專利名稱：渦輪增壓器清潔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與提供有渦輪壓縮機(jī)的活塞式發(fā)動機(jī)有關(guān)的設(shè)備。 本發(fā)明也涉及與提供有渦輪壓縮機(jī)的活塞式發(fā)動機(jī)有關(guān)的方法。
技術(shù)背景在發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中已知使用渦輪壓縮機(jī)來增加發(fā)動機(jī)的輸出。渦 輪壓縮機(jī)包括壓縮機(jī)部分，通過它將加壓的燃燒空氣引入到發(fā)動機(jī)內(nèi)。 另外，渦輪壓縮機(jī)包括用于驅(qū)動壓縮機(jī)的渦輪機(jī)部分。來自發(fā)動機(jī)的排 氣引導(dǎo)向渦輪機(jī)，渦輪機(jī)將排氣的能量轉(zhuǎn)化為用于壓縮機(jī)的驅(qū)動動力。 在渦輪機(jī)的與排氣接觸的那些零件上形成了積碳。當(dāng)重燃料油用作燃料 時，碳積累特別嚴(yán)重。與排氣接觸的渦輪機(jī)表面的溫度充分地增加，為 此形成在表面上的積碳特別硬。渦輪機(jī)葉片和圍繞葉片的流道之間的區(qū) 域內(nèi)以及在排氣流動方向上位于渦輪機(jī)葉片前的噴嘴環(huán)內(nèi)的碳積累是 特別地有問題的。積碳的性質(zhì)根據(jù)所使用的燃料的成分而變化。對于包 含了釩和鈉的重燃料油，此問題是特別地明顯的。形成在渦輪機(jī)上的積 碳降低了渦輪機(jī)的效率，且因此發(fā)動機(jī)輸出下降。因此，形成在渦輪機(jī) 上的污染物沉積必須定期去除。為清潔渦輪機(jī)，發(fā)動機(jī)可以停機(jī)且進(jìn)行機(jī)械的清潔，以此將渦輪增 壓器拆下且清潔渦輪機(jī)。然而，這是非常不利的過程，因為它非常費時。 此外，污染經(jīng)常過分嚴(yán)重，使得此方法要求的停機(jī)比發(fā)動機(jī)自身維修所 要求的停機(jī)還要頻繁。開發(fā)了數(shù)個解決方案以從渦輪機(jī)表面去除積碳，同時渦輪機(jī)維持運 行。 一般地，這些解決方案可以分為濕方法和干方法，其中清潔通過噴 水或通過將粒狀固體物與排氣混合以機(jī)沖成地清潔表面進(jìn)行。與干方法相 關(guān)的一個缺點是同時磨損了被清潔的裝備表面。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷低時，噴 水的效果可能類似于清洗，或當(dāng)使用在相當(dāng)高的發(fā)動機(jī)負(fù)荷下時，類似 于熱沖擊。當(dāng)清潔類型是清洗時，清潔效果首先基于水滴的機(jī)械碰撞且 其次基于污染物在水中的溶解。典型地，通過清洗的此清潔要求將發(fā)動機(jī)輸出降低到最大輸出的30%至40%。替代地，涉及熱沖擊的清潔基 于污染物沉積和附著表面的不同的熱膨脹性質(zhì)，以及基于由突然冷卻獲得的分離效果。與通過清洗的清潔相比，基于熱沖擊的清潔可以以更高 發(fā)動才幾輸出進(jìn)行。公布US 5,944,483披露了 一種基于熱沖擊的濕清潔方法。在此方法 中，相對地小量的水重復(fù)地噴射到渦輪機(jī)內(nèi)，使得水以液體狀態(tài)以足夠 低的溫度沖擊噴嘴環(huán)，且導(dǎo)致沉積物的熱沖擊。允許噴嘴環(huán)在噴射之間 再加熱到其正常運行溫度。在此公布中描述的裝備也可應(yīng)用于通過清洗來清潔渦輪才幾。在濕清潔期間，到達(dá)渦輪機(jī)的排氣需要處于足夠低的溫度，以避免 水的過分汽化和由于熱沉積導(dǎo)致的對渦輪機(jī)部件的損壞。如果發(fā)動機(jī)在 過高的輸出下運行，則進(jìn)入渦輪機(jī)的排氣可能對于濕清潔過熱，因此發(fā) 動機(jī)輸出必須為清潔運行而降低。用于渦輪機(jī)的清潔過程的長度典型地 為大約半小時，且對于連續(xù)運行且使用劣質(zhì)燃料的發(fā)動機(jī)，此過程經(jīng)常 頻繁到每周進(jìn)行兩次。例如在發(fā)電廠中的發(fā)動機(jī)的情況中，由于渦輪機(jī) 清潔導(dǎo)致的電力生產(chǎn)下降可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供技術(shù)解決方案，通過該解決方案，提供有渦輪 壓縮機(jī)的活塞式發(fā)動機(jī)可以在渦輪機(jī)清潔期間以更高的輸出運行。在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，供給裝置適合于與活塞式發(fā)動機(jī)的排氣道 連接，通過該供給裝置，在渦輪機(jī)清潔期間可以將空氣和/或水引入到排 氣道內(nèi)。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，待從活塞式發(fā)動機(jī)SI入到渦輪機(jī)內(nèi)的排氣 在渦輪機(jī)清潔期間通過將空氣和/或水與其混合而被冷卻。更精確地，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在權(quán)利要求1的特征部分中陳述。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在權(quán)利要求7的特征部分中陳述。 通過本發(fā)明實現(xiàn)了相當(dāng)?shù)膬?yōu)點。通過水和/或空氣供給，在清潔期間，待引入到的渦輪機(jī)的排氣可以 被冷卻而不降低發(fā)動機(jī)的輸出。在渦輪機(jī)清潔期間，發(fā)動機(jī)可以在完全 輸出下運行，特別在發(fā)電廠運行中這是有用的。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備也是 容易的和經(jīng)濟(jì)上可行的，且也可以安裝在現(xiàn)有的活塞式發(fā)動機(jī)上。如下參考附圖中示出的例子更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示意性視圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的示意性視圖。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的示意性視圖。
具體實施方式
圖1至圖3示出了提供有渦輪壓縮機(jī)2的活塞式發(fā)動機(jī)1。渦輪壓 縮機(jī)2包括通過驅(qū)動軸5相互連接的壓縮機(jī)3和渦4侖才幾4。驅(qū)動軸5通 過軸承系統(tǒng)接附到渦輪壓縮機(jī)2的殼體。壓縮機(jī)3的任務(wù)是將加壓空氣 供給到發(fā)動機(jī)1以提供用于燃料的燃燒空氣。壓縮機(jī)3包括可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子， 可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子提供有葉片以將燃燒空氣加壓以運送到發(fā)動機(jī)1。流動空間6配適在壓縮才幾3的高壓側(cè)上，即在壓縮4幾3和發(fā)動才幾氣缸10的燃燒空 間之間，以將加壓的燃燒空氣運送到氣缸10。流動空間6提供有換熱器 7以冷卻或加熱燃燒空氣。另外，流動空間6包括在燃燒空氣的流動方 向上位于換熱器7后方的充填空氣接收器8。流動空間6也包括配適在 每個氣缸IO和接收器8之間的入口通道9，以將燃燒空氣從接收器8運 送到氣缸10。排氣道11布置在氣缸10和渦輪機(jī)4的高壓側(cè)之間，以將發(fā)動機(jī)的 排氣運送到渦輪機(jī)4。排氣道11的第一端lla,即渦輪機(jī)側(cè)上的端連接 到渦輪機(jī)4。排氣道11與氣缸10的行平行地放置。排氣道11的第二端 lib,即距渦輪機(jī)最遠(yuǎn)的端延伸到距渦輪機(jī)4最遠(yuǎn)的氣缸附近。每個氣 缸IO通過分支管17連接到排氣道11。渦輪機(jī)4包括提供有葉片且通過 來自發(fā)動機(jī)1的排氣旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。此外，發(fā)動機(jī)1包括燃料供給裝置(未 示出)，以將燃料供給到氣缸IO。另外，渦輪機(jī)4包括用于將清潔液體供給到渦輪機(jī)4內(nèi)的排氣道的 供給構(gòu)件16。通過清潔液體將聚積在渦輪機(jī)4的表面上的積碳和/或其 他污染物去除。特別地，從渦輪機(jī)4內(nèi)噴嘴環(huán)表面且從繞轉(zhuǎn)子葉片的排 氣道表面去除積碳。噴嘴環(huán)提供有葉片，葉片改變了排氣的流動方向， 使得流動方向適合于轉(zhuǎn)子葉片且增加了排氣的流動速度。用于清潔液體 的供給裝置16包括噴嘴，清潔液體從噴嘴在噴嘴環(huán)前的點處噴射到排 氣的流道內(nèi)，還包括用于將清潔液體運送到噴嘴的設(shè)備?？梢岳糜糜?清潔液體的供給裝置16，例如在美國專利5,944,483中描述的設(shè)備，通 過它渦輪才幾4可以使用濕清潔方法清潔，即通過熱沖擊方法或清洗方法-、喜士 /目/百。當(dāng)發(fā)動機(jī)l運行時，燃燒空氣引導(dǎo)向壓縮機(jī)3，在此處轉(zhuǎn)子提高燃 燒空氣的壓力到高于環(huán)境壓力的水平。已加壓的空氣引導(dǎo)到壓縮機(jī)3的壓力側(cè)上的流動空間6。在流動空間6內(nèi)，燃燒空氣運送到換熱器7且 被換熱器7典型地冷卻到40至IO(TC。在冷卻后，將燃燒空氣引導(dǎo)到充 填空氣接收器8。來自接收器8的燃燒空氣通過入口通道9引導(dǎo)到氣缸 10。例如重燃料油的燃料供給到氣缸IO且通過燃燒空氣在氣缸10的燃 燒空間內(nèi)燃燒。由燃燒生成的排氣從氣缸IO通過分支管17運送到排氣 道11且通過排氣道11運送到渦輪機(jī)4。氣體流動在通過渦輪機(jī)4時使 得渦輪機(jī)4的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動由軸5傳遞到壓縮機(jī)3的轉(zhuǎn)子。為去除聚積在渦輪機(jī)4上的積碳和/或其他污染物，渦輪機(jī)的清潔過 程開始。因此，例如水的清潔液體在發(fā)動機(jī)1運行時噴射到渦輪機(jī)4內(nèi)。 清潔液體通過噴射壓力的作用傳遞且由排氣流動攜帶到污染的表面上， 例如噴嘴環(huán)的表面和圍繞轉(zhuǎn)子的排氣道的表面。清潔液體的清潔效果可 以基于清洗或熱沖擊。在通過清洗來清潔的情況中，清潔效果基于清潔 液體液滴的機(jī)械碰撞且基于污染物在清潔液體內(nèi)的溶解。當(dāng)清潔涉及熱 沖擊時，作為替代，清潔效果基于污染沉積及其附著表面的熱膨脹性質(zhì) 差異以及基于通過突然冷卻實現(xiàn)的分離效果。當(dāng)使用基于清洗的清潔時，清潔液體以大致60秒期間噴射到渦輪 機(jī)內(nèi)。在噴射期間之間存在大約60秒的暫停，在此期間不噴射清潔液 體。存在典型的五個噴射期間。在噴射期間中，引入到渦輪機(jī)內(nèi)的清潔 液體的體積流量為0.2至2dmVs，這取決于渦輪機(jī)的尺寸。清潔液體的 供給壓力大約比供給點處的排氣壓力高2bar。相應(yīng)地，當(dāng)使用基于熱沉積的清潔時，噴射期間的長度為2至4秒， 且在噴射期間之間存在大約3分鐘的暫停，在此期間不噴射清潔液體。 在噴射期間中，清潔液體的體積流量為0.5至5.5dmVs,這取決于渦輪 機(jī)的尺寸。清潔液體的供給壓力比供給點處的排氣壓力高2至3bar。典 型地存在四個噴射期間。為實現(xiàn)最佳的清潔結(jié)果，運送到渦輪機(jī)4的排氣的溫度需要在清潔 過程期間處于特定的水平。位于排氣道11內(nèi)的測量裝備測量了通到渦 輪機(jī)4的排氣溫度。在基于清洗的清潔過程中，運送到渦輪機(jī)4的排氣 的溫度必須典型地^氐于450°C,且在熱沖擊清潔中^氐于500°C。然而， 在熱沖擊清潔中，排氣的溫度需要超過430。C。當(dāng)發(fā)動機(jī)l在完全輸出下運行時，到達(dá)渦輪機(jī)4的排氣的溫度典型地為520至600°C，且因此 在清潔過程期間，發(fā)動機(jī)的輸出必須降低以降低排氣的溫度，或需要冷 卻排氣。圖1和圖2示出了用于在渦輪機(jī)清潔期間冷卻引導(dǎo)到渦輪機(jī)4 的排氣的解決方案。渦輪機(jī)4的清潔可以在發(fā)動機(jī)1處于完全輸出下運 4亍時進(jìn)4亍。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于在渦輪機(jī)4的清潔過程期間冷卻待引 導(dǎo)到渦輪機(jī)的排氣的一個實施例。在此實施例中，從壓縮機(jī)2的高壓側(cè)， 即從流動空間6引來的空氣與排氣混合。與排氣混合的空氣優(yōu)選地由換 熱器7冷卻。根據(jù)圖1的用于冷卻排氣的設(shè)備包括旁通通道12,以用于 將燃燒空氣從流道6運送到排氣道11。旁通通道12的第一端在空氣流 動方向上在換熱器7后的點處，例如在充填空氣接收器8處開到流動空 間6。旁通通道12的第二端優(yōu)選地在最靠近渦輪機(jī)4的分支管17和排 氣道的第二端llb之間的點處打開到排氣道11。在圖l的實施例中，旁 通通道12的第二端打開到排氣道的第二端llb。旁通通道12提供有閥 13,通過閥13允許或阻止空氣流通過旁通通道12。另外，通過旁通通 道12的空氣流量由閥13控制。來自旁通通道12的燃燒空氣被引導(dǎo)到 最靠近渦輪機(jī)4的分支管17和排氣道的第二端11b之間的點處。在圖1 的實施例中，燃燒空氣引導(dǎo)到排氣道的第二端llb。在渦輪機(jī)清潔過程開始時，即在供給清潔劑的第一期間，閥13打 開，因此加壓空氣從接收器8經(jīng)過旁通通道12流到排氣道11?？刂葡?統(tǒng)基于通到渦輪機(jī)4的排氣的溫度測量值控制了閥13且因此控制了引 導(dǎo)到排氣道ll的空氣量。閥13調(diào)節(jié)了空氣流量，使得通到渦輪機(jī)4的 排氣的溫度適合于所選擇的清潔方法(基于清洗或基于熱沖擊的清潔)。 如果需要，則到排氣道ll的空氣供給例如在清潔過程開始前5至10分 鐘開始。當(dāng)清潔過程結(jié)束時，即在供給清潔劑的最后期間之后，通過關(guān) 閉閥13停止了從旁通通道12向排氣道11的空氣供給。典型地，待從 旁通通道12引導(dǎo)到排氣道11的空氣的質(zhì)量流量是引導(dǎo)到渦輪機(jī)4的排 氣的質(zhì)量流量的10%至20%。如果空氣供給未降低通到渦輪機(jī)4的排 氣的溫度到足夠的程度，則排氣的溫度進(jìn)一步通過發(fā)動機(jī)1的負(fù)荷降低 而降低。圖2示出了其中旁通通道12的第一端在壓縮機(jī)3和換熱器7之間 的點處打開到流道6的實施例。其溫度典型地在200至30CTC之間的未冷卻的空氣從流道6引導(dǎo)到排氣道11。對于根據(jù)圖2的實施例的剩余部 分，其構(gòu)造和運行對應(yīng)于圖1的實施例的構(gòu)造和運4亍。圖3示出了本發(fā)明的用于在渦輪機(jī)4的清潔過程期間冷卻待引導(dǎo)到 渦輪機(jī)4的排氣的第三實施例。在此實施例中，水從供給管線14引入 到排氣道11內(nèi)，水與排氣混合且在汽化時對排氣進(jìn)行冷卻。供給管線 14打開到排氣道11。優(yōu)選地，供給管線14在最靠近渦輪機(jī)4的分支管 17和排氣道的第二端llb之間的點處打開到排氣道11。在圖3的實施 例中，供給管線14打開到位于距渦輪機(jī)4最遠(yuǎn)的兩個分支管17之間的 點。供給管線14提供有閥15，通過閥15允許或阻止水供給到排氣道 11且調(diào)節(jié)水的供給流量。供給管線14的端部提供有噴嘴，通過噴嘴將 待引入到排氣道11的水霧化為小水滴以便于汽化。水供給到距渦輪機(jī)4 這樣的距離處，即使得被供給的水量在進(jìn)入渦輪機(jī)4之前有時間完全地 汽化或汽化到必需的程度，或部分地汽化。水在最靠近渦輪機(jī)4的分支 管17和排氣道的第二端llb之間的點處引入到排氣道11內(nèi)。在圖3的 實施例中，水供給到位于距渦4侖才幾4最遠(yuǎn)的兩個分支管17之間的點。在渦輪機(jī)的清潔過程開始時，閥15打開，因此水從供給管線14流 到排氣道11。控制系統(tǒng)基于通到渦輪機(jī)4的排氣的溫度的測量值控制了 閥15且因此控制了到排氣道11的水流量。閥15調(diào)節(jié)了水的流動，使 得通到渦輪機(jī)4的排氣的溫度適合于所使用的清潔方法。典型地，待引 入到排氣道11內(nèi)的水和待供給到氣缸10的燃料空氣各自的質(zhì)量流量的 比在0.05和0.2之間。水供給在清潔過程開始前開始，因此與排氣接觸 的渦輪機(jī)4的表面的溫度在清潔過程開始前，即在引入清潔劑的第一期 間前有時間下降。將水引入到排氣道11內(nèi)例如在清潔過程開始前5至 IO分鐘開始。當(dāng)清潔過程停止時，即在引入清潔劑的最后期間之后，通 過關(guān)閉閥15而停止從供給管線14供給水到排氣道11內(nèi)。發(fā)動機(jī)1可以提供有根據(jù)圖1或圖2的空氣供給設(shè)備和根據(jù)圖3的 水供給系統(tǒng)。通過同時使用空氣冷卻和水冷卻，可以更有效地冷卻通到 渦輪機(jī)4的排氣。以上所述的用于冷卻排氣的解決方案也可以結(jié)合用于渦輪機(jī)的提 供有干清潔的清潔過程使用。在干清潔過程中，待引導(dǎo)向渦輪機(jī)的排氣 的溫度必須足夠低以防止使用在干清潔中的顆粒燃燒。
權(quán)利要求
1.一種與提供有渦輪壓縮機(jī)(2)的活塞式發(fā)動機(jī)(1)有關(guān)的設(shè)備，該設(shè)備包括用于將由壓縮機(jī)(3)加壓的燃燒空氣運送到活塞式發(fā)動機(jī)(1)的氣缸(10)的流道(6)，用于將排氣從活塞式發(fā)動機(jī)(1)運送到渦輪機(jī)(4)的排氣道(11)，和與渦輪機(jī)(4)配適的用于將清潔劑供給到渦輪機(jī)(4)的裝置(16)，其特征在于供給裝置(12、14)與排氣道(11)相關(guān)地布置，以將空氣和/或水引入到排氣道(11)以用于冷卻排氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于供給裝置包括旁通通 道(12)，旁通通道(12)的第一端打開到流道(6)且第二端打開到 排氣道(11)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于換熱器(7)布置在流 道(6)內(nèi)以冷卻燃燒空氣，且旁通通道(12)的第一端打開到流道(6) 內(nèi)的在換熱器(7)和氣缸(10)之間的點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于旁通通道(12)的第 一端打開到流道(6)內(nèi)的壓縮機(jī)(3)和換熱器(7)之間的點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4的任一項所述的設(shè)備，其特征在于供給裝 置包括打開到排氣道(11 )的供給管線(14),以將水引入到排氣道(11 ) 內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于供給管線(14)在兩 個位于距渦輪機(jī)(4 )最遠(yuǎn)的氣缸(10 )之間的點處打開到排氣道(11)。
7. —種與提供有渦輪壓縮機(jī)(2)的活塞式發(fā)動機(jī)(1 )有關(guān)的方法， 在該方法中以壓縮機(jī)(3)將燃燒空氣加壓， 將已加壓的燃燒空氣引導(dǎo)到活塞式發(fā)動機(jī)(1), 燃料通過燃燒空氣燃燒，排氣從活塞式發(fā)動機(jī)(1 )運送到渦輪機(jī)(4),和 將清潔劑供給到渦輪機(jī)(4),其特征在于排氣在運送到渦輪機(jī)(4)前通過與空氣和/或水混合 而被冷卻。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于通過將已加壓的燃燒 空氣與排氣混合而冷卻排氣。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于燃燒空氣在運送到活 塞式發(fā)動機(jī)(1)前被冷卻(7),且將已冷卻的燃燒空氣與排氣混合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于將未冷卻的燃燒空 氣與排氣混合。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其特征在于水與排 氣在距渦輪機(jī)(4)這樣的距離處混合，使得所供給的水量在進(jìn)入渦輪 機(jī)(4)前完全汽化。
全文摘要
一種與提供有渦輪壓縮機(jī)(2)的活塞式發(fā)動機(jī)(1)有關(guān)的設(shè)備，設(shè)備包括用于將由壓縮機(jī)(3)加壓的燃燒空氣運送到活塞式發(fā)動機(jī)(1)的氣缸(10)的流道(6)，用于將排氣從活塞式發(fā)動機(jī)(1)運送到渦輪機(jī)(4)的排氣道(11)，和與渦輪機(jī)(4)配適的用于將清潔劑供給到渦輪機(jī)(4)的裝置(16)。存在與排氣道(11)相關(guān)地布置的供給裝置(12、14)以將空氣和/或水引入到排氣道(11)以用于冷卻排氣。
文檔編號F02B37/16GK101263279SQ200680033971
公開日2008年9月10日 申請日期2006年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者A·賈維 申請人:瓦特西拉芬蘭有限公司