KR101829362B1 - 배기가스 터보차저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기(2), 터빈(3), 및 베어링 하우징(4)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)에 관한 것으로, 베어링 하우징은 일 측이 압축기(2)와 연결되며 타 측의 터빈측 단부(5)가 터빈(3)과 연결되고, 터빈측 단부(5)에서 오일 수집 챔버(6)를 구비하며, 로터 샤프트(8)를 위한 평베어링 장치(7)를 구비하고, 평베어링 장치는, 내부 베어링면과 외주면을 가진 압축기측 베어링(9'), 및 압축기측 베어링(9')과 축방향으로 이격되며 내부 베어링면(11)과 외주면(12)을 가진 터빈측 베어링(10')을 포함하고, 압축기측 베어링(9')과 터빈측 베어링(10')은 상이한 설계로 이루어진다.

Description

배기가스 터보차저{EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 배기가스 터보차저에 관한 것이다.

일반적인 배기가스 터보차저에서, 터빈측 레이디얼 베어링 부시의 내부 및 외부 베어링 폭은 베어링 하우징의 베어링 보어 내부에 축방향으로 배치된다. 여기서, 베어링 간격은 두 베어링 부시의 축방향 중심들 간의 간격이다. 상기 베어링 간격은 로터 안정성에 상당한 영향을 미치고, 이는 또한 내부 및 외부 윤활유 갭들의 설계에 의해 상당한 크기로 결정된다.

다른 한편으론, 더욱더 조밀한 설치 공간에 대한 요구로 인해, 가능한 한 작은 베어링 공간을 필요로 하고, 이는 베어링 안정성에 악영향을 미친다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 로터 안정성 및 음향 특성을 개선하는 한편, 적어도 대략적으로 동일한 베어링 하우징 치수를 유지하는, 청구범위 제1항의 전제부에 명시된 유형의 배기가스 터보차저를 제공하는 데에 있다.

상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

적어도 실질적으로 압축기측 베어링과 터빈측 베어링이 동일한 설계로 이루어지는 종래 기술과 반대로, 본 발명은 음향학적 관점 및 동시에 로터 동력학적 관점에서 로터 샤프트의 베어링 장치를 개선하기 위해, 불균일한 하중의 결과로 터빈측과 압축기측에 상이한 베어링들이 구비된다는 인식에 기반하고 있다. 압축기 휠과 터빈 휠의 상이한 질량 및 이들의 베어링 포인트로부터의 간격으로 인해, 전체 로터의 무게 중심은 베어링 포인트들 간의 기하학적 중심에 놓이지 않으며, 그에 따라 불균일한 베어링 하중을 초래한다.

여기서, 베어링의 음향 특성은 유막에서 발생하는 저조파 진동에 의해 결정된다. 유막의 특성은 결국 베어링들의 기하학적 치수에 의해 결정된다. 베어링들의 가변적인 구성요소들로는, 기본적으로, 장착될 로터 샤프트, 베어링들의 베어링 부시들, 및 베어링 하우징 혹은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 베어링 장치의 베어링 부시들이 배치되는 베어링 하우징 영역들이 있다.

이런 목적으로, 먼저, 기본적으로, 베어링 부시들이 배치되는 영역 내의 로터 샤프트의 샤프트 직경을 변화시킬 수 있고, 특히 베어링들 간의 샤프트 섹션에 비해 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 베어링들 간의 영역으로부터 진행되는 약간 경사진 면을 구비할 수 있고, 상기 경사면은 샤프트 직경의 점진적인 증가를 가능하게 한다. 대안적으로는, 샤프트 직경의 단계적인 증가를 가능하게 하는 샤프트 숄더를 구비하는 것이 마찬가지로 가능하다.

베어링 부시들 자체는 외경 및/또는 내경의 관점에서 압축기측과 터빈측에서 상이한 설계로 이루어질 수 있다. 따라서, 압축기측과 터빈측 중 일 측의 외경 및/또는 내경이 각각의 경우의 타 측에 비해 증가하거나 감소할 수 있다.

또한, 내부 및/또는 외부에서의 베어링 폭을 상이하게 설계할 수 있다.

최종적으로, 베어링면들의 형상을 상이하게 설계할 수 있다. 예컨대, 하나의 베어링면(예컨대, 압축기측 베어링면)에 홈들이 형성될 수 있는 반면, 다른 베어링면(이 경우, 터빈측 베어링면)은 홈 없이, 즉 평활면으로 형성될 수 있다. 물론, 각각의 경우의 반대측에 홈들을 구비하거나 생략하는 것이 마찬가지로 가능하다. 베어링 부시들의 외주면에 홈들을 구비하는 것도 마찬가지로 생각해 볼 수 있다. 이 경우에도 역시, 압축기측과 터빈측 중 일 측의 외주면은 홈들이 구비되거나 홈 없이 형성된다.

마지막으로, 압축기측과 터빈측에서 베어링 부시들을 위한 베어링 하우징의 수용 보어들을 상이하게 설계할 수 있다. 이는 다시 수용 보어들의 직경, 수용 보어들의 폭, 및 수용 보어들의 형상과 관련되고, 여기서 다시 압축기측과 터빈측 중 일 측에 홈들을 형성하고, 각각의 경우의 타 측에 홈을 형성하지 않는 것이 가능하다. 이런 목적으로, 오일 공급 보어가 개방되는 일부 원주 영역의 베어링 하우징 보어에 낫(sickle) 형상의 홈들을 구비하는 것이 바람직하다.

종속 청구항들은 본 발명의 유리한 개선들에 관한 것이다.

터빈측 오일 수집 챔버의 축방향 범위가 로터의 장착을 위해 사용되므로, 베어링 하우징의 치수를 변화시킬 필요 없이 (로터 및 베어링 부시들 간의) 내부 베어링 간격을 증가시킬 수 있다. 여기서, 베어링 부시의 전체 내부 베어링면 폭은 변화되지 않지만, 바람직하게는 2개의 베어링면 영역들로 분할된다. 로터의 접촉 숄더를 변경함으로써, 상기 목적을 위해 로터 상에 요구되는 설치 공간을 확보할 수 있다.

또한, 개선된 로터 안정성을 이용하여 베어링 하우징의 치수를 감소시킬 수 있다(베어링 간격을 감소시킬 수 있다).

아울러, 베어링 장치의 조립을 단순화하기 위해, 베어링 부시가 대칭 설계로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 상세들, 이점들, 특징들은 첨부 도면에 기반하는 예시적인 실시예들의 후술하는 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제1 실시예의 약간 단순화된 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 원 안에 나타낸 터빈측 베어링 부시의 확대 사시도를 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 베어링 부시의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제2 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 5는 도 4의 원 안에 나타낸 터빈측 베어링 부시의, 도 2에 상응하는 도면을 도시한다.
도 6은 도 5에 따른 베어링 부시의, 도 3에 상응하는 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제3 실시예의, 도 1 및 도 4에 상응하는 도면을 도시한다.
도 8은 터빈측 베어링 부시의 대안적인 실시예의, 도 2 및 도 5에 상응하는 도면을 도시한다.
도 9는 도 8에 따른 베어링 부시의, 도 3 및 도 6에 상응하는 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제4 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제5 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제6 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제7 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제8 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 제9 실시예의, 도 1에 상응하는 도면을 도시한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 배기가스 터보차저(1)의 제1 실시예를 도 1 내지 도 3에 기반하여 설명할 것이다. 배기가스 터보차저(1)는 도 1에 단순화된 형태로 개략적으로 도시되어 있다. 상기 배기가스 터보차저(1)는 압축기(2), 터빈(3), 및 베어링 하우징(4)을 포함한다. 베어링 하우징(4)의 일 측은 압축기(2)와 연결되고, 타 측의 터빈측 단부(5)는 터빈(3)과 연결된다. 베어링 하우징(4)은 터빈측 단부(5)에서 오일 수집 챔버(6)를 구비하고, 로터 샤프트(8)를 위한 베어링 장치(7)를 구비하되, 여기서 베어링 장치(7)는 압축기측 베어링 부시, 및 이와 축방향으로 이격된 터빈측 베어링 부시(10)를 포함한다. 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 터빈측 베어링 부시(10)는 내부 베어링면(11) 및 외주면(12)을 가진다.

도 1의 원형 영역에 의해 나타낸 바와 같이, 터빈측 베어링 부시(10)는 오일 수집 챔버(6)의 영역 내로 연장된다. 베어링 부시(10)의 축방향 범위를 위해 오일 수집 챔버(6)를 활용하면, 로터 및 베어링 부시들 간의 내부 베어링 간격의 증가로 인해 로터 안정성이 개선된다는 이점이 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 내부 베어링면(11)은 2개의 이격된 베어링면 영역들(13, 14)로 분할되는데, 여기서 베어링면 영역들(13, 14)은 반경방향 외부로 함몰된 간극(15)에 의해 서로 분리된다. 2개의 베어링면 영역들(13, 14)로 분할되었음에도 불구하고, 베어링 부시의 전체 베어링면 폭은 변화된 것이 없다. 여기서, "반경방향 외부"의 정의는 터보차저(1)의 종축(L)에 직각을 이루는 화살표 방향(R)의 오프셋을 의미하는 것으로 이해되어야 한다(도 1 참조).

제2 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 터빈측 베어링 부시(10)는 연속적인 외주면(12)을 가진 대칭 설계로 이루어진다.

도 5에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 터빈측 베어링 부시(10)는 숄더(16)에 의해 2개의 외주면 영역들(17, 18)로 분할되는 외주면(12)을 구비하여 형성된다.

도 10 내지 도 15에 기반하여 설명되는 본 발명에 따른 배기가스 터보차저(1)의 후술하는 실시예들에서는, 대응하는 기술적인 특징들을 전술한 실시예들에서와 같은 도면부호들로 나타내고, 그에 따라 상기 대응하는 특징들에 대해 전술한 설명을 참조할 수 있다.

도 10은 베어링 부시들(9, 10)의 내경 및 외경의 변화를 보여준다. 압축기측(베어링 부시(9))의 직경의 증가로 인해, 내부 윤활갭이 더 크게 형성되고, 외부 갭이 더 작게 형성된다.

도 11은 축방향으로 나선형으로 진행되는 홈 또는 축방향으로 평행한 축홈의 형성에 의해 변경된 형태의 내부 베어링면(11)을 가진 베어링 부시들(9, 10)을 도시한다.

도 12는 베어링 하우징 보어가 유막에 미칠 수 있는 영향을 보여준다. 먼저, 압축기측과 터빈측의 베어링 포인트들(9', 10')에서의 직경이 상이하게 선택될 수 있고, 다음으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 외부 베어링 포인트의 폭이 영향을 받을 수 있다. 도 14는 낫 형상의 홈(20)에 의해 변경된 형태의 베어링면을 보여준다. 여기서, 베어링 포인트 보어의 하나의 원주방향 세그먼트에서는, 공급된 오일의 분배 개선을 위한 홈이 편심 가공에 의해 오일 공급 보어의 영역에 형성된다.

도 15는 내부 윤활갭에 영향을 미치는 로터 샤프트(8)의 다양한 형상들을 보여준다. 여기서, 샤프트(8)는 베어링 포인트들(9', 10')에서 변화된 직경을 가질 수 있고, 상기 직경 변화는 단차부(21)와 원추형 전이부(22) 중 어느 하나에 의해 실현된다.

도시된 모든 가능한 변경들은 제한 없이 결합될 수 있고, 그에 따라 압축기측과 터빈측에서 각각의 경우에 상이한 설계가 실현된다.

아울러, 도 1, 도 4, 도 7에 도시된 바와 같이, 베어링 부시들(9, 10)은 스페이서(19)에 의해 로터 샤프트(8)를 따라 축방향으로 이격된 상태로 유지된다.

본 발명의 기재된 개시내용 외에도, 도 1 내지 도 15의 개략적인 도해를 명확히 참조한다.

부호의 설명

1 배기가스 터보차저

2 압축기

3 터빈

4 베어링 하우징

5 터빈측 단부

6 오일 수집 챔버

7 베어링 장치/평베어링 장치

8 로터 샤프트

9 압축기측 베어링 부시

9' 압축기측 베어링/베어링 포인트

9" 베어링 하우징 내의 압축기측 수용 보어

10 터빈측 베어링 부시

10' 터빈측 베어링/베어링 포인트

10" 베어링 하우징 내의 터빈측 수용 보어

11 내부 베어링면

12 외주면

13, 14 이격된 베어링면 영역들

15 함몰된 간극

16 숄더

17, 18 외주면 영역들

19 스페이서 장치

20 낫 형상의 홈

21 단차

22 원추형 전이부

R 간극(15)의 오프셋 방향

L 종축

Claims (16)

1. 압축기(2), 터빈(3), 및 베어링 하우징(4)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)에서,
   베어링 하우징은 일 측이 압축기(2)와 연결되며 타 측의 터빈측 단부(5)가 터빈(3)과 연결되고, 터빈측 단부(5)에서 오일 수집 챔버(6)를 구비하며, 로터 샤프트(8)를 위한 평베어링 장치(7)를 구비하고,
   평베어링 장치는, 내부 베어링면과 외주면을 가진 압축기측 베어링(9'), 및 압축기측 베어링(9')과 축방향으로 이격되며 내부 베어링면(11)과 외주면(12)을 가진 터빈측 베어링(10')을 포함하고,
   압축기측 베어링(9')과 터빈측 베어링(10')은 상이한 설계로 이루어지고,
   터빈측 베어링 부시(10)는 오일 수집 챔버(6)의 영역 내로 연장되고,
   내부 베어링면(11)은 2개의 이격된 베어링면 영역들(13, 14)로 분할되고,
   베어링면 영역들(13, 14)은 반경방향 외부로 함몰된 간극(15)에 의해 서로 분리되고,
   터빈측 베어링 부시(10)는 숄더(16)에 의해 2개의 외주면 영역들(17, 18)로 분할되는 외주면(12)을 가진 비대칭 설계로 이루어지고,
   오일 수집 챔버(6)가 터빈측 베어링 부시(10)의 축방향 연장을 위하여 사용되는 것인 배기가스 터보차저(1).
2. 제1항에 있어서,
   압축기측 베어링(9')의 영역에서의 로터 샤프트(8)의 외경 및 터빈측 베어링(10')의 영역에서의 로터 샤프트(8)의 외경 중 하나 이상은 베어링들(9', 10') 간의 로터 샤프트의 직경보다 큰 것인 배기가스 터보차저(1).
3. 제2항에 있어서,
   직경 확대는 약간의 경사부 또는 샤프트 숄더를 구비함으로써 실현되는 것인 배기가스 터보차저(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   압축기측 베어링(9')은 터빈측 베어링 부시(10)보다 외경이 크거나 작은 베어링 부시(9)를 구비하는 것인 배기가스 터보차저(1).
5. 제4항에 있어서,
   압축기측 베어링 부시(9)의 내경은 터빈측 베어링 부시(10)의 내경보다 크거나 작은 것인 배기가스 터보차저(1).
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   베어링 부시들(9, 10)의 내부 베어링 폭 또는 외부 베어링 폭(12, 13, 14, 17)은 상이한 것인 배기가스 터보차저(1).
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   베어링 부시들(9, 10)의 내부 베어링면들(11) 또는 외부 베어링 면들(17)은 상이한 설계로 이루어지고, 압축기측 또는 터빈측에서 홈들을 구비하는 것인 배기가스 터보차저(1).
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   베어링 하우징(4) 내의 베어링 부시들(9, 10)을 위한 수용 보어들(9", 10")은 보어 직경 및 보어 폭 중 하나 이상에 대해 상이한 설계로 이루어지는 것인 배기가스 터보차저(1).
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   베어링 하우징(4)의 수용 보어들의 내면들은 상이한 설계로 이루어지고, 원주방향 세그먼트들에 마련된 낫 형상의 홈(20)을 구비하는 것인 배기가스 터보차저(1).
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈측 베어링 부시(10)는 연속적인 외주면(12)을 가진 대칭 설계로 이루어진 것인 배기가스 터보차저(1).
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 부시들(9, 10)은 스페이서 장치(19)에 의해 로터 샤프트(8)를 따라 축방향으로 이격된 상태로 유지되는 것인 배기가스 터보차저(1).
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    스페이서 장치(19)에 의해 축방향으로 이격된 베어링 부시들(9, 10)은 하나의 부품을 형성하도록 결합되는 것인 배기가스 터보차저(1).
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