专利名称：涡轮压缩机的涡轮部件和避免涡轮压缩机的涡轮部件中碳堆积的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的涡轮压缩机的涡轮 部件。
本发明还涉及一种防止涡轮压缩机的涡轮部件中的碳堆积的方法。
背景技术：
在发动机技术中，已知采用涡轮压缩机以便增加发动机功率。 涡轮压缩机包括压缩机部件，通过该压缩机部件将加压的燃烧空气
(combustion air)供给给发动机。涡轮压缩机进一步包括运转压缩机的 涡轮部件。来自发动机的废气被引到涡轮处，涡轮将废气的能量转 换为压缩机驱动功率。来自发动机的废气是热的，由此为冷却涡轮 部件已经提供了解决方案。然而，冷却涡轮部件降低了废气的温度， 这限制了其在许多的应用中的利用。例如在废热锅炉中利用冷却的 废气是成问题的，因为产生的蒸汽或加热的水的温度不能始终足够 地增加。另外，大规模的冷却系统使得设备更加复杂并且增加其生 产成本。因为这样，在许多的应用中采用不冷却的涡轮压缩机装置。
然而，已经注意到在有些状态下碳趋向于堆积在不冷却的涡轮 压缩机中。碳堆积是普遍的，尤其当重质燃料油作为燃料使用时。 与废气接触的涡轮表面的温度增加到高水平，由此形成在该表面上 的碳尤其坚固。在涡轮叶片尖端和围绕它们的流动通道之间的区域 中的碳堆积尤其成问题。碳沉积的性质根据燃料的成分而变化；对 于含钒和钠的重质燃料油来说，问题尤其不可忽一见。
发明内容
本发明的目的是减少涡轮压缩机涡轮部件的碳堆积。
本发明基于将碳堆积防止物质注入涡轮压缩机的涡轮部件的流
动通道内。例如蒸汽、水、空气和/或别的适合的气体可作为碳堆积
防止物质使用。
更具体地讲，根据本发明的涡轮压缩机的涡轮部件的特征为权 利要求1的特征部分中陈述的内容。
此外，才艮据本发明的方法的特征为权利要求10的特征部分中陈
述的内容。
通过本发明可达到相当多的优点。
在渴轮压缩机涡轮部件与废气接触的表面上的碳堆积减少了 ， 由此减少了养护要求并且保持了较高的效率。碳堆积防止物质的量 与大量的废气相比可维持少量，由此废气的温度几乎不改变。此外， >碳堆积防止物质的注入可相当简单和经济地布置成与涡^"部件连接。
在本发明的一个实施例中，采用蒸汽作为碳堆积防止物质。蒸 汽在与废气接触的所有表面上形成层，该层既防止碳堆积又有效地 去除形成在表面上的碳。
以下根据附图通过例子更详细地描述本发明。
图1是与活塞发动机连接的涡轮压缩机的示意图。
图2是提供有根据本发明的涡轮部件的涡轮压缩机的截面图。
图3是如从方向A所见的图2涡轮压缩机喷嘴环的局部放大图。
图4显示如从方向B所见的图3的喷嘴环。
图5是提供有根据本发明的第二涡轮部件的涡轮压缩机的截面图。
图6是提供有根据本发明的第三涡轮部件的涡轮压缩机的截面图。
图7显示了局部放大的图6的C点。
具体实施例方式
在图1中，涡轮压缩机1布置成与活塞发动机2连接。该涡轮 压缩才几包括压缩才几部件1.1和涡轮部件1.2。它们通过驱动轴1.3互 相连接。涡轮压缩机装置经由连接到压缩机部件1.1高压侧的空气入 口通道3连接到活塞发动机2上。热交换器4布置成与供给通道3 连接以便在将空气引入活塞发动机2之前冷却该空气。涡轮压缩机1 的涡轮部件1.2经由废气通道5连接到活塞发动机2上。
当运转发动机2时，经由进气通道1.4将空气引入压缩机部件 1.1。压缩机部件1.1使空气温度和压力增加并且经由入口通道3将 空气供给给发动机2。在发动机2中，空气用于燃烧燃料，并且在燃 烧中形成的废气经由废气通道5被引入涡轮部件1.2的流动通道1.5 内。在涡轮部件1.2中废气产生用于运转压缩机部件1.1的功。将废 气/人涡轮部件1.2进一步引到废气锅炉6中，在废气锅炉6中由废气 包含的热能用于蒸汽生产和/或加热水。在和内燃机同时使用中，到 达涡轮部件1.2的废气通常大约是550°C并且在涡轮部件之后大约是 350。C。
图2更详细地显示了可用在图1所示的装置中的涡轮压缩机。 在这里，压缩机部件1.1和涡轮部件1.2经由轴承体1.6互相连接。 驱动轴1.3以轴承方式安装(bearing-mounted)在轴承体1.6上。具有 叶片1.9的涡轮叶轮1.19附接到轴的一端上，而具有叶片的压缩机 叶轮附接到轴的另一端上。从压缩机部件1.1流到发动机2的空气流 向由图2中的箭头1.11标记而到达压缩^/L部件1.1的空气流向由箭 头1.12标记。因此，从发动机2到达涡l仑部件1.2的废气流向由箭 头1.13标记，而从涡轮部件1.2引到废气锅炉6的废气流向由箭头1.14 标记。来自发动机2的废气引到涡轮部件1.2的流动通道1.5中。具有 翼片(vane)的喷嘴环U0布置在流动通道1.5中，喷嘴环的设计在图 3和图4中更详细地描述。喷嘴环1.10刚性地附接到流动通道1.5的 壁上。到达流动通道1.5的废气首先流过喷嘴环1.10。喷嘴环1.10 的翼片1.17改变废气的流向使其适合于延伸到流动通道1.5中的涡 轮叶片1.9并且增加废气的流速。在喷嘴环U0之后废气流到涡轮 叶轮1.19的叶片处。废气冲击涡轮叶片1.9产生切向引导力，该力 旋转涡轮叶轮U9、驱动轴1.3以及压缩机叶轮1.18。废气从涡轮叶 轮1.19流入布置在流动通道中的扩散器1.15，在其中其流速降低并 且压力增加。
例如重质燃料油可作为发动机2的燃料使用。已经汽化并且与 氧和与燃烧有关的其它可能的物质起反应的燃料成分在涡轮部件1.2 的表面上形成碳。当采用重质燃料油作为燃料时，碳堆积尤其显著。 在涡轮叶轮1.19的叶片1.9尖端和围绕它们的流动通道1.5之间的区 域中的碳尤其有害。形成在这个区域中的碳在涡轮叶片1.9上引起磨 损并且减少废气的截面流动面积(cross-sectional flow area)。 另 一 方 面，在喷嘴环1.10的翼片1.17的表面上形成的碳干扰通过喷嘴环1.10 的废气流并且因而降低涡轮的效率以及发动机2的功率。
在喷嘴环1.10表面上的碳堆积可通过图2至图4中所示的装置 减少。在该装置中，开设(open on)在喷嘴环1.10翼片1.17外表面上 的通道1.7布置在喷嘴环1.10中。将蒸汽引入通道1.7,该蒸汽然后 从通道1.7的开口流出并且散布在翼片1.17的表面上。根据翼片的 尺寸和形状，可在每个翼片1.17中布置一个或多个开口。在图2至 图4中所示的实施例中，每个翼片1.17具有三个开口。通常，每个 翼片U7提供有至少一个开设在翼片外表面上的通道。优选地，该 通道1.7开设在翼片1.17的正面，即在相对废气流向的表面上，由 此废气流将从开口注入的蒸汽散布到翼片1.17的侧部。蒸汽的散布 可通过布置在通道1.7开口前面离开口一定距离的导流件9改良。导
流件9面向开口的表面是凹面。从开口注入的蒸汽撞击导流件9，由 此导流件弯曲的表面将蒸汽的流向转向翼片的侧部。
蒸汽通过布置在喷嘴环中央的通道或者通过位于涡轮部件外壳
1.2中且在喷嘴环1.10外部的通道引入喷嘴环1.10的通道1.7。
图5显示了另一个可在图1中所示的装置中使用的涡轮压缩机。 在这里，在涡轮部件1.2的叶片1.9尖端和围绕叶片的流动通道1.5 之间的区域中的碳堆积由将蒸汽注入流动通道1.5中而减少。蒸汽从 布置在流动通道1.5的圆周上的开口 1.8注入，该开口通向流动通道 1.5。开口 1.8适当分散地沿着流动通道1.5的圓周布置，使得它们围 绕流动通道的圓周。开口 1.8提供在围绕涡轮叶片1.9尖端的流动通 道1.5的部分中，即在所谓的框架环中。优选地，开口 1.8位于流动 通道1.5中朝着废气的流向在涡轮叶片1.9的尖端之前的地方或者在 涡轮叶片1.9尖端前部和后部之间的区域。从开口 1.8注入的蒸汽由 废气流的影响散布到流动通道1.5的表面上在沿着涡轮叶片1.9尖端 的区域处并且形成防止碳堆积的蒸汽层。图5涡轮压缩机的设计和 操作除蒸汽供给装置以外与图2涡轮压缩机一致。
图6和图7显示了可在图1中所示的装置中使用的第三涡轮压 缩机。流动通道1.5的圆周提供有环形凹槽1.20,涡轮叶片1.9的尖 端延伸到凹槽1.20中。开口 1.21提供在凹槽1.20的底部中，蒸汽从 开口 1.21朝着涡轮叶片1.9尖端注入。从开口 1.21供给的蒸汽撞击 涡轮叶片1.9并且沿着凹槽1.20底部和涡轮叶片1.9之间的间隙流到 涡專仑叶片1.9的前侧和后侧。
在上述所有实施例中，目的是形成防止接触废气的表面上的碳 堆积的蒸汽层。此外蒸汽还去除已经沉积在表面上的碳。在图2至 图4的实施例中，防止碳堆积的保护层尤其形成在喷嘴环1.10翼片 1.17的表面上。在图5和图6、图7中所示的实施例中，蒸汽层尤其 形成在围绕涡轮叶片1.9尖端的流动通道1.5的表面上。在所有实施 例中，蒸汽供给点布置在流动通道1.5中在喷嘴环1.10前部和涡轮 叶片1.9尖端后部之间的区域处。蒸汽相应地注入流动通道1.5到喷 嘴环1.10前部和涡轮叶片1.9尖端后部之间的区域。蒸汽连同废气
流一起传送到涡轮部件1.2的其它表面上，例如扩散器1.15和涡轮 叶片1.9的表面。蒸汽例如在发动机2的废气锅炉6或者独立的蒸汽 生产设备中产生。要供给到流动通道1.5中的蒸汽温度是100-250。C。 在涡轮压缩机1操作过程中，蒸汽连续不断地注入到流动通道1.5中。 蒸汽的注入压力在注入点必须高于废气压力，以便避免废气传 送到通道1.7、 1.8和1.21中。通常，注入流动通道1.5中的蒸汽压 力是2-7巴。要注入流动通道1.5中的蒸汽量为各个应用例如由试验 选定。例如，要注入的蒸汽量取决于废气的成分和温度以及蒸汽的 温度。要注入的蒸汽量例如通过位于蒸汽供给管的调节阀调节。 本发明还包括异于(deviating from)上面讨论过的内容的实施例。 使用在上述实施例中的注入蒸汽的方式可以结合，由此蒸汽既 通过喷嘴环1.10的入口开口 1.7又通过流动通道1.5圆周上的入口开 口注入。
替代或除蒸汽之外，水、压缩空气或其它适合的气体可作为碳 堆积防止物质^吏用。压缩空气可/人压缩才几1.1高压侧引入流动通道 1.5，由此其压力和温度通常适合于这个目的。
本发明不限于在这里描述的实施例，但在从属权利要求的范围 内可构思它的许多变形。
权利要求
1.一种涡轮压缩机(1)的涡轮部件(1.2)，所述部件包括具有叶片(1.9)的涡轮叶轮(1.19)和用于将废气引到所述涡轮叶轮(1.19)上的流动通道(1.5)，以及用于将碳堆积防止物质注入所述流动通道(1.5)中的注入机构(1.7、1.8、1.21)，其特征在于，所述注入机构布置成与围绕所述涡轮叶轮(1.19)的所述流动通道(1.5)的部分连接。
2. 如权利要求1所述的涡轮部件(1.2),其特征在于，所述涡轮 部件(1.2)包括具有翼片(1.17)并且布置在所述流动通道(1.5)中以便将 废气引到所述涡轮叶轮(1.19)上的喷嘴环(1.10)，并且所述注入机构 (1.7、 1.8)的注入点布置在所述喷嘴环(1.10)前部和所述涡轮叶片(1.9) 后部之间的区域上。
3. 如权利要求2所述的涡轮部件(1.2)，其特征在于，所述注入 机构(1.7)布置成与所述喷嘴环(1.10)连接。
4. 如权利要求3所述的涡轮部件(1.2)，其特征在于，所述注入 机构包括开设在所述喷嘴环(1.10)的翼片(1.17)的表面上的通道(1.7)。
5. 如权利要求4所述的涡轮部件(1.2)，其特征在于，所述通道(1.7) 开设在所述翼片(1.10)面向所述废气流向的表面上。
6. 如权利要求5所述的涡轮部件(1.2),其特征在于，导流件(9) 布置在所述通道(1.7)的开口前面离所述开口 一定距离，以便从所述开 口到所述翼片(1.10)表面引流。
7. 如权利要求1所述的涡轮部件(1.2),其特征在于，所述注入 机构包括开设在围绕所述涡轮叶轮(1.19)的所述流动通道(1.5)的表面 上的通道(L8)。
8. 如权利要求1或7所述的涡轮部件(1.2)，其特征在于，所述 流动通道(1.5)包括环形槽(1.20)，所述涡轮叶轮(1.19)的涡轮叶片(1.9) 延伸到所述槽(1.20)中，并且所述注入机构(1.21)布置成与所述槽(1.20)连接。
9.气引到所述涡轮叶轮(1.19)上的流动通道(1.5)，其特征在于，碳堆积 防止物质从布置成与围绕所述涡轮叶轮(1.19)的所述流动通道(1.5)的 部分连接的注入机构注入所述流动通道(l .5)。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述涡轮部件(1.2) 包括具有翼片(U7)并且布置在所述流动通道(1.5)中以便将废气引到 所述涡轮叶轮(1.19)上的喷嘴环(1.10),并且将所述碳堆积防止物质注 入所述喷嘴环(1.10)前部和所述涡轮叶片(1.9)尖端后部之间的区域。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碳堆积防止物 质从开设在所述喷嘴环(1.10)的翼片(1.17)的表面上的通道(1.7)注入。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述碳堆积防 止物质从开设在所述喷嘴环(1.10)翼片(1.17)面向所述废气流向的表面 上的通道(1.7)注入。
13. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碳堆积防止物 质从开设在围绕所述涡轮叶轮(1.19)的所述流动通道(1.5)表面的通道 (1.8)注入。
14. 如权利要求9或13所述的方法，其特征在于，所述流动通 道(1.5)包括环形槽(1.20),所述涡轮叶轮(1.19)的涡轮叶片(1.9)延伸到 所述槽(1.20)中，并且将所述防止碳堆积形成的物质注入所述槽(1.20) 中。
15. 如前述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用水 蒸气作为所述^^堆积防止物质。
全文摘要
一种涡轮压缩机(1)的涡轮部件(1.2)，该部件包括具有叶片(1.9)的涡轮叶轮(1.19)以及用于将废气引到涡轮叶轮(1.19)上的流动通道(1.5)。涡轮部件还包括用于将碳堆积防止物质注入流动通道(1.5)中的注入机构(1.7、1.8、1.21)。
文档编号F02C6/18GK101198770SQ200680020979
公开日2008年6月11日 申请日期2006年5月15日 优先权日2005年6月14日
发明者T·雷基奥, V·希拉卡里 申请人:瓦特西拉芬兰有限公司