DE3711863A1 - Mehrmotorenanlage fuer schiffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrmotorenanlage für Schiffe mit mindestens einem mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen, mit Selbstzündung arbeitenden Hauptmotor, zu dessen Laderturbine eine im niedrigen Leistungsbereich des Hauptmotors abschaltbare Nutzturbine parallel geschaltet ist, mit mindestens einem Hilfsmotor und einem Generator, dessen Welle mit der Welle des Hilfsmotors und der Welle der Nutzturbine verbunden ist. Eine derartige Anlage ist aus der europäischen Patentanmeldung - Veröffentlichungsnimmer 01 99 165 bekannt. Bei einer derartigen Anordnung dient der Hilfsmotor als Regeleinheit zur Konstanthaltung der Drehzahl des Generators. Er läuft also auch dann im Leerlauf mit, wenn die Nutzturbine die volle vom Generator benötigte Leistung liefern kann.

Der an sich erwünschte Einsatz aufgeladener Hilfsmotoren führt bei diesen Anlagen wegen ihrer relativ großen Ventilüberschneidung, d. h. einer relativ langen Zeit, während der das Auslaß- und Einlaßventil gleichzeitig geöffnet sind, zu einem negativen Spülgefälle im Bereich geringer Leistung. Infolgedessen können Abgase in den luftführenden Trakt des Motors zurückschlagen. Wird nun der Hilfsmotor über einen längeren Zeitraum im Leerlauf oder mit sehr geringer Last betrieben, führt dies, insbesondere bei Verwendung von Schweröl als Brennstoff für diesen Motor, zu starken Verschmutzungen in den luftführenden Teilen, wie Einlaßventil, Einlaßkanal, Ladeluftleitung und Ladeluftkühler. Diese Abgasablagerungen verengen die luftführenden Strömungskanäle stark, mit der Folge eines Luftmangels bei der Verbrennung und damit steigender Abgastemperaturen. Hierdurch wird die Lebensdauer aller die Brennräume eines solchen Motors begrenzenden Bauteile reduziert. Auch wird seine Betriebsbereitschaft beeinträchtigt, da er im Bedarfsfall nicht mehr in der Lage ist, seine volle Leistung abzugeben. Insgesamt wird die ursprünglich gewollte Kosteneinsparung durch geringeren Kraftstoffverbrauch der Mehrmotorenanlage bei Einsatz der Nutzturbine durch einen größeren Wartungsaufwand und durch eine verkürzte Lebensdauer von Bauteilen des Hilfsmotors aufgezehrt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit und Betriebsbereitschaft einer gattungsgemäßen Mehrmotorenanlage zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Maßnahme des Anspruchs 1 erreicht.

Bei Anwendung dieser Maßnahme wird ein Verschmutzen des Hilfsmotors vermieden, wobei stets nur die zur Aufrechterhaltung eines positiven Spülgefälles erforderliche Ladeluftmenge vom Hauptmotor abgezweigt wird. Diese Ladeluft hält gleichzeitig den Abgasturbolader des Hilfsmotors auf einer Mindestdrehzahl, so daß dieser Motor im Bedarfsfall schnell auf die erforderliche Leistung hochgefahren werden kann.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mehrmotorenanlage,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Verdichtergehäuses und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Verdichtergehäuse.

Die in Fig. 1 dargestellte Mehrmotorenanlage für Schiffe umfaßt einen mit Selbstzündung arbeitenden Hauptmotor 1, beispielsweise eine Dieselmotor oder einen Dieselgasmotor, mit einer Welle 2, die eine Schiffsschraube 3 trägt. Der Hauptmotor 1 weist weiterhin eine Ladeluftleitung 4 und eine Abgassammelleitung 5 auf. Die Abgassammelleitung 5 steht über eine Leitung 6 mit einer Laderturbine 7 in Verbindung. Die Laderturbine 7 sitzt zusammen mit einem Verdichter 8 auf einer Welle 9. Laderturbine 7 und Verdichter 8 bilden den Abgasturbolader des Hauptmotors 1. Vom Verdichter 8 führt eine Leitung 10 zu einem Ladeluftkühler 11, der an die Ladeluftleitung 4 angeschlossen ist.

Von der Abgassammelleitung 5 führt parallel zur Leitung 6 eine weitere Leitung 12 zu einer Nutzturbine 13. Von der Leitung 12 zweigt eine Auslaßleitung 14 ab, die ebenso wie eine Abströmlei­ tung 15 hinter der Laderturbine 7 ins Freie führt.

In der Leitung 12 ist hinter dem Abzweig der Auslaßleitung 14 ein Absperrelement 16 vorgesehen, mit dem die Leitung 12 geöffnet oder geschlossen werden kann. In der Auslaßleitung 14 ist ein weiteres Absperrventil 17 vorgesehen, dessen größter Öffnungsquerschnitt dem Turbinenquerschnitt der Nutzturbine 13 entspricht. Zusätzlich ist in der Leitung 12 zwischen dem Absperrventil 16 und der Nutzturbine 13 ein Schnellschlußventil 18 angeordnet.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist weiterhin einen mit Selbstzündung arbeitenden Hilfsmotor 19 auf, dessen Welle 20 zum einen mit der Welle 21 eines Generators 22 verbunden ist. Die Welle 20 steht weiterhin über eine Freilaufkupplung 23 mit einem Untersetzungsgetriebe 24 in Verbindung, das seinerseits über eine Welle 25 der Laderturbine 13 angetrieben wird.

Der Hilfsmotor 19 weist eine Ladeluftleitung 26 und eine Abgassammelleitung 27 auf. Diese ist über eine Leitung 28 an eine Laderturbine 29 angeschlossen. Die Laderturbine 29 steht über eine Welle 30 mit einem Verdichter 31 in Antriebsverbindung. Vom Verdichter 31 führt wiederum eine Leitung 32 zu einem Ladeluftkühler 33, dessen Ausgang an die Ladeluftleitung 26 angeschlossen ist.

Von der Leitung 10 zwischen dem Verdichter 8 des Hauptmotors 1 und dem Ladeluftkühler 11 zweigt eine Verbindungsleitung 34 ab, die zum Verdichter 31 des Hilfsmotors 19 führt. In der Verbindungsleitung 34 befindet sich ein Regelventil 35. Die Verbindungsleitung 34 mündet in einer Ringkammer 36 im Gehäuse 37 des Verdichters 31. Von der Ringkammer 36 gehen mehrere düsenförmige Durchtrittskanäle 38 zum Innenraum 39 des Verdichtergehäuses 37, das ein auf der Welle 30 sitzendes Verdichterlaufrad 40 mit Schaufeln 41 aufnimmt, ab. Die düsenförmigen Durchtrittskanäle 38 verlaufen im wesentlichen tangential zu den Schaufeln 41 und in deren Laufrichtung, so daß die zugeführte Luft tangential auf die Schaufeln auftrifft und dabei die Drehung des Verdichterlaufrades 40 unterstützt. Die normale Luftzufuhr zum Verdichterlaufrad 40 erfolgt über einen Ansaugkanal 42.

Das Regelventil 35 ist mittels einer Steuereinheit 43 betätigbar. In die Steuereinheit 43 kann mittels einer Signalleitung 44 ein dem Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 26 proportionales Signal und mittels einer Signalleitung 45 ein dem Abgasdruck hinter der Abgassammelleitung 27 proportionales weiteres Signal eingegeben werden. In der Steuereinheit 43 werden die beiden Signale miteinander verglichen. Herrscht ein negatives Spülgefälle, d. h., daß der Ladeluftdruck kleiner ist als der Abgasdruck, so wird das Regelventil 35 in Öffnungsrichtung betätigt. Das Regelventil 35 wird dabei mindestens soweit geöffnet, bis Gleichheit zwischen dem Ladeluftdruck und dem Abgasdruck herrscht. Vorzugsweise wird jedoch das Regelventil 35 so gesteuert, daß der Ladeluftdruck um einen bestimmte Prozentsatz über dem Abgasdruck liegt, damit der Hilfsmotor 19 mit positivem Spülgefälle arbeitet und eine Verschmutzung seines Lufttraktes durch Rückschlagen von Abgas mit Sicherheit vermieden wird. Die Steuereinheit 43 wird zweckmäßig dann eingeschaltet, wenn der Hauptmotor 1 in Betrieb genommen wird.

Arbeitet der Hauptmotor 1 in einem niedrigen Lastbereich, in dem das gesamte von ihm produzierte Abgas zur Lieferung der benötigten Ladeluft zum Abgasturbolader 7, 8 geführt wird, so sind die Absperrelemente 16, 17 geschlossen. Die vom Generator 22 benötigte Leistung wird voll vom Hilfsmotor 19 geliefert.

Läuft der Hauptmotor 1 mit mehr als halber Last und produziert dabei mehr Abgas als der Abgasturbolader 7, 8 zur Erzeugung der benötigten Ladeluft braucht, so wird bei offenem Schnellschlußventil 18 und geschlossenem Absperrelement 17 das Absperrelement 16 geöffnet. Die Nutzturbine 13 beginnt daher Leistung zu liefern. In entsprechendem Umfang wird die Leistung des Hilfsmotors 19 zurückgenommen, bis dieser bei einer bestimmten Leistung des Hauptmotors 1 nur noch im Leerlauf läuft und damit lediglich noch ein Regelorgan für die Drehzahl der Welle 21 des Generators 22 darstellt. Sobald die Leistung des Hilfsmotors 19 etwa unter ca. 25 Prozent seiner Maximalleistung sinkt, wird der Abgasdruck in der Leitung 28 größer als der Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 26. Spätestens sobald dieser Zustand eintritt, der von der Steuereinheit 43 über die Signalleitungen 44 und 45 erfaßt wird, gibt die Steuereinheit 43 einen Steuerbefehl an das Regelventil 35, dieses beginnt daher zu öffnen. Nunmehr kann Ladeluft vom Verdichter 8, die eine relativ hohe Temperatur und damit ein relativ großes Volumen hat, zum Verdichter 31 fließen. Dabei ist es vorteilhaft, die Ladeluft unmittelbar hinter dem Verdichter abzuzweigen. Hier hat die Ladeluft bei geringer Masse ein relativ großes Volumen. Zur Durchspülung des Hilfsmotors 19 reicht ein bestimmtes Volumen pro Zeiteinheit. Andererseits ist die Förderleistung des Verdichters 8 der Masse der geförderten Luft proportional. Wird daher, die zur Durchspülung des Hilfsmotors 19 erforderliche Luft an einer Stelle hinter dem Verdichter 8 abgenommen, wo diese Luft noch ein hohes Volumen bei relativ geringer Masse hat, so wird dem Hauptmotor 1 nur eine geringe, sich für seinen Betrieb nicht störend auswirkende Ladeluftmasse entzogen, für die auch nur eine sehr geringe Leistung des Verdichters 8 aufzubringen ist.

Die durch die Verbindungsleitung 34 zum Verdichter 31 gelangende Ladeluft tritt durch die düsenartigen Durchtrittskanäle 38 in den Innenraum des Verdichters ein und beaufschlagt hierbei die Schaufeln 41 in Laufrichtung. Diese Luft unterstützt dabei das Ansaugen zusätzlicher Luft durch den Ansaugkanal 42, die dann über den Ladeluftkühler 33 dem Hilfsmotor 19 als Ladeluft zugeführt wird.

Sollte der Hilfsmotor 19, beispielsweise durch Störungen in seiner Brennstoffzufuhr als Organ zur Konstanthaltung der Drehzahl ausfallen, dann wird das Schnellschlußventil 18 geschlossen und gleichzeitig das Absperrorgan 17 geöffnet. Damit wird verhindert, daß die Nutzturbine 13 durchgehen kann. Das Bypassen von Abgas ist auch dann erforderlich, wenn die Nutzturbine aus anderen Gründen abgeschaltet ist und der Hauptmotor im Leistungsbereich zwischen ca. 50- und 100%-MCR-Leistung arbeitet.

Andererseits stellt die Freilaufkupplung 23 sicher, daß dann, wenn der Hilfsmotor 19 die volle vom Generator 22 abgenommene Leistung allein aufbringt, die abgeschaltete Nutzturbine 13 nicht unnötig leer mitläuft.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß ein Hauptmotor auch die zusätzliche Ladeluft für zwei oder mehr Hilfsmotoren liefert. Bei Anlagen, die zwei oder mehr Hauptmotoren aufweisen, können deren Abgasturbolader die zusätzliche Ladeluft auch in eine gemeinsame Verbindungsleitung einspeisen, an die dann ein oder mehrere Hilfsmotoren angeschlossen werden können.

Claims (4)

1. Mehrmotorenanlage für Schiffe
mit mindestens einem mittels eines Abgastuboladers aufgeladenen, mit Selbstzündung arbeitenden Hauptmotor, zu dessen Laderturbine eine im niedrigen Leistungsbereich des Hauptmotors abschaltbare Nutzturbine parallel geschaltet ist,
mit mindestens einem mit Selbstzündung arbeitenden Hilfsmotor und einem Generator, dessen Welle mit der Welle des Hilfsmotors und der Welle der Nutzturbine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hilfsmotor (19) einen eigenen Abgasturbolader (29 bis 31) aufweist und
eine Verbindungsleitung (34) vorgesehen ist, die von der Ladeluft führenden Leitung (10) zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler (11) des Hauptmotors (1) abzweigt, zum Verdichter (31) des Abgasturboladers (29 bis 31) des Hilfsmotors (19) führt und
ein die abgezweigte Ladeluftmenge veränderndes Regelventil (35) aufnimmt.

2. Mehrmotorenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (35) mittels einer Steuereinheit (43) ansteuerbar ist, die den Ladeluftdruck des Abgasturboladers (29 bis 31) des Hilfsmotors (19) mit dem Abgasdruck des Hilfsmotors (19) vergleicht und das Regelventil (35) derart betätigt, daß der Ladeluftdruck mindestens gleich, vorzugs­ weise um einen vorbestimmten Wert größer als der Abgasdruck ist.

3. Mehrmotorenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hilfsmotor (19) und einem der Nutzturbine (13) nachgeschalteten Untersetzungsgetriebe (24) eine Freilaufkupplung (23) eingeschaltet ist, die die Übertragung einer Antriebsbewegung vom Hilfsmotor (19) auf die Nutzturbine (13) verhindert.

4. Mehrmotorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (34) in düsenförmigen Durchtrittskanälen (38) mündet, die etwa tan­ gential zu den Schaufeln (41) des Verdichterlaufrades (40) des Hilfsmotors (19) angeordnet sind und mit denen die Schaufeln (41) in Laufrichtung beaufschlagbar sind.