CZ2008205A3 - Chlazení kritických cástí kompresoru turbodmýchadla - Google Patents

Abstract

Kompresorový stupen turbodmýchadla se skládá ze sání (13), kompresorového kola (1) usporádaného na hrídeli, ke kterému je prirazena vložka (5) kompresoru, nainstalovaná do spirální skríne (4), pricemž vložka muže být i integrální soucástí skríne (4). Na kompresorové kolo (1), které je opatrené vetším poctem lopatek dále navazuje bezlopatková cást (2) difuzoru, za níž navazuje lopatková cást (3) difuzoru. Kompresorový stupen má oddelen prostor pro pruchod stlaceného plynu a prostor pro chladící médium, který vymezuje levá bocní stena (6) a pravá bocní stena (7) bezlopatkové cásti (2) i lopatkové cásti (3) difuzoru a ne navazující levá a pravá komora (9 a 10), jenž jsou urceny pro pruchod chladícího média privádeného nebo odvádeného prípojkami (11 a 12) prívodu respektive odvodu chladícího média. Levá i pravá komora (9 a 10) jsou opatreny jednou prípojkou (11 a 12) prívodu respektive odvodu chladícího média.

Description

CHLAZENÍ KRITICKÝCH ČÁSTÍ KOMPRESORU TURBODMYCHADLA

Oblast techniky

Vynález se týká chlazení kritických částí kompresorového stupně turbodmýchadla, který se skládá ze sání, kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně, přičemž na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru.

Stav techniky

Plnící turbodmychadlo je proudový stroj využívající k svému pohonu energii obsaženou ve výfukových plynech a slouží ke stlačování vzduchu, který je pak po ochlazení přiváděn do válce spalovacího pístového motoru. Skládá se ze dvou hlavních částí - kompresorové a turbínové. Kompresor stlačuje vzduch vstupující do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepřeplňovanému motoru. Kinetická energie plynu se přenáší na turbínu pohánějící kompresor. Turbína je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je umístěna na společném hřídeli s kompresorem. S rozvojem měrných výkonů rostou i požadavky na poměrné stlačení vzduchu v kompresoru turbodmychadla. Úměrně stlačení roste i teplota stlačeného vzduchu, což je nevýhodné. Pro motory, znamená vyšší teplota plnícího vzduchu snížení účinnosti motoru. Tento problém se většinou řeší použitím mezichladiče stlačeného vzduchu (tzv.intercooler), který teplotu opět sníží. Stlačením plnícího vzduchu se dosáhne zvýšení hustoty vzduchu, zvýšení hmotnostní náplně válce, lepšího teplotního režimu, nižší produkce oxidů dusíku, lepších podmínek pro mazání válce a výfukové plyny mají nižší teplotu. Z pohledu konstrukce turbodmýchadla zvýšení stlačení a výstupní teploty doposud znamenalo pouze změnu materiálu oběžného kola, skříně a lopatkového difuzoru, pokud byl vdané sestavě používán. Současné konstrukce turbodmychadel používají radiální kolo kompresoru namontované na hřídeli uložené v ložiscích. Na opačném konci hřídele je upevněno oběžné kolo turbíny ať už axiálního nebo radiálního provedení. Oběžné kolo kompresoru je z vnější strany obemknuto statorovou částí tak, aby vůle mezi oběžným kolem a statorem byla co možná nejmenší, při zachování potřebné provozní bezpečnosti a spolehlivosti. Po průchodu oběžným kolem kompresoru vstupuje stlačený a ohřátý vzduch do difuzoru, který je obvykle tvořen stěnou skříně

4 4 4 4 4 4 · φ 4 t • 4 4 4 4 4 4 4 «4 * • 4 4444 4444 4 ·44 φ

4* 44«4444

4Φ44 44 4 «4 φφ kompresoru a protistěnou náležející k ložiskové skříni. V některých případech se do sestavy zařazuje lopatkový difuzor. Po průchodu difuzorem vzduch vchází do spirály kompresorové skříně a krátkým difuzorem přichází k výstupní přírubě, na kterou je pak připojen mezichladič a plnící potrubí spalovacího motoru. Kompresorová skříň bývá ve většině případů jednoplášťový odlitek. Někdy je používána dvouplášťová skříň, aby vnější povrchové teploty nepřesáhly dovolenou hodnotu (viz. například článek MTU's powewrful single-stage performer for four-strokes, Worldwide Turbocharger Guide, August/September 2007).

Problematickým se jeví, že kompresorový stupeň turbodmychadel nasává vzduch většinou z prostoru strojovny, kde se mohou vyskytovat páry zejména ropných látek.

V mnohých případech je do sání kompresoru připojeno odvětrání klikové skříně motoru, kde se také i přes zařazení separátoru objevují olejové páry. Tyto látky během komprese vlivem rostoucí teploty mění svojí strukturu a ulpívají zejména na výstupu oběžného kola, stěnách bezlopatkového difuzoru a lopatkách lopatkového difuzoru. Tento negativní efekt se objevuje zejména při vysokých stlačeních, které se u moderních turbodmychadel stává běžným. Ulpívající částice postupem doby tvoří souvislou vrstvu, která má několik negativních projevů:

- mění průřezy průtočných částí

- nanáší se nerovnoměrně a zvyšuje zbytkovou nevývahu rotujících dílů a namáhání profilů

- zvyšuje drsnost povrchu

- zhoršuje přestup tepla

V důsledku těchto jevů dochází ke zhoršování účinnosti a provozních vlastností kompresoru. Výše jmenované negativní vlivy se řešily zkrácením intervalů údržby a mechanickým čistěním dílů, demontáži rotoru a jeho nové vyvažování se všemi důsledky.

Běžně se pro radiální kompresorové stupně používají různé typy difuzorů, například difuzory bez lopatek, či s lopatkami nebo s vrtanými kanály apod. Na obr.1 je znázorněn příklad kompresorového stupně opatřeného difuzorem s lopatkami. Za oběžným kolem kompresorového stupně je uspořádán difuzor obsahující krátkou bezlopatkovou část a lopatkovou část, ze které plyn vstupuje do spirální skříně.

V oběžném kole kompresorového stupně je předávána práce, která vede k zvýšení vnitřní energie plynu, což se navenek projevuje zvýšením tlaku a teploty. Ve statoru kompresorového stupně dochází k přeměně kinetické energie na tlakovou • · · · · · · Φ φ 4φ

4 4 4 4 4 44*4

4 4 4 4 4 4444 » φ φ φφ

ΦΦφ ΦΦφ φ φ φφ

ΦΦ ΦΦΦΦ ΦΦ φ ΦΦ φφ (potenciální energii). Celková teplota plynu se již v zásadě nemění. Teplota bezlopatkové části a lopatkové části difuzoru i spirální skříně je blízká celkové teplotě plynu, což může při vysokých stlačeních, kdy jsou teploty vysoké vést k následným technickým potížím:

- snížení mechanických vlastností materiálů

- zhoršení těsnosti

- deformace

- zanášení dílů látkami obsaženými ve vzduchu, které při vyšších teplotách mění svoji strukturu, čímž dochází k poklesu účinnosti

Postata vynálezu

Cílem vynálezu je snížení teploty v kritických částech kompresorového stupně a to zejména v místě oběžného kola kompresoru a dále difuzoru bez ohledu na jejich konstrukci a dále jejich přilehlých částí přivedením chladícího média k těmto částem.

Tohoto cíle je dosaženo kompresorovým stupněm turbodmýchadla podle tohoto vynálezu, který se skládá ze sání, kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně, nebo je vložka integrovanou součástí spirální skříně, přičemž na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru. Podstata vynálezu spočívá vtom, že oblast kompresorového stupně snejvyššími teplotami má oddělen prostor pro průchod stlačeného plynu a prostor pro chladící médium, který vymezuje levá boční stěna a prává boční stěna bezlopatkové části i lopatkové části difuzoru a ně navazující levá a pravá komora, jenž jsou určeny pro průchod chladícího média přiváděného nebo odváděného přípojkami přívodu respektive odvodu chladícího média, přičemž v tomto provedení jsou levá i pravá komora opatřeny po jedné přípojce přívodu a odvodu chladícího média.

K chlazení se používá vnější médium, které je na motoru nejčastěji k dispozici a to voda, olej nebo vzduch. Mohou to být i řešení, která nejsou spojena s motorem a mají vlastní okruh. Pro dosažení dostatečného chladícího účinku obíhá chladící médium nucené. Mohou být využity i chladící kapalné nebo plynné látky vyvinuté speciálně pro chladící účely.

* · · · · · · · · ·« • · · · · · · · ··· • · · · · · ···· · · · ·4 • · · « · · ί » ♦» ·· ···· ·· · ·· «*

U statorových částí chladící médium omývá stěny lopatkového a bezlopatkového difuzoru a tím snižuje jejich teplotu. Teplota lopatek a přilehlých částí je snižována vedením tepla kovovými částmi, jejichž vodivost je výrazně vyšší než je přestup tepla ze stlačeného vzduchu do chlazených částí kompresoru. V případě lopatkového difuzoru je možné efektivitu odvodu tepla zvýšit i přímým chlazením lopatek průchodem chladícího média skrze otvory v lopatkách vytvořených.

Pro snížení povrchové teploty dílů a ke snížení usazovaní látek, které potom vede ke zhoršení účinnosti jsou levá boční stěna i prává boční stěna a né navazující levá a pravá komora vzájemně propojeny alespoň jedním průchozím otvorem pro průchod chladícího média vytvořeným v lopatkách lopatkové části difuzoru. Chladící médium, které nucené proudí kanály, které byly k tomuto účelu vytvořeny, odebírá teplo

Je výhodné když se k chlazení difuzoru a jeho přilehlých části použije přídavného chladícího média např. vody. Chladící médium odvádí teplo z materiálu difuzoru a jeho přilehlých částí, čímž snižuje, jak teplotu materiálu difuzoru a kněmu přilehajících částí, tak i teplotu plynu. Přídavné chlazení výše jmenovaných částí má následující výhody:

• Dojde ke snížení teploty materiálu difuzoru a jeho přilehlých částí • Sníží se nebo se zcela odstraní potíže spojené s vysokou teplotou dílů • Prodlouží se životnost difuzoru a jeho přilehlých dílů • Sníží se teplota stlačovaného media (zdánlivě se zvýší účinnost komprese) • Sníží se teplotní špička po odstavení stroje, protože chlazené díly do sebe pojmou více tepla a chladící médium obvykle může samovolně protékat i po odstavení • Sníží se teplotní namáhání oběžného kola kompresorového stupně při zpětném proudění (pumpáži).

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen pomocí obrázků, kde je obr.1 dílčí podélný řez kompresorovým stupněm s difuzorem opatřeným lopatkami, obr.2 podélný řez kompresorovým stupněm v oblasti difuzoru, kde jsou chlazeny pouze stěny přiléhající k bezlopatkové a lopatkové části difuzoru a obr.3a podélný řez kompresorovým • · · · φ · * · · «·

Φ Φ Φ Φ · Φ φφφφ Φ Φ « φ φ • ·Φ ΦΦ Φ Φφφφ

ΦΦΦΦΦΦ ΦΦ Φ ΦΦ φφ stupněm podle druhého příkladného provedení v oblasti lopatkovým difuzoru, jehož statorová část je ochlazována průtokem chladícího média kolem stěn difuzoru a skrze lopatky lopatkového difuzoru a obrázek 3b zobrazuje příčný řez difuzorem přes lopatku.

Na výkresech jsou znázorněny jen ty části kompresorového stupně, které jsou nezbytné pro porozumění vynálezu. Proudění chladícího média i pracovního plynu je znázorněno prostřednictvím šipek.

Příklady provedení vynálezu

Princip konstrukce chlazení difuzoru turbodmýchadla a k němu přilehlých částí ve smyslu tohoto vynálezu bude dále objasněn, nikoliv však omezen v následujících příkladech.

Turbodmychadlo sestává z kompresorového stupně a na výkrese neznázorněné spalinové turbíny. Základní uspořádání kompresorového stupně turbodmýchadla je částečně znázorněno na obr.1. Uspořádání tvoří ucelený soubor dílů, které umožňuií nasátí a stlačení plynu. Kompresorový stupeň se v tomto provedení skládá ze sání 13, oběžného (kompresorového) kola 1 kompresorového stupně, k němuž je přiřazena vložka 5 kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně 4. Na oběžné (kompresorové) kolo 1 kompresorového stupně, které je opatřeno větším počtem lopatek a uspořádané na hřídeli dále navazuje bezlopatková část 2 difuzoru, k níž přiléhá lopatková část 3 difuzoru. Tato lopatková část 3 difuzoru vyúsťuje do spirální skříně 4, na kterou většinou navazuje výstupní difuzor s připojovací přírubou (na obr.1 není zakreslen).

Příkladné provedení chlazení difuzoru a přilehlých částí kompresorového stupně, kde jsou chlazeny pouze stěny přiléhající k bezlopatkové a lopatkové části difuzoru je znázorněno na obr.2. Konstrukce chlazení difuzoru v tomto provedení tvoří oběžné kolo kompresoru 1, k němuž je přiřazena vložka kompresoru 5, instalovaná do spirální skříně 4. Na oběžné kolo 1 kompresorového stupně dále navazuje bezlopatková část 2 difuzoru, na níž následuje lopatková část 3 difuzoru. Na obrázku je vidět, že u bezlopatkové 2 i lopatkové 3 části difuzoru byly u levé a pravé boční stěny 6 a 7 vytvořeny levá a pravá komora 9 a 10, kterými protéká vvvv · · » «νν« ♦ · · ♦ · · ··**· • * · · · · ··«« « · ·φ · • · · · · · · « « « β· ···· ·· · «49· chladící médium přiváděné respektive odváděné přípojkami 11 a 12 přívodu respektive odvodu chladícího média. V tomto provedení má levá a pravá komora 9 a 10 po jedné přípojce 11 a 12 přívodu respektive odvodu chladícího média.

Při provozu kompresorového stupně je chladící médium o teplotě výrazné nižší než teplota změny struktury par obsažených ve stlačovaném plynu přiváděno do levé komory 9 i pravé komory 10 přes otvory 111 a 121 přípojek 11 a 12 přívodu respektive odvodu chladícího média. Levá boční stěna 6 a pravá boční stěna 7 difuzoru jsou omývány stlačeným plynem. Lopatky 31 difuzoru jsou k levé boční stěně 6 i pravé boční stěně 7 difuzoru upevněny způsobem, který umožňuje, aby teplo z protékajícího stlačeného plynu bylo odebíráno kondukcí přes levou a pravou boční stěnu 6 a 7 difuzoru do chladícího média. Chladící médium je z levé i pravé komory 9 a 10 odváděno přes přípojky 11,12 odvodu respektive přívodu chladicího média. Chladící médium je pak dále odváděno přes otvory 111,121 přípojek 11,12 odvodu respektive přívodu chladícího média mimo kompresorový stupeň do chladiče (na výkrese není znázorněn).

Další variantní provedení kompresorového stupně, který je konstruován obdobně, jak je popsáno výše, avšak chladící médium navíc prochází i pres otvory 8, které jsou vytvořeny v lopatkách 31 lopatkové části 3 difuzoru je znázorněn na obr.3a a obr.3b. Konstrukci v tomto provedení tvoří oběžné kolo 1 kompresorového stupně, na něž nazuje bezlopatková část 2 difuzoru a lopatová část 3 difuzoru. Do jehož pravé boční stěny 7 difuzoru zasahuje pravá komora 10 pro chladící médium a do levé boční stěny 6 difuzoru zasahuje levá komora 9 pro chladící médium, přičemž levá i pravá komora 9 a 10 jsou vzájemně propojeny otvory 8, jenž jsou vytvořeny v lopatkách 31 uspořádané v lopatkové části 3 difuzoru.

Při provozu kompresorového stupně je chladící médium o teplotě výrazně nižší než teplota změny struktury par obsažených ve stlačovaném plynu například přiváděno přes otvor 111 přípojky 11 (na výkrese nejsou znázorněny) do levé komory a z ní pak otvory 8 vytvořenými v lopatkách 31 do pravé komory 10. Přes tyto komory 9 i 10 a otvory 8 je z levé stěny 6, pravé stěny 7 a lopatek difuzoru 31 odváděno teplo prostřednictvím proudícího chladícího média a tím dojde i k ochlazení stlačovaného plynu, který uvedené části omývá. Lopatky 31 difuzoru • · 9 · · · ♦ ♦ ♦ ♦ • ♦ · · · · ···· · · · · Λ • · ♦ · ♦ · ···· ·· ***· ·· · «· *· opatřené otvory 8 jsou k levé stěně 6 i pravé stěně 7 difuzoru upevněny způsobem, který umožňuje, aby teplo, které do nich přitéká ze stlačeného plynu bylo odebíráno i kondukcí pres levou a pravou boční stěnu 6 a 7 difuzoru do chladícího média, které je dále odváděno přes otvor 121 přípojky 12 odvodu respektive přívodu chladícího média mimo kompresorový stupeň do chladiče (na výkrese není znázorněn). Průtok chladícího média levou a pravou komorou 9 a 10 a otvory 8 lze realizovat i jiným způsobem , například tak, že pravou komoru 10 rozdělíme na poloviny. Do jedné poloviny přivedeme skrze přípojku 11 chladící médium, které přes otvory 8 v příslušné polovině lopatek 31 projde do levé komory 9_a otvory 8 v druhé polovině lopatek s vrátí do druhé poloviny pravé komory 10 odkud je pak odvedeno přípojkou

12.

Průmyslová využitelnost

Konstrukci chlazení kritických částí turbodmychadla podle tohoto vynálezu se dá využít zejména u kompresorů turbodmychadel a spalovacích turbín, apod., které pracují se plynem obsahujícím páry látek, které v průběhu komprese vlivem změny tlaku a teploty mění svoji strukturu a ulpívají na částech kompresorového stupně, čímž zhoršují jeho termodynamické a provozní parametry.

Claims (3)

1. Chlazení kritických částí kompresorového stupně turbodmýchadla, který se skládá ze sání (13), kompresorového kola (1) uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka (5) kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně (4), nebo je vložka integrální součástí skříně (4), přičemž na kompresorové kolo (1), které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část (2) difuzoru, za níž navazuje lopatková část (3) difuzoru vyznačující se tím, že má oddělen prostor pro průchod stlačeného plynu a prostor pro chladící médium, který vymezuje levá boční stěna (6) a prává boční sténá (7) bezlopatkové části (2) i lopatkové části (3) difuzoru a ně navazující levá a pravá komora (9 a 10), jenž jsou určeny pro průchod chladícího média přiváděného nebo odváděného přípojkami (11 a 12) přívodu respektive odvodu chladícího média, přičemž v tomto provedení jsou levá i pravá komora (9 a 10) opatřeny po jedné přípojce (11 a 12) přívodu respektive odvodu chladícího média.

2. Chlazení kritických částí kompresorového stupně turbodmýchadla podle nároku 1, vyznačující se tím, že oběma přípojkami (11 a 12) může být opatřena pouze jedna z komor (9 a 10)

3. Chlazení kritických částí kompresorového stupně turbodmýchadla podle nároku 1, vyznačující se tím, že levá boční stěna (6) a prává boční stěna (7) a ně navazující levá a pravá komora (9 a 10) jsou vzájemně propojeny alespoň jedním průchozím otvorem (8) vytvořeným v lopatkách (31) lopatkové části (3) difuzoru.