KR20080021119A - 가변구조 터빈 - Google Patents

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KR20080021119A
KR20080021119A KR1020087000339A KR20087000339A KR20080021119A KR 20080021119 A KR20080021119 A KR 20080021119A KR 1020087000339 A KR1020087000339 A KR 1020087000339A KR 20087000339 A KR20087000339 A KR 20087000339A KR 20080021119 A KR20080021119 A KR 20080021119A
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존 프레더릭 파커
데이비드 럭
데이비드 에이치 브라운
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커민스 터보 테크놀러지스 리미티드
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Abstract

가변구조 터빈은 축 둘레를 회전하기 위한 하우징(1) 내에서 지지되는 터빈휠(9)을 포함한다. 상기 노즐링(5)은 상기 터빈휠(9)을 향하여 방사상 내측으로 연장되는 환형의 인입통로(4)의 폭을 조절하도록 상기 하우징내에 구비된 캐비티(19) 내에 이동가능하게 탑재된다. 인입 가이드 베인들 배열(8)은 상기 노즐링(5)의 방사면 및 방사상의 베인통로(vane passage)를 한정하는 인입통로(4)의 대향벽 사이에 연장된다. 제 1 원주형 배열의 개구부들(25)은 상기 방사면을 통해 제공되며, 상기 베인통로 내에 실질적으로 위치된다. 또한, 제 2 원주형 배열의 개구부들(24)은 상기 방사면을 통해 제공되며, 실질적으로 상기 제 1 배열 개구부들(25)의 업스트림(Upstream) 또는 다운스트림(Downstream)에 위치한다. 상기 인입구(4) 및 상기 캐비티(19)는 상기 제 1 및 제 2 세트 개구부들(24, 25)을 통해 유체 전달된다.
가변구조 터빈, 고리, 환형, 압력평형 개구부

Description

가변구조 터빈{VARIABLE GEOMETRY TURBINE}
본 발명은 가변구조 터빈에 관한 것으로, 구체적으로 내부 연소 엔진의 터보차저내에 사용되기 위한 그러나 배타적인 사용은 아닌 가변구조 터빈에 관한 것이다.
터보차저는 대기압 이상의 압력(부스트 압력)에서 내부 연소 엔진의 흡입구에 공기를 공급하기 위한 장치로 잘 알려져 있다.
기존의 터보차저는 필수적으로 터빈 하우징내에 회전가능한 샤프트 상에 탑재된 배기가스 구동 터빈휠을 구비한다. 상기 터빈휠이 회전함으로 인해 상기 샤프트의 다른 일단에 탑재되고 콤프레샤 하우징내에 위치한 콤프레샤휠을 회전시켜 압축된 공기를 상기 엔진흡기관에 전달한다. 기존에 상기 터보차저 샤프트는 상기 터빈과 콤프레샤휠 하우징 간에 연결된 중앙 베어링 하우징내에 위치하며, 적절한 윤활 시스템을 포함하며, 저널베어링(Journal Bearing) 및 스러스트베어링(Thrust Bearing)에 의해 지지 된다.
잘 알려진 터보차저에 있어서, 터빈은 터빈휠이 탑재된 터빈챔버, 상기 터빈챔버 주위에 배치된 페이싱 레디알 벽(Facing Radial Wall)들 간에 정의된 고리형상의 인입통로 및 상기 터빈챔버로 부터 연장된 배출통로를 구비한다. 상기 통로와 챔버는 상기 인입챔버에 인가된 압축된 배기가스가 터빈을 통해 인입통로로 배출통로로 흐르도록 하여 상기 터빈휠을 회전시키는 식으로 열을 전달한다. 또한 트림 터빈 성능(Trim Turbine Performance)으로 알려진 것은, 가스의 흐름을 인입통로를 통해 터빈휠의 회전방향을 향해 구부리도록 하기 위해 상기 인입통로내에 "노즐날개"로 알려진 베인(Vanes)을 제공하는 것이다.
터빈은 고정 및 가변 구조형으로 분류하며, 가변구조 터빈은 인입통로의 크기 면에서 일련의 질량유속(Mass flow Rate) 대비 가스흐름 속도를 최적화하여 터빈의 동력출력을 변화하는 엔진 요구에 적합화하도록 변동할 수 있게 변경되어진다는 점에서 고정구조 터빈과는 다르다. 예를 들면, 터빈에 전달되는 배기가스의 체적이 상대적으로 적을 때, 터빈휠에 도달하는 가스의 속도는 고리형의 인입통로의 크기를 줄여 효율적인 터빈 동작을 확보하는 수준에서 유지된다.
잘 알려진 가변구조 터빈에 있어서, 일반적으로 "노즐링"으로 언급되는 축으로 이동가능한 벽부재(Axially Moveable wall member)는 인입통로의 하나의 벽을 정의한다. 상기 인입통로의 마주하는 벽에 비해 상기 노즐링의 위치는 상기 인입통로의 축 폭(Axial width)을 통제하도록 조정될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 상기 터빈을 통해 흐르는 가스가 감소함에 따라, 상기 인입통로 폭은 가스 속도를 유지하기 위해 감소하여 터빈 출력을 최적화할 수 있다. 그러한 노즐링들은 필수적으로 방사상으로 연장되는 벽 및 내측/외측 축방향으로 연장되는 고리형상의 플랜지들을 구비한다. 상기 고리형상의 플랜지들은 상기 터빈 하우징내에 정의된 고리형상의 캐비티(Cavity) 내로 뻗어 있으며, 실제 상기 베어링 하우징에 의해 제공되는 하우 징의 한부분을 구성하며, 상기 노즐링의 축방향 이동을 조절한다.
상기 노즐링은 상기 노즐링의 이동을 조절할 수 있도록 상기 인입통로로 연장되어 상기 인입통로의 마주하는 벽 상에 제공된 슬롯(Slot)들을 관통하는 베인(Vane)들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 베인들은 고정된 벽으로 부터 상기 노즐링에 구비된 슬롯들을 통해 연장될 수 있다. 일반적으로, 상기 노즐링은 상기 터빈휠의 회전 축과 평행하게 연장된 로드(Rod)들 상에 지지되며, 상기 로드들을 축방향으로 바꾸어 놓는 엑츄에이터에 의해 이동된다. 다양한 형태의 엑츄에이터들은 가변구조 터빈에서 사용되며, 예를 들면 공압, 수압 및 전기 엑츄에이터들로 터보차저의 외부에 탑재되고 적절한 연결구들을 통해 상기 가변구조 시스템에 연결되어 진다.
기존의 터빈이 사용될 경우, 가스가 상기 인입통로를 통과하면서 압력이 상기 노즐링의 전면에 가해지며 상기 노즐링은 상기 환형의 캐비티내로 밀어넣어지게 된다. 상기 노즐링이 안착하는 환형의 캐비티내에는 압력이 있으며, 만일 상기 노즐링의 위치가 정확하게 조절되어진다면, 작동 메카니즘은 이러한 압력 효과를 극복해야만 한다. 상기 통로의 폭을 더 줄이기 위해 그리고 공기 흐름의 속도를 증가시키기 위해 상기 노즐링을 상기 통로의 마주하는 벽에 더 가까이 이동하는 것은 상기 노즐링의 전면에 인가된 하중을 증가시킬 수 있다. 터빈을 위한 이러한 작동기들은, 예를들면, 전기 작동기는 공압 작동기에 비해, 노즐링을 이동시키기 위해 상대적으로 제한된 힘을 제공할 수 있다. 몇 가지 동작조건에서 상기 작동기에 의해 공급되어질 수 있는 힘은 상기 작동기의 용량을 초과할 수 있다.
또한 상기 노즐링 상에 합력(Resultant force)은 단일 방향을 확보하는 것이 바람직하다.
EP 0654587에는 노즐 베인(Nozzle Vane)들 간의 노즐링내에 압력평형 개구부(Pressure balance Aperture)를 갖는 가변구조 터빈을 기술하고 있다. 노즐링 상에서의 힘은 노즐링 전면 상에서의 압력, 상기 노즐링 후방의 캐비티내에서의 압력 및 엑츄에이터의 압력들에 의해 생성된다. 상기 압력평형 개구부의 기능은 상기 노즐링 후방의 캐비티의 압력은 노즐링에 작지만 단일 방향의 힘이 가해지도록 상기 노즐링의 전면에 가해지는 압력보다 실질적으로 동일하거나 언제나 그보다 적도록 하는 것을 확인하기 위한 것이다.
터빈 노즐링은 일반적으로 상기 터빈 인입구를 가로질러 연장되는 환형의 베인(Vane)들의 배열을 구비한다. 상기 인입구를 통하는 공기의 흐름은 인접한 베인(Vane)들 간에 방사상으로 흐르기 때문에 베인(Vane)통로를 정의하는 것으로 여겨진다. 상기 터빈 인입구는 인입구 가스 속도가 상기 베인통로의 영역내에서 축소된 방사상 흐름 영역을 갖는데 이는 상기 인입구 가스 속도가 상기 노즐링의 영역내에서 압력에 있어 대응되는 감소로 상기 베인통로를 통해 증가하는 효과를 갖기 때문이다. 따라서, 상기 EP 0654587에 기재된 압력평형 홀 (Pressure Balance Hole)들은 각각의 평형 개구부들의 최내 및/또는 최외측의 끝단이 노즐 가이드 베인통로의 내측 또는 외측 방사상 범위내에 위치한다는 의미에서 베인(Vane)들 사이에 위치한다.
상기 EP 0654587에 기재된 압력평형 홀 (Pressure Balance Hole)들의 원리 를 적용하더라도 상기 터빈 인입구내의 압력은 배기밸브의 개폐작용에 의해 동력 엔진의 배기 기관내에 방출된 배기펄스들로 인해 흔들리기 때문에, 노즐링 상의 힘도 바람직하지 않게 흔들리게 된다. 이러한 힘의 흔들림은 터보차저가 엔진 "Fired" 모드 및 "Braking" 모드 일 때 모두 존재한다. 예를들면, "Braking" 모드일 때, 상기 힘의 흔들림은 생성된 브레이킹 토크(Breaking Torque)내에서 바람직하지 않는 흔들림을 야기할 수 있다.
상기 "Fired" 및"Braking" 모드 용어는 당 분야에 종사하는 당업자에게 일반적으로 잘 알려져 있다.
본 발명의 목적은 상기 기술한 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 따르면, 축 둘레를 회전하기 위한 하우징내에서 지지되는 터빈휠, 상기 하우징내에 제공된 캐비티(cavity)내에 탑재된 축방향 이동 가능한 환형의 벽부재, 상기 이동가능한 벽부재의 방사면(Radial face)과 상기 하우징의 마주하는 벽 사이에 정의되고, 상기 터빈휠을 향하여 방사상 내측으로 연장되되, 상기 하우징에 대하여 축방향으로 움직이는 상기 이동가능한 벽부재에 의해 축 폭이 변경되는 환형의 인입통로, 상기 방사면 및 방사상의 베인통로(vane passage)를 한정하는 대향벽 사이에 연장된 인입 가이드 베인들 배열, 상기 방사면을 통해 제공되며, 상기 베인통로내에 실질적으로 위치하는 제 1 원주형 배열의 개구부들, 및 상기 방사면을 통해 제공되며, 상기 인입구를 통한 흐름 방향에 대하여 상기 제 1 원주형 배열의 개구부들의 실질적으로 업스트림(Upstream) 또는 다운스트림(Downstream)에 위치하는 제 2 원주형 배열의 개구부들을 포함하되, 상기 인입구 및 상기 캐비티는 상기 제 1 및 제 2 세트 개구부들을 통해 유체 전달되도록 하는 가변구조 터빈을 제공한다.
터빈 스테이지를 통과하는 배기펄스에 의해 초래되는 엑츄에이터 인터페이스(interface)에서 힘의 진폭은 제 1 세트 압력평형 개구부들 단독으로 있을 때와 비교할 시, 노즐링내에 제 1 압력평형 개구부들 및 제2 세트 압력평형 개구부들을 이용하여 "Braking" 조건에서 75% 이상, "Fired"조건에서 80% 이상까지 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명은 노즐링의 낮은 평균의 힘을 통해 엔진 속도의 범위를 넘도록 할 수 있도록 할 수 있다.
도 1A는 본 발명에 따른 가변구조 터빈의 축방향 단면도이다.
도 1B는 도 1A의 터빈의 부분 단면도이다.
도 1C는 도 1A 및 1B에 도시된 노즐링의 사시도이다.
도 2는 도 1A 내지 도 1C에 대한 제 2 실시예에 따른 축방향의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 축방향의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 축방향의 부분 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
1a를 참조하면, 도시된 가변구조 터빈은 내부 연소엔진(미도시)로 부터 가스를 전달하는 인입챔버(2)를 정의하는 터빈 하우징(1)을 구비한다. 배기가스가 인입챔버(2)로부터 환형의 인입통로(4)를 통해 배출통로(3)로 흐른다. 인입통로(4)는 일반적으로 "노즐링"으로 언급되는 이동가능한 환형의 벽 부재(Movable Annular Wall Member)의 일 면에 의해 일측이 정의됨과 아울러서, 마주하는 벽내에 환형의 리세스(7)의 개구부를 커버하는 환형의 측판(6)에 의해 반대측이 정의된다.
인입챔버(2)로부터 배출통로(3)로 흐르는 가스는 터빈휠(9)을 가로질러 흐르며, 그 결과, 토크(Torque)가 콤프레셔휠(11)을 구동하는 터보차저 샤프트(10)에 인가된다. 콤푸레셔휠(11)의 회전은 공기 인입구(12) 내에 현존하는 주위 공기에 압력을 가하면서, 압축된 공기를 내부연소 엔진(미도시)에 공급하면서 공기 배출구(13)로 전달한다. 터빈휠(9)의 속도는 환형의 인입통로(4)를 통과하는 가스의 속도에 의존한다. 인입통로로 유입되는 가스의 고정된 질량율에 있어서, 가스 속도는 인입통로(4)의 폭의 함수이며, 여기서 폭은 노즐링(5)의 축 위치를 조절함으로 조정될 수 있다. 인입통로(4)의 폭이 감소되면, 이를 통과하는 가스의 속도는 증가한다.
도 1a는 환형의 인입통로(4)가 최소 폭으로 닫힌 상태를 나타내며, 도 1b는 환형의 인입통로(4)가 완전히 열린 상태를 나타낸다.
노즐링(5)은 원주방향으로 일정한 간격으로 배치된 베인(Vane)들의 배열을 지지하며, 각각의 베인들은 인입통로(4)를 가로질러 연장된다. 베인들(8)은 인입통로(4)를 통해 유입되는 가스를 터빈휠(9)의 회전방향으로 편향시키키도록 방향성을 갖는다. 노즐링(5)이 환형의 측판 및 상기 마주하는 벽에 근접할 때, 베인들(8)은 측판(6) 내의 적절히 배열된 슬롯들을 통해 리세스(7)로 내뿜는다.
공압으로 작동되는 엑츄에이터(16)는 엑츄에이터 출력샤프트(미도시)를 통해 노즐링(5)의 위치를 조절하도록 동작되며, 이는 스터럽(stirrup) 부재(미도시)에 연결된다. 스터럽 부재는 노즐링(5)을 지지하며 축방향으로 연장하는 가이드 로드들(미도시)와 번갈아 맞물려 있다. 따라서, 엑츄에이터(16)의 적절한 조정으로 상기 가이드 로드들의 축 위치 및 그에 따른 노즐링(5)의 위치는 조절될 수 있다. 전기적으로 동작되는 엑츄에이터들이 공압으로 조절되는 엑츄에이터 대신 사용될 수 있다.
노즐링(5)은 상기 터빈 하우징내에 제공된 환형의 캐비티(19)내로 각각 연장하며 축방향으로 연장하는 내측 및 외측 환형의 프랜지들(flanges; 17, 18)을 포함한다. 노즐링(5)이 환형의 캐비티(19)내에 슬라이드하는 동안에,내측 및 외측 씰링링들(sealing rings; 20,21)은 각각 환형의 캐비티(19)의 내측 및 외측 환형의 면들에 대하여 노즐링(5)을 밀폐하기 위해 제공된다. 내측 씰링링(20)은 캐비티(19)의 내측면내에 형성된 환형의 홈(22)내에 지지되며, 노즐링(5)의 내측 환형의 프랜지(17)를 지탱한다. 반면에, 외측 씰링링(21)은 노즐링(5)의 환형의 프랜지(18)내에 제공된 환형의 홈(23) 내에 지지되며 캐비티(19)의 방사상으로 뻗은(radially) 최외측의 내부면을 지탱한다. 내측 씰링링(20)은 도시된 것과 달리, 프랜지(17)내에 환형의 홈내에 탑재될 수 있으며, 외측 씰링링(21)은 도시된 것과 달리, 상기 캐비티의 외측면 내에 제공된 환형의 홈내에 탑재될 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 노즐링(5)은 제 1 및 제 2 원주형상 배열의 압력평형 개구부들(24,25)을 구비한다. 제 1 세트 압력평형 개구부들(25)은 인접한 베인들(8) 사이에 한정된 베인통로 내에 배치된다. 제 2 세트 압력평형 개구부들(24)은 상기 노즐 베인통로의 반경 외측에 위치한다.
제 1 및 제 2 압력평형 개구부들(24, 25)로 인하여, 상기 환형의 인입통로는 환형의 캐비티(19)와 유체 전달이 되나,제 1 및 제 2 압력평형 개구부들(24, 25)은 씰링링들(20,21)에 의해 인입통로(4)로부터 별도로 밀봉된다.
터빈 스테이지를 통과하는 배기펄스에 의해 초래되는 엑츄에이터 인터페이스(interface)에서 힘의 진폭은 제 1 세트 압력평형 개구부들(24) (상기 베인통로내에 위치됨)이 단독으로 있을 때와 비교할 시, 제2 세트 압력평형 개구부들(24)의 추가로 인해 약 80% 넘게 줄일 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제 2 및 제 3 실시예들을 도시한다.
도 1a 내지 1c를 참조하면, 상기 터빈의 노즐링/인입 통로 영역에 대해 구체적으로 도시되어 있다. 적절하다면, 도 1a 및 1b에 사용된 동일 참조부호들은 도 2 및 도 3에서도 사용된다. 도 2 및 도 3은 단지 한가지 점에서 도 1A 및 1B의 실시예들과 다르다는 것을 보여준다. 도 2의 실시예에 있어서, 제 2 압력평형 개구부들(24)이 노즐링(5)의 외측 프랜지(18)내에 제공되며, 반면에 도 3의 실시예에 있어서 제 2 압력평형 개구부들(24)이 노즐링(5) 상에 베인들(8)의 노즐 베인통로 방사상(radially) 안쪽으로 제공된다.
제 2 배열의 압력평형 개구부들(24)이 다른 방사상 위치들에서 제공되어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 세트 압력평형 개구부들의 업스트림(upstream)에 제공되는 제 2 압력평형 개구부들은 적어도 부분적으로 상기 베인통로 내에 위치한다. 그리고, 제 2 압력평형 개구부의 일부분은 상기 베인통로내에 위치할 수 있다. 이와 마찬가지로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 압력평형 개구부들이 상기 제 1 압력평형 개구부들의 다운스트림(downstream)에 제공되는 경우에, 상기 제 2 압력평형 개구부들은 상기 베인통로 외측이 아닌 내부에 전체 혹은 일부분이 위치할 수 있다. 예를 들면, 각각의 제 2 압력평형 개구부는 상기 베인통로내에 전체적으로 놓여질 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에서, 상기 제 1 압력평형 개구부들의 방사상 범위 및 상기 제 2 압력평형 개구부들의 방사상 범위 사이에 중첩될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 압력평형 개구부들의 상기 제 2 압력평형 개구부들 업스트림은 상기 제 1 압력평형 개구부들 각각에서의 방사상 최외측의 가장자리보다 적은 반경에서 방사상 최내측의 가장자리를 구비할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제 2 압력평형 개구부들이 상기 제 1 압력평형 개구부들의 업스트림을 제공하는 경우에 각각의 압력평형 개구부들은 상기 제 1 압력평형 개구부들 각각의 방사상 내측의 가장자리보다 큰 반경에 위치하는 방사상 외측의 가장자리를 구비할 수 있다.
제 2 압력평형 개구부들(24)은 상기 베인통로 내측이나 외측에 위치할 수 있거나, 내측 환형의 프랜지 또는 외측 환형의 프랜지 내에 위치할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한 것이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 상기 터빈의 노즐링/인입 통로 영역에 대해 구체적 으로 도시되어 있다. 적절하다면, 이전 도면에 사용된 동일 참조부호들은 도 4에서도 사용된다. 도 4는 도 1A 및 1B의 실시예와 단지 하나의 중요한 차이점을 가진다. 즉, 바이패스 통로(Bypass Path)는 EP 1,435,434(참고자료에 의해 이에 특별히 병합된 것임)에 개시되어 제공된다.
EP 1,435,434는 원주형 배열의 바이패스 개구부들을 구비하여 개조된 노즐링을 갖는 터빈을 개시한다. 상기 바이패스 개구부들의 위치는 상기 노즐링이 엔진 브레이킹 모드(braking mode)에서 사용된 폐쇄 위치 예를 들면,상기 개구부들이 상기 씰을 통과하는 위치에 도달하는 때를 제외하고, 상기 바이패스 개구부들이 상기 터빈 인입통로로부터 멀리 떨어져 노즐링 씰 배치의 일측상에 배치되도록 한다. 이는 상기 인입통로를 통하는 것보다 상기 노즐링 배후의 상기 캐비티를 통해 상기 인입챔버로부터 상기 터빈휠까지 일부 배기 가스를 흐르도록 하기 위한 바이패스 흐름 통로를 개방시킨다. 상기 인입통로 및 노즐베인들을 통과하는(bypass) 상기 배기가스 흐름이 상기 인입통로를 통한 배기가스 흐름보다 덜 작동한다. 이는 상기 배인들이 가스의 흐름을 돌리지 않는데 기인한다. 즉, 상기 바이패스 개구부들이 상기 인입통로와 연통되자마자, 상기 터보차저의 효율성에 즉각적인 감소가 나타나며 그로인해 엔진 실린더 압력에 있어서도 감소를 수반한 채, 콤푸레셔 유출압력(부스트 압력)은 이에 대응하여 감소된다.
따라서, 상기 인입 바이패스 개구부들(26)의 설치는 정상적인 종작조건에서 터보차저의 효율에 아무런 영향을 미치지 않지만, 상기 터빈이 엔진 브레이킹 모드로 동작하고 상기 인입통로가 최소로 감소될 때, 상기 바이패스 개구부들은 상기 엔진 실린더를 과도하게 압력시키지 않으면서 상기 인입통로(4) 축의 폭의 감소를 촉진한다. 상기 터보차저에 미치는 영향을 감소하는 효율성은 상기 바이패스 개구부들(26)의 수, 크기 및 형상의 적절한 선택으로 결정되어질 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, EP 1,435,434에서 개시된 바와 같이, 바이패스 개구부들(26)은 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 압력평형 개구부들에 더하여 노즐링(5)의 내측 플랜지(17)를 통하여 구비된다.
본 실시예에서는 상기 바이패스 통로는 압력평형 개구부들(24,25)과 조합되며, 바이패스 개구부들(26)에 의해 형성된다. EP 1,435,434에서 제시된 것은 단지 단일 세트의 바이패스 개구부들이 상기 베인통로내에 구비되었지만, 본 발명에서는 EP 1,435,434에 개시된 다른 실시예들과 결합되어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 "듀얼(Dual)" 압력평형 개구부들이 상기 단일 압력평형 개구부들이 별도로 제공되어지는 어느 것에도 적용될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 세트 개구부들은 실질적으로 동일한 크기와 형상을 가지며, 또한 실질적으로 다른 크기 및/또는 형상을 가질 수도 있다. 일반적으로 상기 제 1 세트 개구부들보다 제 2 세트 개구부들 내에 더 적은 개구부들이 바람직하며, 상기 제 2 세트 개구부들은 상기 제 1 세트 개구부들보다 더 작은 것이 바람직하다.
일 실시예들에서 상기 제 1 세트 개구부들은 상기 베인통로(vane passage)내에 전적으로 놓여져 있으나, 다른 실시예들에서는 상기 제 1 세트 개구부들 각각의 일부분이 상기 베인통로의 외부, 예를 들어, 방사상 내측 또는 외측에 위치할 수 있다. 이와 마찬가지로, 어떤 실시예들에서 상기 제 2 세트 개구부들은 전부 상기 베인통로의 외부에 위치될 수 있으나, 다른 실시예에서는 상기 제 2 세트 개구부들은 상기 제 1 세트 개구부들의 업스트림 또는 다운스트림 (Downstream)에서의 상기 베인통로 내에 적어도 부분적으로 놓여져 있다. 예를 들면, 일 실시예들에서 상기 제 1 세트 개구부들은 방사상 범위의 측면에서 상기 제 2 세트 개구부들과 방사상으로 중첩될 수 있다.
개구부들은 다양한 형상으로 구현될 수 있으며, 본 실시예들에서 언급한 환형일 필요는 없다.

Claims (16)

  1. 축 둘레를 회전하도록 하우징내에 지지되는 터빈휠;
    상기 하우징내에 제공된 캐비티(cavity)내에 탑재된 축방향 이동 가능한 환형의 벽부재;
    상기 이동가능한 벽부재의 방사면(Radial face)과 상기 하우징의 마주하는 벽 사이에 정의되고, 상기 터빈휠을 향하여 방사상 내측으로 연장되되, 상기 하우징에 대하여 축방향으로 움직이는 상기 이동가능한 벽부재에 의해 그 축 폭이 변경되는 환형의 인입통로;
    상기 방사면 및 방사상의 베인통로(vane passage)를 한정하는 대향벽 사이에 연장된 인입 가이드 베인들 배열;
    상기 방사면을 통해 제공되며, 상기 베인통로 내에 실질적으로 위치하는 제 1 원주형 배열의 개구부들; 및
    상기 방사면을 통해 제공되며, 상기 인입구를 통한 흐름 방향에 대하여 상기 제 1 원주형 배열의 개구부들의 실질적으로 업스트림(Upstream) 또는 다운스트림(Downstream)에 위치하는 제 2 원주형 배열의 개구부들을 포함하되, 상기 인입구 및 상기 캐비티는 상기 제 1 및 제 2 세트 개구부들을 통해 유체 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동가능한 벽부재는 완전 개구 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하되, 상기 제 1 및 제 2 세트 개구부들은 상기 완전 개구 위치와 상기 완전 폐쇄 위치 사이에 움직이는 상기 이동가능한 벽부재의 모든 축방향 위치들에 대하여 상기 인입구와 상기 캐비티 양쪽에 유체 전달되는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 배열의 개구부들 각각은 제 1 반경 중앙에 위치하며, 상기 제 2 배열의 개구부들 각각은 제 2 반경 중앙에 위치하되, 상기 제 2 반경이 상기 제 1 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 반경이 상기 베인들의 방사상 외측 범위의 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  5. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 배열의 개구부들 각각은 제 1 반경 중앙에 위치하며, 상기 제 2 배열의 개구부들 각각은 제 2 반경 중앙에 위치하되, 상기 제 2 반경이 상기 제 1 반경 보다 작은 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 반경이 상기 베인들의 방사상 내측 범위의 반경 보다 작은 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  7. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배열 내 각각의 개구부의 전 영역이 상기 베인통로내에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  8. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 배열 개구부들 각각은 적어도 상기 베인통로 외측에 실질적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  9. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 배열내의 각각의 개구부들의 전 영역이 상기 베인통로 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 배열 개구부들의 각각은 적어도 상기 베인통로 내에 실질적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 배열 개구부들 각각은 상기 베인통로 내에 전부 위치하는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  12. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 배열 내의 개구부들의 각각은 상기 제 1 배열 내의 각각의 개구부보다 더 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 개구부들은 환형이며, 상기 제 2 배열 개구부들 각각의 직경은 상기 제 1 배열 개구부들 각각의 직경의 약 70% 미만인 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  14. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 배열 개구부들의 방사상 범위는 상기 제 1 배열 개구부들의 방사상 범위와 중첩되는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  15. 전항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배열 개구부들 보다 상기 제 2 배열 개구부들내에 더 적은 개구부들이 있는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2 배열 개구부들 보다 상기 제 1 배열 개구부들내에 약 50% 더 적은 개구부들이 있는 것을 특징으로 하는 가변구조 터빈.
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