CN101263279A - 涡轮增压器清洁设备 - Google Patents

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Abstract

一种与提供有涡轮压缩机(2)的活塞式发动机(1)有关的设备，设备包括用于将由压缩机(3)加压的燃烧空气运送到活塞式发动机(1)的气缸(10)的流道(6)，用于将排气从活塞式发动机(1)运送到涡轮机(4)的排气道(11)，和与涡轮机(4)配适的用于将清洁剂供给到涡轮机(4)的装置(16)。存在与排气道(11)相关地布置的供给装置(12、14)以将空气和/或水引入到排气道(11)以用于冷却排气。

Description

涡轮增压器清洁设备
技术领域
本发明涉及与提供有涡轮压缩机的活塞式发动机有关的设备。
本发明也涉及与提供有涡轮压缩机的活塞式发动机有关的方法。
背景技术
在发动机技术领域中已知使用涡轮压缩机来增加发动机的输出。涡轮压缩机包括压缩机部分，通过它将加压的燃烧空气引入到发动机内。另外，涡轮压缩机包括用于驱动压缩机的涡轮机部分。来自发动机的排气引导向涡轮机，涡轮机将排气的能量转化为用于压缩机的驱动动力。在涡轮机的与排气接触的那些零件上形成了积碳。当重燃料油用作燃料时，碳积累特别严重。与排气接触的涡轮机表面的温度充分地增加，为此形成在表面上的积碳特别硬。涡轮机叶片和围绕叶片的流道之间的区域内以及在排气流动方向上位于涡轮机叶片前的喷嘴环内的碳积累是特别地有问题的。积碳的性质根据所使用的燃料的成分而变化。对于包含了钒和钠的重燃料油，此问题是特别地明显的。形成在涡轮机上的积碳降低了涡轮机的效率，且因此发动机输出下降。因此，形成在涡轮机上的污染物沉积必须定期去除。
为清洁涡轮机，发动机可以停机且进行机械的清洁，以此将涡轮增压器拆下且清洁涡轮机。然而，这是非常不利的过程，因为它非常费时。此外，污染经常过分严重，使得此方法要求的停机比发动机自身维修所要求的停机还要频繁。
开发了数个解决方案以从涡轮机表面去除积碳，同时涡轮机维持运行。一般地，这些解决方案可以分为湿方法和干方法，其中清洁通过喷水或通过将粒状固体物与排气混合以机械地清洁表面进行。与干方法相关的一个缺点是同时磨损了被清洁的装备表面。当发动机负荷低时，喷水的效果可能类似于清洗，或当使用在相当高的发动机负荷下时，类似于热冲击。当清洁类型是清洗时，清洁效果首先基于水滴的机械碰撞且其次基于污染物在水中的溶解。典型地，通过清洗的此清洁要求将发动机输出降低到最大输出的30％至40％。替代地，涉及热冲击的清洁基于污染物沉积和附着表面的不同的热膨胀性质，以及基于由突然冷却获得的分离效果。与通过清洗的清洁相比，基于热冲击的清洁可以以更高发动机输出进行。
公布US 5,944,483披露了一种基于热冲击的湿清洁方法。在此方法中，相对地小量的水重复地喷射到涡轮机内，使得水以液体状态以足够低的温度冲击喷嘴环，且导致沉积物的热冲击。允许喷嘴环在喷射之间再加热到其正常运行温度。在此公布中描述的装备也可应用于通过清洗来清洁涡轮机。
在湿清洁期间，到达涡轮机的排气需要处于足够低的温度，以避免水的过分汽化和由于热沉积导致的对涡轮机部件的损坏。如果发动机在过高的输出下运行，则进入涡轮机的排气可能对于湿清洁过热，因此发动机输出必须为清洁运行而降低。用于涡轮机的清洁过程的长度典型地为大约半小时，且对于连续运行且使用劣质燃料的发动机，此过程经常频繁到每周进行两次。例如在发电厂中的发动机的情况中，由于涡轮机清洁导致的电力生产下降可能导致严重的经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供技术解决方案，通过该解决方案，提供有涡轮压缩机的活塞式发动机可以在涡轮机清洁期间以更高的输出运行。
在根据本发明的设备中，供给装置适合于与活塞式发动机的排气道连接，通过该供给装置，在涡轮机清洁期间可以将空气和/或水引入到排气道内。
在根据本发明的方法中，待从活塞式发动机引入到涡轮机内的排气在涡轮机清洁期间通过将空气和/或水与其混合而被冷却。
更精确地，根据本发明的设备的特征在权利要求1的特征部分中陈述。
根据本发明的方法的特征在权利要求7的特征部分中陈述。
通过本发明实现了相当的优点。
通过水和/或空气供给，在清洁期间，待引入到的涡轮机的排气可以被冷却而不降低发动机的输出。在涡轮机清洁期间，发动机可以在完全输出下运行，特别在发电厂运行中这是有用的。根据本发明的设备也是容易的和经济上可行的，且也可以安装在现有的活塞式发动机上。
如下参考附图中示出的例子更详细地解释本发明。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的示意性视图。
图2是根据本发明的第二实施例的示意性视图。
图3是根据本发明的第三实施例的示意性视图。
具体实施方式
图1至图3示出了提供有涡轮压缩机2的活塞式发动机1。涡轮压缩机2包括通过驱动轴5相互连接的压缩机3和涡轮机4。驱动轴5通过轴承***接附到涡轮压缩机2的壳体。压缩机3的任务是将加压空气供给到发动机1以提供用于燃料的燃烧空气。压缩机3包括可旋转转子，可旋转转子提供有叶片以将燃烧空气加压以运送到发动机1。流动空间6配适在压缩机3的高压侧上，即在压缩机3和发动机气缸10的燃烧空间之间，以将加压的燃烧空气运送到气缸10。流动空间6提供有换热器7以冷却或加热燃烧空气。另外，流动空间6包括在燃烧空气的流动方向上位于换热器7后方的充填空气接收器8。流动空间6也包括配适在每个气缸10和接收器8之间的入口通道9，以将燃烧空气从接收器8运送到气缸10。
排气道11布置在气缸10和涡轮机4的高压侧之间，以将发动机的排气运送到涡轮机4。排气道11的第一端11a，即涡轮机侧上的端连接到涡轮机4。排气道11与气缸10的行平行地放置。排气道11的第二端11b，即距涡轮机最远的端延伸到距涡轮机4最远的气缸附近。每个气缸10通过分支管17连接到排气道11。涡轮机4包括提供有叶片且通过来自发动机1的排气旋转的转子。此外，发动机1包括燃料供给装置(未示出)，以将燃料供给到气缸10。
另外，涡轮机4包括用于将清洁液体供给到涡轮机4内的排气道的供给构件16。通过清洁液体将聚积在涡轮机4的表面上的积碳和/或其他污染物去除。特别地，从涡轮机4内喷嘴环表面且从绕转子叶片的排气道表面去除积碳。喷嘴环提供有叶片，叶片改变了排气的流动方向，使得流动方向适合于转子叶片且增加了排气的流动速度。用于清洁液体的供给装置16包括喷嘴，清洁液体从喷嘴在喷嘴环前的点处喷射到排气的流道内，还包括用于将清洁液体运送到喷嘴的设备。可以利用用于清洁液体的供给装置16，例如在美国专利5,944,483中描述的设备，通过它涡轮机4可以使用湿清洁方法清洁，即通过热冲击方法或清洗方法清洁。
当发动机1运行时，燃烧空气引导向压缩机3，在此处转子提高燃烧空气的压力到高于环境压力的水平。已加压的空气引导到压缩机3的压力侧上的流动空间6。在流动空间6内，燃烧空气运送到换热器7且被换热器7典型地冷却到40至100℃。在冷却后，将燃烧空气引导到充填空气接收器8。来自接收器8的燃烧空气通过入口通道9引导到气缸10。例如重燃料油的燃料供给到气缸10且通过燃烧空气在气缸10的燃烧空间内燃烧。由燃烧生成的排气从气缸10通过分支管17运送到排气道11且通过排气道11运送到涡轮机4。气体流动在通过涡轮机4时使得涡轮机4的转子旋转，转子的旋转运动由轴5传递到压缩机3的转子。
为去除聚积在涡轮机4上的积碳和/或其他污染物，涡轮机的清洁过程开始。因此，例如水的清洁液体在发动机1运行时喷射到涡轮机4内。清洁液体通过喷射压力的作用传递且由排气流动携带到污染的表面上，例如喷嘴环的表面和围绕转子的排气道的表面。清洁液体的清洁效果可以基于清洗或热冲击。在通过清洗来清洁的情况中，清洁效果基于清洁液体液滴的机械碰撞且基于污染物在清洁液体内的溶解。当清洁涉及热冲击时，作为替代，清洁效果基于污染沉积及其附着表面的热膨胀性质差异以及基于通过突然冷却实现的分离效果。
当使用基于清洗的清洁时，清洁液体以大致60秒期间喷射到涡轮机内。在喷射期间之间存在大约60秒的暂停，在此期间不喷射清洁液体。存在典型的五个喷射期间。在喷射期间中，引入到涡轮机内的清洁液体的体积流量为0.2至2dm3/s，这取决于涡轮机的尺寸。清洁液体的供给压力大约比供给点处的排气压力高2bar。
相应地，当使用基于热沉积的清洁时，喷射期间的长度为2至4秒，且在喷射期间之间存在大约3分钟的暂停，在此期间不喷射清洁液体。在喷射期间中，清洁液体的体积流量为0.5至5.5dm3/s，这取决于涡轮机的尺寸。清洁液体的供给压力比供给点处的排气压力高2至3bar。典型地存在四个喷射期间。
为实现最佳的清洁结果，运送到涡轮机4的排气的温度需要在清洁过程期间处于特定的水平。位于排气道11内的测量装备测量了通到涡轮机4的排气温度。在基于清洗的清洁过程中，运送到涡轮机4的排气的温度必须典型地低于450℃，且在热冲击清洁中低于500℃。然而，在热冲击清洁中，排气的温度需要超过430℃。当发动机1在完全输出下运行时，到达涡轮机4的排气的温度典型地为520至600℃，且因此在清洁过程期间，发动机的输出必须降低以降低排气的温度，或需要冷却排气。图1和图2示出了用于在涡轮机清洁期间冷却引导到涡轮机4的排气的解决方案。涡轮机4的清洁可以在发动机1处于完全输出下运行时进行。
图1示出了根据本发明的用于在涡轮机4的清洁过程期间冷却待引导到涡轮机的排气的一个实施例。在此实施例中，从压缩机2的高压侧，即从流动空间6引来的空气与排气混合。与排气混合的空气优选地由换热器7冷却。根据图1的用于冷却排气的设备包括旁通通道12，以用于将燃烧空气从流道6运送到排气道11。旁通通道12的第一端在空气流动方向上在换热器7后的点处，例如在充填空气接收器8处开到流动空间6。旁通通道12的第二端优选地在最靠近涡轮机4的分支管17和排气道的第二端11b之间的点处打开到排气道11。在图1的实施例中，旁通通道12的第二端打开到排气道的第二端11b。旁通通道12提供有阀13，通过阀13允许或阻止空气流通过旁通通道12。另外，通过旁通通道12的空气流量由阀13控制。来自旁通通道12的燃烧空气被引导到最靠近涡轮机4的分支管17和排气道的第二端11b之间的点处。在图1的实施例中，燃烧空气引导到排气道的第二端11b。
在涡轮机清洁过程开始时，即在供给清洁剂的第一期间，阀13打开，因此加压空气从接收器8经过旁通通道12流到排气道11。控制***基于通到涡轮机4的排气的温度测量值控制了阀13且因此控制了引导到排气道11的空气量。阀13调节了空气流量，使得通到涡轮机4的排气的温度适合于所选择的清洁方法(基于清洗或基于热冲击的清洁)。如果需要，则到排气道11的空气供给例如在清洁过程开始前5至10分钟开始。当清洁过程结束时，即在供给清洁剂的最后期间之后，通过关闭阀13停止了从旁通通道12向排气道11的空气供给。典型地，待从旁通通道12引导到排气道11的空气的质量流量是引导到涡轮机4的排气的质量流量的10％至20％。如果空气供给未降低通到涡轮机4的排气的温度到足够的程度，则排气的温度进一步通过发动机1的负荷降低而降低。
图2示出了其中旁通通道12的第一端在压缩机3和换热器7之间的点处打开到流道6的实施例。其温度典型地在200至300℃之间的未冷却的空气从流道6引导到排气道11。对于根据图2的实施例的剩余部分，其构造和运行对应于图1的实施例的构造和运行。
图3示出了本发明的用于在涡轮机4的清洁过程期间冷却待引导到涡轮机4的排气的第三实施例。在此实施例中，水从供给管线14引入到排气道11内，水与排气混合且在汽化时对排气进行冷却。供给管线14打开到排气道11。优选地，供给管线14在最靠近涡轮机4的分支管17和排气道的第二端11b之间的点处打开到排气道11。在图3的实施例中，供给管线14打开到位于距涡轮机4最远的两个分支管17之间的点。供给管线14提供有阀15，通过阀15允许或阻止水供给到排气道11且调节水的供给流量。供给管线14的端部提供有喷嘴，通过喷嘴将待引入到排气道11的水雾化为小水滴以便于汽化。水供给到距涡轮机4这样的距离处，即使得被供给的水量在进入涡轮机4之前有时间完全地汽化或汽化到必需的程度，或部分地汽化。水在最靠近涡轮机4的分支管17和排气道的第二端11b之间的点处引入到排气道11内。在图3的实施例中，水供给到位于距涡轮机4最远的两个分支管17之间的点。
在涡轮机的清洁过程开始时，阀15打开，因此水从供给管线14流到排气道11。控制***基于通到涡轮机4的排气的温度的测量值控制了阀15且因此控制了到排气道11的水流量。阀15调节了水的流动，使得通到涡轮机4的排气的温度适合于所使用的清洁方法。典型地，待引入到排气道11内的水和待供给到气缸10的燃料空气各自的质量流量的比在0.05和0.2之间。水供给在清洁过程开始前开始，因此与排气接触的涡轮机4的表面的温度在清洁过程开始前，即在引入清洁剂的第一期间前有时间下降。将水引入到排气道11内例如在清洁过程开始前5至10分钟开始。当清洁过程停止时，即在引入清洁剂的最后期间之后，通过关闭阀15而停止从供给管线14供给水到排气道11内。
本发明具有与以上所述的那些实施例不同的实施例。
发动机1可以提供有根据图1或图2的空气供给设备和根据图3的水供给***。通过同时使用空气冷却和水冷却，可以更有效地冷却通到涡轮机4的排气。
以上所述的用于冷却排气的解决方案也可以结合用于涡轮机的提供有干清洁的清洁过程使用。在干清洁过程中，待引导向涡轮机的排气的温度必须足够低以防止使用在干清洁中的颗粒燃烧。

Claims (11)

1.一种与提供有涡轮压缩机(2)的活塞式发动机(1)有关的设备，该设备包括：
用于将由压缩机(3)加压的燃烧空气运送到活塞式发动机(1)的气缸(10)的流道(6)，
用于将排气从活塞式发动机(1)运送到涡轮机(4)的排气道(11)，和
与涡轮机(4)配适的用于将清洁剂供给到涡轮机(4)的装置(16)，
其特征在于：供给装置(12、14)与排气道(11)相关地布置，以将空气和/或水引入到排气道(11)以用于冷却排气。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：供给装置包括旁通通道(12)，旁通通道(12)的第一端打开到流道(6)且第二端打开到排气道(11)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：换热器(7)布置在流道(6)内以冷却燃烧空气，且旁通通道(12)的第一端打开到流道(6)内的在换热器(7)和气缸(10)之间的点。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：旁通通道(12)的第一端打开到流道(6)内的压缩机(3)和换热器(7)之间的点。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的设备，其特征在于：供给装置包括打开到排气道(11)的供给管线(14)，以将水引入到排气道(11)内。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：供给管线(14)在两个位于距涡轮机(4)最远的气缸(10)之间的点处打开到排气道(11)。
7.一种与提供有涡轮压缩机(2)的活塞式发动机(1)有关的方法，在该方法中：
以压缩机(3)将燃烧空气加压，
将已加压的燃烧空气引导到活塞式发动机(1)，
燃料通过燃烧空气燃烧，
排气从活塞式发动机(1)运送到涡轮机(4)，和
将清洁剂供给到涡轮机(4)，
其特征在于：排气在运送到涡轮机(4)前通过与空气和/或水混合而被冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通过将已加压的燃烧空气与排气混合而冷却排气。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：燃烧空气在运送到活塞式发动机(1)前被冷却(7)，且将已冷却的燃烧空气与排气混合。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：将未冷却的燃烧空气与排气混合。
11.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于：水与排气在距涡轮机(4)这样的距离处混合，使得所供给的水量在进入涡轮机(4)前完全汽化。
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