JP5698197B2 - 排ガスタービンの洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関からの排ガスで駆動され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有する排ガスタービンまたはパワータービン、ならびに、このような洗浄装置を備えた排ガスタービンを有する排ガスターボチャージャに関する。

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の中に、または、内燃機関の排ガス中に含まれるエネルギを機械エネルギまた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使用される。

内燃機関の具体的な作動状況及び内燃機関の駆動のために使用される燃料の組成に従って、排ガスタービンには、遅かれ早かれ、タービン段の、従って、タービンホイールにおけるタービンブレード及びノズルリングの案内羽根の、ならびに、種々のタービンハウジング部分の汚れが生じる。汚れのこのような堆積物は、ノズルリングの領域でタービン効率の悪化をもたらし、従って、後続の機械の、例えば、ガスタービンによって駆動されるコンプレッサの、及び過給された内燃機関自体の、性能の低下を引き起こす。このことの結果として、燃焼室における排ガス温度の上昇が生じる。このことによって、内燃機関及びターボチャージャが熱的に過剰なストレスに晒されることがある。内燃機関では、特に、排出弁の損傷または破壊が生じることがある。

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ブレード上に、汚れの層が堆積されたとき、更に、ターボチャージャの回転数の従ってまた過給圧の及びシリンダ圧力の上昇が予測される。このことによって、内燃機関の及びターボチャージャの構成要素は、熱負荷の上昇に加えて、機械的により高いストレスに晒される。このことは、同様に、当該構成要素の破壊をもたらしてしまう。

タービンホイールの回転ブレードの周囲に汚れ層の不規則な分布がある場合、ロータのアンバラスの増大が生じてしまう。このことによって、回転部分の軸受が損なわれることがある。

タービンハウジングでは、タービンブレードの径方向外側の領域に延びている、流路の外郭に、汚れの堆積物が生じるとき、タービンブレードとタービンハウジングの間の径方向の遊びの減少の故に、作動中に接触が生じることがある。接触は、タービンブレードを損ない、且つ、極端な場合には、使用不能にしてしまう。

従って、タービンハウジングの、ノズルリング、タービンブレード及び当該領域から、定期的に、作動中に、これらの箇所に付着する汚れを除去する必要がある。

重油によって駆動される内燃機関から生じる汚れを有する排ガスタービンを駆動中に洗浄するために。洗浄剤としては、主として、未処理の水道水が使用される。この水道水は、タービン段の上流で、一つまたは複数のノズルを介して、排ガス流に噴射される。

洗浄作用を、排ガスタービンの、洗浄剤によって濡れた面のみに及ぼすことができる。従って、良好な洗浄のために、タービン段への入口での円形面または環形面における洗浄剤の均等な分配を実現しなければならない。

洗浄剤を噴射するためのノズルの数及び配列の点で異なっている種々のコンセプトが知られている。

ＤＥ３５１５８２５Ａ１は、軸対称的なガス流入ハウジングを有する、排ガスターボチャージャの軸流タービンの、その回転ブレード及びノズルリングを洗浄するための装置を開示する。洗浄装置は、軸流タービンの排ガス流入ハウジングに設けられており、且つ、流路にまで達するノズル及び洗浄剤用の供給管を有する複数のインジェクタからなる。

ＷＯ２００６０１７９５２Ａ１は、排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転ブレード及びノズルリングを洗浄するための装置を開示する。この装置を、使用された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。洗浄剤の噴射は、タービン入口の直ぐ上流でノズルリングのハブ直径上に設けられた、壁と面一の複数のノズルを介して、なされる。ノズルリングの各々のブレードには、ノズルが割り当てられている。

ＥＰ０８４８１５０Ｂ１は、９０°曲がったガス流入ハウジングを有する、排ガスターボチャージャの軸流タービンの、その回転ブレード及びノズルリングを洗浄するための装置を開示する。円周に設けられた複数のスリット状のノズル開口部を有する只一つのシリンダ状のノズル本体は、半球状の内側ハウジング壁部の岐点に設けられている。

ＷＯ２００５／０４９９７２Ａ１は、排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転ブレード及びノズルリングを、流路に突入している棒状のノズルを用いて洗浄するための装置を開示する。下流に整列された噴射開口部を通って、洗浄剤が、流れと共に、ノズルリング及びタービンブレードの方向に噴射される。

ＤＥ２１２０２１３は、タービンに付いた堆積物を除去するための装置を開示する。この装置では、ノズル開口部に通じており且つ洗浄液を供給するための供給管に、この供給管を開閉するための弁が設けられている。

ＵＳ５９４４４８３は、排ガスターボチャージャの軸流タービンの回転ブレード及びノズルリングを、流路に突入している棒状の複数のノズルを用いて洗浄するための装置を開示する。噴射開口部を通って、洗浄剤が、流れと共に、ノズルリング及びタービンブレードの方向に噴射される。

排ガスタービンを洗浄するための装置との関連で、タービン設計者は、以下の挑戦に直面している。

即ち、限定された数のノズルを介してタービンの上流で洗浄液を流路に噴射することは、タービン段への入口における洗浄液の不均等な分配をもたらす。分散配置されたノズルの数が増えれば、洗浄液の分配は一層均等になる。しかしながら、同時に、ノズルの数の増加は、洗浄装置のコストを上昇させる。このことは、排ガスタービンのガス流入ハウジングにおけるノズル本体及び密封箇所の数の増加によって引き起こされる。

従って、ノズル本体の数を最小限に減じることが試みられる。同時に、一つのノズル本体当たり複数のノズル開口部がしばしば実現される。その目的は、洗浄液のより広い分配を達成するためである。従来の洗浄装置では、只一つの流入通路を介して、ノズル本体のノズル開口部に、洗浄液が供給され、従って、ノズル開口部は、全て、ノズル開口部の手前で、同一の入口圧力を有している。このことから、全てのノズル開口部の流出速度ｃは、（類似のノズル形状従ってまた比較可能な流出係数μを仮定すれば）第一次近似的に同一であることが結果として生じる。

ｃ＝Ｖ／Ａ＝μ・√（２ｄｐ／ρ）
流路への洗浄液の浸透深さの尺度であるパルス流れ密度ρ_ｗ・ｃ_ｗ ^２を、従って、ノズル本体の個々のノズル開口部のために、自由に選択することはできない。特に、非軸対称的なガス流入ハウジングでは、このことによって生じる問題は、個々のノズル開口部を、最適な個々の洗浄剤パルスに従って設計することができないことである。

洗浄中のタービン段への入口での洗浄剤の均等な分配は、多数のパラメータ、例えば、ガス流入ハウジングの流路の形状、ノズルの配置及び形状、排ガスの流れ場または洗浄液の圧力に依存している。内燃機関のほぼ全てのモデルが、排ガス管の個別の直径を有するので、非類似の形状を有し、且つ所定のターボチャージャシリーズに用いられる多数のガス流入ハウジングが生じる。

洗浄装置のコンセプトのためには、洗浄装置を如何なる要求にも適合させることができるための系統的な設計方法を用いなければならない。

実験的な方法による設計は、余りに費用がかかるので、この設計を、各々のガス流入ハウジングのための洗浄装置の設計のために経済的に使用することができない。

数値的な流計算プログラムによる設計は、効果的な且つ安価な方法である。しかしながら、設計の正確度は、流れ状態の複雑さ及び排ガス流への洗浄液の噴射の方法に強く依存している。特に、流れの解体の、及び噴射された洗浄液とガス流路との相互作用のシミュレーションは、限定された質量でのみ、良好な正確度で可能である。

洗浄中に、洗浄剤は、大気温度で、流路に噴射される。洗浄中の排ガス温度は、約４３０℃の範囲にある。このことから結果的に生じる温度差は、全ての当該構成要素の熱機械応力負荷をもたらす。

洗浄ノズルの供給管は、ターボチャージャに直接取り付けられている。このことから、高い振動荷重が生じ、この振動荷重は、導管における破損をもたらすことがある。

配管及びフランジ接続手段の構造の故に、前記負荷を考慮しなければならない。費用がかかり且つ従ってコスト集約的な解決策が必要である。

マルチノズル洗浄装置の使用は、洗浄装置の複雑性及びコストを増大させる。

独国特許出願公開第ＤＥ３５１５８２５Ａ１号明細書 国際公開第ＷＯ２００６０１７９５２Ａ１号パンフレット 欧州特許第ＥＰ０８４８１５０Ｂ１号明細書 国際公開第ＷＯ２００５／０４９９７２Ａ１号パンフレット 独国特許出願公開第ＤＥ２１２０２１３号明細書 米国特許第ＵＳ５９４４４８３号明細書

本発明の基礎となる課題は、排ガスタービンの濡らされる領域における洗浄液の最適な分配機能を有する、排ガスタービン用の洗浄装置を提供することである。

本発明によれば、このことは、複数のノズル開口部を有し、且つ、各々のノズル開口部に対し洗浄液の個々の流出速度を実現することができるノズル本体の、その新規の実施の形態によって達成される。

洗浄液を個々のノズル開口部にまたはグループのノズル開口部に供給するための供給通路を、この目的のために、洗浄液の入口圧力を適切に調整するための絞り箇所によって実施することができる。

ノズル本体に絞り箇所を適切に設計すること、及びノズル開口部の横断面を設計することによって、ノズル本体の個々のノズル開口部に対し、洗浄液の個々の流出速度及び個々の体積流量を実現することができる。このことによって、所定の領域の湿潤のために最適な流れパルスを調整することが可能となる。更に、この領域の湿潤のために、所望の量の洗浄液を個別的に調整することができる。このようにして、一つのまたは幾つかのノズルによって、タービン段の手前で、洗浄液の均等な濃度分布を達成することができる。

ノズル本体の各々のノズル開口部のために洗浄液の個々の流出速度を選択するための、本発明によって生まれた自由度は、数値法による洗浄装置のより良好な最適化を可能にする。

洗浄ノズルの設計の、従来の技術より柔軟な可能性によって、洗浄ノズル、配管及び密閉箇所の数を減少することができる。構造的な出費は減少され、作動中の、配管の耐振動性、熱機械的耐性及びフランジ気密性に関する洗浄装置の信頼性が増加される。

構造的な出費の減少によって、コストを低下させることができる。

以下、図面を参照して、排ガスタービンの本発明に係わる洗浄装置の実施の形態を説明し、洗浄装置の機能方法を詳述する。全ての図面には、同一作用の要素に、同一の参照符号を付する。

従来の技術に基づく、ノズル本体を有する洗浄装置を備えた、排ガスタービンのタービンハウジングの断面図を示している。 本発明により形成されたノズル本体の第一の実施の形態の拡大詳細図を示している。 本発明により形成されたノズル本体の第二の実施の形態の拡大詳細図を示している。 本発明により形成されたノズル本体を有する洗浄装置を備えた、排ガスタービンのタービングハウジングの断面図を示している。

図１は、従来の技術に基づく、軸方向にガス流が押し寄せる排ガスタービンの部分の、タービン軸に沿って切った断面図を示している。ガス流入ハウジング１は、外側の及び内側のハウジング壁部を有している。内側のハウジング壁部は、半球状に形成されていて、中空の内部空間を有し、流路に対してタービンホイールのハブ本体４２を覆うために用いられる。

排ガスタービンの作動中に、内燃機関から排出された高温の排ガスは、先ず、横断面が少なくともほぼ円形の排ガス流の形態で、排ガスタービンのガス流入ハウジング１に導かれる。内側のハウジング壁部の作用によって、環状の排ガス流への変換がなされ、内側ハウジング壁部の先端で、内側ハウジング壁部へ直角に当たる岐点流線が生じる。今や環状の排ガス流は、タービンホイールの複数の回転ブレードへ運ばれる。この場合、これらの回転ブレードの上流に設けられたノズルリング３（ガイド装置）は、排ガスをタービンホイールの回転ブレードに最適に整列させる機能を有している。ノズルリング３の上流には、流路に通じる洗浄装置が、ガス流入ハウジングの内側ハウジング壁部に設けられている。この洗浄装置は、ノズル本体５を有し、このノズル本体は、岐点流線の領域で、内側ハウジング壁部から流路に突き出ている。ノズル本体は、洗浄液を流路に噴射するための複数のノズル開口部を有している。

本発明に基づいて形成された洗浄装置では、従来のノズル本体が、以下のように、即ち、洗浄液の所定の量が、所定の流出速度で、ノズル開口部から流路へ、流路内の所定の方向へ適切に流出して、この所定の領域で、最適な洗浄作用を達成することができるように、変更されている。この場合、本発明に基づいて構成されたこのノズル本体は、複数のノズル開口部を有している。このノズル開口部の各々は、洗浄液を、異なった流出速度で、流路に放出する。

図２は、本発明に基づいて形成されたノズル本体の第一の実施の形態の拡大詳細図を示している。このノズル本体では、ノズル開口部５１及び５２は、二つのグループのノズル開口部に区分されている。ここでは、第一のグループのノズル開口部５２は、絞り箇所５３の下流で、洗浄液を供給するための供給管に設けられており、他方、第二のグループのノズル開口部５１は、絞り箇所５３の上流で、洗浄液を供給するための供給管に設けられている。絞り箇所５３によって、洗浄液を供給するための供給管に、二つの異なった圧力レベルが生じる。絞り箇所５３の下流では、選択的に設けられた低圧用プレチャンバ５５に、絞り箇所５３の上流にある選択的に設けられた高圧用プレチャンバ５４よりも低い圧力が調整される。

異なった圧力比自体によって、大きさが同一のノズル開口部では、二つのグループのノズル開口部を通って、異なった量の洗浄液が、異なった流出速度で流路に噴射される。

絞り箇所により引き起こされた効果を、各々のグループの個々のノズル開口部を適切に調整することによって、例えば、ノズル開口部の大きさ、形及び方向を変更することによって更に強化することができる。従って、ほぼ任意な濡れパターンが発生される。それ故に、特別に汚れた箇所では、洗浄液は、他の余り汚れていない箇所よりも高いパルス流れ密度で、洗浄のために噴射される。図２に示したノズル本体の具体的な実施の形態では、第二のグループのノズル開口部、従って、高圧ノズル開口部５１は、直径の大きさが異なっており、他方、第一のグループのノズル開口部、従って低圧ノズル開口部５２は、直径の大きさが全て同じである。図３に示すノズル本体の具体的な実施の形態では、第二のグループのノズル開口部、従って、高圧ノズル開口部５１は、直径の大きさが全て同じであり、他方、第一に、第一のグループのノズル開口部、従って低圧ノズル開口部５２は、直径の大きさが異なっており、第二に、ノズル開口部に直に通じている流路は、ノズル本体の径方向に対し傾斜している。流路の傾斜は、ノズル開口部から流出する噴流を、径方向と異なる方向に向ける。従って、周囲のハウジングの、適切に定められた領域を、最適に洗浄することができる。

図４は、組み込まれた状態にある、本発明に基づいて形成されたノズル本体を示している。ここでは、洗浄液が、図１に示した実施の形態に比較して、一方では、噴射力の強さが異なり、しかも、方向も異なって、ノズル開口部から流出することが、点線で示されている。

１・・・ガス流入ハウジング、２・・・ガス流出ハウジング、３・・・ノズルリング、４・・・タービンホイール、４１・・・タービンホイールの回転ブレード、４２・・・タービンホイールのハブ本体、４５・・・タービンシャフト、５・・・洗浄装置のノズル本体、５１・・・高圧ノズル開口部、５２・・・低圧ノズル開口部、５３・・・絞り箇所（狭隘部）、５３１・・・高圧用絞り箇所、５３２・・・低圧用絞り箇所、５４・・・高圧用プレチャンバ、５５・・・低圧用プレチャンバ、６・・・洗浄液用の供給管。

Claims (8)

1. 排ガスタービンの洗浄装置であって、洗浄液を排ガスタービンの流路に噴射するための少なくとも一つのノズル本体（５）を有し、前記ノズル本体（５）は、複数のノズル開口部（５１、５２）を有し、
   前記複数のノズル開口部（５１、５２）は、少なくとも一つの第一のノズル開口部（５２）と、少なくとも一つの第二のノズル開口部（５１）とに区分されており、
   前記洗浄液を前記少なくとも一つの第一のノズル開口部（５２）に供給するための供給管に、絞り箇所（５３、５３２）が設けられている、洗浄装置において、
   前記少なくとも１つの第一のノズル開口部（５２）は、前記絞り箇所（５３）の下流で、前記洗浄液を供給するための供給管に設けられており、
   前記絞り箇所（５３）によって、前記洗浄液を第一並びに第二のノズル開口部（５１、５２）に夫々供給するための供給管に、少なくとも二つの異なった圧力レベルを生じさせることを特徴とする洗浄装置。
2. 前記少なくとも一つの第一のノズル開口部と、前記少なくとも一つの第二のノズル開口部とは、大きさの異なった横断面を有する、請求項１に記載の洗浄装置。
3. 複数の前記第一のノズル開口部のグループの中で、少なくとも二つのノズル開口部が、大きさの異なった横断面を有する、請求項１又は２に記載の洗浄装置。
4. 複数の前記第二のノズル開口部のグループの中で、少なくとも二つのノズル開口部が、大きさの異なった横断面を有する、請求項１又は２に記載の洗浄装置。
5. 前記第一のノズル開口部（５２）と第二のノズル開口部（５１）とは、前記洗浄液の噴射の際に、この洗浄液が、ノズル本体の径方向で異なる方向に、前記ノズル本体から流出するように、異なる方向に向かって開口されている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の洗浄装置。
   
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の洗浄装置を備えた排ガスタービン。
7. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の洗浄装置を備えたパワータービン。
8. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の洗浄装置を備えた排ガスタービンを備えた排ガスターボチャージャ。

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