EP1820938A1 - Reinigungselemente auf Laufschaufelspitzen einer Abgasturbine - Google Patents

Reinigungselemente auf Laufschaufelspitzen einer Abgasturbine Download PDF

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EP1820938A1
EP1820938A1 EP06405074A EP06405074A EP1820938A1 EP 1820938 A1 EP1820938 A1 EP 1820938A1 EP 06405074 A EP06405074 A EP 06405074A EP 06405074 A EP06405074 A EP 06405074A EP 1820938 A1 EP1820938 A1 EP 1820938A1
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EP
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exhaust gas
blades
gas turbine
cleaning
turbine
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Withdrawn
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EP06405074A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Mathey
Markus Loos
William Gizzi
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Publication date
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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
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to the field of turbomachines subjected to exhaust gases of internal combustion engines.
  • It relates to a cleaning device of an exhaust gas turbine.
  • Exhaust gas turbines in particular in exhaust gas turbochargers, are used in conjunction with an internal combustion engine.
  • the exhaust gas from the internal combustion engine is used as a drive means for driving the turbine wheel.
  • the turbine wheel is connected by a shaft to the compressor wheel with which the intake air, which is supplied to the internal combustion engine, is compressed.
  • the exhaust gas carried on the blades of the exhaust gas turbine contains impurities caused by incomplete combustion and fuel contamination. The amount of impurities that the internal combustion engine emits with the exhaust gas is heavily dependent on the fuel used. If a dirty fuel is used, such as heavy fuel oil (HFO), significant amounts of pollutants can be released with the exhaust gas.
  • HFO heavy fuel oil
  • the impurities in the exhaust gas lead to deposits on the housing parts forming the flow channel around the turbine wheel. Particularly in the area radially outside the rapidly rotating blades, deposits are increasingly generated by the dirt particles displaced radially outward. These deposits tend to reduce the air gap (clearance) formed between the tips of the blades and the opposing body portions, and sooner or later contact between the deposits and the blades occurs. As a result, on the one hand, the turbine wheel is braked, On the other hand, however, the blades can be damaged by the blade tips are abraded by the constant friction.
  • the contaminated parts are usually freed from the deposits at regular intervals by means of a cleaning liquid injected into the exhaust gas flow in the flow channel.
  • An axial turbine is known with a device for introducing a cleaning medium into the blade channel.
  • a cleaning medium leading and provided with exit points, a ring-forming nozzle carrier is disclosed, which is arranged radially outside the inflow channel at the inlet into the blade channel of the turbine.
  • a similar device is off DE 2 008 503 known. Again, a cleaning liquid is injected at a great distance from radially outside the flow channel into the flow.
  • a device for cleaning the turbine blades of an exhaust gas turbocharger in which water is injected by means of water injection nozzles upstream of the guide elements in the exhaust gas stream.
  • the water is passed from a high pressure water supply via a water line to the individual water injectors, which then provides the appropriate stream of droplets for cleaning.
  • the object of the invention is to provide an exhaust gas turbine with a simplified cleaning device.
  • the cleaning device comprises cleaning elements arranged on the rotor blades of the exhaust-gas turbine, which continually clear the region radially outside the rotor blades of excessive contamination during operation.
  • the inventive cleaning elements are formed in a first embodiment as coated blade tips. These coated blade tips rub off the deposited on the radial inside of the housing of the exhaust turbine pollution.
  • these moving blades are advantageously designed to be longer in the radial direction than the remaining moving blades.
  • the cleaning effect is not impaired, but the manufacturing cost of the turbine wheel can be kept low.
  • the cleaning elements can be provided with cutting edges, which can be oriented radially outwards or inclined towards the pressure side.
  • the impurities are continuously planed down with the cutting edge guided almost parallel to the surface of the housing wall.
  • the impeller of an exhaust gas turbine includes a hub with blades mounted thereon. Depending on the size and scope of the exhaust gas turbine, an impeller includes between a few and several dozen blades.
  • Fig. 1 shows schematically a section through the axis of an exhaust gas turbine, wherein only a small section in the region of the rotor blades 1 and the rotor blades surrounding the housing wall 2 is shown. The direction of rotation of the turbine wheel is indicated by the arrow.
  • the rotor blade according to the invention equipped with a cleaning element 11 is formed in the illustrated embodiment in the radial direction longer than the other blades. This ensures that impurities 3, which deposit on the inside of the housing wall 2 in the course of operation of the exhaust gas turbine, are only detected by the cleaning elements, and do not affect the tips of the other blades.
  • the cleaning elements on the blade tips may comprise an abrasive coating.
  • a layer of, for example, cubic boron nitrides (cBN), chromium carbide (CrC) or tungsten carbide-chromium carbide non-rods (WC-CrC-Ni) or similar, abrasion-resistant materials is applied to the blade tip of the relevant rotor blades.
  • the coating may comprise the entire blade tip of the blade, or only on the pressure side, i. be mounted on the front side in the direction of the turbine wheel, and not on the suction side.
  • the coated blade tip as a cleaning element has the advantage that even with prolonged operation and heavy contamination, the blade is not damaged at the radially outer tip.
  • the tip is also not shortened in the radial direction, so that the air gap between the housing wall and the other, equipped without cleaning element blades can be kept constant. The maintenance of the cleaning element allows permanent cleaning of the area radially outside the blades.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the cleaning element according to the invention.
  • a cutting edge 12 is provided in the radially outermost region of the blade tip.
  • This cutting edge which is advantageously also made of an abrasion-resistant material 11 or coated with such, ensures a clean cut through the deposits on the inside of the housing wall. If the cutting edge, as shown in Fig. 3, in the direction of the pressure side, ie in the running direction of the turbine wheel, inclined, the Cutting effect can be additionally improved.
  • the uppermost layer of the deposit is continuously planed with the cutting edge guided almost parallel to the surface of the deposit. The resistance of the cleaning element when removing the deposit can be reduced thanks to the cutting edge.
  • the removed pollution is detected by the flow and fed with the exhaust gas to the exhaust pipes. If necessary, these particles are filtered with suitable filters from the exhaust gases.
  • the cleaning device according to the invention is advantageously combined with a wet cleaning device known from the prior art.
  • the sudden injection of cold cleaning fluid the distance between the blade tips and the surrounding housing parts may be subject to short-term thermal changes.
  • the longer cleaning elements on the blade tips ensure that the remaining blades are not impaired.
  • the cleaning elements according to the invention can be used both in the case of axial-flow exhaust gas turbines, the so-called axial turbines, and also in the case of exhaust gas turbines flowed radially or mixed, the so-called radial or mixed flow turbines.
  • Such exhaust gas turbines can be used in exhaust gas turbochargers for driving a compressor or in power turbines for driving an electric generator.

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Abstract

Die Reinigungsvorrichtung umfasst an den Laufschaufeln (1) der Abgasturbine angeordnete Reinigungselemente (11), welche den Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln im Betrieb laufend von Verunreinigung (3) befreien. Von der Vielzahl von Laufschaufeln sind nur einige wenige mit Reinigungselementen ausgestattet. Dadurch können die Herstellungskosten tief gehalten werden.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Strömungsmaschinen.
  • Sie betrifft eine Reinigungsvorrichtung einer Abgasturbine.
    • Stand der Technik
  • Abgasturbinen, insbesondere in Abgasturboladern, werden in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwendet. Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor wird als Antriebsmittel zum Antreiben des Turbinenrades benutzt. Das Turbinenrad ist durch eine Welle mit dem Verdichterrad verbunden mit welchem die Ansaugluft, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, komprimiert wird. Das auf die Laufschaufeln der Abgasturbine geführte Abgas enthält Verunreinigungen, welche durch unvollständige Verbrennung und durch Kraftstoffverunreinigungen verursacht werden. Die Menge an Verunreinigungen, die der Verbrennungsmotor mit dem Abgas abgibt, ist stark vom verwendeten Kraftstoff abhängig. Wird ein schmutziger Kraftstoff verwendet, beispielsweise Schweröl (HFO), können beträchtliche Mengen an Verunreinigungen mit dem Abgas abgegeben werden.
  • Die Verunreinigungen im Abgas führen unter anderem zu Ablagerungen auf den, den Strömungskanal bildenden Gehäuseteilen rund um das Turbinenrad. Insbesondere im Bereich radial ausserhalb der schnell rotierenden Laufschaufeln kommt es durch die radial nach aussen verdrängten Schmutzpartikel vermehrt zu Ablagerungen. Diese Ablagerungen führen dazu, dass sich der zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und den gegenüberliegend angeordneten Gehäuseteilen ausgebildete Luftspalt (Clearance) verringert und es früher oder später zum Kontakt zwischen den Ablagerungen und den Laufschaufeln kommt. Dadurch wird einerseits das Turbinenrad abgebremst, andererseits können aber auch die Laufschaufeln Schaden nehmen, indem die Laufschaufelspitzen durch die stetige Reibung abgeschliffen werden.
  • Um einen dauerhaft störungsfreien Betrieb bei voller Leistungsfähigkeit gewährleisten zu können, werden in der Regel die verunreinigten Teile in regelmässigen Abständen mittels einer in den Abgasstrom im Strömungskanal eingespritzten Reinigungsflüssigkeit von den Ablagerungen befreit.
  • Aus CH 335 901 ist eine Axialturbine mit einer Einrichtung zum Einführen eines Reinigungsmediums in den Schaufelkanal bekannt. Dabei wird ein das Reinigungsmedium führender und mit Austrittsstellen versehener, einen Ring bildender Düsenträger offenbart, welcher radial ausserhalb des Zuströmkanals am Eintritt in den Schaufelkanal der Turbine angeordnet ist.
  • Eine ähnliche Vorrichtung ist aus DE 2 008 503 bekannt. Wiederum wird eine Reinigungsflüssigkeit mit grossem Abstand von radial ausserhalb des Strömungskanals in die Strömung eingespritzt.
  • Aus DE 35 15 825 ist eine Vorrichtung zum Reinigen der Turbinenschaufeln eines Abgasturboladers bekannt, bei der mittels Wassereinspritzdüsen Wasser stromaufwärts der Leitelemente in den Abgasstrom eingespritzt wird. Das Wasser wird von einer Hochdruck-Wasserversorgung über eine Wasserleitung zu den einzelnen Wasserinjektoren geleitet, welche dann den geeigneten Strom von Tröpfchen für das Reinigen liefert.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasturbine mit einer vereinfachten Reinigungsvorrichtung zu schaffen.
  • Erfindungsgernäss umfasst die Reinigungsvorrichtung an den Laufschaufeln der Abgasturbine angeordnete Reinigungselemente, weiche den Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln im Betrieb laufend von allzu starker Verunreinigung befreien.
  • Die erfindungsgemässen Reinigungselemente sind in einer ersten Ausführungsform als beschichtete Laufschaufelspitzen ausgebildet. Diese beschichteten Laufschaufelspitzen reiben die an der radialen Innenseite des Gehäuses der Abgasturbine angelagerte Verschmutzung ab.
  • Sind erfindungsgemäss nur ein Teil der Laufschaufeln mit Reinigungselementen versehen, sind diese Laufschaufeln vorteilhafterweise in radialer Richtung länger ausgebildet als die übrigen Laufschaufeln.
  • Vorteilhafterweise sind von der Vielzahl von Laufschaufeln nur einige wenige mit Reinigungselementen ausgestattet. Dadurch wird der Reinigungseffekt nicht beeinträchtigt, aber die Herstellungskosten für das Turbinenrad können tief gehalten werden.
  • Um die Abtragung der Verunreinigungen effizienter zu gestalten, können die Reinigungselemente mit Schneidekanten versehen werden, welche radial nach aussen oder aber zur Druckseite hin geneigt ausgerichtet sein können. Die Verunreinigungen werden mit der nahezu parallel zur Oberfläche der Gehäusewand geführten Schneidekante kontinuierlich abgehobelt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
    • Fig. 1
    schematisch einen Schnitt durch ein Abgasturbinenrad mit einem erfndungsgemässen Reinigungselement im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln,
    Fig. 2
    die Laufschaufel mit dem Reinigungselement nach Fig. 1, mit einer zusätzlichen Schneidekante, und
    Fig.3
    die Laufschaufel mit dem Reinigungselement nach Fig. 1, mit einer zusätzlichen in Druckrichtung geneigten Schneidekante.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Das Laufrad einer Abgasturbine umfasst eine Nabe mit darauf befestigten Laufschaufeln. Je nach Grösse und Anwendungsbereich der Abgasturbine umfasst ein Laufrad zwischen einigen wenigen und mehreren Dutzend Laufschaufeln.
  • Sowohl bei axial angeströmten Abgasturbinen, als auch bei radial oder gemischt angeströmten Abgasturbinen wird im Bereich der Laufschaufeln der die Abgase über das Turbinenrad führende Strömungskanal durch die radial innenliegende Nabe des Turbinenrades und einer radial ausserhalb des Turbinenrades angeordneten Gehäusewand gebildet.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Achse einer Abgasturbine, wobei nur ein kleiner Ausschnitt im Bereich der Laufschaufeln 1 und der die Laufschaufeln radial umgebenden Gehäusewand 2 dargestellt ist. Die Drehrichtung des Turbinenrades ist mit dem Pfeil angedeutet.
  • Die erfindungsgemäss mit einem Reinigungselement 11 ausgestattete Laufschaufel ist in der dargestellten Ausführungsform in radialer Richtung länger ausgebildet als die übrigen Laufschaufeln. Dadurch ist sichergestellt, dass Verunreinigungen 3, welche sich auf der Innenseite der Gehäusewand 2 im Laufe des Betriebes der Abgasturbine ablagern, nur von den Reinigungselementen erfasst werden, und nicht die Spitzen der übrigen Laufschaufeln beeinträchtigen.
  • Die Reinigungselemente auf den Schaufelspitzen können eine abrasive Beschichtung umfassen. Dabei ist auf der Schaufelspitze der betreffenden Laufschaufeln eine Schicht aus beispielsweise kubischen Bor-Nitriden (cBN), Chrom-Karbid (CrC) oder Wolframcarbid-Chromkarbid-Niekel (WC-CrC-Ni) oder ähnlichen, abriebfesten Materialien aufgetragen. Die Beschichtung kann die gesamte Schaufelspitze der Laufschaufel umfassen, oder aber nur auf der Druckseite, d.h. auf der in Laufrichtung des Turbinenrades vorderen Seite, und nicht auf der Saugseite, angebracht sein. Die beschichtete Schaufelspitze als Reinigungselement hat den Vorteil, dass auch bei längerem Betrieb und starker Verschmutzung die Laufschaufel an der radial äusseren Spitze nicht beschädigt wird. Die Spitze wird auch nicht in radialer Richtung gekürzt, so dass der Luftspalt zwischen der Gehäusewand und den übrigen, ohne Reinigungselement ausgestattete Laufschaufeln konstant gehalten werden kann. Die Erhaltung des Reinigungselements ermöglicht eine dauerhafte Reinigung des Bereiches radial ausserhalb der Laufschaufeln.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Reinigungselementes, Im radial äussersten Bereich der Schaufelspitze ist eine Schneidekante 12 vorgesehen. Diese Schneidekante, welche vorteilhafterweise ebenfalls aus einem abriebfesten Material 11 gefertigt oder mit einem solchen beschichtet ist, sorgt für einen sauberen Schnitt durch die Ablagerungen an der Innenseite der Gehäusewand. Wird die Schneidekante, wie in Fig. 3 dargestellt, in Richtung der Druckseite, also in Laufrichtung des Turbinenrades, geneigt, kann der Schneideffekt zusätzlich verbessert werden. Die oberste Schicht der Ablagerung wird mit der nahezu parallel zur Oberfläche der Ablagerung geführten Schneidekante kontinuierlich abgehobelt. Der Widerstand des Reinigungselements beim Abtragen der Ablagerung kann dank der Schneidekante reduziert werden.
  • Die abgetragene Verschmutzung wird von der Strömung erfasst und mit dem Abgas den Auspuffrohren zugeführt. Gegebenenfalls werden diese Verschmutzungspartikel mit geeigneten Filtern aus den Abgasen gefiltert.
  • Um eine optimale Reinigung zu erzielen, wird die erfindungsgernässe Reinigungsvorrichtung vorteilhafterweise mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Feuchtreinigungsvorrichtung kombiniert. In diesem Fall kann beim plötzlichen Einspritzen von kalter Reinigungsflüssigkeit der Abstand zwischen Laufschaufelspitzen und den umliegenden Gehäuseteilen kurzzeitig thermisch bedingten Änderungen unterliegen. Sollte es im Extremfall gar zu einem kurzzeitigen Kontakt zwischen Laufschaufelspitze und Gehäusewand kommen, sorgen die länger Reinigungselemente an den Laufschaufelspitzen dafür, dass die übrigen Laufschaufeln nicht beeinträchtig werden.
  • Die erfindungsgemässen Reinigungselemente lassen sich sowohl bei axial angeströmten Abgasturbinen, den sogenannten Axialturbinen, als auch bei radial oder gemischt angeströmten Abgasturbinen, den sogenannten Radial- oder MixedFlow-Turbinen eingesetzt werden. Solche Abgasturbinen können bei Abgasturboladern zum Antrieb eines Verdichters oder bei Nutzturbinen zum Antrieb eines elektrischen Generators eingesetzt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laufschaufel
    2
    Gehäusewand
    11
    Reinigungselement, Beschichtung
    12
    Schneidekante
    3
    Ablagerungen

Claims (8)

  1. Abgasturbine, umfassend ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Laufschaufeln (1), ein Turbinengehäuse und eine Reinigungsvorrichtung zum Entfernen von Schmutz (3), welcher sich auf der Innenseite einer radial ausserhalb der Laufschaufeln der Abgasturbine angeordneten Gehäusewand (2) ablagert,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung auf den Spitzen der Laufschaufeln (1) des Turbinenrades angeordnete Reinigungselemente (11) umfasst.
  2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln eine in radialer Richtung verlängerte Laufschaufelspitze aufweisen.
  3. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln im Bereich der Laufschaufelspitzen mit einer abrasiven Schicht (11) ausgestattet sind.
  4. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufelspitzen auf der Druckseite beschichtet und auf der Saugseite unbeschichtet sind.
  5. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln im Bereich der Laufschaufelspitzen eine Schneidekante (12) aufweist.
  6. Abgasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidekante (12) zur Druckseite hin geneigt ausgebildet ist.
  7. Abgasturbolader, umfassend eine Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Nutzturbine, umfassend eine Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
EP06405074A 2006-02-20 2006-02-20 Reinigungselemente auf Laufschaufelspitzen einer Abgasturbine Withdrawn EP1820938A1 (de)

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