KR20110057213A - 터보차저 및 이를 위한 블레이드 베어링 링 - Google Patents

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Abstract

수지상 탄화 침전물을 가지는 오스테나이트 기본 구조의 철계 합금으로 이루어진, 디젤 엔진에서의 터보차저 응용을 위한 블레이드 베어링 링이 개시된다.

Description

터보차저 및 이를 위한 블레이드 베어링 링{TURBOCHARGER AND BLADE BEARING RING THEREFOR}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 특히 디젤 엔진에서 터보차저 응용을 위한 블레이드 베어링 링에 관한 것이며, 또한 청구범위 제5항의 전제부에 따른 블레이드 베어링 링을 구비한 배기가스 터보차저에 관한 것이다.
배기가스 터보차저는 피스톤 엔진의 동력을 증가시키기 위한 시스템이다. 배기가스 터보차저에서는 동력을 증가시키기 위해 배기가스의 에너지가 사용된다. 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.
블레이드 베어링 링은 매우 엄격한 재료 요건을 충족시켜야 한다. 블레이드 베어링 링을 형성하는 재료는 열저항성, 다시 말해서 약 900℃에 이르는 고온에서도 충분한 강도를 제공해야 한다. 또한, 이러한 재료는 부식이나 마모가 감소되어 결과적으로 극한의 작동 조건 하에서도 재료의 저항성이 보장되도록, 높은 내마모성과 그에 상응하는 내산화성을 가져야 한다.
이러한 유형의 블레이드 베어링 링이 DE 10 2004 062 564 A1호에 공지되어 있다. 이러한 유형의 블레이드 베어링 링에서는 주로 사용되는 페라이트 재료와 달리 오스테나이트 재료가 이용되며, 이러한 철 기지 합금에는 구성요소의 윤활 작용을 향상시키기 위한 높은 황 분획이 포함된다. 특정 조성으로 인해 재료의 크리프 저항성(creep resistance)이 향상되고 따라서 850℃를 초과하는 온도에서 블레이드 베어링 링의 높은 치수 안정성이 달성된다.
본 발명의 목적은, 내온도성과 내산화성 및 내부식성이 향상되고 최적의 마찰 특성을 보이며 또한 마모 가능성의 감소를 보이는, 청구범위 제1항의 전제부에 따른 블레이드 베어링 링 및 제5항의 전제부에 따른 터보차저를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위 제1항 및 제5항의 특징들에 의해 달성된다.
본 발명에 따라 블레이드 베어링 링 또는 오스테나이트 철계 합금으로 이루어진 블레이드 베어링 링을 포함하는 배기가스 터보차저의 형태로 설계함으로써, 재료의 더 양호한 내온도성이 달성된다. 이는 또한 철계 합금에 포함된 수지상(dendritic) 탄화 침전물에 의해 배로 증가된다. 따라서 900℃에 이르는 범위에서 최적의 내온도성을 가지고, 높은 내열성과 높은 내마모성 및 내부식성을 가지며, 또한 감소된 산화성과 함께 매우 양호한 미끄럼 특성을 보이는, 본 발명에 따른 블레이드 베어링 링 또는 이를 포함하는 배기가스 터보차저가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 블레이드 베어링 링은 여전히 치수적으로 안정적이고 따라서 매우 평탄하다.
이론에 관련되지 않고, 덴드라이트(dendrite) 형태의 탄화 침전물이 합금 재료의 안정성을 높이고 따라서 그 특유의 구조로 인해 강도를 향상시킬 것으로 생각된다. 본 발명에 따른 재료의 덴드라이트 분획은 최대 20 부피%에 이른다.
본 발명에 따른 블레이드 베어링 링의 최대 마모율은, 10 내지 18 N/mm2의 베어링 하중, 0.0025 m/s의 미끄럼 속도, 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, 4.77 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 시험을 실시하는 동안, 본 발명에 따른 블레이드 베어링 링의 부품 평탄도는 80 mm의 원주에 걸쳐서 0.1 mm 미만이다.
종속 청구항들은 본 발명의 유리한 양상들을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 블레이드 베어링 링의 마찰 특성들은 황화 망간의 상응하는 함유량에 의해 향상될 수 있다. 결과적으로, 미끄럼 마찰로 인한 마모는 현저하게 감소하며, 따라서 블레이드 베어링 링의 내구성이 향상된다.
이러한 경우 니오븀 및 바나듐 원소를 첨가하여 추가적으로 철계 합금을 개선시킬 수 있다. 니오븀은 탄화물 형성원소(former) 또는 페라이트 형성원소로, 따라서 본 발명에 따른 오스테나이트 구조의 내열성 및 장기적인 파괴 강도를 증가시킨다. 한편 바나듐은 일차 입자 및 주조 조직을 정제한다. 바나듐 역시 강력한 탄화물 형성원소로, 결과적으로 재료의 내마모성을 향상시킨다. 이 경우 입자의 정제는 높은 동적 표면 압력을 야기한다. 바람직하게 구성요소로서 0 내지 3.5 중량%의 니오븀 및/또는 0 내지 3.7 중량%의 바나듐이 철계 합금에 존재한다. 철계 합금은 철 외에도 예를 들어 C, Cr, Ni, Mn, Si 및 N와 같은 원소들을 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 철계 합금은 다음의 구성요소들을 포함한다: 0.2 내지 0.5 중량%의 C, 16 내지 22.5 중량%의 Cr, 5 내지 14 중량%의 Ni, 5 내지 15 중량%의 Mn, 1.3 중량% 이하의 Si, 0.5 중량% 미만의 S, 0 내지 3.5 중량%의 Nb, 0 내지 3.7 중량%의 V, 0.1 내지 0.6 중량%의 N, 및 Fe.
다른 실시형태에서, 본 발명에 따른 블레이드 베어링 링은 다음의 구성요소들을 포함하는 특정 조성물을 특징으로 한다.
C: 0.2 내지 0.5 중량%
Cr: 16 내지 22.5 중량%
Ni: 5 내지 14 중량%
Mn: 5 내지 15 중량%
Si: 1.3 중량% 이하
S: 0.5 중량% 미만
Nb: 0.75 내지 3.5 중량%
V: 1 내지 3.7 중량%
N: 0.1 내지 0.6 중량% 및
Fe
개별적인 원소들이 철계 합금에 끼치는 영향은 공지되어 있지만, 후에 놀랍게도, 정확히 상술한 조합이 제공하는 재료가 블레이드 베어링 링으로 가공되는 경우에 특히 안정된 특성 프로파일을 부여한다는 것을 알아내었다. 이러한 본 발명에 따른 조성으로 인해, 특히 높은 내열성 및 내온도성을 가진 블레이드 베어링 링이 얻어지며, 이는 뛰어난 미끄럼 특성과 그로 인한 특히 낮은 미끄럼 마모를 특징으로 한다. 더구나, 부식이 최소화되며 이는 또한 특히 습식 부식에 적용된다.
따라서, 이러한 방식으로 제조된 본 발명에 따른 재료는 다음과 같은 특성을 가진다.
Figure pct00001
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 블레이드 베어링 링에는 σ상이 존재하지 않는다. 이는 재료의 취화를 방지하며, 내구성을 향상시킨다. 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 유형의 σ상은 그 취화 작용과 크롬을 추출하는 기지의 특성 때문에 바람직하지 않다. 본 발명에 따른 재료는 σ상이 존재하지 않는다는 점을 특징으로 한다. 따라서 재료의 취화가 방지되며 내구성이 향상된다. 합금 재료의 실리콘 함량이 1.3 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만으로 낮아진다는 점에서 σ상 형성이 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 수지상 탄화 침전물을 가지는 오스테나이트 기본 구조의 철계 합금으로 이루어진 블레이드 베어링 링을 포함한다.
도 1은 부분적으로 단면으로 도시된 본 발명에 따른 터보차저의 사시도이다.
도 1은 부분적으로 단면으로 도시된 본 발명에 따른 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 케이싱(12)은, 그에 체결된 태핏 부재(14)의 제어 이동을 제어함으로써, 블레이드 베어링 링(6) 뒤에 위치한 조정 링(5) 상의 이러한 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 링은 스페이서(16)를 가진다.
실시예
본 발명에 따른 블레이드 베어링 링을 형성하는 합금을 통상의 방법에 따라 다음의 원소들로 제조하였다. 화학 분석으로 원소들에 대해 다음의 값들을 산출하였다: 0.2 내지 0.5 중량%의 C, 17 내지 21 중량%의 Cr, 5.5 내지 10.5 중량%의 Ni, 7.5 내지 11 중량%의 Mn, 최대 1 중량%의 Si, 0.5 중량% 미만의 S, 0.75 내지 1.7 중량%의 Nb, 0.1 내지 0.5 중량%의 N, 1 내지 1.9 중량%의 V, 잔부 철.
이러한 실시예에 따라 제조된 블레이드 베어링 링은 655 MPa의 인장 강도(Rm)(ASTM E 8M/EN 10002-1; 상승 온도에서: EN 10002-5)를 특징으로 하였다. (표준 방법으로 측정된) 항복점(Rp 0.2)은 276 MPa에 이르렀다. (표준 방법으로 측정된) 재료의 파단 신율은 13.2%에 이르렀다. (ASTM E 92/ISO 6507-1에 따라 측정된) 재료의 경도는 243 HB에 이르렀다. (표준 방법에 따라 측정된) 선 팽창 계수는 17.6 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 가지며, 그 결과 명시된 조건들 하에서 재료의 부식 또는 마모가 현저히 감소되고 따라서 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 (10)

  1. 특히 디젤 엔진에서 터보차저 응용을 위한 블레이드 베어링 링으로서, 수지상 탄화 침전물을 가지는 오스테나이트 기본 구조의 철계 합금으로 이루어진 블레이드 베어링 링.
  2. 제1항에 있어서, 황화 망간을 포함하는 블레이드 베어링 링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가 구성요소로서 0 내지 3.5 중량%의 니오븀 및/또는 0 내지 3.7 중량%의 바나듐을 포함하는 블레이드 베어링 링.
  4. 제1항에 있어서, 다음의 구성요소, C: 0.2 내지 0.5 중량%, Cr: 16 내지 22.5 중량%, Ni: 5 내지 14 중량%, Mn: 5 내지 15 중량%, Si: 1.3 중량% 이하, S: 0.5 중량% 미만, Nb: 0.75 내지 3.5 중량%, V: 1 내지 3.7 중량%, N: 0.1 내지 0.6 중량% 및 Fe을 포함하는 블레이드 베어링 링.
  5. 제1항에 있어서, σ상이 존재하지 않는 블레이드 베어링 링.
  6. 수지상 탄화 침전물을 가지는 오스테나이트 기본 구조의 철계 합금으로 이루어진 블레이드 베어링 링을 포함하는, 디젤 엔진용 배기가스 터보차저.
  7. 제6항에 있어서, 황화 망간을 포함하는 배기가스 터보차저.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 추가 구성요소로서 0 내지 3.5 중량%의 니오븀 및/또는 0 내지 3.7 중량%의 바나듐을 포함하는 배기가스 터보차저.
  9. 제6항에 있어서, 다음의 구성요소, C: 0.2 내지 0.5 중량%, Cr: 16 내지 22.5 중량%, Ni: 5 내지 14 중량%, Mn: 5 내지 15 중량%, Si: 1.3 중량% 이하, S: 0.5 중량% 미만, Nb: 0.75 내지 3.5 중량%, V: 1 내지 3.7 중량%, N: 0.1 내지 0.6 중량% 및 Fe을 포함하는 배기가스 터보차저.
  10. 제6항에 있어서, σ상이 존재하지 않는 배기가스 터보차저.
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