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WO2007036059A1 - Turbinenreinigung - Google Patents

Turbinenreinigung Download PDF

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WO2007036059A1
WO2007036059A1 PCT/CH2006/000514 CH2006000514W WO2007036059A1 WO 2007036059 A1 WO2007036059 A1 WO 2007036059A1 CH 2006000514 W CH2006000514 W CH 2006000514W WO 2007036059 A1 WO2007036059 A1 WO 2007036059A1
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cleaning
internal combustion
combustion engine
turbine
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominique Bochud
Christoph Mathey
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Accelleron Industries AG
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ABB Turbo Systems AG
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    • F01D25/007—Preventing corrosion
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • 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 turbomachines subjected to exhaust gases of internal combustion engines. It relates to a cleaning method for cleaning an exhaust gas turbine.
  • Exhaust gas turbines are used in exhaust gas turbochargers for charging internal combustion engines or in power turbines for converting the energy contained in the exhaust gases of internal combustion engines into mechanical or electrical energy.
  • the guide vanes of the nozzle ring and the various turbine housing parts occurs in the exhaust gas turbine.
  • Such Schmutzablagerurigen lead in the area of the nozzle ring u. a. to a poorer turbine efficiency and consequently to the reduction of the performance of the downstream engines, for example the exhaust turbine driven compressor and the supercharged engine itself.
  • the exhaust gas temperatures in the combustion chamber increase, thereby thermally overstressing both the engine and the turbocharger can.
  • damage or even destruction of the exhaust valves can occur in the internal combustion engine.
  • the nozzle ring, turbine blades and affected areas of the turbine housing must be regularly freed from them adhering dirt.
  • 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.
  • the cleaning device consists of several arranged on the gas inlet housing of the axial turbine water 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 and the blades of the axial turbine and clean them of the adhering contaminants.
  • the object of the present invention is to provide a cleaning method for cleaning an exhaust gas turbine with which an exhaust gas turbine can be kept clean and / or cleaned sustainably and automatically over the entire engine operating range.
  • a small amount of cleaning liquid is continuously or cyclically fed into the exhaust gas flow and to be purified
  • the small amount of cleaning fluid causes only an insignificant reduction in the performance of the exhaust gas turbine or increasing the exhaust gas temperatures and can be fed with unchanged engine operation, so that the cleaning or keeping clean the exhaust gas turbine can be done throughout the engine operating range. Fluctuations in the power output of the internal combustion engine due to become necessary exhaust gas turbine cleaning thus remain.
  • small amounts of cleaning liquid are supplied to the flow channel of an exhaust gas turbine upstream of the guide device and of the rotor blades of the turbine wheel.
  • the cleaning liquid usually water or water added with a cleansing substance, is controlled and injected in small quantities into the flow channel.
  • the amount of the injected cleaning liquid can be varied depending on about the power output of the internal combustion engine or the exhaust gas flow, so that at low power output in partial load operation, a smaller amount of cleaning fluid is injected than at full load operation.
  • the amount of cleaning liquid is varied in proportion to the engine power.
  • the amount of the injected cleaning liquid can be controlled by varying the injection duration or the intervals between them with a constant jet.
  • Per 1 m 3 / s of exhaust gas in the inventive method about 0.1 to max. 1.0 liter of cleaning fluid injected into the flow channel per minute.
  • the components of the exhaust gas turbine When used as an exhaust gas turbine of a turbocharger for charging the internal combustion engine, the components of the exhaust gas turbine can sustainably thermally relieved and power losses of the turbocharger and consequent negative influences on the engine operating values are reduced or completely prevented with the inventive cleaning method.

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Abstract

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, der Leitvorrichtung und der Turbinengehäuseteile. Erfindungsgemäss wird kontinuierlich oder getaktet eine kleine Menge Reinigungsflüssigkeit in den Abgasstrom einer Abgasturbine eingespeist und auf die zu reinigenden Komponenten der Abgasturbine geführt. Die kleine Menge Reinigungsflüssigkeit kann bei unverändertem Brennkraftmaschinenbetrieb eingespeist werden, so dass die Reinigung bzw. Reinhaltung der Abgasturbine im gesamten Brennkraftmaschinenbetriebsbereich erfolgen kann. Schwankungen in der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine aufgrund von notwendig gewordener Abgasturbinenreinigung bleiben somit aus. Ferner wird die Bildung von Thermospannungsrisse in den kritischen Turbinengehäuseteile weitgehend vermieden.

Description

Turbinenreinigung
B ES C H RE I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Strömungsmaschinen. Sie betrifft ein Reinigungsverfahren zum Reinigen einer Abgasturbine.
Abgasturbinen werden in Abgasturbolader zum Aufladen von Brennkraftmasehinen oder in Nutzturbinen zum Umwandeln der in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthaltenen Energie in mechanische oder elektrische Energie eingesetzt. 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 Turbinenschaufeln am Laufrads, der Leitschaufeln des Düsenringes und der verschiedenen Turbinengehäuseteile. Solche Schmutzablagerurigen führen im Bereich des Düsenrings u. a. zu einem schlechteren Turbinenwirkungsgrad und demzufolge zur Verringerung der Leistung der nachfolgenden Maschinen, beispielsweise des mittels Abgasturbine angetriebenen Verdichters und der aufgeladenen Brennkraftmaschine selbst. Als Folge dessen 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 Auslassventile auftreten.
Lagert sich auf dem Düsenring und auf den Turbinenschaufeln eines mit einer Viertakt- Brennkraftmaschine verbundenen Turboladers eine Schmutzschicht ab, so ist ausserdem mit einem Ansteigen der Turboladerdrehzahl und folglich des Ladedrucks und des Zylinderdrucks zu rechnen. Dadurch werden sowohl Bauteile der Brennkraftmaschine als auch des Turboladers zusätzlich zur erhöhten thermischen Belastung auch 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.
Kommt es am Turbinengehäuse zu Schmutzablagerungen an der im Bereich radial ausserhalb der Turbinenschaufeln verlaufenden Aussenkontur des Strömungskanals, können auf Grund des reduzierten Radialspiels zwischen Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse im Betrieb Berührung auftreten, welche die Turbinenschaufelnbeschädigen und im Extremfall unbrauchbar machen können.
Deshalb müssen Düsenring, Turbinenschaufeln und betroffene Bereiche des Turbinengehäuses regelmässig von ihnen anhaftenden Verschmutzungen befreit werden.
Stand der Technik
Aus DE 35 15 825 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung der Laufschaufeln und des Düsenrings der Axialturbine eines Abgasturboladers bekannt. Die Reinigungsvorrichtung besteht aus mehreren am Gaseintrittgehäuse der Axialturbine angeordneten Wasserdüsen die bis in den Strömungskanal reichenden 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. Während einem relativ kurzen Reinigungsintervall wird dabei eine grosse Menge Reinigungsflüssigkeit (ca. 3 l/min Reinigungsflüssigkeit pro m3/s Abgas) in die Strömung eingespeist, um eine möglichst gründliche Reinigung zu erzielen. Bei diesem Reinigungsverfahren muss aufgrund der grossen Wassermenge die Motorlast frühzeitig und während dem gesamten Reinigungsvorgang reduziert werden. Dies ist erforderlich, um einen unzulässig hohen Anstieg der Abgastemperaturen während des Reinigungsvorganges zu vermeiden. Ein übermässiger Anstieg der Abgastemperaturen während des Reinigungsvorganges führt zur thermischen Überbelastung der Abgasturbinen und der Brennkraftmaschine. Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass in der Anfangsphase der Einspritzung einer kalten Reinigungsflüssigkeit in hoher Menge (vgl. oben) auf die heissen Leitschaufeln des Düsenrings und Laufschaufeln des Turbinenrads, ein zusätzlicher Thermoschock-Reinigungseffekt erzielt werden kann. .
Nicht nur die Leitschaufeln des Düsenrings und die Laufschaufeln des Turbinenrades sondern auch die Turbinengehäuseteile werden bei der Thermoschock-Reinigung thermisch sehr stark beansprucht. Die Vermeidung der Bildung von unzulässig hohen Thermospannungen oder gar Rissen in den entsprechenden Bauteilen ist konstruktiv sehr aufwendig, erfordert eine ausgeklügelte Regelung der Reinigung und verursacht dadurch hohe Kosten.
Kurze Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Reinigungsverfahren zum Reinigen einer Abgasturbine zu schaffen, mit welchem eine Abgasturbine automatisch und im gesamten Brennkraftmaschinenbetriebsbereich nachhaltig sauber gehalten, bzw. gereinigt werden kann.
Erfindungsgemäss wird kontinuierlich oder getaktet eine kleine Menge Reinigungsflüssigkeit in den Abgasstrom eingespeist und auf die zu reinigenden
Komponenten der Abgasturbinen (Leitelement, Turbinenschaufel und relevante Turbinengehäuseteile) geführt.
Die kleine Menge Reinigungsflüssigkeit verursacht nur noch eine unwesentliche Reduktion der Leistung der Abgasturbine bzw. Erhöhung der Abgastemperaturen und kann bei unverändertem Brennkraftmaschinenbetrieb eingespeist werden, so dass die Reinigung bzw. Reinhaltung der Abgasturbine im gesamten Brennkraftmaschinenbetriebsbereich erfolgen kann. Schwankungen in der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine aufgrund von notwendig gewordener Abgasturbinenreinigung bleiben somit aus.
Dank der kontinuierlich befeuchteten Abgasströmung können Thermospannungen und dadurch verursachte Thermospannungsrisse in den Leit- und Laufschaufeln und in den kritischen Turbinengehäuseteilen weitgehend verhindert werden. Zudem führt die befeuchtete Abgasströmung zu weniger starken Ablagerungen an den zu reinigenden Komponenten der Abgasturbinen. Weg zur Ausführung der Erfindung
Erfindungsgemäss werden dem Strömungskanal einer Abgasturbine stromauf der Leitvorrichtung und der Laufschaufeln des Turbinenrades kleine Mengen Reinigungsflüssigkeit zugeführt. Dadurch wird die Feuchtigkeit des Abgases erhöht, womit eine reinigende bzw. reinhaltende Wirkung entlang des weiteren Strömungswegs durch die Abgasturbine erzielt wird. Die Reinigungsflüssigkeit, in der Regel Wasser oder mit einer reinigungsfördernden Substanz versetztes Wasser, wird kontrolliert und in geringen Mengen in den Strömungskanal eingespritzt.
Dies geschieht erfindungsgemäss kontinuierlich oder aber periodisch getaktet während der gesamten Betriebszeit der Abgasturbine. Somit wird nicht mehr unterschieden zwischen Betriebsperiode und Reinigungsperiode und die Leistung der die Abgasturbine mit Abgasen beaufschlagenden Brennkraftmaschine braucht nicht mehr eigens für das
Reinigen der Abgasturbine reduziert zu werden. Beim getakteten Einspritzen wird im
Abstand von einigen Sekunden und für jeweils einige Sekunden Reinigungsflüssigkeit in den Strömungskanal eingespritzt.
Die Menge der eingespritzten Reinigungsflüssigkeit kann in Abhängigkeit etwa der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine oder des Abgasstromes variiert werden, so dass bei geringer Leistungsabgabe im Teillastbetrieb eine geringere Menge Reinigungsflüssigkeit eingespritzt wird als bei Volllastbetrieb. Vorteilhafterweise wird die Menge Reinigungsflüssigkeit proportional zur Motorleistung variiert. Beim getakteten Einspritzen kann die Menge der eingespritzten Reinigungsflüssigkeit bei gleich bleibendem Düsenstrahl auch durch variieren der Einspritzdauer bzw. der dazwischen liegenden Abstände gesteuert werden.
Pro 1 m3/s Abgas werden beim erfindungsgemässen Verfahren etwa 0.1 bis max. 1.0 Liter Reinigungsflüssigkeit pro Minute in den Strömungskanal eingespritzt.
Nicht nur Dank der kontinuierlichen Einspritzung aber auch Dank der geringen Menge Reinigungsflüssigkeit und der damit verbundenen verbesserten Vermischung mit dem heissen Abgas können unerwünschte Thermospannungen bzw. Thermospannungsrisse vermieden werden. Zusätzliche thermische Entlastung wird dadurch erreicht, indem die Reinigungsflüssigkeit vor dem Einspritzen in den Strömungskanal aufgeheizt wird. Zum Aufheizen der Reinigungsflüssigkeit wird vorteilhafterweise Restwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine verwendet.
Im Einsatz als Abgasturbine eines Turboladers zum Aufladen der Brennkraftmaschine können mit dem erfindungsgemässen Reinigungsverfahren die Komponenten der Abgasturbine nachhaltig thermisch entlastet und Leistungsverluste des Turboladers und daraus folgende negative Einflüsse auf die Brennkraftmaschinen-betriebswerte reduziert oder ganz verhindert werden. Zudem entfallen periodische, den normalen Einsatz unterbrechende, durch die Einspritzung von hohen Mengen Reinigungsfiüssigkeiten bedingte Leistungsreduktionen der Brennkraftmaschine.

Claims

PATE NTANS P R Ü C H E
1. Reinigungsverfahren zum Reinigen einer mit Abgasen einer Brennkraftmaschine beaufschlagten Abgasturbine, wobei die Abgase in einem Strömungskanal auf die Laufschaufeln eines Turbinenrades geführt werden, bei welchem Reinigungsverfahren eine Reinigungsflüssigkeit den Strömungskanal eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Abgasturbine unabhängig von Betriebspunkt der Brennkraftmaschine Reinigungsflüssigkeit in den Strömungskanal eingespritzt wird.
2. Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit kontinuierlich in den Strömungskanal eingespritzt wird.
3. Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit periodisch getaktet im Abstand von einigen Sekunden und für jeweils einige Sekunden in den Strömungskanal eingespritzt wird.
4. Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der eingespritzten Reinigungsflüssigkeit variiert werden kann und abhängig von der jeweils momentan von der Brennkraftmaschine abgegebenen Leistung gewählt wird.
5; Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit vor dem Einspritzen in den Strömungskanal aufgeheizt wird.
6. Reinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der eingespritzten Reinigungsflüssigkeit pro m3/s Abgas 0.1-1.0 Liter beträgt.
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