KR20060055404A - 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치 - Google Patents

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KR20060055404A
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클라우스 네글러
헤르디난트 베르덱커
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맨 비앤드더블유 디젤 악티엔게젤샤프트
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Abstract

특히 배기가스 터보 과급기의 베어링 하우징을 공급되는 윤활제에 대해 축방향으로 밀봉하는, 특히 정지 중에 윤활되는 회전자 샤프트 베어링(1)용 시일 장치의 내밀성을 개선하기 위해, 상기 회전자 샤프트(1) 상의 갭, 래비린스 또는 피스톤 링(11) 형태의 제1 시일(11)과 좁은 갭(33) 또는 래비린스 형태의 제2 시일(12)이 이들 사이에서 상기 회전자 샤프트(1)의 둘레로 연장되는 링형 오일 배출 채널(13, 14)을 포함하고, 상기 오일 배출 채널은 하우징측 오일 배출 홈(13)과, 축의 동일한 위치에 배치된 샤프트측 오일 배출 홈(14)에 의해 형성되며, 상기 오일 배출 채널(13, 14) 내에는, 상기 회전자 샤프트(1)의 반경 방향으로 한 단부가 자유롭게 상기 링형 오일 배출 채널(13, 14) 내로 돌출하는 링형 시일 웨브(15)가 마련되고, 상기 웨브는 상기 오일 배출 채널 내로 침투한 윤활제에 대해 축방향으로 작용하는 배리어를 형성한다.
시일 장치, 회전자 샤프트, 베어링, 배기가스 터보 과급기, 오일 배출 채널, 시일 웨브, 피스톤 링

Description

회전자 샤프트 베어링용 시일 장치{SEALING DEVICE FOR A BEARING OF A ROTOR SHAFT LUBRICATED PARTICULARLY IN STOP}
도 1은 배기가스 터보 과급기의 중요한 부분을 나타낸 축방향 단면도.
도 2는 터빈 하우징측 베어링 장치 내부의 회전자 샤프트의 본 발명에 따른 시일 장치의 도 1의 X 부분의 세부도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 회전자 샤프트 2: 터빈 하우징
3, 6: 하우징 홀 4: 터빈 휠
5: 압축기 하우징 7: 압축기 휠
10: 베어링 하우징 11, 12: 시일
13, 14: 오일 배출 홈 15: 시일 웨브
18: 홈 31, 32: 벽
33: 갭
본 발명은 특히 정지 중에 윤활되는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치로서, 상기 시일 장치는 베어링 하우징을 공급되는 윤활제에 대해 축방향으로 밀봉하고, 특히 한 단부가 터빈 하우징 내의 하우징 홀 내에 안내되어 터빈 휠을 지지하고 다른 단부는 압축기 하우징 내의 하우징 홀 내에 안내되어 압축기 휠을 지지하는, 회전자 샤프트를 가진 배기가스 터보 과급기에서, 회전자 샤프트의 터빈 하우징측 베어링 장치 및/또는 압축기 하우징측 베어링 장치 내부에 적용되고, 상기 터빈 하우징 및/또는 상기 압축기 하우징을 터빈 하우징과 압축기 하우징 사이의 중앙 베어링 하우징으로부터 나와, 터빈 하우징측 및/또는 압축기 하우징측 베어링 장치에 공급되는 윤활제에 대해 밀봉하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치에 관한 것이다.
이러한 시일 장치, 즉 상기 방식의 샤프트 시일은 오래전부터 공지되어 있고, 예컨대 특히 배기가스가 터빈 하우징으로부터 나와 불가피한 누설점 또는 베어링 유격, 즉 베어링 하우징 또는 베어링 바디와 샤프트 사이의 최소 갭을 통해 베어링 하우징 내로 흐르고 및/또는 회전 속도가 높고 급기압이 높을 때 흡입된 공기 또는 가스 엔진에서 가스-공기 혼합기가 압축기 하우징으로부터 나와 압축기측 시일 장치를 통해 베어링 하우징 내로 흐르는 것을 방지해야 한다. 또한, 공지된 바와 같이 낮은 급기압 및 높은 회전 속도에서 오일 함유 공기/배기 가스 혼합물이 각각의 베어링 하우징으로부터 나와 터빈 하우징 및/또는 압축기 하우징의 방향으로 흘러 내연기관에 공급되는 것을 방지해야 한다.
시일 장치는 래비린스 시일 또는 상기 방식으로 사용되는 피스톤 링일 수 있다. 예컨대 DE 25 13 582 C2는 배기가스 터보 과급기의 샤프트 시일 하우징 내의 샤프트 시일을 개시하는데, 상기 샤프트 시일 하우징은 고압용 터빈 하우징 부분과 저압용 터빈 하우징 부분 사이에 배치되고 작동매체 누설 흐름(유체)에 의해 축방향으로 관류된다.
상기 샤프트 시일은 유체의 유동 방향으로 차례로 배치된 스로틀 지점들을 가진 래비린스를 형성하고, 상기 스로틀 지점들은 반복해서 유체를 강제로 방향 전환시킨다. 래비린스는 공지된 바와 같이 베어링 하우징 또는 베어링 바디에 제공된 피스톤 링에 의해 구현될 수 있으며, 상기 피스톤 링은 예컨대 회전자 샤프트의 홈 내로 삽입된다.
이러한 시일 장치는 후- 또는 전 윤활 과정 중에 특히 터빈 및 압축기 유동 챔버 내의 흡입(저압)과 관련해서 윤활유가 중앙 베어링 하우징으로부터 흡입되는 단점을 갖는다. 이는 많은 손상, 심지어 배기가스 터보 과급기의 전체 손실까지 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 전술한 바와 같이 회전자 샤프트를 가진 배기가스 터보 과급기에 적용되는 전술한 방식의 시일 장치의 내밀성을 특히 회전자 샤프트의정지 시에 개선시키는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 회전자 샤프트 상에 시일 장치를 형성하기 위해, 갭, 래비린스 또는 피스톤 링의 형태의 제1 시일과 좁은 갭 또는 래비린스 형태의 제2 시일이 그들 사이에 회전자 샤프트의 둘레에 연장된 링형 오일 배출 채널 을 포함하고, 상기 오일 배출 채널은 하우징측 오일 배출 홈과, 축의 동일한 위치에 배치된 샤프트측 오일 배출 홈에 의해 형성되며, 상기 오일 배출 채널 내에는, 상기 회전자 샤프트의 반경 방향으로 한 단부가 자유롭게 상기 링형 오일 배출 채널 내로 돌출하는 링형 시일 웨브가 제공되고, 상기 웨브는 상기 오일 배출 채널 내로 침투한 윤활제에 대해 축방향으로 작용하는 배리어를 형성함으로써 달성된다.
이로 인해, 후 또는 전 윤활 과정 동안 특히 흡입(저압)과 관련해서 윤활유가 베어링 부시로부터 제2 시일을 통해 나와서, 오일 배출 채널을 통해 제1 시일로 흐르는 것이 방지된다. 따라서, 정지 중에 오일 내밀성이 개선되고, 그 결과 예상되는 작동 조건 하에서 누설이 발생하지 않을 수 있다.
특히 바람직하게는 시일 웨브가 샤프트측 오일 배출 홈 내에서 회전자 샤프트에 일체로 형성되고 상기 웨브의 높이는 반경 방향 외부로 향한 단부까지 최대로 하우징 홀과 정렬되거나 또는 더 짧게 구현된다. 그러나, 시일 웨브가 하우징측 오일 배출 홈 내에 일체로 형성될 수도 있고 그 높이가 반경 방향 내부로 향한 단부까지 최대로 하우징 홀과 정렬되거나 또는 더 짧게 구현될 수 있다.
또한, 바람직하게 제2 시일은, 샤프트측 오일 배출 홈을 한정하고 반경 방향 외부를 향해 하우징 홀에 비해 단축된 벽, 및 이것에 대해 축의 동일한 위치에 배치된, 하우징측 오일 배출 홈을 한정하고 반경 방향 내부로 향해 하우징 홀에 비해 상응하게 연장된 벽의 형태로 구현되고, 상기 2개의 벽은 갭을 포함하므로, 시일 웨브의 자유 단부가 반경 방향으로 상기 갭을 커버한다. 즉, 하우징 홀이 제2 시일의 축 위치에, 회전자 샤프트와 그것과 일체로 형성된 시일 웨브에 의해 얻어지 는 직경보다 작은 직경을 갖는다.
여기서, 시일 웨브 및 벽이 별도의 부품인지의 여부, 또는 하우징 또는 회전자 샤프트의 선삭 가공된 부품 또는 밀링 가공된 부품으로서 형성되는지는 중요하지 않다는 것을 지적한다.
바람직하게는, 배기가스 터보 과급기의 용도에서 윤활제, 즉 오일이 링형 오일 배출 홈의 둘레를 흘러 하부 탭(tap)을 통해 배출될 수 있도록 하기 위해, 제2 시일이 축방향으로 중앙 베어링 하우징과 터빈 하우징측 베어링 장치의 제1 시일 사이에 및/또는 중앙 베어링 하우징과 압축기측 베어링 장치의 제1 시일 사이에 배치된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 배기가스 터보 과급기의 예로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배기가스 터보 과급기는 통상의 방식으로 터빈 하우징(2) 및 이것에 연결된 압축기 하우징(5)를 포함한다. 상기 압축기 하우징(5) 내에는 회전자 샤프트(1)가 삽입된다. 터빈 하우징(2)은 내연기관으로부터 나온 배기가스를 터빈 휠(4)에 공급하기 위해 대략 링형의 배기 가스용 공급 채널(28)을 구비한다. 이로 인해, 회전자 샤프트(1)의 다른 단부 상에 놓인 압축기 휠(7)이 회전자 샤프트(1)를 통해 구동된다. 상기 압축기 휠(7)은 공기를 그것을 둘러싸는 공급 채널(29)을 통해 흡입하여, 압축하고 그것을 다시 블로잉-아웃 시킨다.
회전자 샤프트(1)는 터빈 하우징(2) 내의 하우징 홀(3)을 통해 안내되고, 거기에 상기 터빈 휠(4)의 단부가 고정되어 있다. 터빈 하우징(2)과 압축기 하우징 (5) 사이의 중앙 베어링 하우징(10) 내에, 일반적으로 회전자 샤프트(1)의 베어링(19, 20)이 배치되고, 그것의 윤활제는 과압에 의해 수직의 오일 공급 연결부(26) 및 그것으로부터 나온 오일 공급 홀(27)을 통해 공급된다.
상기 윤활제가 중앙 베어링 하우징(10)으로부터 나와, 베어링 바디(19), 베어링 부시(20), 및 회전자 샤프트(1) 사이의 베어링 유격을 통해 터빈 하우징(2)으로 이르는 것을 방지하기 위해, 하기에서 도 2를 참고로 설명되는 시일 장치가 제공된다.
예컨대, 터빈 하우징측 베어링 장치(이와 유사하게 압축기 하우징측 베어링 장치의 시일 장치가 형성될 것임) 내부의 시일 장치는 제1 시일(11) 및 제2 시일(12)을 포함하고, 상기 제2 시일(12)은 터빈 하우징(2)의 하우징 벽과 회전자 샤프트의 레이디얼 베어링(19, 20) 사이에 배치된다. 레이디얼 베어링은 공지된 바와 같이 중앙 베어링 하우징(10)의 베어링 바디(19)를 포함하고, 상기 베어링 바디(19)는 베어링 부시(20)에 의해 회전자 샤프트(1)에 연결된다. 회전자 샤프트(1)의 축 방향으로 베어링 바디(19)와 터빈 하우징(2) 사이에 내부 공간(21)이 제공되고, 상기 내부 공간에는 터빈 하우징(2)의 방향으로 제2 시일(12)이 연결되며, 상기 제2 시일(12) 다음에는 하우징측 오일 배출 홈(13)이 후속하고, 상기 오일 배출 홈(13)은 샤프트측 오일 배출 홈(14)과 함께 회전자 샤프트(1)의 둘레에 걸쳐 연장된 링형 오일 배출 채널을 형성하고, 상기 채널 내에서 회전자 샤프트(1)의 반경 방향으로 한 단부가 링형 오일 배출 채널(13, 14) 내로 자유로이 돌출한 링형 시일 웨브(15)가 배치되고, 그것에는 축 방향 간격을 두고 제1 시일(11)이 터빈 하우징 홀(3)의 내벽에 접한 피스톤 링(11)의 형태로 연결된다.
피스톤 링(11)은 침투하는 유체에 대한 밀봉을 위해 회전자 샤프트(1)의 또는 그것에 연결된 선삭 부품의 홈(18) 내로 삽입된다. 시일 웨브(15)는 회전자 샤프트(1)에 있는 샤프트측 오일 배출 홈(14) 내에 일체로 형성되고, 상기 시일 웨브(15)의 높이는 반경 방향 외부로 향한 단부까지 최대로 터빈 하우징(2)의 하우징 홀(3)과 정렬되거나 또는 그보다 약간 짧게 구현된다.
물론, 시일 웨브(15)가 하우징측 오일 배출 홈(13) 내에 배치될 수 있고 그 높이가 반경 방향 내부로 향한 단부까지 최대로 터빈 하우징(2)의 하우징 홀(3)과 정렬되거나 또는 그보다 짧게 구현될 수 있다. 이것과 관련해서, 하우징측 오일 배출 홈과 샤프트측 오일 배출 홈 내에 각각 하나의 시일 웨브가 있을 수 있고, 이들은 반경 방향으로 서로 오버랩되어 협동한다.
제2 시일(12)을 형성하기 위해, 터빈 휠(4)로부터 먼쪽의 그리고 반경 방향 외부로 향해 터빈 하우징 홀(3)의 정렬에 비해 단축된 벽(31)을 가진 샤프트측 오일 배출 홈(14)이 형성되고, 터빈 휠(4)로부터 먼쪽의 그리고 반경 방향 내부로 향해 터빈 하우징 홀(3)의 정렬에 비해 상응하게 연장된 벽(32)을 가진 하우징측 오일 배출 홈(13)이 구현되고, 상기 2개의 벽(31, 32)은 갭(33)을 포함하므로, 시일 웨브(15)의 자유 단부가 반경 방향으로 상기 갭을 커버하고, 그 결과 윤활제가 갭(33)을 통해 오일 배출 홈(13, 14)을 지나 제1 시일(11)로 계속 운반되는 것이 방지된다.
바람직하게는 시일 웨브(15)의 자유 단부가 각각의 하우징 홀(3 또는 6)의 정렬에 비해 예컨대 45°경사져 구현됨으로써, 시일 웨브(15)에 매달려 있는, 제2 시일(12)의 갭(33)을 통해 나온 윤활제의 방울이 흡입에 의해 제1 시일(11)의 피스톤 링에 이르지 않을 수 있게 된다.
전술한 실시예는 제공된 조립 방식으로 실행된다. 즉, 회전자 샤프트(1)를 먼저 터빈 하우징(2)을 통해 그리고 나서 중앙 베어링 하우징(10) 내로 삽입하고 압축기 휠(7)을 압축기 하우징(5) 내에서 회전자 샤프트 단부 상에 장착한다.
이는 실시예에서 시일 웨브(15)의 높이(화살표 a)가 하우징 홀의 정렬(화살표 b)을 돌출하지 않기 때문이고, 단축된 벽(31)(화살표 c) 및 연장된 벽(32)(화살표 d)이 갭(33)을 한정하며, 터빈 하우징(2) 내에서 회전자 샤프트(1)의 직경이 제2 시일(12)의 영역에서 회전자 샤프트(1)의 직경보다 크고, 이것은 재차 상기 실시예에서 중앙 베어링 하우징(10) 내의 회전자 샤프트의 직경보다 크기 때문이다. 윤활유가 오일 배출 홈(13, 14) 내로 침투할 때 통과하는 갭(33)을 축방향으로 커버하기 위해, 시일 웨브(15)는 회전자 샤프트(1)의 반경 방향으로 큰 높이로 형성되어야 하지만, 회전자 샤프트(1)를 조립할 수 있도록 터빈측 하우징 홀(3)의 정렬을 초과해서는 않된다.
본 발명에 따르면, 회전자 샤프트를 가진 배기가스 터보 과급기에 적용되는 시일 장치의 내밀성을, 특히 회전자 샤프트의 정지 시에 개선시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 공급되는 윤활제에 대해 베어링 하우징을 축방향으로 밀봉하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치에 있어서, 상기 회전자 샤프트 상의 갭, 래비린스 또는 피스톤 링의 형태의 제1 시일(11) 및 좁은 갭 또는 래비린스 형태의 제2 시일(12)이 이들 시일 사이에서 상기 회전자 샤프트(1)의 둘레로 연장되는 링형 오일 배출 채널(13)을 포함하고, 상기 오일 배출 채널은 하우징측 오일 배출 홈(13)과, 축의 동일한 위치에 배치된 샤프트측 오일 배출 홈(14)에 의해 형성되며, 상기 오일 배출 채널(13, 14) 내에는, 상기 회전자 샤프트(1)의 반경 방향으로 한 단부가 자유롭게 상기 링형 오일 배출 채널(13, 14) 내로 돌출하는 링형 시일 웨브(15)가 마련되고, 상기 시일 웨브는 상기 오일 배출 채널 내로 침투한 윤활제에 대해 축방향으로 작용하는 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시일 장치는, 상기 회전자 샤프트(1)의 한 단부가 터빈 하우징(2) 내의 하우징 홀(3) 내에 안내되어 터빈 휠(4)을 지지하고 다른 단부는 압축기 하우징(5) 내의 하우징 홀 내에서 안내되어 압축기 휠(7)을 지지하는, 배기가스 터보 과급기에 적용되고, 상기 시일 장치가 상기 회전자 샤프트(1)의 터빈 하우징측 베어링 장치 및/또는 압축기 하우징측 베어링 장치 내부에 제공됨으로써, 상기 터빈 하우징(2) 및/또는 상기 압축기 하우징(5)을 상기 터빈 하우징(2)과 압축기 하우징(5) 사이의 중앙 베어링 하우징(10)으로부터 나와, 상기 터빈 하우징 측 및/또는 상기 압축기 하우징측 베어링 장치에 공급되는 윤활제에 대해 밀봉하는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시일 웨브(15)가 상기 샤프트측 오일 배출 홈(14) 내에서 상기 회전자 샤프트(1)에 일체로 형성되고, 상기 웨브의 높이는 반경 방향 외부를 향한 자유 단부까지 최대로 상기 터빈 하우징(2) 및/또는 상기 압축기 하우징(5)의 하우징 홀(3, 6)과 정렬되거나 또는 더 짧게 구현되는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시일 웨브(15)가 상기 하우징측 오일 배출 홈(13) 내에 일체로 형성될 수 있고, 그 높이가 반경 방향 내부를 향한 단부까지 최대로 상기 터빈 하우징(2) 및/또는 상기 압축기 하우징(5)의 상기 하우징 홀(3, 6)과 정렬되거나 또는 더 짧게 구현되는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 시일(12)은, 상기 샤프트측 오일 배출 홈(14)을 형성하고 반경 방향 외부를 향해 상기 하우징 홀(3 및/또는 6)에 비해 단축된 벽(31), 및 이 벽에 대해 축의 동일한 위치에 배치되는 동시에, 상기 하우징측 오일 배출 홈(13)을 형성하고 반경 방향 내부를 향해 상기 하우징 홀(3 및/또는 6)에 비해 상응하게 연장된 벽(32)의 형태로 구현되고, 상기 2개의 벽(31, 32)은 갭(33)을 포함하여, 상기 시일 웨브(15)의 자유 단부가 반경 방향으로 상기 갭(33)을 커버하는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시일(11)이 래비린스 시일로서 구현되는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시일(11)이 상기 하우징 홀(3 및/또는 6)의 내벽에 접한 피스톤 링(11)의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 피스톤 링(11)이 상기 회전자 샤프트(1) 또는 이 회전자 샤프트에 연결된 선삭 부품의 홈(18) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시일 웨브(15)의 자유 단부가 상기 각각의 하우징 홀(3, 6)의 정렬에 비해 경사진 것을 특징으로 하는 회전자 샤프트 베어링용 시일 장치.
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