EP1687512B1 - Turbolader mit einer reinigungsvorrichtung - Google Patents

Turbolader mit einer reinigungsvorrichtung Download PDF

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EP1687512B1
EP1687512B1 EP04797254.2A EP04797254A EP1687512B1 EP 1687512 B1 EP1687512 B1 EP 1687512B1 EP 04797254 A EP04797254 A EP 04797254A EP 1687512 B1 EP1687512 B1 EP 1687512B1
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EP
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flow duct
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flow
inlet housing
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ABB Turbo Systems AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002Cleaning of turbomachines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/40Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers.
  • both the internal combustion engine and the turbocharger can be thermally overstressed.
  • damage or even destruction of the valves can occur in the internal combustion engine.
  • a dirt layer is deposited on the nozzle ring and on the turbine blades of a turbocharger connected to a four-stroke internal combustion engine, an increase in the pressures and the rotational speed of the turbocharger can be expected.
  • both components of the internal combustion engine and the turbocharger are thermally and mechanically stressed higher, which can also lead to the destruction of the affected components.
  • the axial turbine has a gas inlet housing with an outer and an inner housing wall, the latter serving to cover the turbine wheel and the shaft opposite the flow channel.
  • the cleaning device consists of several arranged on the gas inlet housing of the axial turbine water injectors with reaching into the flow channel nozzles and a water pipe. At a certain degree of contamination of the axial turbine, a cleaning requirement is determined via a measuring and evaluation unit. Accordingly, water is injected into the flow channel via the nozzles arranged upstream of the guide vanes.
  • the resulting water droplets are transported from the exhaust gas flow to the guide and the blades of the axial turbine and clean them of the adhering contaminants.
  • sufficient cleaning of the fixed guide vanes can only be achieved if they are acted upon as completely as possible on their surface facing the exhaust gas stream with the water droplets.
  • the water injectors or the nozzles must be arranged uniformly distributed over the entire circumference of the axial turbine. Accordingly, a larger number of injectors and nozzles is required, whereby such a solution is relatively complicated and therefore expensive.
  • the effort to seal the gas inlet housing increases with increasing number of nozzles.
  • Another problem is the arrangement of the nozzles in a region of the flow channel in which a relatively high flow velocity prevails. This creates a shallow jet of water which reaches only parts of the vanes. A sufficient cleaning is therefore not guaranteed.
  • a cleaning device for the nozzle ring and the blades of the axial turbine of a turbocharger which achieves an improved cleaning effect with a reduced construction cost, is in DE 196 51 318 described. It consists of only one nozzle with at least one injection opening and a detergent feed line.
  • the injection opening is arranged on any point of an imaginary circular area, which in turn by a distance upstream of the inner housing wall arranged center and is defined by a diameter.
  • the center lies on an imaginary parallel surface formed at a distance from the inner housing wall. The distance corresponds to the percentage diameter of the center diameter of the nozzle ring.
  • the center point is located at an intersection of the parallel surface and the perpendicularly intersecting streamline.
  • the diameter of the circular area is also dependent on the average diameter of the nozzle ring, which is multiplied by a percentage.
  • the injection opening of the nozzle is aligned at least approximately parallel to the tangential plane.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a cleaning device for the nozzle ring and the blades of the axial turbine of a turbocharger of the type mentioned, which achieves an improved cleaning effect with low construction costs.
  • the rod-shaped nozzle projects into the flow channel.
  • the cleaning agent is injected with the flow toward the nozzle ring and turbine blades.
  • the tubular nozzle can be easily inserted through an opening in the gas inlet housing in the flow channel. There are no complicated leads and holes in the housing necessary.
  • the nozzle is guided through existing openings, for example a wastegate opening in the gas inlet housing wall into the flow channel.
  • openings are often provided on both sides, since at the time of manufacture of the housing is not known whether and on which side such a waste gate will be connected. In this way, the cleaning device can be realized very easily, even in existing systems without such cleaning.
  • FIG. 1 shows a section through a radial gas inlet housing of an axial turbine of a turbocharger.
  • the arrows indicate the flow direction of the exhaust gases.
  • the hot exhaust gases come from below into the flow channel 2 and are guided past an inner housing wall on the nozzle ring, not shown, and then on the blades of the turbine.
  • the inner housing wall 12 covers the turbine wheel.
  • the inventive cleaning device is arranged upstream of the annular division of the flow, so that with a single nozzle 3 with a plurality of injection openings 32, the cleaning liquid can be distributed in the entire flow.
  • the nozzle protrudes into the flow channel substantially at right angles to the flow direction of the exhaust gas.
  • the nozzle is tubular, wherein the tube is advantageously closed at the end, for having one or more of said injection openings.
  • FIGS. 2 and 3 show different embodiments of such nozzles with round or slot-shaped injection openings 32 and 33. Further opening shapes, such as square or rectangular, are conceivable.
  • a plurality of injection openings are provided, these are advantageously arranged such that an overlap with the adjacent injection openings is ensured, and thus a further improved water distribution at the nozzle ring and the blades is achieved.
  • This is inventively achieved in slot-shaped openings so that the slots are aligned at right angles to each other.
  • the supply area 31 of the tubular nozzle is fastened to the gas inlet housing, for example, by means of a fastening disk 4.
  • the mounting plate is fastened by means of screws or other fastening means, for example through the mounting holes on the housing wall.
  • the nozzle is guided into the flow channel by openings already provided in the housing, for example the waste gate used for discharging exhaust gas from the flow channel.
  • the waste gate is often provided, it is not or only used on one side, so that at least one corresponding connection flange can be used for inserting the cleaning nozzle.
  • the cleaning device can be installed without additional drilling, and be retrofitted to existing turbines.
  • FIGS. 4 and 5 show external views of the gas inlet housing with the inventive cleaning device, in which the nozzles are guided through the Wast gate.
  • Fig. 4 shows an arrangement in which the detergent feed line is attached via the mounting plate to the wastegate flange. This arrangement has respect to the arrangement according to Fig.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader.
  • Sie betrifft die Axialturbine eines Turboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Die Verwendung von Abgasturboladern zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist heute weit verbreitet. Dabei wird die Abgasturbine des Turboladers von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. In Abhängigkeit von der konkreten Betriebssituation und der Zusammensetzung der zum Antrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Brennstoffe kommt es in der Abgasturbine früher oder später zu einer Verschmutzung der Laufschaufeln und des Düsenrings, wobei letzterer wesentlich stärker betroffen ist. Im Schwerölbetrieb bildet sich auf dem Düsenring eine Schmutzschicht aus, deren Härte vom Arbeitsprinzip der Brennkraftmaschine abhängig ist. Allgemein führen solche Schmutzablagerungen im Bereich des Düsenrings zu einem schlechteren Turbinenwirkungsgrad und demzufolge zur Verringerung der Leistung der Brennkraftmaschine. Außer- dem kommt es zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen im Brennraum, wodurch sowohl die Brennkraftmaschine als auch der Turbolader thermisch überbeansprucht werden können. Bei der Brennkraftmaschine kann insbesondere eine Beschädigung oder gar Zerstörung der Ventile auftreten. Lagert sich auf dem Düsenring und auf den Turbinenschaufeln eines mit einer Viertakt-Brennkraftmaschine verbundenen Turboladers eine Schmutzschicht ab, so ist mit einem Ansteigen der Drücke und der Drehzahl des Turboladers zu rechnen. Dadurch werden sowohl Bauteile der Brennkraftmaschine als auch des Turboladers thermisch und mechanisch höher beansprucht, was ebenfalls bis zur Zerstörung der betroffenen Bauteile führen kann. Bei unregelmäßiger Verteilung der Schmutzschicht am Umfang der Laufschaufeln des Turbinenrades kommt es zu einer Erhöhung der Unwucht des Rotors, wodurch auch die Lagerung beschädigt werden kann. Deshalb müssen die Düsenringe und die Laufschaufeln des Turbinenrades regelmäßig von den ihnen anhaftenden Verschmutzungen befreit werden.
  • Aus DE 35 15 825 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung der Laufschaufeln und des Düsenrings der Axialturbine eines Abgasturboladers mit Innenlagerung bekannt. Die Axialturbine besitzt ein Gaseintrittgehäuse mit einer äußeren und einer inneren Gehäusewand, wobei letztere zur Abdeckung des Turbinenrades und der Welle gegenüber dem Strömungskanal dient. Die Reinigungsvorrichtung besteht aus mehreren am Gaseintrittgehäuse der Axialturbine angeordneten Wasser-Injektoren mit bis in den Strömungskanal reichenden Düsen und einer Wasserleitung. Bei einem bestimmten Verschmutzungsgrad der Axialturbine wird über eine Mess- und Auswerteeinheit ein Reinigungsbedarf ermittelt. Dementsprechend wird über die stromauf der Leitschaufeln angeordneten Düsen Wasser in den Strömungskanal eingespritzt. Die dabei entstehenden Wassertröpfchen werden vom Abgasstrom bis zu den Leit- bzw. den Laufschaufeln der Axialturbine transportiert und reinigen diese von den anhaftenden Verschmutzungen. Eine ausreichende Reinigung der feststehenden Leitschaufeln ist aber nur dann zu erreichen, wenn diese auf ihrer dem Abgasstrom zugewandten Oberfläche möglichst vollständig mit den Wassertröpfchen beaufschlagt werden. Dazu müssen die Wasserinjektoren bzw. die Düsen gleichmäßig verteilt auf dem gesamten Umfang der Axialturbine angeordnet werden. Demnach ist eine größere Anzahl von Injektoren und Düsen erforderlich, wodurch eine solche Lösung relativ aufwendig und damit teuer wird. Außerdem erhöht sich der Aufwand zur Abdichtung des Gaseintrittgehäuses mit zunehmender Anzahl von Düsen. Ein weiteres Problem ist die Anordnung der Düsen in einem Bereich des Strömungskanals, in dem eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht. Dadurch entsteht ein flacher Wasserstrahl, welcher nur Teile der Leitschaufeln erreicht. Eine ausreichende Reinigung ist somit nicht gewährleistet.
  • Eine Reinigungsvorrichtung für den Düsenring und die Laufschaufeln der Axialturbine eines Turboladers, welche mit einem verringertem Bauaufwand eine verbesserte Reinigungswirkung erzielt, ist in DE 196 51 318 beschrieben. Sie besteht aus nur einer Düse mit zumindest einer Einspritzöffnung sowie einer Reinigungsmittelzuleitung. Die Einspritzöffnung ist auf einem beliebigen Punkt einer gedachten Kreisfläche angeordnet, welche ihrerseits durch einen in einem Abstand stromauf der inneren Gehäusewand angeordneten Mittelpunkt sowie durch einen Durchmesser definiert ist. Der Mittelpunkt liegt auf einer im Abstand zur inneren Gehäusewand ausgebildeten, gedachten Parallelfläche. Der Abstand entspricht dem mit einem Prozentsatz multiplizierten mittleren Durchmesser des Düsenrings, Der Mittelpunkt liegt auf einem Schnittpunkt der Parallelfläche und der sie rechtwinklig schneidenden Stromlinie. Der Durchmesser der Kreisfläche ist ebenfalls vom mittleren Durchmesser des Düsenrings abhängig, welcher mit einem Prozentsatz multipliziert wird. Die Einspritzöffnung der Düse ist zumindest annähernd parallel zur Tangentialebene ausgerichtet.
  • Diese Lösung mit dem rechtwinklig zur Strömungsrichtung eingespritzten Reinigungsmittel hat sich in der Praxis nur bedingt bewährt. Das Reinigungsmittel wird teilweise gegen die Aussenwand des Gehäuses gespritzt. Dadurch kommt es zu einer ungenügenden Wasserverteilung am Düsenring und an den Laufschaufeln was wiederum die Reinigungswirkung nachteilig beeinflusst.
  • In der DE 195 49 142 A1 ist eine Vorrichtung zur Nassreinigung einer Abgasturbolader-Turbine offenbart. In den Strömungskanal hineinragende Düsen weisen dabei in oder rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Abgase ausgerichtete Mündungen in den Abgaskanal auf, durch welche die Reinigungsflüssigkeit in den Strömungskanal eingespritzt wird.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Reinigungsvorrichtung für den Düsenring und die Laufschaufeln der Axialturbine eines Turboladers der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei geringem Bauaufwand eine verbesserte Reinigungswirkung erzielt.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung ragt die stabförmige Düse in den Strömungskanal ein. Durch die stromab ausgerichteten Einspritzöffnungen wird das Reinigungsmittel mit der Strömung in Richtung Düsenring und Turbinenschaufeln eingespritzt.
  • Die rohrförmige Düse lässt sich leicht durch eine Öffnung im Gaseintrittsgehäuse in den Strömungskanal einschieben. Es sind keine aufwendigen Zuleitungen und Bohrungen im Gehäuse notwendig.
  • Vorteilhafterweise wird die Düse durch vorhandene Öffnungen, beispielsweise eine Waste-Gate Öffnung in der Gaseintrittsgehäusewand in den Strömungskanal geführt. Solche Öffnungen sind oft beidseitig vorgesehen, da zum Zeitpunkt der Herstellung des Gehäuses nicht feststeht, ob und auf welcher Seite ein solches Waste-Gate angeschlossen werden wird. Auf diese Weise lässt sich die Reinigungsvorrichtung sehr einfach realisieren, selbst bei bestehenden Anlagen ohne solche Reinigung.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden ist anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Schnitt durch das Gaseintrittsgehäuse einer Turbine mit einer erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung,
    • Fig. 2 eine Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung aus dem Stand der Technik nach Fig. 1,
    • Fig. 3 eine erfindungsgemässe Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung nach Fig. 1, und
    • Fig. 4 und 5 Gesamtansichten des Gaseintrittsgehäuses nach Fig. 1.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Figur 1 zeigt ein Schnitt durch ein Radial-Gaseintrittsgehäuse einer Axialturbine eines Turboladers. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung der Abgase an. Die heissen Abgase kommen von unten in den Strömungskanal 2 und werden an einer inneren Gehäusewand vorbei auf den nicht dargestellten Düsenring sowie anschliessend auf die Laufschaufeln der Turbine geführt. Die innere Gehäusewand 12 deckt das Turbinenrad ab.
  • Die erfindungsgemässe Reinigungsvorrichtung ist stromauf der ringförmigen Aufteilung der Strömung angeordnet, so dass mit einer einzigen Düse 3 mit mehreren Einspritzöffnungen 32 die Reinigungsflüssigkeit in der gesamten Strömung verteilt werden kann. Die Düse ragt im wesentlichen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung des Abgases in den Strömungskanal. Die Düse ist rohrförmig ausgebildet, wobei das Rohr vorteilhafterweise am Ende verschlossen ist, dafür eine oder mehrere der besagten Einspritzöffnungen aufweist. Figuren 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen solcher Düsen mit runden bzw. schlitzförmigen Einspritzöffnungen 32 bzw. 33. Weitere Öffnungsformen, beispielsweise quadratisch oder rechteckig, sind denkbar.
  • Sind mehrere Einspritzöffnungen vorgesehen, sind diese vorteilhafterweise derart angeordnet, dass eine Überdeckung mit den benachbarten Einspritzöffnungen gewährleistet ist, und somit eine weiter verbesserte Wasserverteilung am Düsenring und den Laufschaufeln erreicht wird. Dies wird erfindngsgemäss bei schlitzförmigen Öffnungen damit erreicht, dass die Schlitze rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
  • Der Zuleitungsbereich 31 der rohrförmigen Düse wird beispielsweise mittels einer Befestigungsscheibe 4 am Gaseintrittsgehäuse befestigt. Die Befestigungsscheibe wird mittels Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln beispielsweise durch die Befestigungsöffnungen an der Gehäusewand befestigt.
  • Vorteilhafterweise wird die Düse durch bereits im Gehäuse vorgesehene Öffnungen, beispielsweise das zum Abführen von Abgas aus dem Strömungskanal verwendete Waste-Gate, in den Strömungskanal geführt. Das Waste-Gate ist oftmals zwar vorgesehen, wird jedoch nicht oder nur einseitig genutzt, so dass mindestens ein entsprechender Anschlussflansch für den Einschub der Reinigungsdüse verwendet werden kann. Somit kann die Reinigungsvorrichtung ohne zusätzliche Bohrung angebracht werden, und auch an bestehenden Turbinen nachgerüstet werden. Die Figuren 4 und 5 zeigen Aussenansichten des Gaseintrittsgehäuses mit der erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung, bei denen die Düsen durch das Wast-Gate geführt sind. Fig. 4 zeigt eine Anordnung bei der die Reinigungsmittelzuleitung über die Befestigungsscheibe an dem Waste-Gate Flansch befestigt ist. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung gemäss Fig. 5, bei welcher die Zuleitung direkt an die Gehäuseoberfläche geführt ist, den Vorteil, dass die kalte Zuleitung nicht direkt am heissen Gaseintrittsgehäuse befestigt ist. Allfällige Beeinträchtigungen der Gehäusewand, beispielsweise kleine Risse, können damit vermieden werden. Bezugszeichenliste
    1 Gaseintrittgehäuse
    11 Öffnung im Gehäuse, Wastegate-Öffnung
    12 Innere Gehäusewand
    2 Strömungskanal
    3 Reinigungsvorrichtung
    31 Düse
    32, 33 Einspritzöffnung
    34 Reinigungsmittelzuleitung
    4 Befestigungsscheibe
    41 Schraubenloch

Claims (5)

  1. Axialturbine eines Turboladers, mit einem Gaseintrittgehäuse (1), einem Turbinenrad mit Laufschaufeln, einem im Gaseintrittgehäuse (1) ausgebildeten Strömungskanal (2) für die Abgase einer mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine, einem stromauf der Laufschaufeln im Strömungskanal (2) angeordneten Düsenring sowie einer weiter stromauf angeordneten, in den Strömungskanal (2) mündenden Reinigungsvorrichtung (3), wobei
    der Strömungskanal stromauf des Düsenrings ringförmig aufgeteilt ist, und die Reinigungsvorrichtung (3) aus einer Düse (31) mit mindestens einer Einspritzöffnung (32, 33) sowie aus einer Reinigungsmittelzuleitung (34) besteht, und
    die Düse (3) stabförmig ausgebildet ist und durch eine Öffnung im Gaseintrittgehäuse (1) stromauf der Aufteilung des Strömungskanals in den Strömungskanal (2) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens eine Düse (3) mehrere schlitzförmige Einspritzöffnungen (32, 33) umfasst, welche in Strömungsrichtung ausgerichtet sind, so dass das Reinigungsmittel in Strömungsrichtung in den Strömungskanal (2) einspritzbar ist, und dass die Einspritzöffnungen zumindest teilweise rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
  2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) im Strömungskanal (2) rechtwinklig zu den Strömungslinien (21) angeordnet ist.
  3. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) mehrere Einspritzöffnung (32, 33) umfasst und dass die Einspritzöffnungen (32, 33) derart ausgerichtet sind, dass das Reinigungsmittel sowohl in Strömungsrichtung als auch in einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung in den Strömungskanal (2) einspritzbar ist.
  4. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 3
    dadurch gekennzeichnet, dass am Düsenstab (3) eine Befestigungsscheibe (4) angebracht ist, und dass der Düsenstab (3) über die Befestigungsscheibe (4) am Gaseintrittsgehäuse (1) befestigt ist.
  5. Axialturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gaseintrittsgehäuse (1) mindestens eine Öffnung zum Abführen von Abgas vorgesehen ist, und dass die Düse (3) durch diese Gasabführöffnung in den Strömungskanal (2) geführt ist.
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