KR100289549B1 - 반경류형 배기 터보과급기 터빈 - Google Patents

Abstract

독립적인 조절가능 안내날개 (18) 의 배열부를 갖는 반경류형 배기 터보과 급기 터빈에서, 상기 안내날개는 케이싱 (14) 내에 지지되어 있는 조절 샤프트 (19) 에 의해 턴이 가능하다.

상기 안내날개 (18) 의 익현의 길이는 이에 대응하는 상기 조절 샤프트 (19) 의 최대 직경 보다 작다. 축방향으로 보았을때, 각각의 상기 안내날개 (18) 의 날개 프로파일은 이에 대응하는 상기 조절 샤프트 (19) 의 반경 방향 외형선내에 완전히 포함된다. 이는 곧 상기 안내날개를 이에 대응하는 상기 조절 샤프트 및 상기 피봇 레버와 함께 일체형으로 설계할 가능성을 제공한다. 따라서 상기 일체형의 조절가능 유니트는 하나의 완성된 유니트로써 상기 케이싱 내로 삽입가능하거나 상기 케이싱으로 부터 제거가능하다.

Description

반경류형 배기 터보과급기 터빈

제 1 도는 배기 터보과급기에 의해 압력 과급된 4 - 실린더 내연 기관의 개략도,

제 2 도는 터빈의 부분 종단면도,

제 3 도는 터닝 기구 (turning mechanism) 의 정면도,

제 4 도는 연결링크를 갖는 피봇 선회하는 레버의 상세도,

제 5 도는 완전 개방된 캐스케이드형 안내날개 (gudide vane cascade) 를 갖는 상기 터닝 기구의 부분도,

제 6 도는 완전 폐쇄된 캐스케이드형 안내날개를 갖는 터닝 기구의 부분도,

제 7 도은 조절 샤프트용 베어링 장치의 부분 단면도,

제 8 도는 조절기구의 변형예의 부분도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 디젤엔진

2 : 배기 매니폴드 (exhaust manifold)

3 : 배기 파이프 4 : 터빈

5 : 콤프레서

6 : 과급 에어 라인 (charge - air line)

7 : 과급 에어 매니폴드

8 : 바이패스 라인 (bypass line)

9 : 조절 요소 (regulating element)

11 : 덕트 12 : 허브

13 : 베어링 홀 14 : 케이싱

15 : 로터 블레이트 (rotor blade)

16 : 로터

17 : 환상 공간부 (annular space)

18 : 조절가능 안내날개 (adjustable guide vanes)

19 : 조절 샤프트 (adjusting shaft)

20 : 링

21, 21b : 피봇 선회하는 레버 (pivoting lever)

21a : 신장된 피봇 선회하는 레버 (extended pivoting lever)

22 : 스프링 수단

23 : 덕트 벽 (duct wall)

24, 24′, 24″: 연결요소, 링크

24b : 연결요소, 체인 링크

25 : 피봇부 26 : 피봇 조인트부

본 발명은 케이싱 내에 지지되어 있는 각각의 조절 샤프트에 의해 턴 (turn) 이 가능한 독립적인 조절가능 안내날개들의 배열부 (row) 를 가지며, 각각의 상기 조절 샤프트가 피봇 선회하는 레버에 의해 구동되는 반경류 (radial - flow) 형 배기 터보과급기 터빈에 관한 것이다.

예를 들어, 터빈의 안내날개의 조절이 가능한 이러한 종류의 터빈들은 배기 터보과급기 분야에 충분히 공지되어 있다. 이러한 예들이 유럽특허 제 EP 226 444 B1 호 또는 유럽 특허 제 EP 227 475 B1 호에 기술되어 있다. 조절가능한 터빈용 안내날개는 주어진 재료처리량에 대해 더 큰 그라디언트를 발생시키기 위한 목적을 갖는다. 이는 터빈 동력과 터빈 회전 속도를 증가시키고 최종적으로는 추진 압력 (boost pressure) 을 증가시킨다. 고온 작동시에 안내날개의 재밍 (jamming) 현상을 방지하기 위하여, 일반적으로 안내날개는 적절한 틈새를 두고 설치되어야 한다. 특히 극한 작동 환경에서, 안내날개의 팁 (tip) 및 뿌리 (root) 에서 갭을 통과하는 유동류는 덕트내의 주 유동류에 대해 교란 현상을 발생시킨다. 유럽 특허 제 EP 226 444 B1 호에 따른 장치에서, 상기의 교란 현상은, 작동시에, 케이싱의 덕트벽을 가변 블레이드에 근접하게 축방향으로 변위 가능하게 설계하고, 또한 상기 덕트벽을 조절가능 날개로 압축하여 방지된다.

일반적으로, 유럽 특허 제 EP 226 444 B1 호 또는 유럽 특허 제 EP 227 475 B1 호에 도시된 바와 같이, 피봇 선회하는 레버들은 종래의 그루브 링 (grooved ring) 에 의해 구동된다. 상기 그루브 링은 회전 가능하므로 이에 따라 베어링 방식으로 설치되어야 한다.

또한 조절가능 날개의 구동 샤프트는 그 직경이 상기 조절가능 날개의 현 (chord) 의 직경보다 작다. 결과적으로 예를 들어 상기 조절가능 날개를 제거하는 경우, 상기 피봇 선회하는 레버는 상기 샤프트로부터 분리되어야 한다.

본 발명의 목적은 전술한 종류의 반경류형 터빈에 있어, 조절기구와 함께 안내 장치를 소수의 구성요소로 감소시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기의 목적은 각각의 상기 조절가능 안내날개의 현 (S) 의 직경이 상기 조절가능 안내날개에 결합된 조절 샤프트의 최대 직경보다 작으며, 또한 축방향에서 보았을때, 상기 조절가능 안내날개의 날개 프로파일 (vane profile) 은 상기 조절가능 안내날개에 결합된 상기 조절 샤프트의 반경 방향의 외측 외형선 (outer contour) 내에 완전히 놓인다는 사실에 의해 달성된다.

본 발명의 장점은 특히, 안내날개를 이에 결합된 조절 샤프트 및 피봇 선회하는 레버와 함께 일체형으로 설계할 가능성을 제공한다는 사실로 알수 있다. 이렇게 제조된 상기의 조절가능 유니트는 완전한 하나의 유니트로서, 케이싱의 내부에 접근하지 않고도, 상기 케이싱으로 도입되거나 또는 상기 케이싱으로 부터 제거될 수가 있다.

각각의 상기 조절가능 유니트는 축방향으로 변위 가능하고, 또한 상기 조절가능 유니트가 상기 안내날개의 팁 단부를 마주보고 있는 상기 케이싱의 덕트벽으로 스프링 수단에 의해 압축되는 것이 유리하다. 따라서, 상기 자유팁 단부 (free tip end) 지역에서의 안내날개 틈새를 방지하는 것이 가능하다.

만일 각각의 상기 조절 샤프트가 축방향으로 상호 인접한 두개의 베어링 구역을 구비한다면, 상기 베어링 구역 사이의 케이싱 내에, 합축 에어를 공급받을 수 있는 환상 공간부를 제공하는 것이 유리하다. 이에 따라, 한편으로는 상기 조절 샤프트를 냉각시키는 것이 가능하며, 다른 한편으로는 작업 물질 (working medium) 이 유동 덕트로부터 상기 베어링 구역을 경유하여 외부로 유출되는 것을 방지하는 것이 가능하다.

본 발명의 좀더 완벽한 이해와 그 장점들은 첨부된 도면 및 후술하는 상세한 설명에 의해 얻어진다. 첨부 도면은 반경 방향 터빈 입구를 갖는 단일 스테이지 배기 터보과급기 터빈을 도시한 것이다.

이하 첨부 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명을 이해하는데 필수적인 요소만이 도시되었다. 예를 들어 입구 및 출구 라인을 갖는 케이싱, 로터 및 그 베어링 장치 등은 제 1 도에 도시되지 않았다. 작업물질의 유동 방향은 화살표로 도시된다.

몇몇 도면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 부분에는 동일한 부호를 부여한다. 제 1 도에 도시된 내연기관은 디젤엔진으로 가정할 수 있다. 개개의 실린더에서 배출된 배기가스는 배기 매니폴드 (2) 내로 유입되며, 이 배기 매니폴드 내에서의 압력 서지 (pressure surge) 는 일정하게 된다. 실질적으로 일정한 압력을 갖게된 상기 배기 가스는, 배기 파이프 (3) 를 경유하여, 압력 집적 방식 (pressure build - up method) 으로 작동하는 터빈 (4) 내로 유입된다. 상기 터빈에 의해 구동되는 콤프레서 (5) 는, 대기압으로 도입되어 압축된 에어를, 과급 에어 라인 (6) 을 경유하여 과급 에어 매니폴드 (7) 로 수송하며, 상기 과급 에어 매니폴드로 부터 과급 에어는 개개의 상기 실린더 내로 유입된다.

상기 터빈은 조절가능 안내날개 (18) 들의 형태인 가변적인 동등 단면도로 도시되었다 (제 2 도).

제 2 도에 부분적으로 도시된 가스터빈은 스파이럴부 (spiral) 에서 불레이드 배열부로 유입하는 반경류와, 상기 블레이드 배열부에서 유출하는 축류를 갖는다. 덕트 (11) 와 접하는 벽은 케이싱 (14) 의 내부 좌측벽 및 우측벽이며, 덕트를 통해 공기가 로터 블레이드 (15) 의 상류로 유동한다.

상기 로터 블레이드 (15) 의 구역에서, 상기 덕트 (11) 는 그 내부에서 상기 로터 블레이드가 끼워진 로터 (16) 의 허브 (12) 와 접하며, 또한 그 외부에서는 대략 축 방향으로 연장하는 케이싱 (14) 벽과 접한다.

조절가능 안내날개 (18) 는 바람직하게는 그의 각각의 조절 샤프트 (19) 와 함께 일체형으로 설계된다. 상기 샤프트 (19) 는 케이싱 (14) 내에서 이 케이싱 (14) 을 관통하는 홀 (13) 내에 지지되며, 또한 홀로부터 돌출한 그의 단부에서, 상기 샤프트는 피봇 선회하는 레버 (21) 를 장착하고 있다. 상기 레버는 상기 조절 샤프트 (19) 및 상기 안내 날개 (18) 와 함께 일체형으로 설계되며, 예를 들어 캐스팅 (casting) 의 형태로 그 형상을 얻을 수 있다.

상기 조절 샤프트 (19) 를 냉각시키기 위하여, 상기 조절 샤프트의 주위로 압축 에러를 유동시키는 장치가 제공된다. 소정의 에어를 이용하기 위하여, 예를 들면 제 1 도에서, 그 안에 조절 요소 (9) 가 배치된 바이패스 라인 (8) 을 콤프레서의 상류에 제공하는 것이 가능하다. 상기 바이패스 라인 (8) 은 상기 가스터빈 (4) 의 케이싱 내로 열려 있다. 각각의 상기 조절 샤프트 (19) 는 축방향으로 인접한 두개의 베어링 구역을 구비한다. 케이싱의 베어링 홀 (13) 내의 상기 베어링 구역들 사이에는 압축 에어가 도입되는 환상 공간부 (17) 가 형성된다. 냉각 및 밀봉 기능을 실행하는 동안, 상기 압축 에어는 상기 조절 샤프트의 상기 베어링 구역 주위를 유동하면서, 베어링 갭을 경유하여, 한편으로는 가스 스트림 내로, 다른 한편으로는 대기중으로 유입한다.

제 2 도 특히 제 4 도에 도시된 바와 같이, 각각의 상기 안내날개 (18) 의 현 (S) 은 안내날개에 결합된 상기 조절 샤프트 (19) 의 최대 직경보다 작다. 축방향에서 도시된 바와 같이, 상기 날개의 프로파일은 안내날개에 결합된 상기 조절 샤프트의 반경 방향 최외측 외형선의 범위안에 완전히 포함된다. 따라서 상기 조절가능 안내날개 및 상기 조절 샤프트로 이루어지는 조절가능 유니트를 상기 베어링 홀에서 제거하는 것이 가능하다.

안내날개 (18) 의 자유 팁 단부에서 날개 틈새를 없애기 위하여, 각각의 상기 조절가능 유니트는 상기 베어링 홀 내에서 축방향으로 변위 가능하도록 설계된다. 제 7 도에 도시된 바와 같이, 상기 조절 샤프트 (19) 는 중공 샤프트의 형태로 설계되었다. 이 도면에서, 나선형 스프링 (22) 인 스프링 수단은 중공 공간부에 위치한다. 상기 스프링 수단은 상기 케이싱 (14) 에 적절한 방법으로 견고히 부착된 링 (20) 에 대항하면서 지지된다.

캐스케이드 (cascade) 형의 상기 안내날개 (18) 들의 실제 조절은 상기 피봇 선회하는 레버 (21) 에 의해 수행된다. 각각의 경우, 상호 인접한 두개의 상기 피봇 레버 (21) 는 연결요소에 의해 결합되어 이에 따라 상기 레버들이 동시에 피봇 선회하는 것을 보장한다. 제 2 도 내지 제 6 도에서, 상기 연결요소는, 핀을 구비한 플랫 링크 (flat link) 이다. 상기 핀은 피봇 선회하는 레버의 대응 홀에 결합된다. 상기 핀들이 상기 피봇 선회하는 레버 921) 에 부착되는 지점에서, 상기 핀들은 피봇부 (25) 를 형성한다.

상기 모든 피봇 레버가 동일한 각 운동을 하도록 하기 위하여, 상기 연결요소의 피봇부 (25) 들 사이의 거리 A 는 상호 인접한 상기 두 조절 샤프트 사이의 중심거리 B 와 일치하여야 한다.

상기 실시예의 경우에, 상기 링크는 두 부분으로 설계된다. 상기 링크들의 연결지점에서 두 부분 (24′, 24″) 은 제 3 의 피봇 조인트부 (26) 를 갖는다. 제 4 도에 도시된 바와 같이, 이러한 종류의 연결요소는 이 연결요소들의 제조 및 설치의 비정확성과 서로다른 열팽창의 차이를 보상할 수 있다.

상기 레버의 각 조절은, 예를 들어 콤프레서 구조의 공지된 수단과 같은, 여기서는 도시되지 않은 작동 수단에 의하여 수행된다. 이 목적을 위해 제 3 도에 도시된 바와 같이, 예를 들어 피스톤이 신장된 조절 레버 (21a) 상에 결합하는 것이 가능하다. 상기의 조절은 바람직하게는 추진 압력, 회전 속도 등과 같은 작동 파라메터의 함수로 자동적으로 실행된다.

제 5 도는 캐스케이드형의 안내 날개가 완전 개방위치에 놓인 경우의 부분 입면도이다. 여기서 에어는 정확한 각도에서 스파이럴부에서부터 캐스케이드형의 안내날개로 유입되므로 날개 유입 가장자리의 비 반경 위치 (non - radial position) 는 중요하지 않다.

제 6 도는 캐스케이드형의 안내날개가 완전 폐쇄 위치에 놓인 경우의 부분 입면도이며, 이는 터빈의 작동시에 최소 부분 부하 (part load) 를 받는 경우에 해당한다.

제 8 도는 상기 연결요소가 롤러 체인 형태의 체인 링크 (24b) 인 변형예를 도시한 것이다. 체인 조인트부를 형성하는 핀은 상기 연결요소의 피봇부 (25) 이며 피봇 선회하는 레버 (21b) 는 체인 휠의 형태로 설계된다.

명백하게도, 상기 교시의 관점에서 본 발명의 수많은 변경 및 변형은 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위 내에서 본 발명은 여기서 특정하게 기술된 것과 다르게 실시될 수 있다.

Claims (8)

1. 케이싱 내에 지지되어 있는 각각의 조절 샤프트에 의해 턴이 가능한 독립적인 조절가능 안내날개들의 배열부를 가지며, 각각의 상기 조절 샤프트가 피봇 선회하는 레버에 의해 구동되는 반경류형 배기 터보과급기 터빈에 있어서, 각각의 상기 조절가능 안내날개의 현이 상기 조절가능 안내날개에 결합된 상기 조절 샤프트의 최대 직경보다 작으며, 또한 축방향에서 보았을때 각각의 상기 조절가능 안내날개의 날개 프로파일이 상기 조절가능 안내날개에 결합된 상기 조절 샤프트의 반경 방향의 외측 외형선 내에 완전히 포함되는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 조절가능 안내날개는, 이에 결합된 상기 조절 샤프트 및 상기 피봇 선회하는 레버와 함께, 일체형으로 설계한 조절가능 유니트를 형성하는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 조절가능 유니트는 축방향으로 변위 가능하고 또한 스프링 수단에 의해 케이싱의 덕트 벽으로 압축 가능한 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
4. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 조절 샤프트는 축방향으로 상호 인접한 두 개의 베어링 구역을 제공하고, 상기 베어링 구역사이에 압축 에어를 공급받는 환상 공간부가 제공되는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
5. 제 1 항에 있어서, 상호 인접한 두개의 상기 피봇 선회하는 레버가 연결요소에 의해 연결되는 각각의 경우에, 상기 연결요소가 상기 피봇 선회하는 레버의 상기 연결요소의 부착 지점에서 피봇부를 갖고, 또한 상기 연결요소의 상기 피봇부들 간의 거리가 상호 인접한 두개의 상기 조절 샤프트 사이의 중심거리와 일치하는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 연결요소가 핀을 갖는 플랫 링크이고, 상기 핀이 상기 피봇 선회하는 레버의 대응 홀에 결합되는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 링크가 두개의 부분으로 설계되며, 또한 제 3 의 피봇 조인트부를 갖는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 연결요소가 롤러 체인 형태의 체인 링크이고, 체인 조인트부를 형성하는 핀이 상기 연결요소의 상기 피봇부를 형성하고 상기 피봇 선회하는 레버가 체인 휠의 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 반경류형 배기 터보과급기 터빈.