DE2605932B2

DE2605932B2 - Antriebsanordnung zur Übertragung der Leistung einer Brennkraftmaschine auf einen Generator

Info

Publication number: DE2605932B2
Application number: DE2605932A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 8031 Geiselbullach Titl
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1981-01-15
Also published as: NL7701470A; ATA67077A; FR2341042A1; DE2605932A1; AT348611B

Description

Die Erfindunp betrifft eine Antriebsanordnung zur Übertragung der Leistung einer vorzugsweise mit Leichtöl betriebenen, gekühlten Brennkraftmaschine auf einen Generator zwecks Stromerzeugung mit einer zwischen beiden angeordneten elastischen, gekühlten Getriebe-Kupplungs-Vorrichtung.

Eine Antriebsanordnung der vorgenannten Bauart ist aus GB-PS 1014 030 bekannt Diese weist eine elastische, gekühlte Getriebe-Kupplungs-Vorrichtung in Form eines mechanischen Getriebes und einer angeschlossenen Rutschkupplung auf, die beide luftgekühlt sind. Im Betrieb der Anordnung kann die verwendete Kühlluft nach einem Kühlvorgang in die Atmosphäre entweichen. Diese Lösung läßt im Hinblick auf die nur stufenweise Drehzahlanpassung Wünsche offen und wird trotzdem im Hinblick auf die Energiebilanz als unbefriedigend empfunden, weil die beim Kühlvorgang von der Kühlluft aufgenommene thermische Energie verloren geht Aus beiden Gesichtspunkten ist nur eine unzulängliche Leistungsausbeute möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art ein Übersetzungsgetriebe zu verwenden, das eine stufenweise Drehzahlanpassung bei relativ gutem thermischen Gesamtwirkungsgrad und somit optimaler Leistungsausbeute zuläßt

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die Vorrichtung ein hydrodynamischer Drehmomentwandler ist, der mit einem AbwäffnevefweftUngssysfem in Verbindung Steht, däS die in der Arbeitsflüssigkeit des Drehmomentwandlers und im Kühlmedium der Brennkraftmaschine aufgenommene Wärme nutzt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Drehmomentwandler mit einer Drehkupplung integriert ist, um einen zusätzlichen Betriebsbereich mit verminderter Drehzahl und Leistung der Brennkraftmaschine zur Regelung des Abwärmeverwertungssystems zu erhalten.

Zweckmäßigerweise ist der Drehmomentwandler für eine unterschiedliche Beschaufelung ausgelegt, so daß eine erweiterte Anpaßbarkeit zwischen den Kennwerten einer Brennkraftmaschine und eines Generators gegeben ist

Durch die Erfindung wird ein an sich bekannter

ίο hydrodynamischer Drehmomentwandler als Gc-triebe-Kupplungs-Vorrichtung verwendet, um eine Drehzahlanpassung zwischen der Brennkraftmaschine und einem Generator herzustellen. Zwar wird durch die Drehzahlanpassung mechanische Leistung eingebüßt, jedoch wird die mit der Verringerung der mechanischen Leistung einhergehende Wärme weiter verwertet, wird die erfindungsgemäße Antriebsanordnung hinsichtlich des thermischen Gesamtwirkungsgrades und der erzielbaren Leistungsausbeute für ein sogenanntes Blockheizkraftwerk interessant. Der hydrodynamische Drehmomentwandler, im folgenden kurz Wandler genannt, arbeitet allenfalls mit einem Wirkungsgrad von etwa 85% — gegenüber 95% und mehr bei mechanischen Getrieben —, weshalb dieser bislang als unwirtschaftlich angesehen wurde. In Verbindung mit der Abwärmetechnik von Blockheizkraftwerken ist es jedoch möglich, die im Wandler entstehende Wärmemenge mittels desst.i Arbeitsflüssigkeit einem Wärmtauscher kontinuierlich zuzuführen und somit für das Gesamtsystem zurückzugewinnen. Der durch den Wandlerwirkungsgrad verursachte scheinbare Leistungsverlust wird mehr als aufgewogen durch den Umstand, daß die Brennkraftmaschine bei einer ihrer vollen Nennleistung entsprechenden Drehzahl betrie ben werden kann. Insofern wird der Einsatz von Wandlern bei Blockheizkraftwerken zu einem betriebswirtschaftlich bedeutungsvollen Faktor.

Die Technik der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Nutzwärme in Block- oder Kleinheizkraftwerken,

d. h. Anlagen kleiner bis mittlerer Le-Vaingsgrößen, ist in den verschiedensten Kombinationen von Kraft- und Arbeitsmaschinen und deren gegenseitige Zuordnung bekannt (vgl. »Brennstoff-Wärme-Kraft« 27 (1975) Nr. 5, Mai, S. 225). Sie wird insbesondere in Verbindung mit Dampfprozessen seit langem ausgeführt, wohingegen sich die »total energy«-Version mit gas- oder leichtölbetriebenen Motoren erst in jüngster Zeit allmählich durchzusetzen beginnt. Maßgebend für diese Entwicklung sind energiewirtschaftliche Denkweisen

so grundsätzlich neuet Art, welche von der veränderten Energiesituation ausgelöst wurden und die auch bei der Erfindung von entscheidender Bedeutung sind.

In Anbetracht der vorerst nur geringen Anzahl ausgeführter Blockheizkraftwerke der hier angespro-

v> chenen Definition gibt es nur in Ausnahmefällen Motoren, deren Nennleistung bei einer für den Generatorbetrieb geeigneten Drehzahl verfügbar ist Zur Anpassung an die durch die Netzfrequenz bedingte Generatordrehzahl werden die Motoren deshalb in der Regel mit verminderter Drehzahl, d. h. leistungsreduziert gefahren, was im allgemeinen mit einer Erhöhung der spezifischen Anlagenkosten verbunden ist. Eine Zwischenschaltung mechanischer Übersetzungsgetriebe erfordert einen Aufwand hinsichtlich der notwendi-

tf gen Verschleiß- und Geräuschminderung, welcher den durch eine solche Maßnahme erzielbaren Nutzen wieder in Frage stellt. Andere Probleme bei der Verwendung verfügbarer

Serienmotoren können auftreten infolge der großen, zusätzlich zu beschleunigenden Masse des Generators beim Startvorgang. Um den Stromstoß beim Zuschalten des Generators an das Netz nach Höhe und Dauer in den zulässigen Grenzen zu halten, sind z. T. aufwendige Zusatzeinrichtungen an Motor und Schaltanlage erforderlich, z.B. ein Motorstartaggregat in verstärkter Ausführung und Schaitschütze für erhöhte Belastbarkeit.

Je nach Bauart kann der verwendete Generator bei ,0 Ausfall der Antriebsleistung als Elektromotor arbeiten. Er wirkt in einem solchen Fall zumindest gegen die Kompressionsleistung der Kraftmaschine, wodurch ein Rückstrom von Netzleistung entsteht.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß das Verhältnis von Strom zu Nutzwärmeangebot eines Blockheizkraftwerkes systembedingt von der jeweiligen Wärmebilanz der Kraftmaschine abhängig ist und nach herkömmlichen Methoden kaum verändert, d. h. dem Verbraucher ohne den Umweg über Wärmespeicher angepaßt werden kann.

Die Antriebsanordnung nach der Ertisdung vermeidet die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik oder vermindert sie zumindest wesentlich, und zwar mittels eines an sich bekannten Föttinger-Drehmomentwandlers, der bereits seit langem (1905) bekannt und im Handel ist

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt

B i 1 d 1 eine schematische Darstellung einer Abwärmeverwertung mittels der Erfindung,

B i 1 d 2 eine schematische Darstellung der Erfindung mit einem gemeinsamen Ölsumpf für das Motor- und Wandleröl und einem kombinierten Wärmeübertrager,

B i 1 d 3A und 3B Momentenkennlinien eines Wandlers mit einer Brennkraftmaschine in graphischer Darstellung,

B i I d 4 Betriebskennlinien in graphischer Darstellung in Abhängigkeit der Drehzahl, <to

Bild 5 * :itere Betriebskurven in graphischer Darstellung.

Wie in B i 1 d 1 schematisch dargestellt, dient der Wandler 1 als stufenloses Übersetzungsgetriebe zwischen einer Brennkraftmaschine 2 und einem Generator 3. Weil der Wandler bestenfalls mit einem Wirkungsgrad von 85% — gegenüber 95% und mehr bei mechanischen Getrieben — arbeitet, mußte eine solche Kombination bisher als unwirtschaftlich angesehen werden; in Verbindung mit der Abwärmetechnik von Blockheizkraftwerken ist es jedoch möglich, die im Wandler entstehende Wärmemenge mittels dessen Arbeitsflüssiskeil einem Wärmetauscher 4 kontinuierlich zuzuführen und somit für das Gesamtsystem zurückzugewinnen. Der durch den Wandlerwirkungsgrad verursachte scheinbare Leistungsverlust wird mehr als aufgewogen durch den Umstand, daß die Brennkraft' maschine bei einer ihrer vollen Nennleistung entsprechenden Drehzahl betrieben werden kann, insofern wird der Einsatz von Wandlern bei Blockheizkraftwerken zu einem betriebswirtschaftlich bedeutungsvollen Faktor.

Die Abwärmeverwertung gemäß BiIdI erfolgt im übrigen in bekannter Weise derart, daß das Kühlwasser der Brennkraftmaschine in einem geschlossenen Kreis- μ lauf den Wärmetauscher 4 des Wandlers, den Abhitzekessel 5 für die Rückkühlung der bei 5e in den Abhitzekessel gelangenden Motorabgase sowie den Wärmetauscher 6 durchläuft, an dem der Wärmeverbraucher 6a angeschlossen ist

Je nach den Betriebserfordernissen sind alternativ auch andere Abwärmesysteme ausführbar, z. B. nach B i 1 d 2 mit gemeinsamem Ölsumpf für Motor- und Wandleröl in der ölwanne 7 und kombiniertem Wärmeüberträger und mit Abgaszuführung in den Wärmetauscher des Wärmeverbrauchers 6a bei 8.

Die Antriebskombination weist neben ihrer betriebswirtschaftlichen Bedeutung auch Betriebseigenschaften auf, mit denen sie sich von den bisher bekannten Bauarten z. T. erheblich unterscheidet

In B i I d 3A sind die Drehmomente Λίνοη Motor und Wandler über der Drehzahl η aufgetragen. Die Kurve M_m ist die Drehmomentenkurve des Motors, die Kurve M»-1 ist die Drehmomentenkurve des Wandlers, und zwar die Drehmomentaufnahme am Pumpenrad des Wandlers.

Wie B i 1 d 3A zeigt, startet die Brennkraftmaschine gegen die Antriebswelle des Wandlers mit einem erheblichen Momentüberschuß, d. h. r=sch und ohne verstärkten Startaggregat. Hierbei p'ird auf der Abtriebseite des Wandlers ein vielfach erhöhtes Antriebsmoment für die Beschleunigung der Generatormasse wirksam (vgL Bild 3B). Der Generator erreicht somit schneller seine SynchrondrehzahL In B i 1 d 3B ist außer den Kurven M_n, und M_w\, die diesen Kurven in B i I d 3A entsprechen, die Kurve M_w 2 aufgetragen, die Drehmomentabgabe des Wandlers über der Drehzahl.

In B i 1 d 4 ist über der Drehzahl π rr.it der Kurve M_g das vom Generator aufgenommene Drehmoment bei Zwischenschaltung eines Wandlers zwischen Motor und Generator an der Stelle einer starren Kupplung zwischen Motor und Generator aufgetragen. Die Kurve cosrp bezieht sich auf einen Asynchronmotor. M_n, ist kennzeichnend für den normalen Lastbereich, M_n,' für den Teillastbereich. Bei Zwischenschaltungen eines Wandlers kann durch eine geeignete Wahl der Wandlerbeschaufelung gemäß B i I d 4 eine verhältnismäßig feinstufige Anpassung der beiden Betriebskennlinien z. B. zur Erzielung eines optimalen cossp-Wertes erfolfvin.

Der Wandler kann bei entsprechender Auslegung wirkungsgradempfindlich gegenüber kleinen Änderungen der Motorfüllung gemacht werden.

In β i 1 d 5 sind wiederum die Motordrehr.ioment-; M_n, im normalen Lastbereich und M_m' im Teillastbereich über der Drehzahl aufgetragen. N_sy„ ist die Synchrondrehzahl von Motor und Generator. /V2/N1 = const ist das Drehzahlverhältnis Antrieb zu Antrieb am Wandler. Es ist erkennbar, daß bei geringfügiger Teillast der Brennkraftmaschine wnter Beibehaltung der Synchrondrehzahl eine andere Betriebskurve aus der Kennschar des Wandlers angefahren werden kann. Dies bedeutet, daß das Verhältnis des Strom/Wärmeangebotes eines Blockheizkraftwerkes in gewissen Grenzen stufenlas und ohne intermittierende Betriebsweise verändert werden kann.

Von Bedeutung ist ferner, daß bei einem plötzlichen Ausfall der Antrieöshistung ein Asynchronmotor zwar auch hier sofort als Elektromotor arbeitet und einen Rückstrom aus dem Netz verursacht-; zufolge der wesentlich verminderten Fähigkeit zur Momentaufnahme im Überdreh- bzw. Bremsbereich des Wandlers erfolgt dies jedoch bei einer stark reduzierten Stromaufnahme, wie i . B i I d 6 gezeigt. In B i I d 6 ist l_g der Generatorstrom. M_w2 und M_W7 sind die Drehmomentabgabe des Wandlers über der Drehzahl vom

Vollastbereich (M_w 2') und im Teillastbereich (M_n, 2), /V/,, ist. Mg bedeutet den Verlauf des Generatormomentes für Asynchrongeneratoren, und zwar das am Turbinenrad des Wandlers abgegebene Moment.

Der vorgenannte Effekt tritt in gleicher Weise ein, wenn der Motor vom Generator her gestartet werden soll. Der Anzugsstrom wird hierbei kurzzeitiger wirksam als bei direkter Kopplung.

Der Motor-Generatorsatz mit Anwendung einer Durchkupplung kann auch im Direktantrieb, sozusagen im Schongang mit reduzierter Motordrehzahl und -leistung, gefahren werden, falls die Lastkurven des ^vcrbrai^-chers eine solche Fahrweise ("-"''"'psch' rmrhen. Der Aufwand für diese zusätzliche Regelmöglichkeil ist relativ gering.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsanordnung zur Übertragung der Leistung einer vorzugsweise mit Leichtöl betriebenen, gekühlten Brennkraftmaschine auf einen Generator zwecks Stromerzeugung mil einer zwischen beiden angeordneten elastischen, gekühlten Getriebe-Kupplungs-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein hydrodynamischer Drehmomentwandler (1) ist, der mit einem Abwärmeverwertungssystem in Verbindung steht, das die in der Arbeitsflüssigkeit des Drehmomentwandlers und im Kühlmedium der Brennkraftmaschine (2) aufgenommene Wärme nutzt

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentwandler (1) mit einer Durchkupplung integriert ist, um einen zusätzlichen Betriebsbereich mit verminderter Drehzahl und Leistung der Brennkraftmaschine (2) zur Regelung des Abwärmeverwertungssystems zu erhalten. .

3. Antriebsanordnung nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentwandler (1) für eine unterschiedliche Beschaufelung ausgelegt ist, so daß eine erweiterte Anpaßbarkeit zwischen den Kennwerten einer Brennkraftmaschine und eines Generators gegeben ist