DK154103B - Fremgangsmaade og anlaeg til energiproduktion fra en trykladet forbraendingsmotor - Google Patents

Description

Den foreliggende opfindelsen angår generelt en fremgangsmåde til energiproduktion ued hjælp af en effektgenerator og af den i krav l's indledning angiune art.

Fra beskrivelsen til tysk patent nr. 801 596 kendes et anlæg til energiproduktion i et effektgeneratoranlæg ved til en skibsdieselmotor at lede trykluft fra en kompressor drevet af en af motorens udstødningsgasser drevet turbine ved delvis udtagning af trykluft mellem kompressoren og motoren og således, at motorens ladetryk og drejningsmoment vokser i takt med de under fartøjets bevægelser opstående formindskelser af omløbstallet. Trykluften føjes til udstødsgasserne før disses indstrømning i turbinen, og med en varmeoverføring fra de fra turbinen udstrømmende gasser til den udtagne trykluft.

Her sker energiudnyttelsen alene ved en genopvarmning af den udtagne trykluftsmængde i en overflade-varmeveksler uden blanding af gasserne, hvor varmevekslerens varme fluidum udgøres af de fra turbinen udstrømmende gasser.

Fra U.S . A.-patentskrift nr. 3 103 780 kendes en turboladet forbrændingsmotor, hvor en del af den fra kompressoren udtagne trykluft via et forgreningspunkt ledes gennem en varmeveksler og derfra til et andet forgreningspunkt, hvorfra en ny andel ledes til motorens udstødningsmanifold og efter opblanding med udstødsgasserne ledes til kompressorens turbine.

Opfindelsen har til formål at fremme udnyttelsen af den i de fra turbinen udstrømmende gasser tilstedeværende disponible energi, både i form af varmeenergi og levende kraft, i forhold til de kendte anlæg.

Dette opnås ved en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, der er ejendommelig ved de i krav l's kende- tegnende del angivne foranstaltninger.

Den anvendte del af den afledede komprimerede luftmængde kan hensigtsmæssigt indblæses som nærmere angivet i krav 2.

Opfindelsen omfatter også et effektgeneratoranlæg til udøvelse af fremgangsmåden og af den i krav 3's indledning angivne art, der er indrettet på den i krav 3's kendetegnende del angivne måde, og hensigtsmæssigt som nærmere angivet i krav 4.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor: fig. 1 er et sammenfattende funktionsdiagram for anlægget ifølge opfindelsen, fig. 2 viser en udførelsesform for opfindelsen, i hvilken den udtagne trykluftsmængde modtager et bidrag af varmeenergi og levende kraft ved blanding i mindst én injektor eller lignende af en del af de gasser, der forlader mindst én udstødsgasdrevet turbine, og fig. 3-5 viser en udførelsesform for opfindelsen, i hvilken trykluftsmængden med den tilførte energi indblæses i et indgangsspiralhus for mindst én udstødsgasdrevet turbine, hvor fig. 3 viser spiralhuset set fra siden, fig. 4 er et delsnit gennem spiralhuset på fig. 3 langs linien IV-IV, og fig. 5 er et delsnit gennem spiralhuset udfoldet over 360°.

Fig. 1 gengiver funktionsprincippet for de forskellige herunder nævnte tilfælde, idet der kun symboliseres de forskellige kredse eller afløbsveje for de omhandlede gasformige fluider; de fuldt optrukne linier betegner permanente gasstrømme. Mærket C betegner den til trykladning benyttede luftkompressor. Strømmen af komprimeret luft, der forlader kompressoren C, passerer en slutluft-køler R og trænger ind i en forbrændingsmotor M gennem dennes indløbskollektor, hvor strømmen tjener som iltningsmiddel for brændgasserne, hvis forbrænding danner de varme forbrændingsgasser GB i motorens forskellige arbejdscylindre. Disse forbrændingsgasser opvarmer, fortrinsvis ved direkte kontakt, forskellige dele af motoren og opfanges i form af udstødsgas i mindst én udstødskollektor CE, gennem hvilke(n) de forlader motoren M (der på tegningen er begrænset af en rektangulær ramme af stiplede linier) og indføres i mindst én gasturbine T, som normalt trækker luftkompressoren C. En sådan turbine kan udgøres af en enkelt enhed.

Ifølge en foretrukken ud førelses form udtages den afle-dede komprimerede luftmængde A ved afgangen fra kompressoren C, men før luftkøleren R, og føres gennem en ejektor E, hvor den opvarmes af en del af gasserne GE, som forlader turbinen T og ligeledes passerer ejektoren E, hvor de blandes med den komprimerede luft. Den afledede komprimerede opvarmede luftmængde A' bliver så indblæst i udstødskollektoren CE for deri at blandes med udstøds-gasserne, der føder turbinen T.

Den foretrukne udførelses form vil nu blive beskrevet nedenfor.

Udførelsesformen på fig. 2 viser en forbrændingsmotor, såsom en dieselmotor 1, med mindst én række sideordnede cylindre 2, f.eks. seks cylindre. Motoren kan naturligvis have flere rækker af cylindre, f.eks. to rækker med cylindrene placeret i V-form med hensigtsmæssigt én trykladningsgruppe pr. cylinderrække. Den eller hver af motorens cylinderrækker omfatter en indløbskollektor 3 til luft og mindst én udstødskollektor 4 til forbrændingsgasser, og i tilfælde af fire til ti cylindre vil der pr. række fordelagtigt være en modulenhed af typen impulskonverter, der er sammensat af identiske rørstykker, hvis frie tværsnitsareal er konstant over hele kollekto-rens længde. En sådan kollektortype er beskrevet fortrinsvis i de danske patentansøgninger nr. 350/78, indleveret den 24. januar 1978, og nr. 3769/80, indleveret den 4. september 1980. En sådan udstødskollektor af typen impulskonverter er stift fæstnet direkte ved gasudstødsportene på motorens topstykke.

Motoren 1, som udgør det volumentriske motoranlæg eller en del af dette, tryklades ved hjælp af et turbokompressorsystem i et eller flere trin, hvor luftkompressor-anlægget mekanisk trækkes direkte af turbinemotoranlæg-get. I det viste eksempel har luftkompressoranlægget en luftkompressor 7 og turbinemotoranlægget en turbine 8, der er mekanisk koblet direkte til kompressoren 7 ved hjælp af en mellemaksel 9. Kompressorens afgang er via en trykledning 10 forbundet med den til motoren I hørende indløbskollektor 3, hvilken forbindelse sker via en i serie forbundet slutluftkøler 11 for at afkøle den komprimerede luft til motorens trykladning. Gasindgangen til turbinen 8 er via en ledning 12 forbundet med afgangen fra motorens udstødskollektor 4. Den afledede komprimerede luftmængde udtages her før afkølingen via en trykluftafgreningsledning 13, der ved sin opstrøms ende er fastgjort på trykledningen 10 før luftkøleren II til den komprimerede luft og ved sin nedstrøms ende på enden af udstødskollektoren 4, f.eks. på dennes op- strøms ende, hvor udstødsgasserne har det laveste øjeblikstryk i kollektoren. Dette returløbssted for komprimeret luft til udstødskollektorens opstrøms ende er fordelagtig, da motorens første cylinder eventuelt kan indsuge noget af fluidet.

Den afledede komprimerede luftmængde er fordelagtigt regulerbar ved hjælp af en selektiv variation, fortrinsvis på en måde, så den kan afbrydes ved starten af det volumetriske motoranlæg, indtil anlæggets effekt er blevet tilstrækkelig høj til at yde en tilfredsstillende virkningsgrad af turbinemotor- og kompressoranlægget.

Til det brug er afgreningsledningen 13 forsynet med et spjæld 16 af den art, der enten står helt åbent eller helt lukket eller har en varierbar åbningsgrad alt efter motorens omløbstal (for at få en bedre forøgelse af den afledede komprimerede luftmængde med faldende motoromløbshastighed). Dette spjæld skal ved ca. 50% af motorens mærkelast, hvis muligt, være lukket, f.eks. ved at styres af en motordriftsparameter, såsom overladningstrykket målt ved kompressorens udløb, der er proportionalt med motorens aktuelle effekt.

For at undgå en total vending af strømningsretningen for den afledede komprimerede luftmængde i afgreningsledningen 13 er det nødvendigt, at udstødsgastrykket i udstødskollektoren 4 er lavere end trykket af den komprimerede luft i afgreningsledningen 13, og for at forhindre en sådan automatisk vending af gasstrømmen er en klapkontraventil 17 hensigtsmæssigt monteret i afgreningsledningen 13, fortrinsvis før spjældet 16.

Når spjældet 16 er af typen, der enten er helt åbent eller helt lukket, skal det især være lukket ved starten af motoren 1 (dvs. når indstrømningstrykket er nul), samt når gastrykket i udstødskollektoren 4 bliver større end trykket i kompressionsluften i afgreningsledningen 13 ved fravær af kontraventilen 17.

Opfindelsen er med fordel anvendelig ved en effektgenerator af compound-typen, som i almindelighed er sammensat af en forbrændingsmotor med stempler, af mindst én luftkompressor og af mindst én gasturbine og med en mekanisk kobling mellem mindst to af disse tre enheder og med mindst én gasforbindelse mellem motor og turbine mellem kompressor og motor samt eventuelt også mellem kompressor og turbine. Den udnyttelige levende kraft kan således udtages enten på motorakselen eller på turbineakselen eller samtidigt på de to aksler (hvor da de levende kræfter, der udtages fra hver af de to aksler, virker modsat hinanden). I det tilfælde, hvor compound-motoren virker som en gasgenerator, er luftkompressoren 7 til trykladning mekanisk koblet direkte via en forbindelse 18 (repræsenteret ved en stiplet linie på fig.

2) til akselen 5 for forbrændingsmotoren 1, som altså ikke mere direkte driver belastningen 6, og turbinen 8 er mekanisk adskilt fra turbokompressorgruppen 1, 7.

I dette tilfælde absorberer kompressoren 7 hele effekten fra motoren 1, hvilken effekt overføres via den komprimerede luft fra kompressoren og motorens udstøds-gasser til turbinen 8, der her virker som den egentlige motor til at returnere effekten og således driver nyttelasten 6' via sin udgangsaksel 19, eventuelt via en hastighedsformindsker, medens forbrændingsmotoren 1 i det væsentlige virker som en ren gasgenerator for de varme gasser til drift af turbinen. Et sådant arrangement kræver et stort kompressionsforhold.

For at undgå dette kan det være fordelagtigt at optage en del af nytteeffekten fra motoren 1 via en fortrinsvis hydraulisk momentkonverter 20, der er forbundet med den mekaniske aksel mellem turbinen 8 og nyttelasten 6'. Det er således muligt at kombinere anvendelsen af en compound-motor med den på fig. 2 viste udførelsesform ved at indsætte et udkoblingsorgan på akselen 9 mellem kompressoren 7 og turbinen 8.

Det bemærkes, at når det er turbinen 8, som afgiver hele nytteeffekten, kan forbrændingsmotoren 1 eventuelt være en fristempelmotor.

I udførelsesformen ifølge fig. 2 sker energitilførselen til den afledede komprimerede luftmængde i form af varme og levende kraft ved direkte blanding af mindst størstedelen af den afledede komprimerede luftmængde msd mindst en del af den gasstrøm, der forlader turbimemo-toranlægget, især ved den sugepumpevirkning af dem komprimerede luft, som kan udøves i form af mindst em luft-stråle. Hertil er der tilvejebragt mindst én ejeiktør 27, hvori det medrivende fluidums afløbsvej 27a eir indskudt i serie med afgrenimgsledningen 13 til komprimeret luft, og hvori det medrevne fluidums indløbsrør 27b fortrinsvis er tilsluttet via en afgreningskamal 15' på en gasafgangsledniiag 15 fra turbinen 8. Fr-a udløbet fra ejektoren 27 ledes blandingen af gas og 'komprimeret luft gennem ledningen 13 til udstødskollektøren 4 fra motoren 1 som ovenfor beskrevet.

I denne udførelsesform er turbinen 8 sædvanligvis af aksial-typen, og dens indløbshus for gassen er almindeligvis forbundet med tilgangsledningen 12 for udstøds-gasserne via en diffusor, især når der anvendes en ud-stødskollektor 4 med impulskonverter. Imidlertid er det for at opnå en bedre udnyttelse af gassernes kinetiske energi fordelagtigt at bevare den høje gashastighed, der eksisterer nedstrøms for kollektaren, ved at undvære diffusoren og forbinde afgangen fra udstødskollektøren 4 eller tilførselsledningen 12 for udstødsgasserne med turbinens 8 indløb via et spiralhus 28, hvori gasstrømningstværsnittet gradvis formindskes fra spiralhusets indgang 28a til turbinens 8 skovlhjul 8a, som vist på fig. 3 - 5. Dette indebærer udeladelse af turbinens stationære udstødsgasfordeler, hvis ledende funktion overtages af spiralhuset, medens dens acceleratorfunk-tion udføres af udstødskollektoren 4. Et sådant spiralhus er beskrevet i den ovennævnte danske patentansøgning nr. 350/78. I denne udførelsesform udføres forbindelsen mellem udløbet fra udstødskollektoren 4 og aksialturbi-nen 8 altså via gasindløbshuset 28 uden fordelerrør, hvilket hus er spiralformet og monteret på turbinerammen således, at det dækker turbinehjulet 8a med radiale skovlblade 8d. Ved den nævnte gradvise formindskelse af strømningsarealet gennem spiralhuset 28 opnås, at udstødsgasserne rammer turbinehjulet 8a med samme hastighed langs hele hjulets omkreds.

I udførelsesformen ifølge fig. 3-5 skal mindst en del af den afledede komprimerede luftmængde med tilhørende energitilførsel indblæses i spiralhuset 28 under en eventuelt selektivt variabel vinkel a direkte mellem mindst én udstødskollektor 4 fra det volumetriske motor-anlæg 1 og mindst én turbine 8 fra turbinemotoranlægget, hvilken indblæsning sker i overgangspunktet mellem tangenten for udstødsgassernes indløbsbane i spiralhuset og begyndelsen af deres krumme bane i spiralhuset, således at strømningen vil ændre retningen af den krumme bane til gunstig indvirkning på drivhastighedstrekanten for turbinehjulets roterende skovlkrans under en vinkel a som funktion af turbinens aktuelle driftstilstand.

Herved forbedres mærkbart turbinens hastighedsprofil, hvilket yderligere forøger nyttevirkningen af den varme lufts recirkulation. Til det brug er afgreningsledningen 13 ved sin nedstrøms ende tilsluttet, eventuelt frit orienterbart, direkte på spiralhuset 28, der forbinder mindst én udstødskollektor 4 for motoren 1 og mindst én turbine 8, i det væsentlige ved ovennævnte overgangs-punkt mellem spiralhusets retliniede indløbsstuds 28a og den krumme bane i dette spiralhus. Tilslutningen kan udføres ved hjælp af en rørstuds 29, der f.eks,. kan være hængslet Ved 30 til spiralhuset 28.

Desuden er opfindelsens princip, der ovenfor ifølge fig. 3 til 5 er beskrevet for en aksialturbine, anvendeligt til centripetalturbimer for at indvirke gunstigt på hastighedstrekanten.

Claims (4)

1. Fremgangsmåde til energiproduktion ved hjælp af en effektgenerator, der omfatter en kompressionsforbrændingsmotorenhed med stempler, en luftkompressor-enhed til trykladning og en turbinemotorenhed drevet af udstødsgasser med mekaniske og/eller pneumatiske koblinger mellem disse tre enheder, hvor der udtages en komprimeret luftmængde mellem henholdsvis luftkompres-sorenheden og forbrændingsmotorenheden fra den totale mængde af komprimeret luft, der fortrænges af kompressor-enheden, og hvor den udtagne komprimerede luftmængde tilføres til motorenhedens udstødsgasser mellem gasafgangen fra motorenhedens cylindre og før gasafgangen fra turbinemotorenheden, og hvor der tilvejebringes en energitilførsel, der indvindes fra energien i forbrændingsgasserne fra motorenheden, til udstødsgasserne via den udtagne komprimerede luftmængde, kendetegnet ved, at energitilførselen til den udtagne komprimerede luftmængde sker ved overførsel af varme og levende kraft ved direkte sammenblanding af størstedelen af den udtagne komprimerede luftmængde med en del af gasafgangsstrømmen fra turbinemotorenheden, i det væsentlige ved en ejektor-effekt, der suger og medriver gassen ved hjælp af den komprimerede luft og virker i form af mindst én luftstråle.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at mindst en del af den afledede komprimerede luftmængde med den nævnte tilhørende energitilførsel indblæses under en vinkel (!), der fortrinsvis er selektivt variabel, i et forbindelsesspiralhus direkte mellem mindst én udstødskollektor for forbrændingsmotorenheden og mindst én turbine for turbinemotorenheden, hvilken indblæsning i det væsentlige sker i overgangspunktet mellem tangenten for udstødsgassernes indløbsbane i spiralbuset og begyndelsen af disse gassers krumme bane i spiralhuset på en sådan måde, at den nævnte krumme bane bibringes en retningsændring under gassernes -gennemstrømning.

3. Effektgeneratoranlæg til udøvelse af fremgangsmåden ifølge ikrav 1 eller 2 og med en afgreningsledning (13), der forbinder kompressoren'hedens (7) afgangsledning (10) for komprimeret luft fra kompressorenheden (7) med forbrændingsmotorenheAens (1) udstødsgasledning (12) efter disse gassers afgang fra motorens cylindre (2) samt et organ (27) indrettet til genvinding af energi fra forbrændingsmotorenhedens (1) forbrændingsgasser og overføring af den genvundne energi til en del :af den komprimerede luftstrøm, hvilket organ (7) passeres af afgremingsledningen (13), kendetegnet ved, at energigenvindings- og overføringsorganet (27) består af mindst én ejektor med en indløbsstuds (27b) for den medrevne strøm, hvilken indløbsstuds (27b) er tilsluttet turbinemotorenshedens (8) gasafgangsledning (15).

4. Anlæg ifølge krav 3, kendetegnet v:ed, at afgreningsledningen (13) er tilsluttet ved sin med-strøms ende, fortrinsvis retningsorienterbart til et forbindelsesspiralhus (28) mellem mindst én udstøAskol-lektor (4) for forbrændingsmotorenheden (1) og mindst én turbine for turbinemotorenheden (8), i det væsentlige på tilslutningsstedet mellem en retliniet indløbsstuds (28a) på spiralhuset (28) og den hosliggende ende af den krumme gennemgangsvej i spiralhuset (28).