꺼운 벽 두께를 갖는 돌출형 두께 증가부를 형성한다.

입구 단면부(16)의 영역에서 디퓨저(12)를 한정하도록 형성된 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)를 구비하여, 디퓨저로부터 디퓨저(12)에 인접하는 수집 챔버(15)로의 유동이 특히 우수하게 손실 없이 전달되도록 보장될 수 있다. 유동 손실을 최소화함으로써, 터보기계의 효율은 증가될 수 있다.

본 발명은 바람직하게는 터보과급기의 축류 터빈에 사용된다. 본 발명은 이러한 적용에 특히 유용하게 사용되지만, 본 발명은 또한 디퓨저 및 이 디퓨저에 인접한 수집 챔버를 구비하는 다른 터보기계 - 여기서 디퓨저로부터 반경방향으로 발산되는 유동은 디퓨저에 인접하거나 후속하는 수집 챔버로 통합됨 - 에도 사용될 수 있다.

10 터보기계
11 임펠러
12 디퓨저
13 내부 쉘
14 외부 쉘
15 수집 챔버
16 입구 단면부
17 출구측 단부
18 표면부
19 표면부
20 표면부

Claims (9)

1. 터보기계에 있어서,
   임펠러(11)의 하류에 제공되며, 내부 쉘(13)과 외부 쉘(14)에 의해 한정되는 디퓨저(12);
   디퓨저(12)의 하류에 제공되는 수집 챔버(15)로서, 상기 디퓨저(12)는 입구 단면부(16)에서 상기 수집 챔버(15)에 반경방향으로 이어지는 것인, 수집 챔버(15); 및
   수집 챔버(15)에 인접하거나 또는 적어도 일부분이 수집 챔버(15) 안으로 돌출되는 디퓨저(12)의 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)를 포함하고,
   외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)는 수집 챔버(15)를 향하는 표면부(18)를 가지고, 상기 표면부(18)는 횡단면에 있어 반경방향으로 연장되며,
   수집 챔버(15)를 향하고 반경방향으로 연장되는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(18)는 횡단면에 있어 원호형 윤곽을 가진 표면부(19)와 함께 디퓨저(12)를 향하는 외부 쉘(14)의 출구측 단부(17)의 표면부(20)로 통합되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
2. 제1항에 있어서, 원호형 윤곽을 가진 상기 표면부(19)는 수집 챔버(15)를 향하는 상기 표면부(18)에 접선방향으로 통합되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원호형 윤곽을 가진 상기 표면부(19)는 디퓨저(12)를 향하는 상기 표면부(20)에 접선방향으로 통합되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수집 챔버(15)를 향하는 상기 표면부(18)는 횡단면에 있어 반경방향으로만 연장되는 것을 특징으로 하는 터보기계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반경방향으로 연장되는 상기 표면부(18)는 0.1*X ≤ L ≤X의 조건[여기서, X는 축방향에서 디퓨저(12)의 입구 단면부(16)의 치수]을 만족하는 길이(L)를 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원호형 윤곽을 가진 상기 표면부(19)는 0.1*X ≤ R ≤ X의 조건[여기서, X는 축방향에서 디퓨저(12)의 입구 단면부(16)의 치수]을 만족하는 반경(R)을 갖는 것을 특징으로 하는 터보기계.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터보기계는 축류 터빈인 것을 특징으로 하는 터보기계.
8. 제7항에 있어서, 상기 축류 터빈은 터보과급기의 터빈인 것을 특징으로 하는 터보기계.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 횡단면 각각은 경선 단면인 것을 특징으로 하는 터보기계.

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