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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Druckminderungsvorrichtung und insbesondere auf eine Druckminderungsvorrichtung für ein Gasbrennstoffsystem.
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Hintergrund
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Mit gasförmigem Brennstoff angetriebene Motoren sind bei Lokomotivenanwendungen üblich. Beispielsweise können die Motoren einer Lokomotive durch Erdgas alleine oder durch eine Mischung aus Erdgas und Dieselbrennstoff angetrieben werden. Wenn die Anforderungen bezüglich verringerter Emissionen und gesteigertem Wirkungsgrad zunehmen, wird gasförmiger Brennstoff an den Motor mit immer höheren Drücken geliefert. Und um ordnungsgemäß die Leistung eines mit gasförmigem Brennstoff versorgten Motors zu steuern, sollte der Druck des in den Motor gelieferten gasförmigen Brennstoffes genau geregelt werden.
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Früher ist der Druck des gasförmigen Brennstoffes, der in einen Motor geliefert wird, mittels eines Druckreglers und/oder eines Gasentlüftungsventils gesteuert worden. Die am weitesten verbreiteten herkömmlichen Druckregler und Entlüftungsventile funktionieren durch selektives Einschränken des Flusses von gasförmigem Brennstoff über eine variable Zumessöffnung. Während sie in einigen stationären Anwendungen adäquat sind, sind herkömmliche Regler und Entlüftungsventile möglicherweise nicht für Transportanwendungen geeignet, und zwar wegen extremer Bedingungen (beispielsweise Schwingung und Stoßbelastung), die bei diesen Anwendungen auftreten. Zusätzlich kann das Erzeugen eines Druckabfalls an einer Zumessöffnung eine Verringerung der Temperatur des Gases bewirken. Und, wenn dies nicht ausgeglichen wird, kann die Verringerung der Temperatur stark genug sein, um Materialkompatibilitätsprobleme (beispielsweise Versprödung) zu verursachen, was Rissbildung oder Versagen zur Folge hat.
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Die offenbarte Druckminderungs- bzw. Druckverringerungsvorrichtung ist darauf gerichtet, ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme und/oder anderer Probleme des Standes der Technik zu überwinden.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Druckminderungs- bzw. Druckverringerungsvorrichtung gerichtet. Die Druckminderungsvorrichtung kann einen Körper aufweisen, der einen Einlass und einen Auslass definiert, und eine konvergierende-divergierende Düse, die zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgeformt ist. Die Druckminderungsvorrichtung kann auch ein Stoßwelleneinleitungselement aufweisen, welches in dem Körper zwischen der konvergierenden-divergierenden Düse und dem Auslass angeordnet ist, und einen Leitflügel, der in dem Körper stromaufwärts des Stoßwelleneinleitungselementes gelegen ist und angeschlossen ist, um das Stoßwelleneinleitungselement zu bewegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Brennstoffsystem für einen Motor gerichtet. Das Brennstoffsystem kann eine Flüssigbrennstoffversorgung, eine Pumpe, die zum Ziehen von Brennstoff aus der Versorgung konfiguriert ist, und einen Akkumulator aufweisen, der stromabwärts der Pumpe angeordnet ist und konfiguriert ist, um den vergasten Brennstoff zu speichern. Das Brennstoffsystem kann auch eine Druckminderungsvorrichtung aufweisen, die strömungsmittelmäßig mit dem Akkumulator verbunden ist. Die Druckminderungsvorrichtung kann einen Körper haben, der einen Einlass und einen Auslass definiert, weiter eine konvergierende-divergierende Düse, die zwischen dem Einlass und dem Auslass geformt ist, und eine Rampe, die zwischen dem Körper zwischen der konvergierenden-divergierenden Düse und dem Auslass angeordnet ist. Die Rampe kann ein erstes Ende haben, welches schwenkbar mit einer Wand des Körpers verbunden ist, und ein zweites Ende. Die Druckminderungsvorrichtung kann auch einen Leitflügel aufweisen, der in dem Körper stromaufwärts der Rampe gelegen ist, eine Verbindung, die den Leitflügel mit dem zweiten Ende der Rampe verbindet, und eine Feder, welche den Leitflügel und die Rampe zur Wand des Körpers hin vorspannt.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Regeln von gasförmigem Brennstoff gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, gasförmigen Brennstoff durch eine konvergierende-divergierende Düse zu leiten. Das Verfahren kann auch aufweisen, eine schräge Stoßwelle in dem gasförmigen Brennstoff an einer Stelle stromabwärts der konvergierendendivergierenden Düse zu erzeugen, um einen Druckabfall in dem gasförmigen Brennstoff zu bewirken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Brennstoffsystems; und
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2 ist eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften offenbarten Druckminderungsvorrichtung, die in Verbindung mit dem Brennstoffsystem der 1 verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Brennstoffsystem 10. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffsystem 10 mit einer mobilen Anwendung assoziiert, insbesondere mit einem Zugverbund 12. Der Zugverbund 12 kann eine oder mehrere Lokomotiven 14 und einen Tenderwagen 16 haben. Die Lokomotive 14 kann angekoppelt sein, um den Tenderwagen 16 zu ziehen, und der Tenderwagen 16 kann konfiguriert sein, um einen oder mehrere Motoren 18 der Lokomotive 14 über das Brennstoffsystem 10 mit Brennstoff zu beliefern. Es sei jedoch bemerkt, dass das Brennstoffsystem 10 mit anderen mobilen oder stationären Anwendungen assoziiert sein könnte, falls erwünscht.
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Das Brennstoffsystem 10 kann mehrere Komponenten aufweisen, die zusammenarbeiten, um einen Gasbrennstoff (beispielsweise Erdgas) an den Motor (mehrere Motoren) 18 in geregelter Weise zu liefern. Diese Komponenten können u. a. einen Tank 20 für flüssigen Brennstoff, eine Pumpe 22, die zum Abziehen von Brennstoff aus dem Tank 20 konfiguriert ist, einen Hochdruckakkumulator 24, der konfiguriert ist, um eine Gasbrennstoffversorgung zu enthalten, und eine oder mehrere Druckminderungsvorrichtungen aufweisen, die strömungsmittelmäßig mit dem Akkumulator 24 verbunden sind. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel sind zwei Druckminderungsvorrichtungen gezeigt, die eine Entlüftungsvorrichtung 26 und einen Regler 28 aufweisen. Die Entlüftungsvorrichtung 26 kann zum selektiven Entlüften des Akkumulators 24 in die Atmosphäre angeordnet sein, während der Regler 28 in einer Versorgungsleitung 30 angeordnet sein kann, die den Akkumulator 24 mit dem Motor (den Motoren) 18 verbindet. Der Regler 28 kann konfiguriert sein, um einen Druck der Gasbrennstofflieferung zu regeln, die zu dem (den) Motor(en) 18 geleitet wird.
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Der Tank 20 kann einen kryogenen Tank verkörpern, der konfiguriert ist, um Erdgas in einem verflüssigten Zustand zu halten. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Tank 20 ein isolierter Tank, der eine Temperatur des Erdgases unter einer Siedetemperatur von ungefähr –165°C hält. Es wird in Betracht gezogen, dass der Tank 20 mit herkömmlichen Einrichtungen versehen sein kann, um verflüssigtes Erdgas (LNG = liquified natural gas) zu handhaben, beispielsweise Kühler, Zirkulatoren, Heizvorrichtungen, Ventilatoren usw., falls erwünscht.
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Die Pumpe 22 kann irgendeine Art von in der Technik bekannter Pumpe sein, um Erdgas in seinem flüssigen Zustand (LNG) und/oder in dem gasförmigen Zustand zu handhaben. Insbesondere kann das Erdgas an irgendeinem Punkt zwischen dem Tank 20 und dem Akkumulator 24 (beispielsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts der Pumpe 22) vergast werden. In der offenbarten beispielhaften Ausführungsform wird das flüssige Erdgas stromabwärts der Pumpe 22 vergast, und die Pumpe 22 ist konfiguriert, um nur flüssiges Erdgas zu handhaben. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Pumpe 22 eine Pumpvorrichtung mit fester Verdrängung auf (beispielsweise eine Kolben-, Membran- oder Rotorpumpe), die mit einem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird. Bei dieser Konfiguration kann die Ausgabe der Pumpe 22 immer noch durch Einstellen der Geschwindigkeit des Antriebs variiert werden, obwohl die Verdrängung der Pumpe 22 fest sein kann. Es wird in Betracht gezogen, dass andere Arten von Pumpen alternativ verwendet werden könnten, um Erdgas durch die Lieferleitung 30 zu drücken, falls erwünscht, beispielsweise eine Pumpe mit variabler Verdrängung.
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Der Akkumulator 24 kann ein Hochdruckgefäß verkörpern, welches konfiguriert ist, um unter Druck stehendes Erdgas zur zukünftigen Verwendung durch den Motor (die Motoren) 18 zu speichern. Wenn ein Druck des Erdgases aus der Pumpe 22 einen Druck des Akkumulators 24 überschreitet, kann das Erdgas in den Akkumulator 24 fließen. Weil das Erdgas darin komprimierbar ist, kann es wie eine Feder wirken und komprimiert werden, wenn mehr Erdgas hineinfließt. Wenn der Druck des Erdgases in der Lieferleitung 30 unter den Druck des Akkumulators 24 abfällt, kann das komprimierte Erdgas expandieren und aus dem Akkumulator 24 austreten. Es wird in Betracht gezogen, dass der Akkumulator 24 alternativ einen Membran/federvorgespannten Akkumulator oder Blasenakkumulator verkörpern kann, falls erwünscht.
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Die Entlüftungsvorrichtung 26 und der Regler 28 können, während sie zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden, in ähnlicher Weise funktionieren. Insbesondere kann die Entlüftungsvorrichtung 26 konfiguriert sein, um selektiv zu gestatten, dass gasförmiger Brennstoff aus dem Akkumulator 24 in gesteuerter Weise in die Atmosphäre abgelassen wird (d. h. bei einem gesteuerten Druck und einer Temperatur), die die Integrität der Entlüftungsvorrichtung 26 beeinträchtigt. Der Regler 28 kann in ähnlicher Weise gestatten, dass gasförmiger Brennstoff aus dem Akkumulator 24 in gesteuerter Weise abgelassen wird. Im Gegensatz zur Entlüftungsvorrichtung 26 jedoch kann der Regler 28 den gasförmigen Brennstoff zu dem (den) Motor(en) 18 über die Lieferleitung 30 leiten. Es wird in Betracht gezogen, dass die Entlüftungsvorrichtung 26 und der Regler 28 den gasförmigen Brennstoff steuern können, so dass sie den ihn mit den gleichen Raten und Drücken oder mit unterschiedlichen Raten und Drücken entladen bzw. ablassen, falls erwünscht.
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2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Druckminderungsvorrichtung (beispielsweise des Reglers 28). In diesem Ausführungsbeispiel weist die Druckminderungsvorrichtung einen Körper 31 mit einem Einlass 32 und einem Auslass 34 auf. Eine konvergierende-divergierende Düse („Düse”) 36 kann zwischen dem Einlass 32 und dem Auslass 34 geformt sein, und kann konfiguriert sein, um eine Geschwindigkeit des am Einlass 32 aufgenommenen gasförmigen Brennstoffes auf Überschallgeschwindigkeiten zu vergrößern. Der Gasfluss, wenn er auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt ist, kann auf ein Stoßwelleneinleitungselement (beispielsweise eine Rampe 38) auftreffen, welches stromabwärts der Düse 36 angeordnet ist. Wenn dies auftrifft, kann der auftreffende gasförmige Brennstoff in einem schrägen Winkel weg von der Rampe 38 abprallen, was eine Stoßwelle 40 erzeugt, die über den Fluss des gasförmigen Brennstoffes voranschreitet. Die Stoßwelle 40 kann einen Druckabfall am Auslass 34 ohne einen beträchtlichen Temperaturabfall zur Folge haben. In den meisten Fällen kann die Temperatur des gasförmigen Brennstoffes tatsächlich am Auslass 34 ansteigen.
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Der Auftreffwinkel α des gasförmigen Brennstoffes auf der Rampe 38 kann eingestellt werden (beispielsweise zwischen ungefähr 0–45°), um dadurch einen Winkel der resultierenden Stoßwelle 40 und einen entsprechenden Druck und eine Temperatur des gasförmigen Brennstoffes am Auslass 34 einzustellen. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann die Rampe 38 schwenkbar an einem ersten Ende 42 mit einer Innenwand des Körpers 31 verbunden sein. Und wenn ein zweites Ende 44 der Rampe 38 angehoben oder abgesenkt wird, kann bewirkt werden, dass die Rampe 38 um das erste Ende 42 zu einem anderen Winkel schwenkt. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist das erste Ende 42 stromaufwärts des zweiten Endes 44 gelegen, obwohl andere Konfigurationen ebenfalls möglich sind.
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Ein Leitflügel 46 kann stromaufwärts der Rampe 38 angeordnet sein und über eine Verbindungsanordnung 48 mit dem zweiten Ende 44 verbunden sein. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann der Leitflügel 46 starr mit der Verbindungsanordnung 48 in einem speziellen Angriffswinkel β (beispielsweise ungefähr 0–25°) relativ zur Mittelachse des Körpers 31 verbunden sein. Wenn der gasförmige Brennstoff durch die Düse 36 läuft und auf eine freiliegende Fläche des Leitflügels 46 trifft, kann der Leitflügel 46 nach unten zu einer Mitte des Flusses von gasförmigem Brennstoff gedrückt werden. Eine größere Geschwindigkeit und ein größerer Druck des auftreffenden gasförmigen Brennstoffes kann eine weitere Bewegung des Leitflügels 46 zur Mitte des Flusses hin zur Folge haben, während eine niedrigere Geschwindigkeit und ein niedriger Druck eine Bewegung weg von der Mitte des Flusses zur Folge haben kann. Wenn der Leitflügel 46 sich mehr zur Mitte des Flusses bewegt, kann die Rampe 38 über die Verbindungsanordnung 48 zu einem steileren Winkel α bewegt werden.
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Die Rampe 38 und der Leitflügel 46 können zur inneren Wand des Körpers 31 vorgespannt sein. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel besteht die Verbindungsanordnung 48 aus drei Segmenten, welche ein erstes Segment 50, ein zweites Segment 52 und ein drittes Segment 54 aufweisen. Das erste Segment 50 kann fest an einem ersten Ende mit dem Leitflügel 46 verbunden sein und sich durch die Wand des Körpers 31 erstrecken, während ein zweites Ende des ersten Segmentes 50 schwenkbar mit einem Mittelpunkt des zweiten Segmentes 52 außerhalb des Körpers 31 verbunden sein kann. Ein erstes Ende des zweiten Segmentes 52 kann an dem Körper 31 verankert sein (beispielsweise an einer Außenwand des Körpers 31), während ein zweites Ende des zweiten Segmentes 52 schwenkbar mit einem ersten Ende des dritten Segmentes 54 außerhalb des Körpers 31 verbunden sein kann. Das dritte Segment 54 kann sich zurück in den Körper 31 erstrecken, um schwenkbar eine Verbindung zum zweiten Ende 44 der Rampe 38 herzustellen. Eine Feder 56 kann zwischen dem Körper 31 und dem zweiten Segment 52 an irgendeiner Stelle zwischen den ersten und zweiten Enden des zweiten Segmentes 52 verlaufen, um den Leitflügel 46 und die Rampe 38 weg von dem mittleren Fluss des gasförmigen Brennstoffes durch den Körper 31 vorzuspannen. Es sei bemerkt, dass die in 2 gezeigte Verbindungsanordnung 48 nur ein Beispiel ist, und dass viele andere Wege zur Verbindung des Leitflügels 46 mit der Rampe 38 verwendet werden können. Außerdem kann die Verbindungsanordnung 48 vollständig in dem Körper 31 angeordnet sein, vollständig außerhalb des Körpers 31 oder teilweise innen und teilweise außen, wie erwünscht. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Leitflügel 46 sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Rampe 38 bewegen könnte, falls erwünscht, und/oder dass die Verbindungsanordnung 48 sich von gegenüberliegenden Seiten in den Körper 31 erstrecken könnte.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das offenbarte Brennstoffsystem und die Druckminderungsvorrichtungen finden mögliche Anwendung bei jeglicher Situation einer Handhabung bzw. Behandlung von Gas. Das offenbarte Brennstoffsystem und die Druckminderungsvorrichtungen finden spezielle Anwendung bei mobilen Gasbrennstoffhandhabungssystemen, wie sie in einem Zugverbund 12 zu finden sind. Die offenbarten Druckminderungsvorrichtungen können dabei helfen, eine ansprechende Drucksteuerung für gasförmigen Brennstoff vorzusehen, ohne eine beträchtliche Temperaturverringerung zu bewirken. Der Betrieb des Brennstoffsystems 10 wird nun beschrieben.
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Mit Bezug auf 1 kann der Betrieb des Brennstoffsystems 10 damit beginnen, flüssiges Erdgas aus dem Tank 20 durch die Pumpe 22 zu ziehen. Das flüssige Erdgas, welches durch die Pumpe 22 abgezogen wird, kann vergast werden und mit hohem Druck in den Akkumulator 24 geleitet werden, durch den Regler 28 geleitet werden und in den Motor (die Motoren) 18 über die Versorgungsleitung 30 geleitet werden.
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Der Druckregler 28 kann konfiguriert sein, um einen Druck des gasförmigen Brennstoffes zu regeln, der zu dem (den) Motor(en) geleitet wird. Insbesondere, wenn der gasförmige Brennstoff in den Körper 31 über den Einlass 32 eintritt, kann der Brennstoff in die Düse 36 geleitet werden. Wenn der Brennstoff durch die Düse 36 läuft, kann die konvergierende Natur der Düse 36 einen Druck, eine Temperatur und eine Geschwindigkeit des Brennstoffes vergrößern, so dass ein abgeriegelter Zustand (d. h. ein Zustand mit der maximal möglichen Flussrate) erzeugt wird. Und wenn der Brennstoff aus der Düse 36 in dem divergierenden Bereich des Körpers 31 läuft, wo der Druck niedriger ist, kann der Fluss des gasförmigen Brennstoffes in den Überschallbereich kommen. Der Gasbrennstofffluss mit Überschallgeschwindigkeit kann dann über den Leitflügel 46 laufen, kann den Leitflügel 46 zu einer Mitte des Flusses um eine Größe drücken, die mit dem Druck und der Geschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffes in Beziehung steht. Die Bewegung des Leitflügels 46 kann eine entsprechende Kippbewegung der Rampe 38 zur Folge haben. Wenn der gasförmige Brennstoff weiter zum Auslass 34 läuft, kann ein Teil des gasförmigen Brennstoffes auf die Rampe 38 auftreffen und weg und über den restlichen Brennstofffluss abprallen. Dieser abprallende Fluss kann eine Stoßwelle mit hoher Dichte von expandierendem gasförmigem Brennstoff in dem Körper 31 erzeugen. Die Expansion kann bewirken, dass der Druck am Auslass 34 abfällt, und wegen Verlusten, die mit der Stoßwelle und einer plötzlichen Druckexpansion assoziiert sind, kann eine Temperatur des gasförmigen Brennstoffes zunehmen. Die Entlüftungsvorrichtung 26 kann in ähnlicher Weise funktionieren, wie oben für den Regler 28 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass der Gasbrennstofffluss aus dem Auslass 34 in die Atmosphäre geleitet wird.
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Der Angriffswinkel β kann einer Bewegungsgröße der Rampe 38 für einen gegebenen Druck und/oder eine gegebene Flussrate des gasförmigen Brennstoffes durch die Düse 36 entsprechen. Insbesondere kann bei einem größeren Angriffswinkel β ein gegebener Druck und/oder eine gegebene Flussrate eine größere Bewegung der Rampe 38 zur Folge haben (und einen größeren resultierenden Winkel der Stoßwelle 40). Und ein größerer Winkel der Stoßwelle 40 kann einen größeren Druckabfall und eine größere Temperaturzunahme am Auslass 34 zur Folge haben. Entsprechend kann der Angriffswinkel β ausgewählt und/oder selektiv eingestellt werden, um einen erwünschten Druckabfall und eine erwünschte Temperatur am Auslass 34 vorzusehen.
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Weil der gasförmige Brennstoff, der aus den Druckminderungsvorrichtungen austritt, die gleiche oder eine erhöhte Temperatur im Vergleich zu dem eintretenden Brennstoff haben kann, kann eine Lebensdauer der Vorrichtungen verlängert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Temperatur des gasförmigen Brennstoffes auf bis zu viermal der Temperatur ansteigen mit der er eingetreten ist. Dies kann gestatten, dass weniger teure Materialien in dem Brennstoffsystem 10 verwendet werden.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Brennstoffsystem und den Druckminderungsvorrichtungen vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der offenbarten Konzepte offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
