KR20100028589A - 원심 압축기 - Google Patents

Abstract

원심 압축기는 블레이드의 전방 단부를 넘어 이동하고 압력면으로부터 부압면으로 도는 유동에 의해 야기되는 박리 발생을 방지하여, 결과적으로 서징의 유량을 더 작은 유량으로 감소시킬 수 있다. 원심 압축기는 회전 구동되어 하우징에 형성된 공기 통로로부터 흡입한 공기를 축방향으로 도입하고, 그 도입된 공기를 가압하고, 그 가압된 공기를 반경 방향으로 배출하는 임펠러를 포함하며, 하우징의 공기 입구 통로의 주변벽에는 환형 오목홈이 형성되어 있으며, 하우징 주변벽과 교차하는 환형 오목홈의 개구부의 후단부가 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 근접하여 제공되어 있고, 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 -1T ≤ X ≤ 1.5T (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 으로 설정되도록 형성된다.

원심 압축기, 환형 오목홈.

Description

원심 압축기{CENTRIFUGAL COMPRESSOR}

본 발명은 회전 구동되어 하우징에 형성된 공기 통로로부터 흡입한 공기를 축방향으로 도입하고, 그 도입된 공기를 가압하고 나서, 그 가압된 공기를 반경 방향으로 배출하는 임펠러가 구비되어 있는, 내연기관의 배기 터보 차저의 압축기의 공기 (pneumatic) 장치 등에 이용되는 원심 압축기에 관한 것으로서, 상기 하우징의 공기 통로의 주변벽에는 환형 오목홈이 형성되어 있으며, 환형 오목홈의 하우징 주변벽과 교차하는 환형 오목홈의 개구부의 후단부가 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 근접하여 제공되어 있다.

도 6 은 상기 원심 압축기가 설치된 폭류형 (radial-flow type) 의 배기 터보 차저의 종래의 일례를 나타내며 회전 축선을 따르는 단면도이다.

도 6 을 참조하면, 도면부호 10 은 터빈 케이싱을 나타내고, 도면부호 11 은 터빈 케이싱 (10) 의 외주 주위를 도는 나선형으로 형성된 스크롤을 나타낸다. 도면부호 12 는 임펠러 (8) 와 동축으로 제공되어 있는 폭류형의 터빈 로터를 나타내며, 그의 터빈 샤프트 (12a) 는 베어링 (16) 을 개재하여 베어링 하우징 (13) 에 의해 회전 지지를 받는다.

도면부호 7 은 임펠러 (8) 가 수납되는 압축기 하우징을 나타내며, 도면부호 9 는 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로를 나타내며, 도면부호 7a 는 나선형 공기 통로를 나타낸다. 도면부호 4 는 디퓨져를 나타낸다. 이러한 구성 부품이 원심 압축기 (100) 를 구성한다. 또, 도면부호 100a 는 배기 터보 차저의 회전 축심을 나타낸다.

전술한 바와 같이 구성된 배기 터보 차저가 작동할 때, 엔진 (미 도시) 으로부터의 배기가스는 스크롤 (11) 에 유입되고, 스크롤 (11) 로부터 터빈 로터 (12) 에 그의 외주측으로부터 유동하여, 중심측을 향하여 반경 방향으로 유동하고 터빈 로터 (12) 상에서 팽창 작업을 이행한다. 그 후, 배기 가스가 축방향으로 유출하여 가스 출구 (lOb) 에 안내되어 배기 터보 차저의 외부로 송출된다.

상기 터빈 로터 (12) 의 회전은 터빈 샤프트 (12a) 를 개재하여 원심 압축기 (100) 의 임펠러 (8) 를 회전시킨다. 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 로부터 흡입된 공기를 임펠러 (8) 로 가압하고, 그 가압된 공기는 공기 통로 (7a) 를 통해 엔진 (미 도시) 에 공급된다.

전술한 배기 터보 차저의 원심 압축기 (100) 는 도 10 의 (B) 에 나타낸 바와 같이 공기의 초크 (choke) 유량과 서지 (surge) 유량과의 관계에 따라 안정적으로 운전될 수 있다. 그러나, 안정적으로 운전할 수 있는 유량 범위가 제한되어 있으며, 이로써 급가속시의 과도기적인 변화가 일어나는 동안에, 서징을 일으키지 않도록, 서지 유량으로부터 멀어진 저-효율 작동점에서 원심 압축기 (100) 를 운전할 필요가 있다.

원심 압축기 (100) 는 서징의 발생에 의해, 도 10 의 (B) 에 도시한 바와 같 이, 초크 유량과 서지 유량과의 사이의 유량 범위가 좁아진다는 큰 결점을 제공한다.

서징은 임펠러 (8) 의 입구에서의 유동의 실속에 의해 또는 디퓨져 (4) 의 실속에 의해 발생된다.

원심 압축기 (100) 의 임펠러 (8) 의 입구에서의 유동은 유량에 따라 변화한다. 도 10 의 (B) 에 나타낸 바와 같이, 초크 유량과 서지 유량과의 관계에 따라 안정적으로 작동하지만, 서지 유량 이하의 유량에서는 안정적으로 작동할 수 없다.

정상 작동점에서는 도 10 의 (C1) 에 도시된 바와 같이 유동이 임펠러 (8) 의 블레이드 (8a) 의 전방 단부의 윤각을 따라서 임펠러 (8) 의 블레이드 (8a) 사이에 원활하게 유입된다. 그러나, 서지 유량에서는 도 12 의 (C2) 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (8a) 의 전방 단부에서의 유동의 실속 (9a') 이 발생한다. 임펠러 (8) 의 블레이드 (8a) 의 전방 단부에서의 유동의 실속 (9a') 은 서징을 일으키는 하나의 원인이다.

일반적으로 임펠러 (8) 의 실속 (9a') 으로 인하여 서징이 발생하는 경우 또는 디퓨져 (4) 의 실속으로 인하여 서징이 발생하는 경우가 있다. 본 발명은 주로 임펠러 (8) 에 의해 발생될 수 있는 서징의 개선 (서지 유량의 감소) 에 초점을 맞춘다.

서징의 발생 방지 수단으로서, 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58 - 18600 호) 이 제안되었다.

도 8 의 (A), (B), (C) 는 현재의 임펠러 (8) 에서 발생되었던 서징 근방에서의 유동을 나타낸다. 임펠러 (8) 의 블레이드 (8a) 의 입구에서의 실속으로 인하여 유량이 감소하면, 도 8 의 (B) 에 도시된 바와 같이, 유동의 입사각 (w) 이 증가해, 유동 (9f) 이 블레이드 (8a) 의 상류로부터 압력면을 향해 유입하기 시작한다. 상기 유동은 블레이드 (8a) 의 전방 단부로 돌 때 부압면에서 유동 (9f) 이 박리를 일으키는, 이른바 실속 현상을 발생시킨다(부압면에 역류가 발생한다).

상기 블레이드 (8a) 에서의 실속 현상은 블레이드 (8a) 로부터 역회전측에 있는 블레이드 (8a') 로 유입하는 유동의 입사각 (w) 을 더 크게 하여, 블레이드 (8a') 에 한층 더 큰 박리를 발생시킨다. 상기 현상은 역회전측에서 블레이드 (8a') 에 전파되고, 도 8 의 (C) 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (8a) 의 전방 단부를 넘어 압력면 (8a1) 으로부터 부압면에 이르는 역류 (9h) 에 의해 또 부압면에도 역류 (9g) 가 발생한다.

따라서, 임펠러 (8) 의 실속 현상이 확장되어, 그 결과 임펠러 (8) 의 압력이 강하되고 서징이 발생한다.

서징의 발생 방지 수단으로서 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58 - 18600 호) 이 제안되었다. 이 수단에서는, 도 9 의 (A) 및 (B) 에 도시된 바와 같이, 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 의 주변벽에 환형 오목홈 (7b) 이 형성되어 있고, 환형 오목홈 (7b) 의 하우징 주변벽 (3) 과 교차하는 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부가 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 걸쳐 연장되도록 제공되어 있다. 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부는 순환류 (18') 가 임펠러의 전방 단부면과 임펠러의 후단부 사이에서 임펠러 선단부를 지나갈 수 있게, 임펠러의 전방 단부면의 하류에 제공되어 있다.

상기 경우에, 도 9 의 (A) 에 도시된 바와 같이, 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부가 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 걸쳐 연장되도록 제공되어 있으며 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 의 반경이 환형 오목홈 (7b) 의 출구측의 케이싱의 주변벽 (3') 의 반경과 일치하는 경우에, 블레이드의 전방 단부면의 하류에서 블레이드 선단부를 지나가는 역류 와동 (18') 이 소-유량 영역에서 원심력에 의하여 발생된다.

또, 도 9 의 (B) (특허 문헌 1 의 도 17) 에 도시된 바와 같이, 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부가 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 걸쳐 연장되도록 제공되고 상기 환형 오목홈의 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 의 반경이 출구측의 케이싱의 주변벽 (3') 의 반경 보다 U 정도 크게 설정되면, 설계 유량으로 인하여 상류측의 동압과 원심력이 균형을 이루게 된다. 이러한 점은 주류의 유동을 원활하게 한다.

이 경우에는, 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부는 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 걸쳐 연장되도록 제공되어 있다. 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 이 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부에 걸쳐 연장되어 있고 블레이드 선단부는 순환류가 지나가도록 구성되어 있는 관계가 도시되어 있다. 이러한 점은 정상 작동점에서 성능이 저하된다고 하는 결점을 갖는다.

본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 상기 문제점들을 감안하여 만들어졌으며, 블레이드의 전방 단부를 넘어 압력면으로부터 부압면으로 이동하는 유동에 의해 야기된 박리 발생을 방지하여, 결과적으로 서징의 유량을 더 작은 유량으로 감소시킬 수 있는 원심 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이로 인해, 회전 구동되어, 하우징에 형성된 공기 통로로부터 흡입된 공기를 축방향으로 도입하고, 그 도입된 공기를 가압해, 그 가압된 공기를 반경 방향으로 배출하는 임펠러를 포함하는 원심 압축기를 제공하고, 상기 하우징의 공기 통로의 주변벽에 환형 오목홈이 형성되어 있으며, 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 하우징 주변벽과 교차하고 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면 근방에 제공되어 있으며, 또한 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 -1T ≤ X ≤ 1.5T (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 으로 결정되도록 형성된다.

본 발명에 따른 원심 압축기는 이하와 같이 더 구성된다.

(1) 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부에 있어서 축선을 포함하는 단면은, 상기 환형 오목홈의 후단부 내면과 하우징의 주변 벽면이 예각의 첨단을 형성하며 연결되고, 그 연결부에서 환형 오목홈의 후단부의 후단부 내면과 하우징의 내주벽이 이루는 교차각 (α) 은 0 °이상 및 45 °이하인 것으로 형성된다.

(2) 상기 환형 오목홈의 후단부 내면과 상기 하우징의 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께가 1T 이상 및 1.5 T 이하로 설정된다.

또, 본 발명에 따른 원심 압축기는 이하와 같이 구성될 수도 있다.

상기 임펠러의 출구의 중간부의 외주를 향해 개방되는 개구부와 임펠러의 출구의 블레이드의 전방 단부면 위의 상류측에서 외주부를 향하여 개방되는 개구부를 연결하는 재순환로가 외주측에 형성되어 있는 환형 구성 부품의 내주부에 상기 환형 오목홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또, 본 발명은 상기와 같은 환형 오목홈 구조를 가지며, 또한 상기 하우징의 내주벽에 형성된 환형 오목홈과 상류 단부벽이 상기 재순환로의 임펠러의 상류측 에서 개구부의 상류측 벽면을 공유하도록 구성된 원심 압축기를 포함한다.

본 발명은 이하의 이점을 제공한다.

상기 하우징의 공기 통로의 주변벽에 환형 오목홈이 형성되어 있으며, 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 하우징 주변벽과 교차하고 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면 근방에 제공되어 있으며, 또한 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부에 있어서 축선을 포함하는 단면은, 상기 환형 오목홈의 후단부 내면과 하우징의 주변 벽면이 예각의 첨단을 형성하며 연결되고, 환형 오목홈의 후단부 내면과 하우징의 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께는 1.5T 이하로 설정되도록 형성된다. 그러므로, 블레이드의 전방 단부 주위를 회전하는 유동은 블레이드의 전방 단부 위에 그리고 근접하게 제공되어 있는 환형 오목홈으로 안내되어 임펠러 블레이드의 부압면으로의 유동이 박리되는 것을 예방한다.

상기 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58 - 18600호) 에서는 환형 오목홈에 상기와 같은 형상을 적용하여 서징을 예방하는 효과를 목적으로 하지만, 정상 작동점에서도 블레이드와 블레이드의 선단부를 지나 상방을 향하는 소용돌이가 생겨 그 때문에 효율이 저하된다고 하는 결점을 갖는다.

이러한 결점을 개선하기 위해서, 본 발명에 의하면 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부가 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대한 축방향 돌출 양 (X) 이 X ≤ 1.5T (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 으로 결정되도록 그리고 임펠러의 전방 에지의 위치에 인접하게 제공되도록 형성되어 있다. 부수적으로, -1T ≤ X 는 제조시 허용가능한 값을 나타낸다.

이러한 구성에 의해, 공기 통로로부터 흡입된 공기 유동이 입사각을 갖고 임펠러의 블레이드를 향해 이동하고, 블레이드의 블레이드 단부면을 회전할 때, 블레이드의 선회 속도에 대략 동일한 선회 속도가 발생된다. 이 선회 속도에 의해 원심력이 발생한다. 이 선회 속도에 의해 발생된 원심력을 이용하여 선회 속도를 얻은 유동이 환형 오목홈으로 유도될 수 있다.

상기 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58 - 18600호) 에서도 상기 작용을 이용해 유동의 실속 방지를 목적으로 하지만, 정상 작동점에 있어서도 블레이드의 압력면을 따라 흐르는 유동이 동일한 방식으로 선회 속도를 얻어서, 그 유동이 원심력에 의해 블레이드의 선단부를 지나가 상기 환형 오목홈으로 유입되어, 재순환의 양을 부가한다는 결점을 갖는다. 그러므로, 환형 오목홈 안의 벽면을 향한 마찰이 증가하고, 유동의 재순환이 상류로부터 블레이드로 유입하는 유동과의 혼합으로 인한 혼합 손실을 유발시켜 효율을 저하시킨다는 결점을 갖는다.

본 발명에 따르면 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 X ≤ 1.5T (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 으로 결정되고, 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부와 하우징의 주변 벽면에 있어서 축선을 포함하는 단면은, 예각의 첨단을 형성하며 연결되고, 그 연결부에서 환형 오목홈의 내면의 후단부와 하우징의 내주벽면이 이루는 교차각 (α) 은 0 °이상 및 45 °이하로 형성된다.

종래 기술에 있어서, 블레이드의 전방 에지 주위를 회전하는 유동으로 인하여, 그로부터 발생된 유동이 소-규모의 박리를 일으킬 뿐만 아니라, 역회전측의 블레이드에 한층 더 큰 규모의 박리를 발생시켜, 서징을 일으킨다고 하는 결점이 발생된다.

따라서, 상기의 결점을 회피하기 위해서는, 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대한 축방향 돌출 양 (X) 을 X < 1.5T (단 T 는 블레이드의 선단부의 두께) 에 의해 결정되는 크기로 설정된다. 이로 인해, 블레이드의 전방 에지 주위를 회전하는 유동이 원심력의 작용에 의해 환형 오목홈 안으로 유입하게 된다. 다시말해, 원심력의 작용으로 인해 상기 유동이 블레이드의 전방 에지를 넘어 압력면으로부터 부압면으로 이동하지 않고 반경 방향 외측으로 가서 환형 오목홈 안으로 유입될 수 있는 조건이 형성된다.

또, 상기와는 반대로, 축방향 돌출양이 X > l.5T 보다 크게 설정된 경우 그리고 연결부의 교차각 (α) 이 45 °를 초과하는 경우에는, 도 7 에 도시된 바와 같이, 하우징 주변벽의 환형 오목홈 근방의 유동 (9a) 이 유동 (9b) 과 같이 정체되고, 그 부분의 압력이 정체 압력까지 높아져서, 블레이드의 전방 에지 주위를 회전하는 유동 (9x) 이 압력에 의해 되밀려지고, 블레이드를 향하여 퇴행하여 기대하는 효과가 얻어지지 않는다.

전술한 구성을 갖는 본 발명은 블레이드의 전방 에지 주위를 회전하는 유동에 의해 야기되는 박리가 역회전측의 블레이드에서 박리를 확대하는 것을 방지할 수 있어 결과적으로 서지 유량이 작아질 수 있다.

또, 본 발명에서는, 임펠러 출구의 중간부의 외주를 향하여 개방되는 개구부와 임펠러 출구에서 블레이드의 전방 단부면보다 상류측에 있는 외주부를 향해 개방되는 개구부를 연결시키는 재순환로가 외주측에 형성되어 있는 환형 구성 부품의 내주부에 환형 오목홈이 형성되어 있으며, 상기 환형 오목홈의 후단부의 축방향 돌출 양 (X) 이 -1T ≤ X ≤ 1.5T (단 T 는 블레이드 선단부 두께) 에 따라 설정되거나 혹은 환형 오목홈의 개구부의 후단부에 있어서 축선을 포함한 단면은, 상기 환형 오목홈의 후방 내면과 상기 하우징의 주변 벽면이 예각의 첨단을 형성하며 연결되고 그 연결부에서 환형 오목홈의 후단부의 후단부 내면과 하우징의 내주벽이 이루는 교차각 (α) 이 45 °를 넘지 않게 형성되거나 혹은 환형 오목홈의 후단부 내면과 상기 하우징의 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께가 1.5T 이하로 설정되게 형성되어 있다.

따라서, 상기의 본 발명에 의하면, 재순환로의 입구에서의 정체 압력이 저감되어 재순환로에 유동이 유입하기 쉬워져서, 재순환로내의 압력 저감 효과를 얻을 수 있으며 그 결과 재순환 효율이 향상된다.

도 1 의 (A) 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압 축기의 주요부에 대한 단면도이며 (B) 는 (A) 의 Z 부분에 대한 확대도이다.

도 2 는 도 1 의 (A) 의 B-B 에서 취한 제 1 실시형태의 부분도이다.

도 3 은 도 1 의 (A) 의 A-A 에서 취한 제 1 실시형태의 부분도이다.

도 4 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이다.

도 5 는 제 3 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이다.

도 6 은 본 발명이 적용되는 폭류형 배기 터보 차저의 종래의 일례를 나타내며 회전 축선을 따라 취한 단면도이다.

도 7 은 종래의 비교예를 나타내며 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이다.

도 8 의 (A) 는 종래 기술을 나타내며 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이고, (B) 는 블레이드의 선단부에서의 유동 설명도 (Z 부분도) 이며, (c) 는 (A) 의 Y 부분도이다.

도 9 의 (A) 는 특허 문헌 1 의 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 제 1 단면도이며 (B) 는 그의 제 2 단면도이다.

도 10 의 (A) 은 종래 기술에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이며 (B) 는 성능 선도이고, (C) 는 블레이드의 단부면의 작동도이다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 나타낸 실시형태를 이용해 상세하게 설명한다. 단, 실시형태에 기술되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 및 형상, 그리고 상대 배치 등은 지정하지 않는 한, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.

(제 1 실시형태)

도 1 의 (A) 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이며 도 1 의 (B) 는 도 1 의 (A) 의 Z 부분에 대한 확대도이다. 도 2 는 도 1 의 (A) 의 B-B 에서 취한 부분도이며, 도 3 은 도 1 의 (A) 의 A-A 에서 취한 부분도이다.

도 1 내지 도 3 에 있어서, 도면부호 7 은 임펠러 (8) 가 수납되는 압축기 하우징을 표시하며 도면부호 9 는 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로를 나타내며, 도면부호 4 는 디퓨져를 나타낸다. 이러한 구성 부품들은 원심 압축기 (100) 를 구성한다. 또, 도면부호 100a 은 배기 터보 차저의 회전방향의 축심을 나타낸다.

상기 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 에는 타원 형상의 단면을 갖는 환형 오목홈 (7b) 이 형성되어 있으며, 하우징 주변벽 (3) 과 교차하는 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 는 임펠러 (8) 의 블레이드의 단부면 (1) 에 인접하게 제공된다.

이 경우, 상기 실시형태에 의하면 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 과 환형 오목홈 (7b) 의 출구측의 케이싱의 주변벽 (3') 의 반경이 서로 일치하도 록 형성된다.

압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 에 형성된 환형 오목홈 (7b) 은 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 근방에 형성된 개구부의 후단부 (2) 를 갖는다. 도 1 의 (B) 에 나타내는 바와 같이, 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대하여 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 축방향 돌출 양 (X) 은 -1T < X < 1.5T 이다 (단, T 는 블레이드 선단부의 두께).

또, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 축방향의 축방향 단면은 도 1 의 (B) 에 나타낸 바와 같이, 반경 (Y) 을 갖는 구면이 상기 환형 오목홈 (7b) 의 내면과 상기 하우징 주변벽 (3) 에 연결하여 형성되며 연결부의 교차 각 (α) 이 45 °를 넘지 않도록 형성된다.

또, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 후단부 내면과 상기 하우징 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께, 즉 도 1 의 (B) 에 도시된 개구부의 후단부 (2) 의 두께는 항상 1. 5T 이하로 유지된다.

전술한 바와 같이 구성된 배기 터보 차저가 작동될 때, 엔진 (미 도시) 으로부터의 배기가스에 의해 구동되는 터빈 로터 (12) (도 6 참조) 의 회전은 터빈 샤프트 (12a) 를 개재하여 원심 압축기 (100) 의 임펠러 (8) 를 회전시켜, 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 로부터 흡입된 공기를 임펠러 (8) 로 가압하고 나서 압축된 공기는 공기 통로 (7a) 를 통해 엔진 (미 도시) 에 공급된다.

전술한 실시형태 의하면, 원심 압축기에는 회전 구동되어 압축기 하우징 (7) 에 형성된 공기 입구 통로 (9) 로부터 흡입된 공기 유동 (9a) 을 축방향으로 도입하여 공기 유동 (9a) 을 가압하고 그 가압된 공기 유동 (9a) 을 반경 방향으로 배출하는 임펠러 (8) 가 제공되어 있으며, 상기 압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 의 하우징 주변벽 (3) 에 환형 오목홈 (7b) 이 형성되어 있으며, 하우징 주변벽 (3) 과 교차하는 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 는 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 근방에 제공되어 있다. 상기 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대하여 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 축방향 돌출 양 (X) 은 -1T < X < 1.5T 에 의해 결정되며 (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 또, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 축방향의 축방향 단면은 반경 (Y) 을 갖는 구면이 상기 환형 오목홈 (7b) 의 내면과 상기 하우징 주변벽 (3) 에 연결하여 형성되며 연결부의 교차 각 (α) 이 45 °를 넘지 않도록 형성된다. 또, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 후단부 내면과 상기 하우징 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께, 즉 개구부의 후단부 (2) 의 두께는 항상 1.5T 이하로 유지된다.

압축기 하우징 (7) 의 공기 입구 통로 (9) 에 환형 오목홈 (7b) 이 형성되어 있으며, 하우징 주변벽 (3) 과 교차하는 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 는 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 근방에 제공되어 있어 블레이드의 전방 단부 주위를 회전하는 유동이 블레이드의 전방 단부상에 인접하여 제공된 환형 오목홈 (7b) 으로 유도됨으로써, 임펠러 (8) 의 블레이드의 부압면 (negative pressure plane) 에서의 유동의 박리를 방지할 수 있다.

상기 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58-18600호) 에서도 환형 오목홈 (7b) 에 상기와 같은 형상을 적용함으로써 서징 (surging) 방지 효과를 목적으로 하지만, 심지어 정상 작동점에서도 블레이드 및 블레이드의 선단부를 지나가 상방을 향하는 소용돌이가 생겨 그 때문에 효율이 저하되는 결점이 있다.

이러한 결점을 개선하기 위해서, 본 실시형태에 의하면 상기 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 는 전술한 바와 같이 상기 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 X ≤ 1.5T 으로 결정되고 (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 임펠러 (8) 의 전방 에지 위치에 인접하여 제공되도록 형성된다. 부수적으로, -1T ≤ X 는 제작시의 허용 값을 결정한다.

이러한 구성에 의해, 공기 입구 통로 (9) 로부터 흡입된 공기 유동 (9a) 은 입사각 (incidence angle: w) (도 3 참조) 을 가지고 임펠러 (8) 의 블레이드 (8a) 안으로 유입하고, 도 3 에 도시된 바와 같이, 유동 (9t) 이 블레이드 (8a) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 을 돌 때에, 블레이드 (8a) 의 선회 속도와 대략 동일한 선회 속도가 발생한다. 이 선회 속도에 의해 원심력이 발생된다. 이 선회 속도에 의해 발생된 원심력을 이용해 선회 속도를 얻은 유동이 환형 오목홈 (7b) 으로 유도될 수 있다.

또, 도 2 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (8a) 의 압력 면 (8a1) 에 발생된 유동 (9b) 또한, 원심력에 의해 상기 환형 오목홈 (7b) 에 유입된다.

상기 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 제 58-18600 호) 에서도, 상기 작용을 이용하여 유동의 실속 (stall) 방지를 목적으로 하지만, 정상 작동점에 있어서도 블레이드의 압력면을 따라 흐르는 유동이 동일한 방식으로 선회 속도를 얻어서, 유동이 원심력에 의해 블레이드 선단부를 지나 상기 환형 오목홈으로 유입하여, 재순환의 양을 부가시키며, 이로써 환형 오목홈 (7b) 내의 벽면 마찰이 증가하고 유동이 재순환하여, 상류로부터 블레이드 (8a) 에 이르는 유동과의 혼합에 의한 혼합 손실을 일으키기 때문에 결과적으로 효율이 저하된다는 결점을 가진다.

다른 한편으로는, 본 발명의 제 1 실시형태에서 상기 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 X < 1.5T 로 설정되고 (단, T 는 블레이드 선단부 (8b) 의 두께) 또, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 축방향의 축방향 단면은 반경 (Y) 을 갖는 구면이 상기 환형 오목홈 (7b) 의 내면과 상기 하우징 주변벽 (3) 에 연결하여 형성되며 연결부의 교차 각 (α) 이 45 °를 넘지 않도록 형성된다. 게다가, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 후단부 내면과 상기 하우징 주변 벽면의 연결부의 돌출 단부의 두께, 즉 개구부의 후단부 (2) 의 두께는 항상 1.5T 이하로 유지된다.

종래 기술에 있어서, 블레이드 (8a) 의 전방 단부면 (1) 을 도는 유동은, 발생한 유동이 소-규모 박리를 발생시키고, 역회전 블레이드 (8a') 에 한층 더 큰 규모의 박리를 발생시켜 서징을 일으킨다고 하는 결점을 갖는다. 따라서, 상기의 결점을 회피하기 위해서는, 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대한 축방향 돌출 양 (X) 을 X < 1.5T 에 의해 결정되는 크기로 설정된다. 이로써, 블레이드의 전방 단부면 (1) 을 도는 유동 (9t) 은 원심력의 작용에 의해 환형 오목홈 (7b) 안으로 유동하게 된다. 다시 말해, 원심력의 작용에 의해 상기 유동 (9t) 이 블레이드 선단부를 지나지 않고 환형 오목홈 (7b) 으로 이동할 수 있는 조건이 형성된다.

상기와는 반대로 축방향 돌출양은 1.5T 보다 크게 설정하는 경우 (X > 1.5 T), 및 연결부의 교차각 (α) 이 45 °를 초과하는 경우에는 도 7 의 9b 로 나타낸 바와 같이, 하우징 주변벽 (3) 의 환형 오목홈 (7b) 근방의 유동이 정체되고, 그 부분의 압력이 정체 압력까지 증가하고, 이로써 그 압력에 의하여 블레이드의 전방 에지 주위를 도는 유동 (9x) 이 되밀려서, 블레이드 (8a) 로 다시 퇴행하여 기대되는 효과는 얻어지지 않는다.

전술한 구성에 의해 본 발명의 제 1 실시형태에서는 블레이드 (8a) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 을 도는 유동에 의해 발생된 박리가 역회전 블레이드 (8a') 에서 확대되는 것을 방지할 수 있어 결과적으로 서지 유량이 감소될 수 있다.

(제 2 실시형태)

또, 도 4 는 제 2 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대한 단면도이다. 제 2 실시형태에서는 상기 환형 오목홈 (7b) 에 연통되는 하우징 주변벽 (3) 이 반경 (R) 을 갖는 곡면으로 형성된다. 그 밖의 구성은 상기 제 1 실시형태의 구성과 같고, 이 제 1 실시형태와 동일한 구성 부품은 동일한 도면부호로 나타낸다.

(제 3 실시형태)

도 5 는 제 3 실시형태에 따른 배기 터보 차저의 원심 압축기의 주요부에 대 한 단면도이다.

본 발명의 제 3 실시형태는 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 과 임펠러 출구의 중간부에 개구부 (7z) 를 가지고, 임펠러 (8) 의 블레이드 전방 단부면 (1) 으로부터 상류측에 개구부 (7y) 를 갖고, 2 개의, 개구부 (7z) 와 개구부 (7y) 를 연통시키는 재순환로 (7s) 를 포함한다. 또한, 재순환로 (7s) 의 내측에, 재순환로 (7s) 를 형성할 수 있게 환형의 구성 부품 (70) 이 설치되어 있다. 환형의 구성 부품 (70) 의 내측에 환형 오목홈 (7b) 과 그의 상류 단부 벽 (7x) (도면에는 파선으로 나타낸 가상선) 이 상기 재순환로 (7s) 의 임펠러의 상류측 개구부 (7y) 의 상류측 벽면을 공유하도록 형성된다.

특히, 상기 압축기 하우징 (7) 에 형성된 공기 입구 통로 (9) 의 하우징의 주변벽 (3) 은 환형의 구성 부품 (70) 의 외주 주위에 있는 재순환로 (7s) 와 환형의 구성 부품 (70) 의 내주를 따르는 환형 오목홈 (7b) 을 포함하고, 환형 오목홈 (7b) 내의 개구부의 후단부 (2) 는 임펠러 (8) 의 전방 단부면 (1) 에 근접하여 제공되어 있다.

제 3 실시형태에 있어서도, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 환형의 구성 부품 (70) 의 내주를 따르는 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 는 상기 임펠러 (8) 의 블레이드의 전방 단부면 (1) 에 대한 축방향 돌출 양 (X) 이 -1T ≤ X ≤ 1.5T 으로 설정되고 (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 또한, 상기 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 상기 축선을 포함한 단면은 상기 환형 오목홈 (7b) 의 후단부 내면과 상기 하우징 주변벽 (3) 이 예각의 첨단을 형성하며 연결되 고 그 연결부의 환형 오목홈의 후단부 내면과 상기 하우징 내주벽면으로 이루어지는 교차각 (α) 이 45 °를 넘지 않게 형성된다.

본 실시형태는 종래 사용되던 재순환로와의 조합 예이다. 재순환은 서지 유량의 저감 효과가 크기 때문에 빈번히 실용화되어 왔다. 그러나, 재순환은 임펠러가 유동에 작업을 이행한 후에 재순환의 공정에서 그 작업이 손실되기 때문에 효율이 저하된다는 결점이 있었다. 그러나, 제 3 실시형태와 같이 재순환로와 환형 오목홈을 조합한 구조를 적용하면, 환형 오목홈에서의 순환 작용에 의해, 서지 유량의 저감 효과가 얻어지게 된다. 그러므로, 재순환로의 유로 단면적을 작게 하는 것이 가능해져, 재순환이 단독으로 사용되는 경우와 비교하여 효율 저하량을 더욱 줄이는 것이 가능해진다.

또, 제 3 실시형태에 의하면, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 재순환로 (7s) 의 개구부 (7z) 의 형상에 환형 오목홈 (7b) 의 개구부의 후단부 (2) 의 형상과 유사한 형상을 적용하면 개구부 (7z) 에서의 정체 압력이 저감되고 재순환로 (7s) 로 쉽게 유동하게 되고, 재순환로 (7s) 내의 압력을 저감시키는 효과를 얻을 수 있어 재순환에 의한 효율이 향상된다.

본 발명에 의하면, 블레이드의 전방 단부를 넘어 이동하고 압력면으로부터 부압면으로 도는 유동에 의해 야기되는 박리 발생을 방지하여, 결과적으로 서지 유량을 더 작은 유량으로 감소시키는 것을 가능하게 하는 원심 압축기를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 회전 구동되어, 하우징에 형성된 공기 통로로부터 흡입된 공기를 축방향으로 도입하고, 그 도입된 공기를 가압해, 그 가압된 공기를 반경 방향으로 배출하는 임펠러를 포함하고, 상기 하우징의 공기 통로의 주변벽에 환형 오목홈이 형성되어 있는 원심 압축기에 있어서,

   상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 하우징 주변벽과 교차하고 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면 근방에 제공되어 있으며, 또한 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부는 상기 임펠러의 블레이드의 전방 단부면에 대하여 축방향 돌출 양 (X) 이 -1T ≤ X ≤ 1.5T (단, T 는 블레이드 선단부의 두께) 으로 결정되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 오목홈의 개구부의 후단부에 있어서 축선을 포함하는 단면의 형상은 상기 환형 오목홈의 후단부 내면과 하우징의 주변 벽면이 예각의 첨단을 형성하며 연결되고, 그 연결부에서 환형 오목홈의 내면의 후단부와 하우징의 내주벽면이 이루는 교차각 (α) 은 0 °이상 및 45 °이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 오목홈의 후단부 내면과 상기 하우징의 내주벽 면의 연결부의 돌출 단부의 두께가 1T 이상 및 1.5 T 이하로 설정되는 것을 특징으 로 하는 원심 압축기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 오목홈은 외주측에 형성된 재순환로를 구비한 환형의 구성 부품의 내주부에 형성되어 있으며, 상기 재순환로는 임펠러 출구에서 블레이드의 전방 단부면을 넘어 상류측에서 외주부를 향해 개방되는 개구부와 임펠러의 출구의 중간부의 외주부를 향해 개방되는 개구부를 연결하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.

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