KR20170108978A - 전자 빔에 의해 터보차저 터빈 휠을 샤프트에 연결시키거나 레이저 용접하는 방법; 상응하는 터보차저 터빈 휠 - Google Patents
전자 빔에 의해 터보차저 터빈 휠을 샤프트에 연결시키거나 레이저 용접하는 방법; 상응하는 터보차저 터빈 휠 Download PDFInfo
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Abstract
터보차저 휠(4) 및 샤프트(1) 어셈블리는 샤프트(1)의 외부 원주로 연장되는 용접 구역 접촉 표면의 절두 원추 형의 기하학적 구조를 나타낸다. 이와 같은 절두 원추 형상의 기하학적인 구조는, 연결 동안에 부품들(1,4)의 연속적인 센터링을 허용할 뿐만 아니라, 평면을 따라 응력이 전파되는 문제점 또한 제거한다. 전자 빔의 위치가 이동되어 절두 원추형의 접촉 표면의 반경방향 외부 세그먼트만이 용접에 의하여 연결되어, 경사진 표면의 확실한 접촉을 유지하기 위한 반경 방향 내부의 용융되지 않고 융착되지 않은 구역을 남긴다.
Description
본 발명은, 바람직하게 터보차저를 위하여 용접 공정 중에 부품들의 연속적인 센터링을 허용하면서, 터빈 휠과 샤프트 사이에 새로운 기하학적 구조의 접촉 표면들을 제공한다.
터보차저는 대형 터보차저에 대해서 80,000 RPM까지, 소형 터보차저에 대해서는 300,000 RPM까지의 매우 높은 회전 속도로 동작한다. 터빈 휠을 구동하는 배기 가스는 엔진에서의 연소 유형에 따라 740내지 1050의 범위일 수 있다. 따라서, 터빈 휠 및 샤프트는 (균형을 바꾸고, 소음을 유발하며, 조립 수명을 단축시킬 수 있는) 현저한 변형을 겪지 않으면서도 원심 하중 및 온도 변화를 견딜 수 있는 고강도의 내고온성 금속들로 구성된다.
고정된 속도에서 회전으로부터 운동 에너지를 축적하는 플라이 휠에 샤프트가 결합될 수 있는 관성 마찰 용접 기법을 이용하여 휠과 샤프트를 연결하는 것이 공지되어 있으며, 이 회전 샤프트는 정지된 터빈 휠에 대하여 추력으로 작용한다. 용접을 형성하도록 이 두 표면들이 함께 문질러짐에 따라 마찰 열이 발생된다. 이 관성 마찰 용접 공정에 포함된 다양한 한계들은 후용접 가공을 통하여 제거해야 하는 플래시 코트(flash coat)의 발생을 포함한다. 또한, 이 플래시는, 연결 동작 후에 휠 샤프트 어셈블리의 균형을 위하여 더욱 큰 노력을 요구하는 원통형 접합부(joint) 내에 끼일 수 있다. 또한, 높은 추력 압력들은 크고, 강체이며, 값비싼 기계류의 사용을 필요로 한다.
터빈 휠과 샤프트 어셈블리를 연결하기 위하여 전자 빔 용접 공정을 이용하는 것 또한 알려져 있다. 전자 빔(EB) 용접은 진공에서 접합부에 초점이 맞춰진 고동력 밀도 빔을 이용한다. 전자 빔은 적은 용접 뒤틀림으로 깊고 좁은 융착 구역을 생성한다. 적은 뒤틀림과 후용접 가공에 적은 작업을 가진 고품질 용접부로 인해, EB는 고응력 터보차저의 적용 시에 자주 선택된다.
다른 에너지 빔 기반 기법은 성분들을 함께 용접하기에 충분한 에너지를 전달하는 하나 이상의 레이저 빔을 포함한다. CO2 레이저와 같은 가스 레이저들과, Nd:YAG 레이저들과 같은 고체 상태 레이저들이 티타늄 터빈 휠과 샤프트를 용접하기 위하여 사용될 수 있다.
전자 빔 용접을 이용하든지 레이저 빔 용접을 이용하든지, 빔에 의해 용융된 재료를 고화 이후에 냉각 동안 수축시키며, 이는 제품의 형상에 있어서의 변형과 변화와 같은 원하지 않는 결과들을 가져올 수 있다. 고도의 연결 정확도를 갖는 접합부를 신뢰성 있게 생성하기 위하여 이와 같은 연결 기법을 개선할 필요가 있다.
다른 잠재적인 위험은 용접에서의 균열들의 발생이다. 터빈 휠과 샤프트가 강체이기 때문에, 용접부의 수축은 용접 이음부(weld seam)의 표면을 따르는 횡방향 균열(도 6a) 또는 용접의 깊이 방향에서의 종방향 균열(도 6b)을 유발할 수 있는 용접의 고응력을 생성한다. 또한, 상기 논의된 용접 이음부의 영역에 남아 있는 잔여 응력들은 높은 열 응력과 원심 하중 하에서 터보차저가 동작하는 동안에 연결의 완화를 유발할 수 있다. 이는 다시, 연관된 소음 배출 및 증가된 마모를 가진 로터(rotor) 불균형을 초래한다.
미국 특허 제6,848,180호는 (a) 부품들을 반경 방향으로 위치시키기 위하여 하나의 터빈 샤프트의 일 단부에 형성된 원통형 돌출부를 터빈 휠에 형성된 끼워 맞춤 구멍(fitting hole)에 끼워 맞추고 (즉, 동축 위치), (b) 부품들을 축방향으로 위치시키기 위하여 맞댐 부분에서 터빈 휠에 대하여 터빈 샤프트의 일 단부를 맞댐으로써, 휠과 터빈 샤프트가 연결되는 것이 공지되어 있다는 점을 교시한다. 부품들은 그 후에, 맞댐 부분의 전체 주변부의 전자 빔 용접에 의하여 융착된다. 이 특허에서, 터빈 휠의 맞춤 구멍의 내부 주변부 벽의 부분이 내측 방향으로 테이퍼링되고, 휠에 연결될 터빈 샤프트의 단부는 대응하는 테이퍼링된 맞댐 부분을 갖는 개선된 연결 방법이 교시된다. 접촉하는 테이퍼링된 표면들은 정확한 동축 및 축방향 위치 조정을 보장하고, 융착 시에 변형을 억제시킨다. 그러나, 이러한 짝을 이루는 부품들의 설계는 짝을 이루는 부품들의 불필요한 치수로 인하여 복잡하다. 또한, 종래의 평면 맞댐 부분에서 접촉 구역의 주변부 주위에서 용접이 발생하여, 굽힘 변형을 유발할 수 있는 상기 논의된 바와 같은 용접 응력을 초래한다.
전자 빔 용접을 이용하든지 레이저 빔 용접을 이용하든지, 빔에 의해 용융된 재료를 고화 이후에 냉각 동안 수축시키며, 이는 조건에 따라 형상의 변형과 변화를 유발할 수 있다. 높은 연결 정확도를 가지면서 변형 없이 터빈 휠을 샤프트에 연결시키기 위한 연결 기법을 제공할 필요가 있다. 접합부에서 응력과 균열의 형성을 유발하는 조건들을 회피하면서, 고강도, 고품질의 접합부가 경제적인 방식으로 형성되게 하는 것을 허용하는 연결 기법에 대한 필요가 존재한다.
본 발명은 터빈 휠과 샤프트 사이의 용접 접합부에서의 종래의 평면 기하학적 구조의 접촉 표면은, 한편으로는, 용접 동안에 변형으로 인한 정렬 불량의 가능성을 유발하고, 다른 한편으로는, 균열 형성에 취약한 조건들을 생성하면서 접합부의 2차원 평면에서 응력의 집중을 유발한다는 인식 시에 부분적으로 기초로 하여 이루어졌다.
본 발명은 용접 공정 동안에 부품들의 연속적인 센터링을 허용하고 동시에, 3차원 공간 내에서의 응력의 소산을 허용하여, 이에 의해 결과적인 접합부가 매우 정확하고, 뒤틀림 또는 균열에 덜 취약한 새로운 기하학적 구조의 터빈 휠과 샤프트 사이의 접촉 표면을 제공한다.
본 발명은 터빈 휠과 샤프트 사이의 용접 구역 접촉 표면, 즉 외부 주변 원주 접촉 영역의 기하학적 구조를 평면 기하학적 구조로부터 (단면에서 볼 때) 경사진 또는 테이퍼링된 또는 (삼차원으로 볼 때) 절두 원추형의 기하학적 구조로 변경하여 이루어진다. 이와 같은 절두 원추형 기하학적 구조는 연결 동안에 부품들의 연속적인 센터링을 허용할 뿐 아니라, 비평면 접촉 표면들이 용접되기 때문에 평면을 따라 응력이 전파되는 문제 또한 제거한다. 본 발명은 또한 용접부가 종래만큼 깊거나 좁지 않도록 전자 빔의 수정을 요구한다. 마지막으로, 전자 빔의 위치가 이동되어 절두 원추형의 접촉 표면 구역의 외부 또는 주변 세그먼트만이 용접에 의하여 연결되어, 용접 공정을 통해 경사진 표면들의 확실한 접촉을 유지하기 위한 용융되지 않고 용접되지 않은 내부 구역을 남긴다.
본 발명은 유사한 참조 부호가 유사한 부품을 지시하는 첨부된 도면에서 한정이 아닌 예시에 의하여 도시되며, 여기에서:
도 1은 터빈 휠과 터빈 샤프트가 샤프트 축에 수직한 평면을 따라서 함께 연결된 종래의 접합부를 도시한다;
도 2는 절두 원추 접촉 표면이 용접되기 전에 본 발명에 따른 터빈 휠에 샤프트가 짝을 이루는 것을 도시한다;
도 3은 절두 원추 접촉 표면이 용접 후에 본 발명에 따른 터빈 휠에 샤프트가 짝을 이루는 것을 도시한다;
도 4는 샤프트에서의 용접 뿌리를 도시하는 도 3으로부터 취한 용접부의 확대도이다;
도 5는 터빈 휠에 용접 뿌리가 있는 대안적인 실시예를 도시한다;
도 6a 및 도 6b는 종래의 전자 빔 또는 레이저 용접에 의해 형성된 용접부에서 가능한 응력과 균열의 형성을 도시하며;
도 7은 전지 빔의 특성을 변경하여 어떻게 용접부의 형상이 변경될 수 있는지를 도시한다.
도 1은 터빈 휠과 터빈 샤프트가 샤프트 축에 수직한 평면을 따라서 함께 연결된 종래의 접합부를 도시한다;
도 2는 절두 원추 접촉 표면이 용접되기 전에 본 발명에 따른 터빈 휠에 샤프트가 짝을 이루는 것을 도시한다;
도 3은 절두 원추 접촉 표면이 용접 후에 본 발명에 따른 터빈 휠에 샤프트가 짝을 이루는 것을 도시한다;
도 4는 샤프트에서의 용접 뿌리를 도시하는 도 3으로부터 취한 용접부의 확대도이다;
도 5는 터빈 휠에 용접 뿌리가 있는 대안적인 실시예를 도시한다;
도 6a 및 도 6b는 종래의 전자 빔 또는 레이저 용접에 의해 형성된 용접부에서 가능한 응력과 균열의 형성을 도시하며;
도 7은 전지 빔의 특성을 변경하여 어떻게 용접부의 형상이 변경될 수 있는지를 도시한다.
하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전자 빔 또는 레이저 빔이 터빈 휠을 샤프트에 융착시키기 위하여 사용될 때, 빔은 샤프트와 휠의 회전 축에 수직하게 용접 접합부에서 반경 방향으로 향하고, 샤프트와 휠은 회전되어 샤프트와 휠이 선회됨에 따라 용접부가 전체 주변 접촉 영역 주위에 형성된다. 전자들은 전자 총에 의하여 생성되고, 고속으로 가속되고, 전기장에 의하여 빔으로 형성화되고, 또한 시준되거나 평행하게 이루어지고, 그 후에 전자기 렌즈에 의하여 초점이 맞춰진다. 이는 극도로 깊고 좁은 용접부들의 생성을 허용한다(도 7의 용접부 "d", "e", "f" 참고). 빔이 샤프트에 수직하게 향하므로, 종래의 깊고 좁은 용접부는 평면 원판 형상의 접합부 구역을 생성하고, 따라서, 터빈 휠 및 샤프트 접촉 표면은 이와 같은 평면 원판 형상 구역에서 서로 접촉하도록 형상화되며, 즉, 이와 같은 주변 접촉 구역에서 샤프트 및 휠 접촉 표면은 평면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 샤프트(1)는 갭(6)을 남기면서 터빈 휠(4)의 원통형 수용부(receptacle)(3) 내로 삽입될 수 있는 원통형 센터링 돌출부(2)를 가진다. 축방향 위치에 대하여 휠과 사프트는 맞댐 구역(5)을 따라 접촉하며, 이 접촉 표면들은 회전축에 수직인 평면(7a)에 존재한다. 상기 논의된 이유로, 본 발명 전까지 이는 접합부를 형성하는 이상적인 방법으로 간주되었다.
본 발명은, 용접 전에 도 2에 도시된 바와 같이 접촉 표면의 설계를 경사지거나 절두 원추 형상의 구성(7b)으로 변경함으로써, 이와 같은 좁은 평면 접합부 구역에서 강요되는 바람직하지 않은 응력이 대폭 소산될 수 있다는 발견을 기초로 해서 이루어졌다. 샤프트(1)의 주변 접촉 구역은 적어도 5°의 각도에서 반경 방향으로, 보다 바람직하게는 적어도 10°, 가장 바람직하게는 약 15° 내지 25°이고, 바람직하게는 30° 미만이며, 45°를 초과하지 않는, 바람직하게 약간 베벨 형상이다. 터빈 휠(4) 상에 형성된 짝을 이루는 접촉 표면은 둔각이고, 샤프트 상에 형성된 접촉 표면의 각도를 보완하여, 이 표면들은 서로에 대하여 같은 높이에서 맞대어진다.
다른 한편으로, 베벨이 접촉 구역에서 터빈 휠 상에 형성되고, 도 5에 도시된 바와 같이 샤프트에 반경 방향 평면에 둔각인 왕복 접촉 표면이 제공된 상태에서 테이퍼는 반대 방향일 수 있다. 이와 같은 실시예의 이점은 용접부의 뿌리가 일반적으로 더 단단한 재료인 터빈 휠에 존재한다는 점이다.
어떤 경우에도, 접촉 표면들은 종래의 기법으로써 용이하게 형성되고, 이 설계는 짝을 이루는 부품들의 복잡하고 불필요한 치수를 요구하지 않는다.
용접 장비의 기하학적인 구성은 변경되지 않아서, EB 또는 레이저 빔은 계속하여 회전축에 수직하게 샤프트와 휠에 충격을 준다. 그러나 본 발명의 경사지거나 절두 원추형 접촉 구역의 용접은 (a) 용접 이음부가 샤프트를 향하거나(도 4) 휠을 향하여(도 5) 축방향으로 이동되고, (b) 깊고 좁은 용접부(도 7, 용접부 "d", "e", "f") 대신에, 빔이 종래의 깊고 좁은 용접부보다 더 큰 폭과 더 작은 깊이(도 7, 용접부 "c"; 도 4 및 도 5)를 갖는 용접부를 생성하도록 제어될 것을 요구할 것이다. 바람직하게, 용융부(melt)의 침투 깊이는 용접부 표면에서의 용융부 폭의 2배 내지 3배이다. 접촉 구역의 경사도와 용접부의 형상 및 위치는 서로 조정되어, 용접부가 외부 주변을 대략 접촉 구역의 1/3 내지 3/4까지, 바람직하게는, 주변 접촉 구역의 약 1/2 내지 2/3까지 용융시키지만, 경사진 접촉 구역의 전체 길이를 용융시키지는 않는다. 도 4를 참조하면, 여기서 점선으로 도시된 용융 전에 샤프트와 휠의 외부 직경의 형상과 접촉 구역을 가진 도 3의 용접부(8)가 확대 도시되어 있다. 용융 후에, 터빈 휠과 샤프트의 금속은 용접부(8)로 융착되게 된다. 도시된 바와 같이, 접촉 구역의 반경 방향 내부 섹션("y")은 용융되지 않고, 접촉 구역("x")(여기서 "x" + "y" = 접촉 구역)의 반경 방향 외부 섹션만이 용융된다. 이와 같은 방식으로, 용접되지 않는 경사진 표면들의 확실한 접촉 영역이 유지된다. 동시에, 뿌리 노치, 즉, 상승된 응력의 위치는 샤프트(도 4) 또는 터빈 휠(도 5)의 재료에 위치된다. 또한, 터빈 휠의 종래 원통형 센터링 표면 및 부품을 반경 방향으로 위치시키는 것은 또한, 용접 공정 동안 성분을 신뢰성 있게 센터링하도록 기여한다.
샤프트는 터빈 휠과 동일한 재료로 형성될 수 있거나 다른 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 터빈 휠과 샤프트 둘 모두는 티타늄 합금으로 형성될 수 있거나, 샤프트는 AISI 8740 스틸과 같은 합금강(alloy steel)으로 형성될 수 있고, 터빈 휠은 슈퍼합금 INCONEL 713과 같은 니켈 기반 합금으로 형성될 수 있다. 용접 또는 접착을 촉진시키기 위하여, 중간의 또는 납땜 화합물이 터빈 휠과 샤프트 사이에 제공될 수 있다.
바람직하게, 샤프트는 터빈 휠보다 낮은 용융점을 갖는 금속으로 이루어져서, 샤프트는 터빈 휠 전에 용융하기 시작할 것이다. 선택적으로, 샤프트의 외부 표면에는 접촉 구역에 바로 인접한 여분 재료의 작은 돌기부가 제공되고, 이 재료는 터빈 휠이 용융되기 전에 용융되며, 접촉 구역에서 임의의 갭을 채운다. 초과된 재료는 균형이 이루어지기 전에 후용접 동작에서 제거된다.
용접부의 원하는 폭과 깊이를 생성하기 위한 빔의 조정은 당업자의 범위 내에 있다. 전자 빔의 유효성은 많은 요인들에 좌우된다. 가장 중요한 것은 용접될 재료의 물리적 특성이며, 특히 저압 조건 하에서 용접 재료들이 쉽게 용융될 수 있다는 것이다.
단일 전자의 열 기여는 매우 적으나, 매우 높은 전압에 의하여 전자가 가속될 수 있으며, 그 수를 증가시킴으로써 (빔 전류) 빔의 출력은 임의의 원하는 수치로 증가될 수 있다. 빔을 고형 물체의 표면 상의 작은 직경으로 초점을 맞춰서, 104 W/mm2 내지 107 W/mm2만큼 높은 평면 출력 밀도의 값에 도달할 수 있다. 전자는 고체의 매우 얇은 층에서 그 에너지를 열로 전달하기 때문에, 이와 같은 용적에서 출력 밀도는 극히 높다. 전자들의 운동 에너지가 열로 변환되는 작은 용적에서의 출력 용적 밀도는 105 내지 107 W/mm3배의 값에 도달할 수 있다. 결과적으로, 이와 같은 용적에서의 온도는 108 내지 109 K/s만큼 극히 빠르게 증가된다.
전자 빔은, 도 4에 도시된 바와 같이, 다양한 용접부 형상들을 생성하도록 제어될 수 있다. 종래 “수직의" 평면 접합부가 바람직하게 도 6에서 용접부 형상 "d", "e", 또는 "f"를 갖는 접합부를 생성하도록 EB 용접되지만, 본 용접부는 바람직하게 도 6의 용접부 형상 "c"와 더 유사한 형상을 가진다.
빔에 의해 영향을 받는 구역의 크기 및 형상은:
(1) 빔 출력 - 빔[W]의 출력은, 쉽게 측정 가능하고 정확히 제어될 수 있는 파라미터, 즉, 가속 전압(kV)과 빔 전류[mA]의 곱이다. 출력은 통상적으로 가장 접근 가능한 일정 가속 전압에서 빔 전류에 의하여 제어된다.
(2) 출력 밀도(빔의 초점 맞춤) - 공작물로의 빔의 입사 지점에서 출력 밀도는 음극(cathode) 상의 전자 소스의 크기, 가속 전기 렌즈와 초점 자기 렌즈의 광학적 품질, 빔의 정렬, 가속 전압의 값, 및 초점 길이와 같은 요인들에 좌우된다. (초점 길이를 제외한) 이들 모든 요인들은 기계의 설계에 좌우된다.
(3) 용접 속도 - 용접 장비의 구성은, 예를 들어, 2 mm/s 내지 50 mm/s의 넓은 충분한 한계에서 빔에 대하여 공작물의 상대 운동 속도의 조정을 가능하게 해야 한다.
(4) 재료의 특성, 및 몇몇 경우에서 또한,
(5) 접합부의 기하학적 구조(형상 및 치수)에서 좌우된다.
빔의 최종 효과는 이들 파라미터의 특정한 조합에 좌우된다.
용접 및 어닐링 후에 터빈 휠과 샤프트 사이 접촉 표면의 새로운 기하학적 구조의 시험은 실제적으로 초기의 불균형이 개선된다는 점이 확인되었다.
터빈 휠과 샤프트 사이 접촉 표면의 새로운 기하학적 구조가 자동차 또는 트럭 산업에 적합한 실시예에 대하여 본 명세서에서 매우 상세히 설명되었으나, 연결된 터빈 휠과 샤프트, 및 그 생산 공정은 항공기 또는 연료 전지 구동 방식 차량과 같은, 수많은 다른 응용에서 사용하기에 적합하다는 점이 용이하게 명백해질 것이다. 본 발명이 자동차 내연 기관 배기 구동 터빈 휠 및 터보차저의 샤프트에 대하여 소정의 특수성을 가진 바람직한 형태로 설명되었지만, 바람직한 형태의 본 개시는 단지 예시에 의하여 이루어지며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 구조의 상세 사항에서의 수많은 변화 및 조합의 구성에 호소될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
본 발명이 설명되었으므로, 다음을 청구한다:
Claims (10)
- 터보차저 터빈 휠을 샤프트에 연결하는 방법에 있어서:
샤프트 축을 갖는 상기 샤프트의 일 단부 상에, 상기 샤프트의 외부 직경으로 연장된 절두 원추 형상 접촉 표면을 제공하는 단계,
터빈 휠 상에, 상보적으로 짝을 이루는 접촉 표면을 제공하는 단계,
접촉 구역을 따라서 상기 터빈 휠과 샤프트의 접촉 표면을 접촉시키는 단계,
상기 터빈 휠과 상기 샤프트를 전자 빔 또는 레이저 빔 용접하는 단계를 포함하고, 절두 원추 형상 접촉 표면의 반경 방향 외부 섹션을 용융시키고 융착시킴으로써 상기 터빈 휠은 상기 샤프트에 연결되고, 상기 절두 원추 형상 접촉면들의 반경 방향 내부 섹션은 용융되지 않는, 터보차저 터빈 휠을 샤프트에 연결하는 방법. - 제1항에 있어서,
총 접촉 구역 표면 영역을 기초로 하여, 접촉 구역의 외부 1/3 내지 3/4는 용융되고 융착되는, 방법. - 제1항에 있어서,
총 접촉 구역 표면 영역을 기초로 하여, 상기 접촉 구간의 외부 1/2 내지 2/3는 용융되고 융착되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 절두 원추 접촉 표면은 상기 샤프트 축에 수직인 평면에 대하여 5° 내지 45°의 각도로 존재하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 절두 원추 접촉 표면은 상기 샤프트 축에 수직인 평면에 대하여 10° 내지 30°의 각도로 존재하는, 방법. - 제1항에 있어서,
절두 원추 접촉 표면은 샤프트 축에 수직인 평면에 대하여 15° 내지 25°의 각도로 존재하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 절두 원추 형상 접촉 표면과 상기 샤프트 축 사이의 각도는 85°보다 작고, 상기 터빈 휠 축의 상기 상보적인 절두 원추 형상 접촉 표면의 각도는 95°보다 큰, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 절두 원추 형상 접촉 표면과 상기 샤프트 축 사이의 각도는 95°보다 크고, 상기 터빈 휠 축의 상기 상보적인 절두 원추 형상 접촉 표면의 각도는 85°보다 작은, 방법. - 제1항에 있어서,
용접부의 깊이는 휠과 샤프트 표면에서 용접부의 폭의 2배 내지 3배인, 방법. - 제1항의 공정에 의하여 생성되는, 터보차저 터빈 휠 및 샤프트 어셈블리.
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