JP5275453B2 - 噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒体を流路へ噴射するための噴射装置に係る。かような噴射装置は、例えば、過給された内燃機関の分野では、洗浄媒体をターボチャージャの排気ガスタービンの流路に噴射するための洗浄モジュールとして、使用される。

内燃機関の出力を増大させるために、今日、標準では、エンジンに前置されたコンプレッサと、このコンプレッサに結合したタービンと、を有する排気ガスターボチャージャが、内燃機関の排出管に用いられている。内燃機関の過給によって、充填量、従ってまた燃料量をシリンダ内で増大し、このことから、出力の顕著な増大を得る。海軍部門における所定のエンジンの適用（中速機関）の場合、ディーゼル燃料のほかに、重油（Heavy Fuel Oil HFO）も、燃料として用いられる。重油（ＨＦＯ）は、イオウ、バナジウム、ナトリウム、ニッケル及び水並びに他の元素によって特徴付けられる。より価値の高い燃料、例えば、ディーゼル油またはケロシンとの比較では、ＨＦＯの燃焼の際に、排気ガス管において、並びに、排気ガスタービンの流れ領域では、タービンブレード、及びタービン通路の輪郭セクション、並びに、特に、流路の中でタービンブレードに前置されているガイド装置(ノズルリング)のガイド要素（ガイドブレード）において、過剰の割合の有害な沈積物が生じる。ノズルリングの、ガイドブレードが設けられた狭い通路における沈積物は、流路横断面の閉塞をもたらし、タービンの作動態様を損ない、全過給システムの効率を減じる。通路壁部における沈積物が、タービンブレードの先端と、対応の適合輪郭部材との間の遊びを更に減じる。汚染の進行、及び沈積物が汚染に伴って厚くなることによって、タービンのブレード端部が、磨耗によって、目立って磨り減らされる。ターボチャージャの洗浄（保守）及び沈積物の除去の後に、続いて、先端の余りに大きな遊びが生じる。このことによって、更なる作動のためのチャージャの効率が減じられることがある。

全出力の際に、恒久的に故障のない作動を保証することが可能であるように、汚染された部分、即ち、ガイド装置のタービンブレード及び特にガイド要素の沈積物を、規則的な間隔をあけて、流路の中で排気ガス流に噴射される洗浄液によって、取り除かなければならない。

特許文献１からは、洗浄媒体を、ブレードが設けられた通路へ導入するための手段を有する軸流タービンが公知である。ここでは、洗浄媒体を運び、出口個所を有し且つリングを形成するノズル支持手段が開示されている。このノズル支持手段は、流入通路の径方向外側で、タービンの、ブレードが設けられた通路への入口で、ガイドブレード支持手段から間隔をあけて設けられている。ガイドブレード支持手段からの間隔、並びにノズル支持手段の、径方向外側における設置は、ノズル支持手段とガイドブレード支持手段との間の熱応力が形成されないことを引き起こす。ノズル支持手段と、洗浄媒体を流路へ導入するノズルとは、更に、ガイドブレードから間隔をあけて設けられている。その目的は、洗浄媒体が、ガイドブレードに当たる前に、流れの中で分散することが可能であることを保証するためである。しかしながら、ガイドブレードからのこの間隔は、洗浄媒体が流れの中で余りも強く分解され、かくて、集束されたビームの洗浄作用が全く達成され得ないことをもたらすことが可能である。従って、ガイド要素の適切な洗浄を達成することが可能でない。

類似の装置は、特許文献２から公知である。同様に、洗浄液が、流路の径方向外側から大きな間隔をあけて流れの中へ噴射される。

特許文献３からは、排気ガスターボチャージャのタービンブレードを洗浄するための装置が公知である。この装置では、水噴射ノズルによって、水を、ガイド要素の上流で、排気ガス流へ噴射する。水は、高圧給水装置から、水管を介して、個々の水噴射装置へ導かれる。水噴射装置は、次に、洗浄のための液滴の適切な流れを供給する。水管、水噴射装置及び水噴射ノズルは、流路を形成するハウジング部分の外に設けられており、別個の構成部材として実現される。

特許文献４からは、排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンのための洗浄装置が公知である。この洗浄装置は、洗浄液を径方向外側から環状の流路に噴射するための、ノズルリングの上流で流路に通じる開口部を有している。装置は、更に、洗浄液を開口部に分散するためのキャビティと、洗浄液をキャビティに供給するための供給管とを有する。
スイス国特許第 CH 335 901 号明細書 独国特許第 DE 2 008 503号 号明細書 独国特許第 DE 35 15 825 号明細書 欧州特許出願公開 EP 1 627 993 A1 号明細書

本発明の課題は、媒体を流路に噴射するための、信頼性のある噴射装置を提供することにある。この噴射装置は、特に排気ガスタービンで、簡単な且つ信頼性のある洗浄装置として用いることが可能である。

本発明によれば、このことは、以下の噴射装置によって達成される。この噴射装置は、噴射される媒体を収容するための、流路を少なくとも部分的に取り組むキャビティと、媒体を流路に噴射するための、キャビティを流路と接続する出口開口部とを有している。出口開口部は、カバーシートが、キャビティにおいて大気圧より高い圧力を加える際に、プレストレスに抗して離れ、且つ出口開口部を開けるように、予備緊張されたカバーシートによって、閉じられている。

本発明に係る噴射モジュールの第一の実施の形態では、支持要素とカバーシートとの間に、噴射される媒体を噴射するための出口開口部が設けられている。カバーシートは、出口開口部の領域で、プレストレスによって、流路の縁部まで延びている支持要素で支持されている。それ故に、支持要素とカバーシートとの間の出口開口部は、カバーシートによって閉じられている。キャビティにおける、大気圧より高い圧力を印加するときに始めて、カバーシートは、プレストレスに抗して支持要素から離れ、このことによって、出口開口部を開く。噴射された媒体は、この瞬間に、キャビティから、カバーシートと支持要素との間に出口開口部を通って、流路へ流れる。

選択肢として、カバーシートが、締付要素と支持要素との間に緊締されていても良い。この場合、締付要素及び支持要素は、形によっておよび／または力によって（例えば、ネジまたはリベットによって）互いに結合されており、あるいは、後方を把持する安全要素によって互いに接するように固定されている。

本発明に係る噴射モジュールの第二の実施の形態では、噴射される媒体を噴射するための出口開口部は、二つのシートの間に設けられている。カバーシートは、選択肢として、支持要素と結合されており且つ出口開口部の領域にあるガイドシートで、プレストレスにより支持されている。それ故に、出口開口部は、二つのシートの間で閉じられている。選択肢として、二つのシートの内端は、支持要素と結合されており、シートは、支持要素と共にキャビティを形成する。キャビティで大気圧より高い圧力を印加する際に、カバーシートは、プレストレスに抗してガイドシートから離れ、このことによって、出口開口部を開ける。噴射される媒体は、この瞬間、キャビティから二つのシートの間の出口開口部を通って流路へ流れる。

選択肢として、二つのシートの一方または両方は、締付要素と支持要素との間で緊締されていても良い。締付要素及び支持要素は、この場合、形によってまたは力によって（例えば、ネジまたはリベットによって）互いに結合されており、あるいは、後方を把持する安全要素によって互いに接するように固定されている。

その代わりに、カバーシートおよび／またはガイドシートは、溶接またははんだ付けされており、あるいは、他の方法、材質同士によって、形によってまたは力によって結合されていても良い。

選択肢として、カバーシート及びガイドシートは、一つのシートから一体的に成形されていても良い。この場合、選択しとして、このシートによって支持要素が取り囲まれていても良い。

選択肢として、キャビティへの入口通路は、或る角度で設けられていても良い。それ故に、噴射される媒体がキャビティへ入る際に、媒体が、接線方向構成要素に当てられ、このことによって、キャビティの中での噴射される媒体の分散の改善が達成される。

本発明に係る噴射モジュールは、軸流タービンにおける、例えばラジアルタービンまたは混流タービンにおけるあるいはコンプレッサにおける、並びにタービン及びコンプレッサと結合されていて流れを導く配管における、洗浄モジュールとして用いることが可能である。

排気ガスターボチャージャにおける洗浄モジュールとして、本発明に係る噴射モジュールは、洗浄液を、噴射される媒体として、ノズルリングの手前の所定の位置で、定常圧力または周期的に変化する圧力（脈動）で、流路へ噴射するために用いられる。このことによって、ノズルリングを濡らし、不純物を除去することが意図されている。

一般的には、任意のガイドシステムの流路を洗浄するためのこのような洗浄モジュールを、用いることが可能である。このガイドシステムは、例えば、熱い排気ガスまたは強く汚染された空気を、短い距離または長い距離に亘って運ぶ。

支持要素、締付要素、カバーシートまたはガイドシートは、環状にまたは部分的に環状に（リング要素として）流路を少なくとも部分的に取り囲み、あるいは、円形または部分的に円形に、環状の流路の内部に設けられていても良い。

他の利点は、従属請求項から明らかである。

従来の技術に基づく排気ガスターボチャージャの全体図を示す。 第一の実施の形態に基づいて実施される本発明に係る洗浄装置を有する軸流タービンの断面図を示す。 図２に示す軸流タービンの切り開かれた洗浄装置の詳細図を示す。 同様に第一の実施の形態に基づいて実施される本発明に係る洗浄装置を有する混流タービンの断面図を示す。 図４に示す混流タービンの切り開かれた洗浄装置の詳細図を示す。 第二の実施の形態に基づいて実施される本発明に係る洗浄モジュールの第一の変形例を表わす切り開かれた混流タービンの図を示す。 第二の実施の形態に基づいて実施される本発明に係る洗浄モジュールの第二の変形例を表わす切り開かれた混流タービンの図を示す。

以下、図面を参照して、本発明に係る噴射モジュールの種々の実施の形態を詳述する。以下の実施の形態は、排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンのための洗浄モジュールとしての、本発明に係る噴射装置を示している。この場合、噴射装置と言う概念の代わりに、洗浄モジュールと言う概念を用いる。しかしながら、全ての特徴は、噴射装置としての一般的な実施の形態にも当て嵌まることが意図されている。

図１は、排気ガスタービン２０及びコンプレッサ１０と、両者の間に設けられた軸受ハウジング５０とを有する、従来の排気ガスターボチャージャを示している。排気ガスタービンは、ガス流入ハウジング２１を有している。このガス流入ハウジングを通って、熱い排気ガスが、タービンホイールに向って流れ、且つタービンホイールを駆動する。その後、排気ガスは、ガス流出ハウジング２２を通って、排気システムに供給される。タービンホイールは、軸Ａを中心として回転可能なシャフトの一端に設けられており、このシャフトは、軸受ハウジング５０に回転自在に取り付けられている。シャフトの他端には、コンプレッサホイールがある。コンプレッサホイールは、空気流入ハウジング１１を通って吸引された空気を圧縮する。空気は、続いて、空気流出ハウジング２１の中に集められ、内燃機関の燃焼室に供給される。図示した実施の形態では、タービンは、軸方向に排気ガス流に曝される軸流タービンである。その代わりに、排気ガスを、厳密に径方向にまたは径方向に対し僅かに傾斜した方向に、タービンホイールへ送ることが可能であるだろう。この場合には、混流タービンのことを述べている。

以下の図は、軸流タービン及びラジアルタービンまたは混流タービンに関し、洗浄モジュールとして複数の構成要素からなる、本発明に係る洗浄装置の第一の実施の形態、及び、ラジアルタービン及び混流タービンに関し、一つの図でのみ説明される第二の実施の形態とを示す。しかしながら、ラジアルタービン及び混流タービンを、軸流タービンの代わりに十分に用いることが可能である。噴射される媒体としては、通常、液体、特に水または水と添加物の化合物が用いられる。しかしながら、噴射される媒体としては、空気、水蒸気または双方の媒体の混合物を用いることが可能である。

図２及び図３に示す軸流タービンの場合、本発明に係る洗浄モジュール４０は、第一に、環状のまたは部分的に環状の支持要素４１及びカバーシート４３から構成されている。カバーシート４３は、支持要素４１に対し、支持要素４１及びカバーシート４３が環状のまたは部分的に環状のキャビティ４６を取り囲むように、設けられる。この場合、選択肢として、支持要素４１は、カバーシート４３が、カバープレートの如く、キャビティ４６に亘って延びているように、キャビティ４６を少なくとも二つの側で区画する形状を有している。この場合、カバーシートは、支持要素４１の一側では、この支持要素上で支持されている。この支持は、本発明では、プレストレスの下でなされる。このために、カバーシート４３は、支持要素４１の他側では、変形の下で支持要素４１に取り付けられている。

カバーシートは、例えば、環状のまたは部分的に環状の締付要素４２によって、支持要素４１の軸方向に締め付けられている。支持要素４１の内径及び外径における、カバーシート４３の軸方向の支持面は、締付のために、所定の長さだけ、軸方向に僅かにずらされる。続いての組立段階で、支持要素４１を、カバーシート４３の曲げ強さに従って締付要素４２に対し緊締する。それ故に、カバーシートは、僅かに撓む。内側の支持面の領域では、このことによって、前記のプレストレスされた支持が生じる。シートの締付力は、伸長行程（Verspannweg）に、選択されたシートの厚さに従ってまた使用された材料に依存する。

選択肢として、環状のまたは部分的に環状の安全要素４４が、複数の構成要素の、軸方向での相対移動を阻止し、このことによって、締付アセンブリのプレストレスを保持する。

選択肢として、支持要素４１に対するカバーシート４３の同心位置を、環状の締付要素４２の内側座部（Innensitz）によって保証することが可能である。

排気ガスタービンの洗浄の際に、洗浄液、通常は水が、周囲に配設された複数の開口部を通って、理想的な場合には周面に対し接線方向に、キャビティ４６へ噴射される。キャビティの中の上昇する水圧によって、カバーシート４３が僅かに変形される。それ故に、カバーシートは、支持要素４１上の支持から離れ、カバーシート４３と支持要素４１の間の環状ギャップの形態の出口開口部が開く。水は、最小限に拡張する環状ギャップを通って流路へ漏れ出て、その際、全周面に亘って、汚れたノズルリング２６を濡らす。洗浄工程の終了後、水圧が下がる。それ故に、環状リングは閉じて、洗浄モジュール４０の内部に、特にキャビティ４６への汚染粒子の浸入が阻止される。

カバーシート４３の表面構造は、平滑にまたは或る表面構造を持ってデザインされることが可能であるが、しかし、局所的な開口部、例えばスロットを、噴射方向に有することが可能である。開口部を通って、水が、好ましい個所で、流路に漏れ出ることが可能である。その代わりに、これらのスロットを、支持要素４１に形成することも可能である。

図２及び３に示した実施の形態では、本発明に係る洗浄モジュールは、流路の径方向外側の領域に設けられている。流路が環状であるとき、流路は、従って、径方向内側のハウジング境界部を有するとき、洗浄モジュールは、同様に、流路のこの径方向内側領域に設けられていても良い。

図４及び図５に示すラジアルタービン及び混流タービンの場合、本発明に係る洗浄モジュール４０は、同様に、環状のまたは部分的に環状の支持要素４１と、環状の、閉鎖型のまたは開放型のカバーシート４３とから構成されている。このことによって、カバーシート４３と支持要素４１との間に、環状ギャップの形態の出口開口部４７が生じる。出口開口部を通って、水を流路に噴射することが可能である。カバーシート４３の曲げ強さと、キャビティ４６に増大された水圧とが、環状ギャップのレベルを決定する。カバーシート４３が厚ければ厚いほど、水圧が同じであっても、ギャップは一層小さく、流路に噴射された水の浸入度が一層高くなる。洗浄工程の終了後、キャビティ４６内の圧力も同様に低下する。このことによって、出口開口部４７が閉じられ、洗浄モジュールの汚染を阻止する。カバーシート４３、環状ギャップ４７または支持要素４１上で、万が一、沈積物が発生したとしても、沈殿物は、カバーシートの湾曲作用によって割られ、かくして、理想の場合には、洗浄モジュールのための自浄作用が達成される。

この第二の実施の形態の、本発明に係る洗浄モジュールの、その製造の際には、カバーシート４３は、出口開口部４７の領域で、塑性変形によって、径方向外側に押圧される。続いてカバーシート４３を支持要素４１と共に軸方向に組み立て、且つ、続いて、カバーシートを支持要素４１上に緊張させる際に、出口開口部４７は、プレストレスの増大によって、組み立てられた状態で、まだ欠如している水圧に対し閉じられている。このことによって、カバーシート４３の及び支持要素４１の製造許容差への要求は重大ではなく、本発明に係る洗浄モジュールの機能は、達成可能な加工寸法の故に余り損なわれない。

更に、錐形の外径を有するカバーシート４３は、閉鎖型のまたは開放型の締付要素４２によって、支持要素４１に径方向に締め付けられ、軸方向の安全要素４４によって固定されている。支持要素４１と、カバーシート４３と、締付要素４２と、安全要素４４とからなる締付アセンブリは、複数のネジ６０によって、タービンハウジングにロック式に固定される。本発明に係る洗浄モジュールのキャビティ４６への水の供給は、周面に一つのまたは複数の分配された流入口４５を介してなされる。これらの流入口は、出来る限り接線方向に、従って、キャビティ４６に向って軸方向に角度をなして、実施されなければならない。このことによって、キャビティ４６内の水の良好な分配は、カバーシート４３と支持要素４１との間の流出開口部４７の細いギャップを通って洗浄水を均等に流出することによって、達成される。

カバーシート４３の表面構造を、同様に、平滑にまたは或る表面構造をもって実行することが可能である。

図６に示す本発明に係る洗浄モジュールの第二の実施の形態では、流路の縁部にまで延びている支持要素４１の代わりに、カバーシート４３のための支持手段として、ガイドシート４１１が設けられている。このガイドシート４１１は、支持要素４１の可撓性の延長部として見なされ、それ自体、支持要素の部分である。二つのシート４３及び４１１は、支持要素４１と共に、キャビティ４６を区画する。二つのシートは、プレストレスによって、互いに向って押圧されている。

二つのシート、即ち、ガイドシート４１１及びカバーシート４３は、対応のろう付け個所または溶接個所で、支持要素４１にろう付けまたは溶接されている。選択肢として、締付要素（図示せず）によって、これらのシートが支持要素４１に取り付けられていても良い。

二つのシート、即ち、ガイドシート４１１及びカバーシート４３は、図７に示すように、唯一つのシートから一体的に製造されていても良い。

流路が熱ガスを運ぶような用途のために、カバーシート及び場合によってはガイドシートが、対高熱性材料から製造されていることは好都合である。この材料は、高温の場合であっても、本発明に係る装置にとって中心的な意味を有する自らの形状を保持する。

カバーシート及びガイドシートは、同一の材料から、または、しかし、異なった性質、特に、異なった熱膨張係数を有する材料から製造されていても良い。このことによって、二つのシートの間のプレストレスを、温度の変動が大きい場合でも、維持することが可能である。この目的のために、カバーシート及びガイドシートは、シートの異なった厚さおよび／または異なった表面構造を有しても良い。

噴射装置の領域における温度調節のために、作動中に、同一のまたは異なった温度及び同一のまたは異なった熱伝導率を有する一連のガス状及び液状の媒体または混合物を、噴射モジュールによって、流路に噴射することが可能である。このことによって、カバーシートが、繰り返しの温度衝撃によって自らの形状を失い、従って、場合によってはプレストレスが長いこと維持され得ないことを阻止することが可能である。排気ガスターボチャージャにおける排気ガスタービンのための洗浄モジュールの場合、例えば、流路の中の熱い排気ガスに基づいて加熱されたカバーシートを、ぬるま湯または暖かい空気によって、所定の温度に冷却し、続いて、より冷たい洗浄液を流路に噴射する。

１０…コンプレッサ、１１…空気流入ハウジング、１２…空気流出ハウジング、２０…排気ガスタービン、２１…ガス流入ハウジング、２２…ガス流出ハウジング、２３…ディフューザ、２４…タービンホイール、２５…タービンホイールの回転ブレード、２６…ガイド装置、ノズルリング、３０…シャフト、４０…洗浄モジュール、４１…支持要素、４１１…ガイドシート、４２…締付要素、４３…カバーシート、４４…安全要素、４５…流入口、４６…キャビティ、４７…出口開口部、４８…固定フランジ、４９…固定孔、５０…軸受ハウジング、６０…固定ネジ、６１…ろう付け個所または溶接個所、Ａ…シャフトの回転軸。

Claims (13)

1. 媒体を流路に噴射する装置であって、前記媒体を収容するための、前記流路を少なくとも部分的に取り囲む環状のまたは部分的に環状のキャビティ（４６）と、前記媒体を前記流路に噴射するための、前記キャビティ（４６）を前記流路に接続する出口開口部（４７）とを有する装置において、
   前記出口開口部（４７）は、プレストレスが加えられたカバーシート（４３）によって閉じられており、このカバーシートは、プレストレスによって支持要素（４１，４１１）に支持されており、且つ、前記キャビティ（４６）内に圧力が印加されたときに、プレストレスに抗して前記支持要素（４１，４１１）から離れ、前記カバーシート（４３）と前記支持要素（４１，４１１）との間で拡大された環状の間隙の形態で、前記出口開口部（４７）を開くことを特徴とする装置。
2. 前記カバーシート（４３）は、ガイドシート（４１１）と共に、前記キャビティ（４６）を取り囲み、前記カバーシート（４３）は、前記出口開口部（４７）の領域で、プレストレスによって、前記支持要素（４１）の代わりに、前記ガイドシート（４１１）に支持されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記カバーシート（４３）及び前記ガイドシート（４１１）は、支持要素（４１）に固定されており、この支持要素と共に、前記キャビティ（４６）を取り囲む、請求項２に記載の装置。
4. 前記カバーシート（４３）及び前記ガイドシート（４１１）は、唯一つのシートから一体的に製造されている、請求項２に記載の装置。
5. 前記カバーシート（４３）及び前記ガイドシート（４１１）は、異なった材料特性を有するシートから製造されている、請求項２に記載の装置。
6. 前記キャビティ（４３）は、円形または部分的に円形にあるいは環状または部分的に環状にデザインされている、請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の装置を有する、洗浄媒体を流路に噴射するための洗浄モジュール。
8. 請求項７に記載の洗浄モジュールを有する流体機械。
9. コンプレッサ及び排気ガスタービンを備えた排気ガスターボチャージャであって、
   コンプレッサまたは排気ガスタービンの何れか、または、コンプレッサ及び排気ガスタービンの双方が、請求項７に記載の洗浄モジュールを有する排気ガスターボチャージャ。
10. 請求項１から６の何れか１項に記載の装置を有し、少なくとも一つの流路を備えたガイドシステム。
11. 請求項１から６の何れか１項に記載の装置によって、媒体を流路に噴射するための方法であって、
    前記カバーシート（４３）の領域で温度調節のために、異なった熱伝導度を有する異なった媒体、または異なった温度を有する媒体を順々に前記キャビティ（４６）に導入することをと特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、順々にガス状の媒体及び液状の媒体を前記キャビティ（４６）に導入することを特徴とする方法。
13. 請求項１１に記載の方法であって、高温を有する液状媒体及び低温を有する液状媒体を順々に前記キャビティ（４６）に導入することを特徴とする方法。

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