CN1191276A

CN1191276A - 涡轮增压器的轴流式涡轮机

Info

Publication number: CN1191276A
Application number: CN97114376A
Authority: CN
Inventors: D·波楚德; M·科铃; J·Y·维罗
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 1998-08-26
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: NO975814L; DE19651318A1; CZ393697A3; NO975814D0; PL323551A1; US5938402A; JPH10176540A; DE59711615D1; EP0848150A3; KR19980063939A; JP2929534B2; EP0848150B1; CZ292033B6; KR100473472B1; CN1089408C; EP0848150A2

Abstract

本发明的目的是提供一种涡轮增压器的轴流式涡轮机的喷嘴环和转动叶片的净化装置,该净化装置包括仅一个具有至少一个喷射口的喷嘴以及一个净化介质供给管路。喷射口布置在一假想由一个中心和一直径确定的圆形区域内,该中心位于距内套管壁的距离为(a)的一假想平行面上。距离(a)等于喷嘴环的平均直径乘以百分比P₁(5%≤P₁≤30%)。中心位于平行面和一流线的交点上。喷嘴的喷射口的方向至少大致与切向平面平行。使用该净化装置,其净化效果可以显著提高。

Description

涡轮增压器的轴流式涡轮机

本发明涉及权利要求1的前序部分中所说的涡轮增压器的轴流式涡轮机。

排气涡轮增压器用来增加内燃机的输出现今已很普遍。这里，内燃机的排气被导入涡轮增压器的排气涡轮机中，其动能用来吸入并压缩内燃机用的空气由于实际操作条件所限和驱动内燃机的燃料的构成，排气涡轮机的转动叶片和喷嘴环的结垢迟早会出现，喷嘴环所受影响的范围要更大一些。在用重油工作时，在喷嘴环上形成的结垢层的硬度随内燃机的工作原理而变化。通常，在喷嘴环区域的这样的结垢会导致涡轮机的效率下降，进而也将使内燃机的输出降低。另外，在燃烧区的排气温度的增高，会引起内燃机和涡轮增压器的热应力过载。特别是在内燃机中，会对阀门造成损害甚至破坏。

如果结垢层沉积在与四冲程内燃机相连的涡轮增压器的喷嘴环和涡轮机叶片上，那么涡轮增压器的压力和转动速度将会增加。因此，内燃机和涡轮增压器的部件都将承受较高的热应力和机械应力，这一因素可同样会导致相关部件的损坏。如果结垢层在涡轮机叶轮的转动叶片的周边上的分布不均匀，则会出现转子的不平衡，其结果是轴承装置也会被损坏。

因此，必须有规律地将粘附在涡轮机叶轮的转动叶片和喷嘴环上的污垢清除掉。

DE-A13515825中公开了一种净化具有一内部轴承装置的排气涡轮增压器的轴流式涡轮机的转动叶片和喷嘴环的方法和装置。该轴流式涡轮机有一个进气套管，该套管有一个外套管壁和一个内套管壁，后者用来相对于流动通道遮盖涡轮机叶轮和轴。净化装置包括有多个布置在轴流式涡轮机的进气套管上的喷水器，并有伸入流动通道的喷嘴和一个供水管路。对于轴流式涡轮机的某一程度的结垢，其净化需要由一个测量和分析单元来确定。相应地，由布置在导向叶片的上游的喷嘴向流动通道内喷入水。这样形成的水的液滴由排气流向上分别输送到轴流式涡轮机的导向叶片和转动叶片，进而清除粘附在叶片上的污垢。

然而，固定的导向叶片的净化只有在水的液滴尽可能全面地冲击在这些其表面正对排气流的导向叶片上时才能达到充分的效果。在这一点上，喷水器和喷嘴必须分别均匀地布置在轴流式涡轮机的整个周边上。因此，需要有大量的喷水器和喷嘴，这样的结果是相对结构复杂，价格贵。另外，密封进气套管的费用也随着喷嘴数量的增加而增加。另一个问题是喷嘴在相对高流速的流动通道内的布置。这导致了水的射流没有力量，仅能到达导向叶片的一部分。因而不能保证足够的净化效果。

因此，本发明的一个目的是，试图避免所有的上述缺陷，提供一个新颖的涡轮增压器的轴流式涡轮机的喷嘴环和转动叶片的净化装置，并以一定方式布置该装置，使其在降低结构费用的前提下提高净化效果。

根据本发明，在一如权利要求1的前序部分所述的装置中，本发明的净化装置包括仅一个具有一中心轴的喷嘴，和至少一个喷射口以及一个净化介质供给管路。所说的至少一个喷射口布置在一个假想圆形区域的一点上，该圆形区域由一中心和一直径dk来确定，该中心位于内套管壁上游的距离a处。圆形区域的中心位于相对于内套管壁的一个假想的平行面上，该平行面位于内套管壁上游的距离a处，其中距离a由下式计算：

a = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中5≤P₁≤30％

这里，d_a是外径，d_i是内径，P₁是确定平行面距内套管壁的最大和最小距离a的百分比。

排气流的流线在没有一喷嘴的情况下，在进口套管内形成，该流线中仅一个以直角与平行面相交。而该交点即被定义为圆形区域的中心。一个平面通过该交点与平行面相切。圆形区域即形成在该切向平面内。圆形区域的直径dk根据下式计算：

d_{k} = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中5≤P₁≤30％

P₂是影响直径d_k的大小的百分比。喷嘴的中心轴与切向平面垂直，至少一个喷嘴的喷射口的方向大致与切向平面平行。

根据此定义，喷嘴及其至少一个喷射口布置在流动通道的区域内，其内的流线路径和流速分布全面扩展，由此净化介质在涡轮机的喷嘴环和转动叶片的范围内均匀分布。现有技术中，净化介质也是横向射入气流中，但是以很高的排气速度进入到进气套管区域内，因此净化介质的入射是受到限制的。与现有技术相比，本发明的净化介质可以到达涡轮机的喷嘴环和转动叶片的周边和叶片高度，因此涡轮机的喷嘴环和转动叶片可以得到均匀一致的冲刷，尽管只用了一个喷嘴，却保证了净化效果的提高。

如果有一个正好布置在圆形区域的中心的喷射口，那么效果则是特别好的，此时从内套管壁到平行面的距离a根据下式计算：

a = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中15％≤P₁≤20％

喷嘴或喷射口的这种布置形式下，流线可以被最佳地用于净化介质的均匀扩散，因此喷嘴环和转动叶片的净化效果将进一步提高。

如果喷嘴在切向平面的两端而且距离相等地具有至少一个喷射口，那么也是特别有利的。每一个喷嘴口有一个喷射面，切向平面的两端的喷射面的面积是相等的。另外，喷射口的布置使其径向相互重叠或至少彼此相连。这样净化介质的喷嘴环的周边和叶高的分布效果将进一步提高。而且这样的喷嘴与仅有一个喷射口的相比，成本效益更好，使用寿命更长。

还有，净化介质供给管路由两个管路部分组成则更有利，连接第一管路部分的一个紧固件从外部布置在外套管壁上，而第二管路部分则布置在进气套管的内部。

在这种设计情形下，径向或轴向设计的进气套管，包括喷嘴和第二管路部分，可以整体安装。第一管路部分的连接，即净化装置的整体安装可以随后进行，而不需再与进气套管的安装相互干扰。

另外，内套管壁有一个中空的内部空间，并通过至少一个在流动通道内形成的加强肋与外套管壁相连。第二管路部分穿过加强肋的内部，并直接延伸入内套管壁的内部空间。在这一端，轴向进气套管是整体铸造的。喷嘴被固定在内套管壁的上游端，并与第二管路部分相连。第二管路部分的这种布置使得净化介质供给管路引起的对排气流的影响可以避免，净化介质供给管路的使用寿命也可以显著提高。第二管路部分所需的结构空间很小，这样进气套管在轴向方向上可以设计得相对短一些。而且，在这样一个轴向进气套管的制造过程中，几乎不需要附加的净化装置生产费用。

在另外一种形式，即径向进气套管的情形下，第二管路部分的端部进入到一喷嘴内，而其另一端从内部向上延伸到内套管壁。内套管壁有一个用于第二管路部分的紧固件。在加强肋的内部有一个与第一和第二管路部分相邻的深孔。在涡轮增压器从径向进气套管上解体下来之后，第二管路部分，包括喷嘴，可以从内套管壁的内部空间相对容易地拆下来。因此也可以单独更换，费用可以显著降低。

最后，第二管路部分布置在喷嘴的上游。这给出了另外一种设计方式，使得第二管路部分和喷嘴可以从外部安装和拆卸。因此可以更快地进行净化装置的必要的维护和修复工作，这样涡轮增压器的停机时间，进而内燃机的停机时间可以降低。

下面结合一轴流式涡轮机的一径向或轴向进气套管的附图所作的详细描述，将帮助对本发明有一更全面的理解，并可发现更多的其它的优点，附图包括：

图1示出了装有一径向进气套管的轴流式涡轮机的局部纵剖面图，所示平面为驻点流线平面，即容纳了驻点流线的所有点的平面；

图2是图1的放大详图，示出了定位喷嘴出口所需的详细情况；

图3示出了沿图2中的箭头III的方向的假想圆形区域的视图；

图4是图1中所示喷嘴的放大视图，仅喷嘴轴线的上部是剖面形式；

图5是沿图4中的线V-V作的喷嘴的横断面视图；

图6是装有一轴向进气套管的轴流式涡轮机的部分纵剖面视图，所示平面为驻点流线平面；

图7是沿图6中箭头VII方向的进气套管视图；

图8是图6所示喷嘴的放大视图；

图9是沿图8中线IX-IX所作的喷嘴的横断面视图；

图10是沿图8中线X-X所作的喷嘴的横断面视图；

图11是另一实施例的图6中所示进气套管的部分纵剖面视图。

附图中仅示出了理解本发明所需要的部件。未示出的电站设备部件包括，例如，内燃机，压气机，以及涡轮增压器的轴承区。工作介质的流动方向由箭头示出。

参见附图，其中相同的标号代表几个附图中的相同或相应的部分，涡轮增压器的主要部分，仅部分示出，是其压气机端和装有一轴流式涡轮机1的涡轮机端1。涡轮增压器与一个设计为柴油机的内燃机的压气机端和涡轮机端两端相连。

在第一个实施例中，轴流式涡轮机1装有一个径向进气套管2。另外，它有一个排气套管3，一个由涡轮增压器轴4携带的涡轮机叶轮5和转动叶片6，以及一个在进气套管2内形成的流动通道7，用于接纳柴油机的排气。布置在流动通道7内、位于转动叶片6的上游的是一个喷嘴环8，其外径和内径分别为da、di。转动叶片6通过一个设计作为一扩散器的套环9将其与外部隔开。进气套管2有一个外套管壁和一个内套管壁10、11，它们共同限定了流动通道7，并且为了有利于流体流动，借助三个加强肋12相互连接起来，图中仅示出了一个加强肋12。内套管壁有一个中空的内部空间13，用来对应于流动通道7放置涡轮机叶轮5和涡轮增压器轴4。设计作为排气套管3的螺钉的多个连接元件14布置在进气套管2上(见图1)。在其上游端，进气套管2有一个进气法兰15，用于与柴油发动机的一个排气管路(未示出)相连。

在涡轮增压器的工作中，来自于柴油发动机的热排气首先被导入排气流16中，排气流16沿多个流线17至少以一个近似圆形的横断面进入轴流式涡轮机1的径向进气套管2。由于内套管壁11的作用，排气流16被输送入一个环形排气流18，使一单一驻点流线19以直角撞击内套管壁11。这样形成的环形排气流18再通过流动通道7导向涡轮机叶轮5。在此过程中，位于上游的喷嘴环8的作用是以一优化方式将排气导向涡轮机叶轮5的转动叶片6上。由此驱动的涡轮机叶轮5，进而驱动与其相连的压气机(未示出)。在压气机内被压缩的空气用来为柴油发动机供气，即增加后者的输出。

在喷嘴环8的上游，一个置入流动通道7的净化装置20被布置在进气套管2上。此净化装置20包括具有一个中心轴22的喷嘴21，一个净化介质供给管路23和一个喷射口24。净化介质供给管路23是一个两部件结构，具有一个第一和第二管路部分25、26。后者几乎独占地布置在内套管壁11的内部空间13内。内套管壁11的上游端有一个孔27，第二管路部分26通过此孔27直接进入流动通道7，并在这里插入喷嘴21中。

在其另一端，第二管路部分26在加强肋12的其中一个的区域内与内套管壁11相连，在后者上有一个螺口插座紧固元件28，而第二管路部分26上有一个相应的管接螺母29。第一管路部分25从外部与外套管壁10相连，同样后者有一个螺口插座紧固元件30，而第一管路部分25有一个相应的管接螺母31。相应于管路部分25、26，在对应的加强肋12的内部有一个深孔32，即它位于第一和第二管路部分25、26之间(图1)。也可以提供其它的紧固件用于两个管路部分25、26。

喷嘴21的喷射口24布置在一个假想的圆形区域34的中心33。圆形区域34由距内套管壁11一定距离的上游的中心33和一直径dk确定。圆形区域34的中心33位于一个相对于内套管壁11的假想的平行面35上，距内套管壁11的距离根据下式计算：

a = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中15％≤P₁≤20％

在喷嘴21装入进气套管2之前要进行喷射口24的位置的计算。图2中示出了相应的程序。根据上述距离的确定，百分比P₁得出了距内套管壁11的平行面35的一个最小距离和一个最大距离，图2中示出了其平均值。仅在进气套管2内在无喷嘴21的情况下形成的排气流16的流线17中的一个以直角与平行面35相交，进而确定了一个相交点36，圆形区域34的中心33正是位于此点上。一个切向平面37通过交点36并与平行面35相切，圆形区域34形成在此切向平面37内。圆形区域34的直径d_k由下式计算：

d_{k} = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{2}

其中0％≤P₂≤6％，

喷嘴21的中心轴22与切向平面37垂直，而其喷射口24与切向平面37平行。虽然此实施例中的喷嘴21的喷射口24位于圆形区域34的中心33(图1，图2)，但当然也可以布置在圆形区域34的任何其它点38(图3)。然而在此情形下，将不得不接受净化效果的某些降低。

为了示出喷射口24的布置，图4给出了带有位于流线17和平行面35之间的交点36的喷嘴21的一个放大形式，这里切向平面37从中心穿过喷射口24，与喷嘴21的中心轴22以直角相交。用于此目的的喷嘴21包括第二管路部分26的端部和一个带有四个紧固肋40的隔板29，其中四个紧固肋40以十字形布置，并焊接在管路部分26上(图5)。当然也可以使用其它合适的喷嘴。

喷嘴21及其喷射口24布置在流动通道7的一个区域内，在该区域内流线17的路径和流速分布都使其能够完全扩展，因而净化介质在喷嘴环8和涡轮机叶轮5的转动叶片6上能够均匀分布。所以喷嘴环8和转动叶片6沿其周边和叶片高度都能够被净化介质均匀冲刷，以便尽管只用了一个喷嘴21，却能够得到净化效果的提高。

液体，比如水，或甚至固体物质，如已知的净化颗粒，都可以作为喷嘴环8的净化介质使用，然而，上述的喷嘴21特别适合于颗粒状净化介质。净化作用由一个与净化装置20相连的测量控制单元41监测，并由一个阀42起动。测量控制单元41可以，例如，被设计和布置成DE-A1 35 15 825中所描述的形式。当然也可以用其它形式来实现。因此，除了涡轮增压器下游的空气压力，另一个控制变量，比如排气温度、涡轮增压器的充气压力或转动速度，也可以被监测，并可以布置适用于此目的的测量元件。涡轮机叶轮的结垢所导致的不平衡也可以作为涡轮增压器的震动而被测量，因此同样也可以作为一个控制变量。

在第二个实施例中，涡轮增压器有一个具有一轴向进气套管43(图6，图7)的轴流式涡轮机1。在此情形下，净化介质供给管路23的第二管路部分26可以整体地铸成在进气套管43内，即更确切地说，在内套管壁11内，在一个加强肋12内和外套管壁10内。带有四个喷射口24的喷嘴44形成在流动通道7内。基于驻点流线19的中心位置，交点36没有横向位移，以致于后者和喷嘴44的轴22位于驻点流线19上(图6)。与第一个实施例中的方式类似，同样可以确定圆形区域34，其中，喷嘴44的喷射口24可以布置在此圆形区域34的任一点38上(图8，图3)。

在每一情形下，喷嘴44的两个喷射口24布置在通过交点36的切向平面37的两端，并且在每一情形中，距此切向平面37都有相同的距离。在此情形下，喷射口24的布置径向相互部分重叠，并与切向平面37平行(图8)。每个喷射口24都有一个喷射部分46(图9，图10)，在切向平面37的两端的喷射部分46的面积相等。在与喷射口24相对的喷嘴44的另一端是外螺纹部分47(图8)，与内套管壁11上的内螺纹部分48相对应，用于紧固喷嘴44(图6)。

喷嘴44特别适合于使用液体净化介质，例如水，它与第一个实施例中所用的喷嘴21相比成本效益更好，也更坚固。而净化介质的分配以及两个喷嘴44、21的净化效果都是相同的。

与第一个实施例不同，第二管路部分26不仅形成在内套管壁11上，而且还穿过加强肋12。它从外套管壁10伸出，并在那里与第一管路部分25相连。在这一端，相应的加强肋12当然必须被加大一些，但在第一个实施例中与内套管壁11紧固连接的螺口插座28和第二管路部分26的相应的管接螺母29可以省去(图1，图6)。所以第二管路部分26在内套管壁11的内部空间13内不能松开，因为由此可以排除管路部分穿入旋转涡轮机叶轮5而导致的对轴流式涡轮机1的损害的危险性。

在第三个实施例中，还有一个轴向进气套管43，第二管路部分26布置在喷嘴44的上游(图11)。因此它不通过内套管壁11的内部空间13，这样喷嘴44可更简单些，而且可以从外部安装或拆卸。在径向进气套管2中当然也可以采用这种布置方式。

显然，根据上述说明，对本发明进行各种形式的修改和变换都是可能的。所以应该明确的是在后面所附的权利要求的范围内，本发明可以采用与以上所述之外的其它方式来实现。

标号清单

1 轴流式涡轮机

2 进气套管，径向

3 排气套管

4 涡轮增压器轴

5 涡轮机叶轮

6 转动叶片

7 流动通道

8 喷嘴环

9 盖环，扩散器

10 套管壁，外部

11 套管壁，内部

12 加强肋

13 11的内部空间

14 连接件，螺栓

15 进气法兰

16 排气流，圆形

17 流线

18 排气流，环形19 驻点流线20 净化装置21 喷嘴22 中心轴23 净化介质供给管路24 喷射口25 管路部分，第一26 管路部分，第二27 孔28 紧固件，螺口插座29 26的管接螺母30 紧固件，螺口插座31 25的管接螺母32 深孔33 中心34 圆形区域35 平行面36 交点37 切向平面38 点，任一39 挡板40 紧固肋41 测量和控制单元42 阀门43 进气套管，轴向44 喷嘴46 喷射面47 外螺纹48 内螺纹a 11距33的距离d_a 8的外径d_i 8的内径d_k 34的直径P₁ 百分比P₂ 百分比

Claims

1.一种涡轮增压器的轴流式涡轮机，具有一个进气套管(2，43)、一个由涡轮增压器的轴(4)带动的并具有转动叶片(6)的涡轮机叶轮(5)、一个形成在进气套管(2，43)内部并用于接受与涡轮增压器相连的内燃机的排气的流动通道(7)、一个布置在流动通道(7)内转动叶片(6)的上游并有一个外径和一个内径(d_a，d_i)的喷嘴环(8)以及一个布置在上游导入流动通道(7)内并与一个测量和控制单元(41)相连的净化装置(20)，在此布置方式中，进气套管(2，43)有一个外套管壁和内套管壁(10，11)，用来接受内燃机的排气流(16)，排气流(16)有多个流线(17)，并将排气流(16)进一步导向涡轮机叶轮(5)的转动叶片(6)，其特征在于：

a)所述净化装置(20)包括仅一个喷嘴(21，44)和至少一个喷射口(24)以及一个净化介质供给管路(23)，该喷嘴(21，44)具有一个中心轴(22)，

b)所述至少一个喷射口(24)布置在一假想圆形区域(34)内的一点(38)上，所述圆形区域(34)由一中心(33)和一直径(dk)来确定，所述中心(33)位于所述内套管壁(11)上游的一距离(a)处，

c)所述圆形区域(34)的中心(33)位于一个相对于内套管壁(11)的假想的平行面(35)上，它距内套管壁(11)的距离(a)根据下式计算：

a = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中5％≤P₁≤30％

d)所述排气流(16)中的所述流线(17)在没有一喷嘴(21，44)的情况下形成在进气套管(2，43)内，其中之一以直角与所述平行面(35)相交，并由此确定了一个交点(36)，所述圆形区域(34)的中心(33)即位于该交点上，

e)一个相对于所述平行面(35)的切向平面(37)通过所述交点(36)，所述圆形区域(34)形成在该切向平面(37)内，

f)所述圆形区域(34)的直径(d_k)根据下式计算：

d_{k} = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{2}

其中0％≤P₂≤6％，

g)所述喷嘴(21，44)的中心轴(22)与所述切向平面(37)垂直，并且所述喷嘴(21，44)的至少一个喷射口(24)的方向至少大致与所述切向平面(37)平行。

2.如权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于：从所述内套管壁(11〕到所述平行面〔35〕的距离〔a〕根据下式计算：

a = \frac{d_{a} + d_{i}}{2} \cdot P_{1}

其中15％≤P₁≤20％

并且所述喷嘴〔21〕有一个喷射口〔24〕布置在所述圆形区域〔34〕的中心〔33〕。

3.如权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于：

a)所述喷嘴(44)在所述切向平面(37)的两端并距其等距离至少有一个喷射口(24)，

b)所述喷射口(24)的位置径向相互重叠或至少彼此相邻，

c)每一个喷射口(24)都有一喷射面(46)，并且在所述切向平面(37)的两端的喷射面(46)的面积相同。

4.如权利要求1至3中任一项所述的轴流式涡轮机，其特征在于：

a)所述净化介质供给管路(23)包括两个管路部分(25，26)，

b)从外部连接所述第一管路部分(25)的一个紧固件(30)位于所述外套管壁(10)上，

c)所述第二管路部分(26)位于所述进气套管(2，43)的内部。

5.如权利要求4所述的轴流式涡轮机，其特征在于：

a)所述内套管壁(11)有一个中空内部空间(13)，并通过至少一个形成在所述流动通道(7)内的加强肋(12)与所述外套管壁(10)相连，

b)所述第二管路部分(26)穿过至少一个所述加强肋(12)的内部，直接延伸入所述内套管部分(11)的内部空间(13)，并且在其上游端与所述喷嘴(21，44)相连。

6.如权利要求5所述的轴流式涡轮机，其特征在于所述第二管路部分(26)在所述进气套管(43)内整体铸造，并且所述喷嘴(21，44)被紧固在所述内套管壁(11)上。

7.如权利要求4所述的轴流式涡轮机，其特征在于：

b)所述第二管路部分(26)的一端进入所述喷嘴(21)内，其另一端从内部向上延伸至所述内套管壁(11)，

c)所述内套管壁(11)有一个用于所述第二管路部分(26)的紧固件(28)，和

d)一个深孔(32)，位于所述加强肋(12)的内部，连接第一和第二管路部分(25，26)。

8.如权利要求4所述的轴流式涡轮机，其特征在于所述第二管路部分(26)位于所述喷嘴(21，44)的上游。