WO2005049972A1 - Reinigungsvorrichtung - Google Patents

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axial turbine
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Detlef Behrendt
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Abb Turbo Systems Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers. It relates to the axial turbine of a turbocharger, according to the preamble of claim 1.
  • exhaust gas turbochargers to increase the performance of internal combustion engines
  • the exhaust gas turbine of the turbocharger is acted upon by the exhaust gases of the internal combustion engine and its kinetic energy is used for the intake and compression of air for the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbine sooner or later becomes contaminated with the rotor blades and the nozzle ring, the latter being significantly more affected.
  • a layer of dirt forms on the nozzle ring, the hardness of which depends on the working principle of the internal combustion engine. In general, such dirt deposits in the region of the nozzle ring lead to poorer turbine efficiency and consequently to a reduction in the performance of the internal combustion engine.
  • both the internal combustion engine and the turbocharger can be thermally overloaded.
  • the internal combustion engine can in particular damage or even destroy the valves. If a layer of dirt is deposited on the nozzle ring and on the turbine blades of a turbocharger connected to a four-stroke internal combustion engine, an increase in the pressures and the speed of the turbocharger can be expected. As a result, both components of the internal combustion engine and of the turbocharger are subjected to higher thermal and mechanical stresses, which can also lead to the destruction of the affected components.
  • DE 35 15 825 A1 discloses a method and a device for cleaning the rotor blades and the nozzle ring of the axial turbine of an exhaust gas turbocharger with an internal bearing.
  • the axial turbine has a gas inlet housing with an outer and an inner housing wall, the latter serving to cover the turbine wheel and the shaft with respect to the flow channel.
  • the cleaning device consists of several water injectors arranged on the gas inlet housing of the axial turbine with nozzles reaching into the flow channel and a water pipe.
  • a cleaning requirement is determined via a measuring and evaluation unit. Accordingly, water is injected into the flow channel via the nozzles arranged upstream of the guide vanes. The resulting water droplets are transported from the exhaust gas flow to the guide or rotor blades of the axial turbine and clean them of the adhering dirt. Adequate cleaning of the fixed guide vanes can only be achieved if the water droplets are applied as completely as possible on their surface facing the exhaust gas flow.
  • the water injectors or the nozzles must be distributed evenly over the entire circumference of the axial turbine. Accordingly, a larger number of injectors and nozzles is required, which makes such a solution relatively complex and therefore expensive.
  • the effort for sealing the gas inlet housing increases with an increasing number of nozzles.
  • Another problem is the arrangement of the nozzles in a region of the flow channel in which a relatively high flow speed prevails.
  • a cleaning device for the nozzle ring and the blades of the axial turbine of a turbocharger which achieves an improved cleaning effect with reduced construction costs, is described in DE 196 51 318. It consists of only one nozzle with at least one injection opening and a cleaning agent supply line.
  • the injection opening is arranged at any point on an imaginary circular area, which in turn is spaced upstream of the inner housing wall arranged center point and is defined by a diameter.
  • the center lies on an imaginary parallel surface which is formed at a distance from the inner housing wall. The distance corresponds to the mean diameter of the nozzle ring multiplied by a percentage.
  • the center lies on an intersection of the parallel surface and the streamline intersecting it at right angles.
  • the diameter of the circular area is also dependent on the average diameter of the nozzle ring, which is multiplied by a percentage.
  • the injection opening of the nozzle is aligned at least approximately parallel to the tangential plane.
  • the invention is therefore based on the object of providing a cleaning device for the nozzle ring and the rotor blades of the axial turbine of a turbocharger of the type mentioned at the outset, which achieves an improved cleaning effect with little construction effort.
  • the rod-shaped nozzle protrudes into the flow channel.
  • the cleaning agent is injected with the flow in the direction of the nozzle ring and turbine blades through the downstream injection openings.
  • the tubular nozzle can be easily pushed into the flow channel through an opening in the gas inlet housing. No complex supply lines and holes in the housing are necessary.
  • the nozzle is advantageously guided into the flow channel through existing openings, for example a waste gate opening in the gas inlet housing wall.
  • existing openings for example a waste gate opening in the gas inlet housing wall.
  • Such openings are often provided on both sides, since it is not clear at the time of manufacture of the housing whether and on which side such a waste gate will be connected. In this way, the cleaning device can be implemented very easily, even in existing systems without such cleaning.
  • FIG. 1 shows a section through the gas inlet housing of a turbine with a cleaning device according to the invention
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the cleaning device according to FIG. 1,
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the cleaning device according to Fig. 1, and
  • Figure 1 shows a section through a radial gas inlet housing of an axial turbine of a turbocharger.
  • the arrows indicate the direction of flow of the exhaust gases.
  • the hot exhaust gases come from below into the flow channel 2 and are guided past an inner housing wall onto the nozzle ring (not shown) and then onto the rotor blades of the turbine.
  • the inner housing wall 12 covers the turbine wheel.
  • the cleaning device according to the invention is arranged upstream of the annular division of the flow, so that the cleaning liquid can be distributed throughout the flow using a single nozzle 3 with one or more injection openings 32.
  • the nozzle projects into the flow channel essentially at right angles to the direction of flow of the exhaust gas.
  • the nozzle is tubular, the tube advantageously being closed at the end, and instead having one or more of the said injection openings.
  • FIGS. 2 and 3 show different embodiments of such nozzles with round or slot-shaped injection openings 32 and 33, respectively. Further opening shapes, for example square or rectangular, are conceivable.
  • a plurality of injection openings are provided, these are advantageously arranged in such a way that they overlap with the adjacent injection openings is guaranteed, and thus a further improved water distribution on the nozzle ring and the blades is achieved.
  • slot-shaped openings for example, this is achieved by the slots being aligned at right angles to one another.
  • the feed area 31 of the tubular nozzle is fastened to the gas inlet housing, for example, by means of a fastening disk 4.
  • the fastening disk is fastened to the housing wall by means of screws or other fastening means, for example through the fastening openings.
  • FIGS. 4 and 5 show external views of the gas inlet housing with the cleaning device according to the invention, in which the nozzles are guided through the wast gate. 4 shows an arrangement in which the detergent supply line is fastened to the waste gate flange via the fastening disk. This arrangement has the advantage over the arrangement according to FIG. 5, in which the feed line is led directly to the housing surface, that the cold feed line is not directly attached to the hot gas inlet housing. Any impairments to the housing wall, for example small cracks, can thus be avoided.

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Abstract

Bei der Reinigungsvorrichtung für den Düsenring und die Laufschaufeln de Axialturbine eines Turboladers ragt die stabförmige Düse (3) in den Strömungskanal ein (2). Durch die stromab ausgerichteten Einspritzöffnungen (31) wird das Reinigungsmittel mit der Strömung in Richtung Düsenring und Turbinenschaufeln eingespritzt. Die rohrförmige Düse lässt sich leicht durch eine Öffnung im Gaseinrittsgehäuse in den Strömungskanal einschieben.

Description

Reinigungsvorrichtung
BESCH RE I BU NG
Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader. Sie betrifft die Axialturbine eines Turboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Verwendung von Abgasturboladern zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist heute weit verbreitet. Dabei wird die Abgasturbine des Turboladers von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. In Abhängigkeit von der konkreten Betriebssituation und der Zusammensetzung der zum Antrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Brennstoffe kommt es in der Abgasturbine früher oder später zu einer Verschmutzung der Laufschaufeln und des Düsenrings, wobei letzterer wesentlich stärker betroffen ist. Im Schwerölbetrieb bildet sich auf dem Düsenring eine Schmutzschicht aus, deren Härte vom Arbeitsprinzip der Brennkraftmaschine abhängig ist. Allgemein führen solche Schmutzablagerungen im Bereich des Düsenrings zu einem schlechteren Turbinenwirkungsgrad und demzufolge zur Verringerung der Leistung der Brennkraftmaschine. Außer- dem kommt es zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen im Brennraum, wodurch sowohl die Brennkraftmaschine als auch der Turbolader thermisch überbeansprucht werden können. Bei der Brennkraftmaschine kann insbesondere eine Beschädigung oder gar Zerstörung der Ventile auftreten. Lagert sich auf dem Düsenring und auf den Turbinenschaufeln eines mit einer Viertakt-Brennkraftmaschine verbundenen Turboladers eine Schmutzschicht ab, so ist mit einem Ansteigen der Drücke und der Drehzahl des Turboladers zu rechnen. Dadurch werden sowohl Bauteile der Brennkraftmaschine als auch des Turboladers thermisch und mechanisch höher beansprucht, was ebenfalls bis zur Zerstörung der betroffenen Bauteile führen kann. Bei unregelmäßiger Verteilung der Schmutzschicht am Umfang der Laufschaufeln des Turbinenrades kommt es zu einer Erhöhung der Unwucht des Rotors, wodurch auch die Lagerung beschädigt werden kann. Deshalb müssen die Düsenringe und die Laufschaufeln des Turbinenrades regelmäßig von den ihnen anhaftenden Verschmutzungen befreit werden. Aus DE 35 15 825 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung der Laufschaufeln und des Düsenrings der Axialturbine eines Abgasturboladers mit Innenlagerung bekannt. Die Axialturbine besitzt ein Gaseintrittgehäuse mit einer äußeren und einer inneren Gehäusewand, wobei letztere zur Abdeckung des Turbinenrades und der Welle gegenüber dem Strömungskanal dient. Die Reinigungsvorrichtung besteht aus mehreren am Gaseintrittgehäuse der Axialturbine angeordneten Wasser-Injektoren mit bis in den Strömungskanal reichenden Düsen und einer Wasserleitung. Bei einem bestimmten Verschmutzungsgrad der Axialturbine wird über eine Mess- und Auswerteeinheit ein Reinigungsbedarf ermittelt. Dementsprechend wird über die stromauf der Leitschaufeln angeordneten Düsen Wasser in den Strömungskanal eingespritzt. Die dabei entstehenden Wassertröpfchen werden vom Abgasstrom bis zu den Leit- bzw. den Laufschaufeln der Axialturbine transportiert und reinigen diese von den anhaftenden Verschmutzungen. Eine ausreichende Reinigung der feststehenden Leitschaufeln ist aber nur dann zu erreichen, wenn diese auf ihrer dem Abgasstrom zugewandten Oberfläche möglichst vollständig mit den Wassertröpfchen beaufschlagt werden. Dazu müssen die Wasserinjektoren bzw. die Düsen gleichmäßig verteilt auf dem gesamten Umfang der Axialturbine angeordnet werden. Demnach ist eine größere Anzahl von Injektoren und Düsen erforderlich, wodurch eine solche Lösung relativ aufwendig und damit teuer wird. Außerdem erhöht sich der Aufwand zur Abdichtung des Gaseintrittgehäuses mit zunehmender Anzahl von Düsen. Ein weiteres Problem ist die Anordnung der Düsen in einem Bereich des Strömungskanals, in dem eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht.
Dadurch entsteht ein flacher Wasserstrahl, welcher nur Teile der Leitschaufeln erreicht. Eine ausreichende Reinigung ist somit nicht gewährleistet.
Eine Reinigungsvorrichtung für den Düsenring und die Laufschaufeln der Axialturbine eines Turboladers, welche mit einem verringertem Bauaufwand eine verbesserte Reinigungswirkung erzielt, ist in DE 196 51 318 beschrieben. Sie besteht aus nur einer Düse mit zumindest einer Einspritzöffnung sowie einer Reinigungsmittelzuleitung. Die Einspritzöffnung ist auf einem beliebigen Punkt einer gedachten Kreisfläche angeordnet, welche ihrerseits durch einen in einem Abstand stromauf der inneren Gehäusewand angeordneten Mittelpunkt sowie durch einen Durchmesser definiert ist. Der Mittelpunkt liegt auf einer im Abstand zur inneren Gehäusewand ausgebildeten, gedachten Parallelfläche. Der Abstand entspricht dem mit einem Prozentsatz multiplizierten mittleren Durchmesser des Düsenrings. Der Mittelpunkt liegt auf einem Schnittpunkt der Parallelfläche und der sie rechtwinklig schneidenden Stromlinie. Der Durchmesser der Kreisfläche ist ebenfalls vom mittleren Durchmesser des Düsenrings abhängig, welcher mit einem Prozentsatz multipliziert wird. Die Einspritzöffnung der Düse ist zumindest annähernd parallel zur Tangentialebene ausgerichtet.
Diese Lösung mit dem rechtwinklig zur Strömungsrichtung eingespritzten Reinigungsmittel hat sich in der Praxis nur bedingt bewährt. Das Reinigungsmittel wird teilweise gegen die Aussenwand des Gehäuses gespritzt. Dadurch kommt es zu einer ungenügenden Wasserverteilung am Düsenring und an den Laufschaufeln was wiederum die Reinigungswirkung nachteilig beeinflusst.
Kurze Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Reinigungsvorrichtung für den Düsenring und die Laufschaufeln der Axialturbine eines Turboladers der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei geringem Bauaufwand eine verbesserte Reinigungswirkung erzielt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei der erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung ragt die stabförmige Düse in den Strömungskanal ein. Durch die stromab ausgerichteten Einspritzöffnungen wird das Reinigungsmittel mit der Strömung in Richtung Düsenring und Turbinenschaufeln eingespritzt.
Die rohrförmige Düse lässt sich leicht durch eine Öffnung im Gaseintrittsgehäuse in den Strömungskanal einschieben. Es sind keine aufwendigen Zuleitungen und Bohrungen im Gehäuse notwendig.
Vorteilhafterweise wird die Düse durch vorhandene Öffnungen, beispielsweise eine Waste-Gate Öffnung in der Gaseintrittsgehäusewand in den Strömungskanal geführt. Solche Öffnungen sind oft beidseitig vorgesehen, da zum Zeitpunkt der Herstellung des Gehäuses nicht feststeht, ob und auf welcher Seite ein solches Waste-Gate angeschlossen werden wird. Auf diese Weise lässt sich die Reinigungsvorrichtung sehr einfach realisieren, selbst bei bestehenden Anlagen ohne solche Reinigung.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden ist anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Verbindung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schnitt durch das Gaseintrittsgehäuse einer Turbine mit einer erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung, Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung nach Fig. 1 , und
Fig. 4 und 5 Gesamtansichten des Gaseintrittsgehäuses nach Fig. 1.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Schnitt durch ein Radial-Gaseintrittsgehäuse einer Axialturbine eines Turboladers. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung der Abgase an. Die heissen Abgase kommen von unten in den Strömungskanal 2 und werden an einer inneren Gehäusewand vorbei auf den nicht dargestellten Düsenring sowie anschliessend auf die Laufschaufeln der Turbine geführt. Die innere Gehäusewand 12 deckt das Turbinenrad ab.
Die erfindungsgemässe Reinigungsvorrichtung ist stromauf der ringförmigen Aufteilung der Strömung angeordnet, so dass mit einer einzigen Düse 3 mit einer oder mehreren Einspritzöffnungen 32 die Reinigungsflüssigkeit in der gesamten Strömung verteilt werden kann. Die Düse ragt im wesentlichen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung des Abgases in den Strömungskanal. Die Düse ist rohrförmig ausgebildet, wobei das Rohr vorteilhafterweise am Ende verschlossen ist, dafür eine oder mehrere der besagten Einspritzöffnungen aufweist. Figuren 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen solcher Düsen mit runden bzw. schlitzförmigen Einspritzöffnungen 32 bzw. 33. Weitere Öffnungsformen, beispielsweise quadratisch oder rechteckig, sind denkbar.
Sind mehrere Einspritzöffnungen vorgesehen, sind diese vorteilhafterweise derart angeordnet, dass eine Überdeckung mit den benachbarten Einspritzöffnungen gewährleistet ist, und somit eine weiter verbesserte Wasserverteilung am Düsenring und den Laufschaufeln erreicht wird. Dies wird beispielsweise bei schlitzförmigen Öffnungen damit erreicht, dass die Schlitze rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
Der Zuleitungsbereich 31 der rohrförmigen Düse wird beispielsweise mittels einer Befestigungsscheibe 4 am Gaseintrittsgehäuse befestigt. Die Befestigungsscheibe wird mittels Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln beispielsweise durch die Befestigungsöffnungen an der Gehäusewand befestigt.
Vorteilhafterweise wird die Düse durch bereits im Gehäuse vorgesehene Öffnungen, beispielsweise das zum Abführen von Abgas aus dem Strömungskanal verwendete Waste-Gate, in den Strömungskanal geführt. Das Waste-Gate ist oftmals zwar vorgesehen, wird jedoch nicht oder nur einseitig genutzt, so dass mindestens ein entsprechender Anschlussflansch für den Einschub der Reinigungsdüse verwendet werden kann. Somit kann die Reinigungsvorrichtung ohne zusätzliche Bohrung angebracht werden, und auch an bestehenden Turbinen nachgerüstet werden. Die Figuren 4 und 5 zeigen Aussenansichten des Gaseintrittsgehäuses mit der erfindungsgemässen Reinigungsvorrichtung, bei denen die Düsen durch das Wast-Gate geführt sind. Fig. 4 zeigt eine Anordnung bei der die Reinigungsmittelzuleitung über die Befestigungsscheibe an dem Waste-Gate Flansch befestigt ist. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung gemäss Fig. 5, bei welcher die Zuleitung direkt an die Gehäuseoberfläche geführt ist, den Vorteil, dass die kalte Zuleitung nicht direkt am heissen Gaseintrittsgehäuse befestigt ist. Allfällige Beeinträchtigungen der Gehäusewand, beispielsweise kleine Risse, können damit vermieden werden.
Bezugszeichenliste
Figure imgf000008_0001

Claims

PATE NTAN S P R ÜC H E
1. Axialturbine eines Turboladers, mit einem Gaseintrittgehäuse (1), einem Turbinenrad mit Laufschaufeln, einem im Gaseintrittgehäuse (1) ausgebildeten Strömungskanal (2) für die Abgase einer mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine, einem stromauf der Laufschaufeln im Strömungskanal (2) angeordneten Düsenring sowie einer weiter stromauf angeordneten, in den Strömungskanal (2) mündenden Reinigungsvorrichtung (3), wobei das Gaseintrittgehäuse (1) einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine aufnimmt und diesen zu den Laufschaufeln des Turbinenrades weiterleitet, und die Reinigungsvorrichtung (3) aus nur einer Düse (31) mit mindestens einer Einspritzöffnung (32, 33) sowie aus einer Reinigungsmittelzuleitung (34) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) stabförmig ausgebildet ist und durch eine Öffnung im Gaseintrittgehäuse (1) in den Strömungskanal (2) hineinragt, und dass die mindestens eine Einspritzöffnung (32, 33) derart ausgerichtet ist, dass das Reinigungsmittel in Strömungsrichtung in den Strömungskanal (2) einspritzbar ist.
2. Axialturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) im Strömungskanal (2) rechtwinklig zu den Strömungslinien (21) angeordnet ist.
3. Axialturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzöffnung (33) schlitzförmig ausgebildet ist.
4. Axialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (3) mehrere schlitzförmige Einspritzöffnung (33) umfasst, und dass die Einspritzöffnungen zumindest teilweise rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
5. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) mehrere Einspritzöffnung (32, 33) umfasst und dass die Einspritzöffnungen (32, 33) derart ausgerichtet sind, dass das Reinigungsmittel sowohl in Strömungsrichtung als auch in einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung in den Strömungskanal (2) einspritzbar ist. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Düsenstab (3) eine Befestigungsscheibe (4) angebracht ist, und dass der Düsenstab (3) über die Befestigungsscheibe (4) am Gaseintrittsgehäuse (1) befestigt ist.
Axialturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gaseintrittsgehäuse (1) mindestens eine Öffnung zum Abführen von Abgas vorgesehen ist, und dass die Düse (3) durch diese Gasabführöffnung in den Strömungskanal (2) geführt ist.
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