KR20080050451A - 터빈 세척 - Google Patents

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KR20080050451A
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도미니크 보쉬
크리스토프 마테이
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에이비비 터보 시스템즈 아게
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Abstract

내연기관의 구동에 사용되는 연료의 조성 및 실제 작동 상황에 따라서, 이동하는 블레이드, 안내 장치 및 터빈 케이싱부의 오염이 배기가스 터빈에서 더 빨리 또는 더 늦게 발생하게 된다. 본 발명에 따라서, 소량의 세척 유체가 연속적으로 또는 주기적으로 배기가스 터빈의 배기가스 흐름 안으로 공급되어서 세척될 구성 요소로 향하게 된다. 소량의 세척 유체는 내연기관의 충전되지 않은 작동으로 공급되어서, 배기가스 터빈은 내연기관의 전체 작동 영역 내에서 세척되거나 청결을 우지할 수 있게 된다. 따라서 배기가스 터빈의 필수적인 세척으로 인해서 내연기관의 전력 출력이 변동되지 않게 된다. 또한, 중요한 터빈 케이싱 부품에서의 써모응력 균열의 형성이 상당히 회피될 수 있다.

Description

터빈 세척{TURBINE CLEANING}
본 발명은 배기 가스로 채워진 내연기관의 터보기계의 영역을 나타낸다. 본 발명은 배기 가스 터빈을 세척하기 위한 세척 방법에 관한 것이다.
내연기관을 충전하기 위한 배기 가스 터보 과급기, 또는 내연기관의 배기 가스에 포함된 에너지를 기계 또는 전기 에너지로 전환하기 위한 파워 터빈에 배기 가스 터빈이 사용된다.
내연기관을 구동시키는데 이용되는 연료의 조성 및 구체적인 작동 상태에 따라서, 여러 터빈 케이싱 구성 요소 및 노즐 링의 스테이터 블레이드, 및 임펠러에서의 터빈 블레이드의 오염이 배기 가스 터빈에서 조만간 발생하게 된다. 이러한 오염 침전물은 특히 노즐 링의 영역에서 터빈의 효율을 악화시켜서, 예컨대 충전된 내연기관 및 배기 가스 터빈에 의해 구동되는 압축기 등의 다음의 기계의 전력 출력을 감소시키게 된다. 따라서, 내연기관의 배기 가스의 온도가 증가하게 되어서, 내연기관과 터보 과급기가 모두 열적으로 과도한 응력을 받게 된다. 특히 내연기관의 경우에, 배기 밸브가 손상되거나 파괴될 수 있다.
4 행정 내연기관에 연결된 터보 과급기의 터빈 블레이드 및 노즐 링에 오염물 층이 적층되면, 터보 과급기의 속도 증가에 따른 충전압 및 실린더압의 증가도 고려되어야 한다. 그 결과, 내연기관 및 터보 과급기 모두의 구성 요소가 증가된 열적 응력 외에 기계적으로 더 높은 응력을 받게 되어서, 영향을 받은 구성 요소가 파괴될 수도 있다.
터빈 휠의 로터 블레드의 주변에서 오염물 층의 불균일한 분포로 인해, 로터의 뷸균형이 증가하여서, 베어링 장치도 손상을 입게 된다.
터빈 케이싱에서, 터빈 블레이드의 반경 방향 외부 영역으로 연장하는 유로의 외부 윤곽에서 오염 침전물이 발생한다면, 작동 동안에 감소된 반경 방향 여유부로 인해서 터빈 케이싱과 터빈 사이의 접촉이 발생할 수 있는데, 이는 터빈 블레이드에 손상을 줄 수 있고, 극단적인 예로서 터빈 블레이드를 사용할 수 없도록 할 수 있다.
따라서, 노즐 링, 터빈 블레이드 및 영향을 받은 터빈 케이싱의 영역에서 이들에 부착된 오염물을 규칙적으로 제거해야만 한다.
배기 가스 터보 과급기의 축선 방향 터빈의 노즐 링 및 로터 블레이드를 세척하는 장치 및 방법이 DE 35 15 825 A1 에 공지되어 있다. 세척 장치는 축선 방향 터빈의 가스 흡입 케이싱에 배열되고 유로에 이르는 다수의 물 노즐, 및 물 배관을 포함한다. 축선 방향 터빈의 규정된 오염 정도로, 측정 평가 장치를 통해 세척 요건이 감지된다. 따라서, 스테이터 블레이드의 상류에 배열된 노즐을 통해 유로 안으로 물이 분사된다. 공정 중에 생긴 수적은 배기 가스에 의해 축선 방향 터빈의 로터 블레이드 또는 스테이터 블레이드로 흘러서 이러한 부착된 오염물을 세척하게 된다. 비교적 짧은 세척 간격 동안, 가능한 한 철저히 세척하 기 위해서 다량의 세척 유체 (1 ㎥/s 의 배기 가스 당 약 3 ℓ/min 의 세척 유체) 가 공정 중에 유수로 흘러간다. 이 세척 방법으로, 초기 단계에서 그리고 전체 세척 공정 동안 다량의 물로 인한 엔진 부하가 감소될 수 있다. 세척 공정 동안에 배기 가스 온도가 수용할 수 없을 정도로 증가하는 것을 회피하기 위해서 이는 필수적이다. 세척 공정 동안에 배기가스의 온도가 과도하게 증가하면 배기가스 터빈 및 내연기관이 열적으로 과도한 응력을 받게 된다.
또한 종래 기술로부터, 터빈 휠의 로터 블레이드 및 노즐 링의 고온 스테이터 블레이드로 다량 (예컨대 상기과 같이) 의 차가운 세척 유체를 분사하는 초기 상에서, 추가적인 열충격 (thermoshock) 세척 효과가 얻어질 수 있다.
터빈 휠의 로터 블레이드 및 노즐 링의 스테이터뿐만 아니라, 터빈 케이싱 구성 요소도 써모쇼크 세척 동안에 열적으로 매우 심한 응력을 받는다. 대응 구성 요소의 수용할 수 없는 고열 응력, 또는 균열의 형성을 피하는 것은, 구조적으로 매우 고가이고, 정교한 세척 제어를 필요로 하여서 비용을 상승시키게 된다.
본 발명의 목적은 배기 가스 터빈을 세척하는 세척 방법을 고안하는 것으로서, 본 발명으로 배기 가스 터빈은 내연기관의 전체 작동 영역에서 효과를 유지하면서 자동으로 청결하게 유지될 수 있거나, 세척될 수 있다.
본 발명에 따라서, 소량의 세척 유체가 연속적으로, 또는 정기적으로, 세척되어야 할 내연기관의 구성 요소 (스테이터 요소, 터빈 블레이드 및 관련된 터빈 케이싱 구성 요소) 안으로 유동되고 안내되는 배기 가스 내에 공급된다.
소량의 세척 유체는 배기 가스 터빈의 전력 출력을 매우 근소하게 감소시키거나 배기 가스의 온도를 매우 근소하게 증가시키고, 일정한 내연기관의 작동 동안에 공급되어서 내연 기관의 전체 작동 영역에서 배기 가스 터빈을 세척하거나 또는 청결하게 유지할 수 있다. 따라서 꼭 필요한 배기가스 터빈의 세척으로 인해서 내연기관에서의 출력의 변동이 없게 된다.
연속적으로 습기가 가해진 배기 가스 흐름으로 인해서, 스테이터 블레이드 및 로터 블레이드, 및 중요한 터빈 케이싱 구성 요소에 있어서, 열적 응력, 및 열적 응력으로 인해 생긴 열적 응력 균열이 상당히 방지된다. 또한, 습기가 가해진 배기가스 흐름은 세척되어야하는 배기가스 터빈의 구성 요소에서의 침전물을 더 적게 해준다.
본 발명에 따라서, 소량의 세척 유체가 터빈 휠의 로터 블레이드 및 스테이터 장치의 배기가스 터빈 상류의 유로로 공급된다. 따라서, 배기가스의 습도가 증가하면서, 배기 가스 터빈을 통하는 다른 유로를 따라 세척 작용, 또는 세척 작용의 유지가 달성된다. 일반적으로 물 또는 세척을 촉진시켜주는 물질과 혼합된 물인 세척 유체는 유로 안으로 소량으로 제어 분사된다.
이는 본 발명에 따라 배기가스 터빈의 전체 작동 시간 동안에 연속적으로 또는 정기적으로 발생하게 된다. 따라서, 작동 기간과 세척 기간 사이의 차이가 더이상 생기지 않게 되고, 배기 가스로 배기 가스 터빈을 충전시키는 내연기관의 전력 출력이 더 이상 배기가스 터빈의 세척 동안에 특별하게 감소될 필요가 없어지 게 된다. 정기적인 분사의 경우에, 세척 유체는 각각의 경우에 수 초의 간격으로 수 초 동안 유로안으로 분사된다.
분사된 세척 유체의 양은 예컨대, 내연기관의 출력 또는 배기가스 흐름에 따라 변화될 수 있어서, 부분적인 부하 작동시에 전체 부하 작동 동안보다 낮은 출력으로 소량의 세척 유체가 분사되게 된다. 세척 유체의 양은 유리하게는 엔진의 전력 출력에 비례하여서 변화된다. 또한 정기적인 분사의 경우에, 분사된 세척 유체의 양은 일정한 노즐 제트로 분사 기간 또는 분사 기간 사이의 간격을 변화시킴으로써 조절 될 수 있다.
본 발명에 따른 발명으로, 1 분당, 1 m3/s 의 배기가스당 약 0.1 ~ 1.0 ℓ의 세척 유체가 유로 안으로 분사된다.
연속적인 분사뿐만 아니라 소량의 세척 유체 및 고온의 세척 유체와 관련된 고온의 배기가스와의 개선된 혼합으로 인해서, 원하지 않은 열적 응력 또는 열적 응력 균열이 회피될 수 있다.
따라서 유로 안으로의 분사 전에 가열되는 세척 유체에 의해서 추가적인 열적 무부하 (unloading) 가 달성된다. 세척 유체를 가열하기 위해서, 내연기관의 배기 가스의 잔여 열이 사용되는 것이 유리하다.
내연기관을 충전하기 위한 터보 과급기의 배기가스 터빈으로서의 작동시에, 본 발명에 따른 세척 방법에 의해서 배기가스 터빈의 구성 요소가 지속적인 효과로 열적으로 부하가 걸리지 않을 수 있고, 터보 과급기의 출력 손실, 및 그로 인한 내 연기관의 작동 값에 따른 부정적인 영향이 감소되거나 완전하게 방지될 수 있다. 또한, 다량의 세척 유체의 분사에 따라 임의적이고, 정상적인 작동을 방해하는 내연기관의 주기적인 출력의 감소는 부적절하다.

Claims (6)

  1. 내연기관의 배기가스로 충전된 배기가스 터빈을 세척하기 위한 세척 방법으로서, 유로의 배기가스는 터빈 휠의 로터 블레이드로 안내되고, 세척 유체는 유로 안으로 분사되는 세척 방법에 있어서,
    내연기관의 작동 지점과 관계없이 배기가스 터빈의 작동 동안에 상기 세척 유체는 유로 안으로 분사되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈을 세척하기 위한 세척 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 세척 유체는 유로 안으로 연속적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈의 세척을 위한 세척 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 세척 유체는 각각의 경우에 수 초의 간격으로 수 초 동안 정기적인 방식으로 유로 안으로 주기적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈의 세척을 위한 세척 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사된 세척 유체의 양은 변화될 수 있는데, 각각의 경우에 내연기관에 의해 현재 전달되는 전력 출력에 따라서 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈의 세척을 위한 세척 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세척 유체는 유로 안으로 분사되기 전에 가열되는 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈의 세척을 위한 세척 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사된 세척 유체의 양은 1 m3/s 의 배기가스당 0.1 ~ 1.0 ℓ인 것을 특징으로 하는 배기가스 터빈의 세척을 위한 세척 방법.
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