CN1079895C - 废气涡轮增压器-滑轮机的喷嘴环圈的湿法净化方法与装置 - Google Patents

Abstract

废汽涡轮增压器-涡轮机的喷嘴环圈的湿法净化方法及其装置。据本发明提出一个废汽涡轮增压器-涡轮机的湿法净化与装置，其中尽管只使用少量的水，但能达到改进净化效率的结果。此外，在开始进行净化过程之前的内燃机的功能的降低幅度也比现有枝术中必须降低的幅度更小些，而且废汽涡轮机增压器的功能可靠性也有所提高。据本发明的方法，当确定需要净化以后就开始进行独立自主的净化循环，其中多次地把水(37)短暂地喷射到喷嘴环圈(7)的前面区域中，而在注射过间之间的喷射间隔期间又把喷嘴环圈(7)重新加热。

Description

废气涡轮增压器-滑轮机的喷咀 环圈的湿法净化方法与装置

本发明涉及一个与内燃机相连的废气汽涡轮增压器的废气涡轮机，以及其喷咀环圈的湿法净化方法。

为了提高内燃机的功率，目前人们广泛推广使用废气涡轮增压器。涡轮增压器的废气涡轮机吸入内燃机排出的废气，并使其动力能用于抽吸与压缩内燃机所需的空气。根据具体的运行情况与内燃机所用的燃料的组成，或早或迟会导致在废气涡轮机中的涡轮叶片及喷咀环的污染，其中后者尤其更加严重。在使用重油燃料时，喷咀环圈上会形成很硬的污垢层。上述在喷咀环区域所形成的污垢沉积会导致涡轮机效率的恶化，从而使内燃机的功率下降。此外，在燃烧室中的废气温度与压力也会因此升高。由此会导致内燃机，尤其是其阀门的损害或完全毁环。因此，必须定期清除掉粘附在喷咀环上的污垢。

为了在拆卸状态下清洗喷咀环圈，就需要较长时间的切断涡轮压气机的运行，这不是我们所期待的。因此，我们实现了一种清洗方法，即可以在不必拆卸情况下，在涡轮压气机的运行过程中进行上述清洗工作。目前常用的净化喷咀环圈上污垢的方法分别有两种，即采用水的湿法净化方法与采用粒状物的干法净化方法。上述所用的净化介质送入到废气涡轮机的上游位置，即加入到与内燃机相连的废气管道中。

在湿法净化过程中，由于内燃机中的较高的废气温度，使加入的水大量地汽化掉。因此，只有少量的水被用于净化过程。在涡轮机入口处的结构构件的温度，在四冲程内燃机满载运行时，高于在湿法净化过程中许可的温度峰值。为了避免喷咀环圈，涡轮叶片，盖环圈，以及涡轮机壳体的受热损害。在向废气涡轮机中加入水以前，必须降低内燃机的功率。由于壳体与涡轮机转轮的不同尺寸，使得在温度波动大时涡轮叶片会触擦到盖环圈。因此，一方面会导致效率损耗，另一方面又会形成失衡。此外，由于水的汽化夺走了废气中的能量，以致于使废气涡轮机的转速与压缩机的功率都下降了。这样就势必导致内燃机功率的下降。

在干法净化方法中就不存在上述弊病，但是由于采用粉状物就会在涡轮机的涡轮叶片上，在喷咀环圈上，以及涡轮机壳体中出现侵蚀问题。

这两种方法的最大缺点在于所采用的净化介质的分布不均匀。因此，只有确定的喷咀环圈的某些区域才与净化介质有所接触。也就是说，只有部分的污垢被清除掉。为了实现这两个净化方法，主要取决于净化介质的机械效果必须在拆卸情况下进行净化过程。因此，在上述解决办法中，可以拉长到下一个长度清洗喷咀环圈的时间间隔。但是为了实施上述净化过程都不能免除对涡轮压气机的拆卸。

本发明试图克服上述存在的缺点。本发明的任务是提供废气涡轮增压器-涡轮机的喷咀环圈的湿法净化方法与其装置，其中，虽然只采用少量的水，但能有效改进净化效率。此外，也可以使没有开始进行净化过程前的内燃机功率比现有技术中的降低幅度更小些，而废气涡轮增压器的功能可靠性都提高。

根据本发明提供一种废气涡轮机的喷嘴环圈的湿法净化方法，在该方法中由控制装置控制的水在喷嘴环圈上游位置喷射到内燃机的废气气流中，其中，通过控制装置检测净化要求，在检测到净化要求后，激发自动执行的净化循环；净化循环包括其中步骤(1)至少执行一次的下述步骤：(1)喷射，水按选定的短时间就在喷嘴环圈的上游喷射进内燃机的废气气流中，从而，水以比喷嘴环圈的操作温度足够低的温度冲击喷嘴环圈，对喷嘴环圈上的污垢沉积产生一个热冲击；(2)喷射暂停，暂停的时间足够长以使喷嘴环圈被再加热到其操作温度。

因此，在气体入口套中及在喷咀环圈前面的区域中至少设有一个径向的凹槽。每个凹槽中装有一个喷射喷咀，分别通过一个导管与供水管道相连。在用于测量与废气涡轮机相连的内燃机的废气的变化状况的测量元件和设在输水管道内的调节元件之间，装配一个控制元件。

气体入口套的结构可以使水直接喷射到喷咀环圈前面的区域中，前述的控制元件控制调节了上述的净化循环。这样就可以把冷水喷射到内燃机的废气流中以后，一起由此向喷咀环圈输送。在那里打击粘附在喷咀环圈上的污垢沉积。其间由于水的汽化，使得其表面突然快速降温冷却。通过上述热冲击处理导致了污垢层的剥落，经多次重复上述处理，每次可使喷咀环圈愈加净化。除了这种有益效果外能对涡轮机的工作叶轮的叶片进行净化。根据上述短暂的喷射水过程，还可以作到只使用此较少的水量。这种均匀的加水过程，可以导致涡轮机部件的热负荷的降低。从而基本上可以减少热负荷所造成的损害。由此，废气温度所需的降低。也就是说，内燃机的功率的下降，在进行净化过程以前，基本上比迄今所需的降低幅度更小些。因此，内燃机可以在进行喷咀环圈净化的过程中，以较高的负荷进行。

据通常的湿法净化方法，也就是说，基于净化原理的对于水的机械净化功能而言。在喷咀环圈上的沉积物软些也将有利于设备的净化。

另一个优点，是明显减少的喷射水量使得在净化过程中的废气涡轮机的工作转轮与机套的膨胀程度减少。从而避免与克服了涡轮机转轮在盖圈上能及擦过的危险及其相关的缺点。此外，被内燃的热废气所汽化的水量明显减少。因此，废气的能量损耗比起现有技术中的湿法净化方法的能量损耗有所降低，从而导致了保持稳定。根据上述方式，在湿法净化过程中，内燃机的功率降低情况会明显地减少。

实施前后5次喷射过程时，会得到较好的净化结果，其中每次注射过程中喷水的时间是低于10秒钟，而且每次喷射的间隙至少保持喷射状水时间的20倍。利用上述方法，不仅能最佳地净化喷咀环圈，而且能确保各滑轮机部件的最低的热负荷。

此外，还可以只把喷射喷咀的直至其喷口的部位伸进到流道中。这样就使废汽气流对其的影响变小，从而可以略去其相关的涡轮增加器的效率损失。

宜将水与废气流方向成直角的角度喷射到流道中。虽然该喷射喷咀可以直接置于喷咀环圈的前面，以便控制其数量较少些。每个喷射喷咀有节流位置，在下游位置上紧接着两个分配通道，它们形成了比节流位置的直径更大的总的直径。后者在该喷射喷咀侧，而且与废气流方向成直角地汇入到流道中。由于在节流位置与两个分配通道之间的直径断层上没有完全被水填充。因此，水是以扁射形状喷入到流道中。由于废气流对与其成直角的扁射水上的作用，这时就形成了其工作面更宽的击中喷咀环圈的水帘。尽管这时喷入的水量是大大降低。但更多的喷咀的叶片却被均匀地浸湿。由此，就可以明显地改进喷咀环圈的净化。

有益的是，在输入管道的上游位置上分叉一个水管与一个空气管。后者也装有一个第二调节元件，它也与控制元件相连接。在水管与空气管上分别装有单向阀。这样就可以不仅在净化循环的喷射间隔期间，而且在净化循环之间的期间阻断空气通过喷射喷咀导入，以致于不会使之堵塞。上述单向阀可以防止热废气进入该输入管道，否则会毁坏置于其上游位置上的调节元件。

在气体入口套中或其上面装有一个环形管道，它使通向喷射喷咀的管道与输入管道相连接。这样就可以在气体入口套区域中达到节省占用空间的结果。上述环形管道必须只在其上面一个位置上与输入管道相连接，以便使水能够分布在喷射喷咀内部。

根据气体入口套的几何形状使用喷射喷咀，其中把水沿废气的气流方向喷射到流道中。为此，其出口应对准废气的气流方向。

如果在把水喷射到流通以前，向水中加入有利于净化的添加剂时，这种方法将有利于改进净化效果。

热冲击的原理不仅适用于涡轮增压器-废气涡轮机的转轮叶片与喷咀环圈的净化过程，而且也适用于置于透平机与内燃机的废气输送线中的构件。例如气体涡轮机的叶片或置于废热锅炉中的其他构件。也可以首先把这样的机器拆卸下来，使受沾污的机体分别加热并紧接着进行短暂的强冷冷却处理。

用附图描述据本发明的废气涡轮机增压器的轴流式涡轮机的两种实施方案。

附图1示出了废气涡轮机的部分纵截面。

附图2示出了沿着图1的II-II线的净化装置，包括其控制元件的横截面。

附图3示出了图2中所示的注水喷咀的放大剖面图。

附图4示出了本发明的第二实施方案中的类似于图3中的喷水喷咀的放大剖面图。

附图中只显示用于理解本发明的最基本的构件，并没有描述如内燃机与废气涡轮增压器的压缩机等其他的构件。

涡轮增压器的废气涡轮机具有一个涡轮机蜗壳1，其上面设有气体入口套与气体出口套2、3。在涡轮机蜗壳内装有一个安装于轴4上的具有叶片6的涡轮机转轮5，在其上游的位置装了一个喷咀环圈7(图1)。在涡轮机转轮5与涡轮机蜗壳1之间形成了一个流道8，后者吸收了来自图中未示的与涡轮增压器相连的柴油发动机的废气，废气被进一步送到涡轮机转轮5中。涡轮机转轮5的外围被盖圈9所限定。

在喷咀环圈7的逆流向上区域中，在气体入口套2中排列10个径向的凹槽10，并均匀地分布在其周围(图2)，每个凹槽10上有一个喷射喷咀11。该喷射喷咀11通过管道12与置于外面的固定于气体入口套2上的环形管道13相连接。当然，上述环形管道中也可以安装于气体入口套2中。为了便于安装，上述环形管道13可以由多个单个管段14所组成，其中各自用T型管接头15用螺丝连接。把前述的管道12分别用附件连接装置16固定在相应的T型管接头15的向内突出的端头上。在环形管道13中的其中一个T型管接头15的位置上装有一个十字管接头17。除了十字管接头17上连接相对应的管道12，还连接一个输入管18，在后者的上游位置上分叉一个水管19与空气管20。在水管19与空气管道20上分别装有单向阀21，22，在后者的上游位置上分别在水管19或空气管20上装有由两通阀构成的调节元件23，24。上述双向阀23，24分别通过磁铁操纵装置25、26与一个共用控制元件27有效连接，该控制元件27与其热敏感元件所组成的测量元件28一起作用。该热敏感元件28是安置在图中未示的，与废气涡轮轮相连接的内燃的废气管道中。该热敏感元件(28)也可以安置于流道(8)中。上述水管(19)是与图中未示的水槽相连，而空气管道(20)则可以与图中也未示的废气涡轮增压器的压缩机相连接。当然也可以输入外部的压缩空气。

每个喷射喷嘴11具有一个节流位置29，在其下游位置上紧接着两个分配通道30，其总直径比节流位置29的直径大(图3)。上述两个分配通道30具有一个置于流道8中的与废气的气流方向31成直角的侧出口32。借助一个固定在气体入口套2中的调整螺钉33把上述出口32按所需的方向定位。上述注射喷嘴11这样固定在该凹槽10中，使其出口32完全伸进流道8中(图2)。每个喷射喷嘴11具有一个中垂线34，而每个分配通道30各自具有其中轴线35，在中垂线34与每个中轴线35之间构成了约为60度的喷射角度36，根据不同的机壳可以选择不同的喷射角度36。

在废气涡轮增压器运转过程中，不断地用热敏感元件28测量内燃机的废气温度。由于喷嘴环圈7的污垢造成的废气温度的上升，使得两通阀23受到磁铁控制装置25及控制元件27的操纵，以便通过喷射喷11把水37喷射到废气涡轮机的流道8中，当然，也可以收集其它的受控量，例如废气的压力或者涡轮增压器的转速等，为此，需要安装适合的测量元件。

当确定需要进行净化处理以后，就用于按与控制元件27连接的按钮38，开始进行独立自主的净化循环，其中前后5次把水37喷入到流道8中，每次喷水时间大约4秒钟，喷水过程之间的喷射间隔期间保持5分钟，这期间又使喷嘴环圈7与转轮叶片6重新受热升温。当然，也可以使具体的运行条件按有所不同的净化过程编程序，同样地，也可以使净化循环自动地进行。

根据喷射喷嘴11的结构也可以使水37侧向喷射与废气的气流方向31成直角，由于废气流对水37的直接作用，就形成了更宽面的击中喷嘴环圈7的水帘。由此，可以使每个喷水喷嘴11均匀地并达到目的地润湿更多的喷嘴环圈7的叶片，以致于尽管只使用明显更少的水量，但却可以改善净化效果。上述约成60°角的喷射角度36可以达到最佳的水分布效果。也就是说，使水击中在喷嘴环圈7的中间区域上。涡轮机转轮5的转动叶片6触及、擦过盖圈8的风险也降低了，这是由于短暂的喷射水过程使得盖圈9的受冷水降温的程度减少的缘故。

在开关操作过程中，上述单向阀21、22阻止热废气进入水管及空气管19、20，不仅在每个净化循环中的喷射间隔期间，而且在净化循环之间的期间，经空气管20，通过喷射喷嘴11不断地导入阻断空气，此时，置于空气管20上的在两通阀24受磁铁控制装置26及控制元件27的控制，一直处于开放状态，而水管19的在两通阀23则关闭。借助阻断空气使得注射喷嘴11连续不断地开放。通过废气涡轮增压器的压缩机送来的压缩空气也能独立地提供用于使喷射喷嘴11保持开放所需的空气压力。

在本发明的第二个实施方案中，每个喷射喷嘴11只有一个出口32(图4)。该出口32是对冷废气的气流方向31。当然，也可以使每个喷射喷嘴11设计成具有多个出口32。利用上述出口32，使水37沿着空气的气流方向31喷入到流道8中。

当然，热冲击的原则不仅限制了涡轮增压器-废气涡轮机的转轮叶片6与喷嘴环圈7的净化，而且也适用于其它的放置于透平机与内燃气的废气输送线上的构件，例如气体涡轮机的叶片或者置于废热锅炉中的其它构件。为了达到上述的净化效果，也可以使上述机器的受沾污的构件首先拆卸下来，然后分别加热并紧接着进行短暂的强冷降温处理。

附图中标记注释表

1、涡轮机蜗壳

2、气体入口套

3、气体出口套

4、轴

5、涡轮机转轮

6、转轮叶片

7、喷嘴环圈

8、流道

9、盖圈

10、凹槽(径向)

11、喷射喷嘴

12、管道

13、环形管道

14、管段

15、T型管接头

16、附件连接装置

17、十字管接头

18、输入管道

19、水管

20、空气管

21、水管19上的单向阀

22、空气管20上的单向阀

23、水管19上的两通阀，作为调节元件

24、空气管20上的两道阀，作为调节元件

25、调节元件23的磁铁操纵装置

26、调节元件24的磁铁操纵装置

27、控制元件

28、测量元件，热敏感元件

29、束流喉部

30、分配渠道

31、气流方向

32、出口

33、调整螺钉

34、中垂线

35、中轴线

36、注射角度

37、水

38、按钮

Claims (5)

1、废气涡轮机的喷嘴环圈的湿法净化方法，在该方法中由控制装置控制的水(37)在喷嘴环圈(7)上游位置喷射到内燃机的废气气流中，其特征是：

(a)控制装置检测净化要求；

(b)在检测到净化要求后，激发自动执行的净化循环；

(c)净化循环包括其中步骤(i)至少执行一次的下述步骤：

    (i)喷射，水按选定的短时间就在喷嘴环圈(7)的上游

       喷射进内燃机的废气气流中，从而，水(37)以比喷

       嘴环圈(7)的操作温度足够低的温度冲击喷嘴环圈，

       对喷嘴环圈(7)上的污垢沉积产生一个热冲击；

    (ii)喷射暂停，暂停的时间足够长以使喷嘴环圈(7)

        被再加热到其操作温度。

2、根据权利要求1的方法，其特征是前后进行不超过5次的喷射水过程，而且其每次喷射过程中的喷射时间不超过10秒钟，其喷射间隔至少是喷射时间的20倍。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征是上述水(37)以与废气的气流方向(31)成直角的方式喷射的。

4、根据权利要求1或2的方法，其特征是水(37)按废气的气流方向(31)喷射的。

5、根据权利要求1的方法，其特征是在注射过程之前，事先向水(37)中加入起净化作用的添加剂。

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