CZ2008656A3

CZ2008656A3 - Zpusob odstranování necistot z difuzoru turbodmychadla a zarízení k jeho provádení

Info

Publication number: CZ2008656A3
Application number: CZ20080656A
Authority: CZ
Inventors: Klíma@Jirí; Vrzal@Jirí; Robotka@Milan
Original assignee: Man Diesel Se
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-05
Also published as: AT513223B1; CZ305822B6; AT507450A2; AT507450B1; AT513223A2; AT507450A3; AT513223A3

Abstract

Zpusob odstranování necistot z difuzoru turbodmýchadla spocívá v tom, že proplachovací médium o vyšší hustote, než je hustota stlacovaného média a vyšším tlaku, než je tlak stlacovaného média, se pod tlakem rozstrikuje pred lopatky difuzoru do proudu stlacovaného média, kterým se privádí na povrch sten a lopatek difuzoru, kde se dále proplachovací médium tríští a odráží a dynamicky pusobí na úsady, které následne proud stlaceného média a proplachovacího média odnáší ven z kompresoru. Proces cištení probíhá periodicky po dobu alespon 5 s, s výhodou ve stanovených intervalech 6 až 36 hodin. Zarízení k provádení zpusobu odstranování necistot z difuzoru kompresového stupne turbodmýchadla se skládá ze sání (1) kompresoru ústícího do kompresorového kola (2) usporádaného na hrídeli, ke kterému je prirazena vložka (6) kompresoru. Vložka muže být rovnež integrovanou soucástí spirální skríne, nainstalovaná do spirální skríne (5), kde na kompresorové kolo (2), které je opatrené vetším poctem lopatek dále navazuje bezlopatková cást (3) difuzoru, za níž následuje lopatková cást (4) difuzoru opatrená lopatkami (41). Telo difuzoru nebo spirálová skrín (5) je opatrena rozvodnou drážku (10), z které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do vnitrní steny (12) difuzoru. Poloha jejich vyústení leží na prumeru D.sub.inj.n. rovnajícím se 1,03 až 1,30 násobku prumeru D.sub.2.n. obežného kola (2) kompresorového stupne. Pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka (10) opatrena tesneními (11, 11a). Rozvodná drážka (10) je napojena na rozvod (9) proplachovacího média spojeným s prívodem (8) proplachovacího média.

Description

ZPŮSOB ODSTRAŇOVÁNÍ NEČISTOT Z DIFUZORU TURBODMYCHADLA A ZAŘÍZENÍ K JEHO PROVÁDĚNÍ

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu odstraňování nečistot z difuzoru turbodmýchadla a zařízení k provádění způsobu odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla, které se skládá ze sání kompresoru ústícího do kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, přičemž vložka může být rovněž integrovanou součástí spirální skříně, nainstalovaná do spirální skříně, kde na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za niž následuje lopatková část difuzoru opatřená lopatkami,

Stav techniky

Plnící turbodmychadlo je proudový stroj využívající ke svému pohonu energii obsaženou ve výfukových plynech a sloužící 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 výrazné tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepreplňovanému motoru. Kinetická energie horkých spalin dává rychlost turbíně pohánějící kompresor. Turbína je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je umístěna na společném hřídeli s kompresorem. S rozvojem měrných výkonů motorů rostou i požadavky na poměrné stlačení vzduchu v turbodmychadle. 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 turbodmychadla zvýšení stlačení a výstupní teploty doposud znamenalo pouze změnu materiálu oběžného kola kompresoru, skříně a lopatkového difuzoru, pokud byl v dané 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 s axiálním nebo radiálním vstupem do oběžného kola turbíny. 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 vstupuje stlačený a ohřátý vzduch do difuzoru, který je obvykle tvořen stěnou skříně 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 jednoplášfový odlitek. Někdy je používána dvouplášťová skříň, aby vnější povrchové teploty nepřesáhly dovolenou hodnotu (viz. například článek MTU’s powerful 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 sáni 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 i stěnách lopatkového difuzoru. Tento negativní efekt se objevuje zejména pň vysokých stlačeních, která se u moderních turbodmychadel stávají běžnými. Ulpívající částice postupem doby tvoří souvislou vrstvu, která má několik negativních projevů:

- mění průřezy průtočných částí nanáší se nerovnoměrné 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 dílu, demontáží rotoru a jeho novým vyvažováním 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 stlačený 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 (potenciální energii). Celková teplota plynu se již v zásadě nemění, celkový tlak se snižuje o ztráty. 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

K čistění kompresorového stupně za provozu se běžně používá vstřikování vody do sání kompresoru. Je zde využíváno dynamického účinku kapek vody na nánosy na lopatkách. Při vyšších stlačeních jsou ale obvodové rychlosti velmi vysoké, a proto po nárazu kapek vody na oběžné kolo kompresoru dochází k jejich roztříštění na menší, které již nemají dostatečný účinek. Navíc kompresí nasávaného média dochází k nárůstu teploty a tím k odpařování vody, čímž kapky dále snižuji velikost a tím i Čistící účinek. Oblast difuzoru z těchto důvodů zůstává nevyčišténá a úsady se zde dále hromadí.

Postata vynálezu

Cílem vynálezu je odstranění nečistot z difuzoru kompresorového stupně za provozu motoru a to zejména z lopatkové části difuzoru bez ohledu na jeho konstrukci, kde se negativní účinek znečistění projevuje nejvíce.

Tohoto cíle je dosaženo způsobem odstraňování nečistot z difuzoru turbodmychadla, jehož podstata spočívá v tom, že oblast bezlopatkového difuzoru se opatří nejméně dvěma tryskami napojenými na přívod proplachovacího média s vyšší hustotou, než je hustota stlačovaného média, a vyšším tlakem, než je tlak stlačovaného média, načež se proplachovací médium pod tlakem z trysek rozstřikuje před lopatky difuzoru do proudu stlačovaného média, kterým se přivádí na povrch stěn a lopatek difuzoru, kde se proplachovací médium dále tříští a odráží a dynamicky působí na úsady, které následně hlavní proud stlačeného media a proplachovacího média odnáší ven z kompresoru, přičemž tento proces čistění probíhá periodicky po dobu alespoň 5 s.

Je výhodné, když výše uvedený způsob odstraňováni nečistot z difuzoru turbodmýchadla probíhá opakovaně ve stanovených intervalech 6 až 36 hodin.

Zařízení k prováděni způsobu odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla, jenž se skládá ze sání kompresoru ústícího do kompresorového kola uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně, přičemž vložka může být rovněž integrovanou součásti spirální skříně, kde na kompresorové kolo, které je opatřené větším počtem lopatek dále navazuje bezlopatková část difuzoru, za níž následuje lopatková část difuzoru opatřená lopatkami, jehož podstata spočívá vtom, že spirálová skříň nebo tělo difuzoru jsou opatřeny rozvodnou drážku, ze které vycházejí nejméně dvě proplachovací trysky ústící do stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru D_inj rovnajícímu se 1,03 až 1,30 násobku vnějšího průměru D₂oběžného kola kompresoru, přitom pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka opatřena těsněními. Proplachovací trysky mohou ústit do vnitřní stěny difuzoru, nebo do vnější stěny difuzoru, nebo mohou ústit do obou stěn. Rozvodná drážka je napojena na rozvod proplachovacího média spojený s přívodem proplachovacího média. Těsnění lze umístit pouze do skříně kompresoru nebo pouze do mezikruží difuzoru a nebo jinými obdobnými způsoby.

Po zvýšení účinnosti odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla je výhodné, když spirálová skříň je opatřena rozvodnými drážkami, z nichž vycházejí proplachovací trysky ústící do vnitřní stěny i vnější stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru Dinj.

Hlavní výhoda vynálezu spočívá vtom, že v oblasti bezlopatkového difuzoru, který následuje za výstupem z oběžného kola, je vytvořen určitý počet trysek, k nimž je například drážkou v disku lopatkového difuzoru v definovaných intervalech přivedeno pod tlakem proplachovací médium s výrazně vyšší hustotou, než je hustota stlačovaného média, a též vyšším tlakem, než je tlak stlačovaného média.

⁵ j·./' JJJ *

Přivedené proplachovací médium se tryskami dostává do proudu stlačovaného média, kde díky rozdílné hustotě proudí po jiných trajektoriích než hlavni proud a díky tomu vytváří dodatečné dynamické účinky na povrch stěn a lopatek difuzoru, o které se dále tříští a odráží, čímž se dynamické působení ještě zvyšuje. Tyto dynamické účinky narušují úsady, které hlavní proud odnáší ven z kompresoru. Tento proces čistění probíhá periodicky, ve stanovených intervalech a není přitom nutné měnit výkon přeplňovaného motoru.

Uvedený způsob čistění má následující výhody:

• jsou odstraněny nečistoty z části kompresoru, jejíž znečistění má největší vliv na pokles parametrů kompresorového stupně • není nutné snižovat výkon motoru nebo motor dokonce odstavovat • prodlouží se doba do opravy, omezí se prostoje • nedochází ke zhoršování vlastností kompresorového stupně • metoda je jednoduchá • není ovlivněna životnost dílů kompresorového stupně

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen pomoci výkresů, na kterých zobrazuje obr. 1 dílčí podélný řez kompresorovým stupněm s difuzorem opatřeným lopatkami, obr. 2 podélný řez kompresorovým stupněm se znázorněním rozvodu promývacího média a tryskami pro jeho rozstřikování před lopatkovým difuzorem, obr. 3 (podélný) řez kompresorovým stupněm se znázorněním rozvodu promývacího média a tryskami pro jeho rozstřikování ústícími z vnitřní stěny i vnější stěny difuzoru.

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

Příklady provedení vynálezu

Způsob odstraňování nečistot z difuzoru turbodmýchadla bude osvětlen pomocí několika výhodných příkladů.

Způsob odstraňování nečistot spočívá vtom, že se oblast bezlopatkového difuzoru bezprostředně za oběžným kolem kompresoru opatří nejméně dvěma tryskami napojenými na přívod proplachovacího média s výrazně vyšší hustotou (100 krát až 2000 krát vyšší), než je hustota stlačovaného média, a vyšším tlakem (1,05 krát až 20 krát vyšším), než je tlak stlačovaného média, načež se proplachovací médium pod tlakem z trysek rozstřikuje před lopatky difuzoru do proudu stlačovaného média, kterým se přivádí na povrch stěn a lopatek difuzoru, kde se dále tříští a odráží a dynamicky působí na úsady, které se tím narušují, a hlavní proud stlačeného media a proplachovacího média tyto úsady následné odnáší ven z kompresoru, přičemž tento proces čistění probíhá periodicky, ve stanovených intervalech, obvykle, ale nikoliv výhradně, 6 až 36 hodin vždy po dobu alespoň 5 s.

Princip konstrukce zařízení k proplachování difuzoru turbodmychadla 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 umožňují nasátí a stlačení plynu. Kompresorový stupeň se v tomto provedení skládá ze sání 1. oběžného kola kompresoru 2 kompresorového stupně, k němuž je přiřazena vložka 6 kompresoru, nainstalovaná do spirální skříně 5, přičemž je možné i řešení, kdy je vložka kompresoru 6 integrována do spirální skříně 5 a tvoří spolu jeden celek.

Na oběžné kolo kompresoru 2 kompresorového stupně, které je opatřeno větším počtem lopatek a je uspořádané na hřídeli, dále navazuje bezlopatková část 3 difuzoru, k niž přiléhá lopatková část 4 difuzoru s lopatkami 41. Tato lopatková část 4 difuzoru vyúsťuje do spirální skříně 5, na kterou většinou navazuje výstupní difuzor s připojovací přírubou (na obr. 1 nejsou zakresleny).

Příkladné provedení zařízení určeného k proplachování difuzoru (lopatkového nebo bezlopatkového), kde je proplachovací médium přiváděno z jedné strany, je znázorněno na obrázku 2. Konstrukce proplachování difuzoru v tomto provedení tvoří oběžné kolo kompresoru 2, k němuž je vně přiřazena vložka 6 kompresoru, v tomto příkladě je integrovaná do spirální skříně 5 a tvoří s ní jeden díl. Vložka 6 kompresoru může být i samostatnou součástí, jak je znázorněno na obr. 1. Na oběžné kolo 2 kompresorového stupně dále navazuje bezlopatková část 3 difuzoru, na niž navazuje lopatková část 4 difuzoru opatřená lopatkami 41. Na obrázku je vidět, že ve spirální skříni 5 je vytvořena rozvodná drážka 10, z které vycházejí trysky 7, jež ústí do vnitřní stěny 12 difuzoru. Průměr D_inj, kde ústí trysky 7 do vnitřní stěny 12 difuzoru je 1,03 až 1,30 krát větší, než je vnější průměr D₂ oběžného kola 2 kompresorového stupně. Proti nežádoucím ztrátám proplachovacího média je rozvodná drážka 10 těsněna vnějším těsněním 11 a vnitřním těsněním 11a. Rozvodná drážka 10 je pomocí vhodně zhotoveného rozvodu proplachovacího média 9 spojena sjeho přívodem 8. Je možné i provedení, kdy jsou přívod proplachovacího média 8, rozvod 9 a rozvodná drážka 10 situovány na protilehlé straně tak, že trysky 7 ústí do vnější stěny 13 difuzoru.

Příkladné provedení zařízení určeného k proplachování difuzoru (lopatkového nebo bezlopatkového), kde je proplachovací médium přiváděno z obou stran, je znázorněno na obrázku 3. V tomto případě je konstrukce zařízení shodná. Proplachovací médium je přiváděno z obou stran a trysky 7 pak ústí jak do vnitřní stěny 12 difuzoru, tak i do vnější stěny 13 difuzoru.

Při provozu kompresorového stupně je proplachovací médium o tlaku a hustotě výrazně vyšší než tlak a hustota stlačovaného plynu ve stanovených intervalech přiváděno přes přívod 8, rozvod 9 a rozvodnou drážku 10 do trysek 7, ze kterých je rozstřikováno do proudu stlačovaného plynu. Díky rozdílné hustotě a velikosti částic má vstřikované proplachovací médium rozdílné trajektorie, než hlavní proud stlačovaného plynu, a díky tomu dopadá na vnitřní stěnu 12 a vnější stěnu 13 difuzoru a povrch lopatek 41, které pak čistí svojí kinetickou energií. Proplachovací médium je voleno tak, aby se po průchodu výstupní částí kompresorového stupně odpařilo a mohlo být smícháno s hlavním proudem stlačovaného plynu a bez nežádoucích účinků mohlo proudit až do válců motoru.

Průmyslová využitelnost

Konstrukce proplachování difuzoru kompresoru podle tohoto vynálezu se dá využít zejména u kompresorů turbodmychadel a spalovacích turbín, apod., které pracují s 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. Proplachováním ve stanovených intervalech pomocí určitého množství proplachovacího média lze úsady odstranit, a tím odstranit nebo alespoň výrazně omezit zhoršování parametrů kompresoru. Díky tomu není nutné zkracovat servisní intervaly z důvodu nutnosti čistění částí kompresoru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob odstraňování nečistot z difuzoru turbodmychadla, vyznačující se tím, že proplachovací médium o vyšší hustotě, než je hustota stlačovaného média, a vyšším tlaku, než je tlak stlačovaného média, se pod tlakem rozstřikuje na začátek bezlopatkového difuzoru nebo před lopatky difuzoru lopatkového do proudu stlačovaného média, kterým se přivádí na povrch stěn a lopatek difuzoru, kde se dále proplachovací médium tříští a odráží a dynamicky působí na úsady a narušuje je, a které následně proud stlačeného media a proplachovacího média odnáší ven z kompresoru, přičemž tento proces čistění probíhá periodicky po dobu alespoň 5 s.

2. Způsob odstraňování nečistot z difuzoru turbodmychadla podle nároku 1 vyznačující se tím, že proces čistění probíhá ve stanovených intervalech 6 až 36 hodin,

3. Zařízení k provádění způsobu odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla, který se skládá ze sání (1) kompresoru ústícího do oběžného kola kompresoru (2) uspořádaného na hřídeli, ke kterému je přiřazena vložka (6) kompresoru, přičemž vložka může být rovněž integrovanou součástí spirální skříně, nainstalovaná do spirální skříně (5), kde na kolo kompresoru (2), které je opatřené větším počtem lopatek, dále navazuje bezlopatková část (3) difuzoru, za níž může následovat lopatková část (4) difuzoru opatřená lopatkami (41), se vyznačuje tím, že tělo difuzoru nebo spirálová skříň (5) je opatřena rozvodnou drážkou (10), ze které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do stěny difuzoru, kde poloha jejich vyústění leží na průměru D_inj rovnajícímu se 1,03 až 1,30 násobku průměru D₂ oběžného kola kompresoru (2) kompresorového stupně, přitom pro zamezení úniku proplachovacího média je rozvodná drážka (10) opatřena těsněními (11, 11a), přičemž je rozvodná drážka (10) dále napojena na rozvod (9) proplachovacího média spojeného s přívodem (8) proplachovacího média.

4. Zařízení k provádění způsobu odstraňování nečistot z difuzoru kompresorového stupně turbodmychadla podle nároku 3 se vyznačuje tím, že tělo difuzoru nebo spirálová skříň (5) je opatřena rozvodnou drážku (10), ze které vycházejí proplachovací trysky (7) ústící do vnitřní stěny (12) nebo do vnější stěny (13) a nebo do obou stěn (12,13) difuzoru.