[논문]운전 상태에서의 터보차저 축 추력 예측

이인범; 홍성기; 김영철; 최복록

doi:10.7467/ksae.2016.24.6.642

운전 상태에서의 터보차저 축 추력 예측
Prediction of Axial Thrust Load under Turbocharger Operating Conditions 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.6, 2016년, pp.642 - 648

이인범 (계양정밀 기술연구소 선행연구팀) , 홍성기 (계양정밀 기술연구소 선행연구팀) , 김영철 (계양정밀 기술연구소 선행연구팀) , 최복록 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with an analytical and experimental investigation to predict the axial thrust load that results from turbocharger operating conditions. The Axial forces acting on the turbocharger thrust bearing are caused by the unbalance between turbine wheel gas forces and compressor wheel air forces. It has a great influence on the friction losses, which reduces the efficiency and performance of high-speed turbocharger. This paper presents the calculation procedure for the axial thrust forces under operating conditions in a turbocharger. The first step is to determine the relationship between thrust forces and strains by experimental and numerical methods. The analysis results were verified by measuring the strains on a thrust bearing with the specially designed test device. And then, the operating strains and temperatures were measured to inversely calculate the thrust strains which were compensated the thermal effects. Therefore it's possible to calculate the magnitudes of the thrust forces under operating turbocharger by comparing the regenerated strains with the rig test results. It will possible to optimize the design of a thrust bearing for reducing the mechanical friction losses using the results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

터보차저 작동 시 발생할 수 있는 축방향 하중크기를 역으로 예측하기 위해서는, 터빈 휠과 컴프레서 휠 각 방향으로부터 하중이 작용할 때 하중 크기에 대응하는 기준 물리량의 값이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 U2 1.4리터 디젤엔진용 터보차저를 이용하여 하중에 대한 스트레인 값의 관계를 이용하기 위한 원리시험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 터보차저의 축계에서 발생하는 축 방향 하중크기를 예측 및 측정할 수 있는 과정에 대해서 나타내었으며, 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

먼저 Fig. 6(a)는 터빈측으로부터 압축하중 작용시, 즉 컴프레서 휠의 배면압이 터빈 휠에서의 배면압보다 크게 나타나는 경우이며 스트레인 게이지가 부착된 위치에서의 변형률의 부호는 양(+)의 부호를 가질 것이다. 실험은 200N까지 하중을 작용하면서 반복적으로 여러번 수행하였으며, 스트레인 게이지를 부착한 좌우 위치에서의 변형률 크기는 해석 및 실험 모두 각각 산술평균해서 하나의 그래프로 나타내었다.

제안 방법

2(b)는 축계가 내부에 장착된 카트리지를 대상으로 하중 작용에 대한 내부 스러스트 베어링에서의 변형률 측정 장치이다. 그림에서 보는 바와 같이 하단부를 지지하고서 터빈과 컴프레서 휠 양 방향에서 하중을 점차 증가하면서 변형률을 반복적으로 측정하였다. 따라서 동일한 스러스트 베어링을 사용해서 터보차저의 여러 운전조건에서 변형률을 측정하였을 경우, 그 크기와 부호를 이 같은 원리시험에서의 하중-변형률 관계와 비교함으로써 축 추력의 크기뿐만 아니라 방향도 쉽게 예측할 수가 있을 것이다.
다음으로 앞에서 나타낸 실험적 방법과 유한요소 해석을 통해서 얻은 결과들을 서로 비교하였다. Fig.
다음은 실험적으로 측정한 현상을 해석적으로 재현하기 위해서, 스러스트 베어링의 각 방향 하중에 따른 변형률 크기를 유한요소 해석을 통해서 수행하였다. Fig.
7과 같이 스러스트 베어링은 반경방향 외부가 베어링 하우징이라는 구조물로 구속되어 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 무부하 상태에서 냉각과정 동안에 앞에서와 동일한 위치에서 온도 및 변형률을 측정하였으며, 결과는 Fig. 8과 같으며 LH는 좌측, RH는 우측에 부착된 스트레인 게이지를 뜻하며 Mean값은 산술평균값이다. 그림에서 보는 바와 같이 온도 변화에 따라 변형률의 크기는 선형적으로 변함을 알 수 있다.
2) 터보차저 작동 시 측정한 변형률은 축방향하중에 의한 영향뿐만 아니라 온도에 의한 열변형 효과도 동시에 포함된다. 따라서 온도에 의한 변형률 효과를 소거하기 위해서 무부하 상태에서의 구속에 의한 변형률 크기를 실험을 통해 측정하였다.
3은 원리 시험에서 사용한 것과 동일한 형상의 스러스트 베어링에 대한 유한요소 모델과 재료 특성들이다. 사면체 이차 요소를 사용하였으며, 스러스트 베어링의 면내 강체운동을 제거하기 위해서 그림의 절점들에서 x 방향과 y 방향 변위를 구속하였다.
시험에 사용한 스트레인 게이지는 미국 Micro-measurement사 EA시리즈 제품을 이용하였으며 이 스트레인 게이지의 사용가능 온도허용범위는 -75°C ~ 175°C이다. 스트레인 게이지는 각각 쿼터-브릿지(quarter-bridge)방식으로 연결하여 측정하였다. 측정 결과값은 두 결과 산술 평균하여 이용하였다.
실험은 200N까지 하중을 작용하면서 반복적으로 여러번 수행하였으며, 스트레인 게이지를 부착한 좌우 위치에서의 변형률 크기는 해석 및 실험 모두 각각 산술평균해서 하나의 그래프로 나타내었다.
4엔진이 장착된 엔진다이나모미터(Engine dynamometer)에서 시험을 진행하였다. 엔진은 충분히 예열 후 아이들(idle)상태에서 1,000rpm을 시작으로 200rpm단위씩 최종 4,000rpm까지 변형률과 온도를 측정하였으며 각 rpm별로 정상상태가 된 이후 결과값을 사용하였다. 측정된 변형률의 크기에는 작동과정에서 발생하는 축 추력에 의한 영향뿐만 아니라 내부 열에 의한 영향도 함께 포함되어 있을 것이다.
온도의 측정위치가 스트레인 게이지 측정위치가 일정거리 위에 위치하므로 측정상 오차를 줄이기 위해 전부하 시험 및 무부하 온도 측정 시 정상상태유지 및 일정 온도를 최소 5분 이상 유지한 후 온도센서의 4군데의 온도 차이 범위가 ±1°C 이하일 때 데이터를 산술 평균하여 이용하였다.
터보차저의 축추력 측정을 위해 운전상태에서의 스트레인 게이지에 전달되는 온도를 측정하기 위하여 Fig. 10과 같이 스러스트 베어링에 온도센서 (thermal couples)를 결합하였다. 온도센서는 센테크(Sentech)사 제품으로 측정가능한 온도범위는 -200°C ~ 1250°C이며, 분해능은 0.

대상 데이터

본 연구에서는 터보차저의 전부하 성능시험 동안에 발생하는 축추력의 크기를 예측하기 위해서 Fig. 11과 같이 U2 1.4엔진이 장착된 엔진다이나모미터(Engine dynamometer)에서 시험을 진행하였다. 엔진은 충분히 예열 후 아이들(idle)상태에서 1,000rpm을 시작으로 200rpm단위씩 최종 4,000rpm까지 변형률과 온도를 측정하였으며 각 rpm별로 정상상태가 된 이후 결과값을 사용하였다.
시험에 사용한 스트레인 게이지는 미국 Micro-measurement사 EA시리즈 제품을 이용하였으며 이 스트레인 게이지의 사용가능 온도허용범위는 -75°C ~ 175°C이다.

데이터처리

스트레인 게이지는 각각 쿼터-브릿지(quarter-bridge)방식으로 연결하여 측정하였다. 측정 결과값은 두 결과 산술 평균하여 이용하였다. 그림과 같이 스러스트 베어링 구조를 변경함으로써 터빈 또는 컴프레서 휠 측으로부터 축 방향 하중이 작용할 경우, 작은 크기의 힘에 대해서도 변형률이 비교적 민감하게 나타날 뿐만 아니라, 일축 스트레인 게이지를 사용해서 변형률을 측정할지라도 포아송 비의 효과를 줄임으로써 오차를 최소화할 수 있을 것이다.

성능/효과

1) 축 추력을 역으로 예측하기 위해서 리그시험 장치를 이용해서 하중크기에 따른 스러스트 베어링에서의 변형률 측정을 하였으며, 그 결과 양쪽 방향 모두 선형성을 나타내었으며 유한요소 해석결과와도 매우 잘 일치하였다.
2) 터보차저 작동 시 측정한 변형률은 축방향하중에 의한 영향뿐만 아니라 온도에 의한 열변형 효과도 동시에 포함된다. 따라서 온도에 의한 변형률 효과를 소거하기 위해서 무부하 상태에서의 구속에 의한 변형률 크기를 실험을 통해 측정하였다.
한편, 전자에서와 마찬가지로 선형성뿐만 아니라 해석결과와도 비교적 잘 일치하는 현상을 나타내고 있다. 반복적인 하중 대 스트레인 변형률 측정결과를 통해 이력 특성 또한 선형적으로 반복되기에 히스테리 시스특성은 없는 것으로 판단되며, 200N이하의 하중에서는 반복적으로 측정해도 그 측정 결과 값에는 차이가 없음을 확인하였다.
실험은 200N까지 하중을 작용하면서 반복적으로 여러번 수행하였으며, 스트레인 게이지를 부착한 좌우 위치에서의 변형률 크기는 해석 및 실험 모두 각각 산술평균해서 하나의 그래프로 나타내었다. 실험결과 측정 데이터의 재현성이 매우 잘 나타났으며, 선형적인 현상을 보일 뿐만 아니라 해석결과와도 매우 잘 일치하였다. Fig.

후속연구

3) 터보차저의 최대 하중조건에서 엔진시험을 통해서 축 추력을 측정하였으며, 시험결과를 바탕으로 스러스트 베어링 지지면 형상 최적화 설계를 통해서 터보차저의 성능 향상에 많은 기여를 할 것으로 판단된다.
그림에서 보는 바와 같이 하단부를 지지하고서 터빈과 컴프레서 휠 양 방향에서 하중을 점차 증가하면서 변형률을 반복적으로 측정하였다. 따라서 동일한 스러스트 베어링을 사용해서 터보차저의 여러 운전조건에서 변형률을 측정하였을 경우, 그 크기와 부호를 이 같은 원리시험에서의 하중-변형률 관계와 비교함으로써 축 추력의 크기뿐만 아니라 방향도 쉽게 예측할 수가 있을 것이다.
본 연구에서는 해석과 실험적 방법을 활용해서 터보차저 작동 시 발생하는 축 추력의 크기를 변화를 측정하였으며, 이를 통해서 터보차저 운전상태에서의 축방향 힘의 크기와 방향들을 계산하여 스러스트 베어링의 지지면 설계 시 마찰손실을 최소화한 최적화 설계가 자료로 활용 가능할 것이다.
이 실험결과를 이용해서 스러스트 베어링을 구속하는 베어링 하우징에 의한 열변형에 따른 구속률을 결정할 수가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진 또는 가스 벤치상에서 터보차저의 작동조건에 따른 축방향 하중크기를 예측하기 위해서 열변형에 의한 구속률을 알아야하는 이유는 무엇인가?	Fig. 7과 같이 스러스트 베어링은 반경방향 외부가 베어링 하우징이 라는 구조물로 구속되어 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 무부하 상태에서 냉각과정 동안에 앞에서와 동일한 위치에서 온도 및 변형률을 측정하였으며, 결과는Fig.
	터보차저는 무엇인가?	터보차저는 고온 고압의 배기가스를 이용해서 터빈 휠을 회전시키고, 동일 축으로 연결된 컴프레서 휠이 회전하면서 흡입된 공기를 압축시켜 실린 더로 보내서 엔진의 출력을 향상시키는 장치이다. 따라서 터보차저의 회전축계를 지지하고 있는 베어링은 축계를 견고하게 유지해야 할 뿐만 아니라, 운 전과정에서 발생하는 반경 방향과 축 방향 힘들에 대해서 충분히 견딜수 있도록 설계되어져야 한다.
	터보차저 작동 시 발생할 수 있는 축방향 하중크기를 역으로 예측하기 위해서 필요한 것은 무엇인가?	터보차저 작동 시 발생할 수 있는 축방향 하중크기를 역으로 예측하기 위해서는, 터빈 휠과 컴프레서 휠 각 방향으로부터 하중이 작용할 때 하중 크기에 대응하는 기준 물리량의 값이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 U2 1.

참고문헌 (7)

J. E. Chung and S. W. Lee, "Measurement of Inertia of Turbocharger Rotor in a Passenger Vehicle," Transactions of KSAE, Vol.23, No.1, pp.33-38, 2016.
D. F. Wilcock and E. R. Booser, Bearing Design and Application, McGraw Hill, New York, LC Number 56-9641, 1957.
M. Deligant, P. Podevin and G. Descombes, "Experimental Identification of Turbocharger Mechanical Friction Losses," Energy, Vol.39 No.1, pp.388-394, 2012.

상세보기
T. Lamquin and K. Gjika, "Power Losses Identification on Turbocharger Hydro dynamic Bearing System: Test and Prediction," Proceedings of ASME Turbo Expo, Vol.5, No.GTT2009-59599, pp.153-162, 2009.
K. Gjika and G. D. LaRue, "Axial Load Control on High-speed Turbochargers: Test and Prediction," ASME, Vol.1, No.GTT2008-50756, pp.705-712, 2008.
I. B. Lee, S. K. Hong and B. L. Choi, "An Analytical and Experimental Study for Predicting the Axial Thrust Forces in a Turbocharger," J. Korean Society of Mechanical Technology, Vol.17, No.2, pp.251-257, 2015.

상세보기
I. B. Lee, S. K. Hong, Y. C. Kim and B. L. Choi, "Prediction of Axial Thrust Load under Turbocharger Operating Conditions," KSAE Spring Conference Proceedings, p.62, 2016.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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