KR20150003851A - 마모성 코팅을 구비한 vtg 터보차저 베인 팩 조립체 - Google Patents

마모성 코팅을 구비한 vtg 터보차저 베인 팩 조립체 Download PDF

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Abstract

VTG 터보차저를 위한 베인 팩을 제공한다. 베인 팩은 상부 베인 링의 내표면과 하부 베인 링의 내표면 사이에 피벗 가능하게 위치하는 복수의 베인들을 포함한다. 베인들의 서로 반대편의 볼 표면들과 베인 링들의 내표면들 사이에 간극이 한정된다. 베인 팩은 상부 베인 링의 내표면, 하부 베인 링의 내표면, 및/또는 하나 이상의 베인의 볼 표면(들)에 마모성 코팅을 도포함으로써, 이 간극을 최소화하도록 구성된다. 이런 방식으로, 베인들의 적절한 기능을 방해하지 않으면서, 본질적으로 제로 간극이 형성될 수 있다. 그 결과, 효율이 향상될 수 있다. 터보차저의 작동 중에 마모성 코팅의 추가적인 마모가 발생할 수 있다.

Description

마모성 코팅을 구비한 VTG 터보차저 베인 팩 조립체{VTG TURBOCHARGER VANE PACK ASSEMBLY WITH ABRADABLE COATING}
구현예들은 전반적으로 터보차저에 관한 것으로, 특히 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩에 관한 것이다.
터보차저는 일종의 강제 흡기 시스템이다. 터보차저는 자연 흡기 구성에서 가능한 것보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡기구에 전달하여, 더 많은 연료가 연소되게 하므로, 엔진 중량을 현저히 증가시키지 않으면서 엔진 마력을 증가시킬 수 있다. 큰 물리적 크기의 자연 흡기 엔진을 대체하는 작은 터보차지형 엔진은 질량을 감소시킬 것이며, 차량의 공기역학적 전방 면적을 감소시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 터보차저(10)는 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기가스 유동을 사용하여 터빈 휠(12)을 구동하며, 터빈 휠(12)은 터빈단(16)을 형성하기 위해 터빈 하우징(14) 내에 위치한다. 터빈 휠(12)에 의해 추출된 에너지는 회전 운동으로 변환되고, 이후 회전 운동은 압축기 휠(18)을 구동하며, 압축기 휠(18)은 압축기단(22)을 형성하기 위해 압축기 커버(20) 내에 위치한다. 압축기 휠(18)은 터보차저(10) 내로 공기를 끌어들이고, 이 공기를 압축하여, 엔진의 흡기측에 전달한다.
가변 형상 터보차저는 통상적으로 복수의 회전 가능한 베인들(24)을 사용하여 배기가스 유동을 제어하는데, 이 배기가스 유동은 터빈 휠(12)에 부딪히며 터빈단(16)의 동력을 제어한다. 따라서, 이러한 베인들(24)은 또한 압축기단(22)에 의해 발생되는 압력비를 제어한다. 고압 배기가스 재순환(high pressure exhaust gas recirculation, HP EGR) 기법의 사용에 의해 NOx의 생성을 제어하는 엔진에서, VTG 내의 베인들(24)의 기능은 또한 배기가스 배압을 제어하고 생성하는 수단을 제공한다.
피벗 가능한 베인들(24)의 어레이가 대략 환상의 상부 베인 링(UVR; 26)과 대략 환상의 하부 베인 링(LVR; 28) 사이에 위치한다. 각각의 베인은 한 쌍의 대향 액슬들(30) 상에서 회전하되(도 2), 대향 액슬들(30)은 상기 베인(24)으로부터 돌출되며, 공통축 상에 있다. 각각의 액슬(30)은 LVR(28)의 각각의 개구 및 UVR(30)의 각각의 개구 내에 위치한다. LVR(28)에 대한 UVR(26)의 각도 배향은 베인 링들(26, 28)의 상보적인 개구들이 베인(24)의 액슬들(30)의 축과 동심을 갖도록 설정되며, 베인(24)은 2개의 액슬들(30)의 축(32)을 중심으로 자유롭게 회전하되, 축(32)은 2개의 개구들의 이제 설정된 중심선과 동심을 가진다. 베인(24)의 UVR측의 각각의 액슬(30)은 UVR(26)을 통해 돌출되며, 베인 링들(26, 28)에 대한 베인(24)의 회전 위치를 제어하는 베인 암(34)에 부착된다. 통상적으로, 소형 슬라이딩 블록들(48)을 통해 모든 베인 암들(34)을 공동으로(in unison) 제어하는 별개의 링이 있다. 이러한 유니슨 링(unison ring; 50)은 액추에이터에 의해 제어되며, 액추에이터는 유니슨 링(50)을 회전시키기 위해 작동적으로(operatively) 연결된다. 액추에이터는 통상적으로 엔진 전자 제어 장치(ECU)에 의해 제어된다. 복수의 베인들(24) 및 2개의 베인 링들(26, 28)로 구성된 조립체는 일반적으로 베인 팩으로 알려져 있다.
베인 팩에서, 회전 가능한 베인들(24), 보다 구체적으로는 베인들(24)의 볼부들(cheeks; 36)과 상부 및 하부 베인 링들(26, 28)의 내표면들(38, 40) 사이의 간극은 터빈 휠(12)의 전단에서의 배압의 발생 및 터빈 휠(12)에 부딪히도록 허용된 배기가스의 제어 모두에 있어 효율 손실의 주요 원인이다. 베인 팩의 효율을 개선하기 위해, 베인측 볼부들(36)과 베인 링들(26, 28)의 상보적인 내표면들(38, 40) 사이의 간극은 최소로 유지되어야 한다.
그러나, 이러한 간극을 최소화하는 것은 어려울 수 있다. 터빈 하우징(14)은 방사상 평면에 있어서 대칭적인 원형이 아니기 때문에, 그리고 터빈 하우징(14) 내의 열 유속 역시 대칭이 아니기 때문에, 터빈 하우징(14)은 비대칭 응력 및 비대칭 열변형을 겪는다. 터빈 하우징(14)의 열 변형이 베인 팩에 전달되고, 이는 베인 팩의 마모, 점착, 또는 완전한 걸림(jam)을 야기할 수 있다. 그러므로, 베인 팩은 열유도 왜곡의 전달을 최소화하는 방식으로 터빈 하우징(14) 내에 정확하게 배치되고 구속될 필요가 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 최소화할 수 있는 베인 팩 구성에 대한 필요성이 존재한다.
구현예들은 가변 형상 터보차저를 위한 베인 팩에서 베인 링들의 내표면들과 베인 볼부들 사이의 간극을 최소화하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본원의 구현예들에 따르면, 마모성 코팅이 상부 베인 링의 내표면, 하부 베인 링의 내표면, 및/또는 베인의 볼 표면(들)에 도포된다. 이런 방식으로, 터보차저 작동 중에 베인들의 적절한 기능을 방해하지 않으면서, 매우 작은 간극이 형성될 수 있다. 그 결과, 효율이 향상될 수 있다.
본 발명은 유사한 도면부호들이 유사한 구성요소들을 나타내는 첨부 도면에 제한이 아닌 예로써 도시된다:
도 1은 통상적인 가변 형상 터보차저의 단면도이다.
도 2는 통상적인 베인 팩의 단면도를 도시한다.
도 3은 조립된 베인 팩의 도면을 도시한다.
본원에 설명된 장치들은 베인 링 조립체를 위한 시스템 및 방법과 관련된다. 상세한 구현예들이 본원에 개시된다; 그러나, 개시된 구현예들은 단지 예시의 목적이라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본원에 개시된 특정한 구조적, 기능적 상세는 제한의 의도로 해석되는 것이 아니라, 당업자가 사실상 임의의 적절하게 상세화된 구조에서 본원의 양상들을 다양하게 채용하도록 교시하기 위한 대표적인 근거 및 청구범위를 위한 근거로만 해석되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어들 및 문구들은 제한의 의도가 아니라, 가능한 구현예들의 이해할 만한 설명을 제공하도록 의도된 것이다. 장치들이 도 3에 도시되었지만, 구현예들은 도시된 구조 또는 응용에 제한되지 않는다.
본원의 구현예들에 따르면, 마모성 코팅이 베인들과 베인 링들 사이의 간극을 한정하는 표면들 중 하나 이상에 도포된다. 도 3을 참조하면, 베인 팩(50)의 일부가 도시되어 있다. 명료함을 위해, 하나의 베인(24)만이 도시된다. 마모성 코팅(52)은 LVR(28)의 내표면(40) 중 적어도 일부, UVR(26)의 내표면(38) 중 적어도 일부, 및/또는 베인들(24)의 볼 표면들(36) 중 하나 또는 둘 다의 적어도 일부에 도포될 수 있다. 일 구현예에서, 마모성 코팅(52)은 베인 링들(26, 28)의 내표면들(38, 40)에 도포될 수 있지만, 베인들(24)의 볼 표면들(36)에는 도포되지 않을 수 있다.
마모성 코팅(52)은 처리된 표면 상에 임의의 적절한 두께로 제공될 수 있다. 마모성 코팅(52)의 두께는 표면에 걸쳐 실질적으로 균일할 수 있다. 대안적으로, 코팅(52)의 두께는 하나 이상의 위치에서 가변될 수 있다. 코팅(52)이 복수의 코팅 한정 표면들에 도포될 때, 코팅 한정 표면들 중 하나의 코팅(52)의 두께는 코팅 한정 표면들 중 다른 하나의 코팅(52)의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다. 대안적으로, 코팅 한정 표면들 중 하나의 코팅(52)의 두께는 코팅 한정 표면들 중 다른 하나의 코팅(52)의 두께와 상이할 수 있다.
마모성 코팅(52)은 베인 볼면들(36)과 베인 링들(26, 28)의 내표면들(38, 40) 사이의 마모성 접촉을 가능하게 하는 임의의 적절한 재료일 수 있다. 일 구현예에서, 마모성 코팅(52)은 뉴욕 웨스트베리 소재의 Sulzer Metco (US) Inc.에서 입수 가능한 Metco 480NS일 수 있다. 이 코팅은 95%의 니켈 및 5%의 알루미늄을 포함하는 구상 가스-분무 합금일 수 있다. 입자 크기는 약 45㎛ 내지 약 90㎛ 및/또는 약 -170 +325 메시일 수 있다(예컨대, 약 90% 이상의 재료가 170 메시 시브(sieve)를 통과할 수 있으며, 350 메시 시브에 의해 유지될 수 있다). 마모성 코팅은 조밀하며 내산화성일 수 있다. 코팅은 적어도 약 800℃(1470℉)의 온도를 견딜 수 있다. 코팅은 자기-결합성일 수 있으며, 분무 중에 발열 반응을 겪을 수 있고, 그 결과 표면 결합이 우수하다. Metco 480NS와 유사한 재료들이 사용될 수 있다.
적절한 마모성 코팅의 추가적인 예로, 알루미늄 실리콘 합금/고분자 복합체, 알루미늄 실리콘 합금/흑연 복합체, 니켈/흑연 복합체, 알루미늄 청동/고분자 복합체, 니켈 크롬 알루미늄/보론 나이트라이드 복합체, 니켈 크롬 알루미늄/벤토나이트 복합체, 니켈/알루미늄 복합체 분무 다공성, 니켈 크롬 알루미늄 복합체 분무 다공성, MCrAlY/BN/폴리에스테르 복합체, 및 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ) 세라믹/폴리에스테르 복합체가 포함된다. 이 코팅들은 용사(thermal spraying)에 의해 도포될 수 있다.
일 구현예에서, 마모성 코팅(52)은 지르코니아-고분자 세라믹 마모성 분말일 수 있다. 이 분말은 용사에 의해 도포될 수 있다. 이러한 코팅의 예로, 뉴욕 웨스트베리 소재의 Sulzer Metco (US) Inc.에서 입수 가능한 DURABLADE 2192, Sulzer Metco 2395, 및/또는 Sulzer Metco 2460NS가 포함된다.
DURABLADE 2192는 약 9.5%의 Dy2O3, 약 4.5%의 고분자, 0.7의 hBN을 포함할 수 있고, 잔여물은 (최대 2.5wt%의 산화하프늄과 함께) ZrO2를 실질적으로 포함할 수 있다. 공칭 입자 크기 분포는 약 -176 +11㎛로부터 시작할 수 있고, 평균은 약 65㎛이다. 작동 온도(service temperature)는 약 1150℃(2100℉) 이하일 수 있다. DURABLADE 2191은 약 25% 내지 35%의 다공성을 가질 수 있다. 이는 약 70 내지 90 HR15Y의 경도를 가질 수 있다. 이는 3MPa(435psi)를 초과하는 코팅 강도를 가질 수 있다.
Sulzer Metco 2395는 약 7.5%의 Y2O3, 약 4.5%의 고분자, 0.7의 hBN을 포함할 수 있고, 잔여물은 (최대 2.5wt%의 산화하프늄과 함께) ZrO2를 실질적으로 포함할 수 있다. 공칭 입자 크기 분포는 약 -176 +11㎛로부터 시작할 수 있고, 평균은 약 57㎛이다. 작동 온도는 약 1150℃(2100℉) 이하일 수 있다. Sulzer Metco 2395는 약 25% 내지 40%의 다공성을 가질 수 있다. 이는 약 70 내지 90 HR15Y의 경도를 가질 수 있다. 이는 3MPa(435psi)를 초과하는 코팅 강도를 가질 수 있다.
Sulzer Metco 2460NS는 약 7.5%의 Y2O3, 약 4.5%의 고분자, 약 4%의 바인더를 포함할 수 있고, 잔여물은 (최대 2.5wt%의 산화하프늄과 함께) ZrO2를 실질적으로 포함할 수 있다. 공칭 입자 크기 분포는 약 -176 +11㎛로부터 시작할 수 있고, 평균은 약 74㎛이다. 작동 온도는 약 1150℃(2100℉) 이하일 수 있다. Sulzer Metco 2460NS는 약 15% 내지 30%의 다공성을 가질 수 있다. 이는 약 80 내지 95 HR15Y의 경도를 가질 수 있다. 이는 4MPa(580psi)를 초과하는 코팅 강도를 가질 수 있다.
다른 적절한 마모성 코팅으로, 영국 체셔 소재의 Bodycote K-Tech Ltd.에서 입수할 수 있는 TECH 17, TECH 28, 및/또는 TECH 40이 포함된다. TECH 17을 포함하는 코팅은 약 5㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다. 최대 경도는 약 2600Hv일 수 있다. TECH 28 코팅은 약 50㎛ 내지 약 100㎛의 두께와 약 1850Hv의 경도를 가질 수 있다. TECH 40은 약 50㎛ 내지 약 100㎛의 두께와 약 2850Hv의 경도를 가질 수 있다.
앞서 기재된 재료들과 유사한 재료들이 또한 적합할 수 있다. 그러나, 구현예들은 임의의 특정한 재료에 제한되지 않는다. 마모성 코팅(52)이 복수의 코팅 한정 표면들에 도포될 때, 코팅 한정 표면들 중 하나의 코팅(52)의 재료는 코팅 한정 표면들 중 다른 하나의 코팅(52)의 재료와 동일할 수 있다. 대안적으로, 코팅 한정 표면들 중 하나에 도포된 코팅(52)의 재료는 코팅 한정 표면들 중 다른 하나에 도포된 코팅(52)의 재료와 상이할 수 있다.
마모성 코팅(52)은 임의의 적합한 방식으로 간극 한정 표면들 중 하나 이상에 도포될 수 있다. 마모성 코팅(52)이 도포되면, 이는 필요에 따라 기계가공될 수 있다. 베인 팩(50)은 간극 한정 표면들 사이에 강제 끼워맞춤으로 조립될 수 있다. 일례로, 코팅되지 않은 베인 볼부들(36)과 코팅된 상부 베인 링(26) 및/또는 코팅된 하부 베인 링(28) 사이에 강제 끼워맞춤이 있을 수 있다. 베인 팩(50)은 터빈 하우징(14) 내에 설치되기 전에 고정구(fixture)에 설치되어, 진동 또는 발진을 겪을 수 있다. 이런 방식으로, 베인들(24)은 마모성 코팅(52)을 각인할 수 있으며, 그 사이에 본질적으로 제로 또는 매우 작은 간극을 형성할 수 있는 한편, 여전히 베인들(24)은 터보차저 작동 중에 적절히 기능할 수 있다.
터보차저 작동 중에, 작은 간극은 베인 볼부들(36)과 내표면들(38, 40) 사이의 공간을 통한 배기가스 유동의 누출을 최소화하여, 효율 및 성능을 개선할 것이다. 게다가, 터보차저 작동 중에 베인 볼부들(36)과 내표면들(38, 40) 사이의 간극이 감소하는 경우, 베인들(24)이 마모성 코팅(52)과 접촉하게 될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 이 경우, 베인들(24)은 마모성 코팅(52)을 추가로 마모시킬 수 있는데, 베인들(24)의 기능은 실질적으로 방해받지 않는다.
본원에 사용된 "부정관사(a, an)"는 1개, 또는 2개 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "복수"라는 용어는 2개, 또는 3개 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "다른"이라는 용어는 적어도 제2, 또는 그 이상으로 정의된다. 본원에 사용된 "포함하는(including)" 및/또는 "구비한"이라는 용어는 포함하는(comprising)으로 정의된다(즉, 개방형 언어).
본원에 설명된 양상들은 본 발명의 정신 또는 본질적인 속성을 벗어남 없이 다른 형태들 및 조합들로 구현될 수 있다. 따라서, 구현예들은 단지 예로써 주어진 본원에 설명된 특정한 상세에 제한되지 않으며, 후술하는 청구범위 내에서 다양한 수정들 및 변경들이 가능하다는 점을 물론 이해할 것이다.

Claims (5)

  1. 내표면(38)을 구비한 상부 베인 링(26);
    내표면(40)을 구비한 하부 베인 링(28);
    상기 베인 링들(26, 28)의 상기 내표면들(38, 40) 사이에 작동적으로 위치하며, 각각이 서로 반대편의 볼 표면들(36)을 구비한 복수의 베인들(24); 및
    상기 베인 링들(26, 28)의 상기 내표면들(38, 40) 중 하나의 적어도 일부에 도포되어, 상기 하나 이상의 코팅된 내표면(38, 40)과 상기 베인 볼부들(36) 사이에 최소 간극을 형성하는 마모성 코팅(52)을 포함하는, 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩(50).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마모성 코팅(52)은 상기 베인 링들(26, 28)의 상기 내표면들(38, 40) 모두에 도포되는, 베인 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마모성 코팅(52)은 상기 각각의 베인(24)의 상기 볼 표면들(36) 중 적어도 하나에 도포되는, 베인 팩.
  4. 내표면(38)을 구비한 상부 베인 링(26);
    내표면(40)을 구비한 하부 베인 링(28);
    상기 베인 링들(26, 28)의 상기 내표면들(38, 40) 사이에 작동적으로 위치하며, 각각이 서로 반대편의 볼 표면들(36)을 구비한 복수의 베인들(24); 및
    상기 각각의 베인(24)의 상기 볼 표면들(36) 중 적어도 하나에 도포되어, 상기 코팅된 볼 표면들(36)과 상기 베인 링들(26, 28)의 상기 각각의 내표면(38, 40) 사이에 최소 간극을 형성하는 마모성 코팅(52)을 포함하는, 가변 터빈 구조 터보차저를 위한 베인 팩(50).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마모성 코팅(52)은 상기 베인 링들(26, 28)의 상기 내표면들(38, 40) 중 적어도 하나의 적어도 일부에 도포되는, 베인 팩.
KR1020147032562A 2012-04-29 2013-04-19 마모성 코팅을 구비한 vtg 터보차저 베인 팩 조립체 KR101981195B1 (ko)

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