KR20190026598A - 터보과급기 - Google Patents

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KR20190026598A
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클라우스 바르톨로매
잔티아고 우렌브록
잔-크리스토프 하크
이리 클리마
토비아스 바이스브로드
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

터빈(2) 및 압축기를 갖춘 터보과급기로서, 터빈 하우징 및 압축기 하우징은 각각, 이들 하우징 사이에 배치되는 베어링 하우징(9)에 연결되고, 터빈 하우징(4)의 유입부 하우징(11) 및 베어링 하우징(9)은, 체결 디바이스(17)가 적어도 부분적으로 제1 섹션(19)을 이용하여 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)에 장착되도록 하는 방식으로, 그리고 체결 디바이스(17)가 적어도 부분적으로 제2 섹션(21)을 이용하여 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)와 중첩되도록 하는 방식으로, 체결 디바이스(17)를 통해 서로 연결되고, 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)와 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에서, 밀봉 덮개(16)와 노즐 링(15)의 플랜지(24, 25)는, 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)와 노즐 링(15)의 플랜지(24) 사이에 제1 접촉 클램핑 영역(27)이 형성되도록 하는 방식으로, 노즐 링(15)의 플랜지(24)와 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25) 사이에 제2 접촉 클램핑 영역(28)이 형성되도록 하는 방식으로, 그리고 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)와 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에 제3 접촉 클램핑 영역(29)이 형성되도록 하는 방식으로 클램핑된다. 제1 접촉 클램핑 영역(27)의 구역에서 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역(28)의 구역에서 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역(29)의 구역에서 서로 접촉하는 인접 표면이 경화된다.

Description

터보과급기{TURBOCHARGER}
본 발명은 터보과급기에 관한 것이다.
DE 10 2013 002 605 A1로부터, 터보과급기의 기본적인 구성이 알려져 있다. 터보과급기는 터빈을 포함하며, 이 터빈에서 제1 매체가 팽창하게 된다. 터보과급기는 압축기를 더 포함하며, 이 압축기에서 제2 매체가 압축되고, 즉 제1 매체의 팽창 동안 터빈에서 추출되는 에너지를 이용하여 압축된다. 터보과급기의 터빈은 터빈 하우징 및 터빈 로터를 포함한다. 터보과급기의 압축기는 압축기 하우징 및 압축기 로터를 포함한다. 터빈의 터빈 하우징과 압축기의 압축기 하우징 사이에는 베어링 하우징(bearing housing)이 위치하게 되며, 상기 베어링 하우징은 한편으로는 터빈 하우징에 연결되고, 다른 한편으로는 압축기 하우징에 연결된다. 베어링 하우징 내에는 샤프트가 장착되어 있으며, 이 샤프트를 통해 터빈 로터는 압축기 로터에 결합된다.
실제로, 터빈의 터빈 하우징, 즉 소위 유입부 하우징뿐만 아니라 베어링 하우징은 바람직하게는 클램핑 클로(clamping claw)로서 구성되는 체결 디바이스를 통해 서로에 대해 연결된다고 알려져 있다. 클램핑 클로로서 구성되는 이러한 체결 디바이스는 적어도 부분적으로 체결 디바이스의 제1 섹션을 이용하여 체결 디바이스를 통해 터빈 하우징의 플랜지에 장착되며, 제2 섹션을 이용하여 베어링 하우징의 플랜지를 덮는다. 이러한 체결 디바이스에 의해, 베어링 하우징과 터빈 하우징의 조합이 클램핑되며, 즉 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에서 밀봉 덮개와 노즐 링이 클램핑된다.
터빈 하우징은 팽창될 제1 매체, 특히 팽창될 배기 가스로 충전된다. 터빈 하우징의 유입부 하우징은 터빈 로터의 방향으로 배기 가스를 안내한다. 유입부 하우징에는, 제1 매체의 팽창 중에 에너지 추출을 겪게 되는 터빈에서 감압되는, 주위에 대한 초과 압력이 존재한다. 터빈 하우징 혹은 유입부 하우징과 베어링 하우징의 연결 영역에서 누출이 발생할 수 있으며, 이에 따라 터빈에서 팽창될 제1 매체가 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이의 연결 영역을 거쳐 주위로 유입될 수 있다. 이는 불리하다.
터빈에서 팽창되어야 할 제1 매체의 전술한 누출에 대응하기 위해, 관례에 따라 터빈 하우징 혹은 유입부 하우징과 베어링 하우징 사이의 클램핑이 증가되며, 특히 체결 수단에 대한 더 큰 조임 토크를 통해 클램핑이 증가되는데, 이를 통해 바람직하게는 클램핑 클로로서 구성되는 체결 디바이스는 터빈 하우징에 장착된다. 이는 체결 디바이스와 베어링 하우징 사이의 클램핑 힘을 증가시킨다. 또한, 베어링 하우징과 밀봉 덮개 사이의 클램핑 힘, 밀봉 커버와 노즐 링 사이의 클램핑 힘, 그리고 노즐 링과 유입부 하우징 사이의 클램핑 힘도 증가된다. 체결 디바이스와 베어링 하우징 사이의 전술한 접촉 클램핑 영역, 베어링 하우징과 밀봉 덮개 사이의 전술한 접촉 클램핑 영역, 밀봉 덮개와 노즐 링 사이의 전술한 접촉 클램핑 영역, 그리고 노즐 링과 유입부 하우징 사이의 전술한 접촉 클램핑 영역은, 조립체들, 특히 베어링 하우징 및 유입부 하우징의 상이한 열 팽창의 결과에 따른 상대적 이동에 노출된다. 상기 상대적 이동은 또한 진동 혹은 가스 힘에 의해 유발될 수도 있다. 이때 전술한 접촉 클램핑 영역의 구역에서는 소위 파임 효과(digging effect)의 결과로서 큰 접촉 압력 혹은 큰 사전 부하 혹은 큰 클램핑 힘이 발생될 수 있다. 이는 터빈에서 팽창되어야 할 제1 매체의 주위로의 누출을 유발시킬 수 있는 한편, 또한 극단적인 경우에 유입부 하우징과 베어링 하우징의 연결부가 느슨해질 수도 있다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 마모의 위험이 적은 새로운 유형의 터보과급기를 제공하려는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 터보과급기를 통해 달성된다. 본 발명에 따르면, 제1 접촉 클램핑 영역의 구역에서 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역의 구역에서 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역의 구역에서 서로 접촉하는 인접 표면은 경화된다. 이 때문에, 접촉 클램핑 영역의 구역에서의 마모가 완화될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 2개의 접촉 클램핑 영역의 구역에서, 특히 바람직하게는 제1 접촉 클램핑 영역 및 제2 접촉 클램핑 영역 및 제3 접촉 클램핑 영역을 포함하는 접촉 클램핑 영역의 군으로부터의 총 3개의 접촉 클램핑 영역의 구역에서, 서로 접촉하는 인접 표면은 경화된다. 이 때문에, 접촉 클램핑 영역의 구역에서의 마모가 더욱 완화될 수 있다.
체결 영역의 제2 섹션과 베어링 하우징의 플랜지 사이에 제4 접촉 클램핑 영역이 형성되며, 이 영역에서 서로 접촉하는 인접 표면은 바람직하게는 마찬가지로 경화된다. 이 때문에, 접촉 클램핑 영역의 구역에서의 마모가 더욱 완화될 수 있다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 따르면, 제1 접촉 클램핑 영역에 있는 터빈 하우징의 플랜지의 표면, 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역에 있는 베어링 하우징의 플랜지의 표면이 각각 코팅에 의해 경화된다. 제1 접촉 클램핑 영역 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역에 있는 노즐 링의 플랜지의 표면 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역에 있는 밀봉 덮개의 플랜지의 표면은 질화에 의해 경화된다. 전술한 표면의 이러한 경화는 바람직하다.
본 발명의 바람직한 추가 개량은 종속 청구항 및 이하의 설명으로부터 얻을 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예는, 도면의 실시예로 한정하는 것은 아니지만, 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 터보과급기를 통한 단면이다.
도 2는 터보과급기의 유입구 하우징의 영역 및 베어링 하우징의 영역에서의 터보과급기를 통한 단면이다.
본 발명은 터보과급기에 관한 것이다.
터보과급기(1)는, 제1 매체를 팽창시키기 위한, 특히 내연기관에서의 배기 가스를 팽창시키기 위한 터빈(2)을 포함한다. 또한, 터보과급기(1)는, 제2 매체, 특히 과급 공기를 압축시키기 위한, 다시 말해서 제1 매체의 팽창 동안 터빈(2)에서 추출되는 에너지를 이용하여 제2 매체를 압축시키기 위한 압축기(3)를 포함한다.
여기서, 터빈(2)은 터빈 하우징(4) 및 터빈 로터(5)를 포함한다. 압축기(3)는 압축기 하우징(6) 및 압축기 로터(7)를 포함한다. 압축기 로터(7)는 샤프트(8)를 통해 터빈 로터(5)에 결합되며, 상기 샤프트는 베어링 하우징(9)에 장착되고, 베어링 하우징(9)은 터빈 하우징(4)과 압축기 하우징(5) 사이에 위치하게 되며, 터빈 하우징(4) 및 압축기 하우징(5) 양자 모두에 연결된다.
터빈(2)의 터빈 하우징(4)은 유입부 하우징(11) 및 유출부 하우징(12)을 포함한다. 유입부 하우징(11)에 의해, 터빈(2)의 해당 영역에서 팽창될 제1 매체가 터빈 로터(5)에 공급될 수 있다. 유출부 하우징(12)에 의해, 터빈 로터(5)의 해당 영역에서 팽창된 제1 매체가 터빈(2)으로부터 멀리로 유동하게 된다.
유입부 하우징(11) 및 유출부 하우징(12) 이외에도, 터빈 하우징(4)은 인서트 피스(13; insert piece)를 포함하며, 인서트 피스(13)는 특히 유입부 하우징(11)의 해당 영역에서 연장되고, 즉 반경방향 외측에서 터빈 로터(5)의 가동 블레이드(14)에 인접하도록 터빈 로터(5)에 이웃하게 연장된다.
터빈 하우징(4)은 노즐 링(15)을 더 포함한다. 노즐 링(15)은 또한 터빈 가이드 장치(turbine guide apparatus)로도 불린다.
또한, 도 1은 베어링 하우징(9) 및 유입부 하우징(11)의 연결 영역에서의 밀봉 덮개(16)를 도시하고 있다. 밀봉 덮개(16)는 또한 베어링 하우징 덮개 또는 열 차폐부라고도 불린다.
터빈(2)의 유입부 하우징(11)은, 체결 디바이스(17)가 제1 섹션(19)을 통해 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)에 장착되도록 하는 방식으로, 즉 다수의 체결 수단(20)에 의해 유입부 하우징의 플랜지에 장착되도록 하는 방식으로, 그리고 체결 디바이스(17)가 제2 섹션(21)을 이용하여 적어도 부분적으로 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)와 중첩되도록 하는 방식으로, 체결 디바이스(17)를 통해 베어링 하우징(9)에 연결된다. 체결 디바이스(17)는 또한 클램핑 클로(clamping claw)라고도 불린다. 둘레 방향으로 볼 때, 체결 디바이스(17)는 세그먼트화되어 있을 수 있다.
각각의 체결 수단(20)은, 유입부 하우징(11)의 플랜지(18) 내로 스크류 결합되는 나사식 볼트(22) 그리고 나사식 볼트(22)의 다른 단부 상에 작용하는 너트(23)를 포함하며, 너트(23)를 조임으로써, 정해진 사전 부하 힘이 체결 디바이스(17)를 거쳐 유입부 하우징(11)에 그리고 베어링 하우징(9)에 가해지게 될 수 있다. 이에 의해, 밀봉 덮개(16) 및 노즐 링(15)의 대응하는 플랜지(24, 25)는 유입부 하우징(11)과 베어링 하우징(9) 사이에서 클램핑된다.
전술한 방식으로, 터빈(2)의 유입부 하우징(11)과 베어링 하우징(9) 사이의 접촉 영역에 다수의 접촉 클램핑 영역이 형성되며, 즉 노즐 링(15)의 플랜지(24)와 유입부 하우징(11)의 플랜지(18) 사이에 제1 접촉 클램핑 영역이 형성되고, 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)와 노즐 링(15)의 플랜지(24) 사이에 제2 접촉 클램핑 영역이 형성되며, 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)와 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25) 사이에 제3 접촉 클램핑 영역이 형성되고, 체결 디바이스(17)의 제2 섹션(21)과 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에 제4 접촉 클램핑 영역이 형성된다.
본 발명의 맥락에서, 제1 접촉 클램핑 영역(27)의 구역에서 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역(28)의 구역에서 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역(29)의 구역에서 서로 접촉하는 인접 표면은 경화된다.
바람직하게는, 적어도 2개의 접촉 클램핑 영역의 구역에서, 특히 바람직하게는 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및 제3 접촉 클램핑 영역(29)을 포함하는 접촉 클램핑 영역의 군으로부터의 총 3개의 접촉 클램핑 영역의 구역에서, 서로 접촉하는 인접 표면은 경화된다.
본 발명의 유리한 추가적인 개량에 있어서, 제4 접촉 클램핑 영역(30)의 구역에서 서로 접촉하는 인접 표면이 또한 경화되는 것이 제시될 수 있다.
상기 인접 표면의 경화는 바람직하게는, 각각의 표면의 표면 경도가 적어도 40 HRC에 해당하게 되도록 하는 방식으로 행해진다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27)에서 터빈(2)의 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)의 일 표면이 코팅에 의해, 바람직하게는 코발트 크롬 코팅에 의해 경화되는 것이 제시되는데, 여기서 상기 코팅은 분무(spraying-on)에 의해 유입부 하우징(11)의 플랜지(18) 상에 적용된다. 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및 제2 접촉 클램핑 영역(28)에서 노즐 링(15)의 플랜지(24)의 표면은 각각의 경우에 질화(nitriding)에 의해, 바람직하게는 가스 질화(gas nitriding)에 의해 경화된다. 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및 제3 접촉 클램핑 영역(29)의 구역에서 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)의 표면은 바람직하게는 마찬가지로 질화(nitriding)에 의해, 특히 염욕 질화(salt bath nitriding)에 의해 경화된다. 제3 접촉 클램핑 영역(29)에서의 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)의 표면은 코팅에 의해, 바람직하게는 코발트 크롬 코팅에 의해 경화되는데, 상기 코팅은 분무에 의해 제3 접촉 클램핑 영역(29)에 있는 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)에 적용된다. 제4 접촉 클램핑 영역(30)에서의 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)의 표면은 바람직하게는 마찬가지로 전술한 코발트 크롬 코팅에 의해 구현되는데, 제4 접촉 클램핑 영역(30)에 있는 체결 디바이스(17)의 제2 섹션(21)의 표면은 바람직하게는 질화에 의해 경화된다. 접촉 클램핑 영역에 있는 표면들의 이러한 경화는 바람직하지만, 상기 표면은 또한 다른 경화 방법에 의해 경화될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 전술한 접촉 클램핑 영역(27, 28, 29, 및 30)의 마모가 완화될 수 있다. 이 때문에, 터빈(2)의 유입부 하우징(11)과 베어링 하우징(9)의 연결부는 전체적으로 더 적은 마모를 겪게 된다. 따라서, 이러한 연결부가 의도치 않게 느슨해질 위험 및 주위로의 배기 가스 누출의 위험이 완화될 수 있다.
1 : 터보과급기
2 : 터빈
3 : 압축기
4 : 터빈 하우징
5 : 터빈 로터
6 : 압축기 하우징
7 : 압축기 로터
8 : 샤프트
9 : 베어링 하우징
11 : 유입부 하우징
12 : 유출부 하우징
13 : 인서트 피스(insert piece)
14 : 가동 블레이드
15 : 노즐 링
16 : 밀봉 덮개
17 : 체결 디바이스
18 : 플랜지
19 : 섹션
20 : 체결 수단
21 : 섹션
22 : 볼트
23 : 너트
24 : 플랜지
25 : 플랜지
26 : 플랜지
27 : 제1 접촉 클램핑 영역
28 : 제2 접촉 클램핑 영역
29 : 제3 접촉 클램핑 영역
30 : 제4 접촉 클램핑 영역

Claims (14)

  1. 터보과급기(1)로서,
    제1 매체를 팽창시키기 위한 터빈(2)으로서, 터빈 하우징(4) 및 터빈 로터(5)를 포함하는 터빈;
    제1 매체의 팽창 중에 터빈(2)에서 추출되는 에너지를 이용하여 제2 매체를 압축시키기 위한 압축기(3)로서, 상기 압축기(3)는, 샤프트(8)를 통해 터빈 로터(5)에 결합되는 압축기 로터(7) 및 압축기 하우징(6)을 포함하는 것인 압축기
    를 포함하며,
    상기 터빈 하우징(4) 및 상기 압축기 하우징(6)은 각각, 이들 하우징 사이에 배치되는 베어링 하우징(9)에 연결되고, 상기 베어링 하우징에는 샤프트(8)가 장착되며,
    터빈 하우징(4)의 유입부 하우징(11) 및 베어링 하우징(9)은, 체결 디바이스(17)가 적어도 부분적으로 제1 섹션(19)을 이용하여 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)에 장착되도록 하는 방식으로, 그리고 체결 디바이스(17)가 적어도 부분적으로 제2 섹션(21)을 이용하여 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)와 중첩되도록 하는 방식으로, 체결 디바이스(17)를 통해 서로 연결되고,
    유입부 하우징(11)의 플랜지(18)와 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에서, 밀봉 덮개(16)와 노즐 링(15)의 플랜지(24, 25)는, 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)와 노즐 링(15)의 플랜지(24) 사이에 제1 접촉 클램핑 영역(27)이 형성되도록 하는 방식으로, 노즐 링(15)의 플랜지(24)와 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25) 사이에 제2 접촉 클램핑 영역(28)이 형성되도록 하는 방식으로, 그리고 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)와 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에 제3 접촉 클램핑 영역(29)이 형성되도록 하는 방식으로 클램핑되며,
    제1 접촉 클램핑 영역(27)의 구역에서 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역(28)의 구역에서 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역(29)의 구역에서 서로 접촉하는 인접 표면이 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  2. 제1항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및 제3 접촉 클램핑 영역(29)을 포함하는 접촉 클램핑 영역의 군으로부터의 적어도 2개의 접촉 클램핑 영역의 구역에서, 서로 접촉하는 인접 표면이 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및 제3 접촉 클램핑 영역(29)을 포함하는 접촉 클램핑 영역의 군으로부터의 3개의 접촉 클램핑 영역 모두의 구역에서, 서로 접촉하는 인접 표면이 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27)에서 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)의 표면이 코팅에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  5. 제4항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역에서 유입부 하우징(11)의 플랜지(18)의 표면이 코발트 크롬 코팅에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역(28)에서 노즐 링(15)의 플랜지(24)의 표면이 질화(nitriding)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  7. 제6항에 있어서, 제1 접촉 클램핑 영역(27) 및/또는 제2 접촉 클램핑 영역(28)에서 노즐 링(15)의 플랜지(24)의 표면이 가스 질화(gas nitriding)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역(29)에서 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)의 표면이 질화(nitriding)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  9. 제8항에 있어서, 제2 접촉 클램핑 영역(28) 및/또는 제3 접촉 클램핑 영역(29)에서 밀봉 덮개(16)의 플랜지(25)의 표면이 염욕 질화(salt bath nitriding)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제3 접촉 클램핑 영역(29)에서 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)의 표면이 코팅에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  11. 제10항에 있어서, 제3 접촉 클램핑 영역(29)에서 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)의 표면이 코발트 크롬 코팅에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 체결 디바이스(17)의 제2 섹션(21)과 베어링 하우징(9)의 플랜지(26) 사이에 제4 접촉 클램핑 영역(30)이 형성되며, 이 영역의 서로 접촉하는 인접 표면이 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  13. 제12항에 있어서, 제4 접촉 클램핑 영역(30)에서 베어링 하우징(9)의 플랜지(26)의 표면이 코팅에 의해, 바람직하게는 코발트 코발트 크롬 코팅에 의해 경화되며, 체결 디바이스(17)의 제2 섹션(21)의 표면이 질화에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 경화된 표면의 영역에서의 표면 경도는 적어도 40 HRC에 해당하는 것을 특징으로 하는 터보과급기.
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