KR20220099950A - 유동-최적화된 축방향 디퓨저 내로의 웨이스트-게이트 질량 유동의 동심적 도입 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기 터빈이며: - 복수의 회전자 블레이드(8)를 갖는 터빈 휠(7); - 터빈 휠의 회전자 블레이드의 하류에 배치되는 배기 출구 덕트(12)로서, 배기 출구 덕트는 반경방향 외측에서 축방향 터빈 디퓨저(1)에 의해 획정되고, 배기 질량 유동은 축방향 유동 방향(5)으로 배기 출구 덕트에 의해 출력될 수 있으며, 축방향 터빈 디퓨저는 제1 디퓨저-개방 각도가 제2 디퓨저 개방-각도로부터 적어도 1°만큼 벗어나도록 하류에서, 반경방향 외측으로, 일정하지 않은 디퓨저-개방 각도로 개방되는, 배기 출구 덕트(12); 및 - 웨이스트 게이트 덕트(13)로서, 그 출구 영역(13a)은 디퓨저 내로 개방되거나 디퓨저의 바로 하류에서 배기 출구 덕트 내로 개방되고, 웨이스트 게이트 덕트에 의해 웨이스트 게이트 질량 유동이 배기 질량 유동에 주입될 수 있으며, 웨이스트 게이트 덕트는 웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역에서 웨이스트 게이트 질량 유동의 실질적으로 축방향인 유동 방향을 생성하도록 설계되는, 웨이스트 게이트 덕트(13)를 포함하고; - 터빈 디퓨저(1)는 증가하는 디퓨저-개방 각도를 갖는 제1 디퓨저 부분 및 상기 제1 디퓨저 부분의 하류에 대항하여 위치하고 감소하는 디퓨저-개방 각도를 갖는 제2 디퓨저 부분을 가지며, - 터빈 디퓨저와 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내벽 사이의 전이 영역에 존재하는 전이 각도(14)는 5°미만인 배기 터빈에 관한 것이다.

Description

유동-최적화된 축방향 디퓨저 내로의 웨이스트-게이트 질량 유동의 동심적 도입

본 발명은 과급형 내연 기관용 배기 터보차저 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기 터보차저에 사용될 수 있고 가스 터빈 및 파워 터빈에도 사용될 수 있는 종류의, 유동-최적화된 축방향 디퓨저를 갖는 배기 터빈에 관한 것이다.

배기 터보차저는 오늘날 내연 기관의 배기관에 터빈을 갖고 내연 기관의 상류에 압축기를 갖는 내연 기관의 파워를 증가시키기 위한 표준으로서 사용된다. 여기에서, 내연 기관의 배기 가스는 터빈에서 팽창된다. 이렇게 얻어진 일은 샤프트에 의해 압축기로 전달되고, 압축기는 내연 기관에 공급되는 공기를 압축한다. 배기 가스의 에너지를 사용하여 내연 기관의 연소 과정에 공급되는 공기를 압축함으로써, 연소 과정 및 내연 기관의 효율을 최적화할 수 있다.

종래 기술에 공지된 배기 터보차저의 배기 터빈의 경우에, 배기 터빈 출구에서의 압력 회복은 통상적으로 예를 들어 환형 및 진원추형 설계의 것일 수 있는 디퓨저에 의해 달성된다. 또한, 압력 회복을 개선하기 위해 비회전 원추형 구성요소가 통상적으로 터빈 휠의 허브에 부착된다.

종래 기술에 공지된 이러한 배기 터빈 디퓨저의 경우에 압력 회복이 여전히 개선될 필요가 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 종래의 디퓨저는 복잡성, 설치 공간 및 비용과 관련하여 특정 단점이 있는 것으로 밝혀졌다.

DE 10 2017 121 337 A1은 복수의 회전자 블레이드를 갖는 터빈 휠, 터빈 휠의 회전자 블레이드의 하류에 배치되고 반경방향 외측에서는 축방향 터빈 디퓨저에 의해 획정되며 반경방향 내측에서는 적어도 부분적으로 스피너에 의해 획정되는 배기 출구 덕트를 포함하는 배기 터빈을 개시하고 있다. 이 경우, 축방향 터빈 디퓨저 및 스피너는 각각 복수의 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트로 형성된다.

EP 3 358 148 A2는 터빈 휠, 배기 출구 덕트, 터빈 휠의 하류에 배치되고, 배기 출구 덕트를 반경방향 외측에서 획정하며 반경방향 외측으로 개방되는 디퓨저, 그 출구 영역이 배기 출구 덕트로 개방되는 웨이스트 게이트 덕트를 갖는 배기 터빈을 개시하고 있다.

US 9,739,166 B1은 웨이스트-게이트 질량 유동이 터빈의 배기 출구 덕트 내에 작은 각도로 직접 주입되는 배기 터빈을 개시하고 있다.

JP S55 35383 U는 웨이스트-게이트 질량 유동이 터빈의 배기 출구 덕트 내에 작은 각도로 또는 평행하게 직접 주입되는 배기 터빈을 개시한다.

DE 31 01 131 A1은 웨이스트-게이트 질량 유동이 터빈의 배기 출구 덕트 내에 10°미만의 각도로 주입되는 배기 터빈을 개시하고 있다.

오늘날, 내연 기관, 특히 대형 엔진에는 단일-튜브 설계의 준-일정-압력형 배기-가스 수집기가 점점 더 많이 장착되고 있다. 배기 터보차저와 함께, 이들 배기-가스 수집기는 부분 부하 시에 및 부하 적용 또는 가속 시에 열적으로 제어 가능한 작동을 보장하기 위해 가능한 한 작은 터보차저 터빈의 사용을 요구한다. 그러나, 소형 터보차저 터빈은 고부하 작동 시에 및 전부하 시에 허용할 수 없을 정도로 높은 부스트 압력을 초래할 수 있으며, 이는 터보차저 및 기본 엔진에 지속적인 손상을 초래할 수 있다. 이들 과도하게 높은 부스트 압력을 방지하기 위해, 웨이스트 게이트로 지칭되는 블로우-오프 밸브가 공기측과 배기측 양측에 사용된다. 예비-혼합 설계의 가스 엔진을 제외하고, 이러한 웨이스트 게이트를 통과한 웨이스트-게이트 질량 유동은 대개 터보차저 터빈 출구 직후에 배기 시스템으로 되돌아간다. 웨이스트-게이트 질량 유동이 엔진을 과급하기 위해 사용되지 않는다는 사실로 인해, 엔진의 연료 소비가 악화된다.

배기 시스템으로의 웨이스트-게이트 질량 유동의 재순환의 구조적 설계로 인해, 연결 자체의 실시예를 통해서든 출구 덕트의 급격한 확장을 통해서든, 배기 질량 유동의 안내되는 유동을 갖는 실시예에서도, 터보차저 터빈으로부터의 유출의 교란이 발생한다. 이 교란은 터빈의 작동 거동을 손상시킨다. 이 손상은 터빈 블레이드의 진동 여기 형태로 기계적이거나 효율 손실의 형태일 수 있다. 이들 효과는 특히 디퓨저로서 설계된 가스 출구 하우징을 갖는 적용의 경우에 특히 부정적이다.

본 발명의 목적은 디퓨저를 가지며 종래 기술에 공지된 배기 터빈보다 개선된 배기 터빈을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 독립 청구항 1에 청구된 배기 터빈이 제공된다. 본 발명의 추가 태양, 장점 및 특징은 종속 특허 청구항, 설명 및 첨부도면에서 찾아볼 수 있다.

본 발명의 양태에 따르면, 복수의 회전자 블레이드를 갖는 터빈 휠 및 배기 출구 덕트를 갖는 배기 터빈이 제공된다. 배기 출구 덕트는 터빈 휠의 회전자 블레이드의 하류에 배치된다. 배기 출구 덕트는 반경방향 외측에서 축방향 터빈 디퓨저에 의해 획정된다. 배기 질량 유동은 축방향 유동 방향으로 배기 출구 덕트를 통해서 배출될 수 있다. 축방향 터빈 디퓨저는 제1 디퓨저 개방 각도가 제2 디퓨저 개방 각도로부터 적어도 1°만큼 벗어나도록 하류에서, 반경방향 외측으로, 일정하지 않은 디퓨저 개방 각도로 개방된다. 또한, 배기 터빈은 웨이스트 게이트 덕트를 포함하며, 이 덕트를 통해서 웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동에 주입될 수 있다. 웨이스트 게이트 덕트는 웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역에서 웨이스트-게이트 질량 유동의 실질적으로 축방향인 유동 방향을 생성하도록 설계된다. 웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역은 디퓨저 내로 개방되거나 바로 하류에서 배기 출구 덕트 내로 개방된다. 터빈 디퓨저는 증가하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제1 디퓨저 부분 및 상기 제1 디퓨저 부분의 하류에 위치하고 감소하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제2 디퓨저 부분을 갖는다. 터빈 디퓨저와 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내벽 사이의 전이 영역에는 5°미만의 전이 각도가 존재한다. 웨이스트-게이트 질량 유동의 실질적으로 축방향인 유동 방향은 축방향 유동 방향으로부터의 편차가 5°미만인 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 양태에 따르면, 웨이스트-게이트 질량 유동은 웨이스트 게이트 덕트의 둘레를 따라서 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 또는 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 분절되어 또는 웨이스트 게이트 덕트의 둘레를 따라서 서로 거리를 두고 제공되는 터빈 디퓨저 내의 보어를 통해서 배기 질량 유동에 주입된다.

본 발명의 양태에 따르면, 터빈 디퓨저의 하류의 반경방향 외측 단부 영역은 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 연장된다.

본 발명의 양태에 따르면, 터빈 디퓨저의 하류의 반경방향 외측 단부 영역은 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내측 단부 영역을 형성한다.

본 발명의 양태에 따르면, 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 외측 단부 영역은 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내측 단부 영역을 넘어서 하류 방향으로 돌출한다.

본 발명의 양태에 따르면, 축방향 터빈 디퓨저는 N＞1개의 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트를 갖는다.

본 발명의 양태에 따르면, 배기 출구 덕트는 반경방향 내측에서 스피너에 의해 부분적으로 획정된다.

본 발명의 양태에 따르면, 스피너는 터빈 휠의 일체형 구성요소로서 설계된다.

본 발명의 양태에 따르면, 스피너는 터빈 휠 허브 상에 별개의 구성요소로서 수축 또는 나사결합 또는 가압 또는 조임된다.

본 발명의 양태에 따르면, 스피너는 P≥1개의 연속적인 원추형 스피너 세그먼트를 갖는다.

본 발명의 양태에 따르면, 터빈 디퓨저와 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내벽 사이의 전이 영역은 라운드형 설계의 것이다.

본 발명의 양태에 따르면, 축방향 터빈 디퓨저는 터빈 디퓨저의 외부 케이싱이 축방향으로 S-형 프로파일 또는 여러 세그먼트로 형성된 S-형 프로파일을 갖도록 하류에서, 반경방향 외측으로, 일정하지 않은 디퓨저 개방 각도로 개방된다. 터빈 디퓨저는 즉 증가하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제1 디퓨저 부분 및 상기 제1 디퓨저 부분의 하류에 위치하고 감소하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제2 디퓨저 부분을 갖는다. 이로 인해 디퓨저를 통과하는 가스가 짧은 거리에 걸쳐서 팽창될 수 있고 따라서 짧은 전체 길이에서 고도의 팽창이 달성될 수 있다. 동시에, 층류이고 따라서 방해가 거의 없는 유출이 가능해진다. 본 발명의 양태에 따르면, 웨이스트 게이트 덕트를 통한 유동이 있을 수도 있고 없을 수도 있다.

본 발명의 양태에 따르면, 배기 터보차저는 본 발명에 따른 특징을 구비한 배기 터빈을 갖는다.

웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역이 디퓨저 내로 개방되거나 바로 하류에서 배기 출구 덕트 내로 개방된다는 사실로 인해, 웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역은 디퓨저의 영역에 배치되거나 디퓨저에 인접하여 바로 하류에 배치된다. 따라서 웨이스트 게이트 덕트로부터의 배기 가스의 유입은 가스 유동이 적어도 부분적으로 팽창되고 동시에 여전히 실질적으로 층류인 지점에서 발생한다. 동시에, 콤팩트한 배치가 가능해진다.

터빈 디퓨저와 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내벽 사이의 전이 영역에 5°미만의 전이 각도가 존재하는 사실로 인해, 웨이스트 게이트 덕트로부터 배기 가스가 유입될 때도 실질적으로 층류이고 따라서 거의 방해를 받지 않는 유출이 대체로 유지될 수 있다.

이런 식으로, 터빈 하류에서의 웨이스트-게이트 질량 유동의 공급의 특별한 구성에 의해, 터빈을 통한 배기 질량 유동의 방해받지 않는 유출이 발생할 수 있음이 보장되는 배기 터빈이 유리하게 제공된다. 터빈 블레이드 진동 형태의 부정적인 반응은 유출의 방해가 발생할 수 없다는 사실에 의해 배제된다. 청구되는 특별한 구성은 디퓨저의 작동에 긍정적인 영향을 미친다. 본 발명의 추가 장점은 본 발명에 따른 특징을 구비한 배기 터빈이 간단하고 저렴하게 구축될 수 있다는 점이다. 필요한 경우 약간의 추가 비용으로 기존 구성요소를 수정할 수 있다. 본 발명을 실현하기 위해 몇 가지 새로운 요소만 요구된다.

본 발명은 도면에 도시되고 그로부터 추가 장점 및 수정이 도출될 수 있는 예시적 실시예를 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적 실시예를 도시하기 위한 배기 터빈의 부분적인 영역의 개략 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 예시적 실시예를 도시하기 위한 배기 터빈의 배기 출구 덕트의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 예시적 실시예를 도시하기 위한 배기 터빈의 배기 출구 덕트의 개략 단면도이다.

도 1은 본 발명의 제1 예시적 실시예를 도시하기 위한 배기 터빈의 부분적인 영역의 개략 종단면도이다.

특히, 도 1은 그 주위로 터빈 휠(7)이 회전 가능하게 장착되는 축방향 회전축(6)을 갖는 터빈 휠(7)을 도시한다. 터빈 휠(7)은 통상적으로 복수의 회전자 블레이드(8)를 갖지만, 도 1에는 단 하나의 회전자 블레이드(8)가 예로서 단면 도시되어 있다. 본 명세서에 기재된 디퓨저 개념은 혼합류 터빈, 레이디얼 터빈 및 축방향 터빈에 적용될 수 있지만, 혼합류 터빈, 레이디얼 터빈 및 축방향 터빈에 국한되지 않는다.

터빈 휠(7)의 회전자 블레이드(8)는 통상적으로 선단 에지(9) 및 후단 에지(10)를 포함한다. 회전자 블레이드(8)의 선단 에지(9)는 배기 터빈의 작동 중에 배기 가스가 그쪽으로 흘러가는 회전자 블레이드의 에지이다. 회전자 블레이드(8)의 후단 에지(10)는 배기 터빈의 작동 중에 배기 가스가 그로부터 흘러나가는 회전자 블레이드의 에지이다. 배기 가스의 유동 방향(5)은 도 1에서 화살표로 표시된다.

도 1에 예로서 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 배기 터빈은 터빈 휠(7)의 회전자 블레이드(8)의 하류에 배치되는 배기 출구 덕트(12)를 포함한다. 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 외측에서 축방향 터빈 디퓨저(1)에 의해 획정된다. 또한, 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 내측에서 스피너(2)에 의해 부분적으로 획정된다. 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 축방향 터빈 디퓨저(1)는 정적이도록, 즉 회전하지 않도록 설계된다. 또한, 스피너(2)는 회전 가능하다. 스피너가 없는 것도 가능하다.

도 1에 예로서 도시되어 있듯이, 터빈 디퓨저(1)는 반경방향 외측으로 일정하지 않은 디퓨저 개방 각도로 개방된다. 이와 관련하여, 디퓨저 개방 각도는 회전축(6)에 대한 디퓨저 벽의 국소 각도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 배기 출구 덕트(12)를 획정하는 디퓨저 윤곽(3, 3a)은 S-형상이다. 이로 인해 배기 터빈에 의해 출력되는 배기 질량 유동을 폐가스 질량 유동과 실질적으로 평행하게, 바람직하게는 5°미만의 각도로 조합할 수 있다. 이것은 웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동의 분리가 상쇄되도록 유동할 수 있게 하기 위한 전제 조건을 생성한다.

도 1에서 알 수 있듯이, 디퓨저 윤곽(3)은 배기 출구 덕트(12)의 반경방향 외측 경계를 나타낸다. 스피너(2)는 스피너 윤곽(4)을 포함한다. 도 1에서 추가로 명백하듯이, 스피너 윤곽(4)은 배기 출구 덕트(12)의 반경방향 내측 경계를 나타낸다. 도 1 내지 도 3에서, 반경 방향은 참조 번호 15로 표시되어 있다. "반경방향 내측으로 향한다"는 것은 회전축(6) 또는 배기 출구 덕트의 대칭축 쪽으로 향한다는 것을 의미한다. "반경방향 외측으로 향한다"는 것은 회전축(6) 또는 배기 출구 덕트의 대칭축에서 멀리 향한다는 것을 의미한다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 스피너(2)는 도 1에 예로서 도시되어 있듯이 터빈 휠(7)의 일체형 구성요소로서 구체화될 수 있다. 대안적으로, 스피너(2)는 예를 들어, 터빈 휠에 연결될 수 있는 별도의 구성요소(명시적으로 도시되지 않음)로서 구체화될 수 있다. 따라서, 배기 터빈의 작동 중에, 스피너(2)는 터빈 휠(7)과 함께 회전할 수 있다. 따라서 터빈 휠과 동일한 회전 속도로 회전한다. 스피너(2)는 축방향으로 웨이스트 게이트 덕트(13)의 출구 영역(13a)의 레벨까지 또는 심지어 그 너머까지 연장될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 배기 터빈은 웨이스트 게이트 덕트(13)를 가지며, 이 덕트를 통해서 웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동에 주입될 수 있다. 웨이스트 게이트 덕트(13)의 출구 영역(13a)은 터빈 디퓨저(1)의 하류에 배치된다. 웨이스트-게이트 질량 유동은 배기 질량 유동의 축방향 유동 방향(5)에 대응하는 축방향 유동 방향(11)으로 웨이스트-게이트 질량 유동에 주입된다. 또한, 웨이스트-게이트 질량 유동은 터빈 휠(7)의 회전축(6)에 대해 동심적으로 주입된다.

터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 외측 단부 영역(1a)이 터빈 휠(7)의 회전축(6)에 대해 동심적으로 연장된다는 것도 도 1에서 알 수 있다. 이러한 동심 주입의 경우에, 점선 표시된 디퓨저 윤곽(3a)은 웨이스트-게이트 질량 유동이 이를 따라서 배기 질량 유동에 주입되는 가상의 디퓨저 윤곽선이다.

터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 외측 단부 영역(1a)은 또한 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b)을 형성한다. 웨이스트 게이트 덕트(13)의 이러한 반경방향 내측 단부 영역(13b)은 회전축(6)에 평행하게 연장될 수 있다. 그러나, 그 코스는 상기 평행한 코스로부터 예를 들어 1°의 작은 각도로 벗어날 수도 있다.

더욱이, 도 1은 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 외측 단부 영역(13c)이 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b)을 넘어서 하류 방향으로 돌출하는 것을 도시한다.

또한, 터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 외측 단부 영역(1a)이 그리고 따라서 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b) 또한 터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 내측 단부 영역(1b)과 5°미만의 전이 각도(14)를 형성하는 것을 도 1에서 알 수 있다. 기재된 디퓨저 윤곽과 더불어 전이 각도(14)의 이러한 선택은 웨이스트-게이트 질량 유동이 난류 없이 배기 질량 유동에 주입될 수 있게 하며 따라서 배기 질량 유동이 배기 출구 덕트(12)를 통해서 방해받지 않고 흘러나갈 수 있게 한다.

전이 각도는 도 1에 도시되어 있듯이 터빈 디퓨저(1)의 단부 영역(마우쓰 영역)(1a)에서 및 터빈 디퓨저(1)의 단부 영역(마우쓰 영역)(1b)에서의 측벽 사이의 각도에 의해 규정될 수 있다.

다음 관계는 터빈 회전자 출구에서의 외부 반경(Q)에 대한 디퓨저의 총 길이(Z)의 비율에 적용된다:

Z/Q＜4.

또한, 다음 관계는 디퓨저 출구에서의 웨이스트 게이트 개구(Y)에 대한 디퓨저 외경(D)의 비율에 대해 유리하다:

0＜Y/(D/2)＜0.15.

웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동 내에 전체 둘레를 따라서 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 주입되는 실시예가 위에서 설명되었다. 이에 대한 대안으로서, 웨이스트-게이트 질량 유동은 배기 질량 유동 내에 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 분절되어 주입될 수도 있다. 또 다른 대안은 웨이스트 게이트 덕트의 둘레를 따라서 서로 거리를 두고 제공되는 터빈 디퓨저 내의 보어를 통해서 웨이스트-게이트 질량 유동을 배기 질량 유동에 주입하는 것이다. 웨이스트 게이트 덕트(13)의 출구 영역(13a)은 둘레를 따라서 규칙적으로 또는 불규칙적으로 분포되는 일련의 구멍 또는 슬롯을 가질 수 있거나, 중단 없는 환형 덕트일 수 있다.

터보차저 터빈의 하류에서의 웨이스트-게이트 질량 유동을 배기 질량 유동에 공급하는 전술한 구성에 의해, 터빈을 통한 질량 유동의 방해받지 않는 유출이 발생할 수 있음이 보장된다. 터빈 블레이드 진동 형태의 부정적인 반응은 유출 방해가 발생할 수 없다는 사실에 의해 배제된다. 설명된 설계 구성은 디퓨저의 작동 및 스피너의 작동 모두에 긍정적인 영향을 미친다.

웨이스트-게이트 질량 유동은 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 배기 질량 유동에 공급되는 것으로 위에서 설명되었다.

본 발명의 실시예에 따르면, 웨이스트 게이트 덕트를 통한 유동은 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 웨이스트 게이트 덕트를 통한 유동이 없을 때는, 설명된 동심적 공급이 하류 스테이지 디퓨저처럼 작용하며, 이는 터빈 효율의 증가로 이어진다.

웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동에 공급되는 전술한 구성은 구조적으로 간단하고 저렴한 방식으로 실현될 수 있다. 약간의 추가 비용으로 기존 구성요소를 수정할 수 있다. 본 발명을 실현하기 위해 몇 가지 새로운 요소만 요구된다.

도 1을 참조하여 설명된 예시적 실시예에서, 디퓨저 윤곽(3) 및 스피너 윤곽(4)은 도시된 단면도에서 각각 매끄러운 디자인의 것이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 후술되는 예시적 실시예에서, 이들 윤곽은 각각 복수의 연속적인 원추형 세그먼트를 갖는다.

도 2는 본 발명의 제2 예시적 실시예를 도시하기 위한 배기 출구 덕트(12)의 개략 단면도이며, 이 도면에는 디퓨저의 구성만 도시되어 있다.

특히, 도 2는 터빈 휠의 회전자 블레이드의 하류에 배치되는 배기 출구 덕트(12)를 도시한다. 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 외측에서 축방향 터빈 디퓨저(1)에 의해 획정된다. 또한, 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 내측에서 스피너(2)에 의해 부분적으로 획정된다.

도 2에 예로서 도시되어 있듯이, 축방향 터빈 디퓨저(1)는 N＞1개의 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트를 갖는다. 도 2에는, 세 개의 디퓨저 세그먼트가 예로서 도시되어 있다. 이와 관련하여, 세 개의 디퓨저 세그먼트를 갖는 도 2에 도시된 실시예는 제한적인 것으로 이해되어서는 안되며, 원칙적으로 값 2 이상의 임의의 소정 개수(N)의 디퓨저 세그먼트가 선택될 수 있음이 지적된다.

또한, 도 2는 연속적인 디퓨저 세그먼트 사이의 축방향 디퓨저 개방 각도(A)를 도시한다. 도 2에서 알 수 있듯이, 연속적인 디퓨저 세그먼트 사이의 축방향 디퓨저 개방 각도(A)는 인접한 디퓨저 세그먼트 사이의 전이부에 초래되는 각도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 통상적으로, 연속적인 디퓨저 세그먼트 사이의 축방향 디퓨저 개방 각도(A)는 A≥1.0°, 특히 A≥2.5°의 값을 갖는다. 인접한 디퓨저 세그먼트 사이의 축방향 디퓨저 개방 각도(A)에 대한 값은 일정할 수 있거나 상이한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 연속적인 디퓨저 세그먼트 사이의 디퓨저 개방 각도(A)의 값은 유동 방향(5)으로 증가하거나 심지어 감소할 수 있다.

도 2에 예로서 도시되어 있듯이, 스피너(2)는 P≥1개의 연속적인 원추형 스피너 세그먼트를 갖는다. 도 2에는, 세 개의 스피너 세그먼트가 예로서 도시되어 있다. 이와 관련하여, 세 개의 스피너 세그먼트를 갖는 도 2에 도시된 실시예는 제한적인 것으로 이해되어서는 안되며, 원칙적으로 값 1 이상의 임의의 소정 개수(P)의 스피너 세그먼트가 선택될 수 있음이 지적된다.

또한, 도 2는 연속적인 스피너 세그먼트 사이의 축방향 스피너 개방 각도(B)를 도시한다. 도 2에서 알 수 있듯이, 연속적인 스피너 세그먼트 사이의 축방향 스피너 개방 각도(B)는 인접한 스피너 세그먼트 사이의 전이부에 초래되는 각도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

통상적으로, 연속적인 스피너 세그먼트 사이의 축방향 스피너 개방 각도(B)는 B≥1.0°, 특히 B≥2.5°의 값을 갖는다. 인접한 스피너 세그먼트 사이의 축방향 스피너 개방 각도(B)의 값은 일정할 수 있거나 상이한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 연속적인 스피너 세그먼트 사이의 스피너 개방 각도(B)의 값은 유동 방향(5)으로 증가하거나 심지어 감소할 수 있다.

또한, 도 2는 축방향 디퓨저 세그먼트 길이(L), 배기 출구 덕트(12)의 입구 높이(H), 스피너(2)의 최대 반경(S) 및 축방향 스피너 세그먼트 길이(M)를 도시한다. 이와 관련하여, 축방향 디퓨저 세그먼트 길이(L)는 통상적으로 일정한 것에 유의해야 한다. 대안적으로, 축방향 디퓨저 세그먼트 길이(L)는 유동 방향(5)으로 증가하거나 유동 방향(5)으로 감소할 수 있다. 마찬가지로, 축방향 스피너 세그먼트 길이(M)는 통상적으로 일정하다. 대안적으로, 축방향 스피너 세그먼트 길이(M)는 유동 방향(5)으로 증가하거나 유동 방향(5)으로 감소할 수 있다.

축방향 디퓨저 세그먼트 길이(L)와 배기 출구 덕트(15)의 입구 높이(H) 사이의 비율(L/H)은 통상적으로 L/H≥0.01, 특히 L/H≥0.05의 값을 갖는다.

배기 출구 덕트의 입구 높이(H)와 스피너(2)의 최대 반경(S) 사이의 비율(H/S)은 통상적으로 H/S≥1.0, 특히 H/S≥1.3의 값을 갖는다.

축방향 스피너 세그먼트 길이(M)와 배기 출구 덕트(15)의 입구 높이(H) 사이의 비율(M/H)은 통상적으로 M/H≥0.01, 특히 M/H≥0.05의 값을 갖는다.

본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 디퓨저 윤곽(3)의 시작점(16)은 도 2 및 도 3에 예로서 도시되어 있듯이, 스피너 윤곽(4)의 시작점(17)과 비교하여, 배기 출구 덕트로의 입구에서 축방향 오프셋(V)을 가질 수 있다. 스피너 윤곽(4)의 시작점(17)에 대한 디퓨저 윤곽(3)의 시작점(16)의 축방향 오프셋(V)은 도 2 및 도 3에 예로서 도시되어 있듯이 유동 방향(5)과 반대로 제공될 수 있다. 대안적으로, 스피너 윤곽(4)의 시작점(17)에 대한 디퓨저 윤곽(3)의 시작점(16)의 축방향 오프셋(V)은 유동 방향(5)으로 제공될 수 있다(명시적으로 도시되지 않음). 특히, 오프셋(V)은 배기 출구 덕트의 입구 높이의 절반 이하일 수 있는 바, 즉 V≤H/2일 수 있다.

따라서 배기 터빈 출구에서 개선된 압력 회복을 가능하게 하는 개선된 디퓨저 설계를 갖는 배기 터빈이 유리하게 제공된다.

특히, 배기 터빈의 하류에서의 압력 회복 또는 정압 상승은 정적(비회전) 축방향 디퓨저 및 터빈 휠 출구에서의 회전 스피너에 의해 개선되며, 디퓨저 윤곽 및 스피너 윤곽은 모두 출구 영역, 특히 배기 출구 덕트가 점진적으로 확대되어, 유리하게 배기 터빈의 하류에서 정압의 점진적 증가를 달성할 수 있게 하는 방식으로 설계된다. 이것은 배기 터빈의 출구에서의 유속 및 운동 에너지 손실이 감소될 수 있다는 장점을 갖는다. 특히, 본 발명에 따른 배기 터빈은, 예를 들어 배기 출구 영역에서의 불연속적이고 안내되지 않는 표면 변화로 인해 종래 기술에 공지된 배기 터빈의 경우에 발생하는 종류의 팽창 손실이 제거될 수 있고 배기 유동이 정상화되는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 배기 터빈에서 달성될 수 있는 감소된 출구 유량은 또한 유리하게 하류 파이프 시스템에서의 압력 손실 감소로 이어질 수 있다는 것도 유의해야 한다.

도 3은 본 명세서에 기재된 추가 실시예에 따른 배기 터빈의 배기 출구 덕트(15)의 개략 단면도이다. 도 3은 또한 디퓨저의 구성만 도시한다.

특히, 도 3은 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트가 전체적으로 반경방향 외측으로 향하는 디퓨저 윤곽(3)을 제공한다는 것을 보여준다. 도 3에 예로서 도시되어 있듯이, 반경방향 외측으로 향하는 디퓨저 윤곽(3)은 제1 스플라인 윤곽(11)에 의해 평활화될 수 있다. 이런 식으로, 터빈 휠 출구에서 배기 터빈 하류에서의 압력 회복 또는 정압 상승이 개선될 수 있다. 예를 들어, 제1 스플라인 윤곽(11)은 반경(R)을 갖는 원형 윤곽에 의해 둥글게 다듬어질 수 있으며, 반경(R)은 배기 출구 덕트의 입구 높이(H)의 2배 이하(R≤2H)이다.

또한, 도 3은 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면 연속적인 원추형 스피너 세그먼트가 반경방향 외측으로 향하는 스피너 윤곽(4)을 제공한다는 것을 보여준다. 도 3에 예로서 도시되어 있듯이, 반경방향 외측으로 향하는 스피너 윤곽(4)은 제2 스플라인 윤곽(12)에 의해 평활화될 수 있다. 이런 식으로, 터빈 휠 출구에서 배기 터빈 하류에서의 압력 회복 또는 정압 상승이 개선될 수 있다. 예를 들어, 제2 스플라인 윤곽(12)은 반경(U)을 갖는 원형 윤곽에 의해 둥글게 다듬어질 수 있으며, 반경(U)은 스피너의 최대 반경(S) 이하(U≤S)이다.

또한, 도 3은 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면 유동 방향(5)으로 배치된 최종 디퓨저 세그먼트의 에지(13)가 반경(R)을 갖는 원형 윤곽에 의해 둥글게 다듬어질 수 있음을 보여준다. 이것은 압력 회복에 유리한 효과를 갖는다. 통상적으로, 반경(R)은 배기 출구 덕트의 입구 높이(H)의 2배 이하인 바, 즉 R≤2H이다.

또한, 도 3은 본 명세서에 기재된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면 유동 방향(5)으로 배치된 최종 스피너 세그먼트의 에지(14)가 반경(U)을 갖는 원형 윤곽에 의해 둥글게 다듬어질 수 있음을 보여준다. 이것은 압력 회복에 유리한 효과를 갖는다. 통상적으로, 반경(U)은 스피너의 최대 반경(S) 이하인 바, 즉 U≤S이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 디퓨저의 단계적 개방에 의해, 디퓨저의 축방향 콤팩트성이 보장된다. 각각의 엔진에서 이용 가능한 공간이 제한되어 있기 때문에 이 축방향 콤팩트성은 실제로 매우 중요하다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 실시예로부터 알 수 있듯이, 디퓨저 및 웨이스트 게이트 덕트를 가지며 종래 기술에 공지된 배기 터빈에 비해 개선된 배기 터빈을 제공하는 것이 유리하다. 특히, 본 발명에 따른 배기 터빈은 배기 터빈 출구에서 개선된 압력 회복을 가능하게 하고 또한 터빈을 통한 질량 유동의 방해받지 않는 유출을 가능하게 하는 개선된 디퓨저 설계를 갖는 배기 터빈을 제공한다. 터빈 블레이드 진동 형태의 부정적인 반응은 유출 방해가 발생할 수 없다는 사실에 의해 배제된다. 설명된 설계 구성은 디퓨저의 작동 및 스피너의 작동 모두에 긍정적인 영향을 미친다.

유리하게, 본 발명에 따른 배기 터빈의 디퓨저는 종래 기술에 공지된 배기 터빈 디퓨저에 비해 낮은 복잡성 및 설치 공간 크기를 갖도록 실현되며, 이는 생산 비용에 긍정적인 영향을 미친다.

마지막으로, 본 명세서에 기재된 디퓨저 및 선택적으로 제공되는 스피너의 설계는 요구되는 치수설정과 관련하여 적절하게 개조될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 다시 말해서, 본 명세서에 기재된 디퓨저 및 스피너의 설계는 일반적인 용도의 것이며, 소형, 중형 및 대형의 설치 공간 크기에 적용될 수 있다.

1: 축방향 터빈 디퓨저
1a: 터빈 디퓨저(1)의 하류의, 반경방향 외측 단부 영역
1b: 터빈 디퓨저(1)의 하류의, 반경방향 내측 단부 영역
2: 스피너
3: 디퓨저 윤곽
3a: 가상의 연장된 디퓨저 윤곽
4: 스피너 윤곽
5: 축방향 유동 방향
6: 회전축
7: 터빈 휠
8: 회전자 블레이드
9: 회전자 블레이드(8)의 선단 에지
10: 회전자 블레이드(8)의 후단 에지
11: 웨이스트-게이트 질량 유동의 유동 방향
12: 배기 출구 덕트
13: 웨이스트 게이트 덕트
13a: 웨이스트 게이트 덕트의 출구 영역
13b: 웨이스트 게이트 덕트의 하류의, 반경방향 내측 단부 영역
13c: 웨이스트 게이트 덕트의 하류의, 반경방향 외측 단부 영역
14: 전이 각도
15: 반경 방향
16: 디퓨저 윤곽의 시작점
17: 스피너 윤곽의 시작점
Y: 반경 방향으로의 웨이스트 게이트 개구
r: 반경 방향
H: 배기 출구 덕트의 입구 높이
S: 스피너의 최대 반경
L: 축방향 디퓨저 세그먼트 길이
A: 축방향 디퓨저 개방 각도
N: 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트의 개수
R: 유동 방향으로 배치된 최종 디퓨저 세그먼트의 에지 또는 제1 스플라인 윤곽의 곡률 반경
M: 축방향 스피너 세그먼트 길이
B: 스피너 개방 각도
P: 연속적인 원추형 스피너 세그먼트의 개수
U: 유동 방향으로 배치된 최종 스피너 세그먼트의 에지 또는 제2 스플라인 윤곽의 곡률 반경
V: 축방향 오프셋
Q: 터빈 회전자 출구에서의 외부 반경
Z: 디퓨저의 총 길이
D: 디퓨저의 출구 직경

Claims (13)

1. 배기 터빈이며:
   - 복수의 회전자 블레이드(8)를 갖는 터빈 휠(7),
   - 터빈 휠의 회전자 블레이드의 하류에 배치되는 배기 출구 덕트(12)로서, 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 외측에서 축방향 터빈 디퓨저(1)에 의해 획정되고, 배기 질량 유동은 축방향 유동 방향(5)으로 배기 출구 덕트(12)를 통해서 배출될 수 있으며,
   - 축방향 터빈 디퓨저(1)는 제1 디퓨저 개방 각도가 제2 디퓨저 개방 각도로부터 적어도 1°만큼 벗어나도록 하류에서, 반경방향 외측으로, 일정하지 않은 디퓨저 개방 각도로 개방되는, 배기 출구 덕트(12), 및
   - 웨이스트 게이트 덕트(13)로서, 그 출구 영역(13a)은 디퓨저 내로 개방되거나 디퓨저의 바로 하류에서 배기 출구 덕트(12) 내로 개방되고, 웨이스트 게이트 덕트를 통해서 웨이스트-게이트 질량 유동이 배기 질량 유동에 주입될 수 있으며, 웨이스트 게이트 덕트는 웨이스트 게이트 덕트(13)의 출구 영역(13a)에서 웨이스트-게이트 질량 유동의 실질적으로 축방향인 유동 방향을 생성하도록 설계되는, 웨이스트 게이트 덕트(13)를 포함하는, 배기 터빈에 있어서,
   - 터빈 디퓨저(1)는 증가하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제1 디퓨저 부분 및 상기 제1 디퓨저 부분의 하류에 위치하고 감소하는 디퓨저 개방 각도를 갖는 제2 디퓨저 부분을 가지며,
   - 터빈 디퓨저(1)와 웨이스트 게이트 덕트의 반경방향 내벽 사이의 전이 영역에서의 전이 각도(14)는 5°미만인 것을 특징으로 하는, 배기 터빈.
2. 제1항에 있어서, 웨이스트-게이트 질량 유동은, 웨이스트 게이트 덕트의 둘레를 따라서 터빈 휠(7)의 회전축(6)에 대해 동심적으로 또는 터빈 휠의 회전축에 대해 동심적으로 분절되어 또는 웨이스트 게이트 덕트의 둘레를 따라서 서로 거리를 두고 제공되는 터빈 디퓨저 내의 보어를 통해서, 배기 질량 유동에 주입되는, 배기 터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 외측 단부 영역(1a)은 터빈 휠(7)의 회전축(6) 주위로 동심적으로 연장되는, 배기 터빈.
4. 제3항에 있어서, 터빈 디퓨저(1)의 하류의 반경방향 외측 단부 영역(1a)은 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b)을 형성하거나 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b)에 바로 인접하는, 배기 터빈.
5. 제4항에 있어서, 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 외측 단부 영역(13c)은 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내측 단부 영역(13b)을 넘어서 하류 방향으로 돌출하는, 배기 터빈.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 터빈 디퓨저(1)는 N＞1개의 연속적인 원추형 디퓨저 세그먼트를 갖거나, 디퓨저 개방 각도는 연속적으로 미분 가능한 방식으로 일정하지 않은, 배기 터빈.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 출구 덕트(12)는 반경방향 내측에서 스피너(2)에 의해 부분적으로 획정되는, 배기 터빈.
8. 제7항에 있어서, 스피너(2)는 터빈 휠(7)의 일체형 구성요소로서 설계되거나, 터빈 휠 허브 상에 별개의 구성요소로서 수축 또는 나사결합 또는 가압 또는 조임되는, 배기 터빈.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 디퓨저(1)와 웨이스트 게이트 덕트(13)의 반경방향 내벽(13b) 사이의 전이 영역은 라운드형 설계의 것인, 배기 터빈.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 디퓨저 개방 각도는 제2 디퓨저 개방 각도의 상류에 배치되며 제2 디퓨저 개방 각도보다 큰, 배기 터빈.
11. 제10항에 있어서, 웨이스트 게이트 덕트(13)의 출구 영역(13a)은 제2 디퓨저 부분 내로 또는 제2 디퓨저 부분의 하류에서 개방되는, 배기 터빈.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 웨이스트 게이트 덕트를 통한 유동이 있을 수도 있고 없을 수도 있는, 배기 터빈.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배기 터빈을 갖는 배기 터보차저.

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