KR101204078B1 - 가변 터빈 베인 구동부 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 구성의 추가로 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시키기 위하여, 제1 단이 압축기의 출구측에 유체적으로 연결되고 제2 단이 터빈의 가변 터빈 베인 구동부에 유체적으로 연결되는 냉각 파이프를 구비하며, 상기 압축기의 출구측으로부터 상기 냉각 파이프의 제1 단으로 바이패스된 냉각용 공기가 상기 냉각 파이프의 제2 단을 거쳐 상기 가변 터빈 베인 구동부로 흐름으로써 상기 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시키는 가변 터빈 베인 냉각장치를 제공한다.

Description

가변 터빈 베인 구동부 냉각 장치{Cooling apparatus of variable turbine vane driving system}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인 냉각 장치가 터보 차저에 구비된 모습을 도시하는 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

10: 압축기 13: 압축기 스크롤 케이스

14: 임펠러 15: 압축기 플랜지

16: 디퓨저(diffuser) 20: 터빈

21: 터빈 출구부 21a: 관통 홈

23: 터빈 스크롤 케이스 24: 터빈 블레이드

25: 터빈 플랜지 26: 가변 터빈 베인

27: 가변 터빈 베인 구동부 30: 샤프트

40: 냉각용 파이프 41: 제1 파이프

42: 제2 파이프 43: 제3 파이프

본 발명은 가변 터빈 베인 구동부 냉각장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 터보 차저(turbo charger)나 공기공급장치와 같은 터보 기계에서 터빈에 유입되는 유체의 유량을 조절하는 가변 터빈 베인의 개폐량을 조절하는 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시키는 가변 터빈 베인 구동부 냉각장치에 관한 것이다.

대표적인 터보 기계로서 가스 터빈 엔진이나 차량에 사용되는 터보 차저가 있다. 터보 차저는 엔진의 출력 증가를 위하여 연소 가스의 압력을 이용하여 압축기의 임펠러를 회전시켜 엔진의 흡입구 측에 압축 공기를 공급하는 장치이다. 이와 유사하게 연료전지 자동차에도 공기를 공급하기 위하여 공기 공급 장치가 사용되고 있다.

이러한 터보 기계에서는 터빈에 유입되는 연소 가스의 양을 조절하기 위하여 가변 터빈 베인과 가변 터빈 베인 구동부를 구비한다. 특히, 가변 터빈 베인은 연소 가스의 상태에 따라 쓰로트(throat) 열림량이 정밀하게 제어되어야 한다.

그런데, 터빈 입구 단으로 유입되는 고온의 배기가스가 터빈 스크롤 케이스와 가변 터빈 베인을 거쳐 터빈 블레이드를 회전시키고 터빈 출구단으로 나간다. 따라서 터빈은 압축기에 비하여 상당히 고온이다. 터빈의 각 부품의 온도가 너무 올라가면 열 변형이 발생하여 터빈의 성능이 저하 및 구조적으로 취약한 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 벤츄리 효과에 따른 압력차를 이용하여 압축기 입구 단에서 찬 공기를 뽑아서 터보 차저의 회전축인 로터를 통과하여 다시 압축기의 입구단의 벤츄리부로 유로를 형성하는 방법을 사용하는 경우가 있었다. 그런데, 이 방법은 압축기 입구 단에서 공기를 뽑아 쓰므로 충분한 냉각 공기를 공급하기가 어려웠고, 입구 단에 벤츄리부를 삽입해야만 하므로 압축기 입구단에서 유동 손실이 발생하는 단점이 존재하였다.

또 다른 방법으로서, 종래에는 터보 차저의 로터 주위에 재킷을 형성하고 재킷을 통해 물을 순환시키는 방법을 사용하였다. 그러나 이 방법은 외부로부터의 물 공급을 위한 물 공급 장치 및 밀폐를 위한 씨일(seal)을 추가적으로 설치하여야 하여야 하는 문제점이 존재하였으며, 물과의 접촉에 의해 부식이 발생할 수 있는 가능성이 커지는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 가변 터빈 베인을 구동하기 위하여 터빈 스크롤 케이스와 인접하게 위치함으로써 고온에 의한 열 변형이 발생할 가능성이 있는 가변 터빈 베인 구동부의 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 간단한 구성의 가변 터빈 베인 구동부 냉각장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 제1 단이 압축기의 출구측에 유체적으로 연결되고 제2 단이 터빈의 가변 터빈 베인 구동부에 유체적으로 연결되는 냉각 파이프를 구비하며, 상기 압축기의 출구측으로부터 상기 냉각 파이프의 제1 단으로 바이패스(bypass)된 냉각용 공기가 상기 냉각 파이프의 제2 단을 거쳐 상기 가변 터빈 베인 구동부로 흐름으로써 상기 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시키는 가변 터빈 베인 냉각장치를 개시한다.

이와 같은 간단한 구성에 의하여, 상기 압축기의 출구측으로부터 상기 냉각 파이프의 제1 단으로 바이패스된 냉각용 공기가 상기 냉각 파이프의 제2 단을 거쳐 상기 가변 터빈 베인 구동부로 흐름으로써 상기 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시킬 수 있다.

상기 압축기와 상기 터빈은, 상기 압축기의 입구단과 상기 터빈의 출구단이 동일한 축상에서 서로 반대 방향으로 향하도록 배치된다. 상기 가변 터빈 베인 구동부가 수용된 하우징에는 외부와 유체적으로 연결된 관통 홈이 형성될 수 있다. 좀 더 구체적으로 상기 가변 터빈 베인 구동부와 상기 터빈의 출구부는 유체적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 관통 홈을 터빈 출구부로 연결함으로써 터빈 출구단의 고속의 유동흐름에 의하여 관통홈을 통과하는 냉각공기가 빠져 나가도록 할 수 있다.

상기 가변 터빈 베인 구동부는 상기 터빈의 출구부보다 반경 방향으로 외측에 배치되되, 상기 터빈으로 유입되는 연소 가스를 안내하는 터빈 스크롤 케이스보다 반경 방향으로 내측에 배치되며, 상기 가변 터빈 베인 구동부는 상기 터빈에 유입되어 터빈 블레이드를 회전시키는 연소 가스의 유입량을 조절하는 가변 터빈 베인의 열림량을 조절한다.

이하에서는, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 가변 터빈 베인 구동부(27) 냉각장치는 터보 차저를 예로 들어 설명한다. 터보 차저는 엔진에서 배출된 연소 가스의 압력에 의하여 터빈 블레이드(24)를 구동시키고 터빈 블레이드(24) 축과 연동된 압축기의 임펠러 축이 회 전하면서 공기를 압축시켜 엔진에 많은 공기를 공급시킴으로써 엔진의 출력을 증가시키는 장치이다.

도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 베인 냉각 장치가 터보 차저에 구비된 모습을 볼 수 있다. 터보 차저는 압축기(10), 터빈(20) 및 압축기(10)와 터빈(20)을 연결하는 샤프트(shaft)(30)를 구비한다. 압축기(10)와 터빈(20)은 각각 등지고 서로 반대 방향으로 향하며, 샤프트(30)가 압축기(10)와 터빈(20)을 직접 연결하는 일명 back to back 방식으로 구성되어 있다.

압축기(10)는 터빈(20)에서 공급되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환시켜 공기의 포텐셜을 높이는 역할을 한다. 압축기(10)는 공기를 가속시키는 임펠러(14)와 가속된 공기의 흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 디퓨저(16)를 구비한다. 압축기(10)로 유입되는 공기는 유입부(11)를 통하여 유입되며, 유입부(11)의 내부에는 모터(17)가 더 구비될 수 있다. 모터(17)의 축은 샤프트(30)와 연결되어 엔진의 운전 시작 초기에 임펠러(14)를 회전시키기 위하여 사용된다.

임펠러(14)와 디퓨저(16)를 통하여 압축된 공기는 제1 스크롤 케이스(13)와 압축기 플랜지(15)에 의해 형성된 공간에 의하여 안내되어 압축기(10)의 출구단으로 향한다. 압축기(10)의 임펠러(14)와 디퓨저(16)를 통해 출구단으로 나온 공기는 저온, 고압의 상태가 된다.

터빈(20)은 고온의 연소 가스가 갖고 있는 압력과 운동에너지로부터 동력을 얻어내어 압축기(10)를 구동하는 역할을 한다. 터빈(20)은 터빈 블레이드(24), 가변 터빈 베인(26), 터빈 스크롤 케이스(23) 및 터빈 플랜지(25)를 구비한다. 연소 실에서 나온 고온 고압의 연소 가스는 터빈 스크롤 케이스와 터빈 플랜지에 의해 안내되어 터빈(20)으로 유입되며, 유입된 연소 가스는 가변 터빈 베인(26)을 거쳐 터빈 블레이드(24)를 통과하면서 터빈 블레이드(24)를 회전시킨다.

가변 터빈 베인(26)은 터빈 블레이드(24)의 반경 방향 외측에 장착되며, 터빈 블레이드(24)로 유입되는 연소 가스의 양을 조절하는 역할을 한다. 터빈(20)으로 유입되어 터빈 블레이드(24)를 회전시키는 고온 고압의 연소 가스는 터빈의 출구부(21)로 배출된다.

가변 터빈 베인(26)의 열림량을 조절하기 위하여 가변 터빈 베인 구동부(27)가 더 구비된다. 가변 터빈 베인 구동부(27)는 터빈의 출구(21)보다 반경 방향으로 외측에 배치되며, 터빈 스크롤 케이스(23)보다 반경 방향으로 내측에 배치된다. 가변 터빈 베인 구동부(27)는 외부의 액추에이터(미도시)와 연결되어 외부의 액추에이터에 의해 구동되며, 가변 터빈 베인 구동부(27)는 다시 가변 터빈 베인(26)의 열림각을 조절해주는 링크 기구들(미도시)로 구성된다. 가변 터빈 베인 구동부(27)는 터빈 스크롤 케이스(23)와 맞닿은 하우징에 의해 둘러싸인다.

이때, 터빈 스크롤 케이스(23)에는 고온의 연소 가스가 통과하므로 가변 터빈 베인 구동부(27)를 둘러싸는 하우징도 고온이 되고, 따라서 가변 터빈 베인 구동부(27)도 고온에 노출된다. 가변 터빈 베인 구동부(27)가 계속 고온에 노출되면 가변 터빈 베인 구동부(27)에서 열 변형이 발생하고, 이는 가변 터빈 베인(26)의 정밀한 개폐 제어를 방해하므로 가변 터빈 베인 구동부(27)를 냉각할 필요가 있다.

한편, 압축기(10)와 터빈(20)은 샤프트(30)에 의해 직접 연결된다. 샤프 트(30)는 축, 베어링 및 윤활부 등으로 이루어질 수 있다. 샤프트(30)에 의해 터빈 블레이드(24)의 회전력은 곧바로 압축기(10)의 임펠러(14)로 전달된다.

이하에서는 가변 터빈 베인 구동부(27) 냉각장치에 대하여 자세히 설명한다. 도 1에 도시된 가변 터빈 베인 구동부(27) 냉각장치는 냉각용 파이프(40)를 구비한다. 냉각용 파이프는 제1 파이프(41), 제2 파이프(42) 및 제3 파이프(43)로 이루어진다. 제1 파이프(41)의 일 단은 압축기(10)의 출구측, 구체적으로는 압축기 스크롤 케이스(13)의 일부와 유체적으로 연결되고, 제1 파이프(41)의 타 단은 제3 파이프(43)의 일 단에 유체적으로 연결된다. 그리고 제2 파이프(42)의 일 단은 제1 가변 터빈 베인 구동부(27)에 유체적으로 연결되며, 제2 파이프(42)의 타 단은 제3 파이프(43)의 타 단에 유체적으로 연결된다.

여기서, 두 부재가 유체적으로 연결된다는 의미는 두 부재에 소정의 유체, 예를 들면 냉각용 공기가 서로 흐른다는 것을 의미한다. 예를 들어 압축기 스크롤 케이스(13)와 제1 파이프(41)의 일 단이 유체적으로 연결된다는 것은 압축기 스크롤 케이스(13)로 부터 나온 냉각용 공기가 제1 파이프(41)의 일 단으로 드나들 수 있다는 것을 의미한다.

또한, 도면에는 도시되지 않았으나 냉각 장치의 다른 실시예로서 냉각용 파이프(41, 42, 43)의 사이에 열교환 장치가 더 구비될 수 있다. 상기 열교환 장치는 압축기(10) 출구측으로부터 나온 냉각용 공기와 열교환을 함으로써 냉각용 공기의 온도를 더 낮추어 터빈(20)의 가변 터빈 베인 구동부(27)로 들어가게 할 수 있다.

냉각용 파이프(41, 42, 43)는 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 스테인레스 스틸이 사용될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 냉각 장치로서 세 개의 냉각용 파이프(41, 42, 43)가 도시되어 있으나 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명의 보호범위는 냉각용 파이프의 특정 개수에 의해 제한되지 아니한다. 예를 들면, 본 실시예의 냉각 장치는 하나의 냉각용 파이프로 구성될 수 있으며, 그 경우 냉각용 파이프는 벤딩(bending)되어 있는 구조일 것이다.

이와 같은 구성에 의하여, 압축기(10)의 출구측과 터빈(20)의 가변 터빈 베인 구동부(27)는 제1 파이프(41), 제2 파이프(42) 및 제3 파이프(43)롤 통해 유체적으로 연결된다.

한편, 터빈(20)의 가변 터빈 베인 구동부(27)와 터빈의 출구부(21)는 유체적으로 연결된다. 이를 위하여, 터빈의 출구부(21)에는 관통 홈(21a)이 형성되어 있다. 따라서 압축기(10)의 출구측으로부터 냉각용 파이프들(41, 43, 42)을 통하여 흐르는 저온의 공기는 가변 터빈 베인 구동부(27)를 냉각시킨 후 관통 홈(21a)을 통하여 터빈의 출구부(21)로 배출된다.

이때, 압축기(10)의 출구측으로 나오는 냉각용 공기는 저온, 고압이고, 터빈의 출구(21)측으로 배출되는 공기는 저압이므로 압축기(10)의 출구측으로부터 터빈의 출구(21)측으로 향하는 냉각용 공기의 흐름이 자연스럽게 형성될 수 있다. 따라서 가변 터빈 베인 구동부가 수용된 하우징에 관통 홈이 없을 때와 비교하여 냉각 효율이 향상될 수 있다.

이상과 같이, 간단한 구성의 냉각 장치를 이용하여 가변 터빈 베인 구동부(27)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서 가변 터빈 베인 구동부(27)의 열 변형을 방지하고, 더 나아가 가변 터빈 베인(26)의 열림량을 정밀하게 제어할 수 있다.

지금까지는 터보 차저를 예로 들어 본 실시예에 따른 가변 터빈 베인 냉각장치를 설명하였으나, 본 실시예에 따른 가변 터빈 베인 냉각장치는 터보 차저 뿐만 아니라 연료 전지 자동차의 공기공급장치, 항공기용 보조 동력 장치(auxiliary power unit), 가스 터빈 엔진 등에도 사용될 수 있다.

본 실시예에 따른 가변 터빈 베인 구동부 냉각장치는 압축기의 출구측과 가변 터빈 베인 구동부를 유체적으로 연결하는 냉각용 파이프들을 구비한다. 그럼으로써 간단한 구성의 냉각 장치를 이용하여 압축기 출구측으로부터 나온 저온 고압의 냉각용 공기를 고온의 가변 터빈 베인 구동부로 흐르게 함으로써 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 제1 단이 압축기의 출구측에 유체적으로 연결되고 제2 단이 터빈의 가변 터빈 베인 구동부에 유체적으로 연결되는 냉각 파이프를 구비하며,

   상기 압축기의 출구측으로부터 상기 냉각 파이프의 제1 단으로 바이패스된 냉각용 공기가 상기 냉각 파이프의 제2 단을 거쳐 상기 가변 터빈 베인 구동부로 흐름으로써 상기 가변 터빈 베인 구동부를 냉각시키며,

   상기 압축기와 상기 터빈은, 상기 압축기의 입구단과 상기 터빈의 출구단이 동일한 축상에서 서로 반대 방향으로 향하도록 배치되고,

   상기 가변 터빈 베인 구동부는 상기 터빈의 출구부보다 반경 방향으로 외측에 배치되되, 상기 터빈으로 유입되는 연소 가스를 안내하는 터빈 스크롤 케이스보다 반경 방향으로 내측에 배치되며, 상기 가변 터빈 베인 구동부는 상기 터빈에 유입되어 터빈 블레이드를 회전시키는 연소 가스의 유입량을 조절하는 가변 터빈 베인의 열림량을 조절하는 가변 터빈 베인 냉각장치.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 가변 터빈 베인 구동부가 수용된 하우징에는 외부와 유체적으로 연결된 관통 홈이 형성된 가변 터빈 베인 냉각장치.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 가변 터빈 베인 구동부와 상기 터빈의 출구부는 유체적으로 연결된 가변 터빈 베인 냉각장치.
5. 삭제

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