KR101576194B1 - 터보차저 및 이를 위한 조정 블레이드 - Google Patents

Abstract

오스테나이트 기본 구조 및 수지상 탄화 침전물을 가지는 철계 합금으로 이루어진, 특히 디젤 엔진에서 터보차저 응용을 위한 조정 블레이드가 개시된다.

Description

터보차저 및 이를 위한 조정 블레이드{TURBOCHARGER AND ADJUSTABLE BLADE THEREFOR}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 특히 디젤 엔진에서 터보차저에 적용하기 위한 조정 블레이드에 관한 것이며, 또한 청구범위 제3항의 전제부에 따른 조정 블레이드를 구비한 배기가스 터보차저에 관한 것이다.

배기가스 터보차저는 피스톤 엔진의 동력을 증가시키기 위한 시스템이다. 배기가스 터보차저에서는 동력을 증가시키기 위해 배기가스의 에너지를 이용한다. 작동 행정 당 혼합물 처리량이 상승함으로써 동력이 증가된다.

터보차저는 필수적으로 샤프트 및 압축기가 구비된 배기가스 터빈으로 이루어지고, 엔진의 흡입관에 배치된 압축기는 샤프트에 결합되며, 배기가스 터빈의 케이싱과 압축기에 위치한 블레이드 휠들이 회전한다. 다양한 터빈 형상을 가진 터보차저에 있어서, 또한 조정 가능한 블레이드들이 블레이드 베어링 링에 회전 가능하게 장착되어, 터보차저의 터빈 케이싱에 배치된 조정 링에 의해 이동된다.

공지된 바와 같이 조정 블레이드는 매우 엄격한 재료 요건을 충족시켜야 한다. 조정 블레이드를 형성하는 재료는 열저항성, 다시 말해서 약 900℃에 이르는 고온에서도 충분한 강도를 보여야 한다. 또한, 이러한 재료는 부식이나 마모가 감소되어 결과적으로 극한의 작동 조건 하에서도 재료의 저항성이 보장되도록, 높은 내마모성과 그에 상응하는 내산화성을 가져야 한다. 또한, 재료는 침식 공격에 저항을 가져야 한다. 이러한 재료의 물리적 특성들은 구성요소, 즉 조정 블레이드에도 반영될 것이다.

배기가스 터보차저를 또는 그 개별적인 구성요소들을 위한 내열성 재료들이 EP 1 396 620 A1호에 공지되어 있다. 여기에서 특정의 조성을 가진 재료가 적합한 것으로 여겨지는데, 구성요소들의 표면이 크롬 탄화물층으로 코팅될 수 있고, 이러한 재료는 소량의 비금속 함유물을 낮은 분획으로 가진다. 그로 인해 700℃ 이상에 이르는 터보차저 또는 그 개별적 구성요소의 내열성이 달성된다.

본 발명의 목적은, 극한의 온도 하에서 향상된 내온도성과 내산화성 및 내침식성, 및 그에 상응하는 습식 부식에 대한 저항성을 가지고 최적의 마찰 특성을 보이며 또한 마모 가능성의 감소를 보이는, 청구범위 제1항의 전제부에 따른 조정 블레이드 및 제5항의 전제부에 따른 터보차저를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제1항 및 제5항의 특징들에 의해 달성된다.

본 발명에 따라 조정 블레이드 또는 그러한 조정 블레이드를 포함하는 배기가스 터보차저를 설계함으로써, 구성요소의 더 양호한 내온도성이 달성된다. 이는 또한 철계 합금에 포함된 수지상(dendritic) 탄화 침전물, 즉 철계 합금에 포함되고 미세 분기 구조와 질화 구조물 형태의 질소 분산물을 가지는 탄화물 미세구조에 의해 배로 증가된다. 따라서 900℃에 이르는 범위에서 최적의 내온도성을 가지고, 높은 내열성과 높은 내마모성, 내침식성 및 내부식성을 가지며, 또한 감소된 산화성과 함께 매우 양호한 미끄럼 특성을 보이는, 본 발명에 따른 조정 블레이드 또는 그 조정 블레이드를 포함하는 배기가스 터보차저가 제공된다.

또한, 본 발명에 따른 조정 블레이드는 여전히 치수적으로 안정적이고 따라서 매우 평탄하며, 즉 이를 형성하는 재료의 높은 강도를 특징으로 한다.

이론에 관련되지 않고, 덴드라이트(dendrite) 형태의 탄화 침전물이, 지지 작용을 수행하는 미세 분기 구조를 재료의 미세 구조물에 형성하여 결과적으로 재료의 강도 및 본 발명에 따른 조정 블레이드의 강도가 이들의 독특한 구조로 인해 현저히 증가된다는 점에서, 철계 합금의 안정성을 높이는 것으로 생각된다. 이 경우 질화 구조물 형태의 질소 원소 분산물은 추가적으로 내마모성 및 내부식성을 증가시킨다.

또한, 본 발명에 따른 조정 블레이드를 형성하는 재료 또는 조정 블레이드는 결정간 부식에 대해 최적의 저항성을 보인다.

이러한 경우 본 발명에 따른 조정 블레이드의 최대 마모율은, 약 10 내지 18 N/mm²의 베어링 하중, 0.0025 m/s의 미끄럼 속도, 약 500 내지 900℃의 부품 온도, 6.3의 표면 조도(Rz), 500시간의 시험 기간, 0.2 Hz의 클록 주파수, 45°의 조절각, 0.28의 마찰계수, 4.7 mm의 저널 직경, 200 mbar 초과의 압력 맥동, 1.5 bar 초과의 배기가스압에 대해 시험 매질로서 디젤 배기가스를 사용할 경우, 0.08 mm 미만이다.

300시간의 열충격 사이클 시험을 실시하는 동안, 본 발명에 따른 조정 블레이드의 재료 평탄도는 80 mm 직경의 원주의 경우 0.1 mm 미만이다.

본 발명에 따른 조정 블레이드의 재료는 WIG, 플라즈마 및 EB과 같은 종래의 용접 방법에 의해 용접될 수 있다.

종속 청구항들은 본 발명의 유리한 양상들을 포함한다.

일 실시형태에 있어서, 조정 블레이드는 다음의 구성요소들을 포함하는 특정 조성을 특징으로 한다: 0.1 내지 2 중량%의 C, 18 내지 43 중량%의 Cr, 5 내지 15 중량%의 Ni, 8 내지 16 중량%의 Mn, 1.3 중량% 이하의 Si, 0.5 내지 4 중량%의 Nb, 0.1 내지 3 중량%의 N, 0.2 내지 2.0 중량%의 V, 및 Fe.

개별적인 원소들이 철계 합금에 끼치는 영향은 공지되어 있지만, 후에 놀랍게도, 정확히 상술한 조합으로 제조된 재료가 조정 블레이드로 가공되는 경우에 특히 안정된 특성 프로파일을 가진다는 것을 알아냈다. 이러한 본 발명에 따른 조성의 결과, 심지어 900℃에 이르는 특히 높은 내열성 및 내온도성을 가진 조정 블레이드가 얻어지며, 이는 매우 양호한 미끄럼 특성과 그로 인한 낮은 미끄럼 마모 또는 마멸을 특징으로 한다. 더구나, 공지되어 있는 재료들에 비해 내침식성이 향상되며 이는 또한 습식 부식에 적용된다. 나아가, 본 발명에 따른 재료 및 조정 블레이드는 치수적으로 매우 안정적이고 따라서 재료는 높은 강도 및 변형 저항을 가진다.

이러한 특성들은 더욱 향상될 수 있다. 이러한 목적으로, 일 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 조정 블레이드는 다음의 원소들을 포함하는 재료로 이루어진다: 0.2 내지 1.0 중량%의 C, 20 내지 32 중량%의 Cr, 7 내지 14 중량%의 Ni, 9 내지 14.5 중량%의 Mn, 1 중량% 이하의 Si, 0.75 내지 3.5 중량%의 Nb, 0.1 내지 1.0 중량%의 N, 0.3 내지 1.6 중량%의 V, 및 Fe.

이러한 방식으로 제조된 조정 블레이드는 900℃에 이르는 높은 내열성뿐만 아니라 현저히 향상된 미끄럼 특성을 가진다. 여기에서 미끄럼 마모는 최소화된다. 또한 내부식성 및 내침식성도 최대화된다. 이러한 특성들은 고온에서 본 발명에 따른 조정 블레이드의 매우 양호한 치수 안정성과 변형 저항을 수반한다.

따라서, 이러한 방식으로 제조된 재료 및 본 발명에 따른 조정 블레이드는 다음과 같은 특성을 가진다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 조정 블레이드 또는 이를 형성하는 재료인 철계 합금에는 σ상이 존재하지 않는다. σ상은 높은 경도를 가진 취성의 금속간 상이다. 이는 원자 반경이 오직 근소한 편차만을 두고 동일한 체심 입방 금속과 면심 입방 금속이 서로 만날 때 발생한다. 이러한 σ상은 그 취화 작용과 크롬을 추출하는 기지의 특성 때문에 바람직하지 않다. 따라서 이러한 유리한 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 재료는 σ상이 존재하지 않는다는 점을 특징으로 한다. 이는 재료의 취화를 방지하며 내구성을 향상시킨다. 합금 재료의 실리콘 함량이 1.3 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만으로 낮아진다는 점에서 σ상이 감소 또는 회피된다. 또한, 조합 내에서 적절한 경우 예를 들어 망간, 질소 및 니켈과 같은 오스테나이트 형성원소를 이용하는 것이 유리하다.

청구범위 제5항은 독립적으로 다룰 수 있는 물품으로서 배기가스 터보차저를 정의하며, 이는 상술한 바와 같이 오스테나이트 기본 구조로 이루어지며 수지상 탄화 침전물을 가지거나 포함하는 조정 블레이드를 포함한다.

도 1은 부분적으로 단면으로 도시된 본 발명에 따른 터보차저의 사시도이다.

도 1은 부분적으로 단면으로 도시된 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 사시도를 보여준다. 도 1은 본 발명에 따른 터보차저(1)를 도시하며, 이는 터빈 케이싱(2) 및 베어링 케이싱(28)을 통해 이에 결합된 압축기 케이싱(3)을 포함한다. 케이싱(2, 3, 28)은 회전축(R)을 따라 배치된다. 외주 상에 분포되며 회전축들(8)을 가지는 복수의 조정 블레이드(7)를 가지며 그에 의해 형성되는 반경방향 외부 가이드 블레이드 캐스케이드(18)와 블레이드 베어링 링(6)의 배치를 명확하게 하기 위해, 터빈 케이싱은 부분적으로 단면으로 나타나 있다. 그로 인해 조정 블레이드(7)의 위치에 따라 더 크거나 작은 노즐 단면들이 형성된다. 노즐 단면들은, 공급 덕트(9)를 통해 공급되고 중앙 연결부(10)를 통해 배출되는 엔진 배기 가스와 함께, 회전축(R) 상의 중심에 위치한 터빈 로터(4)에 더 크거나 작은 정도로 작용하여, 터빈 로터(4)를 통해 동일 축 상에 안착된 압축기 로터(17)를 구동한다.

조정 블레이드(7)의 이동 또는 위치를 제어하기 위해 작동 장치(11)가 구비된다. 이는 그 자체가 임의의 원하는 설계로 이루어질 수 있으나, 바람직한 실시형태에서는 제어 케이싱(12)이 구비된다. 제어 케이싱은(12), 그에 체결된 태핏 부재(14)의 제어 이동을 제어함으로써, 블레이드 베어링 링(6) 뒤에 위치한 조정 링(5) 상의 상기 태핏 부재의 이동을 상기 조정 링의 경미한 회전 운동으로 변환한다. 블레이드 베어링 링(6)과 터빈 케이싱(2)의 환상 부분(15) 사이에 조정 블레이드(7)를 위한 자유 공간(13)이 형성된다. 이러한 자유 공간(13)이 보호될 수 있도록 블레이드 베어링 링(6)은 스페이서(16)를 가진다.

실시예

본 발명에 따른 조정 블레이드를 형성하는 합금을 통상의 방법에 따라 다음의 원소들로 제조하였다. 화학 분석으로 원소들에 대해 다음의 값들을 얻었다: 0.2 내지 0.5 중량%의 C, 23 내지 26.5 중량%의 Cr, 9 내지 13.5 중량%의 Ni, 9 내지 12.5 중량%의 Mn, 최대 1.3 중량%의 Si, 0.75 내지 1.75 중량%의 Nb, 0.7 내지 1.6 중량%의 V, 0.1 내지 0.4 중량%의 N, 잔부 철.

이러한 실시예에 따라 제조된 조정 블레이드는 687 MPa의 인장 강도(R_m)를 특징으로 한다(ASTM E 8M/EN 10002-1; 상승 온도에서: EN 10002-5). (표준 방법으로 측정된) 항복점(R_{p 0.2})은 337 MPa에 이르렀다. (표준 방법으로 측정된) 재료의 파단 신율은 14.2%에 이르렀다. (ASTM E 92/ISO 6507-1에 따라 측정된) 재료의 경도는 258 HB에 이르렀다. (표준 방법에 따라 측정된) 선 팽창 계수는 17.8 K^-1에 이르렀다(20 내지 900℃). 재료는 다음의 시험들을 포함한 일련의 확인 테스트(validation test)를 거쳤다.

- 옥외 노출 시험

- 기후 변화 시험

- 열충격 시험/사이클 시험 - 300시간

- 핵분열로(fission furnace)에서의 고온 가스 부식 시험

구성요소는 모든 시험들에서 작용력에 대해 우수한 저항성을 보였다. 따라서 재료는 매우 높은 내마모성 및 뛰어난 내산화성을 가졌으며, 그 결과 명시된 조건들 하에서 재료의 부식 및 마모가 현저히 감소되고 결과적으로 장기간에 걸쳐서도 여전히 재료의 저항성이 보장되었다.

열사이클 시험:

본 발명에 따른 구성요소는 열사이클 시험을 거쳤으며 열충격은 다음과 같았다:

1. 고정 로터의 사용;

2. 2개의 터보차저 작동;

3. 시험 기간: 350 시간(대략 2000 사이클);

4. 전체 시험 중, 터보차저들에서의 배기가스 플랩은 15° 개방을 유지함

5. 고온: 정격출력점 T3 = 750℃, 터빈 측에서의 터보차저 질량 유량: 0.5 kg/s;

6. 저온: T3 = 100℃, 터빈 측에서의 터보차저 질량 유량: 0.5 kg/s;

7. 사이클 기간: 2X5분(10분);

8. 세 번의 중간 균열 시험 수행.

도면 부호 목록

1 터보차저

2 터빈 케이싱

3 압축기 케이싱

4 터빈 로터

5 조정 링

6 블레이드 베어링 링

7 조정 블레이드

8 회전축

9 공급 덕트

10 중앙 연결부

11 작동 장치

12 제어 케이싱

13 조정 블레이드(7)를 위한 자유 공간

14 태핏 부재

15 터빈 케이싱(2)의 환상 부분

16 스페이서/스페이싱 보스

17 압축기 로터

18 가이드 블레이드 캐스케이드

28 베어링 케이싱

R 회전축

Claims (8)

1. 디젤 엔진의 터보차저용 조정 블레이드로서,
   오스테나이트 기본 구조 및 수지상 탄화 침전물을 가지는 철계 합금으로 이루어지고,
   0.2 내지 1.0 중량%의 C, 20 내지 32 중량%의 Cr, 7 내지 14 중량%의 Ni, 9 내지 14.5 중량%의 Mn, 1 중량% 이하의 Si, 0.75 내지 3.5 중량%의 Nb, 0.1 내지 1.0 중량%의 N, 0.3 내지 1.6 중량%의 V, 및 Fe 의 구성성분을 포함하며,
   질화 구조물 형태의 질소 분산물을 포함하는 것을 특징으로 하는 조정 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   철계 합금에 σ상이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 조정 블레이드.
3. 오스테나이트 기본 구조 및 수지상 탄화 침전물을 가지는 철계 합금으로 이루어진 조정 블레이드를 포함하는, 디젤 엔진용 배기가스 터보차저로서,
   상기 조정 블레이드는 필수적으로, 0.2 내지 1.0 중량%의 C, 20 내지 32 중량%의 Cr, 7 내지 14 중량%의 Ni, 9 내지 14.5 중량%의 Mn, 1 중량% 이하의 Si, 0.75 내지 3.5 중량%의 Nb, 0.1 내지 1.0 중량%의 N, 0.3 내지 1.6 중량%의 V, 및 Fe 의 구성성분을 포함하고,
   상기 조정 블레이드는 질화 구조물 형태의 질소 분산물을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 터보차저.
4. 제3항에 있어서,
   조정 블레이드의 재료에 σ상이 존재하지 않는 배기가스 터보차저.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images