CN103314186A - 涡轮清洁 - Google Patents

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Abstract

取决于用于驱动内燃机所使用的燃料的成分和具体的运行情况，在排气涡轮中或早或晚出现转子叶片、导向装置以及涡轮壳体件的污染。在用于湿式清洁排气涡轮的根据本发明的清洁方法中，经由喷嘴喷射到涡轮的流通道中的清洁液体的量随着时间推移围绕清洁液体的所确定的平均量变化。

Description

涡轮清洁
技术领域
本发明涉及利用内燃机的排气来加载的流体机械(Str?mungsmaschine)的领域。本发明涉及一种用于清洁排气涡轮的清洁方法以及一种用于借助于这样的清洁方法来清洁利用内燃机的排气来加载的涡轮的清洁装置。
排气涡轮使用在排气涡轮增压器中以用于内燃机的增压或者使用在动力涡轮(Nutzturbine)中以用于将包含在内燃机的排气中的能量转化成机械能或电能。
取决于用于驱动内燃机而使用的燃料的成分和具体的运行情况在排气涡轮中或早或晚出现工作轮(Laufrad)的涡轮叶片、喷嘴环的导向叶片以及不同的涡轮壳体件的污染。这样的污物沉积在喷嘴环的区域中导致更差的涡轮效率且因此导致紧接的机械(例如借助于排气涡轮来驱动的压缩机和增压的内燃机本身)的功率的降低。作为其结果这在燃烧室中导致排气温度的升高，由此不仅可使内燃机而且可使涡轮增压器在热方面超负荷。在内燃机的情况下尤其可发生排气阀的损伤或完全破坏。
如果在喷嘴环上和在与四冲程内燃机相连接的涡轮增压器的涡轮叶片上沉积有污物层，那么此外可预计到涡轮增压器转速和因此增压压力以及气缸压力的上升。因此不仅内燃机而且涡轮增压器的构件除了升高的热负载之外还使之在机械方面受更高地负荷，这同样可导致直到破坏相关的构件。
在污物层不均匀地分布在涡轮叶轮的转子叶片的周缘处时，这导致转子的不平衡的增加，由此还可损伤支承。
如果在涡轮壳体处出现污物沉积在流通道的沿径向在涡轮叶片之外的区域中伸延的外轮廓处，由于在涡轮叶片与涡轮壳体之间的降低的径向间隙而可在运行中发生接触，其可损伤涡轮叶片且在极端情况下使涡轮叶片变得不可用。
因此在运行期间必须定期地使喷嘴环、涡轮叶片以及涡轮壳体的相关的区域摆脱附着于喷嘴环、涡轮叶片以及涡轮壳体的污染物。这典型地通过使用干式或湿式清洁系统来进行。
湿式清洁系统的特征在于在清洁周期期间借助于定位在涡轮进入侧上的一个或多个喷嘴来喷入液态的清洁剂(例如冷水)。通过将冷的清洁液体引入到热的污染物沉积上来移除该污染物沉积且表面又几乎重新回到交付时的原始状态中。然而将冷的清洁液体喷射到热的涡轮部件上使涡轮部件受到相对很高的热机负载。为了避免由此产生的对涡轮的部件的损害，通常仅在马达载荷很低(在于涡轮增压器处相应很低的进气温度的情况下)时允许涡轮湿式清洁。因此清洁周期典型地如此设计，即将马达的载荷降低到适合于清洁周期的水平上(例如降低到正常的马达载荷的25%)且在一段保持时间之后在所限定的时间间隔(例如10分钟)期间来喷射清洁液体。紧接着，在马达随后又被带到其正常的载荷水平上之前，还可在另一时间间隔(例如10分钟)期间使存在于涡轮增压器中的清洁液体蒸发。
在清洁周期期间通过在涡轮进口之前的一个或多个喷嘴的清洁液体的喷入通常在恒定的压力和恒定的流量下发生。如此设计喷射喷嘴使得其引起清洁液体的这样的分布，即每个喷嘴可利用清洁液体润湿喷嘴环或涡轮壳体的所确定的表面区域。在此，清洁液体在表面上出现的分布取决于多个因素，例如在涡轮之前的流状态、由喷嘴的喷嘴开口产生的喷束形状(Strahlform)、喷射压力以及清洁液体的量、涡轮进口温度等等。
在此，针对所限定的载荷点、已知的流参数以及恒定的清洁系统参数来进行喷嘴的设计。在实际的马达运行中，上述的影响参数可与在初始设计中所使用的参数严重偏离，这又改变且甚至缩小在实际运行中被润湿的表面区域，这可导致令人不满意的清洁结果。
应在哪个时刻来开始清洁周期或者可固定地取决于运行持续时间来决定(例如在确定的运行小时数之后的固定的清洁间隔)或者可由污染物指示器(那么其自动地触发清洁周期)来探测。
背景技术
从文件DE 35 15 825 A1中已知一种用于清洁涡轮增压器的轴流式涡轮的喷嘴环和转子叶片的方法和装置。该清洁装置包括布置在轴流式涡轮的进气壳体处的、直到到达流通道中的多个喷嘴和用于清洁液体的输入管。在轴流式涡轮的确定的污染程度的情况下经由测量和评估单元来确定清洁需求。相应地经由布置在导向叶片上游的喷嘴将清洁液体喷射到流通道中。在此形成的液滴由排气流运输直至轴流式涡轮的导向或者转子叶片且清洁由污染物附着的导向或者转子叶片。在此，在相对较短的清洁间隔期间将大量的清洁液体(每m3/s排气大约3－5l/min清洁液体)供给到流中以便于获得尽可能彻底的清洁。在该清洁方法的情况下由于大量的清洁液体而必须提早且在整个清洁过程期间降低马达载荷。为了在清洁过程期间避免排气温度的不允许地很高的上升，这是必需的。在清洁过程期间排气温度的过度上升导致排气涡轮和内燃机的热过载。
同样从现有技术中已知在冷的清洁液体以很高的量(相比上面的情况)喷射到喷嘴环的热的导向叶片和涡轮叶轮的转子叶片上的开始阶段中可获得附加的热冲击清洁效应。不仅喷嘴环的导向叶片和涡轮叶轮的转子叶片而且涡轮壳体件在热冲击清洁的情况下在热方面被非常强地加有负荷。避免在相应的构件中形成不允许地很高的热应力或甚至裂缝在结构上非常昂贵、要求清洁的很复杂的调节且由此引起很高的成本。
从文件WO2007/036059A1中已知一种用于湿式清洁排气涡轮的清洁方法，在其中，连续地或周期性地将小量的清洁液体供给到排气涡轮的排气流中且引导到排气涡轮的待清洁的部件上。小量的清洁液体可在不改变的内燃机运行的情况下被供给使得排气涡轮的清洁或者保洁可在整个内燃机运行范围中进行。在内燃机的功率输出方面由于变得必要的排气涡轮清洁的波动应因此消失。此外应可很大程度地避免在就此而言特别受到危险的涡轮壳体件中形成热应力裂缝。
文件FI 117 804公开了一种用于湿式清洁排气涡轮的清洁装置，在其中，静态地确定清洁液体的压力－大约超过排气在流通道中的压力2bar。为了可在全载荷时实现湿式清洁，将来自增压器出口的更冷的新鲜空气的一部分输送给排气流。由此将排气流的温度降低到对于清洁涡轮件而言最佳的预先确定的值上。
从文件EP1972758A1中已知一种用于湿式清洁排气涡轮的清洁方法，在其中，将清洁液体与运行点无关地供给到排气涡轮的排气流中且引导到排气涡轮的待清洁的部件上。在此使清洁液体的喷射压力与在排气涡轮之前的条件相匹配。为此，在第一步骤中测量表征在涡轮之前存在的条件的至少一个测量变量，在第二步骤中从所测得的测量变量中来确定用于清洁液体的喷射压力的值，且在第三步骤中将清洁液体以所确定的喷射压力喷射到流通道中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于湿式清洁排气涡轮的清洁方法，利用该方法可实现受污染的涡轮件的尽可能全面的润湿。
根据本发明，这以如下方式通过瞬变地喷入清洁液体来实现，即经由喷嘴喷射到涡轮的流通道中的清洁液体的量随着时间推移围绕清洁液体的所确定的平均量变化。
清洁液体的在时间上可变的量(周期性的、非周期性的、随机的走向)的产生例如可通过影响清洁液体的量或喷射压力来实现－例如通过带有可调节的流量的泵、在输入管中的可调节的阀或在喷嘴之前的摆动的流元件，或者还通过影响喷嘴开口的大小来实现－例如通过受调节的光阑式节流阀(Irisblende)或受调节的或自由摆动的喷嘴开口活门。在此，清洁液体的量的变化围绕所确定的平均值发生，其中，在时间上可变的走向可选地可是周期性的、非周期性的或随机的。
例如在喷射压力变化时，确定的平均喷射压力基于排气涡轮的几何结构或动态地取决于排气涡轮的相应的运行点和/或内燃机的相应的运行点来确定。
清洁液体的量的改变有利地通过自动的喷射压力调节或者通过用于喷嘴开口的调节来实现。
如果喷射压力瞬变地变化，则改变所产生的清洁液体的分布且因此改变涡轮表面的润湿，即使在通常恒定的清洁系统参数的情况下。由此获得的优点在于可通过改变清洁液体的量在可调节的表面区域上瞬变地改变清洁液体的分布和表面润湿且与在涡轮增压器中的相应的独特的流状态无关地获得更好的清洁效果。
可选地清洁液体的量的改变在两个或多个喷嘴沿着周缘分布地布置时可以彼此不同的方式来实现，从而得出清洁液体的量的随着时间推移而彼此不同的或在时间上偏移的走向。可选地在此可使清洁液体的喷射总量保持恒定。
附图说明
紧接着借助附图对根据本发明的清洁方法进行进一步说明。其中：
图1显示了带有在涡轮侧的清洁装置的排气涡轮增压器的截面图，
图2显示了清洁液体的量关于时间的走向的简图以及示意性地示出的清洁液体的量的变化对涡轮壳体件的润湿的影响，
图3显示了带有清洁液体的量和喷射压力关于时间的走向的两个简图，
图4显示了用于执行根据本发明的清洁方法的清洁装置的第一实施方式的示意图，该清洁装置具有带有可调节的流量的变量泵，
图5显示了用于执行根据本发明的清洁方法的清洁装置的第二实施方式的示意图，该清洁装置带有在输入管中的可调节的阀，
图6显示了用于执行根据本发明的清洁方法的清洁装置的第三实施方式的示意图，该清洁装置带有可调节的分流器，
图7显示了用于执行根据本发明的清洁方法的清洁装置的第四实施方式的示意图，该清洁装置带有可单独调节的喷嘴开口，以及
图8显示了清洁液体的量关于时间的走向的另一简图。
具体实施方式
图1显示了带有排气涡轮(右侧)和压缩机的排气涡轮增压器的截面图。排气涡轮包括带有转子叶片21的涡轮叶轮2，该涡轮叶轮布置在涡轮壳体20中。经由可转动地支承在支承壳体30中的轴3使涡轮叶轮与压缩机叶轮1相连接。压缩机叶轮布置在压缩机壳体10中。
在涡轮进口的区域(在其中，热的排气从环形空腔状的收集通道通过狭窄的流通道流到涡轮叶轮2的转子叶片21上)中，涡轮具有导向器(带有导向叶片的喷嘴环)22，该导向器使排气流取向到涡轮叶轮的转子叶片上。涡轮壳体的在该区域中限制流通道的壁件以及导向器的导向叶片如开头所描述的那样经受由于沉积物的污染。
排气涡轮就在涡轮进口上游具有清洁装置，该清洁装置具有用于输送清洁液体的环形的通道41以及用于将清洁液体喷射到涡轮的收集和流通道中的一个或多个喷嘴42。
根据涡轮的类型(轴流式、混流式或径流式涡轮)和/或涡轮的实施方案可改变清洁液体的确切的布置方案。然而典型地喷嘴始终安装在导向装置上游使得热的排气的流携带清洁液体且将其分布到待清洁的表面上。喷嘴42有利地布置成沿着涡轮壳体的周缘分布，其中，喷嘴的数量可与导向器的导向叶片的数量相协调。因此例如可为每个导向叶片设置一个喷嘴或可为每两个导向叶片设置一个喷嘴。可选地可与导向器无关地设置例如直接定向到流通道的壁上的附加的喷嘴。
如果应由于达到确定的运行小时数或因为污染指示器显示清洁的必要性而开始清洁周期，则使热的排气流在涡轮叶轮的转子叶片和导向装置上游输送清洁液体。在此使清洁液体(通常水或掺有促进清洁的物质的水)以受控的量且以所确定的压力喷射到流通道中。根据本发明，量和/或喷射压力瞬变地被改变，从而根据图2按照量和/或喷射压力利用清洁液体来润湿待清洁的表面的不同的区域。
在图2中为在周期性变化的喷射压力pW关于时间t的所呈现出的走向上的三个点示意性地示出了相应的喷射压力对清洁液体的喷射走向的影响。在左侧的图形部分中示出了平均喷射压力，在其中，从喷嘴发送到流中的喷束通过该流偏转到导向装置的中间的区域上。在更高的压力的情况下(在中间的图形部分中示出)喷束从喷嘴到达直到流通道的远的边缘处，而在更低压力的情况下(在右侧的图形部分中)仅导向叶片的右侧的内部的边缘区域被润湿。
清洁液体的量和/或喷射压力的根据本发明的瞬变的变化围绕平均值(即围绕确定的平均液体量或平均喷射压力)以及在最小值和/或最大值之间的单侧或两侧受限的区域内进行。该平均值、最小值以及最大值或者可基于涡轮几何结构和所设置的流情况固定地预先给定，或者该值可动态地匹配于在涡轮之前的流情况-尤其排气脉冲流-和/或马达载荷。在第二种情况中，例如在开始清洁间隔时待应用的确定的平均值可取决于涡轮或马达特有的一个或多个测量变量基于所限定的特征曲线来计算或从表格中读取。涡轮或马达特有的测量变量可以不同的方式来确定。因此可评估马达特有的测量数据(例如载荷杆位置或喷射参数)且由此推导出马达载荷。如果在马达下游有另外的动力总成(例如发电机)，马达载荷可在该下游的动力总成处直接测量。还可评估涡轮增压器的特有的测量数据，例如涡轮增压器转速。因为涡轮增压器的设计通常是已知的，所以可借助于涡轮增压器转速从相应的特征曲线来近似确定气体质量或气体体积流且因此确定在涡轮之前的状态。此外可直接在流通道中测量气体流，例如借助于热线式气流计、超声波气流计或激光多普勒气流计。用于确定涡轮或马达特有的测量变量的详细的说明可从文件EP1972758A1中得悉。
清洁液体的量                                                
Figure 215568DEST_PATH_IMAGE001
和/或喷射压力pw的变化可如在图3的简图中示意性地说明的那样周期性地(曲线b，点线)、非周期性地或完全随机地(曲线c，实线)围绕平均喷射压力(曲线a，虚线)或者平均喷射量发生。在变化的喷射压力(上面的简图)和否则保持不变的条件的情况下，喷射的清洁液体的量
Figure 57622DEST_PATH_IMAGE001
(下面的简图)跟随喷射压力pw的走向。图8显示了喷射的清洁液体的量
Figure 452832DEST_PATH_IMAGE002
的周期性的走向的另一示例，在其中，每个喷嘴在一周期持续时间内的清洁液体的瞬时的量暂时占据值零。清洁周期通常包括相应3-120s持续时间的多个周期，其中，相应的清洁周期的总持续时间可固定地预先给定，或可取决于涡轮的构件的实际的污染和/或自上一次的清洁周期的运行小时数。
如果清洁装置包括沿着周缘分布地布置的两个或多个喷嘴，则根据本发明的清洁方法可可选地如此实施使得所有喷嘴的总液体量随着时间推移在清洁周期内保持恒定且相应于与喷嘴的数量相乘的所确定的平均液体量。而每个喷嘴喷射到涡轮的流通道中的清洁液体的量随着时间推移在清洁周期内围绕所确定的平均液体量变化。
如何控制每个喷嘴的清洁液体的在时间上可变的量，在图4至7中示例地且示意性地借助于清洁装置的不同实施方式进行了示出：
图4显示了用于借助于根据本发明的清洁方法来清洁以内燃机的排气来加载的涡轮的清洁装置的第一实施方式，其中，清洁装置具有带有可调节的流量的泵431。该泵可经由控制电子装置5来操控，该电子装置带有或没有相应实际上所调节的流量的反馈。
图5显示了这样的清洁装置的第二实施方式，该清洁装置带有输送恒定量的清洁液体的泵43和为此在泵43与喷嘴42之间的输入管中的、带有可调节的流量的阀44。利用这前两种简单的实施方式不可单独地操控多个喷嘴42，因为泵和/或阀以两路或多路的方式被并排引导。
图6显示了第三实施方式，其中，清洁装置带有输送恒定量的清洁液体的泵43和以电子或机械受控的方式来改变被导引到不同的喷嘴42上的清洁液体的量的可调节的分流器45。在该实施方式中可单独地改变喷嘴与喷嘴的清洁液体的量且在此清洁液体的总量保持恒定。同样地这可利用根据图7的第四实施方式来实现，在其中，单个的喷嘴421具有可调节的喷嘴开口,例如可调节的光阑式节流阀或可调节的或自由摆动的喷嘴开口活门。
所介绍的四种的实施方式可彼此组合和/或与用于调节喷射压力和/或流量的另外的元件相联合。
代替所描述的以电子的方式受控的控制单元还可设置有机械的控制装置，例如摆动的流元件或旋转的活门以便改变通过输入管的流量或在各个输入管至喷嘴的之间的分布。
参考标号列表
1 压缩机叶轮
10 压缩机壳体
2 涡轮叶轮
20 涡轮壳体
21 涡轮叶轮的转子叶片
22 导向器(带有导向叶片的喷嘴环)
3 涡轮增压器的轴
30 支承壳体
41 用于输送清洁液体的通道
42 用于喷射清洁液体的喷嘴
421 带有可调节的喷嘴开口的喷嘴
43 用于待喷射的清洁液体的泵
431 带有可调节的流量的变量泵
44 在清洁液体的输入管中的可调节的阀
45 在清洁液体的输入管中的可调节的分流器
5 控制单元
pw 清洁液体的喷射压力
Figure 267204DEST_PATH_IMAGE002
 被喷射的清洁液体的量
a 带有恒定的喷射压力的喷射的曲线走向
b 带有周期性地变化的喷射压力的喷射的曲线走向
c 带有随机变化的喷射压力的喷射的曲线走向
t 时间。

Claims (17)

1. 一种用于清洁利用内燃机的排气来加载的涡轮的清洁方法，其中，所述排气在流通道中被引导到涡轮叶轮的转子叶片上，在该清洁方法中在清洁周期中经由至少一个喷嘴将清洁液体喷射到所述流通道中，其特征在于，每个喷嘴喷射到所述涡轮的流通道中的清洁液体的量随着时间推移在所述清洁周期内围绕所确定的平均液体量变化。
2. 根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，所述所确定的平均液体量基于所述涡轮的几何尺寸来确定。
3. 根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，所述所确定的平均液体量取决于在所述涡轮之前的流通道中存在的条件来确定，其中，为此在第一步骤中测量表征在所述涡轮之前存在的条件的至少一个测量变量，在第二步骤中从所测得的所述测量变量中确定用于所述所确定的平均液体量的值，且在第三步骤中喷射随着时间推移在所述清洁周期内围绕所述所确定的平均液体量变化的所述清洁液体。
4. 根据权利要求3所述的清洁方法，其特征在于，为了确定在所述涡轮之前的所述流通道中存在的条件而测量所述内燃机的测量变量。
5. 根据权利要求3所述的清洁方法，其特征在于，为了确定在所述涡轮之前的所述流通道中存在的条件而测量所述排气涡轮增压器的测量变量。
6. 根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，经由沿着周缘分布地布置的两个或多个喷嘴将清洁液体喷射到所述流通道中，其中，每个单个的喷嘴喷射到所述涡轮的流通道中的清洁液体的量随着时间推移在所述清洁周期内围绕所述所确定的平均液体量变化，然而所有喷嘴的总液体量随着时间推移在所述清洁周期内保持恒定且相应于与所述喷嘴的数量相乘的所确定的平均液体量。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的清洁方法，其特征在于，每个喷嘴喷射到所述流通道中的清洁液体的量经由所述清洁液体的喷射压力来控制。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的清洁方法，其特征在于，每个喷嘴喷射到所述流通道中的清洁液体的量经由喷嘴几何结构来控制。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的清洁方法，其特征在于，每个喷嘴喷射到所述流通道中的清洁液体的量周期性地被改变。
10. 根据权利要求9所述的清洁方法，其特征在于，所述周期持续时间为在3s与120s之间。
11. 根据权利要求9或10中任一项所述的清洁方法，其特征在于，每个喷嘴在周期持续时间内的所述清洁液体的瞬间的量暂时占据值零。
12. 一种用于借助于根据权利要求1至11中任一项所述的清洁方法来清洁以内燃机的排气来加载的涡轮的清洁装置，该清洁装置包括用于输送清洁液体的泵(43,431)、用于将所述清洁液体喷射到所述涡轮的流通道中的至少一个喷嘴(42,421)以及用于动态地改变所述清洁液体的流量的可调节的至少一个元件(421,431,44,45)。
13. 根据权利要求12所述的清洁装置，其特征在于，作为可调节的元件设置有用于以可调节的流量输送所述清洁液体的泵(431)。
14. 根据权利要求12所述的清洁装置，其特征在于，作为可调节的元件在所述清洁液体至所述喷嘴(42)的输入管中设置有可调节的阀(44)。
15. 根据权利要求12所述的清洁装置，包括两个或多个喷嘴(42)，其特征在于，作为可调节的元件在所述清洁液体至所述喷嘴(42)的输入管中设置有可调节的分流器(45)。
16. 根据权利要求12所述的清洁装置，其特征在于，作为可调节的元件，所述至少一个喷嘴(421)设有可调节的喷嘴开口或受调节的光阑式节流阀或摆动的喷嘴开口活门。
17. 根据权利要求12所述的清洁装置，其特征在于，作为可调节的元件在至所述至少一个喷嘴(42)的输入管中设置有摆动的流元件。
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