CN103423369A - 大型十字头式柴油发动机及其机座和振动补偿器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大型十字头式柴油发动机及其机座和振动补偿器。十字头式柴油发动机包括用于接收曲轴的基板、具有两个外壁且布置在基板上的机座以及布置在机座上以用于接收气缸的气缸部。基板、机座以及气缸部通过在机座的区域内沿支撑壁延伸的拉杆彼此连接，并且在支撑壁处形成有用于支撑十字头的滑动表面。第一横向支撑壁布置在机座的末端侧且第二横向支撑壁关于曲轴布置在第一横向支撑壁的相对侧，并且第一和第二横向支撑壁通过中间壁彼此连接。在机座的末端侧设置有用于补偿振动的振动补偿器。振动补偿器在第一和第二横向支撑壁的区域内形成为使得第一补偿器块和第二补偿器块被布置为相对于曲轴而言彼此水平相邻。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型十字头式柴油发动机以及用于该大型十字头式柴油发动机的机座和振动补偿器。
背景技术
十字头构造的大型柴油发动机，作为优选地用于造船或者静止装置，例如用于发电，包括形成发动机框架的三个大型壳体区段。所谓的机座被主夹板分开而被布置在基板上，基板具有位于轴承座旁边的横向支撑元件，轴承座具有用于曲轴轴颈的主曲轴轴承。现有技术中已有的机座包括与大型柴油发动机的气缸数目一致的多个相对布置的支撑本体，大型柴油发动机的每个气缸具有以垂直方式延伸的用于引导通过挺杆连接到曲轴的两个相邻十字头的滑动表面。在这方面，具有相对设置并以垂直方式延伸的滑动表面的两个相应的支撑本体还由中间壁支撑。单个支撑本体通常通过共同的金属护板彼此连接。气缸部，常常也称为气缸套，随后布置于基座上方并且适于接收多个气缸衬套。在这方面，基板、机座和气缸部通过在位于支撑本体中的基座区域内延伸的拉杆而彼此连接，通常在实质的预负载下拉杆螺旋进入基板或位于基板上。
在这方面，已知着重解决涉及稳定性和磨损的不同问题的不同类型的基座，并且为此提出了对应的优化解决方案。
从DE3512347C1已知了一种用于往复发动机的十字头滑动轨道的具有支撑件的机座，其中支撑件设计为具有双重壁。其上布置有用于接收气缸衬套的气缸套的基座设置在位于基板上的金属主夹板上，金属主夹板与倾斜延伸的外壁以及垂直的滑动表面一起形成两个框架，两个框架呈梯形截面并且通过共同的金属护板彼此连接。梯形框架由外壁和滑动表面之间的横向支撑壁填充，因此具有双重壁的支撑本体提供了支撑。基板包括具有上轴承壳和下轴承壳的轴承座，上轴承壳和下轴承壳具有轴承盖，在轴承盖中曲轴被枢轴支撑于基板的轴承座中。发动机的气缸套、机座和基板通过由预负载固定在位于轴承座处或轴承座中的曲轴之下的拉杆而保持在一起。
EP 0774061揭示了一种具有三角形横截面的双重壁支撑本体，其中两个相应的拉杆被引导。
在这样的已知大型十字头式柴油发动机中，具有双重壁的机座的支撑本体被支撑元件支撑，同样基板也具有双重壁。这表示机座和基板均通过横向支撑壁形成有双重壁。
在这方面，然而在现有技术中还已知通过横向支撑壁形成基板并且为单层壁设计的大型柴油发动机。申请人在多年前就已经在EP1382829B1中提出了改进的技术方案，其还能够由根据CH700755的实施方式获得显著改进。
在这方面，两个相对布置的支撑本体彼此抵接固定并在机座中其本身通过焊缝由前面已经提到的中间壁固定在基座中。
实质上已知的是由振动所代表的实质问题，特别是在这种发动机所安装的环境中，在如此巨大的发动机的工作中所产生的振动经常达到每个气缸10,000KW的功率，或者更高。在这方面，目前已知的用于船舶的发动机通常具有多达12个或甚至14个气缸，这在船体内会引发振动，如果没有提供合适的对策，振动十分强烈，会使得船体遭到巨大损坏，或者甚至被破坏。
长久以来就已知提供振动补偿器用于减轻或补偿前述的有害振动，振动补偿器的目的在于至少部分地补偿在工作中发生的有害振动。如同本领域技术人员已经充分意识到的那样，这些有害振动主要由发动机的不平衡的、摆动或者旋转质量产生，振动的二阶扭矩通常具有最大的负面影响。例如在船舶中，二阶扭矩以特别的形式存在，一种在船体上具有波腹和波节的竖直作用的驻波，其在波腹中引起实质的机械负载，而这是绝对需要防止的或至少需要被最小化的。
长久以来已知为了此目的在发动机中提供振动补偿器，特别是在用于船舶的大型十字头两冲程柴油发动机中。这些振动补偿器通常包括位于至少一个端部处的两个相对旋转的补偿器块，在特定情况下，甚至同时在机座的两个端部处，即在发动机动力输出的发动机的任一输出侧，即例如，船舶推进器的轴连接之处。然而，可选择地或另外地，振动补偿器还可设置在发动机的与动力输出端部相对的端部，即所谓的发动机自由端。
在这方面，已知的振动补偿器容纳在补偿壳体中，补偿壳体例如通过螺旋或焊接附装于机座外面的发动机的动力输出端和/或自由端。在这方面，补偿质量通常是较厚的、非常重的似半圆形圆盘，其取决于发动机的尺寸以及有害振动的强度能够具有例如接近1000Kg的质量。在这方面，它们布置为一个位于另一个的上方，并且相对于发动机的纵轴对称，以两倍于发动机的速度按照相反的方向旋转并且相对于发动机的曲柄角进程具有合适的相位，精确选择旋转的补偿器块和发动机的曲柄角进程之间的相位，使得上文提到的有害振动的二阶扭矩被补偿或者至少被充分地最小化。
在这方面，补偿器块的旋转驱动能通过轴、齿轮、链条或类似物以直接联结的方式发生，其优点在于旋转质量和发动机的曲柄角之间的相位能够通过机械联结独立于发动机的速度而固定设置，使得不需要控制和/或调整旋转的补偿器块的旋转速度和相位。
然而，已知解决方案中补偿器块被电驱动。考虑到振动补偿器在发动机上的安装，该解决方案当然更灵活。然而，电旋转驱动当然必须进行控制，该控制总是基于发动机的速度自动设置旋转补偿器块的正确的旋转速度和相位。
布置在机座外面的振动补偿器的实质缺陷在于，旋转的质量产生实质的力，该力通过焊缝传输到机座，振动补偿器在焊缝处悬置于机座上。在实际中，这导致了对焊缝、对支撑壁以及对设置在此处的用于十字头的滑动轨道的损坏。一个主要的原因是，振动补偿器以啮合旋转的方式布置为叠置的，使得在竖直方向上和/或在水平方向上产生合成扭矩，即因而振动补偿器实现周期性的倾斜运动和弯曲扭矩，弯曲扭矩通过焊缝传输到机座并且因此在焊缝上产生对应的负载。在这方面，啮合旋转方式意味着，旋转补偿器块的旋转轴线的彼此之间的距离比旋转质量的旋转半径的两倍更近。
发明内容
因而，从现有技术出发，本发明的目的是提供一种改进的大型十字头式柴油发动机以及改进的振动补偿器，其避免了现有技术中已知的缺陷并且特别是优化了振动补偿器到机座的力的传输，使得振动补偿器和机座之间传输力的接触点的负载尽可能小或者均匀。
因此，本发明涉及一种大型十字头式柴油发动机，其包括用于接收曲轴的基板、具有两个外壁且布置在基板上的机座以及布置在机座上以用于接收气缸的气缸部。基板、机座和气缸部通过在机座的区域内沿着支撑壁延伸的拉杆彼此连接，并且在支撑壁处形成有用于支撑十字头的滑动表面。第一横向支撑壁和第二横向支撑壁布置在机座的末端侧，并且相对于曲轴彼此相对设置并通过中间壁彼此连接。在这方面，在机座的末端侧设置有补偿振动的振动补偿器。根据本发明，振动补偿器在第一支撑壁和第二支撑壁的区域内形成为使得第一补偿器块和第二补偿器块被布置成相对于曲轴而言彼此水平相邻。
本发明第一次使得避免现有技术中已知的缺陷成为可能，这种缺陷由布置在机座外面的振动补偿器引起。在根据本发明的大型十字头式柴油发动机中，振动补偿器的旋转补偿器块无疑还产生了相当大的力。然而，由于补偿器块被布置成彼此水平相邻，而不是竖向叠置，补偿器块旋转时出现的水平力分量相互抵消，使得补偿器块在整体上不再产生任何现有技术中竖向叠置的补偿器块中必然会出现的周期性的倾斜运动。因为在根据本发明申请的大型柴油发动机中根本不会产生有害的倾斜扭矩或倾斜力，所以补偿器壳体和机座之间的焊缝(振动补偿器最终在该焊缝处悬置于机座上)也不再经受倾斜扭矩或倾斜力，而且倾斜扭矩或倾斜力也不再经由焊缝而被传递至机座，因为如之前所述，实质上根本不再存在倾斜扭矩或倾斜力。焊缝处的严重损坏以及设置在焊缝处的十字头的支撑壁和滑动轨道的严重损坏，现在可以通过本发明而得以避免。
在对于实施特别重要的一个实施方式中，根据本发明所述的振动补偿器因此形成在机座的外侧而不会产生问题，这是因为有害的倾斜扭矩基本上已经不再存在，并且焊缝也特别地不再受到倾斜扭矩的作用。在此方面，非常明显的是，设置在机座外侧的振动补偿器可以灵活地布置在机座上，而且那些涉及振动补偿器的构造尺寸的限制也很难被接受，因为对于位于机座外侧的振动补偿器的尺寸和位置而言，机座及其组件的构造设计和尺寸仅具有有限的影响。
在此方面，显而易见的是，本发明的振动补偿器原则上可以形成在第一支撑壁和第二支撑壁之间，并且，优选但不是必须地，可以形成在中间壁上，使得中间壁也可以附加地承载振动补偿器。
旋转补偿器块的一些所涉及的剩余合力(其基本上仍具有随着时间变化的垂直力分量)可以因此附加地经由支撑壁和/或经由中间壁而被引入机座，由此，振动补偿器或补偿器壳体的焊缝处的压力可以附加地进一步得到减轻。
在这方面，振动补偿器通常包括在操作状态下以相反方向旋转的两个补偿器块，补偿器块通常形成为一部分盘的形状，常常为类似新月的盘，但是原则上可以具有适于抑制或减轻发动机中产生的有害振动的任何合适的非对称形状。
在这方面，补偿器块优选地相对于彼此布置为使得其在操作状态下不以啮合的方式旋转，并且如已经解释的，被布置为相对于曲轴而言彼此水平相邻。因为补偿器块被布置为彼此水平相邻，所以至少在振动补偿器被布置在机座外侧而不是布置在支撑壁之间的那些情况下，补偿器块也可以以不相互啮合的方式布置而不产生问题，并且原则上可以以任何期望的间距来布置。
在这方面，根据需要，本发明的振动补偿器可被设置在大型十字头式柴油发动机的输出侧的末端侧和/或自由端的末端侧。本领域技术人员决定采用这三种变型中的哪一个取决于不同情形中的多种因素。例如，取决于安装大型十字头式柴油发动机的船舶的类型，取决于所产生的有害振动的强度，取决于振动需要被抑制的程度或者还可取决于实质上对于本领域技术人员而言已知的其它因素或需求。
在这方面，补偿器块本身实质上可通过机械联结装置按照实质上已知的方式驱动，特别是通过轴、齿轮、链条、有齿传动带或者其他联结装置驱动，和/或还可通过单独的旋转驱动装置驱动，特别是通过电的、液压的或气动的旋转驱动装置，在单独的旋转驱动装置的情形中，实际上以控制或调整的方式提供控制，使得补偿器块始终以相应的相位以及速度(尤其是两倍于大型十字头式柴油发动机的速度)来旋转，从而可以充分补偿或消除有害的二阶振动扭矩。
本发明还涉及一种用于如本发明所描述的大型十字头式柴油发动机的振动补偿器，振动补偿器可在大型十字头式柴油发动机的第一支撑壁和第二支撑壁的区域内形成为使得第一补偿器块和第二补偿器块被布置为相对于曲轴而言彼此水平相邻。
根据本发明的振动补偿器在这方面可以优选地形成在机座的外侧，但是，可选地，或附加地，也可以在另外的实施方式中形成在大型十字头式柴油发动机的第一支撑壁和第二支撑壁之间，并且优选地形成在机座的中间壁处，以使得中间壁也可以附加地承载振动补偿器。
振动补偿器优选地包括两个补偿器块，这两个补偿器块在操作状态下以相反方向旋转并且在实际中通常设计为部分盘的形状，特别是类似新月形的形状，并且被布置为相对于曲轴而言彼此水平相邻，使得它们在操作状态下不以啮合方式旋转。
在这方面，补偿器块本身可通过机械联结装置驱动，特别是通过轴、齿轮、链条、有齿传动带或者通过其他联结装置，或者可通过单独的旋转驱动装置驱动，特别是通过电的、液压的或气动的旋转驱动装置驱动。
附图说明
以下将参考附图来详细解释本发明。它们以示意性表示的方式示出：
图1是根据本发明的具有基板、机座和气缸部的大型十字头式柴油发动机的视图；
图2是根据图1的补偿器壳的放大细节图；以及
图3是作用于水平且非啮合布置的补偿器块的力和扭矩的示意性表示。
具体实施方式
接下来将整体上以附图标记1表示根据本发明的大型十字头式柴油发动机，其特别构造为比如广泛用于造船的采用直流扫气的两冲程大型柴油发动机1。
图1示意性地以截面图示出根据本发明的大型十字头式柴油发动机1的设计，其具有基板2、机座5和气缸部6，为了清楚的原因，仅示出了气缸部6的下部区域。在这方面，除了振动补偿器的补偿器块121、122的水平布置之外，图1示出的外部设计实质上与已知的大型十字头式柴油发动机的外形一致。
气缸部6用来以实质上已知的方式接收气缸，气缸未示出。机座5(例如，由彼此焊接的钢板形成)具有基体金属片材以及两个外壁4，并且与滑动表面10(根据图示，该滑动表面10垂直延伸，即，横向延伸)一起形成截面为梯形的两个框架且这两个框架通过共同的金属护板彼此连接。两个相对布置的滑动表面9以垂直方式延伸并且由布置在两个梯形框架之间的中间壁11支撑。机座5在基板2上布置有基体金属片材，所述基板2包括具有轴承壳的轴承座，用于以轴颈的方式支撑曲轴3。曲轴3以实质上已知的方式通过连杆(图1中未示出)连接到十字头，未示出具体细节。
根据本发明，在第一支撑壁81和第二支撑壁82的区域内，在机座5的末端侧10处，用于补偿振动的振动补偿器12形成为使得第一补偿器块121和第二补偿器块122被布置为相对于曲轴3而言彼此水平相邻。在这方面，图1中仅示意性地示出的大型十字头式柴油发动机1的末端侧10可以是例如将发动机动力传输给船舶推进器的输出侧，或者还可以是相对于输出侧设置的发动机自由端。
在这方面，振动补偿器12包括补偿器壳1200以及在操作状态中以相反方向旋转的两个补偿器块121、122。在这方面，图1的具体实施方式的补偿器块121、122被设计为一部分盘的形状，特别是类似新月形的形状，并且被布置为相对于曲轴3而言彼此水平相邻，使得在操作状态下其不以彼此啮合的方式旋转。通常，补偿器壳具有外罩(为了清楚的目的，未在图1中示出该外罩)，使得在操作状态下无法从外部看到补偿器块121、122。
仅仅用于示例，图2示出了根据图1的补偿器壳在安装状态下的放大细节。能够清楚看出振动补偿器12如何形成在区域内，即，如何大体上形成在机座5的第一支撑壁81和第二支撑壁82上，使得补偿器12的补偿器块121、122被布置为彼此水平相邻，在图1和图2的实施例中，被布置为以非啮合的方式相邻，使得两个补偿器块具有相同的旋转半径，优选地，补偿器块121、122的旋转轴具有大致两倍于补偿器块121、122的旋转半径的间距，由此，旋转的补偿器块121、122的水平力扭矩可以被相当好地补偿或消除。
最后，当补偿器块121按照旋转方向ω1旋转且补偿器块122按照相反的旋转方向ω2旋转并且旋转频率ω1和ω2在数量上相当于大型柴油发动机1的旋转频率的两倍时，补偿器块121、122在两倍于旋转半径的距离处以水平且非啮合的方式作用的扭矩或水平力扭矩F1和F2参考示意性的图3示出。由于补偿器块121、122相对于彼此以非啮合方式旋转，这意味着如前面所说明的，两个旋转的补偿器块121、122的旋转轴线彼此相距的距离至少为补偿器块121、122的旋转半径的两倍，基本上不会出现周期性变化的水平力分量，这是因为，各个水平分量F1和F2的合力基本为零。
本领域技术人员应理解，并未将本发明限制于明确讨论的实施方式，相应的进一步改进同样由本发明涵盖。本发明当然特别涉及所讨论的具体实施方式的所有适当结合。
Claims (15)
1.一种大型十字头式柴油发动机，该大型十字头式柴油发动机包括用于接收曲轴(3)的基板(2)、具有两个外壁(4)且布置在所述基板(2)上的机座(5)以及布置在所述机座(5)上以用于接收气缸的气缸部(6)，其中，所述基板(2)、所述机座(5)以及所述气缸部(6)通过在所述机座(5)的区域内沿着支撑壁(8，81，82)延伸的拉杆(7)彼此连接，并且在所述支撑壁(8，81，82)处形成有用于支撑十字头的滑动表面(9)，其中第一横向支撑壁(8，81)布置在所述机座(5)的末端侧(10)且第二横向支撑壁(8，82)关于所述曲轴(3)布置在所述第一横向支撑壁的相对侧，并且所述第一横向支撑壁(8，81)和第二横向支撑壁(8，82)通过中间壁(11)彼此连接，且在所述机座(5)的所述末端侧(10)设置有用于补偿振动的振动补偿器(12)，其特征在于，所述振动补偿器(12)在所述第一横向支撑壁(81)和所述第二横向支撑壁(82)的区域内形成为使得第一补偿器块(121)和第二补偿器块(122)被布置为相对于所述曲轴(3)而言彼此水平相邻。
2.根据权利要求1所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述振动补偿器(12)形成在所述机座(5)的外侧。
3.根据权利要求1或2所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述振动补偿器(12)形成在所述第一横向支撑壁(81)和所述第二横向支撑壁(82)之间，并且优选地形成在所述中间壁(11)处，使得所述中间壁(11)也附加地承载所述振动补偿器(12)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述补偿器块(121，122)在操作状态下以相反方向旋转。
5.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述振动补偿器(12)设置在所述大型十字头式柴油发动机的输出侧的末端侧(10)和/或设置在所述大型十字头式柴油发动机的自由端的末端侧(10)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述补偿器块(121，122)被设计为呈一部分板的形状，特别是呈类似新月形的形状。
7.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述补偿器块(121，122)相对于彼此布置为使得在操作状态下以非啮合的方式旋转。
8.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述补偿器块(121，122)能通过机械联结装置被驱动，特别是通过轴、齿轮、链条、有齿传动带或能通过其他联结装置被驱动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机，其中，所述补偿器块能通过单独的旋转驱动装置被驱动，特别是通过电的、液压的或气动的旋转驱动装置被驱动。
10.一种振动补偿器，该振动补偿器用于根据前述权利要求中任一项所述的大型十字头式柴油发动机(1)，其特征在于，所述振动补偿器(12)能在所述第一横向支撑壁(81)和所述第二横向支撑壁(82)的区域内形成为使得第一补偿器块(121)和第二补偿器块(122)被布置为相对于所述曲轴(3)而言彼此水平相邻。
11.根据权利要求10所述的振动补偿器，其中，所述振动补偿器(12)形成在所述机座(5)的外侧。
12.根据权利要求10或11所述的振动补偿器，其中，所述振动补偿器能形成在所述大型十字头式柴油发动机(1)的所述第一横向支撑壁(81)和所述第二横向支撑壁(82)之间，并且能优选地形成在所述机座(5)的所述中间壁(11)处，使得所述中间壁(11)也附加地承载所述振动补偿器(12)。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的振动补偿器，其中，所述振动补偿器(12)包括在操作状态下以相反方向旋转的两个补偿器块(121，122)，并且所述补偿器块(121，122)优选地被设计为呈一部分板的形状，特别是呈新月形的形状。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的振动补偿器，其中，所述振动补偿器(12)被设计为并且所述补偿器块(121，122)被布置为是彼此相邻的，以使得所述补偿器块(121，122)在操作状态下以非啮合的方式旋转。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的振动补偿器，其中，所述补偿器块(121，122)能通过机械联结装置被驱动，特别是通过轴、齿轮、链条、有齿传动带或者能通过其他联结装置被驱动，并且/或者，所述振动补偿器的所述补偿器块(121，122)能通过单独的旋转驱动装置被驱动，特别是通过电的、液压的或气动的旋转驱动装置被驱动。
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