CN1340131A - 用于生产压缩空气的压缩机组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产压缩空气的压缩机组,它由一通过一内燃机驱动的压缩机组成,该压缩机通过一管路与压缩空气取气位置连接,并且被供以由废气透平增压器预压缩的空气,该增压器在驱动侧与内燃机的排气侧连接。这种机器的总效率将如此提高,即依次在排气侧布置一第一废气透平增压器(20)和一第二废气透平增压器(21),第一透平增压器向一柴油机(40)供给经过预压缩的空气,第二透平增压器向喷液容积式压缩机(50)供给经过预压缩的空气,其中,废气透平增压器(20)的透平侧的几何参数例如叶轮的外径与排气背压和由容积式压缩机(50)的接在后面的废气透平增压器(21)产生的温度相配;以及废气透平增压器(21)的透平侧的几何参数例如叶轮的直径与废气透平增压器(21)的透平侧和压缩机侧的不同的质量流量相配。

Description

用于生产压缩空气的压缩机组
本发明涉及用于生产压缩空气的压缩机组，它由一通过一内燃机驱动的压缩机组成，该压缩机通过一管路与压缩空气取气位置连接，并且被供以由废气透平增压器预压缩的空气，该增压器在驱动侧与内燃机的排气侧连接。
这种压缩机组通过利用所产生的工艺热提高设备的效率，从而节约能源。
从专利文献DE4123208C2知道一种压缩机组，其中，在驱动侧在内燃机的排气侧在压缩机的抽气管路和/或高压管路中设置至少一个废气透平增压器，并且向压缩机输送经过预压缩的空气，和/或补充压缩被压缩机压缩的压缩空气。
此时，其缺点为，通过在内燃机的排气管路上设置一个或更多的废气透平增压器，它的排气背压被提高，因而其机械有效功率降低。排气背压提高约1.5bar，则在具有低的平均有效压力的传统的内燃机中，由于内燃机的活塞的高排气功，将引起机械有效功率降低约20％。此外，排气背压引起用新鲜空气充灌内燃机的情况变坏，因此，用于得到燃料完全燃烧的燃料量减少，内燃机的功率降低。在传统的无增压内燃机中，由此研究得出的功率损耗约为10％。
由此，内燃机的整个功率损耗约为30％。内燃机的这种功率损耗以及通过内燃机驱动的压缩机的由此产生的压缩损耗就太高，这是因为，它不能用它通过所用的废气透平增压器补偿另外获得的压缩。
与没有在压缩机前面接以废气透平增压器的传统的压缩机组相比，按照专利文献DE4123208C2的压缩机组引起较高的建造费用，以致这种机组非常不经济并且无效。
从US-PS 2849173知道一种压缩机组，其中，通过驱动活塞式压缩机的热力发动机的废气驱动燃气轮机，该通过燃气轮机驱动的压缩机向活塞式压缩机供以经过预压缩的空气。此处公开一多级轴流式压缩机作为接在前面的压缩机。
在所公开的技术教导中有这样的缺点，由于所用的多级轴流式压缩机，这种压缩机组是一种昂贵而又笨重的解答，并不适于用作移动式压缩机组。此外，由于存在高的排气压力，内燃机有大的功率损耗，该高的排气压力是由接在后面的燃气轮机-压缩机级引起的。因此，按这一技术教义，并不能做到通过在前面接以由废气驱动的前置压缩机级而提高压缩机组的效率。
从US-PS 3204859同样知道有这样一种配置，其中，用一热力发动机的废气驱动一废气透平增压器。该发明公开了，将通过透平增压器预先压缩的空气分至发动机的一侧和原有压缩机的另一侧。此时，当增压压力超过发动机所需要的增压压力，并且在存在超过预压缩压力的超压，而该超压导致打开通向压缩机的阀门时，就用压缩机轴吸，成为新鲜空气，然后另外用透平压缩机向发动机输送经过预压缩的空气。
这种配置有这样的缺点，即只有一部分经过预压缩的空气可供原有的压缩机使用，而且只有当增压压力达到一定的水平时才能如此。此外，有这样的缺点，即经过预压缩的空气在压缩机中被送入一中间区，这在机器的密封和布局上就会产生问题，这是因为，它在中间区造成体积流量的增加。
从US-PS 4563132知道一种发动机-压缩机单元，其中，在压缩机的进气管路中布置两台由发动机的废气驱动的透平增压器。如同已经在文献US-PS 3204859已经有的那样，此处也借助阀门将经过预先压缩的空气分至发动机和压缩机。
此处，有这样的缺点，即发动机与压缩机以同样的转速运行，由此，不可能改变压力与供应量。因此，发动机-压缩机单元不适于用作移动式压缩机单元，而是为发动机车间设计的，这是因为，压缩机侧并不是最佳的。
本发明的目的为，在具有在压缩机前面接以废气透平增压器的压缩机组中，提高总效率，从而使之能经济地应用这种压缩机组。
按照本发明，此目的将通过权利要求1的特征达到。从属权利要求4至9描述了本发明的有利的发展。
因此，总效率的提高将如此达到，即两个废气透平增压器如此依次布置，以使一柴油机的废气质量流量首先驱动第一废气透平增压器，该增压器将经过压缩的空气送至此柴油机中，接着驱动第二废气透平增压器，此第二增压器将经过预压缩的空气送至压缩机。此时，连接在容积式压缩机前面的废气透平增压器的透平侧的叶轮几何参数例如叶轮的直径要与废气透平增压器的透平侧和压缩机侧的不同的质量流量相配，而连接在柴油机的前面的废气透平增压器的透平侧的叶轮几何参数例如叶轮的外径则要与排气背压和由容积式压缩机的接在后面的废气透平增压器产生的温度相配。
通过所得到的所用的柴油机的平均有效压力的提高，机械有效功率损耗将减少至15％左右。由于用新鲜空气充灌柴油机的情况变坏而引起的功率损耗可通过较高的增压压力而得以避免。
因此，由排气背压引起的柴油机的总功率损耗可减少至15％左右。
柴油机的损耗的进一步减小可如此达到，即增压空气在进入柴油机之前进行中间冷却。此时，发动机的平均有效压力得以提高，由此，1.5bar左右的排气压力只导致约10％的机械有效功率的损耗。在此情况下，不会产生由于用新鲜空气充灌柴油机的情况变坏而引起的损耗，因此，总功率损耗减少至10％左右。
在容积式压缩之前在废气透平增压器中获得的压缩机功率相当于发动机的机械有效功率的25％左右。由此得出，对于按照本发明的压缩机组，可得到一15％的功率收益。
此外，按照本发明的具有有废气透平增压器的柴油机的压缩机组是有好处的，因为柴油机的可用的转速范围在此处较大。柴油机的转速变化是有重要意义的，因为从压缩机组出来的压缩空气取用是波动地进行的，因而发动机转速应根据压缩空气取用而提高或降低。
在传统的压缩机组中，根据最大的可用转速，发动机转速只能降低约30％至40％，这是因为，为了在发动机的整个转速范围内准备提供一恒定的最终压力，存在压缩机的大体为恒定的转矩需求。可用的转速范围在例如2500转每分和1500转每分之间。
在具有附加的废气透平增压器的压缩机组中，转矩需求由两部分组成，一部分是供给螺杆压缩机的，一部分是供给附加的废气透平增压器的。随着柴油机的转速下降，废气透平增压器功率也下降，因而排气背压也降低。降低的排气背压于是就引起柴油机的机械上可利用的发动机转矩的加大，以致在此运行状态也有足够的发动机转矩，以用于通过压缩机准备提供所力求的最终压力。
由此有可能朝着低转速加大柴油机的转速范围，以使可用的转速范围在2500转每分和1000转每分之间。这相当于可用的转速范围加大约50％。在只是偶然从压缩机组取用压缩空气时，通过柴油机的低转速的利用，与传统的压缩机组相比，正好得到节约燃料的可能性达30％。
按照本发明的压缩机组的另一好处为容积式压缩机的应用。
在通过内燃机驱动的压缩机组中，通常是也通过机器的转速调节压缩空气的供应量。降低发动机转速和由此产生的入口压力的损失自然引起压缩机前面的废气透平增压器的压缩机功率的降低。由此产生的小的入口压力造成通过压缩机产生高的压缩比，以得到所力求的恒定的最终压力。
通过采用容积式压缩机，按照本发明的压缩机组就没有这些问题，该容积式压缩机在其它压缩比时在压缩机前面也能准备提供恒定的最终压力，这是因为，实际上不存在有害空间。特别要采用喷液容积式压缩机，例如螺杆压缩机或旋转式压缩式。
采用喷液容积式压缩机的另一好处为，它已经在一单级的构造形式中准备提供所需的压缩机，由此，整个压缩机组在结构上可保持小型的。
下面将根据按照本发明的压缩机组的一种实施形式的构造的示意图进行说明。
燃烧用空气将通过空气过滤器10被净化然后通过吸气管路70被送至废气透平增压器20。管路72将现在已被预压缩的燃烧用空气送至一中间冷却器90，而管路74则将经过中间冷却的燃烧用空气送至一柴油机40。
管路41将柴油机40的废气送至废气透平增压器20。一尽可能短的连接42将局部膨胀的废气送至一第二废气透平增压器21。在穿越废气透平增压器21之后，排出膨胀的废气。
要压缩的空气通过空气过滤11和一吸气管路71送至废气透平增压器21。一管路75将现在已被预压缩的燃烧用空气送至一中间冷却器91，而管路75则将经过中间冷却的经过预压缩的空气送至一喷液容积式压缩机50。
高压管路76将压缩空气连同喷射液体送至储压器80，在该处，一液体分离器81将喷射液体与压缩空气分离。喷射液体将通过一管路77、一过滤器60、一管路78、一冷却器61和一管路79重新被送至喷液容积式压缩机。
压缩空气由储压器80通过液体分离器81、储压器单向阀82和管路83被送至压缩空气取气位置84。

Claims (9)

1.用于生产压缩空气的压缩机组，它由一通过一内燃机驱动的压缩机组成，该压缩机通过一管路与压缩空气取气位置连接，并且被供以由废气透平增压器预压缩的空气，该增压器在驱动侧与内燃机的排气侧连接。其特征为，依次布置：一在排气侧的第一废气透平增压器(20)，它向一柴油机(40)供给经过预压缩的空气；以及一第二废气透平增压器(21)，它向喷液容积式压缩机(50)供给经过预压缩的空气。
其中，废气透平增压器(20)的透平侧的几何参数例如叶轮的外径与排气背压和由容积式压缩机(50)的接在后面的废气透平增压器(21)产生的温度相配；以及
废气透平增压器(21)的透平侧的几何参数例如叶轮的直径与废气透平增压器(21)的透平侧和压缩机侧的不同的质量流量相配。
2.如权利要求1的压缩机组，其特征为，一构件例如一气动阀设置在废气透平增压器(21)与容积式压缩机(50)之间，以在压缩空气取气位置(84)只有较少的或没有压缩空气取气时排放通过废气透平增压器(21)预压缩的空气。
3.如权利要求1的压缩机组，其特征为，有一具有阀门的回送管路，它在压缩空气取气位置(84)只有较少的或没有压缩空气取气时，用于将通过废气透平增压器(21)预压缩的空气从通至容积式压缩机的进气管路送至废气透平增压器(21)的吸气管路(71)。
4.如权利要求1的压缩机组，其特征为，一构件例如一气动阀设置在通向废气增压器(21)的进气管路(42)中，以用于在压缩空气取气位置(84)只有较少的或没有压缩空气取气时，用于排放通过进气管路(42)送至废气透平增压器(21)的废气。
5.如权利要求1的压缩机组，其特征为，用于容积式压缩机(50)的废气透平增压器(21)放置成尽可能靠近柴油机(40)的废气透平增压器(20)的废气出口处。
6.如权利要求6的压缩机，其特征为，容积式压缩机(50)连接在柴油机(40)的油循环中。
7.如权利要求1的压缩机组，其特征为，容积式压缩机(50)直接建造在柴油机(40)旁边。
8.如权利要求1的压缩机组，其特征为，容积式压缩机(50)的废气透平增压器(21)的透平侧和压缩机侧的叶轮都按径向结构方式建造。
9.如权利要求1的压缩机组，其特征为，经过废气增气增压透平(20、21)压缩的空气在进入柴油机(40)或容积式压缩机(50)之前通过中间冷却器(90、91)冷却。
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