KR19990056346A - 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상기 샤프트의 동축선상에 설치되고, 공기가 유입 및 유출되는 공기 흡입구와 공기 배출구가 형성된 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부; 상기 샤프트에 지지되어 고속으로 회전가능하고, 그 외주면에 블레이드가 설치된 터어빈 임펠러와 압축기 임펠러; 상기 샤프트의 외주면상에 설치되어 상기 샤프트를 회전가능하도록 지지하는 베어링 부재가 구비된 베어링 케이스; 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 형성되는 공기 유로부; 및 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구측에 설치되는 열 교환기;를 포함하는 공기 냉각 장치에 관한 것으로서,터어빈 하우징부와, 중간 하우징부와, 압축기 하우징부를 관통하는 공기 유로부를 형성하고, 압축기 하우징부의 공기 흡입구의 외면에 열 교환부를 설치하여 공기 흡입구를 통하여 유입되는 저온의 열 교환매체와 열 교환가능함으로써, 샤프트상에 지지되는 에어 베어링들을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 에어 베어링에 가해지는 과도한 열적 스트레스를 제거할 수 있으므로 공기 냉각 장치의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법
본 발명은 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 샤프트를 지지하는 베어링에 대한 냉각 수단이 변경된 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법에 관한 것이다.
통성적으로 공기 냉각 장치(air cooling machine)는 고온 고압의 압축 공기를 팽창시킬 때 공기의 온도가 급속히 강하되는 성질을 이용한 냉각 장치로서, 항공기 등의 특정 부위를 냉각시키는데 사용된다.
이러한 공기 냉각 장치에 구비된 레이디얼 에어 베어링(radial air bearing) 및 엑시얼 에어 베어링(axial air bearing)은 터어빈의 내부로 유입되는 고온 고압의 공기로부터 전달되는 열이나, 샤프트와 에어 베어링들간의 마찰열로 인하여 항상 과도한 열 스트레스를 받게 된다. 따라서, 공기 냉각 장치에서는 베어링들을 냉각시키는 수단을 필요로 한다.
도 1은 통상적인 공기 냉각 장치(10)의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 공기 냉각 장치(10)는 샤프트(11)을 동축으로 하여 터어빈 하우징부(12)와 압축기 하우징부(15)가 각각 설치된다. 상기 터어빈 하우징부(12)에는 공기 흡입구(13a)와 공기 배출구(13b)가 형성되며, 외주면에 블레이드(14a)가 형성된 터어빈 임펠러(14)가 샤프트(11)에 회전가능하도록 설치된다. 상기 압축기 하우징부(15)에도 공기 흡입구(16a)와 공기 배출구(16b)가 형성되며, 압축기 임펠러(17)가 샤프트(11)에 회전가능하도록 설치된다.
상기 샤프트(11)는 베어링 케이스(18)에 개재된 레이디얼 에어 베어링(18a)과 엑시얼 에어 베어링(18b)에 의하여 회전가능하도록 지지된다.
여기에서, 상기 공기 냉각 장치(10)는 에어 베어링(18a)(18b)들을 냉각시키기 위하여 베어링 케이스(18)의 일측에 공기 유입공(19a)과 공기 유출공(19b)이 형성된다.
이와 같은 구조를 가지는 공기 냉각 장치(10)는 상기 샤프트(11)가 회전하게 되면 터어빈 임펠러(14)와 압축기 임펠러(17)가 동시에 회전하게 된다.
이어서, 터어빈 하우징부(12)의 공기 흡입구(13a)로 유입되는 고온 고압의 공기가 고속으로 회전하는 터어빈 임펠러(14)의 블레이드(14a)에 의하여 압력이 감소되면서 급격히 팽창하게 된다.
이에 따라, 상기 공기 흡입구(13a)로부터 유입되는 공기의 온도보다 공기 배출구(13b)를 통하여 배출되는 공기의 온도가 낮아지게 된다. 상기 공기 배출구(13b)로부터 배출된 공기는 냉각 대상물로 유도되어 냉각 작용을 수행하게 된다.
이러한 터어빈 임펠러(14)로 공급되는 공기중 일부는 베어링 케이스(18)에 형성된 공기 유입공(19a)을 통하여 유입되어 상기 레이디얼 에어 베어링(18a)과 엑시얼 에어 베어링(18b)을 냉각시키고, 공기 유출공(19b)을 통하여 외부로 배출된다.
그런데, 상기 공기 냉각 장치(10)에 있어서, 상기 에어 베어링(18a)(18b)들의 표면에 형성되는 코팅층은 터어빈 임펠러(14)로 유입되는 고온 고압의 공기로부터 전달되는 열이나, 샤프트(11)와의 마찰로 인하여 발생되는 열등과 상관 관계가 있다.
이에 따라, 터어빈 하우징부(12)의 공기 흡입구(13a)을 통하여 유입되는 고온 고압의 공기는 상기 에어 베어링(18a)(18b)들의 표면에 코팅된 코팅층이 견딜 수 있는 온도 이하의 상태로 유입되어야 한다.
그러므로, 요구하는 온도 이상으로 공기가 공급될 경우를 대비하여 별도의 열 교환기를 설치하고, 이 열 교환기를 통하여 상기 공기 흡입구(13a)에 적절한 온도의 공기를 공급해야 하는 문제점이 있다. 따라서, 공기 냉각 장치(10)의 공기가 흐르는 경로가 복잡해질 뿐만 아니라, 상대적으로 많은 공기를 필요로 하므로 항공기 엔진 자체의 효율을 저하시키는 현상이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 샤프트를 지지하는 베어링의 냉각 효율을 향상시키기 위하여 베어링 냉각 수단이 개선된 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 공기 냉각 장치에 대한 개략적인 횡단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 냉각 장치에 대한 개략적인 횡단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10,20. 공기 냉각 장치 11,21. 샤프트
12,22. 터어빈 하우징부 13a,23a. 공기 흡입구
13b,23b. 공기 배출구 14,24. 터어빈 임펠러
14a,24a. 블레이드 15,25. 압축기 하우징부
16a,26a. 공기 흡입구 16b,26b. 공기 배출구
17,27. 압축기 임펠러 18,28. 베어링 케이스
18a,28a. 레이디얼 에어 베어링 18b,28b. 엑시얼 에어 베어링
19a,210a. 공기 유입공 19b,210b. 공기 유출공
200. 중간 하우징부 210. 공기 유로부
210c. 공기 통과공 220. 열 교환부
230a. 제 1 연결관부 230b. 제 2 연결관부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법은, 샤프트; 상기 샤프트의 동축선상에 설치되고, 공기가 유입 및 유출되는 공기 흡입구와 공기 배출구가 형성된 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부; 상기 샤프트에 지지되어 고속으로 회전가능하고, 그 외주면에 블레이드가 설치된 터어빈 임펠러와 압축기 임펠러; 상기 샤프트의 외주면상에 설치되어 상기 샤프트를 회전가능하도록 지지하는 베어링 부재가 구비된 베어링 케이스; 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부의 일측을 관통하여 형성되는 공기 유로부; 및 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구측에 설치되는 열 교환기;를 포함한다.
또한, 상기 공기 유로부는 상기 터어빈 하우징부와 연결되어 공기가 흡입되는 공기 유입공과, 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 공기가 유동되는 공기 통과공과, 상기 압축기 하우징부와 연결되어 공기를 배출하는 공기 유출공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열 교환기는 상기 공기 유출공과 연결되는 제 1 연결관부와, 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구 외면과 접촉하는 열 교환부와, 상기 열 교환부와 연결되고, 그 타단부가 베어링 케이스측과 연결되는 제 2 연결관부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열 교환부는 상기 공기 흡입구의 외면을 코일 형상으로 감싸는 파이프 형태인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 터어빈 하우징부에 설치된 공기 흡입구로 유입되는 공기중 일부가 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 형성된 공기 유로부내로 유입되는 제 1 단계; 상기 공기 유로부로부터 배출되는 공기를 압축기 하우징부의 외면에 설치된 열 교환부로 유입하고, 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구 내부를 유동하는 열 교환매체와 열 교환하는 제 2 단계; 상기 인출된 공기를 샤프트를 회전가능하도록 지지하는 복수개의 베어링상에 유입하여 냉각시키는 제 3 단계;를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 일 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 냉각 장치(20)를 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 공기 냉각 장치(20)에는 샤프트(21)를 동축으로 하여 터어빈 하우징부(22)와, 압축기 하우징부(25)와, 그 사이에 개재되는 중간 하우징부(200)가 설치된다.
상기 터어빈 하우징부(22)에는 고온 고압의 공기가 유입되는 공기 흡입구(23a)와 공기 배출구(23b)가 형성된다. 또한, 상기 압축기 하우징부(25)에도 공기가 흡입 및 배출되는 공기 흡입구(26a)와 공기 배출구(26b)가 형성된다.
그리고, 상기 샤프트(21)에는 그 외주면에 블레이드(24a)가 형성된 터어빈 임펠러(24)와, 압축기 임펠러(27)가 각각 설치된다. 상기 임펠러들(24)(27)은 상기 샤프트(21)의 동일한 축상에 지지된다.
한편, 상기 샤프트(21)의 외주면상에는 레이디얼 에어 베어링(28a)과 엑시얼 에어 베어링(28b)이 회전가능하게 지지한다. 상기 에어 베어링(28a)(28b)들은 베어링 케이스(28) 내부에 설치되어 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 터어빈 하우징부(22)와, 압축기 하우징부(25)와, 중간 하우징부(200)에는 상기 공기 흡입구(23a)를 통하여 터어빈 임펠러(24)로 공급되는 고온 고압의 공기중 일부가 유동할 수 있는 공기 유로부(210)가 형성된다.
상기 공기 유로부(210)에는 상기 터어빈 하우징부(22)측과 연결된 공기 유입공(210a)과, 상기 하우징부(22)(200)(25)를 관통하여 공기가 흐를 수 있는 통로부를 제공하는 공기 통과공(210c)과, 상기 압축기 하우징부(25)측과 연결된 공기 유출공(210b)이 일체형으로 형성된다.
상기 압축기 하우징부(25)의 공기 흡입구(26a) 측에는 열 교환기가 설치된다. 상기 열 교환기는 상기 공기 흡입구(26a)의 외주면을 따라서 열 교환부(220)가 마련된다. 상기 열 교환부(220)는 공기 흡입구(26a)의 외주면을 코일 형태로 감겨진 파이프로 구성된다. 그리고, 상기 열 교환부(220)는 상기 공기 유출공(210b)과 결합된 제 1 연결관부(230a)와 접속되어 상기 공기 유로부(210)내에 유동하는 공기가 이동된다.
또한, 상기 공기 흡입구(26a)로부터 공급된 열 교환매체와 열 교환된 상기 열 교환부(220) 내부의 공기를 에어 베어링(28a)(28b)들에 공급하기 위하여 제 2 연결관부(230b)가 상기 열 교환부(220)에 연결되어 있다. 상기 제 2 연결관부(230b)는 그 타단부가 상기 베어링 케이스(28)측과 결합된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 공기 냉각 장치(20)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
상기 터어빈 임펠러(24)와 압축기 임펠러(27)가 동일 축선상에 설치된 샤프트(21)가 회전하게 되면, 상기 임펠러(24)(27)들도 회전가능하다. 상기 터어빈 임펠러(24)가 회전함에 따라 상기 터어빈 하우징부(22)에 형성된 공기 흡입구(23a)을 통하여 유입된 고온 고압의 공기는 상기 터어빈 임펠러(24)의 외주면에 형성된 블레이드(24a)를 타고 이동하기 시작한다.
이때, 상기 터어빈 임펠러(24)의 원둘레측으로부터 중심부쪽으로 공기가 이동할 수 있는 통로가 확장되므로 고온 고압의 공기는 압력이 감소하면서 급격히 팽창가능하다.
이에 따라, 상기 공기 배출기(23b)를 통하여 배출되는 공기의 온도는 상기 흡입구(23a)로부터 유입되는 공기의 온도보다 훨씬 낮아지게 된다. 상기 공기 배출구(23b)로부터 배출된 공기는 냉각 대상물로 유도되어 냉각 과정을 수행하게 된다.
냉각 과정을 수행한 공기는 상기 압축기 하우징부(25)에 형성된 공기 흡입구(26a)를 통하여 유입되고, 압축기 임펠러(27)에 의하여 고온 고압으로 압축된 후에 공기 배출구(26b)를 통하여 배출되거나, 또는 대기중으로 방출된다.
여기에서, 상기 터어빈 하우징부(22)에 형성된 공기 흡입구(23a)를 통하여 유입되는 고온 고압의 공기중 일부는 상기 샤프트(21)를 회전가능하게 지지하는 레이디얼 에어 베어링(28a)과 엑시얼 에어 베어링(28b)을 냉각시키기 위하여 공기 유입공(210a)을 통하여 유입된다.
즉, 상기 터어빈 하우징부(22)와 연결된 공기 유입공(210a)으로 유입된 공기는 상기 터어빈 하우징부(22)와, 중간 하우징부(200)와, 압축기 하우징부(25)를 관통하여 형성된 공기 통과공(210c)를 따라 유동된다.
이어서, 상기 압축기 하우징부(25)에 연결된 공기 유출공(210b)을 빠져나간다음, 제 1 연결관부(230a)를 통하여 열 교환부(220) 내부를 흐르게 된다. 상기 열 교환부(220) 내부에 흐르는 공기는 상기 압축기 하우징부(25)의 공기 흡입구(26a)를 통하여 유입되는 낮은 온도의 열 교환매체와 상호 열 교환가능하므로 상기 제 2 연결관부(230b)를 통하여 베어링 케이스(28)에 이동시 냉각된 상태로 공급가능하다.
상기 베어링 케이스(28) 측으로 유입된 공기는 상기 샤프트(21)의 외주면상에 설치된 레이디얼 에어 베어링(28a)과 엑시얼 에어 베어링(28b)으로 이동하게 되고, 상기 에어 베어링(28a)(28b)들을 냉각시키고 외부로 배출하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법은, 터어빈 하우징부와, 중간 하우징부와, 압축기 하우징부를 관통하는 공기 유로부를 형성하고, 압축기 하우징부의 공기 흡입구의 외면에 열 교환부를 설치하여 공기 흡입구를 통하여 유입되는 저온의 열 교환매체와 열 교환가능함으로써, 샤프트상에 지지되는 에어 베어링들을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 에어 베어링에 가해지는 과도한 열적 스트레스를 제거할 수 있으므로 공기 냉각 장치의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 샤프트;
    상기 샤프트의 동축선상에 설치되고, 공기가 유입 및 유출되는 공기 흡입구와 공기 배출구가 형성된 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부;
    상기 샤프트에 지지되어 고속으로 회전가능하고, 그 외주면에 블레이드가 설치된 터어빈 임펠러와 압축기 임펠러;
    상기 샤프트의 외주면상에 설치되어 상기 샤프트를 회전가능하도록 지지하는 베어링 부재가 구비된 베어링 케이스;
    상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 형성되는 공기 유로부; 및
    상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구측에 설치되는 열 교환기;를 포함하는 공기 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 유로부는 상기 터어빈 하우징부와 연결되어 공기가 흡입되는 공기 유입공과, 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 공기가 유동되는 공기 통과공과, 상기 압축기 하우징부와 연결되어 공기를 배출하는 공기 유출공이 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상기 공기 유출공과 연결되는 제 1 연결관부와, 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구 외면과 접촉하는 열 교환부와, 상기 열 교환부와 연결되고, 그 타단부가 베어링 케이스측과 연결되는 제 2 연결관부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 교환부는 상기 공기 흡입구의 외면을 코일 형상으로 감싸는 파이프 형태인 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치.
  5. 터어빈 하우징부에 설치된 공기 흡입구로 유입되는 공기중 일부가 상기 터어빈 하우징부와 압축기 하우징부를 관통하여 형성된 공기 유로부내로 유입되는 제 1 단계;
    상기 공기 유로부로부터 배출되는 공기를 압축기 하우징부의 외면에 설치된 열 교환부로 유입하고, 상기 압축기 하우징부의 공기 흡입구 내부를 유동하는 열 교환매체와 열 교환하는 제 2 단계;
    상기 인출된 공기를 샤프트를 회전가능하도록 지지하는 복수개의 베어링상에 유입하여 냉각시키는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 냉각 장치를 이용한 공기 냉각 방법.
KR1019970076341A 1997-12-29 1997-12-29 공기 냉각 장치와 이를 이용한 공기 냉각 방법 KR100269236B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100444854B1 (ko) * 2001-08-16 2004-08-18 현대자동차주식회사 터보차저의 터빈 블레이드 냉각 구조

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