JP2014181717A - 排ガスタービンの洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】径方向に流入が行われる軸流タービンの流入領域を湿式洗浄に関して最適化する。
【解決手段】管状の外側ハウジング壁１０と、外側ハウジング壁の内側に配置されたフード状の内側ハウジング壁１２とを備え、外側ハウジング壁により画定された流れ通路が、管状の形状から環状の形状に移行しており、外側ハウジング壁は、外側ハウジング壁により画定された流れ通路が円形の流出開口の円軸線Ａの軸方向とは異なる第１の方向から軸方向への変向を行うように、湾曲して構成されており、洗浄ノズル７が、外側ハウジング壁を通して案内されていて、流れ通路に突入している、排ガスタービンのガス流入ハウジングであって、流れ通路は、洗浄ノズルの領域で、短い対称軸線と長い対称軸線とを有する楕円形の横断面を有し、洗浄ノズルは、楕円形の通路横断面の短い対称軸線に沿って延在している。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排ガスが作用する流体機械の分野に関する。本発明は、排ガスタービンの洗浄装置、このような洗浄装置を備える排ガスタービン又はパワータービン並びにこのような洗浄装置を備える排ガスタービンを有する排ガスターボチャージャに該当する。

排ガスタービンは、内燃機関に過給するための排ガスターボチャージャに用いられる、又は内燃機関の排ガスに含まれるエネルギを機械エネルギ又は電気エネルギに変換するためのパワータービンとして用いられる。

内燃機関の具体的な運転状況、及び内燃機関を駆動するために使用される燃料の組成に応じて、遅かれ早かれ、タービン段の、つまりタービンホイール（インペラ）におけるタービン羽根及びノズルリングの案内羽根並びに様々なタービンハウジング部分に汚れが生じる。そのような汚れの堆積物は、ノズルリングの領域でタービン効率の悪化を招く恐れがあり、従って後続の機械、例えば排ガスタービンにより駆動されるコンプレッサ、及び過給された内燃機関自体の出力の低下を引き起こす。その結果として、燃焼室内の排ガス温度が上昇することがあり、これにより内燃機関だけでなくターボチャージャも過剰に熱負荷が掛けられる恐れがある。内燃機関では、特に排出弁の破損のみならず破壊が生じる恐れもある。

４サイクル内燃機関に接続されたターボチャージャのノズルリング及びタービン羽根に汚れの層が堆積すると、更に、ターボチャージャ回転数、従って過給圧及びシリンダ圧の上昇が想定される。これにより内燃機関だけでなくターボチャージャの構成要素は、熱負荷の上昇に加えて、より高い機械負荷に曝される。同様にこのことは、該当する構成要素の破壊を招く恐れがある。

タービンホイールの回転羽根の周りに汚れの層が不均等に分布している場合、ロータのアンバランスが高まることがあり、これにより回転部分の支持部分が破損する恐れがある。

タービンハウジングにおいて、流れ通路の、タービン羽根の径方向外側の領域で延在する外側輪郭に汚れの堆積が生じると、タービン羽根とタービンハウジングとの間の径方向遊びの減少に基づいて、運転中に接触が生じることがあり、接触により、タービン羽根が破損し、極端な場合には使用不能になる恐れがある。

従ってノズルリング、タービン羽根及びタービンハウジングの該当する領域では、運転中に定期的にこれらの部品に付着する汚れを除去しなければならない。

運転中に、重油で運転される内燃機関から到来する汚れを含む排ガスタービンを洗浄するために、洗浄媒体として、大抵は未処理の水道水が用いられる。水道水は、１つ又は複数のノズルを介してタービン段の上流側で排ガス流に噴射される。

排ガスタービンの、洗浄媒体により濡らされた面にしか洗浄効果を達成することができない。従って良好な洗浄のために、タービン段に向かう流入部の円又は環状の面において洗浄媒体の均一な分布を実現しなければならない。

軸流タービンの、典型的には径方向に流入が行われるガス流入ハウジングは、流れを、円形横断面からリング横断面に移行させる。具体的には洗浄媒体による十分な濡れによる、十分な洗浄作用をタービン段に達成するために、一部で極めて複雑な様々なコンセプトが開発された。

独国特許出願公開第３５１５８２５号明細書は、軸対称のガス流入ハウジングを備える排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転羽根及びノズルリングを洗浄する装置を開示している。この洗浄装置は、流れ通路まで達するノズルを備える、軸流タービンのガス流入ハウジングに配置された複数のインジェクタと洗浄媒体用の供給路とから成っている。

国際公開第２００６０１７９５２号パンフレットは、排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転羽根及びノズルリングを洗浄する装置を開示している。この洗浄装置は、使用されるガス流入ハウジングの形状に係わらず使用することができる。洗浄媒体の噴射は、タービン流入部の直ぐ上流側で、ノズルリングのハブ直径上に配置された、壁と同一平面に位置するノズルを介して行われ、この場合、各ノズルリング羽根に対応してノズルが配置されている。

欧州特許第８４８１５０号明細書は、９０°曲げられたガス流入ハウジングを備える排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転羽根及びノズルリングを洗浄する装置を開示している。周りに配置されたスリット状のノズル開口を備える単一の円筒形のノズルボディが、円蓋状の内側ハウジング壁のよどみ点に配置されている。

国際公開第２００５／０４９９７２号パンフレットは、流れ通路に突入する棒状のノズルを備える、排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転羽根及びノズルリングを洗浄する装置を開示している。下流側に方向付けられた噴射開口により、洗浄媒体の流れがノズルリング及びタービン羽根の方向に噴射される。

欧州特許出願公開第２５６５３９１号明細書は、単一のノズルロッドを備える単純化された洗浄装置を開示している。この洗浄装置は、洗浄液の複数の圧力レベルが提供されること、及び、ノズル自体は円蓋部に向かう流れのよどみ点のできるだけ近くに位置決めされることを特徴としている。

外側からハウジング壁を通して差し込まれたノズルボディが使用される場合、ノズルボディの固有振動数を考慮しなければならない。ノズルボディが長いほど、固有振動数が低い。潜在的なＨＣＦ（高サイクル疲労）破壊を招く、ターボチャージャ回転数に起因する振動数による振動励起を回避するために、高い固有振動数が必要である。

できるだけ高い固有振動数を達成するために、好適には大きな底面横断面のノズルボディを使用しなければならない。大きな底面横断面は、ガス通路の大きな遮断ひいては高められた流れ損失を招く。

独国特許出願公開第３５１５８２５号明細書 国際公開第２００６０１７９５２号パンフレット 欧州特許第０８４８１５０号明細書 国際公開第２００５／０４９９７２号パンフレット 欧州特許出願公開第２５６５３９１号明細書

本発明の課題は、径方向に流入が行われる軸流タービンの流入領域を湿式洗浄に関して最適化することである。

この課題を解決するために本発明によれば、排ガスタービンのガス流入ハウジングであって、円形の流出開口を有する管状の外側ハウジング壁と、円形の底面外側輪郭を有する、外側ハウジング壁の内側に配置されたフード状の内側ハウジング壁と、を備え、内側ハウジング壁の円形の底面外側輪郭が、外側ハウジング壁の円形の流出開口の領域で、外側ハウジング壁の円形の流出開口に対して同心に配置されており、外側ハウジング壁により画定された流れ通路が、内側ハウジング壁に沿って、管状の形状から環状の形状に移行しており、外側ハウジング壁は、外側ハウジング壁により画定された流れ通路が円形の流出開口の円軸線の軸方向とは異なる第１の方向から軸方向への変向を行うように、湾曲して構成されており、洗浄ノズルが、外側ハウジング壁を通して案内されていて、流れ通路に突入している、排ガスタービンのガス流入ハウジングにおいて、流れ通路は、洗浄ノズルの領域で、短い対称軸線と長い対称軸線とを有する楕円形の横断面を有し、洗浄ノズルは、楕円形の通路横断面の短い対称軸線に沿って延在している。

好適には、洗浄ノズルは、１つのノズルボディと、ノズルボディの長さにわたって分配された複数のノズル孔とを備える。

好適には、複数のノズル孔の各々は、それぞれノズルボディの軸線に対して固有の角度で延在していて、かつ流れ通路の特定の領域に向けて適宜方向付けられている。

好適には、複数のノズル孔の各々は、それぞれ固有の開口直径を有する。

本発明によれば、流れ通路は、洗浄ノズルの領域で楕円形の横断面を有し、洗浄ノズルは、楕円の短い方の対称軸線上に設けられている。

これにより、ノズル長さに関して最小化が達成され、更に、外側から差し込まれたノズルは、最小限の遮断で耐振式に実現することができる。

選択的に、外側からガス流入ハウジングに差し込まれ、流れ通路に突入する洗浄ノズルは、全長にわたって分配された複数の個々のノズル孔を備える。

ノズルボディの各ノズル孔は、選択的に、ノズルボディの軸線に対して固有の角度で方向付けられていて、更に、固有の開口直径を有する。この場合、幾何学的なパラメータ、例えばノズル孔の直径、ノズル孔の角度位置及びノズルボディの角度位置は、できるだけ高い洗浄効果を得るために、ＣＦＤシミュレーションにより規定される。

外側からガス流入ハウジングに差し込まれた洗浄ノズルは、更に、円蓋部を不要に濡らすことなく案内格子（格子状に配置された羽根から成る構造体）の直接の濡れを可能にするノズルボディの孔を実現する。

別の利点は従属請求項から明らかである。

続いて、図面に基づいて、本発明に従って構成されたガス流入ハウジングの実施の形態を説明する。

径方向のガス流入部を有する軸流タービンと遠心圧縮機とを備える、背景技術による排ガスターボチャージャの部分断面図である。 本発明に係る洗浄ノズルと共に図１の軸流タービンのガス流入ハウジングの、軸線の延長線に沿った断面図である。 図２のガス流入ハウジングのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

図１には、背景技術による排ガスターボチャージャの部分断面図が示されている。右側前方部分にタービンホイール４が位置し、タービンホイール４は、シャフト５を介して、コンプレッサホイール６に結合されている。コンプレッサホイール６は、コンプレッサハウジング６１内に配置されている。シャフト５は、軸受けハウジング５１に軸支されている。

タービンホイール４は、シャフト５に結合されたハブ４２並びに多数の回転羽根（動翼）４１を備える。回転羽根４１は、ハブ４２に結合されている。回転羽根４１は、形状結合（嵌め合いまたは噛み合いなどの部材相互の形状的関係に基づく結合）式又は力結合（力が伝達されるような結合；摩擦力結合）式にハブに結合してよい。択一的に、タービンホイールは、ハブ４２及び回転羽根４１と共に一体的に形成してよい。

タービンハウジングは、ガス流入ハウジング１を備え、ガス流入ハウジング１は、内燃機関の燃焼室からの高温の排ガスを、案内装置３を介して、タービンホイール４の回転羽根４１に導く。タービンホイール４の下流側で、排ガスは、ディフューザ２１を通流し、続いてガス流出ハウジング２２に集められ、排出装置に向かって案内される。

軸流タービンのガス流入ハウジング１は、外側ハウジング壁１０を備え、外側ハウジング壁１０は、径方向外側で流れ通路を有する。追加的に、ガス流入ハウジング１は、内側領域に、フード状の内側ハウジング壁１２を備え、内側ハウジング壁１２は、タービンホイール４のハブ４２を覆い、管状の供給路からの排ガス流をリング管状の流れに分配する。外側ハウジング壁１０は、タービン流入部への移行領域に、円形の流出開口を形成している。内側のハウジング壁１２の、同軸的に配置された円形の底面外側輪郭と相俟って、環状の流れ通路が画設される。

図２には、楕円形の流れ通路横断面と嵌め込まれた洗浄ノズル７とを備える、本発明に従って構成されたガス流入ハウジングの、排ガスタービンのシャフト軸線の延長線に沿った断面図が示されている。外側ハウジング壁１０は、管状に形成されている。図示の径方向に流入が行われる軸流タービンでは、ガス流入ハウジングは、軸方向とは異なる方向からの排ガス流を軸方向に変向する機能を有し、追加的に管状の流れを環状の流れに分配する機能を有する。

単独でみて、外側ハウジング壁１０は、タービン流入部への移行領域に、円形の流出開口を有する。円形の流出開口の円形の面に対して垂直にあってその円形の面の中心を通る直線は、以下において軸線Ａと記載する。軸線Ａは、タービンホイール４に結合されたシャフト５のシャフト軸線に一致する。軸線Ａに対して同軸的に、外側ハウジング壁１０の内側に、フード状の内側ハウジング壁１２が配置されている。外側ハウジング壁１０の流出開口の領域で、内側ハウジング壁１２は、同様に円形の底面外側輪郭を有する。これに対して上流側では、内側ハウジング壁１２は、先細りに延在して丸み付けられた先端部又は丸い頂部を成している。この領域で、管状の流れ通路は、環状の流れ通路に移行する。

排ガスタービンの運転中、内燃機関から到来する高温の排ガスは、先ず、横断面で少なくとも略円形の排ガス流Ｓ₁で、軸流タービンのガス流入ハウジングに導入される。内側ハウジング壁１２（円蓋部）の作用により、環状（リング状）の排ガス流Ｓ₂への変化が行われる。今や環状の排ガス流は、流れ通路を介して引き続きタービンホイール４に導かれる。その際、タービンホイール４の回転羽根４１の上流側に配置された案内装置（ノズルリング）３は、排ガスを最適にタービンホイール４の回転羽根４１に方向付ける役割を有する。これにより駆動されるタービンホイール自体は、タービンホイールに結合された図示していないコンプレッサ、又はパワータービンの利用の場合には図示していないパワーマシン、例えば発電機を駆動する働きをする。

図３には、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったノズルボディ７の断面図が示されている。図３において、流れ通路の楕円形の横断面が看取される。流れ通路は、図示の断面では２本の対称軸線Ｒ₁，Ｒ₂を有し、この場合、Ｒ₁は、楕円形の横断面の長い方の対称軸線（長軸）であり、Ｒ₂は、短い方の対称軸線（短軸）である。

流れ通路のこの横断面は、円形の横断面に対して、短い方の対称軸線Ｒ₂の方向に僅かな高さを有するので、洗浄ノズル７の長さも短縮することができる。

外側からガス流入ハウジング１０に差し込まれ、流れ通路に突入する洗浄ノズル７は、全長にわたって分配された複数の個々のノズル孔を有する。図面では、これらの孔を明確に示すことはしていない。図２の両方の矢印は、洗浄液の噴射方向を示しており、従ってノズルボディの２つの孔の配置及び方向性に関して暗示している。理想的には、複数の孔が、ノズルボディに沿って分配されていて、それぞれノズルボディの軸線に対して固有の角度で方向付けられていて、さらにそれぞれ固有の開口直径を有する。この場合、具体的な構成、つまり例えばノズル孔の直径や方向性のような幾何学的なパラメータは、それぞれ具体的な流れ通路の幾何学形状に応じて求められ、実施される。そのために好適には、できるだけ高い洗浄効果を既にデザイン段階で生じさせるために、ＣＦＤ（数値流体力学）シミュレーション技術が用いられる。

１ ガス流入ハウジング
１０ 外側ハウジング壁
１１ ブリッジ
１２ 内側ハウジング壁
１４ 外側ハウジング壁の流入開口
２１ ディフューザ
２２ ガス流出ハウジング
３ 案内装置
４ タービンホイール
４１ 回転羽根
４２ ハブ
５ シャフト
５１ 軸受けハウジング
６ コンプレッサホイール
６１ コンプレッサハウジング
７ 洗浄ノズル
７１ ノズルボディ
７２ ノズルボディの供給通路
Ａ 外側ハウジング壁の円形の流出開口の円軸線
Ｒ₁，Ｒ₂ 洗浄ノズルの領域における楕円形の通路横断面の対称軸線
Ｓ₁，Ｓ₂ 排ガス流

Claims (4)

1. 排ガスタービンのガス流入ハウジングであって、
   円形の流出開口を有する管状の外側ハウジング壁（１０）と、
   円形の底面外側輪郭（Ｋ）を有する、前記外側ハウジング壁（１０）の内側に配置されたフード状の内側ハウジング壁（１２）と、を備え、
   前記内側ハウジング壁（１２）の円形の底面外側輪郭（Ｋ）が、前記外側ハウジング壁（１０）の円形の流出開口の領域で、前記外側ハウジング壁（１０）の円形の流出開口に対して同心に配置されており、
   前記外側ハウジング壁（１０）により画定された流れ通路が、前記内側ハウジング壁（１２）に沿って、管状の形状から環状の形状に移行しており、
   前記外側ハウジング壁（１０）は、該外側ハウジング壁（１０）により画定された前記流れ通路が円形の流出開口の円軸線（Ａ）の軸方向とは異なる第１の方向から軸方向への変向を行うように、湾曲して構成されており、
   洗浄ノズル（７）が、前記外側ハウジング壁（１０）を通して案内されていて、前記流れ通路に突入している、
   排ガスタービンのガス流入ハウジングにおいて、
   前記流れ通路は、前記洗浄ノズル（７）の領域で、短い対称軸線（Ｒ₂）と長い対称軸線（Ｒ₁）とを有する楕円形の横断面を有し、前記洗浄ノズル（７）は、楕円形の通路横断面の短い対称軸線（Ｒ₂）に沿って延在していることを特徴とする、排ガスタービンのガス流入ハウジング。
2. 前記洗浄ノズル（７）は、１つのノズルボディ（７１）と、該ノズルボディ（７１）の長さにわたって分配された複数のノズル孔とを備える、請求項１記載のガス流入ハウジング。
3. 前記複数のノズル孔の各々は、それぞれ前記ノズルボディ（７１）の軸線に対して固有の角度で延在していて、かつ前記流れ通路の特定の領域に向けて方向付けられている、請求項２記載のガス流入ハウジング。
4. 前記複数のノズル孔の各々は、それぞれ固有の開口直径を有する、請求項２又は３記載のガス流入ハウジング。