KR20150138272A

KR20150138272A - 배기-가스 터보차저의 터빈 휘일

Info

Publication number: KR20150138272A
Application number: KR1020157030501A
Authority: KR
Inventors: 프랑크 셰러; 메노 로더; 제라드 샬; 유르겐 스텔비트스키; 미하엘 로웬베르그; 스테판 아이싱어; 아드난 아딜로빅; 아흠 클라인
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-12-09
Also published as: US20160053616A1; DE112014001067T5; CN105074161B; US10001012B2; JP6409048B2; JP2016514798A; WO2014165355A1; CN105074161A

Abstract

발명은 티타늄 알루미나이드 재료로 형성된, 배기-가스 터보차저(2)의 터빈 휘일(1)에 관한 것으로서, 터빈 휘일은 축방향(A)으로부터 볼 때 폐쇄된 구성을 가지고 외측 윤곽부(17)를 구비하는 휘일 후방부(7)를 구비하고, 그리고 휘일 후방부(7)로부터 연장하고 축방향(A)을 따라서 테이퍼링되는 허브(3)를 구비하고, 휘일 후방부(7)로부터 그리고 허브(3)로부터 연장하고, 적어도 연결 영역(5) 내에서 연결 영역 외경(DAB)까지, 반경방향(R)으로 외측으로 연장하는 복수의 터빈 블레이드(4)를 구비하고, 휘일 후방부(7)가, 연결 영역(5)에 인접하는 외측 영역(11) 내에서, 연결 영역 외경(DAB) 이상의 휘일 후방부 외경(DRR)을 갖는다.

Description

배기-가스 터보차저의 터빈 휘일{TURBINE WHEEL OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 연소 엔진의, 특히 내연 기관의 과급(supercharging)을 위한 터빈 휘일에 관한 것이다.

그러한 유형의 터빈 휘일이 DE 10 2005 050 707 A1으로부터 공지되어 있다. 그러한 문헌에서, Ni-계 재료로 이루어진 터빈 휘일이 큰 관성 질량 모멘트(mass moment of inertia)를 가지기 때문에, 터빈 휘일의 Ni-계 재료가 회전자(터빈 휘일, 압축기 휘일 및 샤프트로 형성된 조립체)의 가속에 부정적인 영향을 미친다는 것이 설명되어 있다.

관성 질량 모멘트를 감소시키기 위한 수단으로서, 상기의 문헌은, 저밀도의 티타늄-알루미늄 유형의 재료로 이루어진 터빈 휘일의 관성 질량 모멘트가 감소될 수 있도록, 저밀도의 티타늄-알루미늄 합금을 이용하는 것을 설명하고 있다.

본 발명의 목적은, 터빈의 높은 수준의 효율이 달성될 수 있는, 치수화(demensioning)가 단순하고 및 그에 따라 구축(construction)이 단순한 티타늄 알루미나이드(TiAl)로 이루어진 터빈 휘일을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 제1항의 특징에 의해서 달성된다. 종속항은 발명의 바람직한 개선예에 관한 것이다. 이러한 것들이 기술적으로 편리한 방식으로 서로 조합될 수 있을 것이고, 그에 의해서 개별적인 효과들의 전체 합계를 뛰어 넘는 소정 범위의 효과가 실현될 수 있을 것이다.

터빈 블레이드의 연결 영역 외경 이상의 휘일 후방부(back) 외경으로 인해서, 폐쇄형(closed) 휘일 후방부가 형성되고, 결과적으로 적은 환기(ventilation) 손실을 초래한다. 이러한 방식으로, 티타늄 알루미나이드 재료로 이루어진 터빈의 효율이 증대될 수 있다.

하나의 개선예에서, 휘일 후방부가, 적어도 연결 영역에 인접하여, 터빈 블레이드의 벽 두께에 대한 1.5 : 1 내지 2.5 : 1, 특히 1.7 : 1 내지 2.3 : 1, 특히 바람직하게 1.8 : 1 내지 2.2 : 1 의 비율의 벽 두께를 갖는다.

내연 기관이 오버런(overrun) 동작에 있을 때, 내연 기관은 그 질량 관성으로 인해서 회전 유지된다. 이러한 시간 동안, 연료가 분사되지 않고, 결과적으로 저온 배기 가스 또는 공기가 터보차저로 유동하고, 그에 따라 터빈 휘일이 비교적 신속하게 냉각된다. 터빈 휘일의 냉각은 터빈 휘일 내에서 내부 응력을 초래한다. 종래 기술의 Ni-계 재료로 이루어진 터빈 휘일의 경우에, 그러한 내부 응력은 중요하지 않다(non-critical). 그러나, 티타늄 알루미나이드 재료의 연성(ductility), 즉 손상 없이 변형될 수 있는 능력은, 관련 온도 범위 내에서 온도가 낮아짐에 따라 감소된다. 또한, 티타늄 알루미나이드 재료의 팽창 계수가 온도에 대해서 일정하지 않음에(non-constant) 따라, 보다 집중적으로 냉각된 영역이 큰 내부 응력을 유발한다. 티타늄 알루미나이드 재료로 이루어진 터빈 휘일의 경우에, 일정하지 않은 팽창 계수와 연성 감소의 조합이 터빈 휘일 내의 균열 형성을 초래할 수 있다. 터빈 블레이드의 벽 두께 대 휘일 후방부의 벽 두께의 비율이 앞선 문단에서 언급된 비율인 경우에, 오버런 동작 중에 보다 느린 그에 따라 보다 균질한 냉각을 제공하는 적절한 재료의 제공이 보장된다는 놀라운 사실을 발견하였다.

기재된(stated) 비율에서, 티타늄 알루미나이드 재료의 저밀도로 인해서, 터빈 휘일의 질량 관성은, 배기-가스 터보차저의 적절한 가속 특성이 달성될 수 있을 정도로, 여전히 충분히 작다.

하나의 개선예에서, 축방향으로 연장하는 휘일 허브 영역이, 반경방향 외측으로 증가되는 연결 반경을 가지는 모따기(chamfer) 영역 내에서, 연속적인 방식으로, 휘일 후방부의, 반경방향으로 연장하는, 중간 영역으로 통합된다.

앞선 문단에서 설명된 바와 같은 휘일 후방부의 구성이 큰 강도의 터빈 휘일을 제공한다.

추가적인 개선예에서, 터빈 블레이드가 휘일 후방부로부터 그리고 터빈 블레이드 연결 반경을 가지는 터빈 휘일의 허브로부터 연장하고, 그러한 터빈 블레이드 연결 반경은 터빈 블레이드의 범위의 전체 길이에 걸쳐서 일정하다.

이러한 개선예로 인해서, 터빈 블레이드의 범위의 길이에 걸쳐서 실질적으로 일정한, 휘일 후방부 및 허브로부터 터빈 블레이드로의 열 전달율이 달성된다. 이러한 방식으로, 냉각 프로세스 중에, 휘일 후방부 및 허브가 그 내부에 저장된 열을 균일한 방식으로 터빈 블레이드로 방출할 수 있고, 그에 따라 범위의 길이를 따른 불균일한 온도 분포, 및 그에 따른 범위의 선(line of extent)을 따른 내부 응력이 티타늄 알루미나이드 재료에 대해서 허용될 수 있는 수준으로 감소된다.

추가적인 개선예에서, 터빈 블레이드의 벽 두께 대 연결 영역 외경의 비율이 0.7 : 40 이하; 특히 바람직하게 0.3 : 40 내지 0.5 : 40; 특히 0.35 : 40 내지 0.45 : 40의 범위가 된다.

기재된 비율에서, 적절하게 안정적인 터빈 블레이드가 형성될 수 있다는 것을 발견하였다.

발명의 추가적인 상세 내용, 특징 및 장점이 도면을 참조한 예시적인 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 발명에 따른 배기-가스 터보차저의 개략적으로 크게 단순화된 도면을 도시한다.
도 2는 발명에 따른 터빈 휘일의 제1 실시예의 측면도를 도시한다.
도 3은 발명에 따른 터빈 휘일의 제2 실시예를 통한 단면도로서, 터빈 휘일의 상부 절반부만이 도 3에서 선택된 도시 내용으로 도시되어 있는, 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 발명에 따른 터빈 휘일의 실시예의 단면도이다.

도 1은 내연 기관(미도시)의 과급을 위한 발명에 따른 배기-가스 터보차저(2)의 개략적으로 크게 단순화된 도면이고, 그러한 배기-가스 터보차저는 터빈 하우징(12) 내에 배열된 터빈 휘일(1)을 구비한다. 터빈 휘일(1)이 샤프트(14)의 일 단부로 체결되고, 샤프트의 타 단부에는 압축기 하우징(16) 내에 배열되는 압축기 휘일(15)이 장착된다. 터빈 휘일(1), 샤프트(14) 및 압축기 휘일(15)이, 회전자라고도 지칭되는 조립체를 형성한다. 샤프트(14)가, 압축기 하우징(16)과 터빈 하우징(12) 사이에 배열된 베어링 하우징(13) 내에 장착된다.

도 2는 티타늄 알루미나이드(TiAl) 재료로 이루어진, 발명에 따른 터빈 휘일(1)의 제1 실시예를 도시한다. 터빈 휘일(1)이 주조 프로세스에서 티타늄 알루미나이드 합금으로 주조될 수 있을 것이다. 터빈 휘일(1)이 또한 단조된 티타늄 알루미나이드 브랭크(blank)로부터 밀링 가공될 수 있을 것이다.

터빈 휘일(1)이 원형 외측 윤곽부(17) 및 허브(3)를 구비하고, 그러한 허브 상에는 복수의 터빈 블레이드가 배열되고, 터빈 블레이드 중 하나가, 모든 터빈 블레이드의 대표로서, 참조 부호 '4'로 표시되어 있다. 터빈 블레이드(4)가 연장 길이(L)를 따라서 연장한다. 터빈 블레이드(4)의 각각이 연결 영역(5)을 가지고, 그러한 연결 영역에서, 반경방향 외측 선단부에서 터빈 블레이드(4) 주위로 그려진 가상의 원이 외경(DAB)을 갖는다. 연결 영역(5)이 터빈 블레이드(4)의 배출구 영역(6)과 인접되고, 그러한 배출구 영역은, 도 2의 실시예의 경우에, 연결 영역(5) 보다 작은 외경을 갖는다.

터빈 휘일(1)이 또한, 도 2로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 연결 영역(5)에 인접하고 허브(3) 상에 형성되는 휘일 후방부(7)를 구비한다.

휘일 후방부(7)가, 외측 영역(11) 내에서, 직경(DAB)에 적어도 실질적으로 상응하나 바람직하게 직경(DAB)과 동일한 값을 가지는 외경(DRR)을 갖는다.

또한, 휘일 후방부(7)가 벽 두께(WRR)를 갖는다. 터빈 휘일 블레이드가 벽 두께(WTS)를 가지고, 도 2는, 예로서, 터빈 블레이드(4)의 2개의 영역을 도시하고, 그러한 영역 내에, 기재된 벽 두께 영역(WTS)이 표시되어 있다. 휘일 후방부(7)가 약간 두꺼워지고, 적어도 연결 영역(5)에 인접하여, 터빈 블레이드(4)의 벽 두께(WTS)에 대한 1.5 : 1 내지 2.5 : 1, 특히 1.7 : 1 내지 2.3 : 1, 특히 바람직하게 1.8 : 1 내지 2.2 : 1 의 비율의 벽 두께(WRR)를 갖는다. 약간 두꺼워지는 것으로 인해서, 내연 기관의 정상적인 또는 상승된 엔진 부하의 기간에 후속하는 오버런 동작의 기간 내에 터빈 휘일(1)의 냉각이 늦춰지도록 보장된다. 티타늄 알루미나이드로 이루어진 터빈 휘일의 경우에, 늦춰진 냉각이 긴 서비스 수명에 유리한 것으로 입증되었다. 그러한 것에 대한 이유가, 티타늄 알루미나이드 재료의 연성이 감소되는 온도에 도달될 때, 불균질한 냉각의 결과로서 발생될 수 있는 터빈 휘일(1) 내의 큰 내부 응력이 제거될 수 있거나, 적어도 허용 가능한 수준으로 감소된다는 사실로부터 확인될 수 있을 것이다.

도 3은 발명에 따른 터빈 휘일(1)의 제2 실시예를 도시하고, 여기에서 도 2의 요소에 상응하는 모든 요소가 동일한 참조 부호로 표시되어 있고, 그에 따라, 이와 관련하여 도 2에 관한 전술한 설명을 참조할 수 있을 것이다.

도 3에 따른 실시예의 터빈 휘일(1)이 소위 "혼합-유동 터빈 휘일"이고, 그러한 터빈 휘일의 연결 영역(5)은, 도 2의 실시예의 경우에서와 같이, 휘일 후방부(7)의 외경(DRR)에 상응하는 외경(DAB)을 갖는다. 배출구 영역(6)이, 도 3에 도시된 바와 같이, 반경방향(R)으로 상향 연장되어, 축방향(A)에 대해서 비스듬하게 터빈 휘일(1)에 충돌하는 배기-가스 스트림에 의해서 구동될 수 있는 혼합-유동 터빈 휘일의 특별한 기하형태를 야기한다.

또한, 도 3 및 도 4는 휘일 후방부(7)의 디자인을 단면으로 도시하고, 여기에서 축방향(A)으로 연장하는 휘일 허브 영역(8)이, 연결 반경(A(R))을 가지는 둥근 모따기 영역(9) 내에서, 휘일 후방부(7)의 중간 영역(10) 내로 통합되고, 그러한 중간 영역은 반경 방향(R)으로 연장한다. 여기에서, 연결 반경AR(R)은, 회전 축(A)으로부터 외측으로의 거리가 증가됨에 따라서, 연속적으로 증가된다. 이는 강성(rigid)인 그에 따라 치수적으로 안정적인 터빈 휘일(1)을 초래하고, 그러한 터빈 휘일은 열을 저장하고 그러한 열을 비교적 긴 기간에 걸쳐서 휘일 후방부(7)의 외측 영역(11)으로 방출한다. 이러한 방식으로, 외측 영역(11) 및 그러한 외측 영역에 인접하는 터빈 블레이드(4)의 영역 내의 양(both) 휘일 후방부(7)가, 오버런 동작 중에, 그에 상응하여 보다 서서히 냉각된다.

도 4는, 단지 상부 영역의 즉, 길이방향 축(A) 위쪽 영역의, 도 3에 상응하는, 도 1에 도시된 발명에 따른 터빈 휘일(1)의 실시예를 단면으로 도시한다. 이러한 실시예는, 연결 영역(5)에 인접하여, 연결 영역(5)과 동일한 외경을 가지는 배출구 영역(6)을 가지는 반경방향 휘일에 관한 것이다.

전술한 개시 내용에 더하여, 그러한 개시 내용의 보충을 위해서, 도 1 내지 도 4의 발명의 도식적 설명을 명백하게 참조한다.

1 터빈 휘일
2 배기-가스 터보차저
3 허브
4 터빈 블레이드
5 연결 영역
6 배출구 영역
7 휘일 후방부
8 휘일 허브 영역
9 모따기 영역
10 중간 영역
11 외측 영역
12 터빈 하우징
13 베어링 하우징
14 샤프트
15 압축기 휘일
16 압축기 하우징
17 외측 윤곽부
DAB 연결 영역 외경
DRR 휘일 후방부 외경
A 축방향/길이방향 축
AR(R) 연결 반경
TA 터빈 블레이드 연결 반경
R 반경방향
WRR 휘일 후방부의 벽 두께
WTS 터빈 블레이드 벽 두께

Claims

티타늄 알루미나이드 재료로 형성된, 배기-가스 터보차저(2)의 터빈 휘일(1)로서,
축방향(A)으로부터 볼 때 폐쇄된 구성을 가지고 외측 윤곽부(17)를 구비하는 휘일 후방부(7)를 구비하고, 그리고
상기 휘일 후방부(7)로부터 연장하고 상기 축방향(A)을 따라서 테이퍼링되는(taper) 허브(3)를 구비하고,
상기 휘일 후방부(7)로부터 그리고 상기 허브(3)로부터 연장하고, 적어도 연결 영역(5) 내에서 연결 영역 외경(DAB)까지, 반경방향(R)으로 외측으로 연장하는 복수의 터빈 블레이드(4)를 구비하고,
상기 휘일 후방부(7)가, 상기 연결 영역(5)에 인접하는 외측 영역(11) 내에서, 상기 연결 영역 외경(DAB) 이상의 휘일 후방부 외경(DRR)을 가지는, 터빈 휘일.
제1항에 있어서,
상기 휘일 후방부(7)가, 적어도 상기 연결 영역(5)에 인접하여, 상기 터빈 블레이드(4)의 벽 두께(WTS)에 대한 1.5 : 1 내지 2.5 : 1, 특히 1.7 : 1 내지 2.3 : 1, 특히 바람직하게 1.8 : 1 내지 2.2 : 1 의 비율의 벽 두께(WRR)를 가지는, 터빈 휘일.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 축방향(A)으로 연장하는 휘일 허브 영역(8)이, 반경방향 외측으로 증가되는 연결 반경(AR(R))을 가지는 모따기 영역(9) 내에서, 연속적인 방식으로, 상기 휘일 후방부(7)의, 반경방향(R)으로 연장하는, 중간 영역(10)으로 통합되는, 터빈 휘일.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(4)가 상기 휘일 후방부(7)로부터 그리고 터빈 블레이드 연결 반경(TA)을 가지는 터빈 휘일의 허브(3)로부터 연장하고, 상기 터빈 블레이드 연결 반경(TA)이 상기 터빈 블레이드(4)의 범위의 전체 길이(L)에 걸쳐서 실질적으로 일정한, 터빈 휘일.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(4)의 벽 두께(WTS) 대 상기 연결 영역 외경(DAB)의 비율이 0.7 : 40 이하; 특히 바람직하게 0.3 : 40 내지 0.5 : 40; 특히 0.35 : 40 내지 0.45 : 40의 범위인, 터빈 휘일.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 휘일이 단조된 그리고 밀링 가공된 터빈 휘일로서 형성되는, 터빈 휘일.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 휘일이 주조 터빈 휘일로서 형성되는, 터빈 휘일.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 휘일이 반경방향(R)으로 내측으로 유동하는 배기-가스 스트림에 의해서 구동될 수 있는, 터빈 휘일.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 휘일이 반경방향(R) 그리고 또한 축방향(A) 모두를 따라서 비스듬하게 유동하는 배기-가스 스트림에 의해서 구동될 수 있는, 터빈 휘일.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 터빈 휘일(1)을 구비하는, 내연 기관의 과급을 위한 배기-가스 터보차저(2).