JP5840701B2 - Turbine cleaning - Google Patents
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Description
本発明は、内燃エンジンの排気ガスによって作用される（impinged）ターボ機械の分野に関する。本発明は、排気ガスタービンの洗浄のための洗浄方法に関し、また、タービンの洗浄のための洗浄デバイスに関し、タービンは、前記タイプの洗浄方法によって、内燃エンジンの排気ガスによって作用される。 The present invention relates to the field of turbomachines impinged by exhaust gases of internal combustion engines. The present invention relates to a cleaning method for cleaning an exhaust gas turbine and to a cleaning device for cleaning a turbine, the turbine being acted on by an exhaust gas of an internal combustion engine by the above-described cleaning method.
排気ガスタービンは、内燃エンジンの過給のための排気ガスターボチャージャーにおいて、または、内燃エンジンの排気ガスに含有されるエネルギーを機械的なエネルギーもしくは電気的なエネルギーに変換するための動力タービンにおいて、使用されている。 An exhaust gas turbine is used in an exhaust gas turbocharger for supercharging an internal combustion engine or in a power turbine for converting energy contained in exhaust gas of an internal combustion engine into mechanical energy or electrical energy. It is used.
特定の運転状況と、内燃エンジンを駆動するために使用される燃料の成分とに応じて、ローターのタービンブレードの汚染と、ノズルリングのガイドブレードの汚染と、様々なタービンハウジングパーツの汚染とが、排気ガスタービンの中で遅かれ早かれ起こる。そのような汚れの蓄積は、ノズルリングの領域において、タービン効率の減少につながり、したがって、下流の機械の性能の低下、例えば、排気ガスタービンによって駆動される圧縮機の性能の低下と、過給された内燃エンジン自身の性能の低下とにつながる。結果として、燃焼室の中の排気ガス温度が上昇し、その結果として、内燃エンジンと、またターボチャージャーの両方が、熱的に過負荷の状態になる可能性がある。内燃エンジンでは、とりわけ、出口弁が損傷を受け、または、さらに破壊されるという可能性がある。 Depending on the specific operating conditions and the components of the fuel used to drive the internal combustion engine, contamination of the rotor turbine blades, contamination of the nozzle ring guide blades and various turbine housing parts This happens sooner or later in the exhaust gas turbine. Such fouling buildup leads to a reduction in turbine efficiency in the area of the nozzle ring, thus reducing the performance of downstream machines, for example, the performance of compressors driven by exhaust gas turbines and supercharging. The internal combustion engine itself is reduced in performance. As a result, the exhaust gas temperature in the combustion chamber increases, and as a result, both the internal combustion engine and also the turbocharger can be overloaded thermally. In internal combustion engines, among other things, the outlet valve can be damaged or even destroyed.
汚れの層が、４ストロークの内燃エンジンに接続されたターボチャージャーのノズルリングの上と、タービンブレードの上とに蓄積した場合、ターボチャージャーの回転速度の増加と、結果的に、チャージ圧力の上昇とシリンダー圧力の上昇とが、また、予期されなければならない。これは、内燃エンジンと、また、ターボチャージャーの両方のコンポーネントが、増加した熱的負荷だけでなく、増加した機械的負荷にもさらされ、それは、同様に、関係するコンポーネントの破壊につながる可能性があるという結果になる。タービンホイールのローターブレードの円周部の上の汚れの層の不規則な分配の場合には、ローターのアンバランスが増加し、それによって、また、軸受構成体も損傷を受ける可能性がある。 When a layer of dirt accumulates on the nozzle ring of a turbocharger connected to a four-stroke internal combustion engine and on the turbine blade, the turbocharger speed increases and, consequently, the charge pressure increases. And an increase in cylinder pressure must also be expected. This is because both internal combustion engine and turbocharger components are exposed not only to increased thermal loads, but also to increased mechanical loads, which can likewise lead to the destruction of the components involved. The result is that there is. In the case of an irregular distribution of the dirt layer on the circumference of the rotor blades of the turbine wheel, the rotor imbalance is increased, which can also damage the bearing arrangement.
タービンハウジングの上で、汚れの蓄積が、タービンブレードの半径方向外側の領域を通るフローダクトの外側形状の上に起こった場合、タービンブレードとタービンハウジングとの間の半径方向クリアランスの低減に起因して、運転中に接触が起こる可能性があり、その接触は、タービンブレードを損傷させ、極端な場合には、それらを使用できない状態にする可能性がある。 On the turbine housing, if dirt builds up on the outer shape of the flow duct passing through the radially outer region of the turbine blade, this is due to the reduced radial clearance between the turbine blade and the turbine housing. Thus, contact can occur during operation, which can damage turbine blades and, in extreme cases, render them unusable.
したがって、ノズルリングと、タービンブレードと、タービンハウジングの影響を受けた領域とに付着した汚れが、運転中に定期的に除去されることが必要である。典型的に、これは、乾式または湿式洗浄システムの使用を通じて実現される。 Therefore, dirt that has adhered to the nozzle ring, turbine blades, and affected areas of the turbine housing needs to be periodically removed during operation. Typically this is achieved through the use of a dry or wet cleaning system.
湿式洗浄システムは、洗浄サイクル中に、例えば冷水などの液体洗浄媒体が、タービン入口部側に位置付けられた１つまたは複数のノズルによって注入されることを特徴とする。高温の汚れの蓄積の上へ低温の洗浄流体を導入する結果として、汚れの蓄積が除去され、表面が、事実上、納入時の最初の状態に回復させられる。しかし、高温のタービンコンポーネントの上への低温の洗浄流体の注入は、タービンコンポーネントを比較的に高い熱的負荷と機械的負荷とにさらす。結果として生じるタービンのコンポーネントへの損傷を防止するために、タービン湿式洗浄は、一般的に、低いエンジン負荷（それに応じ、ターボチャージャーにおける低いガス入口温度で）だけで許容される。したがって、洗浄サイクルは、典型的に、エンジンの負荷が洗浄サイクルにとって適切なレベルに（例えば、通常エンジン負荷の２５％に）低減させられ、待機時間の後、洗浄流体が所定の時間周期（例えば１０分）にわたって注入されるように構成されている。それに続いて、さらなる時間周期（例えば１０分）の間に、エンジンが、その後に、その通常負荷レベルに戻る前に、ターボチャージャーの中に依然として存在する任意の洗浄流体が、蒸発させられる。 The wet cleaning system is characterized in that during the cleaning cycle, a liquid cleaning medium, for example cold water, is injected by means of one or more nozzles located on the turbine inlet side. As a result of introducing the cold cleaning fluid over the hot dirt build-up, the dirt build-up is removed and the surface is effectively restored to its original state as delivered. However, injection of cold cleaning fluid over hot turbine components exposes the turbine components to relatively high thermal and mechanical loads. To prevent damage to the resulting turbine components, turbine wet cleaning is generally allowed only at low engine loads (and accordingly at low gas inlet temperatures in the turbocharger). Thus, the wash cycle typically reduces the engine load to a level appropriate for the wash cycle (eg, typically 25% of the engine load), and after a waiting period, the wash fluid is passed through a predetermined period of time (eg, 10 minutes). Subsequently, during a further time period (eg 10 minutes), any cleaning fluid still present in the turbocharger is allowed to evaporate before the engine subsequently returns to its normal load level.
洗浄サイクルの間にタービン入口部の上流で１つまたは複数のノズルを通した洗浄流体の注入は、通常、一定圧力で、かつ、一定の貫流速度で起こる。注入ノズルは、ノズル毎に、ノズルリングとタービンハウジングとの特定の表面領域を洗浄流体で濡らす（wet）ことが可能な、洗浄流体の分配を実現するように構成されている。ここで、表面の上に作用する洗浄流体の分配は、タービンの上流のフロー状態、ノズルのノズル開口部によって発生させられたジェットの形状、洗浄流体の注入圧力および量、タービン入口温度などのような、多数の要因に依存している。 Injection of cleaning fluid through one or more nozzles upstream of the turbine inlet during the cleaning cycle typically occurs at a constant pressure and a constant flow rate. The injection nozzle is configured for each nozzle to provide a cleaning fluid distribution that allows a specific surface area of the nozzle ring and turbine housing to wet with the cleaning fluid. Here, the distribution of the cleaning fluid acting on the surface is such as the flow conditions upstream of the turbine, the shape of the jet generated by the nozzle opening of the nozzle, the injection pressure and amount of cleaning fluid, the turbine inlet temperature, etc. It depends on many factors.
ここで、ノズルは、所定の負荷点と、既知のフロー変数と、一定の洗浄システム変数とに対して構成されている。現実のエンジン運転中に、上述の影響力の大きい変数は、最初の構成で使用された変数からかなり逸脱する可能性があり、そして、それは、現実の運転中に濡らされた表面領域のサイズを変化させ、さらには低減させ、それは、不満足な洗浄結果につながる可能性がある。 Here, the nozzle is configured for a predetermined load point, known flow variables, and certain cleaning system variables. During real engine operation, the above influential variables can deviate significantly from the variables used in the original configuration, and it reduces the size of the surface area wetted during real operation. Change and even reduce, which can lead to unsatisfactory cleaning results.
洗浄サイクルが開始されるべき時間は、例えば、特定の数の運転時間の後の固定的な洗浄インターバルなどの、運転期間に固定的に依存させられるか、または、汚染指示値が検出され、次いで、それが自動的に洗浄サイクルをトリガーすることが可能であるかのいずれかであることが可能である。 The time at which the wash cycle is to be initiated is fixedly dependent on the duration of operation, e.g. a fixed wash interval after a certain number of hours of operation, or a contamination indication value is detected and then It can be either that it is possible to automatically trigger a wash cycle.
ＤＥ３５１５８２５Ａ１は、ローターブレードの洗浄と、排気ガスターボチャージャーの軸流タービンのノズルリングの洗浄のための方法とデバイスとを開示している。洗浄デバイスは、軸流タービンのガス入口部ハウジングの上に配置された複数のノズルから構成されており、そのノズルは、フローダクトの中へと、洗浄流体のための給送ラインの中へと延在している。軸流タービンの汚染の特定のレベルに到達すると、洗浄要求が、測定および評価ユニットによって決定される。したがって、洗浄流体が、ガイドブレードの上流に配置されたノズルを介してフローダクトの中へ注入される。ここで発生させられた液滴が、排気ガス流れによって、軸流タービンのガイドとローターブレードとに輸送され、そこから付着性の汚れの蓄積を除去することによってそれらを洗浄する。ここで、可能な限り最も徹底的な洗浄を達成するために、比較的に大量の洗浄流体（排気ガス１ｍ3／ｓ当たり、おおよそ３〜５ｌ／ｍｉｎの洗浄流体）が、比較的に短い洗浄インターバルの間に流れの中へ給送される。前記洗浄方法では、大量の洗浄流体に起因して、エンジン負荷は、早期に、および、洗浄プロセス全体の間、低減されなければならない。洗浄プロセスの間に、排気ガス温度が許容できない程に大きく上昇することを回避するために、これは必要である。洗浄プロセスの間の排気ガス温度の過度な上昇は、排気ガスタービンの熱的な過負荷と、内燃エンジンの熱的な過負荷とにつながる。 DE 3515825 A1 discloses a method and device for cleaning rotor blades and cleaning nozzle rings of axial turbines of exhaust gas turbochargers. The cleaning device consists of a plurality of nozzles arranged on the gas inlet housing of the axial turbine, which nozzles enter into the flow duct and into the feed line for the cleaning fluid. It is extended. When a specific level of axial turbine contamination is reached, the cleaning requirement is determined by the measurement and evaluation unit. Accordingly, the cleaning fluid is injected into the flow duct via a nozzle located upstream of the guide blade. The droplets generated here are transported by the exhaust gas flow to the guides and rotor blades of the axial turbine, from which they are washed by removing the accumulation of adherent dirt. Here, in order to achieve the most thorough cleaning possible, a relatively large amount of cleaning fluid (approximately 3-5 l / min cleaning fluid per 1 m 3 / s of exhaust gas) Feed into the stream during the interval. In the cleaning method, due to the large amount of cleaning fluid, the engine load must be reduced early and during the entire cleaning process. This is necessary to avoid an unacceptably high exhaust gas temperature during the cleaning process. Excessive rise in exhaust gas temperature during the cleaning process leads to exhaust gas turbine thermal overload and internal combustion engine thermal overload.
同様に、高温のノズルリングのガイドブレードの上と、タービンホイールのローターブレードの上とに、大量（上記参照）の低温の洗浄流体を注入する初期段階において、追加的な熱衝撃洗浄効果を達成することが可能であるということが、先行技術から知られている。ノズルリングのガイドブレードと、タービンホイールのローターブレードとだけでなく、タービンハウジングパーツも、熱衝撃洗浄の間に、非常に高い熱的負荷にさらされる。対応するコンポーネントにおいて、許容できない程に高い熱応力、または、さらには亀裂の形成を防止することは、構造的に非常に複雑であり、高性能な洗浄の調整を必要とし、したがって、高いコストを伴う。 Similarly, an additional thermal shock cleaning effect is achieved in the initial stage of injecting a large amount (see above) of a low temperature cleaning fluid over the hot nozzle ring guide blades and over the turbine wheel rotor blades. It is known from the prior art that this is possible. Not only the nozzle ring guide blades and the turbine wheel rotor blades, but also the turbine housing parts are exposed to very high thermal loads during thermal shock cleaning. Preventing unacceptably high thermal stresses or even crack formation in the corresponding component is structurally very complex and requires high performance cleaning adjustments, thus increasing costs. Accompany.
ＷＯ２００７／０３６０５９Ａ１は、排気ガスタービンの湿式洗浄の洗浄方法を開示しており、その洗浄方法では、少量の洗浄流体が、連続的に、または、繰り返し（cyclically）、排気ガスタービンの排気ガス流れの中へ給送され、洗浄されることとなる排気ガスタービンのコンポーネントに導かれる。少量の洗浄流体が、変わらない内燃エンジン運転の間に給送されることが可能であり、その結果、内燃エンジンの運転範囲全体にわたって、排気ガスタービンが洗浄され、または、清浄に維持されることが可能であるようになっている。したがって、排気ガスタービン洗浄の必要性が生じることに起因する内燃エンジンの出力の変動は、起こるべきでない。そのうえ、この点に関してとりわけ高いリスクがある、タービンハウジングパーツの中の熱応力亀裂の形成は、実質的に防止されることが可能である。 WO 2007/036059 A1 discloses a cleaning method for wet cleaning of an exhaust gas turbine, in which a small amount of cleaning fluid is continuously or cyclically measured in the exhaust gas flow of the exhaust gas turbine. It is fed into the exhaust gas turbine components to be cleaned. A small amount of cleaning fluid can be delivered during unchanged internal combustion engine operation so that the exhaust gas turbine is cleaned or kept clean throughout the operating range of the internal combustion engine. Is supposed to be possible. Therefore, fluctuations in the output of the internal combustion engine due to the need for exhaust gas turbine cleaning should not occur. Moreover, the formation of thermal stress cracks in the turbine housing part, which is particularly risky in this regard, can be substantially prevented.
ＦＩ１１７８０４は、排気ガスタービンの湿式洗浄のための洗浄デバイスを開示しており、洗浄流体の圧力は、フローダクトの中の排気ガスの圧力よりおおよそ２バール高く、静的に固定される。湿式洗浄が全負荷で生じることが可能であるようにするために、圧縮機出口からの比較的冷たく新鮮な空気の一部が、排気ガス流れに給送される。これが、排気ガス流れの温度を、タービンパーツの洗浄に最適な所定の値に低下させる。 FI117804 discloses a cleaning device for wet cleaning of exhaust gas turbines, where the pressure of the cleaning fluid is approximately 2 bar higher than the pressure of the exhaust gas in the flow duct and is statically fixed. In order to allow wet cleaning to occur at full load, a portion of the relatively cool and fresh air from the compressor outlet is delivered to the exhaust gas stream. This reduces the temperature of the exhaust gas flow to a predetermined value that is optimal for cleaning the turbine parts.
ＥＰ１９７２７５８Ａ１は、排気ガスタービンの湿式洗浄のための洗浄方法を開示しており、その洗浄方法では、洗浄流体が、排気ガスタービンの排気ガス流れの中へ給送され、運転点と無関係な態様で、洗浄されることとなる排気ガスタービンのコンポーネントに導かれる。ここで、洗浄流体の注入圧力は、排気ガスタービンの上流の条件に適合されている。この目的のために、第１のステップにおいて、タービンの上流を支配している条件を特徴付ける少なくとも１つの測定変数が測定され、第２のステップにおいて、洗浄流体の注入圧力に関する値が、測定された測定変数から決定され、第３のステップにおいて、洗浄流体が、決定された注入圧力で、フローダクトの中へ注入される。 EP 1927758 A1 discloses a cleaning method for wet cleaning of an exhaust gas turbine, in which the cleaning fluid is fed into the exhaust gas stream of the exhaust gas turbine in a manner independent of the operating point. To the components of the exhaust gas turbine to be cleaned. Here, the injection pressure of the cleaning fluid is adapted to the conditions upstream of the exhaust gas turbine. For this purpose, in a first step at least one measurement variable characterizing the conditions governing the upstream of the turbine is measured, and in a second step a value for the injection pressure of the cleaning fluid is measured. Determined from the measured variables, in a third step, the cleaning fluid is injected into the flow duct at the determined injection pressure.
本発明の目的は、排気ガスタービンの湿式洗浄のための洗浄方法を特定することであり、その洗浄方法によって、汚染されたタービンパーツを濡らすことが、できる限り全面積にわたり実現されることが可能である。 The object of the present invention is to identify a cleaning method for wet cleaning of exhaust gas turbines, by which it is possible to wet contaminated turbine parts over the entire area as much as possible It is.
本発明によれば、これは、洗浄流体の過渡的な注入によって実現され、ノズルを介してタービンのフローダクトの中へ注入される洗浄流体の量が、時間の経過とともに、所定の中間的な洗浄流体の量の周りで変化させられる。 According to the present invention, this is achieved by a transient injection of the cleaning fluid, and the amount of cleaning fluid injected through the nozzle into the turbine flow duct is reduced over time by a predetermined intermediate amount. It is varied around the amount of cleaning fluid.
時間的に可変な洗浄流体の量の発生（周期的なプロファイル、非周期的なプロファイル、ランダムなプロファイル）は、例えば、調整可能な貫流を有するポンプ、給送ラインの中の調整可能な弁、もしくは、ノズルの上流で振動するフローエレメントによって、例えば、注入圧力の操作、または、洗浄流体の量の操作を通じて、あるいは、そうでなければ、例えば、調整された絞り開口、または、調整されたもしくは自由に振動するノズル開口部フラップによって、ノズル開口部のサイズの操作を通じて、実現されることが可能である。ここで、洗浄流体の量は、所定の中間的な値の周りで変化させられ、時間的に可変なプロファイルが、随意的に、周期的、非周期的、または、ランダムであることが可能である。 Generation of the amount of cleaning fluid that is variable in time (periodic profile, non-periodic profile, random profile) can be, for example, a pump with adjustable flow-through, an adjustable valve in the feed line, Or by means of a flow element oscillating upstream of the nozzle, e.g. through manipulation of the injection pressure or through the manipulation of the amount of cleaning fluid, or else, e.g. A freely vibrating nozzle opening flap can be realized through manipulation of the size of the nozzle opening. Here, the amount of cleaning fluid is varied around a predetermined intermediate value, and the temporally variable profile can optionally be periodic, aperiodic or random. is there.
注入圧力の変化の場合には、例えば、所定の中間的な注入圧力は、排気ガスタービンの幾何学的な寸法に基づいて、または排気ガスタービンのそれぞれの動作点、および／または、内燃エンジンのそれぞれの動作点の関数として、動的に特定される。 In the case of a change in injection pressure, for example, the predetermined intermediate injection pressure is determined based on the geometric dimensions of the exhaust gas turbine or at the respective operating point of the exhaust gas turbine and / or of the internal combustion engine. It is specified dynamically as a function of each operating point.
有利には、洗浄流体の量の変化は、自動的な注入圧力調整によって、または、ノズル開口部に対する調整によって実現される。 Advantageously, the change in the amount of cleaning fluid is realized by automatic injection pressure adjustment or by adjustment to the nozzle opening.
注入圧力が過渡的な態様で変化させられる場合、他には一定の洗浄システム変数を有するが、発生させられた洗浄流体の分配と、したがって、タービン表面を濡らすこととが変化する。したがって、得られる利点は、洗浄流体の量の変化を通じて、洗浄流体の分配と、表面を濡らすこととが、調節可能な表面領域にわたり、過渡的な態様で変化させられることが可能であり、改善された洗浄作用が、ターボチャージャーのそれぞれ個々のフロー状態とは無関係に達成されるということに存在する。 If the injection pressure is changed in a transient manner, the other has certain cleaning system variables, but the distribution of the generated cleaning fluid and thus the wetting of the turbine surface changes. Thus, the benefit obtained is that through changes in the amount of cleaning fluid, the distribution of the cleaning fluid and the wetting of the surface can be changed in a transient manner over the adjustable surface area, improving It exists that the cleaned action is achieved independently of the individual flow conditions of the turbocharger.
随意的に、洗浄流体の量の変化は、円周部に沿って分配されるように配置された２つ以上のノズルの場合、互いに異なって実現されることが可能であり、その結果、時間の経過とともに、時間に関して互いに異なる、または、互いに対してオフセットされた洗浄流体の量のプロファイルが、発生させられるようになっている。ここで、洗浄流体の全体的な注入量は、随意的に、一定に維持されることが可能である。 Optionally, the change in the amount of cleaning fluid can be realized differently from one another in the case of two or more nozzles arranged to be distributed along the circumference. Over time, a profile of the amount of cleaning fluid that is different from each other with respect to time or offset with respect to each other is generated. Here, the overall injection volume of the cleaning fluid can optionally be kept constant.
本発明による洗浄方法が、図に基づいて、以下に、より詳細に説明される。 The cleaning method according to the invention is explained in more detail below on the basis of the figures.
図１は、（右側に）排気ガスタービンを有し、かつ、圧縮機を有する排気ガスターボチャージャーの断面図を示している。排気ガスタービンは、ローターブレード２１を有するタービンホイール２を備えており、タービンホイールは、タービンハウジング２０の中に配置されている。タービンホイールは、シャフト３によって圧縮機ホイール１に接続されており、圧縮機ホイール１は、軸受ハウジング３０の中に回転可能に装着されている。圧縮機ホイールは、圧縮機ハウジング１０の中に配置されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbine (on the right side) and a compressor. The exhaust gas turbine includes a
タービン入口部の領域において（タービン入口部では、高温排気ガスが、環状中空チャンバーの形式の集合ダクトから、狭いフローダクトを通って、タービンホイール２のローターブレード２１へ流れる）、タービンは、ガイド装置（ガイドブレードを有するノズルリング）２２を有し、ガイド装置は、排気ガス流れをタービンホイールのローターブレードに向かって配向させる。前記領域の中のフローダクトの境界を定めるタービンハウジングの壁部と、ガイド装置のガイドブレードとは、導入部で説明されているように、蓄積による汚染にさらされる。
In the region of the turbine inlet (at the turbine inlet, the hot exhaust gas flows from the collecting duct in the form of an annular hollow chamber through a narrow flow duct to the
タービン入口部の直ぐ上流に、排気ガスタービンは、洗浄デバイスを有しており、洗浄デバイスは、洗浄流体を供給するための環状ダクト４１と、タービンの集合ダクトとフローダクトとの中へ洗浄流体を注入するための１つまたは複数のノズル４２とを有している。
Immediately upstream of the turbine inlet, the exhaust gas turbine has a cleaning device, which is a cleaning fluid into an
タービンのタイプ（軸流タービン、混流タービン、または半径流タービン）に応じて、および／または、タービンの設計に応じて、洗浄デバイスの正確な配置は、変わることが可能である。しかし、ノズルは、典型的に、常にガイド装置の上流に装着されており、その結果高温排気ガスの流れが、洗浄流体を同伴し、したがって、洗浄されることとなる表面にそれを分配するようになっている。有利には、ノズル４２は、タービンハウジングの円周部に沿って分配された態様で配置されており、ノズルの数は、ガイド装置のガイドブレードの数と整合されることが可能である。例えば、それぞれのガイドブレードに対して、１つのノズルが設けられることが可能であり、または、２つのガイドブレード毎に、１つのノズルが設けられることが可能である。随意的に、ガイド装置とは無関係に、追加的なノズルが、設けられることが可能であり、追加的なノズルは、例えば、フローダクトの壁部に直接向かって配向されている。
Depending on the type of turbine (axial turbine, mixed flow turbine or radial turbine) and / or depending on the design of the turbine, the exact placement of the cleaning device can vary. However, the nozzle is typically always mounted upstream of the guide device so that the flow of hot exhaust gas entrains the cleaning fluid and thus distributes it to the surface to be cleaned. It has become. Advantageously, the
特定の数の運転時間が到達されたことに起因して、または、汚染指示器が洗浄の必要性を指示するので、洗浄サイクルが開始されなければならない場合、洗浄流体が、ガイドデバイスと、タービンホイールのローターブレードの上流で、高温排気ガス流れに供給される。ここで、洗浄流体は、一般的に、水、または、洗浄促進物質を含有する水であり、制御された量と所定の圧力とで、フローダクトの中へ注入される。本発明によれば、量および／または注入圧力は、過渡的な態様で変化させられ、その結果、図２の通り、量および／または注入圧力に応じて、洗浄されることとなる表面の異なる領域が、洗浄流体で濡らされるようになっている。 If a cleaning cycle has to be initiated due to the fact that a certain number of operating hours have been reached or because the contamination indicator indicates a need for cleaning, the cleaning fluid is transferred between the guide device and the turbine Upstream of the wheel rotor blades is fed into the hot exhaust gas stream. Here, the cleaning fluid is generally water or water containing a cleaning promoting substance, and is injected into the flow duct in a controlled amount and a predetermined pressure. According to the present invention, the amount and / or injection pressure is varied in a transient manner, so that, as shown in FIG. 2, the surface to be cleaned varies depending on the amount and / or injection pressure. The area is adapted to be wetted with the cleaning fluid.
図２は、周期的に変化させられる注入圧力ｐwの時間ｔに関してプロットされたプロファイルの上の３点について、洗浄流体のスプレープロファイルの上のそれぞれの注入圧力の効果を概略的に示している。左側の図の部分に示されているのは、中間的な注入圧力であり、中間的な注入圧力において、ノズルから流れの中へ吐出されたジェットは、流れによって、ガイド装置の中央領域に向かって方向転換させられる。より高い圧力の場合、真ん中の図の部分に示されており、ノズルからのジェットがフローダクトの遠い縁部に到達し、一方、より低い圧力の場合には、右側の図の部分において、右側にある、ガイドブレードの内側縁部領域だけが濡らされている。 FIG. 2 schematically shows the effect of the respective injection pressure on the cleaning fluid spray profile for the three points on the profile plotted with respect to the time t of the injection pressure p w being varied periodically. . Shown in the left part of the figure is the intermediate injection pressure, at which the jet ejected into the flow from the nozzle is directed by the flow towards the central region of the guide device. To change direction. In the case of higher pressure, it is shown in the middle part of the figure, where the jet from the nozzle reaches the far edge of the flow duct, while in the case of lower pressure, in the part of the right figure Only the inner edge region of the guide blade is wetted.
本発明によれば、洗浄流体の量および／または注入圧力の過渡的な変化は、中間的な値の周りで、すなわち、所定の中間的な流体量または中間的な注入圧力の周りで生じ、かつ、最小値および／または最大値の間において、１つの側または２つの側で境界を定められた範囲内で生じる。前記中間的な値と、最小値と、最大値とは、タービン幾何学形状と、提供されるフロー条件とに基づいて、固定的に事前定義されることが可能であるか、または、タービンの上流のフロー条件に、とりわけ、脈動する排気ガス流れに、および／または、エンジン負荷に、動的に適合されることのいずれかが可能である。第２の場合には、例えば洗浄インターバルの始まりに、使用されることとなる所定の中間的な値が、１つまたは複数のタービンに固有の測定変数、もしくは、エンジンに固有の測定変数の関数として、所定の特性曲線に基づいて計算されるか、または、表から読まれることが可能であることとなる。タービンに固有の測定変数、または、エンジンに固有の測定変数は、様々な方式で決定されることが可能である。例えば、負荷レバー位置または注入パラメーターなどのような、エンジンに固有の測定データが、評価されることが可能であり、エンジン負荷が、そこから導出されることが可能である。例えば発電機などのさらなるアッセンブリが、エンジンの下流に位置付けられる場合、エンジン負荷は、前記下流のアッセンブリにおいて直接的に測定されることが可能である。また、例えばターボチャージャーの回転速度などの、ターボチャージャーの特定の測定データが、評価されることも可能である。ターボチャージャーの構成は、通常に知られているので、ターボチャージャーの回転速度によって、および、対応する特性マップから、ガス質量流量またはガス体積流量を、したがって、タービンの上流の状態をおおよそ決定することが可能である。そのうえ、例えば、加熱線流速計、超音波流速計、またはレーザードップラー流速計によって、フローダクトの中で直接的にガス流量を測定することが可能であることとなる。タービンに固有の測定変数、または、エンジンに固有の測定変数の決定に関するより詳細な記載は、ＥＰ１９７２７５８Ａ１から明らかになる。 According to the present invention, transient changes in the amount of cleaning fluid and / or injection pressure occur around an intermediate value, i.e. around a predetermined intermediate fluid amount or intermediate injection pressure, And occurs between a minimum value and / or a maximum value within a bounded range on one or two sides. The intermediate value, the minimum value, and the maximum value can be fixedly pre-defined based on the turbine geometry and provided flow conditions, or It can either be dynamically adapted to the upstream flow conditions, in particular to the pulsating exhaust gas flow and / or to the engine load. In the second case, the predetermined intermediate value to be used, for example at the beginning of the cleaning interval, is a function of one or more turbine specific measurement variables or engine specific measurement variables. As such, it can be calculated based on a predetermined characteristic curve or read from a table. The measurement variable specific to the turbine or the measurement variable specific to the engine can be determined in various ways. For example, measurement data specific to the engine, such as load lever position or injection parameters, can be evaluated and engine load can be derived therefrom. If a further assembly, such as a generator, is positioned downstream of the engine, the engine load can be measured directly at the downstream assembly. Also, specific measurement data of the turbocharger, such as the rotational speed of the turbocharger, can be evaluated. Since turbocharger configurations are commonly known, roughly determine the gas mass flow or gas volume flow, and hence the upstream state of the turbine, by the rotational speed of the turbocharger and from the corresponding characteristic map Is possible. Moreover, it will be possible to measure the gas flow directly in the flow duct, for example by means of a heated line anemometer, an ultrasonic anemometer or a laser Doppler anemometer. A more detailed description of the determination of measurement variables specific to the turbine or measurement variables specific to the engine will become apparent from EP 1927758 A1.
洗浄流体ｍ* wの量の変化、および／または、注入圧力ｐwの変化は、図３のダイヤグラムに概略的に示されているように、中間的な注入圧力（曲線ａ、破線）もしくは中間的な注入量の周りに、周期的な態様（曲線ｂ、点線）で、非周期的にもしくは完全にランダムな態様（曲線ｃ、実線）で、生じることが可能である。注入圧力（上側のダイヤグラム）を変化させる場合と、そうでなければ一定条件の場合とにおいて、洗浄流体ｍ* wの注入量（下側のダイヤグラム）は、注入圧力ｐwのプロファイルに追従する。一般的に、洗浄サイクルは、それぞれの場合において３〜１２０秒の期間の多数の周期を備えており、それぞれの洗浄サイクルの全体的な期間は、固定的に事前定義されることが可能であるか、または、タービンのコンポーネントの現在の汚染、および／または、先の洗浄サイクルからの運転時間の数に依存することが可能である。 Change in the amount of cleaning fluid m * w, and / or injection pressure p changes in w, as shown schematically in the diagram of Figure 3, intermediate injection pressure (curve a, dashed line) or intermediate Around a typical injection volume can occur in a periodic manner (curve b, dotted line), in an aperiodic or completely random manner (curve c, solid line). In the case of changing the injection pressure (the upper diagram), in the case of certain conditions otherwise, injection volume of wash fluid m * w (lower diagram) of follows the profile of the injection pressure p w. One general washing cycle comprises a number of cycles of a period of 3 to 120 seconds in each case, the overall duration of each wash cycle, can be fixedly predefined There may be or depends on the current contamination of the components of the turbine and / or the number of hours of operation since the previous cleaning cycle.
洗浄デバイスが、円周部に沿って分配された態様で配置された２つ以上のノズルを備えている場合、随意的に、本発明による洗浄方法は、洗浄サイクル内の時間の経過とともに、全てのノズルからの全体的な流体量が、一定のままであり、かつ、ノズルの数を乗じた所定の中間的な流体量に対応するように、設計されることが可能である。対照的に、タービンのフローダクトの中へノズル毎に注入された洗浄流体の量は、洗浄サイクル内の時間の経過とともに、所定の中間的な流体量の周りで変化する。 Optionally, if the cleaning device comprises two or more nozzles arranged in a distributed manner along the circumference, the cleaning method according to the present invention is all over the course of the cleaning cycle. Can be designed to remain constant and correspond to a predetermined intermediate fluid volume multiplied by the number of nozzles. In contrast, the amount of cleaning fluid injected per nozzle into the turbine flow duct varies around a predetermined intermediate amount of fluid over time within the cleaning cycle.
時間的に可変の量の洗浄流体がノズル毎に制御される方式が、図４から図７に、例として示されており、かつ、洗浄デバイスの様々な実施形態に基づいて概略的に示されている。 The manner in which a temporally variable amount of cleaning fluid is controlled per nozzle is shown by way of example in FIGS. 4-7 and is schematically illustrated based on various embodiments of cleaning devices. ing.
図４は、本発明による洗浄方法によって、タービンを洗浄するための洗浄デバイスの第１の実施形態を示しており、それは、内燃エンジンの排気ガスによって作用され、洗浄デバイスは、調節可能な貫流を有するポンプ４３１を有している。ポンプは、それぞれの現在設定されている貫流速度のフィードバックの有無にかかわらず、制御電子回路５によって作動させられることが可能である。
FIG. 4 shows a first embodiment of a cleaning device for cleaning a turbine according to the cleaning method according to the invention, which is acted on by the exhaust gas of an internal combustion engine, which has an adjustable flow-through. It has the
図５は、前記タイプの洗浄デバイスの第２の実施形態を示しており、一定量の洗浄流体を送達するポンプ４３を有し、かつ、この目的のために、ポンプ４３とノズル４２との間の給送ラインの中に調節可能な貫流を有する弁４４を有している。２つの簡単な前記第１の実施形態では、ポンプおよび／または弁が、二重の構成または多重の構成で、互いに隣接して案内されていなければ、多数のノズル４２は、独立して作動させられることは可能でない。
FIG. 5 shows a second embodiment of said type of cleaning device, which has a
図６は、一定量の洗浄流体を送達するポンプ４３と、電子的にまたは機械的に制御された態様で、様々なノズル４２に導かれる洗浄流体の量を変化させる調節可能なフロー分配器４５とを有する第３の実施形態を示している。この実施形態では、洗浄流体の量が、ノズル毎に独立して変化し、洗浄流体の全体的な量が、そのようにして一定に保たれることが可能である。これは、図７による第４の実施形態でも、同様に可能であり、そこでは、個々のノズル４３１が、調節可能なノズル開口部、例えば調節可能な絞り開口、または、調節可能なもしくは自由に振動するノズル開口部フラップなどを有している。
FIG. 6 shows a
前記４つの提案された実施形態は、注入圧力および／または貫流速度を調節するために、互いに組み合わせられ、かつ／または、さらなるエレメントと組み合わせられることが可能である。 The four proposed embodiments can be combined with each other and / or with further elements to adjust the injection pressure and / or flow rate.
また、説明された電子的に制御される制御ユニットの代わりに、給送ラインを通る貫流、または、ノズルへの個々の給送ライン同士の間の分配を変化させるために、機械的な制御手段、例えば、振動するフローエレメントまたは、回転するフラップが、設けられることも可能である。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
内燃エンジンの排気ガスによって作用されるタービンの洗浄のための洗浄方法であって、前記排気ガスがフローダクトの中をタービンホイールのローターブレードに導かれており、
洗浄サイクルにおいて、洗浄流体が、少なくとも１つのノズルを介して前記フローダクトの中へ注入される、洗浄方法において、
ノズル毎の、前記タービンの前記フローダクト中へ注入される洗浄流体の量が、前記洗浄サイクル内の時間の経過とともに、所定の中間的な流体量の周りで変化させられることを特徴とする、洗浄方法。
［２］
前記所定の中間的な流体量が、前記タービンの幾何学的な寸法に基づいて特定される、［１］に記載の洗浄方法。
［３］
前記所定の中間的な流体量が、前記タービンの上流の前記フローダクトの中を支配している条件の関数として特定され、この目的のために、第１のステップにおいて、前記タービンの上流を支配している前記条件を特徴付ける少なくとも１つの測定変数が測定され、第２のステップにおいて、前記所定の中間的な流体量に関する値が、測定された前記測定変数から決定され、第３のステップにおいて、前記洗浄流体が、前記洗浄サイクル内の時間の前記経過とともに、前記所定の中間的な流体量の周りで変化する態様で注入される、［１］に記載の洗浄方法。
［４］
前記タービンの上流の前記フローダクトの中を支配している前記条件を決定するために、前記内燃エンジンの測定変数が測定される、［３］に記載の洗浄方法。
［５］
前記タービンの上流の前記フローダクトの中を支配している前記条件を決定するために、前記排気ガスターボチャージャーの測定変数が測定される、［３］に記載の洗浄方法。
［６］
洗浄流体が、円周部に沿って分配された態様で配置された２つ以上のノズルを介して前記フローダクトの中へ注入され、個々のノズル毎の、前記タービンの前記フローダクトの中へ注入される前記洗浄流体の量が、前記洗浄サイクル内の時間の前記経過とともに、所定の中間的な流体量の周りで変化させられるが、前記洗浄サイクルの時間の前記経過にわたる全ての前記ノズルからの前記全体的な流体量が、一定のままであり、かつ、ノズルの数を乗じた前記所定の中間的な流体量に対応する、［１］に記載の洗浄方法。
［７］
ノズル毎の、前記フローダクトの中へ注入される前記洗浄流体の量が、前記洗浄流体の前記注入の圧力によって制御される、［１］から［６］までのいずれかに記載の洗浄方法。
［８］
ノズル毎の、前記フローダクトの中へ注入される前記洗浄流体の量が、前記ノズルの幾何学形状によって制御される、［１］から［６］までのいずれかに記載の洗浄方法。
［９］
ノズル毎の、前記フローダクトの中へ注入される前記洗浄流体の量が、周期的に変化させられる、［１］から［８］までのいずれかに記載の洗浄方法。
［１０］
前記周期の期間が、３秒から１２０秒の間である、［９］に記載の洗浄方法。
［１１］
ノズル毎の前記洗浄流体の瞬間的な量が、一時的に、周期の期間内でゼロの値をとる、［９］および［１０］のいずれかに記載の洗浄方法。
［１２］
［１］から［１１］までのいずれか一項に記載の洗浄方法によって、内燃エンジンの排気ガスによって作用されるタービンを洗浄するための洗浄デバイスであって、洗浄流体を送達するためのポンプ（４３、４３１）と、前記タービンのフローダクトの中へ前記洗浄流体を注入するための少なくとも１つのノズル（４２、４２１）と、前記洗浄流体の貫流を動的に変化させるための少なくとも１つの調節可能なエレメント（４２１、４３１、４４、４５）とを備える、洗浄デバイス。
［１３］
調節可能なエレメントとして、調節可能な貫流速度で前記洗浄流体を送達するためのポンプ（４３１）が設けられている、［１２］に記載の洗浄デバイス。
［１４］
調節可能なエレメントとして、調節可能な弁（４４）が、前記ノズル（４２）への前記洗浄流体のための給送ラインの中に設けられている、［１２］に記載の洗浄デバイス。
［１５］
２つ以上のノズル（４２）を備え、調節可能なエレメントとして、調節可能なフロー分配器（４５）が、前記ノズル（４２）への前記洗浄流体のための給送ラインの中に設けられている、［１２］に記載の洗浄デバイス。
［１６］
調節可能なエレメントとして、前記少なくとも１つのノズル（４２１）には、調節可能なノズル開口部、または、調整される絞り開口、または、振動するノズル開口部フラップが、設けられている、［１２］に記載の洗浄デバイス。
［１７］
調節可能なエレメントとして、振動するフローエレメントが、前記少なくとも１つのノズル（４２）への給送ラインの中に設けられている、［１２］に記載の洗浄デバイス。
Also, instead of the electronically controlled control unit described, mechanical control means are used to change the flow through the feed lines or the distribution between the individual feed lines to the nozzles. For example, an oscillating flow element or a rotating flap can be provided.
Hereinafter, the invention described in the scope of claims at the beginning of the application of the present application will be added.
[1]
A cleaning method for cleaning a turbine operated by exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the exhaust gas is guided through a flow duct to a rotor blade of a turbine wheel,
In a cleaning method, in a cleaning cycle, cleaning fluid is injected into the flow duct through at least one nozzle.
The amount of cleaning fluid injected into the flow duct of the turbine per nozzle is varied around a predetermined intermediate amount of fluid over time in the cleaning cycle, Cleaning method.
[2]
The cleaning method according to [1], wherein the predetermined intermediate fluid amount is specified based on a geometric dimension of the turbine.
[3]
The predetermined intermediate fluid quantity is identified as a function of the conditions governing the flow duct upstream of the turbine, and for this purpose, in a first step, governs upstream of the turbine. At least one measurement variable characterizing the condition is measured, and in a second step, a value for the predetermined intermediate fluid quantity is determined from the measured measurement variable, and in a third step, The cleaning method of [1], wherein the cleaning fluid is injected in a manner that varies around the predetermined intermediate fluid volume with the passage of time in the cleaning cycle.
[4]
The cleaning method of [3], wherein a measurement variable of the internal combustion engine is measured to determine the condition governing the flow duct upstream of the turbine.
[5]
The cleaning method according to [3], wherein a measurement variable of the exhaust gas turbocharger is measured to determine the condition governing the flow duct upstream of the turbine.
[6]
Cleaning fluid is injected into the flow duct through two or more nozzles arranged in a distributed manner along the circumference, and into the flow duct of the turbine for each individual nozzle. The amount of the cleaning fluid injected is varied around a predetermined intermediate fluid amount with the passage of time in the washing cycle, but from all the nozzles over the passage of time of the washing cycle. The cleaning method according to [1], wherein the overall fluid amount of the fluid remains constant and corresponds to the predetermined intermediate fluid amount multiplied by the number of nozzles.
[7]
The cleaning method according to any one of [1] to [6], wherein the amount of the cleaning fluid injected into the flow duct for each nozzle is controlled by the injection pressure of the cleaning fluid.
[8]
The cleaning method according to any one of [1] to [6], wherein the amount of the cleaning fluid injected into the flow duct for each nozzle is controlled by the geometry of the nozzle.
[9]
The cleaning method according to any one of [1] to [8], wherein the amount of the cleaning fluid injected into the flow duct for each nozzle is periodically changed.
[10]
The cleaning method according to [9], wherein the period of the cycle is between 3 seconds and 120 seconds.
[11]
The cleaning method according to any one of [9] and [10], wherein an instantaneous amount of the cleaning fluid for each nozzle temporarily takes a value of zero within a period of a cycle.
[12]
A cleaning device for cleaning a turbine operated by exhaust gas of an internal combustion engine according to the cleaning method according to any one of [1] to [11], wherein a pump for delivering cleaning fluid ( 43, 431), at least one nozzle (42, 421) for injecting the cleaning fluid into the flow duct of the turbine, and at least one adjustment for dynamically changing the flow of the cleaning fluid A cleaning device comprising possible elements (421, 431, 44, 45).
[13]
A cleaning device according to [12], wherein the adjustable element is provided with a pump (431) for delivering the cleaning fluid at an adjustable flow rate.
[14]
A cleaning device according to [12], wherein as an adjustable element, an adjustable valve (44) is provided in the feed line for the cleaning fluid to the nozzle (42).
[15]
With two or more nozzles (42), as an adjustable element, an adjustable flow distributor (45) is provided in the feed line for the cleaning fluid to the nozzle (42). The cleaning device according to [12].
[16]
As an adjustable element, the at least one nozzle (421) is provided with an adjustable nozzle opening or a throttle opening to be adjusted or a vibrating nozzle opening flap [12] A cleaning device as described in.
[17]
A cleaning device according to [12], wherein as an adjustable element, a vibrating flow element is provided in the feed line to the at least one nozzle (42).
１ 圧縮機ホイール
１０ 圧縮機ハウジング
２ タービンホイール
２０ タービンハウジング
２１ タービンホイールのローターブレード
２２ ガイド装置（ガイドブレードを有するノズルリング）
３ ターボチャージャーのシャフト
３０ 軸受ハウジング
４１ 洗浄流体の供給のためのダクト
４２ 洗浄流体の注入のためのノズル
４２１ 調節可能なノズル開口部を有するノズル
４３ 注入されることとなる洗浄流体のためのポンプ
４３１ 調節可能な貫流を有する可変ポンプ
４４ 洗浄流体のための給送ラインの中の調節可能な弁
４５ 洗浄流体のための給送ラインの中の調節可能なフロー分配器
５ 制御ユニット
ｐw 洗浄流体の注入圧力
ｍ* w 注入される洗浄流体の量
ａ 一定注入圧力での注入の曲線プロファイル
ｂ 周期的に変化する注入圧力での注入の曲線プロファイル
ｃ ランダムに変化する注入圧力での注入の曲線プロファイル
ｔ 時間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (15)
洗浄サイクルにおいて、洗浄流体が、少なくとも１つのノズルを介して前記フローダクトの中へ注入される、洗浄方法において、
ノズル毎の、前記タービンの前記フローダクト中へ注入される洗浄流体の量が、前記洗浄流体の前記注入の圧力によって制御され、前記洗浄サイクル内の時間の経過とともに、所定の中間的な流体量の周りで変化させられ、前記洗浄流体の量の前記変化を通じて、洗浄流体の分配と、洗浄されることとなる表面を濡らすこととは、調節可能な表面領域にわたり、過渡的な態様で変化させることが可能であることを特徴とする、洗浄方法。 A cleaning method for cleaning a turbine operated by exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the exhaust gas is guided through a flow duct to a rotor blade of a turbine wheel,
In a cleaning method, in a cleaning cycle, cleaning fluid is injected into the flow duct through at least one nozzle.
The amount of cleaning fluid injected into the flow duct of the turbine per nozzle is controlled by the pressure of the injection of the cleaning fluid, and over time in the cleaning cycle, a predetermined intermediate amount of fluid Through the change in the amount of the cleaning fluid, the dispensing of the cleaning fluid and the wetting of the surface to be cleaned changes in a transient manner over the adjustable surface area A cleaning method, characterized in that it is possible.
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