[논문]차량용 터빈 하우징의 내구시험에 의한 균열 발생 및 진행에 대한 연구

신상윤; 이도훈; 원순재; 김동혁; 예병준

doi:10.7777/jkfs.2018.38.2.48

차량용 터빈 하우징의 내구시험에 의한 균열 발생 및 진행에 대한 연구
Study on the Crack Occurrence and Progress by Durability Test for Vehicular Turbine Housing 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.38 no.2, 2018년, pp.48 - 54

신상윤 (경북대학교 금속신소재공학전공) , 이도훈 (경북대학교 금속신소재공학전공) , 원순재 (경북대학교 금속신소재공학전공) , 김동혁 (한국생산기술연구원) , 예병준 (경북대학교 금속신소재공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the durability of the turbocharger, it is important to suppress cracking of the turbine housing; therefore, we investigated the initiation and growth of these cracks. First, we initiated a crack in the turbine housing using endurance experiments. After the endurance test, cracks mainly occurred in the valve seat, the nozzle area, and the scroll part of the turbine housing. The results of a fracture analysis of the cracks showed that cracks in the valve seat were initiated by fatigue fracture. This seems to be caused by the accumulation of mechanical and thermal stresses due to vibration of the turbine wheel and high-temperature exhaust gas. Also, cracks in nozzle and scroll area were initiated by intergranular corrosion due to the exhaust gas. Thus, although there are differences in the cause of initiation according to the site, a concentric waveform was observed in all fracture planes. This phenomenon indicates that cracks gradually grow due to repeated stress changes, and the main causes are the temperature difference of the exhaust gas and the vibration caused by the turbine shaft.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 터빈 하우징의 균열을 분석하여 발생 원인을 밝히고자 하였다. 그러나 실제 고품에서의 균열파단면은 손상 및 부식이 심하여 분석에 문제점이 많다.
이러한 단면은 일반적인 피로파괴에 의한 형상과 거의 동일하다[5]. 밸브 시트에서 발생한 균열은 거의 유사한 형태의 시발점을 가지고 있기 때문에 피로파괴를 유발할 수 있는 요인에 대하여 분석해 보았다.
본 연구에서는 차량용 터빈 하우징에서 나타나는 균열의 발생과 성장의 원인을 알아내고자 하였다. 그래서 엔진 벤치머신을 이용하여 500 시간동안 3 분간 가동, 2 분간 휴식을 반복하는 내구시험을 5회 반복 실시하여 생성된 균열을 관찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 차량용 터빈 하우징에서 나타나는 균열의 발생과 성장의 원인을 알아내고자 하였다. 그래서 엔진 벤치머신을 이용하여 500 시간동안 3 분간 가동, 2 분간 휴식을 반복하는 내구시험을 5회 반복 실시하여 생성된 균열을 관찰하였다. 이렇게 생성된 균열의 파단면을 관찰 및 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
터빈 하우징은 높은 배기 온도 조건에서도 버틸 수 있는 고 내열 주강인 오스테나이트계 스테인레스강으로 주조하였다. 그리고 X-선 형광분석기(XRF, X-ray fluorescence)와 CS(carbon and sulfur) 분석기를 사용하여 성분을 측정하였다. 측정된 성분은 Table 1에 표시하였으며, UNS J92603 합금과 유사하다.
그리고 아세톤 용액으로 초음파 세척 후, 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)을 이용하여 저배율에서는 전체적인 파단 진행을 관찰하였고, 고배율에서는 파단 기점을 확인하였다. 그리고 균열 부위의 부식여부를 확인하기 위해 파단면을 연마 후, Pt로 코팅하여 X-선 분광 분석(EDS, energy dispersive spectrometer)으로 산소분율을 측정하였다.
따라서 가솔린 엔진용 터보 과급기의 구동환경과 유사한 조건을 재현하기 위해 실제 엔진을 이용한 벤치 테스트(bench test)를 실시하여 균열을 발생시켰다. 그리고 생성된 터빈 하우징 균열의 파단면을 분석하여 균열의 생성과 진행에 지배적으로 영향을 미치는 요인을 확인하였다. 이 연구에 대한 결과는 향후 터빈 하우징의 고품분석 및 내구성 향상을 위한 연구개발에 도움을 줄 것으로 판단한다.
터빈 하우징에서 균열부위를 채취하여 파단면이 드러나도록 가공하였다. 그리고 아세톤 용액으로 초음파 세척 후, 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)을 이용하여 저배율에서는 전체적인 파단 진행을 관찰하였고, 고배율에서는 파단 기점을 확인하였다. 그리고 균열 부위의 부식여부를 확인하기 위해 파단면을 연마 후, Pt로 코팅하여 X-선 분광 분석(EDS, energy dispersive spectrometer)으로 산소분율을 측정하였다.
미세조직 분석을 위해 내구시험이 끝난 터빈 하우징에서 시편을 채취하였다. 그리고 에폭시수지를 사용하여 마운팅한 후, 샌드페이퍼 및 알루미나로 연마하고 1 : 3 비율의 HNO₃와 HCl용액으로 식각(etching)하여 관찰하였다.
그리고 유사하게 부식에 의해 균열이 발생한 것으로 예상되는 노즐 부위의 균열을 Fig. 11과 같이 횡단면으로 분석하였다. 이 노즐 부위의 균열을 Fig.
세 가지의 사진은 각기 다른 부위의 균열이지만 모두 취성파괴에 의한 골짜기 형상이 나타나지 않고 파형이 관찰되었다. 그리고 파형은 균열의 시발점에서부터 동심원을 형성하고 있으며, 인접한 시발점에서 출발한 파형과 접촉 시, 병합되는 형태도 확인하였다. 즉, 균열이 발생하는 원인이 달라도 성장하는 원리는 동일한 것으로 판단된다.
그러나 실제 고품에서의 균열파단면은 손상 및 부식이 심하여 분석에 문제점이 많다. 따라서 가솔린 엔진용 터보 과급기의 구동환경과 유사한 조건을 재현하기 위해 실제 엔진을 이용한 벤치 테스트(bench test)를 실시하여 균열을 발생시켰다. 그리고 생성된 터빈 하우징 균열의 파단면을 분석하여 균열의 생성과 진행에 지배적으로 영향을 미치는 요인을 확인하였다.
이러한 형상은 부식에 의한 것으로 예상되었다[6,7]. 따라서 이를 확인하기 위해 유사한 부위에서 생성된 균열을 이용하여 심층적으로 분석하였다.
이러한 균열에 영향을 줄 수 있는 요인을 이해하기 위하여 배기가스 온도 및 작동 중의 소음을 가스 벤치 시험을 사용하여 확인하였다. 그리고 실제 작동 상황과 최대한 유사하게 구현하기 위하여 Fig.
4와 같이 6000 rpm(엔진 동력계 기준)에서 3분간 유지 후 정지 하는 방식으로 500 시간 동안 진행하였다. 이러한 내구시험을 5회 반복하여 터빈 하우징에 있는 균열을 분석하였다.
터빈 하우징에서 균열부위를 채취하여 파단면이 드러나도록 가공하였다. 그리고 아세톤 용액으로 초음파 세척 후, 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)을 이용하여 저배율에서는 전체적인 파단 진행을 관찰하였고, 고배율에서는 파단 기점을 확인하였다.

대상 데이터

미세조직 분석을 위해 내구시험이 끝난 터빈 하우징에서 시편을 채취하였다. 그리고 에폭시수지를 사용하여 마운팅한 후, 샌드페이퍼 및 알루미나로 연마하고 1 : 3 비율의 HNO₃와 HCl용액으로 식각(etching)하여 관찰하였다.
터빈 하우징은 높은 배기 온도 조건에서도 버틸 수 있는 고 내열 주강인 오스테나이트계 스테인레스강으로 주조하였다.

성능/효과

2) 밸브 시트 부분에서는 일반적인 피로파괴와 유사한 균열의 시발점이 관찰되었다. 터보차저의 가동 시에 통과하는 약 830^o C의 배기가스에 의한 열응력과 200,000 rpm으로 터빈축이 회전할 때 발생하는 평균 80.
3) 터빈 하우징 내부에서 얇은 판과 같은 형상을 가지고 있는 스크롤은 배기가스에 많이 노출되는 부분이다.
4) 균열이 발생한 위치 및 원인과 관계없이 터빈 하우징에서 생성된 균열의 파단면에서는 파형이 관찰되었다. 파단면의 파형은 모두 균열의 시발점에서부터 동심원 형상으로 퍼져있으며, 인접한 파형과 병합되는 것을 확인하였다.
또한 전반적으로 수축공 등의 심각한 주조 결함은 거의 관찰되지 않는 것으로 보아 균열의 발생이 주조결함과 큰 영향이 없을 것으로 판단하였다.
8은 터빈휠의 회전수에 따라 배기가스의 온도 및 작동소음을 측정하기 위해 실시한 가스벤치 실험 기기와 온도 결과이다. 배기가스의 온도는 터빈을 통과한 직후의 온도로서 최대 830℃에서 공회전 상태 가정 시, 300℃내외로 큰 온도 범위를 가지는 것을 확인하였다. 이 자료를 바탕으로 열 유체 해석을 실행하여 Fig.
14이다. 세 가지의 사진은 각기 다른 부위의 균열이지만 모두 취성파괴에 의한 골짜기 형상이 나타나지 않고 파형이 관찰되었다. 그리고 파형은 균열의 시발점에서부터 동심원을 형성하고 있으며, 인접한 시발점에서 출발한 파형과 접촉 시, 병합되는 형태도 확인하였다.
4) 균열이 발생한 위치 및 원인과 관계없이 터빈 하우징에서 생성된 균열의 파단면에서는 파형이 관찰되었다. 파단면의 파형은 모두 균열의 시발점에서부터 동심원 형상으로 퍼져있으며, 인접한 파형과 병합되는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 반복되는 응력의 변화에 의해 점진적으로 균열이 성장했음을 의미하며, 배기가스 온도차에 의한 열응력과 터빈축에 의한 진동이 관여하였을 것으로 추측된다.

후속연구

그리고 생성된 터빈 하우징 균열의 파단면을 분석하여 균열의 생성과 진행에 지배적으로 영향을 미치는 요인을 확인하였다. 이 연구에 대한 결과는 향후 터빈 하우징의 고품분석 및 내구성 향상을 위한 연구개발에 도움을 줄 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물(NOx)이나 황산화물 등의 배기가스가 터빈 하우징의 내구성에 심각한 악영향을 미치는 이유는?	1의 모식도와 같이 터빈과 압축기로 구성되며, 엔진의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하고 같은 축으로 연결된 공기압축기로 강제적인 공기과급을 수행한다. 이때 터빈을 가동시키는 원동력이 되는 배기가스는 약 800~1000℃ 수준으로 상당히 높은 온도를 가지고 있으며, 질소산화물(NOx)이나 황산화물 등의 배기가스는 산화성 분위기를 가지고 있기 때문에 터빈 하우징의 내구성에 심각한 악영향을 미친다[2,3]. 또한 가속 및 감속 시에 배기압의 변화가 나타나며, 그에 따른 회전수의 변화로 진동이 발생할 수 있다[4].
	터보 과급기는 어떻게 구성되어 있으며 어떻게 공기과급을 수행하는가?	터보 과급기는 Fig. 1의 모식도와 같이 터빈과 압축기로 구성되며, 엔진의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하고 같은 축으로 연결된 공기압축기로 강제적인 공기과급을 수행한다. 이때 터빈을 가동시키는 원동력이 되는 배기가스는 약 800~1000℃ 수준으로 상당히 높은 온도를 가지고 있으며, 질소산화물(NOx)이나 황산화물 등의 배기가스는 산화성 분위기를 가지고 있기 때문에 터빈 하우징의 내구성에 심각한 악영향을 미친다[2,3].
	터빈 하우징의 균열의 발생 원일을 밝히기 힘든 이유는?	따라서 본 연구에서는 터빈 하우징의 균열을 분석하여 발생 원인을 밝히고자 하였다. 그러나 실제 고품에서의 균열파단면은 손상 및 부식이 심하여 분석에 문제점이 많다. 따라서 가솔린 엔진용 터보 과급기의 구동환경과 유사한 조건을 재현하기 위해 실제 엔진을 이용한 벤치 테스트(bench test)를 실시하여 균열을 발생시켰다.

참고문헌 (11)

Choi Y, Journal of the Korean Society of Automotive Engineers, "Status of Domestic Turbocharger Technology", 35 (2013) 57-62.

원문보기 상세보기
Choi BL, Journal of Korean Society of Mechanical Technology, "Thermal stress analysis corresponding to fatigue failure on turbocharger", 15 (2013) 875-880.

상세보기
Choi BL and Bang LW, Journal of the Korean Society for Power System Engineering, "Thermal stress analysis of the turbocharger housing using finite element method", 15 (2011) 5-10.
Lee IB, Kim KS and Choi BL, Journal of the Korean Society of Mechanical Technology, "A failure prediction of turbine housing due to the vibration excitations and thermal shock loads", 16 (2014) 1631-1636.

상세보기
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American Society for Metals, ASM handbook, ASM international, Ohio 13B (2005) 130.
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W.D. Callister, Jr, Materials Science and Engineering, John Wiley and Sons, New York (2007) 211-215.
American Society for Metals, ASM handbook, ASM international, Ohio 12 (1992) 394.
American Society for Metals, ASM handbook, ASM international, Ohio 19 (1996) 509.
American Society for Metals, ASM handbook, ASM international, Ohio 12 (1992) 161.

저자의 다른 논문 :

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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