KR20060043038A

KR20060043038A - 압축기

Info

Publication number: KR20060043038A
Application number: KR1020050014251A
Authority: KR
Inventors: 바람 닉푸어
Original assignee: 홀셋 엔지니어링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2004-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-05-15
Also published as: US7686586B2; GB0403869D0; CN100443730C; CN1657786A; EP1566549A3; US20050196272A1; US20080232959A1; JP2005233188A; EP1566549B1; JP4717465B2; EP1566549A2

Abstract

본 발명에 따른 압축기는 반경방향으로 복수개의 블레이드(4)가 제공된 임펠러(1)를 포함한다. 상기 임펠러(1)는 블레이드(4)의 전방에지(5)의 외경에 의하여 형성된 인듀서 직경 및 상기 블레이드 팁부(6)의 외경에 의하여 형성된 외경을 구비한다. 상기 각 블레이드(4)는 45° 내지 55° 범위의 백스윕 각도를 갖고 임펠러의 회전방향에 대하여 백스윕된다. 상기 임펠러 외경에 대한 임펠러 인듀서 직경의 비는 0.59 내지 0.63 범위로 이루어진다. 상기 임펠러 외경에 대한 압축기의 디퓨저 출구 직경의 비는 1.4 내지 1.55 사이로 이루어진다.

압축기, 임펠러, 벌류트, 터보차저, 블레이드, 백스윕 각도

Description

압축기{COMPRESSOR}

도1은 일반적인 MWE의 압축기하우징 및 임펠러의 단면도.

도2는 도1에 나타낸 압축기 임펠러의 정면도.

도3은 도1에 나타낸 압축기 임펠러의 측면도.

도4는 본 발명의 제1실시예 따른 압축기와 종래 압축기의 성능맵을 비교한 전체 도표.

도5는 본 발명의 제2실시예 따른 압축기와 종래 압축기의 성능맵을 비교한 전체 도표.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 임펠러 2: 압축기하우징

4: 임펠러 블레이드 8: 출구 벌류트

9: 외부 관형벽 10: 흡입구

11: 내부 관형벽 12: 압축기 인듀서

본 발명은 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들면 터보차저(turbocharger) 압축기와 같은 원심식(centrifugal) 압축기에 관한 것이다.

압축기는 압축기하우징내의 회전가능한 샤프트에 장착된 복수개의 블레이드(blade)(또는 베인(vane))를 구비한 임펠러(impeller)를 포함한다. 상기 임펠러의 회전은 가스(예를 들면, 공기)를 임펠러로 흡입되도록 하고, 출구 챔버(outlet chamber) 또는 출구 통로(passage)로 전달한다. 상기 원심식 압축기의 경우, 상기 출구 통로는 압축기하우징과 임펠러에 의하여 형성된 벌류트(volute)의 형태로 이루어진다. 가스는 디퓨져(diffuser)와 같은 환형의 출구 통로를 통해 임펠러를 통과하여 출구 벌류트로 흐른다. 상기 디퓨져는 상기 임펠러를 둘러싸는 상류측 환형 입구 및 상기 벌류트로 개방되는 하류측 환형 출구를 구비한다.

예를 들면 종래의 터보차저에서, 상기 임펠러는, 터보차저샤프트의 일단에 장착되고, 상기 터보차저샤프트의 타단에서 터빈하우징 내에 장착되는 배기가스 종동터빈휠(exhaust driven turbine wheel)에 의하여 회전된다. 상기 샤프트는 상기 압축기와 터빈하우징 사이에 배치된 베어링하우징내에 수용된 베어링 조립체가 회전가능하게 장착된다.

보다 상세하게는, 종래의 압축기 임펠러는 중앙허브(hub)에 대하여 블레이드의 배열(array)을 지지하는 백플레이트(back plate)를 포함한다. 상기 블레이드는, 백플레이트로부터 대략 축방향으로 연장되고, 허브로부터 반경방향으로 연장되며, 상기 허브에서 상대적으로 긴 베이스부(base)로부터 디퓨저 입구 주위를 스윕(sweep)하는 상대적으로 짧은 팁부(tip)까지 테이퍼(taper)진다.

각 임펠러 블레이드는, 상기 임펠러의 백플레이트에 의하여 지지되는 후방에지(back edge), 상기 허브로부터 대략 반경방향으로 연장되는 전방에지(front edge) 및 상기 전방에지와 팁부 사이에 형성되는 곡선에지(curved edge)를 구비한 블레이드가 될 수 있다. 상기 곡선에지는 압축기 인듀서(inducer)(입구)와 디퓨저 사이에서 압축기하우징의 벽을 가로질러 스윕된다. 상기 블레이드의 전방에지에 의하여 형성된 임펠러의 전방부 직경은 임펠러 인듀서 직경으로 칭한다. 상기 임펠러 외경(블레이드 팁부에 의하여 형성된)에 대한 임펠러 인듀서 직경의 비(ratio)는 임펠러의 "직각도(squareness)"로 칭한다. 상기 디퓨저 출구 외경에 대한 임펠러 외경의 비는"디퓨저 반경비(radius ratio)"로 칭한다. 종래의 압축기는 일반적으로 1.6 내지 2.0 범위의 디퓨저 반경비를 가지며, 종래 임펠러휠은 일반적으로 0.64 내지 0.71 범위의 직각도를 갖는다.

압축기 임펠러 블레이드는 통상적으로 임펠러의 회전방향에 대하여 백스윕(backsweep)된다. 다시 말해서, 각 블레이드는 임펠러의 회전방향에 대하여 후방으로 만곡(curve)된다. 상기 블레이드면의 임의의 지점에서의 백스윕 각도는 그 지점에서 축에 대하여 수직인 평면에서 블레이드면에 대한 접선(tangent) 및 휠의 축을 통해 반경방향으로 연장되는 라인(line) 사이에 형성된 각도이다. 임펠러 블레이드는 일반적으로 베이스부로부터 팁부로 만곡되어, 상기 백스윕의 각도는 블레이드면 을 가로질러 변화된다. 종래의 임펠러 블레이드는 일반적으로 블레이드면의 임의의 지점에서 측정한 경우, 30° 내지 40° 사이의 범위의 백스윕 각도를 갖는다.

또한, 종래의 임펠러 블레이드는 임펠러 회전방향에 대하여 후방으로 경사지는 후방 경사각을 갖는다. 다시 말해서, 각 블레이드의 후방에지(블레이드가 백디스크(back disc)와 만나 형성된 부분)는 블레이드의 전방에지의 후방에(회전방향에 대하여) 놓여, 상기 블레이드의 팁부(베이스부에 직교되는)는 임펠러의 축에 대하여 비스듬하게(skew)된다. 상기 블레이드면의 임의의 지점에서의 경사각(angle of rake)은 블레이드를 지나는 일정한 반경방향 단면에 의하여 형성된 라인의 접선과 임펠러 축에 평행한 라인 사이의 각도이다. 상기 임펠러 블레이드는, 경사각이 블레이드의 베이스부로부터 팁부까지 변화되도록 만곡될 수 있다. 종래의 임펠러는 일반적으로 블레이드면의 임의의 지점에서 0° 내지 35° 사이의 경사각을 갖는다.

예를 들면, 일정한 0°의 경사각을 갖는 블레이드는 임펠러 백플레이트로부터 임펠러휠의 축에 평행한 방향으로 연장된다(그러나, 이러한 블레이드는 완전히 반경방향으로 연장될 필요 없고, 전술한 바와 같이 후방으로 스윕될 수 있다). 베이스부에서 0°의 경사각을 가지며, 팁부에서 20°의 경사각을 갖는 블레이드는 임펠러의 축을 따라 놓이는 베이스부와 축에 대하여 20°각도로 놓이는 팁에지(tip edge)를 구비할 수 있다.

압축기 성능은 다른 임펠러 회전속도에서 압축기를 통과하는 다른 가스질량유동율(gas mass flow rate)에 대하여 압축기에 걸쳐서 압력비(pressure ratio)(즉, 출구압력/입구압력비)의 변화를 플로트(plot)함으로써 특징화 될 수 있다. 다 양한 회전속도에 대하여 질량유동율에 대한 압력비의 플로트(plot)는 "압축기 맵(map)"으로 잘 알려져 있다. 또한, 최대 작동속도에서 압축기를 통과하는 질량유동율에 대한 압축기 효율의 플로트는 압축기 맵을 포함하는 것이 일반적이다.

어떤 특정한 압축기의 맵은 서지라인(surge line)과 초크라인(choke line)에 의하여 제한된다. 상기 서지라인은, 압축기가 임펠러속도 범위에 대하여 서지되는 압력비/질량유동율 지점(pressure ratio/mass flow rate point)에 의하여 정의된다. 이는 압축기의 저유동에서의 작동한계(low flow operating limit)이다. 상기 초크라인은, 압축기가 임펠러속도 범위에서 초크되는 압력비/질량유동율 지점에 의하여 정의된다. 이는 어떠한 임펠러속도에 대하여 압축기의 최대 유동용량(flow capacity)을 나타낸다. 상기 압축기로부터 이용가능한 최대압력비는 일반적으로 최대속도라인의 서지점이다. 상기 서지라인과 초크라인 사이에서 이용가능한 질량유동범위(mass flow range)는 "맵 폭(map width)"이라 칭한다.

압축기 동작은 압축기를 통과하는 압력 및 질량유동율에서의 큰 변동으로 인하여 서지상태하에서는 매우 불안정하다. 왕복엔진에 공기를 제공하는 터보차저 압축기와 같은 많은 적용예에서, 질량유동율에서의 이러한 변동은 부적절하다. 그 결과, 압축기의 이용가능한 유동범위를 확장하기 위한 지속적인 요구, 즉 서지마진(surge margin)의 향상이 필요하게 된다.

그러나, 과거의 엔진제작자들은 약 3:1의 압력비 이상의 압축기 성능에 관심을 거의 기울이지 않았으나, 엔진제작자들에게 보다 엄격한 배기요건을 요구함에 따라 엔진제작자들은 3:1 이상의 높은 압력비에서 터보차저의 동작을 고려해야했 다.

상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 목적은, 향상된 성능 특히 높은 압력비에서 향상된 서지마진과 효율을 제공하는 새로운 압축기를 제공하는데 있다. 왕복엔진 터보차저용 압축기의 경우, 이러한 향상된 효율은 높은 압력비에서 동작할 경우 연료소모의 감소를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 가스를 압축하기 위한 압축기는, 하우징에 의하여 형성된 챔버 내에서 축에 대하여 회전가능하게 장착된 임펠러를 포함하고; 상기 하우징은 축방향 흡입구 및 환형의 출구 벌류트를 구비하고; 상기 챔버는 축방향 입구 및 환형 출구를 구비하고; 상기 축방향 입구는 하우징의 관형 인듀서부에 의하여 형성되고, 상기 환형 출구는 상기 임펠러를 둘러싸는 환형의 디퓨저 통로에 의하여 형성되며, 상기 디퓨저는 상기 출구 벌류트와 연통되는 환형 출구를 구비하고; 상기 임펠러는 복수개의 블레이드를 포함하며, 상기 각 블레이드는 하우징 인듀서부 내에서 회전하는 전방에지, 상기 디퓨저의 환형 입구를 가로질러 스윕하는 팁부 및 상기 전방에지와 팁부 사이에 형성되고 상기 인듀서와 디퓨저 사이에 형성된 하우징의 일면을 가로질러 스윕하는 곡선에지를 구비하고; 상기 임펠러는 블레이드의 전방에지의 외경에 의하여 형성된 인듀서 직경 및 상기 블레이드 팁부의 외경에 의하여 형성된 외경을 구비하고; 상기 각 블레이드는 상기 축에 대하여 임펠러의 회전방향에 대해서 백스윕되고; 상기 블레이드면의 임의의 지점에서의 백스윕 각도는 45° 내지 55° 범위로 이루어지고; 상기 임펠러 외경에 대한 임펠러 인듀서 직경의 비는 0.59 내지 0.63의 범위로 이루어지고; 상기 임펠러 외경에 대한 디퓨저 출구 직경의 비는 1.4 내지 1.55 사이로 이루어진다.

이는 현저히 높은 임펠러 블레이드 백스윕 각도 및 현저히 낮은 디퓨저 반경비와 함께 현저히 낮은 임펠러 직각도의 조합이 높은 작동속도에서 증가된 효율 뿐만 아니라 높은 압력비에서의 유동범위(특히 서지마진)에서의 현저한 향상을 제공할 수 있음을 알 수 있다. 공기를 내연기관으로 공급하는 터보차저 압축기의 관계에서, 향상된 효율은 연료소모를 감소시킨다. 본 발명의 실시예는 종래의 압축기와 비교해 볼 경우, 3:1 이상의 압력비에서 30% 정도의 유동범위 증가를 나타내고, 압축기의 최대속도도 운전중에 압축기 효율에서 5% 정도의 향상을 나타낸다.

본 발명의 설계 매개변수(parameter)의 적용은 종래 압축기의 설계과정과 반대의 결과를 도모한다. 예를 들면, 현재의 압축기 설계, 특히 차량에 장착되는 압축기의 설계에 있어, 크기 감소 및 무게 경감에 중점을 둔다. 본 발명에 따라 현저히 낮은 임펠러 직각도의 적용은 종래 설계에 비하여 임펠러 전체크기(주어진 유량/인듀서 직경에 대하여)를 증가시킨다. 그러나, 이러한 증가된 크기의 불리한 영향은 성능향상으로 보상된다. 유사하게, 현저히 높은 백스윕 각도(바람직한 실시예에서의 경사각)의 적용은 종래 임펠러에 비하여 비용증가를 초래하는 보다 복잡한 공작(tooling) 및 제조과정을 유발한다. 그러나, 복잡성 및 제조비용은 재차 성능에 서의 개선으로 더 보상된다.

본 발명의 어떤 실시예에서, 각 블레이드의 백스윕 평균각도는 50° 내지 55° 사이로 이루어질 수 있다.

또한, 각 임펠러 블레이드는 임펠러의 회전방향에 대하여 35° 내지 55° 범위의 각도에서 후방으로 경사지는 것이 바람직하다. 본 발명의 어떤 실시예에서는 각 블레이드의 평균경사각이 35° 내지 40° 범위로 이루어진다.

이러한 백스윕 각도에서의 변화와 더불어, 어떠한 경사각, 현재 설계에 따른 임펠러 블레이드의 클러스터면(cluster surface)은, 블레이드를 따라 두께의 변화로서 국부적인 변화가 이루어질 수 있다. 따라서, 백스윕 각도를 지정하고, 블레이드의 두께를 0(zero)으로 가정하는 경사도는 일반적인 사항이다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에서 열거한 각도는 이러한 "0(zero)" 두께 블레이드에 관한 것이고, 실제적으로는 블레이드 두께 변화 결과로서 약간 변화될 수 있다.

어떤 터보차저에서, 압축기 입구는 공지의 "맵 폭 향상(MWE: map width enhanced)"으로 알려진 구성을 갖는다. 이러한 MWE 구성은 예를 들면 미국특허 제4,743,161호에 제안되었다. 이와 같은 MWE 압축기의 입구는 두개의 동축 관형 입구부(inlet section), 압축기 흡입구를 형성하는 외부 입구부(outer inlet section) 및 압축기 인듀서 또는 메인 입구를 형성하는 내부 입구부(inner inlet section)를 포함한다. 상기 내부 입구부는 외부 입구부보다 짧으며, 임펠러 블레이드의 곡선에지에 의하여 스윕되는 압축기하우징의 내벽 일면의 연장부로 이루어진 내면을 갖는다. 상기 두 개의 관형 입구부 사이에 형성된 환형 유로는 그의 상류측(흡입구에 대하여) 단부에서 개방되고, 임펠러에 대향하는 압축기하우징의 내면과 연통되는 하류측(흡입구에 대하여) 단부에 구멍(aperture)이 제공된다.

동작에 있어서, 상기 압축기 인듀서를 둘러싸는 환형 유로내의 압력은 대체로 대기압력보다 낮다. 높은 가스유동 및 임펠러의 고속 동작 동안, 상기 임펠러에 의하여 스윕되는 영역에서의 압력은 환형 통로에서의 압력 이하이다. 그러므로, 이러한 상태하에서, 공기는 상기 환형 통로부터 임펠러휠로 내측으로 흐르게 되어, 임펠러휠에 다다르는 공기량은 증가하고, 압축기의 최대유동용량(초크한계(choke limit))은 증가된다.

그러나, 상기 임펠러를 통과하는 흐름이 강하됨에 따라, 또는 상기 임펠러의 속도가 강하됨에 따라, 상기 환형 통로를 통해 임펠러로 흡입된 공기량은 압력이 안정될 때까지 감소된다. 상기 임펠러 가스유동 또는 속도에서의 추가적인 강하는 임펠러휠에 의하여 스윕되는 영역에서의 압력이 환형 통로 내의 압력 이상으로의 증가를 초래하여, 상기 환형 통로를 통해 흐르는 공기방향을 반전시킨다. 다시 말해서, 이러한 상태하에서, 공기는 임펠러로부터 환형 통로의 상류측 단부까지 외측으로 흐르고, 재순환을 위하여 압축기의 흡입구로 복귀된다.

상기 임펠러를 통과하는 가스유동의 증가 또는 임펠러 속도의 증가는 역류를 일으킨다. 즉, 환형 통로를 통해 흡입구로 복귀되는 공기량의 감소는 환형 통로를 통해 공기 유동의 안정에서 역류로 되어서, 공기가 환형 통로와 임펠러 사이를 연통시키는 구멍을 통해 임펠러휠로 흡입되도록 한다.

잘 알려진 바와 같이, 이러한 MWE 구성으로 인하여 최대 유동용량이 증가되 고 서지마진이 향상되어 압축기의 성능을 안정화시킨다. 즉, 상기 압축기는 그 압축기 속도 범위에 걸쳐 서지하여 흐름을 감소시킨다. 이러한 최대 유동용량(초크유동) 및 서지마진 모두가 향상되기 때문에, 압축기 맵 폭은 향상된다. 그러므로, 이는 "맵 폭 향상" 압축기이다.

본 발명의 종래 다른 MWE 압축기로의 적용은 서지마진, 특히 효율 증가 뿐만 아니라 높은 압력비에서의 서지마진을 더 향상시킨다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 터보차저(turbocharger)에 포함된 전형적이고 일반적인 설계의 MWE 압축기의 단면을 나타낸 것이다. 상기 압축기는 축(2a)을 따라 연장되는 회전샤프트(미도시) 일단의 압축기하우징에 설치되는 임펠러(impeller)(1)를 포함한다.상기 샤프트(미도시)는 도면부호 "3"이 나타내는 부분의 베어링하우징을 통해서 터빈하우징(미도시)까지 연장된다. 상기 임펠러는 전방에지(front edge)(5), 팁부(tip)(6) 및 상기 전방에지(5)와 팁부(6) 사이에서 연장되는 곡선에지(curved edge)(7)를 각각 가지는 복수개의 블레이드(blade)(4)를 구비한다. 이하, 도2 및 도3을 참조하여 상기 임펠러를 보다 상세히 설명한다.

상기 압축기하우징(2)은 임펠러(1)를 둘러싸는 출구 벌류트(outlet volute)(8)를 구비하고, MWE 입구 구성은 상기 임펠러(1)의 상류측으로 연장되는 외부 관형벽(outer tubular wall)(9), 가스(예를 들면, 공기)의 흡입구(intake)(10), 상기 흡입구(10)에서 부분적으로 연장되는 내부 관형벽(inner tubular wall)(11) 및 압축기 인듀서(compressor inducer)(12)를 포함한다. 상기 내부 관형벽(11)의 내면은 복수개의 임펠러 블레이드(4)의 곡선에지(7)에 의해 스윕(sweep)되는 하우징 벽면(13)의 상류측으로 연장된다. 환형 유로(annular flow passage)(14)는 내벽(11)과 외벽(9) 사이의 인듀서(12)를 각각 둘러싼다. 상기 유로(14)는, 상류측 단부에서 흡입구(10)까지 개방되고, 하류측 단부에서 하우징의 환형벽(15)에 의해 폐쇄된다. 그러나, 상기 환형 통로(14)는, 하우징(본 실시예에서 내부 관형벽(11))을 통하여 형성되고 상기 환형 유로(14)의 하류측부와 상기 임펠러 블레이드(4)의 곡선에지(7)에 의해 스윕되는 하우징(2)의 내면(13) 사이에서 전달되는 구멍(16)을 통해 임펠러(1)로 연통된다.

디퓨저(diffuser)(19)인 환형 통로는, 상기 임펠러 블레이드 팁부(6) 주위의 하우징(2)에 의해 형성되고, 상기 벌류트(8)로 연통되는 환형의 배기구(19a)를 구비한다.

전술한 바와 같이 작동하는 일반적인 MWE 압축기는 도1에 나타나 있다. 요약하면, 압축기를 통한 유동율(floe rate)이 높을 경우, 공기는 축방향으로 환형 유로(14)를 따라 임펠러(1)로 통과하고, 상기 구멍(16)을 통해 임펠러로 흐른다. 상기 압축기를 통한 유동율이 낮을 경우, 상기 환형 통로(14)를 통과한 공기흐름의 방향은, 상기 구멍(16) 및 상류측 방향으로 환형 유로(14)를 통하여 공기가 임펠러(1)로부터 통과되도록 전환되고, 상기 압축기를 통하여 재순환되도록 공기흡입구 (10)로 재유입된다. 이는 서지마진(surge margin) 및 초크유동(choke flow)을 개선시켜서 압축기의 성능을 안정시킨다.

도2 및 도3은 임펠러(1)의 특징을 보다 상세히 나타낸 것이다. 상기 복수개의 블레이드(4)는 주블레이드(4a)와 작은 매개체인 "스플리터(splitter)" 블레이드(4b)를 포함한다. 상기 블레이드(4)는 중앙의 임펠러허브(18) 주위의 백플레이트(17)에 의해 지지된다. 각 블레이드의 전방에지(5)는 반경방향으로 임펠러(1)의 축(2a)까지 연장되고, 전방에지(5)에 의해 형성된 최대직경은 임펠러 인듀서 직경이다. 상기 임펠러 외경은 블레이드 팁부(6)의 직경에 의해 형성된다.

상기 임펠러 인듀서 직경은 도1에서 D1으로 표시되고, 임펠러 외경은 도1에서 D2로 표시된다. 상기 디퓨저 출구 외경은 도1에서 D3로 표시된다.

전술한 바와 같이, 상기 임펠러 외경(D2)에 대한 임펠러 인듀서 직경(D1)의 비는 임펠러의 "직각도(sqareness)"로 나타난다. 상기 임펠러 외경(D2)에 대한 디퓨저 출구 외경(D3)의 비는 디퓨저 반경비(difusser radius ratio)로 나타난다. 대표적이고 일반적인 터보차저 압축기는 0.64 내지 0.71 범위의 직각도 및 1.6 내지 2.0 범위의 디퓨저 반경비를 가진 임펠러를 구비한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 직각도는 0.59 내지 0.63 범위로 이루어지고, 디퓨저 반경비는 1.4 내지 1.55 범위로 이루어진다.

또한, 임펠러 블레이드(4)의 백스윕(backsweep)은 도2 및 도3으로부터 명백하다. 상기 백스윕 각도는 임펠러의 축을 통하여 연장되는 반경방향으로의 라인과 특정 지점에서 블레이드면에 접하는 방향으로 연장되는 라인 사이에서 측정되고, 축방향에 대하여 수직인 평면(즉, 백플레이트(17)에 대하여 평행하게)으로 놓여진다. 상기 블레이드의 팁부에서 측정된 백스윕 각도(B)는 도2에 나타나 있다. 각 블레이드의 곡률(curvature)로 인하여 상기 백스윕 각도는 블레이드의 면을 따라 변화될 수 있지만, 상기 블레이드면의 임의의 지점에서의 일반적인 터보차저 압축기의 백스윕 각도(backsweep angle)는 일반적으로 30° 내지 40° 사이로 이루어진다. 그러나, 본 발명에 의하면 블레이드면의 임의의 지점에서 측정한 백스윕 각도는 45°내지 55°범위로 이루어진다.

또한, 도2는, 특히 도3은 임펠러 블레이드(4)의 경사각(rake angle)을 나타낸 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 블레이드 면의 임의의 지점에서의 블레이드의 경사각은 임펠러의 축에 평행한 라인과 블레이드를 통과하는 반경방향 단면에 의하여 형성되는 방향으로 그 지점에서 블레이드에 접하는 접선 사이에서 측정될 수 있다. 상기 임펠러 블레이드(5)의 전형적인 곡률 때문에, 상기 경사각은 블레이드의 면을 가로질러 변화될 수 있다. 도3은 블레이드(5)의 팁부에서 측정된 경사각(R)을 나타낸 것이다. 종래의 터보차저 압축기는 일반적으로 0° 내지 35° 사이의 후방 경사각을 갖는다. 본 발명에 따른 압축기는 이러한 범위 내의 후방 경사각을 가지질 수 있지만, 상기 후방 경사각은 35° 내지 55° 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

도4는 본 발명에 따른 압축기의 제1실시예의 성능(점선(dotted line)으로 나타낸 도표)과, 종래 MWE 압축기의 성능(실선으로 나타낸 도표)을 비교한 전체 도표이다. 상기 종래의 압축기는 40°의 평균 백스윕 각도 및 35°의 경사각을 갖는 블 레이드를 구비한다. 상기 임펠러는 0.68의 직각도(squareness)를 가지며, 상기 압축기는 1.65의 디퓨저 반경비를 갖는다. 본 발명의 실시예의 각 임펠러 블레이드는 약 52°의 평균 임펠러 백스윕 각도(상기 백스윕 각도는 각 블레이드 면을 가로질러 48.5° 내지 55° 사이에서 변화됨)를 갖는다. 상기 경사각은 대체로 40°(블레이드 두께 변화에 기인한 변화에 영향을 받음)이다. 상기 임펠러는 0.6의 직각도를 가지며, 디퓨저 반경비는 1.52이다.

상기 하부측 도표는, 잘 알려진 바와 같이, 임펠러 회전속도의 변화에 대하여 압축기의 입구로부터 출구까지의 압력비에 대한 압축기를 통과하는 공기유동율을 도표한 성능맵(performance map)이다. 상기 유동축은 100%까지 표준화된다. 전술한 바와 같이, 상기 도표의 좌측 라인은 압축기가 다양한 터보차저 속도에 대하여 서지되고, 서지라인(surge line)으로서 알려진 유동율을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 압축기는 종래 압축기의 서지마진(surge margin)에 비하여 현저히 향상된 서지마진을 갖는 것임을 알 수 있다. 최대 유동(초크유동(choke flow))에는 큰 영향을 미치지 않는다(도표의 우측선으로 나타냄).

상기 서지마진은 압력비의 전체 범위에 걸쳐 증가되고, 특히 3:1 이상의 높은 압력비에서 현저히 증가된다. 이는 최대 작동속도에서의 압축기의 유동용량이 종래 압축기에 비하여 증가되는 것임을 알 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 서지마진은 높은 압력비에서 20% 정도 증가되고, 압력비 성능은 15% 정도 증가된다. 상기 압축기 도표에 두 개의 엔진작동 라인 L1 및 L2를 첨가하였다. L1은 대표적인 종래의 터보차저 디젤 엔진의 실행 조건을 나타낸 것이고, L2는 새로운 배기 목표 (emission target)에 만족하도록 개발된 대표적인 터보차저의 실행 조건을 나타낸 것이다. 이는 새로운 배기 규정에 만족하도록 설계된 디젤엔진용 터보차저에 결합된 경우의 본 발명의 작용효과를 명확히 나타낸다.

도4의 상부측 도표는 공기흐름의 기능으로서의 압축기 효율을 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시예에 관련한 도표는 점선(dashed line)으로 나타내었다. 이는 높은 작동속도에서 본 발명은 향상된 효율(높은 압력비에서 3% 정도)을 제공함을 알 수 있다.

도5는 도4의 대비에서 이용된 동일한 종래의 MWE 압축기와 비교한, 본 발명의 제2실시예의 압축기 맵의 전체 도표이다. 이 경우, 본 발명에 따른 압축기는 약 53°의 평균 백스윕 각도가 주어진 각 블레이드면을 가로질러 51° 내지 55° 사이에서 변화하는 백스윕각도를 갖는 임펠러 블레이드를 구비한다. 상기 임펠러는 0.63의 직각도(squareness)를 가지며, 압축기의 디퓨져 반경비는 1.4이다. 또한, 서지마진에서의 향상, 최대작동속도에서의 최대유동, 및 최대작동속도에서의 효율을 알 수 있다. 또한, 이는 서지마진에서의 가장 현저한 증가는 약 3:1 이상의 높은 압력비에서 달성될 수 있음을 알 수 있다. 서지마진이 30% 정도 향상될 경우, 압력비 성능은 7% 정도 향상되고, 높은 압력비에서의 효율은 5% 정도 향상된다. 또한, 종래의 터보차저 디젤엔진 및 대표적인 다음 세대의 디젤엔진에 대한 엔진작동조건은 각각 라인 L1 및 L2로 나타내었다.

본 발명에 따른 압축기는 터보차저의 일부분으로서 유용하지만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함 은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 압축기는 높은 압력비에서 향상된 서지마진과 효율을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 왕복엔진 터보차저용 압축기의 경우, 이러한 향상된 효율은 높은 압력비에서 동작할 경우 연료소모를 감소시키는 효과가 있다.

Claims

축방향 흡입구 및 환형의 출구 벌류트를 구비한 하우징에 의하여 형성되며, 축방향 입구 및 환형 출구를 구비하는 챔버 내에서 축에 대하여 회전가능하게 장착된 임펠러를 포함하고; 상기 축방향 입구는 하우징의 관형 인듀서부에 의하여 형성되고, 상기 환형 출구는 상기 임펠러를 둘러싸는 환형의 디퓨저 통로에 의하여 형성되며, 상기 디퓨저는 상기 출구 벌류트와 연통되는 환형 출구를 구비하고; 상기 임펠러는 복수개의 블레이드를 포함하며, 상기 각 블레이드는 하우징 인듀서부 내에서 회전하는 전방에지, 상기 디퓨저의 환형 입구를 가로질러 스윕하는 팁부 및 상기 전방에지와 팁부 사이에 형성되고 상기 인듀서와 디퓨저 사이에 형성된 하우징의 일면을 가로질러 스윕하는 곡선에지를 구비하고; 상기 임펠러는 블레이드의 전방에지의 외경에 의하여 형성된 인듀서 직경 및 상기 블레이드 팁부의 외경에 의하여 형성된 외경을 구비하고; 상기 각 블레이드는 상기 축에 대하여 임펠러의 회전방향에 대해서 백스윕되고;

상기 블레이드면의 임의의 지점에서의 백스윕 각도는 45° 내지 55° 범위로 이루어지고;

상기 임펠러 외경에 대한 임펠러 인듀서 직경의 비는 0.59 내지 0.63의 범위로 이루어지고;

상기 임펠러 외경에 대한 디퓨저 출구 직경의 비는 1.4 내지 1.55 사이로 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제1항에 있어서,

상기 백스윕 각도는 48° 내지 55° 사이로 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 블레이드의 면을 가로질러 측정된 백스윕의 평균각도는 50° 내지 55° 범위로 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각 블레이드는 상기 축에 대하여 임펠러의 회전방향에 대해서 후방으로 경사지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제4항에 있어서,

상기 블레이드의 면의 임의의 지점에서 측정된 후방 경사각도는 35° 내지 55° 범위로 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제5항에 있어서,

상기 각 블레이드의 후방 경사각도는 일정하게 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
제6항에 있어서,

상기 경사각도는 35° 내지 40° 범위로 이루어지는

가스를 압축하기 위한 압축기.
전술한 항 들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하우징은, 가스 흡입부를 형성하는 상류측방향으로 상기 임펠러로부터 연장되는 외부 관형벽 및 상기 외부 관형벽 내에서 상류측 방향으로 상기 임펠러로부터 연장되고, 상기 하우징의 인듀서부를 형성하는 내부 관형벽을 구비하는 입구 를 포함하며;

상기 내부 및 외부 관형벽 사이에 형성되고, 상류측 단부와 하류측 단부를 구비하는 환형의 가스 유로가 형성되되, 상기 환형의 가스 유로의 상류측 단부는 하나 이상의 상류측 구멍을 통해 상기 입구의 흡입구 또는 인듀서부와 연통되고, 상기 환형의 가스 유로의 하류측 단부는 하나 이상의 하류측 구멍을 통해 임펠러 블레이드의 곡선에지에 의하여 스윕되는 하우징의 면과 연통되는

가스를 압축하기 위한 압축기.