CN87100987A - 增压船用柴油机 - Google Patents

Abstract

在增压船用柴油机中，经济涡轮机(12)连接于辅助柴油机—发电机组(10，11)某一自由轴端，该柴油机至少有一废气涡轮增压器(6，7)和一并联于增压涡轮机(7)并传递功率的单独经济涡轮机(12)，并且至少有一台由涡轮增压器增压的并驱动同步发电机(11)对船舶电力系统供电的辅助柴油机(10)。用此法辅助柴油机(10)能卸载，结果显著节约燃料。在辅助柴油机(10)卸载时，为了保持正扫气梯度，船用柴油机(2)的少量废气被输到辅助柴油机(10)增压涡轮机(19)的上游点。

Description

本发明涉及增压船用柴油机。

至少具有一个废气涡轮增压器和一个跟增压涡轮机并联的单独经济涡轮机，用它传递功率;

至少具有一台增压的辅助柴油机，它驱动一台同步电动机，向船舶电力系统供电;

经济涡轮机跟辅助的柴油机-发电机组的自由轴端相连接。

在各种船用柴油机中，经济涡轮机被用来在船上发电是众知的。

因此，譬如说，一台发电机能够和高速经济涡轮机的减速传动装置直接连接。这类装置具有这样的优点，即它可被容纳在船舶柴油机舱的可用自由空间内的某处，只要气道不是太长。这种解决方案的缺点是需要复杂的发动机电子设备，通过它们，涡轮机-发电机组可被调节到某一特定转速。该类控制装置价值数倍于涡轮机价格的事实，使它们从有限的选择中排除在外。采用异步发电机，这是如今最显而易见的解决方案，同样也被拒绝考虑，因为在船舶装置中，和固定式装置相比（其中相当大量的电力系统使涡轮机-发电机组保持恒速），船舶电力系统总的输出大约处于经济涡轮机输出的数量级，因此船舶电力系统不可能使经济涡轮机-异步发电机组的转速保持不变。

同步发电机和经济涡轮机连接、通过废气中阀门装置来调节的其它转速控制方法不再实用。具体地说，问题尤其在于在燃用重油的装置的废气流中的昂贵的可控阀装置，同样还有长排气管道中的动力过程，该过程可能很难监测。

利用经济涡轮机来发电的另一种可能性是自身驱动一转速控制发电机的船用柴油机，这时，经济涡轮机可以连接到该发电机的自由轴端上。然而，由于转速控制器价格昂贵，许多船用发动机未装单独的发电机。通常，采取措施使经济涡轮机的输出通过同样昂贵的传动装置传递到主发动机的曲轴上。

开始时提到的那种增压船用柴油机，即其中经济涡轮机连接到辅助柴油机-发电机组的自由轴端，在杂志“HANSASchiffahrt-Schiffbau-Hafen”第122年-1985年第22期，2304-2310页上作了描述。这一解决方案表示一个完全的整体装置，其优点是功率要求能以最简单的方式来满足，价格不贵而且可靠，可以无须所有上述的各种辅助发电机、传动和控制装置。

然而，如果涡轮增压柴油机以低负荷工作时，发动机两侧的压力差，即排气岐管和进气储气管之间的压力差是很小的。有时甚至可能出现负值。这是因为往复式发动机可以有某一气阀重叠度，即在这个相位里进气阀和排气阀同时打开，当发动机两侧出现负压差时，燃烧气体可能回流到进气道内。进气口由此可能产生严重的沾污，尤其是在用重油操作的情况下，此时燃烧气体含着许多颗粒夹渣。

本发明的目的，是在开始提到的那种船舶装置中，在发动机降到最低负荷时，辅助柴油机两侧的压力差始终是正值。

按照本发明，将船用柴油机的小部分废气馈送到处于辅助柴油机的增压涡轮机进气侧的排气系统中，这是可以达到的。

在附图中，图示了本发明的典型实施方案，其中工质的流向用箭头表示。

一个相当简化了的船舶装置表示出一多缸船用柴油机，以下称之为主柴油机2，其中各种构件对本发明并非重要，譬如说，诸如船体之类的构件已被省略，固定浆距的螺旋浆4是经轴3直接驱动的。增压发动机从进气储气管5接受压缩空气，在储气管中，空气是由废气涡轮增压器的压气机6输送的。压气机是受增压涡轮机7驱动的，涡轮机由来自主柴油机2的排气岐管8的废气提供能量。废气膨胀后经排气管9和烟囱排入大气。

驱动同步发电机11的多缸辅助柴油机10是用来为船舶供电的。出于这一目的，辅助柴油机的转速被调节到，譬如说1200转/分。该辅助柴油机同样是由废气涡轮增压器增压的。它从储气管18接受压缩空气，而压缩空气是由涡轮增压器的压气机20输送到储气管18的。压气机20和增压涡轮机19耦合，而涡轮机是由来自排气管17的废气驱动的。废气在释放能量后被排出。

来自主柴油机2的剩余废气能量被馈送到经济涡轮机12。该经济涡轮机和增压涡轮机7成并联的流体联接，也就是说，它同样由来自排气岐管8的热废气提供能量。

如同辅助柴油机10一样，经济涡轮机12也是被用来发电的。出于这一目的，它连接在辅助柴油机一同步发电机功能组的自由轴端。在本例中，它是经活轮联轴器13连接于发电机侧。当然，它也能容易地连接于发动机侧。

经济涡轮机可通过排气阀14来关闭。停止经济涡轮机的这一装置在废气涡轮增压器中是特别重要的，其中的增压涡轮机7是为部分负荷设计的。用提高排气岐管中压力这种方式来使增压涡轮机适用于部分负荷。直列二冲程发动机和扫气的四冲程发动机现在可以达到仍确保足以扫气的压力，这可能几乎扩大到增压压力范围内。提高排气总管8内的压力是通过涡轮充气横截面由原来的100%排气充量（按满负荷设计工况）减少到80%来达到的。压力提高后的结果是较多的废气潜能得以利用，因为从气缸至总储气管的节流损失也降低了。为了达到上述增压压力，即为了产生所需要的压气机输出功率，增压涡轮机7不再需要可利用的能量供给。不需要的那部分能量便消耗在经济涡轮机12内。

在此情况下，在表示经济涡轮机的并联回路内，被作用的整个涡轮面积可再细分如下：增压涡轮7总计70%，而经济涡轮12总计10%。

采取这一措施后，当主柴油机2在满负荷运转时，能改善消耗，即节约燃料约3%，虽然功率密度有不明显的下降，即平均比压力下降1%至2%。此外，主柴油机内的热应力和机械应力和全负荷设计工况（100%涡轮面积）相比，并没有变得更为不利。

为上所述，在部分负荷时关闭经济涡轮机，会使涡轮面积减少30%，而相比之下传统的办法却减少100%;若和不能关阀的经济涡轮机相比，则减少约10%。这样就增加了总排气管8中的压力，从而使储气管5中的增压压力显著提高。因此，便使部分负荷范围内比燃料消耗量进一步下降。

万一经济涡轮机由于其它原因而停止运转，也就是说，如果排气阀14被关闭，带有安全阀16的排气管15设置在通至经济涡轮机和排气管的输送管路之间。其最窄的横断面要和经济涡轮机12的涡轮断面尺寸相当。这就保护了增压涡轮机7，即使在紧急操作中，仅须控制设计排气量。

经济涡轮机12是一种比较小而高速的涡轮机。因此，譬如说，每分钟23，000转的转速须得通过传动装置降低到相应于60赫兹所要求的每分钟1200转。辅助柴油机10的润滑油路可被用作润滑经济涡轮机12和传动装置。

根据实际数字例子来叙述本发明。当然，只能给出大致的数据，因为发动机和增压器特殊参数太多，会使绝对数值失去其意义。

在集装箱船舶内的单个发动机装置，具有直接的螺旋浆驱动装置。所用大型二冲程柴油机为12缸，假定具有约35，000瓩的驱动功率。

这种船舶平均要求1200瓩电力。给船舶供电的辅助装置包括3个辅助柴油发动机，在所有情况下和1600瓩的发电机相连。其中一台辅助柴油机处于使用中，以满足所要求的需要量，而第二台辅助柴油机以空载运转，第三台辅助柴油机被用作备份。

3台废气涡轮增压器被用来供给增压空气。按照储气管内3.2巴的压力，要求等熵压气机输出功率为8000瓩。按压气机效率85%计算，约9500瓩施加在3个涡轮增压器轴上。

然而，按现有的效率从废气中所能获得的输出功率在3巴压力下约为10500瓩。剩余的废气能量在经济涡轮机中被得到利用，因此，大约1000瓩通过轴能传输到辅助柴油机-发电机功能组。

所以，就要求1200瓩的船舶功率而言，辅助发动机仅需产生200瓩功率。因此，辅助柴油机主要地在比较低的负荷下运转。这样，增加了进气口损坏的危险。

为了补救这一点，把来自主柴油机2的排气岐管8的小部分废气输送到辅助柴油机10的排气系统内。出于这一目的，在所述的例子中，从排气管中分出另一排气管21，通向经济涡轮机，该排气管21通至排气管17。采用这一措施，辅助柴油机10的扫气压力梯度可显著提高。举例说，如果约1%的主柴油机排气量被输送到辅助柴油机的增压涡轮机19内，就能使辅助柴油机的增压压力提高到20%左右，在所有情况下会形成所希望的正的扫气压力梯度。

当然，被输送到增压涡轮机19的排气量可以作为辅助柴油机10两侧压力差的函数加以控制。在此情况下，欲被相应操作的控制件22将有利地配置在排气管21内。

标号表：

2    船用柴油机

3    轴;

4    固定浆距螺旋浆;

5    船用柴油机的储气管;

6    压气机;

7    增压涡轮机;

8    船用柴油机的排气岐管;

9    排气管;

10    辅助柴油机;

11    同步发电机;

12    经济涡轮机;

13    活轮联轴器;

14    排气阀;

15    排气管;

16    安全阀;

17    辅助柴油机的排气管;

18    辅助柴油机的储气管;

19    辅助柴油机的增压涡轮机;

20    辅助柴油机的压力机

21    输气管;

22    控制元件。

Claims (3)

1、增压船用柴油发动机，至少具有一台废气涡轮增压器(6，7)和单独的经济涡轮机(12)，后者并联于增压涡轮机(7)，并传递功率；至少具有一台增压的辅助柴油机(10)，它驱动一台同步发电机(11)，对船舶电力系统供电；而经济涡轮机(12)连接于辅助柴油机一发电机组(10，11)的某一自由轴端；其特征在于船用柴油机(2)小部分废气被输送到辅助柴油机(10)的增压涡轮机(19)出口侧的排气系统内。

2、按照权利要求1所述的柴油机，其特征在于部分废气被输入到辅助柴油机（10）的排气管（17）内。

3、按照权利要求1所述的增压船用柴油机，其特征在于在所作情况下，所需的废气量是作为辅助柴油机（10）两侧压力差的函数来控制的;为了这个目的，在输气管（21）内设置一控制元件。

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