CZ305822B6

CZ305822B6 - Zařízení k odstraňování nečistot z difuzoru turbodmychadla

Info

Publication number: CZ305822B6
Application number: CZ2008-656A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Klíma; Jiří Vrzal; Milan Robotka
Original assignee: Man Diesel Se
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2016-03-30
Also published as: AT513223B1; AT507450A2; AT507450B1; CZ2008656A3; AT513223A2; AT507450A3; AT513223A3

Abstract

Zařízení k odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla se skládá ze sání (1) kompresoru ústícího do oběžného kola (2) kompresoru uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka (6) kompresoru. Vložka je nainstalovaná do spirální skříně (5) nebo je její integrovanou součástí. Na oběžné kolo (2) kompresoru, které je opatřené větším počtem lopatek dále navazuje bezlopatková část (3) difuzoru, za níž následuje lopatková část (4) difuzoru opatřená lopatkami (41). Tělo difuzoru nebo spirálová skříň (5) je opatřena rozvodnou drážku (10), z které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do vnitřní stěny (12) difuzoru. Poloha jejich vyústění leží na průměru D.sub.inj .n.rovnajícím se 1,03 až 1,30 násobku průměru D.sub.2.n. oběžného kola (2) kompresorového stupně, přitom pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka (10) opatřena těsněními (11, 11a). Rozvodná drážka (10) je napojena na rozvod (9) proplachovacího média spojeným s přívodem (8) proplachovacího média.

Description

Zařízení k odstraňování nečistot z difuzoru turbodmychadla

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení k odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla, které se skládá ze sání kompresoru ústícího do kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, přičemž vložka může být rovněž integrovanou součástí spirální skříně, nainstalovaná do spirální skříně, kde na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru opatřená lopatkami.

Dosavadní stav techniky

Plnicí turbodmychadlo je proudový stroj využívající ke svému pohonu energii obsaženou ve výfukových plynech a sloužící ke stlačování vzduchu, který je pak po ochlazení přiváděn do válce spalovacího pístového motoru. Skládá se ze dvou hlavních částí - kompresorové a turbínové. Kompresor stlačuje vzduch vstupující do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepřeplňovanému motoru. Kinetická energie horkých spalin dává rychlost turbíně pohánějící kompresor. Turbína je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je umístěna na společném hřídeli s kompresorem. S rozvojem měrných výkonů motorů rostou i požadavky na poměrné stlačení vzduchu v turbodmychadle. Úměrně stlačení roste i teplota stlačeného vzduchu, což je nevýhodné. Pro motory znamená vyšší teplota plnicího vzduchu snížení účinnosti motoru. Tento problém se většinou řeší použitím mezichladiče stlačeného vzduchu (tzv. intercooler), který teplotu opět sníží. Stlačením plnicího vzduchu se dosáhne zvýšení hustoty vzduchu, zvýšení hmotnostní náplně válce, lepšího teplotního režimu, nižší produkce oxidů dusíku, lepších podmínek pro mazání válce a výfukové plyny mají nižší teplotu. Z pohledu konstrukce turbodmychadla zvýšení stlačení a výstupní teploty doposud znamenalo pouze změnu materiálu oběžného kola kompresoru, skříně a lopatkového difuzoru, pokud byl v dané sestavě používán. Současné konstrukce turbodmychadel používají radiální kolo kompresoru namontované na hřídeli uložené v ložiscích. Na opačném konci hřídele je upevněno oběžné kolo turbíny ať už s axiálním nebo radiálním vstupem do oběžného kola turbíny. Oběžné kolo kompresoru je z vnější strany obemknuto statorovou částí tak, aby vůle mezi oběžným kolem a statorem byla co možná nejmenší, při zachování potřebné provozní bezpečnosti a spolehlivosti. Po průchodu oběžným kolem vstupuje stlačený a ohřátý vzduch do difuzoru, který je obvykle tvořen stěnou skříně kompresoru a protistěnou náležející k ložiskové skříni. V některých případech se do sestavy zařazuje lopatkový difuzor. Po průchodu difuzorem vzduch vchází do spirály kompresorové skříně a krátkým difuzorem přichází k výstupní přírubě, na kterou je pak připojen mezichladič a plnicí potrubí spalovacího motoru. Kompresorová skříň bývá ve většině případů jednoplášťový odlitek. Někdy je používána dvouplášťová skříň, aby vnější povrchové teploty nepřesáhly dovolenou hodnotu (viz. například článek MTU’s powerful single-stage performer for four-strokes, Worldwide Turbocharger Guide, August/September 2007).

Problematickým se jeví, že kompresorový stupeň turbodmychadel nasává vzduch většinou z prostoru strojovny, kde se mohou vyskytovat páry zejména ropných látek. V mnohých případech je do sání kompresoru připojeno odvětrání klikové skříně motoru, kde se také i přes zařazení separátoru objevují olejové páry. Tyto látky během komprese vlivem rostoucí teploty mění svojí strukturu a ulpívají zejména na výstupu oběžného kola, stěnách bezlopatkového difuzoru a lopatkách i stěnách lopatkového difuzoru. Tento negativní efekt se objevuje zejména při vysokých stlačeních, která se u moderních turbodmychadel stávají běžnými. Ulpívající částice postupem doby tvoří souvislou vrstvu, která má několik negativních projevů:

- mění průřezy průtočných částí

- nanáší se nerovnoměrně a zvyšuje zbytkovou nevývahu rotujících dílů a namáhání profilů

- 1 CZ 305822 B6

- zvyšuje drsnost povrchu

- zhoršuje přestup tepla

V důsledku těchto jevů dochází ke zhoršování účinnosti a provozních vlastností kompresoru. Výše jmenované negativní vlivy se řešily zkrácením intervalů údržby a mechanickým čistěním dílů, demontáží rotoru a jeho novým vyvažováním se všemi důsledky.

Běžně se pro radiální kompresorové stupně používají různé typy difuzorů, například difuzory bez lopatek, či s lopatkami nebo s vrtanými kanály apod. Na obr. 1 je znázorněn příklad kompresorového stupně opatřeného difuzorem s lopatkami. Za oběžným kolem kompresorového stupně je uspořádán difuzor obsahující krátkou bezlopatkovou část a lopatkovou část, ze které stlačený plyn vstupuje do spirální skříně. V oběžném kole kompresorového stupně je předávána práce, která vede k zvýšení vnitřní energie plynu, což se navenek projevuje zvýšením tlaku a teploty. Ve statoru kompresorového stupně dochází k přeměně kinetické energie na tlakovou (potenciální energii). Celková teplota plynu se již v zásadě nemění, celkový tlak se snižuje o ztráty. Teplota bezlopatkové části a lopatkové části difuzoru i spirální skříně je blízká celkové teplotě plynu, což může při vysokých stlačeních, kdy jsou teploty vysoké, vést k následným technickým potížím:

- snížení mechanických vlastností materiálů

- zhoršení těsnosti

- deformace

- zanášení dílů látkami obsaženými ve vzduchu, které při vyšších teplotách mění svoji strukturu, čímž dochází k poklesu účinnosti

Vynález popsán v americké přihlášce US 2006245913 řeší kompresor, který obsahuje turbinové kolo, difuzor a zařízení pro mokré čištění kompresoru. Zařízení je uspořádáno na výstupu turbinového kola ve směru toku pracovního média. Zařízení obsahuje prostředek pro vstřikování čisticí tekutiny, který je taky umístěn na výstupu turbinového kola, ve směru toku pracovního média z turbinového kola do difuzoru. Difuzor má alespoň z části nepřilnavý povrch. Zařízení tohoto typuje vhodné pro odstraňování hluboce usazených nečistot z povrchu difuzoru.

Řešení pro generování vlhké komprese par čisticí kapaliny, které jsou nasávány ve vícestupňovém radiálním kompresoru je řešeno v německé přihlášce DE 3 248 440. Kompresor zahrnuje poháněč, na jehož výstupu je uspořádán difuzor, na který je připojen příčný kanál. Kompresor dále obsahuje více trysek pro vstřikování par čisticí kapaliny. Trysky jsou uspořádány axiálně symetricky po podélné ose hřídele kompresoru, a to takovým způsobem, že vstřikování čisticí kapaliny do difuzoru probíhá v podstatě proti proudu napříč příčným kanálem.

V přihlášce JP 2008248726 je řešen problém snižování účinnosti kompresoru v důsledku adhezi cizorodých pevných, nebo olejových částic ve vnitřním povrchu vstupu kompresoru. V přeplňovaném spalovacím motoru je kompresor umístěn v nasávacím potrubí, co umožňuje nasávání čerstvého vzduchu do kompresní komory. Přeplňovaný spalovací motor má dále prostředky pro vstřikování par čisticí kapaliny do sání kompresoru.

K čistění kompresorového stupně za provozu se běžně používá vstřikování vody do sání kompresoru. Je zde využíváno dynamického účinku kapek vody na nánosy na lopatkách. Při vyšších stlačeních jsou ale obvodové rychlosti velmi vysoké, a proto po nárazu kapek vody na oběžné kolo kompresoru dochází k jejich roztříštění na menší, které již nemají dostatečný účinek. Navíc kompresí nasávaného média dochází k nárůstu teploty a tím k odpařování vody, čímž kapky dále snižují velikost a tím i čisticí účinek. Oblast difuzoru z těchto důvodů zůstává nevyčištěná a úsady se zde dále hromadí.

-2CZ 305822 B6

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je odstranění nečistot z difuzoru kompresorového stupně za provozu motoru, a to zejména z lopatkové části difuzoru bez ohledu na jeho konstrukci, kde se negativní účinek znečistění projevuje nejvíce.

Tohoto cíle je dosaženo zařízením k odstraňování nečistot z kompresorového stupně turbodmychadla opatřeného difuzorem, který se skládá ze sání kompresoru ústícího do oběžného kola kompresorového stupně uspořádaného na hřídeli, k němuž je přiřazena vložka kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně, kde na oběžné kolo kompresorového stupně, které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru opatřená lopatkami, jehož podstata spočívá v tom, že tělo difuzoru nebo spirálová skříň je opatřena rozvodnou drážkou, ze které vycházejí proplachovací trysky ústící do stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru Dj_nj rovnajícímu se 1,03 až 1,30 násobku průměru D₂oběžného kola kompresorového stupně, přičemž pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka opatřena vnějším těsněním a vnitřním těsněním a rozvodná drážka je dále napojena na rozvod proplachovacího média spojeného s přívodem proplachovacího média.

Zařízením k odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla, jenž se skládá ze sání kompresoru ústícího do kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně, přičemž vložka může být rovněž integrovanou součástí spirální skříně, kde na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru opatřená lopatkami, jehož podstata spočívá v tom, že spirálová skříň nebo tělo difuzoru jsou opatřeny rozvodnou drážku, ze které vycházejí nejméně dvě proplachovací trysky ústící do stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru D_inj rovnajícímu se 1,03 až 1,30 násobku vnějšího průměru D₂ oběžného kola kompresoru, přitom pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka opatřena těsněními. Proplachovací trysky mohou ústit do vnitřní stěny difuzoru, nebo do vnější stěny difuzoru, nebo mohou ústit do obou stěn. Rozvodná drážka je napojena na rozvod proplachovacího média spojený s přívodem proplachovacího média. Těsnění lze umístit pouze do skříně kompresoru nebo pouze do mezikruží difuzoru anebo jinými obdobnými způsoby.

Po zvýšení účinnosti odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla je výhodné, když spirálová skříň je opatřena rozvodnými drážkami, z nichž vycházejí proplachovací trysky ústící do vnitřní stěny i vnější stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru D_inj

Hlavní výhoda spočívá v tom, že v oblasti bezlopatkového difuzoru, který následuje za výstupem z oběžného kola, je vytvořen určitý počet trysek, k nimž je například drážkou v disku lopatkového difuzoru v definovaných intervalech přivedeno pod tlakem proplachovací médium s výrazně vyšší hustotou, než je hustota stlačovaného média, a též vyšším tlakem, než je tlak stlačovaného média. Přivedené proplachovací médium se tryskami dostává do proudu stlačovaného média, kde díky rozdílné hustotě proudí po jiných trajektoriích než hlavní proud a díky tomu vytváří dodatečné dynamické účinky na povrch stěn a lopatek difuzoru, o které se dále tříští a odráží, čímž se dynamické působení ještě zvyšuje. Tyto dynamické účinky narušují úsady, které hlavní proud odnáší ven z kompresoru. Tento proces čistění probíhá periodicky, ve stanovených intervalech a není přitom nutné měnit výkon přeplňovaného motoru.

Uvedený způsob čistění má následující výhody:

• jsou odstraněny nečistoty zčásti kompresoru, jejíž znečistění má největší vliv na pokles parametrů kompresorového stupně

-3CZ 305822 B6 • není nutné snižovat výkon motoru nebo motor dokonce odstavovat • prodlouží se doba do opravy, omezí se prostoje • nedochází ke zhoršování vlastností kompresorového stupně • metoda je jednoduchá • není ovlivněna životnost dílů kompresorového stupně.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, na kterých zobrazuje obr. 1 dílčí podélný řez kompresorovým stupněm s difuzorem opatřeným lopatkami, obr. 2 podélný řez kompresorovým stupněm se znázorněním rozvodu promývacího média a tryskami pro jeho rozstřikování před lopatkovým difuzorem, obr. 3 (podélný) řez kompresorovým stupněm se znázorněním rozvodu promývacího média a tryskami pro jeho rozstřikování ústícími z vnitřní stěny i vnější stěny difuzoru.

Na výkresech jsou znázorněny jen ty části kompresorového stupně, které jsou nezbytné pro porozumění technického řešení. Proudění promývacího média i pracovního plynuje znázorněno prostřednictvím šipek.

Příklady uskutečnění vynálezu

Princip konstrukce zařízení k proplachování difuzoru turbodmychadla a k němu přilehlých částí ve smyslu tohoto technického řešení bude dále objasněn, nikoliv však omezen v následujících příkladech.

Turbodmychadlo sestává z kompresorového stupně a na výkrese neznázoměné spalinové turbíny. Základní uspořádání kompresorového stupně turbodmýchadla je částečně znázorněno na obr. 1. Uspořádání tvoří ucelený soubor dílů, které umožňují nasátí a stlačení plynu. Kompresorový stupeň se v tomto provedení skládá ze sání 1, oběžného kola 2 kompresorového stupně, k němuž je přiřazena vložka 6 kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně 5, přičemž je možné i řešení, kdy je vložka kompresoru 6 integrována do spirální skříně 5 a tvoří spolu jeden celek.

Na oběžné kolo 2 kompresorového stupně, které je opatřeno větším počtem lopatek a je uspořádané na hřídeli, dále navazuje bezlopatková část 3 difuzoru, k níž přiléhá lopatková část 4 difuzoru s lopatkami 41. Tato lopatková část 4 difuzoru vyúsťuje do spirální skříně 5, na kterou většinou navazuje výstupní difuzor s připojovací přírubou (na obr. 1 nejsou zakresleny).

Příkladné provedení zařízení určeného k proplachování difuzoru (lopatkového nebo bezlopatkového), kde je proplachovací médium přiváděno z jedné strany, je znázorněno na obr. 2. Konstrukce proplachování difuzoru v tomto provedení tvoří oběžné kolo 2 kompresorového stupně, k němuž je vně přiřazena vložka 6 kompresoru, v tomto příkladě je integrovaná do spirální skříně 5 a tvoří s ní jeden díl. Vložka 6 kompresoru může být i samostatnou součástí, jak je znázorněno na obr. 1. Na oběžné kolo 2 kompresorového stupně dále navazuje bezlopatková část 3 difuzoru, na níž navazuje lopatková část 4 difuzoru opatřená lopatkami 41. Na obrázku je vidět, že ve spirální skříni 5 je vytvořena rozvodná drážka J_0, z které vycházejí trysky 7, jež ústí do vnitřní stěny 12 difuzoru. Průměr D_inj, kde ústí trysky 7 do vnitřní stěny 12 difuzoru je 1,03 až 1,30 krát větší, než je vnější průměr D₂ oběžného kola 2 kompresorového stupně. Proti nežádoucím ztrátám proplachovacího média je rozvodná drážka 10 těsněna vnějším těsněním 11 a vnitřním těsněním 1 la. Rozvodná drážka 10 je pomocí vhodně zhotoveného rozvodu proplachovacího média 9 spojena s jeho přívodem 8. Je možné i provedení, kdy jsou přívod proplachovacího média 8, rozvod 9

-4CZ 305822 B6 a rozvodná drážka 10 situovány na protilehlé straně tak, že trysky 7 ústí do vnější stěny 13 difuzoru.

Příkladné provedení zařízení určeného k proplachování difuzoru (lopatkového nebo bezlopatkového), kde je proplachovací médium přiváděno zobou stran, je znázorněno na obr. 3. V tomto případě je konstrukce zařízení shodná. Proplachovací médium je přiváděno z obou stran a trysky 7 pak ústí jak do vnitřní stěny 12 difuzoru, tak i do vnější stěny 13 difuzoru.

Při provozu kompresorového stupně je proplachovací médium o tlaku a hustotě výrazně vyšší než tlak a hustota stlačovaného plynu ve stanovených intervalech přiváděno přes přívod 8 proplachovacího média, rozvod 9 proplachovacího média a rozvodnou drážku 10 do trysek 7, ze kterých je rozstřikováno do proudu stlačovaného plynu. Díky rozdílné hustotě a velikosti částic má vstřikované proplachovací médium rozdílné trajektorie, než hlavní proud stlačovaného plynu, a díky tomu dopadá na vnitřní stěnu 12 a vnější stěnu 13 difuzoru a povrch lopatek 41, které pak čistí svojí kinetickou energií. Proplachovací médium je voleno tak, aby se po průchodu výstupní částí kompresorového stupně odpařilo a mohlo být smícháno s hlavním proudem stlačovaného plynu a bez nežádoucích účinků mohlo proudit až do válců motoru.

Odstraňování nečistot spočívá v tom, že se bezlopatková část 3 difuzoru bezprostředně za oběžným kolem 2 kompresorového stupně opatří nejméně dvěma tryskami 7 napojenými na přívod 8 proplachovacího média s výrazně vyšší hustotou (100 až 2000 krát vyšší), než je hustota stlačovaného média, a vyšším tlakem (1,05 až 20 krát vyšším), než je tlak stlačovaného média, načež se proplachovací médium pod tlakem z trysek 7 rozstřikuje před lopatky difuzoru do proudu stlačovaného média, kterým se přivádí na povrch vnější a vnitřní stěny 12 a 13 difuzoru, kde se dále tříští a odráží a dynamicky působí na úsady na povrchu lopatek 41, které se tím narušují, a hlavní proud stlačeného média a proplachovacího média tyto úsady následně odnáší ven z kompresoru, přičemž tento proces čistění probíhá periodicky, ve stanovených intervalech, obvykle, ale nikoliv výhradně, 6 až 36 hodin vždy po dobu alespoň 5 s.

Průmyslová využitelnost

Konstrukce proplachování difuzoru kompresoru podle tohoto řešení se dá využít zejména u kompresorů turbodmychadel a spalovacích turbín, apod., které pracují s plynem obsahujícím páry látek, které v průběhu komprese vlivem změny tlaku a teploty mění svoji strukturu a ulpívají na částech kompresorového stupně, čímž zhoršují jeho termodynamické a provozní parametry. Proplachováním ve stanovených intervalech pomocí určitého množství proplachovacího média lze úsady odstranit, a tím odstranit nebo alespoň výrazně omezit zhoršování parametrů kompresoru. Díky tomu není nutné zkracovat servisní intervaly z důvodu nutnosti čistění částí kompresoru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení k odstraňování nečistot z kompresorového stupně turbodmychadla opatřeného difuzorem, který se skládá ze sání (1) kompresoru ústícího do oběžného kola (2) kompresorového stupně uspořádaného na hřídeli, k němuž je přiřazena vložka (6) kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně (5), kde na oběžné kolo (2) kompresorového stupně, které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část (3) difuzoru, za níž následuje lopatková část (4) difuzoru opatřená lopatkami (41), v y z n a č u j í c í se t í m , že tělo difuzoru nebo spirálová skříň (5) je opatřena rozvodnou drážkou (10), ze které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru D_inj rovnajícímu se 1,03 až 1,30 násobku průměru D₂ oběžného kola (2) kompresorového stupně, přičemž pro zamezení úniku pro

- 5 CZ 305822 B6 plachovacího média je rozvodná drážka (10) opatřena vnějším těsněním (11) a vnitřním těsněním (11a) a rozvodná drážka (10) je dále napojena na rozvod (9) proplachovacího média spojeného s přívodem (8) proplachovacího média.
2. Zařízení k odstraňování nečistot z kompresorového stupně turbodmychadla podle nároku 1, vyznačující se t í m , že vložka (6)je integrovanou součástí spirální skříně (5).
3. Zařízení k odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla podle nároku 1, vy z n ač u j í c í se t í m , že tělo difuzoru nebo spirálová skříň (5)je opatřena rozvodnou drážku (10), ze které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do vnitřní stěny (12) nebo do vnější stěny (13) nebo do obou stěn (12, 13) difuzoru