JP4729042B2 - ガスタービン用の浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関用の排ガスタービンの分野に関する。さらに、この発明は特許請求項１の上位概念による浄化装置を有する排ガスタービンに関する。

特に排ガス過給機内の排ガスタービンは、内燃機関と関連して使用される。内燃機関からの排ガスは駆動媒体としてタービン羽根車を駆動するために利用される。タービン羽根車は軸によって圧縮機羽根車と接続されて、その圧縮機羽根車により内燃機関に供給される吸込み空気が圧縮される。排ガスタービンの回転羽根に案内された排ガスは不完全な燃焼によって且つ燃料汚染によって引き出される汚染を含有する。内燃機関が排ガスと一緒に放出する汚染の量が強力に使用された燃料に依存している。汚染燃料が使用されるならば、例えば重いディーゼル油は、著しい量の汚染が排ガスと一緒に放出され得る。

排ガス中の汚染は、タービン羽根と特に案内装置（ノズルリング）の案内要素（案内羽根）とに堆積を導き、それら案内要素はタービン羽根の上流で流路に接続されている。

永久的に故障のない運転を完全性能により保証することができるために、汚染した部材、即ちタービン羽根と特に案内装置の案内要素とは規則的間隔で排ガス流で流路に噴射した浄化液体によって堆積物から開放されなければならない。

スイス国特許第３３５９０１号明細書（特許文献１）から、羽根通路へ浄化媒体を導入する装置を有する軸方向タービンが知られている。浄化媒体を供給して流出箇所を備えてリングを形成するノズルキャリアが開示でき、このノズルキャリアは半径方向に流入通路の外部にタービンの羽根通路への入口にて案内羽根キャリアから間隔をおいて配置されている。案内羽根キャリアに対する距離とノズルキャリアの半径方向外部配列は、ノズルキャリアと案内羽根キャリアの間に熱応力が生じないことを保証する。ノズルキャリアと浄化媒体を流路へ導入するノズルは付加的に案内羽根から間隔をおいて配置されていて、浄化媒体が案内羽根に衝突する前に流れに分布され得ることを保証する。しかしながら、案内羽根からのこの間隔は、浄化媒体が強過ぎる流れに分解されて、収束された噴射の浄化作用があまり達成され得ないことを招き得る。それ故に、案内要素の狙った浄化は達成され得ない。

同様な装置はドイツ特許第２００８５０３号明細書（特許文献２）から知られている。浄化液体は再び流路の半径方向外部から大きな間隔をおいて流れに噴射される。

ドイツ特許第３５１５８２５号明細書（特許文献３）から、排ガス過給機のタービン羽根を浄化する装置が知られており、この排ガス過給機では水噴射ノズルによって水が案内要素の下流に排ガス流に噴射される。水は高圧水供給部から水導管を介して個々の水インゼクタへ案内されて、これらインゼクタは浄化する小滴の適切な流れを与える。水ライン、水インゼクタと噴射ノズルは流路を形成するハウジング部材の外側に配列されており、別の成分として設けられている。
スイス国特許第３３５９０１号明細書 ドイツ特許第２００８５０３号明細書 ドイツ特許第３５１５８２５号明細書

この発明の課題は、水の一様な分配が排ガスタービンの案内装置に達成される簡略化した浄化装置を備える軸方向タービンを創作することである。

この課題は、特許請求項１の特徴事項を備える排ガスタービンによって解決される。

この場合に、この発明によると、流路の領域に浄化液体を噴射する開口が流れ方向において案内装置の案内要素の直前に配置されており、この開口は環状流路の半径方向内側に位置する面に配置されている。

半径方向内面からの噴射のために、案内要素の半径方向高さに沿って浄化液体の改良された分配を生じる。幅広に下流に迅速に回転するタービン羽根により吸込れて、既に案内装置前の領域に半径方向外方に向いた成分を有する流れは半径方向内方により噴射した浄化液体を案内要素に供給する。

さらに、噴射が半径方向内方から生じるならば、浄化液体がタービン軸の延長領域に於ける中央に供給され得る。特に好ましくは、半径方向内方からの噴射は新たな世代の半球状キャプなしの排ガス供給ハウジングに使用される。そのようなハウジングでは、流路は排ガス供給管の円状横断面から同心円半球状内壁なしに直接に環状流路へ移行する。タービン軸線の延長部における領域が自由に接近できる。

さらに、噴射が半径方向内方から生じるならば、一般的に費用をかけて敷設する管がタービンハウジングの半径方向外方領域にて必要なく、その管はハウジング絶縁物に関して絶縁損失を導き得た。絶縁領域の各要素は熱ブリッジとして望ましからぬ加熱をタービンの内部領域から外方へ案内し得る。

流路リングの周辺に沿って中央供給から浄化液体を分布するために、開口は浄化液体用の循環する中空空間と接続されている。

排ガスタービンの回転軸線を中心に回転対称的に配置された中空空間により、浄化液体が均一に全案内装置に分配される。浄化液体を噴射するための案内装置の直前に或いは案内装置と同じ高さに配置された開口により、浄化液体が汚染に最も強力に設定された案内要素に直接に向けられて、それは作用十分な浄化を可能とする。さらに、流路を限定する包囲するタービンハウジングは、比較的冷たい浄化液体が熱いハウジング壁と接触しないか、或いは僅かな寸法でのみ接触するときに、熱的に僅かに強く負荷される。

噴射は好ましくは滞留流ラインの領域において軸方向及び周辺方向又はいずれか一方に出来るだけ固有滞留流の付近で行われる、というのは、浄化液体が滞留された流れにて僅かな流れ抵抗に逆らって噴射されるからである。

別の利点が従属請求項から明らかになる。

次に、この発明による浄化装置の種々の実施態様は、図に基づいて正確に説明される。

この発明による浄化装置は、排ガスタービンの中央軸線を中心に円筒状或いは環状に配置された中空空間とこの中空空間と直接に或いは導管を介して接続された開口とを包含し、その開口が流路に連通する。中空空間は導管を介してポンプと接続されている。このポンプにより浄化液体（水、すべての場合に浄化作用を強化する添加物を備える）が中空空間内の高圧（４０バールまで）で且つ開口を通して流路に供給される。中空空間内の圧力分布と流路の周辺に沿う開口の分布とは、浄化液体の均一な分布とそれによる案内装置の均一な浄化とを保証する。

中空空間は一体的に流路を限定するハウジング部材内に或いは熱的に離脱されて追加的に別の同様に少なくとも部分的に流路を限定する構成部材内に中空リングを形成され得る。この中空空間が従来の排ガスタービンにて存在するハウジング部材内に配置されるならば、これは、浄化のために追加的構成部材が設けられる必要がないという利点を有する。他方では、別の構成部材は現存の排ガスタービンに後で装備され得るか、或いは過剰な摩耗或いは故障の場合に簡単に交換され得る。

浄化液体が排ガス流の流れ方向において下流で案内装置（ノズルリング）の直前に或いは案内装置の高さに流路へ噴射されるので、多過ぎる相対的冷却浄化液体が熱い流路を多数に限定するタービンハウジング部材と接触することが阻止されている。それにより、案内装置の浄化においてハウジング部材の寿命を負的形式に影響する冷却衝撃は、回避され得る。そのために、浄化液体は案内装置の案内要素（案内羽根）の流れを受けた表面に衝突するまで均一には流れに分配されないことが生じる。それ故に、案内要素の各々にとって少なくとも一つの開口が存在するときに、好都合であり、その開口を通して浄化液体はそれぞれの案内要素上に噴射される。

開口、中空空間、場合によっては中空空間から開口までの導管は、二部材或いは多部材の構成部材によって形成され得る。例えば、円板状平らな要素は、要素とＴ円板の間に中央中空空間と循環する半径方向外方に案内する隙間又はしかし平らな要素或いはＴ円板のいずれかの対応する表面形状にて通路状導管が半径方向外方縁に形成されているように、センター内の管状導管を備えるＴ円板要素と接続され得る。導入通路の終端における循環隙間又は開口によってさらに浄化液体は流路内に噴射される。

図１乃至図７は、この発明による浄化装置のそれぞれに異なる実施態様を備える排ガスタービンを通るタービン羽根車３の回転軸線（鎖線）に沿って案内された断面を概略的に示す。図は流路２の領域を示し、流路には排ガスが矢印方向に案内要素（ノズルリング）４を介してタービン羽根車の回転羽根３１上に案内される。暗示的に、タービンハウジングの半径方向外側部材１１と半径方向内側部材１２が図示されている。

図１によるこの発明による浄化装置の第一の実施態様は、浄化液体を収容するために流路２の内部に半径方向に配置された中空空間５２を包含する。この中空空間はタービン羽根車の軸線を中心に回転対象に配置されて、図に示されるように、別の構成部材内に中空リング５８を形成されている、又は一体にタービンハウジング部材１２内に閉じ込められている。中空空間５２から出発して、開口５１が設けられ、その開口を通して浄化液体６が流路２内に噴射され得る。この中空リング５８は一つ或いは複数の導管５４を介して浄化液体用のポンプと接続されている。

案内装置の浄化の場合には、浄化液体は高圧により導管５４を介して中空空間５２へ供給される。浄化液体は中空空間内に分配し、その液体を満たし、開口５１を介して流路２へ流入する。圧力並びに開口の形状、大きさと整合によって、どのように浄化液体が流路２へ噴射されるべきであるか、調整される。既に述べられたように、浄化液体は開口のこの発明による配列のために案内装置の直接に下流に主として案内装置に衝突し、更なる下流で流路を限定するハウジング部材と接触しない。

図２に基づくこの発明による浄化装置の第二実施態様では、中空空間５２は案内装置のハウジング部材内に浄化液体を収容するように配置されている。図示された案内装置（ノズルリング）は二つの環状ハウジング部材４２と４３を包含する。これらの両ハウジング部材の間には複数の案内要素４１（案内羽根）が配置されている。選択的に、案内装置はハウジング部材に固定された案内要素を備えるハウジング部材からのみ形成され得る。

この発明による浄化装置の第二実施態様は、非常に簡単でコンパクトな構成を特徴として、最も簡単な技術で絶対的に均一の水分配を可能とする。さらに、この第三実施態様は現存の排ガスタービンの後装備に全く良く適している。従来の案内装置に代えて、簡単に、流路への開口を備える中空空間の周りに拡大されたこの発明による案内装置が使用される。この場合に、必要性と浄化液体の供給可能性に応じて、中空空間は案内装置の半径方向内側ハウジング部材或いは半径方向外側ハウジング部材内に又は全く両方に一体化され得る。

図３に基づくこの発明による浄化装置の第三実施態様では、中空空間５２は流路に対して中央に且つ半径方向間隔をおいて浄化液体を収容するように配置されている。この浄化液体は導管５３を介して個々の管部５５に、流路２へ案内される。中空空間５２は中空空間容器５７によって形成されており、この容器はカバー５６により閉じられ、浄化液体を中空空間へ供給する接続部と管部に接続する複数の開口とを所持する。

図４乃至図７に基づくこの発明による浄化装置の第四実施態様では、浄化液体を収容する中空空間５２はさらに流路に対して中央に且つ半径方向間隔をおいて配置されている。この中空空間５２と開口５１への通路状導管５３とは二つの要素５６と５７の間に形成され、それら要素は固定手段によって或いは他の形式で一体に保持されている。

図４に基づく第一態様では、要素が実質的に円板状であり、一方の要素５６では他のＴ字状要素５７用の一種のカバーが重要である。選択的に、要素は少なくとも部分的に斜めに、例えば円錐状に形成され得る。Ｔ字要素５７は浄化液体供給接続部５４を有する。導管５３は一方或いは両方の要素の表面の形状によって形成されている。

第二態様では、導管５３は中空空間５２から開口５１まで両要素５６と５７の間に配置された溝を備えた薄板５９によって形成される。図６，７と８に図示された態様では、溝薄板は両要素５６と５７の半径方向外部領域内に両要素間に締め付けられる。この締付けは複数のねじ或いは他の固定手段７２によって設けられた固定手段７３によって隣接したハウジング部材１２に固定された固定リング７１によって作用される。図７から明らかなように、溝薄板とそれに挿入されて半径方向外方に延びる溝とは少なくとも部分的に要素５６と５７の間に形成された中空空間５９に達する。それにより、浄化液体は中空空間から溝へ進入でき、溝の端部の半径方向外縁に配置された開口にまで流路に到達できる。浄化液体の進入を簡略化するために、溝は、図示のように、中空空間に進入する領域にて拡大され得る。所望の噴射角度を達成するために、要素５６と５７並びにその間にある溝薄板５９は半径方向外領域内で湾曲され得るか、或いは屈曲され得る。

図８は、案内要素４１の領域における流れ関係を概略的に示す。この発明によると、浄化液体を噴射する開口５１は所謂滞留領域に配置され、即ち流れが案内要素によって局部的に滞留されて、それに応じて制動される案内要素の前の同じ領域に配置されている。滞留領域２４が流れ方向において本来の滞留点２３の前に位置する。滞留領域における開口の配列は、噴射された浄化液体が最流速の流れを受けないので、噴射圧の減少を可能とする。それにより浄化液体の僅かな偏向を生じるので、僅かな圧力により液体が案内要素の全高さにわたり分配され得る。

滞留領域のこの効果を評価するために、開口５１は有利にはそれぞれに直接に案内要素の滞留点前で、最高であるが、しかし半案内羽根長さは案内要素の滞留点前で遠くに離れて配置すべきである。この領域では、減少した流れ速度から出発され得るので、上述のように、噴射の圧力が減少され得る。

周辺方向では、開口５１は有効にそれぞれの滞留ライン、つまり直接に滞留点に案内する同じ流れラインに位置する。それにより液体が流れから滞留点の両側へ、それにより案内要素の流れ形状の両側へ搬送されることが保証される。

半径方向内側に位置する中空空間を備えるこの発明による浄化装置の第一実施態様を示す。 案内装置に一体化された中空空間を備えるこの発明による浄化装置の第二実施態様を示す。 中央に配置された中空空間と開口への導入管とを備えるこの発明による浄化装置の第三実施態様を示す。 中央に配置された中空空間と二つの円板間に形成する開口への導入通路とを備えるこの発明による浄化装置の第四実施態様の第一態様を示す。 図４による第四実施態様の第二態様の詳細な表示を示す。 図４による第四実施態様の第二態様の他の詳細な表示を示す。 図４による第四実施態様の第二態様の更に他の詳細な表示を示す。 案内装置の領域にて流れ関係の概略表示を示す。

符号の説明

１１，１２．．．タービンハウジング
２．．．．．排ガス流路
２１．．．．流れライン
２２．．．．滞留ライン
２３．．．．滞留点
２４．．．．滞留領域
３．．．．．タービン羽根車
３１．．．．タービン回転羽根
４．．．．．案内装置、ノズルリング
４１．．．．案内要素、案内羽根
４２，４３．．．案内装置のハウジング部材
５１．．．．噴射開口
５２．．．．中空空間
５３．．．．開口への導管
５４．．．．中空空間への導管
５５．．．．導入管
５６．．．．カバー要素
５７．．．．中空空間容器、Ｔ字要素
５８．．．．中空リング
５９．．．．溝薄板
６．．．．．浄化液体
７１．．．．固定リング
７２．．．．固定手段
７３．．．．固定孔

Claims (13)

1. ハウジング（１１、１２）と、回転羽根（３１）を取り付けられるタービン羽根車（３）と、ハウジングによって少なくとも部分的に形成された排ガス流路（２）と、案内装置（４）の流路（２）内で回転羽根（３１）の上流に配置された複数の案内要素（４１）並びに排ガスタービンを浄化する装置を包含し、流路（２）が案内装置（４）の領域には環状に形成されていて、浄化装置が浄化液体（６）を流路（２）に噴射するために流路（２）に連通する開口（５１）を包含し、この開口（５１）が流れ方向に噴射するために案内要素（４１）の前に配置されている排ガスタービンにおいて、噴射する開口（５１）は環状流路（２）の半径方向内側に位置する面に配置されていることを特徴とする排ガスタービン。
2. 浄化液体（６）を分配するための開口（５１）と接続された中空空間（５２）が開口（５１）上に及び開口に沿って又はそのいずれか一方に設けられ、中空空間（５２）が半径方向に環状流路の内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガスタービン。
3. 中空空間（５２）は実質的にタービン羽根車（３）の回転軸線と共軸方向に配置されて、実質的に回転対称的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の排ガスタービン。
4. 開口（５１）は管状導管（５３）を介して中空空間（５２）と接続されていることを特徴とする請求項２或いは３に記載の排ガスタービン。
5. 供給導管（５４）は浄化液体（６）を中空空間（５２）へ供給するために設けられ、供給導管が半径方向に環状流路の内部で中空空間に連通することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
6. 浄化装置は少なくとも一つの中空リング（５８）を包含し、この中空リング（５８）は少なくとも部分的に形成されており、浄化液体（６）を流路（２）へ噴射する開口（５１）は中空リング（５８）の流路（２）を限定する側面に形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
7. 案内装置（４）は環状ハウジング部材（４２）並びに環状ハウジング部材に固定された案内要素（４１）を包含し、環状ハウジング部材（４２）には、浄化液体（６）を収容する環状中空空間（５２）が形成されており、中空空間から出発する開口（５１）が浄化液体（６）を中空空間（５２）から案内要素（４１）へ噴射するために環状ハウジング部材（４２）に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の排ガスタービン。
8. 浄化装置は少なくとも二つの共軸方向に配置されて流路を少なくとも部分的に限定する要素（５６、５７、５９）を包含し、それら要素は要素の少なくとも二つの間には中空空間（５２）と中空空間から出発して流路（２）に連通する一つ或いは複数の開口（５１）を備える流路（５３）が形成されるように構成されて互いに接続されて、その開口を通して浄化液体（６）が流路（２）に噴射され得ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
9. 噴射する開口（５１）はそれぞれに流れの滞留領域（２４）の案内要素（４１）の前に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
10. 周辺方向に噴射する開口（５１）は流れ滞留ライン（２２）の領域でそれぞれ一つの案内要素（４１）の前に配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
11. 案内装置（４）は複数の案内要素（４１）を包含し、それぞれに案内要素（４１）当たり少なくとも一つの開口（５１）は浄化液体（６）を流路（２）に噴射するために配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の排ガスタービン。
12. 要素（５６、５７）の間に唯一或いは若干の僅かな開口（５１）が形成されており、この開口は流路の周辺に沿ってスリット状に延びていることを特徴とする請求項８に記載の排ガスタービン。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の排ガスタービンを備えることを特徴とする排ガス過給機。

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