CN114514368B - 发动机-发电机组 - Google Patents

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Abstract

发动机‑发电机组包括用于发电的发电机(2)以及用于驱动发电机(2)的发动机(1)，该发动机经由挠性联轴节(8)联接至发电机(2)的轴(3)，发动机(1)是借助于多个弹性支架部件(6)抵着支承表面(5)支承着的，并且发电机(2)是与发动机(1)分开地，借助于多个弹性支架部件(7)抵着支承表面(5)支承着的，其中，发动机(1)是单独地经由挠性联轴节(8)以机械方式连接至发电机(2)的。

Description

发动机-发电机组
技术领域
本发明涉及根据权利要求1所述的发动机-发电机组。
背景技术
大型内燃机(诸如船舶或发电厂用发动机)通常被设置在基架(base frame)上，而该基架是抵着发电厂或船舶的发动机室的地板支承着的。基架通常由钢或钢筋混凝土制成。弹性支架(Resilient mount)通常被用在基架与支承表面(诸如船舶的船体或发电厂的地板)之间。如果将发动机联接至发电厂用于发电的发电机、船舶的推进系统的发电机、或者船舶的另一电力系统的发电机，那么通常将该发动机和发电机设置在公共基架上。
发动机-发电机组的公共基架或刚性连接的单独基架的问题在于，使发动机的振动传递至发电机，从而导致疲劳故障。通常来说，疲劳故障集中在发电机的安装点区域周围，但是它们也可能发生在许多其它位置。
发明内容
本发明的目的是，提供一种改进的发动机-发电机组，该发动机-发电机组包括用于发电的发电机以及用于驱动发电机的发动机，该发动机经由挠性联轴节(flexiblecoupling)联接至发电机的轴。
根据本发明的发动机-发电机组的特征化特征在权利要求1中给出。
在根据本发明的发动机-发电机组中，发动机是借助于多个弹性支架部件抵着支承表面支承着的，并且发电机是与发动机分开地，借助于多个弹性支架部件抵着支承表面支承着的，其中，发动机是单独地经由挠性联轴节以机械方式连接至发电机的。
在根据本发明的发动机-发电机组中，有效地防止了振动从发动机传递至发电机，这是因为在发动机与发电机之间没有刚性连接。这种布置还允许在发动机与发电机之间设置惯性质量部件。而且，用于将发电机与发动机分离的离合器可以被设置在发动机与发电机之间，这允许将发电机用作同步调相机(synchronous condenser)。本发明还允许使用更轻的地基(foundation)，是因为该地基可以基于发动机-发电机组的静态负载而不是动态负载来进行设计。发动机和发电机可以经由弹性支架部件直接或间接地抵着支承表面支承着。
根据本发明的实施方式，将发动机设置在基架上，并且将发动机的弹性支架部件设置在基架与支承表面之间。另选地，可以将发动机直接经由弹性支架部件抵着支承表面支承着。
根据本发明的实施方式，将发电机设置在与发动机的可能基架分开的基架上，并且将发电机的弹性支架部件设置在基架与支承表面之间。另选地，可以将发电机直接经由弹性支架部件抵着支承表面支承着。
根据本发明的实施方式，将发动机的弹性支架部件以及发电机的弹性支架部件配置成，使得1.2<fgen_vert/feng_vert<30，其中，fgen_vert是由发电机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，以及feng_vert是由发动机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率。可以将比率fgen_vert/feng_vert配置成大于1.5和/或小于3。
根据本发明的实施方式，将发动机的弹性支架部件以及发电机的弹性支架部件配置成，使得1.2<fgen_lat/feng_lat<30，其中，fgen_lat是由发电机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，以及feng_lat是由发动机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率。可以将比率fgen_lat/feng_lat配置成大于1.5和/或小于3。
通过将发动机和发电机的弹性支架部件配置成，使得发电机的固有频率高于发动机的固有频率，发电机的移动在短路或其它暂态情形下可以保持在可接受的范围内。另一方面，不是太硬的弹性支架减少了从发电机到支承表面的振动传递。
根据本发明的实施方式，将发动机的弹性支架部件配置成，使得0<feng_vert<1.1*n，其中，feng_vert是由发动机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，并且n是发动机在驱动被联接至负载的发电机时的预期旋转频率[1/s]。
根据本发明的实施方式，将发动机的弹性支架部件配置成，使得0<feng_lat<1.1*n，其中，feng_lat是由所述发动机的所述弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，并且n是发动机在驱动被联接至负载的发电机时的预期旋转频率[1/s]。
根据本发明的实施方式，将发电机的弹性支架部件配置成，使得0.3<fgen_vert<3*n，其中，fgen_vert是由发电机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，并且n是发动机在驱动被联接至负载的发电机时的预期旋转频率[1/s]。
根据本发明的实施方式，将发电机的弹性支架部件配置成，使得0.3<fgen_lat<3*n，其中，fgen_lat是由发电机的弹性支架部件以及所述弹性支架部件支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，并且n是发动机在驱动被联接至负载的发电机时的预期旋转频率[1/s]。
根据本发明的实施方式，该发动机-发电机组包括惯性质量部件，该惯性质量部件被设置在挠性联轴节与发电机之间。
根据本发明的实施方式，该发动机-发电机组包括离合器，该离合器被设置在发动机与发电机之间，并且该离合器被配置成允许发电机与发动机分离，并且该发电机被配置成允许用作同步调相机。
附图说明
下面，参照附图，更详细地描述本发明的实施方式，其中，
图1示出了根据本发明的第一实施方式的发动机-发电机组，
图2示出了根据本发明的第二实施方式的发动机-发电机组，
图3示出了根据本发明的第三实施方式的发动机-发电机组，以及
图4示出了根据本发明的第四实施方式的发动机-发电机组。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的实施方式的发动机-发电机组(下文中也被称为发电机组(genset))。该发电机组包括可以被用于发电的发电机2。将内燃机1联接至发电机2以驱动该发电机2。发动机1是具有至少150mm的汽缸内径和/或至少150kW/汽缸的额定功率的大型活塞发动机。例如，可以将该发动机-发电机组用作用于向电网供电的发电厂的备用电源、或者船舶中的用于为船舶的推进系统或船舶的电网发电的备用电源。
发电机2包括主体12和轴3，该轴被联接至发动机1的曲轴。发动机1包括被附接至曲轴的飞轮(未示出)。将发电机2设置在发动机1的飞轮端。将发动机1的曲轴与发电机2的轴3平行地设置。发动机1和发电机2具有公共旋转轴线。轴3的方向限定了发电机组的纵向(或轴向)方向。发电机2是借助于挠性联轴节8联接至发动机1的。挠性联轴节8将转矩从发动机1传递至发电机2，但是允许发电机2的轴3和发动机1的输出轴的轻微未对准。挠性联轴节8还减少了从发动机1到发电机2的振动传递。挠性联轴节8例如可以包括橡胶部件或类似的弹性部件。
发动机1和发电机2中的各个皆是抵着支承表面5(诸如发电厂的地板或船舶的船体)支承着的。支承表面5是刚性地基的部分，诸如钢筋混凝土板、其它钢筋混凝土结构或钢结构。在附图的实施方式中，发动机1被设置在基架4上，该基架4是抵着支承表面5支承着的。术语“基架”在这里指的是刚性的自支承平台，其被配置成承载被设置在其上表面上的发动机1。基架4例如可以是钢结构或钢筋混凝土块。基架4沿竖向方向支承发动机1。将发动机1刚性地附接至基架4。因此，在基架4与发动机1之间没有弹性支架部件。
未将基架4直接设置在支承表面5上，而是将多个弹性支架部件6设置在基架4与支承表面5之间。弹性支架部件6的目的是减少从发动机1到地面的振动传递。不必将发动机1设置在基架4上，而是也可以将发动机1直接经由弹性支架部件6抵着支承表面5上支承着。因此，将发动机1经由弹性支架部件6直接或间接地抵着支承表面5上支承着。在附图的实施方式中，将弹性支架部件设置在发动机1的下方。
在图1的实施方式中，也将发电机2设置在基架9上。发电机2的基架9也是刚性的自支承平台，其被配置成承载被设置在其上表面上的发电机2。发电机2的基架5例如可以是钢结构或钢筋混凝土块。发电机2的基架9是与发动机1的基架4分开的。将发电机2刚性地附接至基架9。将发电机9的基架9借助于多个弹性支架部件7抵着支承表面5上支承着，这些弹性支架部件可以类似于发动机1的弹性支架部件6。在图1的实施方式中，支承表面5是支承发动机1和发电机2两者的连续表面。
发动机1仅经由挠性联轴节8与发电机2进行机械连接。发动机1的基架4和发电机2的基架9彼此不连接。因此，振动可以单独经由挠性联轴节8或者经由包括发动机1和发电机2两者的弹性支架的路径从发动机1传递至发电机2。因为在发动机1和支承表面5之间以及在发电机2和支承表面5之间都存在弹性支架部件6、7，所以有效地防止了从发动机1到发电机2的振动传递。除了挠性联轴节8之外，从发动机1到发电机2的振动还可以仅通过首先经由发动机1的弹性支架部件6、然后经由支承表面5、再然后经由发电机2的弹性支架部件7来传递。
图2的实施方式类似于图1的实施方式。然而，在图2的实施方式中，不是将发电机2设置在基架上。而是代替基架，将发电机2的主体12直接经由弹性支架部件7抵着支承表面5支承着。在附图的实施方式中，将弹性支架部件7设置在发电机2的下方。然而，发电机2或基架可以设置有延伸超过发电机2的底部的安装托架，并且弹性支架部件7的至少部分可以处于发电机2的水平投影之外。
图3的实施方式类似于图2的实施方式。图3的实施方式的附加特征是，将惯性质量部件11设置在挠性联轴节8与发电机2之间。将惯性质量部件11以旋转固定的方式附接至发电机2的轴3。惯性质量部件11因此与发电机2的转子一起旋转。惯性质量部件11是包括一个或更多个部件并且被配置成具有大惯性质量的组件。惯性质量部件11增加发电机2的惯性矩并且帮助保持发电机2的转速稳定。因为没有将发动机1和发电机2设置在公共基架上，所以在发动机1与发电机2之间存在用于大直径惯性质量部件11的更多空间。
图4的实施方式类似于图1的实施方式。在图4的实施方式中，将离合器10设置在发动机1与发电机2之间。离合器10允许发电机2与发动机1分离。这允许发电机2用作同步调相机。代替单独的离合器，可以将离合器集成至发电机2。当发电机2用作同步调相机时，不将该发电机联接至发动机1，而是允许发电机2的转子自由旋转。控制发电机2的场电压以产生或吸收无功功率。因此，可以将发电机2用于调节它所连接的电网中的电压，或者用于改善电网的功率因数。
在附图的实施方式中，发动机1和发电机2单独经由挠性联轴节8彼此以机械方式连接。将发动机1和发电机2设置在公共支承表面5上，但是发动机1和发电机中的各个皆是借助于其自己的弹性支架部件6、7单独地支承着的。振动可以仅经由发动机1的支架部件6和发电机2的支架部件7从发动机1传递至发电机。发动机1的基架4和发电机2的基架9彼此不连接。除了挠性联轴节8之外，发动机1和发电机2也不直接彼此连接。代替公共支承表面5，在发动机1和发电机2下方还可以有单独的支承表面。
将发动机1的弹性支架部件6和发电机2的弹性支架部件7配置成，使得发电机2的支承比发动机1的支承更硬。这减少了例如在短路或其它暂态情形下发电机2的移动。这降低了损坏发电机组的布线或其它组件的风险。发动机1和发电机2中的各个皆与相应的弹性支架部件6、7一起形成具有特定的固有频率的质量-弹簧系统。该质量-弹簧系统可以沿竖向方向和横向方向两者以及沿纵向方向振动。另外，发动机1和发电机2经受偏航移动(绕竖向轴线的旋转)、俯仰移动(绕横向轴线的旋转)以及侧倾移动(绕纵向轴线的旋转)。将发动机1的弹性支架部件6和发电机2的弹性支架部件7配置成，使得至少沿竖向方向和横向方向，发电机2的质量-弹簧系统的固有频率大于发动机1的质量-弹簧系统的固有频率。
可以将由发动机1的弹性支架部件6以及该弹性支架部件6支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率标记为feng_vert。由支架部件6支承着的质量是指发动机1的质量、可能的基架4的质量以及被附接至发动机1或基架4的任何其它组件的质量。例如，被附接至发动机1或者被设置在基架4上的涡轮增压器将形成质量-弹簧系统的部分。类似地，可以将由支架部件6和发动机1所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率标记为feng_lat。
可以将由发电机2的弹性支架部件7以及该弹性支架部件7支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率标记为fgen_vert。由支架部件7支承着的质量是指发电机2的质量、可能的基架9的质量以及被附接至发电机2或基架9的任何其它组件的质量。例如，离合器10的质量或惯性质量11将形成发电机2的质量-弹簧系统的部分。类似地，可以将由支架部件7和发电机2所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率标记为fgen_lat。
固有频率的合适比率是1.2<fgen_vert/feng_vert<30以及1.2<fgen_lat/feng_lat<30。当固有频率之间的比率处于上面提及的范围内时，尽管发电机2仍被弹性地安装并且允许发电机2的振动，但是发电机2的支承比发动机1的支承更硬。可以将比率fgen_vert/feng_vert以及fgen_lat/feng_lat选择为小于3。在较低比率的情况下，需要较少的支架部件7来支承发电机2，并且将较小的力从发电机2传递至支承表面5。因此，可以将较轻的地基用于支承发电机组。在大于1.5的比率fgen_vert/feng_vert以及fgen_lat/feng_lat的情况下，进一步减小了发电机2在暂态情形下的移动。
可以将发动机1的弹性支架部件6和发电机2的弹性支架部件7配置成，使得发动机1和发电机2的质量-弹簧系统的固有频率基于发动机1的转速。发电机2通常是以一定的转速驱动的，该转速产生具有希望频率(诸如50Hz或60Hz)的电力。在将发电机2连接至电网或某一其它负载时，发动机1因此以某一预期转速运行。对于横向振动，固有频率feng_lat可以处于0至1.1*n的范围内，其中，n是发动机1的旋转频率[1/s]，即，转速[rpm]除以60。对于竖向振动，固有频率feng_vert可以处于0至1.1*n的范围内。可以将发电机2的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率fgen_lat配置为处于0.3至3*n的范围内，并且可以将竖向振动的固有频率fgen_vert配置为处于0.3至3*n的范围内。
作为示例，如果发动机1的预期转速为500rpm，则固有频率可以是feng_lat<9.2Hz、feng_vert<9.2Hz、2.5<fgen_lat<25Hz、以及2.5Hz<feng_vert<25Hz。
无阻尼质量-弹簧系统的固有频率可以由下式来计算
其中，f是质量-弹簧系统的固有频率，k是弹簧的弹簧系数，以及m是由弹簧支承着的质量。在由发动机1和弹性支架部件6所形成的质量-弹簧系统中，质量m将是发动机1、可能的基架4以及被附接至发动机1或基架4的其它组件的质量。弹簧系数k将是弹性支架部件6的总弹簧系数。类似地，在由发电机2和弹性支架部件7所形成的质量-弹簧系统中，质量m将是发电机2、可能的基架9以及被附接至发电机2或基架9的其它组件的质量。弹簧系数k将是弹性支架部件7的总弹簧系数。弹性支架部件6、7在竖向方向和横向方向上都具有一定的刚度。弹性支架部件6、7的弹簧系数因此可以针对竖向方向和横向方向两者来加以确定。
根据式(1)，可以看出，当给出发动机1和发电机2的质量时，可以通过使用更硬的支架部件6、7和/或增加支架部件6、7的数量来增加质量-弹簧系统的固有频率。
将弹性支架部件6、7优选地配置成，使得发动机1和发电机2的质量-弹簧系统的固有频率不等于由发动机1和发电机2的旋转而造成的激励的频率。优选地，各个固有频率皆应与各个激励频率相差达至少1.0％。在弹性支架部件6、7的配置方面应考虑的激励频率包括发动机1的旋转频率的整数倍和半阶倍数(half-order multiplies)。旋转频率在此指的是发动机1在以预期转速驱动发电机2时的旋转频率。固有频率应该至少不同于0.5阶、1.0阶、1.5阶以及2.0阶激励。作为示例，在500rpm的预期转速下，即、在8.33Hz的旋转频率下，发动机1和发电机2的质量-弹簧系统的固有频率不应与频率4.17Hz、8.33Hz、12.50Hz以及16.67Hz重合。
除了竖向振动和横向振动之外，在弹性支架部件6、7的配置方面还可以考虑纵向振动、偏航振动、俯仰振动和/或侧倾振动。因此，优选地，将弹性支架部件6、7配置成使得这些振动的固有频率不与激励频率重合。
可以将许多不同类型的弹性支架部件6、7用于支承发动机1和发电机2。例如，支架部件可以基于螺旋弹簧。各个弹性支架部件6、7皆可以包括一个或更多个螺旋弹簧。另选地，各个弹性支架部件6、7皆可以包括一个或更多个橡胶部件或者由类似弹性材料制成的部件。除了弹性支架部件6、7之外，还可以将阻尼器设置在支承表面5与发动机1和/或发电机2之间。可以将该阻尼器配置成，阻尼发动机1和/或发电机2的振动。可以将阻尼器集成至弹性支架部件6、7。因此，可以将弹性支架部件6、7配置成阻尼振动。
本领域技术人员应意识到，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内改变。例如，还在图1和图4的实施方式中，可以将惯性质量部件设置在发动机与发电机之间，并且图2和图3的发电机组可以设置有用于允许发电机用作同步调相机的离合器。

Claims (14)

1.一种发动机-发电机组，所述发动机-发电机组包括用于发电的发电机(2)以及用于驱动所述发电机(2)的发动机(1)，所述发动机经由挠性联轴节(8)联接至所述发电机(2)的轴(3)，其中，所述发动机(1)是借助于多个弹性支架部件(6)抵着支承表面(5)支承着的，并且所述发电机(2)是与所述发动机(1)分开地，借助于多个弹性支架部件(7)抵着支承表面(5)支承着的，其中，所述发动机(1)是单独地经由所述挠性联轴节(8)以机械方式连接至所述发电机(2)的，并且，所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)被配置成，使得1.2<fgen_vert/feng_vert<30，其中，fgen_vert是由所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)以及所述弹性支架部件(7)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，并且feng_vert是由所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述弹性支架部件(6)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率。
2.根据权利要求1所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机(1)被设置在基架(4)上，并且所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)被设置在所述基架(4)与所述支承表面(5)之间。
3.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发电机(2)被设置在与所述发动机(1)的可能基架(4)分开的基架(9)上，并且所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)被设置在所述基架(9)与所述支承表面(5)之间。
4.根据权利要求1所述的发动机-发电机组，其中，1.5<fgen_vert/feng_vert。
5.根据权利要求1或4所述的发动机-发电机组，其中，fgen_vert/feng_vert<3。
6.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)被配置成，使得1.2<fgen_lat/feng_lat<30，其中，fgen_lat是由所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)以及所述弹性支架部件(7)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，并且feng_lat是由所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述弹性支架部件(6)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率。
7.根据权利要求6所述的发动机-发电机组，其中，1.5<fgen_lat/feng_lat。
8.根据权利要求6所述的发动机-发电机组，其中，fgen_lat/feng_lat<3。
9.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)被配置成，使得0<feng_vert<1.1*n，其中，feng_vert是由所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述弹性支架部件(6)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，并且n是所述发动机(1)在驱动被联接至负载的发电机(2)时的预期旋转频率[1/s]。
10.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)被配置成，使得0<feng_lat<1.1*n，其中，feng_lat是由所述发动机(1)的所述弹性支架部件(6)以及所述弹性支架部件(6)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，并且n是所述发动机(1)在驱动被联接至负载的发电机(2)时的预期旋转频率[1/s]。
11.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发电机(1)的所述弹性支架部件(7)被配置成，使得0.3<fgen_vert<3*n，其中，fgen_vert是由所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)以及所述弹性支架部件(7)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的竖向振动的固有频率，并且n是所述发动机(1)在驱动被联接至负载的发电机(2)时的预期旋转频率[1/s]。
12.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发电机(1)的所述弹性支架部件(7)被配置成，使得0.3<fgen_lat<3*n，其中，fgen_lat是由所述发电机(2)的所述弹性支架部件(7)以及所述弹性支架部件(7)支承着的质量所形成的质量-弹簧系统的横向振动的固有频率，并且n是所述发动机(1)在驱动被联接至负载的发电机(2)时的预期旋转频率[1/s]。
13.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机-发电机组包括惯性质量部件(11)，所述惯性质量部件被设置在所述挠性联轴节(8)与所述发电机(2)之间。
14.根据权利要求1或2所述的发动机-发电机组，其中，所述发动机-发电机组包括离合器(10)，所述离合器被设置在所述发动机(1)与所述发电机(2)之间，并且所述离合器被配置成允许所述发电机(2)与所述发动机(1)分离，并且所述发电机(2)被配置成允许用作同步调相机。
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