DK162946B - Installation til energiproduktion med flere arbejdscylindre med diesel-cyklus overfoedet ved alternative kompressorer - Google Patents

Description

i

DK 162946 B

Den foreliggende opfindelse angår installationer til energiproduktion omfattende mindst én dieselmotor med flere arbejds-cylindre, der fungerer i rækkefølge, og af den i krav l's indledning angivne art. En sådan installation kendes fra GB pa-5 tentskrift nr. 1.116.162 Sådanne dieselmotorer overfødes almindeligvis af en roterende kompressor eller en alternativ kompressor, hvis cylindre fungerer faseforskudt. I det andet tilfælde munder alle cylindre 10 i den samme samlekasse eller det samme forgreningsrør. Som følge heraf bevirkes arbejdscylindrenes udskylning ved et i det væsentlige konstant indstrømningstryk. Et termodynamisk studium af de fænomener, der forekommer i løbet af skylningen, viser, at kompressionsarbejdet med overføringen direkte afhæn-15 ger af forskellen mellem middeltrykket for indføring af skyl-leluft og udstrømningstrykket. Som følge heraf bestemmes arbejdet under overføringen af middeltrykket i samlekassen (forgreningsrøret) og ikke af en speciel kompressorcylinders pumpetryk. Man må imidlertid bemærke, at dette er korrekt i til-20 fælde af en motor og en kompressor med flere cylindre. I tilfældet med en installation, der har en eneste kompressorcylinder (som beskrevet i FR-A-1.238.426), er situationen fuldstændigt anderledes, da der ikke er en blandingssamlekasse, der føder flere cylindre.

25

Ved de kendte installationer tabes væsentlige energimængder, når luftstrømmene leveret fra et antal kompressorcylindre, der ikke arbejder simultant, blandes i det samme fordelerkammer.

30 Den foreliggende opfindelse sigter især mod at anvise en installation, hvori arbejdet reduceres væsentligt. Til dette formål er den indledningsvist omtalte installation ifølge opfindelsen ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 anførte. Ved installationen ifølge opfindelsen er hver kom-35 pressorcylinder (eller hvert kompressorcylindersæt, der arbejder synkront) forbundet til en separat enhed, hvorved der spares væsentlige energimængder under drift.

2

DK 162946 B

Ved at indføringsrumfangsvolumenr i overensstemmelse med det i den kendtegnende del af krav 2 anførte er ca. 5 gange slagvolumenet, bevirkes skylningen ved et gradvist faldende indføringstryk, hvilket reducerer det effektuerede arbejde.

5

Den således opnåede gevinst kan forøges yderligere ved det i den kendetegnende del af krav 3 anførte, dvs. ved at anvise udstødningsledninger, der har et konstant tværsnit tæt ved portene, og derpå et langsomt voksende tværsnit, hvilket gør 10 det muligt at fremkalde et hurtigt trykfald i arbejdscylinderen, først til en værdi af størrelsen 1,5 Pe (idet Pe er det tryk, der hersker i udstødningsrumfanget), derpå til en lavere værdi end det tryk, der hersker i udstødningsrumfanget på grund af dannelsen af en trykfaldsbølge. Trykket i cylindren 15 kan holde sig lige til stemplets returslag, indtil indførings-portene lukkes.

Opfindelsen finder især en vigtig anvendelse i installationer af den EP-A-7874 beskrevne art, der omfatter en gasgenerator 20 med frie stempler af multi-tandem-arten og tilknyttet til en gasturbine, jvf. krav 4's indledning, og er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 4 anførte. Generatoren omfatter arbejdscylindre, der arbejder i dieselcyklus og hører til to grupper, der fungerer i modfase, og kompressorcylindre, 25 der ligeledes er delt i to grupper. Ved EP-A-7874 har man allerede foreslået at specialisere kompressorerne på en sådan måde, at visse kompressorcylindre leverer en primær strøm, der føder motorerne, og de andre en anden strøm, der føder en gasturbine samtidigt med gasudstødningen fra arbejdscylindrene.

30 Denne løs-ning har talrige fordele over den hidtil benyttede, når en væsentlig andel af friskluft-ydelsen leveret fra kompressorerne benyttes til at skylle motorerne. Men denne fordel formindskes efterhånden som man benytter en større andel af ydelsen til direkte at føde gasturbinen. Det bliver så mere 35 fordelagtigt at benytte løsningen ifølge den ovenfor definerede opfindelse, hvilket er så meget lettere som man kan anvende et kompressionskammer til hver arbejdscylinder. Det er 3

DK 162946 B

isar muligt at føde hver årbejdscy1 inder begrænset af to hovedstempler ud fra et enkelt kompressorkammer, der er valgt således, at trykslaget falder sammen med det øjeblik, hvor motorens tilsvarende porte er lukkede.

5

De ovenfor definerede dispositioner gør det muligt betragteligt at formindske udstødningsgassernes arbejde. De kan udføres på en arbejdscy1 inder, der omfatter skyl leporte af kendt art. Man ved, at afhængig af om skyl 1eportene er beregnet på 10 en måde til at levere en radial luftstråle eller en luftstråle, der har en tangential komponent, forløber strømningen under skylningens første fase på forskellige driftsmåder. I det første tilfælde sker strømningen af den friske skylleluft i form af en midterstråle, der er omgivet af en ringformet svag 15 strømhvirvel af varme forbrændingsgasser. Denne løsning er fordelagtig ved at sikre en effektiv udskylning. Men der findes ikke nogen rotationsbevægelse for de friske gasser i motoren. Når portene er skrå, deler den friske luft sig derimod langs et ringformet stabilt lag, der roterer og omgiver en 20 kerne af varme gasser: rotationsbevægelsen vedvarer under forbrændingens begyndelse og begunstiger denne. Men skylningen vedrører ikke mere cylindrens midterpart og er kun lidet virkningsfuld.

25 Opfindelsen tilsigter ligeledes at anvise en installation, hvis udskylningsmidler gør det muligt at opnå gunstige rotationsbevægelser samtidigt med, at der sikres en fordelagtig udskylning af hele kraftcy1 indren. For at tilgodese dette foreslås ifølge opfindelsen især en installation, hvor hver 30 arbejdscylinder omfatter skylleporte, der er fordelt regelmæssigt om cylinderen ved dennes ene ende, og udstødningsorganer, såsom porte, der ligeledes er fordelt regelmæssigt ved den anden ende af cylindren, der er begrænset af to stempler, der forskyder sig i modsat retning, hvilke udskylningsporte er 35 fordelt i to successive åbne rækker, hvor portene af den først åbnende række er anbragt således, at de leverer en stråle med en tangentiel komponent, medens de næst efter åbnende porte er 4

DK 162946 B

udformet til at tilvejebringe en stråle, der i det væsentlige er rettet mod aksen, jvf. det i den kendetegnende del af krav 5 anførte.

5 De to rakker fødes af det samme indføringsrumfang, men der er fortrinsvis tilvejebragt organer til at forsinke udskylningsluftens ankomst til portene i den første række. Dette resultat kan især opnås ved at tilvejebringe en sinusformet bane eller et andet rumfang mellem hovedindføringsrumfanget (der direkte 10 føder det andet sats porte) og det første sæts porte.

Under disse betingelser leverer den første portrække en stråle, der f.eks. er orienteret 30° i forhold til den radiale retning, og etablerer en strømning af den ringformet perifere 15 art, drevet med en betragtelig rotationshastighed. Den anden stråle fremkalder en midterstråle uden rotation og sikrer en effektiv udskylning. I løbet af udskylningen og den videre kompression forekommer en progressiv medførsel af de friske gassers midterkerne ved den roterende perifere strømning, 20 hvilket gør det muligt til slut at komme til en som en blok roterende luftmasse med en mere reduceret hastighed end for tidligere kendte motorer, men under bevarelse af den tilstræbte gunstige virkning på forbrændingen.

25 Når der er tilvejebragt to udskylningsportrækker, er det i-øvrigt fordelagtigt, at placere organer, der forsinker, og eventuelt nedsætter hastigheden for, den friske lufts ankomst via den første rækkes porte, og man kan således give fronten af den friske luft, der bevæger sig frem langs cylindren hen 30 imod udstødningsportene, et forløb, der yderligere nærmer sig en vinkelret på aksen stående front.

I en flertandemsgasgeneratoi—installation indrettes hver kompressionscylinder, eller i det mindste hvert kompressionskam-35 mer, til en bestemt strøm. I det ovenfor nævnte skrift EP-A-7874 leverer f.eks. visse kompressorcylindre en primær luftstrøm, beregnet til motoren, medens andre leverer den sekun- 5

DK 162946 B

dære luftstrøm, beregnet til turbinen. Men under disse betingelser er udskylningsforholdet (dvs. forholdet mellem den luftmængde, der passerer gennem motorerne og disse motorers slagvolumen) fast eller kan højst ændres i store spring. Den fore-5 liggende opfindelse tilsigter endvidere at anvise mere nøjagtige tilpasningsorganer for udskylningsforholdet efter udskylningsbehovene for den ovenfor definerede art. Til dette formål foreslås ifølge opfindelsen endvidere at indrette visse install ationskompressorer til en enkelt strøm og andre cylindre 10 til to strømme, idet der tilvejebringes kontraventiler, der munder i to særskilt indrettede samlekasser eller forgreningsrør, en for den første strøm og en for den anden strøm.

Opfindelsen forklares nærmere i den efterfølgende beskrivelse 15 af specielle udførelsesformer, der gives som ikke begrænsende eksempler. Beskrivelsen henviser til tegningen, hvori fig. 1, 2 og 3 er skematiske tegninger, der i forskellige funktionscyklustrin viser en arbejdscylinders og en kompressorcy-20 linders komponenters placering for en installation ifølge en udførelsesform for opfindelsen, fig. 4 skematisk viser et snit langs et plan, der forløber langs en arbejdscylinders længdeakse, og viser den takket være 25 opfindelsen opnåede ændring af udskylningsgassens forplant ningsf ront, fig. 5 viser skematisk i stor målestok et snit, der følger et plan, der passerer arbejdscylinderens akse, og med en mulig 30 placering af udskylningsportene, fig. 6 og 7 viser orienteringen for udskylningsportene for de to i fig. 5 illustrerede rækker, 35 fig. 8 viser skematisk forplantningsfronterne for udskylning i en arbejdscyl inder udstyret med porte af den i fig. 5-7 viste art, og 6

DK 162946 B

fig. 9 er et principskema, der viser to kompressorer af en gasgeneratorinstallation med frie stempler, hvor den ene af de to kompressorcylindre er blandet i det betydning, at den dels er indrettet til det primære luftkredsløb og dels til det se-5 kundære luftkredsløb.

Under henvisning til fig. 1-3 beskrives først en funktionscyklus for en samling omfattende alene en arbejdscylinder 10 og en kompressorcylinder 12 af en gasgenerator med frie 10 stempler, der generelt har den i det allerede nævnte skrift EP-A-7874 beskrevne udformning. Kompressorcylinderen 12 rummer et stempel 14, der adskiller et kompressionsrum 16 for den første strøm og et rum 18 for den anden strøm og som direkte føder en ikke vist gasturbine. Rummet 16 har kontraventiler 15 for indfø-ring af frisk luft og kontraventiler 22 mod et indføringsrumfang 24. Stemplet 14 er mekanisk koblet til hovedstemplet 26, der med et symmetrisk stempel 28 afgrænser et motorkammer 30, der i stemplerne 26 og 28's maksimale spred-ningsstilling har et rumfang, der omtrent er lig med en 1/5 af 20 indføringsrumfanget 24's volumen. Stemplet 26 samvirker med skylleporte 32, medens stemplet 28 samvirker med udstødningsporte 34, der munder i et rør 36, der begrænser et udstødningsrumfang 38, der er forbundet til en højttryksturbine (ikke vist).

25

Fig. 1 viser i fuldstreg det mobile udstyr, der omfatter stemplerne 14, 26 og 28 i øjeblikket for udstødningsportene 34's åbning, dvs. i det øjeblik, hvor uddrivningsstødet opstår. 0a placeringsforskellene for portene 32 og 34 er givet, er ud- 30 skylningsportene stadig lukket. Hovedstemplerne fjerner sig fra hinanden. Kompressionsrummet 16 er under indsugning, og stemplet 14 fjerner sig fra den plade, der bærer ventilerne 20 og 22. I indføringsrumfanget hersker et tryk Pc, medens trykket i kompressorrummet 16.er i det væsentlige lig med indfø-35 ringstrykket Pa. Det i motorcylinderen 30 herskende tryk er i det væsentlige lig med 3Pe.

7

DK 162946 B

Ved hjalp af en passende konstruktion af udstødningsportene 34 og deres forbindelse med røret 36 forøges totaltrykket ved rørindløbet følgelig hurtigt og når en værdi på ca. 1,5 Pe.

5 Hovedstemplerne åbner derefter udskylningsportene 32, som vist i punktstreg i fig. 1. Indføringsrumfanget 24 er så i forbindelse med motorcylinderen 30. Så snart uddrivningsstødet har fået trykket, der hersker i motoren, til at falde under Pc, begynder indføringsrumfanget 24 at udtømme sig i motoren for 10 at skylle.

Denne skylleproces fortsætter lige til det mobile udstyr har nået deres maksimale forløb, dvs. det ydre dødpunkt, som vist i fuldstreg i fig. 2. Det bevægelige udstyrs bevægelse vendes 15 om, som angivet ved pilene f. Motorens skylning fortsætter som angivet ved pilene F. Indføringsrummet 24 er stadig i forbindelse med motoren og isoleret fra kompressoren.

Nu begynder fasen med kompression i motoren og kompressoren 20 12's fortrængning hen imod indføringsrumfanget. I løbet af forskydningen, hvor hovedstemplerne 26 og 28 (i punktstreg i fig. 2) nærmer sig hinanden, lukker stemplerne 26 og 28 successivt skylleportene 32 og derefter udstødningsportene 34, og isolerer motoren fra indføringsrumfanget 24. Kompressoren 12 25 lader i mellemtiden dette indføringsrumfang 24, hvis tryk stiger.

Når hovedstemplerne når til det indre dødpunkt, begynder deres forskydning at vendes om, brændstoffet indsprøjtes i motoren 30 og forbrændingen begynder.

Slutteligt finder motorens ekspansion sted samtidigt med kompressorens dødrum, medens indføringsrumfanget 24 er klar til udtømning (fig. 3) og cyklen gentages.

Hvad enten skylningen bevirkes med et konstant indføringstryk eller et variabelt tryk, vil en traditionel placering af por- 35 8

DK 162946 B

tene bevare de ovennævnte mangler, nemlig udstødningens ufuldstændige karakter ved indsprøjtning af en tangentiel stråle.

Der er ingen rotationsbevægelser, der begunstiger forbrændingen, hvis strålerne er rettet radialt.

5

Man kunne formode, at det er muligt at fjerne denne vanskelighed ved at give skylleportene en snoet, proptrækkeragtig form, således at luftindsprøjtningen bevirkes med en tangentiel komponent i portdelen nærmest ved midterplanet og radialt i par-10 ten længst fra midterplanet. Men bortset fra vanskelighederne ved at realisere sådanne porte er der et yderligere problem, der skyldes længdeforskellen mellem banerne af de forskellige luftstråler. Denne forskel ville resultere i en grænseflade for luft med den form, der er vist i fuld streg i fig. 4, når 15 friskluftstrømmen når skylleportene. Som følge heraf ville en kerne af forbrændte gasser blive fanget i cylinderen.

Nedenfor beskrives et skyllesystem med to i længderetningen forsatte portrækker, der forener fordelene ved radialskylning 20 med rotationsskylning. Dette medfører en grænseflade som vist ved punkteret linie i fig. 4.

I fig. 5, hvor de til fig. 1 svarende dele er angivet ved de samme henvisningstal, ses et indføringsrumfang 24 udformet i 25 cylinderen 30's motorblok og i direkte forbindelse med en række af indføringsporte 322» der udmunder radialt i cylinderen (fig. 6). En anden række af porte 32χ placeret således, at de åbnes først af stemplet 26 under ekspansionen, er derimod orienteret skråt, med en vinkel i forhold til radialplanet på 30 almindeligvis ca. 30° (fig. 7).

For at forsinke leveringen af en luftstrøm gennem portene 32j, der åbnes først, er der organer som vist i fig. 5. Sådanne organer formindsker drivtrykket, der virker på den perifere 35 luftstrøm, der leveres fra portene 32χ og nedsættter deres hastighed. Det forsinker endvidere den effektive strøm gennem portene 32j. Disse to resultater er opnået ved mellem indfø- 9

DK 162946 B

pingsrumfanget 24 og portene 32χ at placere en foldet ledning 40. Ledningen 40 har et lille rumfang i forhold til indføringsrummet, men har en længde der er meget større end den ak-siale afstand mellem portrækkerne 32χ og 322· Denne ledning 40 5 bringer uddrivningen ud af fase og fremkalder et tryktab, der nedsætter det totale fødetryk.

Takket være denne udformning dannes der ved portene 32x's indløb en svag tilbagestrømning fra motorencylindren mod ind-10 føringsrumfanget, når stemplet 26 begynder at åbne portene 32χ som angivet ved punkteret pil i fig. 5. På grund af det store længde/breddeforhold for ledningen 40 sker der ingen væsentlig blanding mellem kold skylleluft og de forbrændte gasser under denne midlertidige tilbagestrømning.

15

Ledningen 40's dimensioner afhænger af hver speciel installations parametre. Men den følger følgende regler: ledningen 40's længde er bestemt således, at forskellen 20 mellem trykket i indføringsrumfanget 24 og trykket i mo toren har allerede ændret fortegn, når ekspansionsbølgen, der skyldes kompressionsbølgens reflektion ved ledningen 40's ende, når portene 32χ, hvilket begrænser tilbagestrømningen , 25 - varigheden for bølgernes frem og tilbagegående bevægelse skulle være sådan, at stemplet 26 har åbnet portene 32χ fuldstændigt tidspunktet for returslag, 30 - portene 322 begynder at åbnes, når luftmassen, der er ind ført i motoren via portene 32χ, er af samme størrelsesorden som den oprindeligt fra motoren i retning mod ledningen 40 komprimerede gasmasse.

35 Tilstedeværelsen af to portrækker og ledningen 40 medfører andre gunstige resultater. Da man accepterer en første tilbagestrømning af gasserne, kan skylleportene 32x-322's totale

DK 162946 B

længde forøges med ca. 30% for det samme nyttige slagvolumen.

Ved at bringe uddrivningen fra portene 32^ ud af fase sænkes af den perifere del af friskluftsfronten eller -grænsen.

5 For at opnå denne forsinkende virkning benyttes tryktabene hen ad ledningen 40. Almindeligvis vil ledningen 40 blive dimensioneret til at påtrykke et tryktab af samme størrelsesorden som fremkaldt ove portene 32j, hvilket reducerer lufthastigheden ved portene i et forhold, der tilnærmelsesvis svarer til 10 de perifere og aksenære luftstrenges eller -strømmes gennemløbne afstande.

Fig. 8 viser resultatet af en simulering gennemført for at bestemme friskluftindtrængningsfronterne i cylinderen 30, når 15 portene er af den i fig. 5 viste art. De ved henvisningstallene 1, 2, 3, 4 og 5 identificerede kurver viser fronterne ved henholdsvis 2ms, 6ms, 10ms, 16ms og 20ms efter åbningens begyndelse for den anden portrække.

20 For at forsinke portene 32i's fødning, er andre løsninger mulige, især anvendelsen af åbningsventiler, der er styret med forsinkelse eller ventiler indstillet til at åbne automatisk og indskudt mellem indføringsrummet og det første sæts porte 32*.

25

Under henvisning til fig. 9 beskrives en udformning, der giver bedre mulighed for at indstille skyl 1 el uftmængden styret mod arbejdscyl indrene i en gasgenerator, og som kan have den generelle udformning, der er beskrevet i det ovenfor nævnte 30 skrift EP-A7874. Fig. 9 viser kun to af de otte kompressorer, som en sådan generator omfatter. Kompressoren 42 er beregnet til alene at levere atmosfærisk luft til det sekundære kredsløb via en varmeveksler 44, beregnet til at opvarme denne. Efter at luften har passeret varmeveksleren 44, sendes den til 35 en højttryksgasturbine 46.

Ved hjælp af en anden kompressorcylinder 12, hvor i det mindste det andet rum begrænset af kompressorstemplet 14 i cylin-

Claims (7)

10 Den i fig. 9 viste løsning gør det desuden muligt at disponere over en meget større bevægelsesfrihed mellem mængdeforholdene for den primære og den sekundære luft, leveret af kompressorsamlingen. 15 Patentkrav.

1. Installation til energiproduktion og omfattende mindst en dieselmotor med flere arbejdscy1 indre (10), der fungerer i 20 rækkefølge, og som er overfødet af flere alternative kompressorcylindre (12, 16), der leverer skylleluft til motoren, hvor hver arbejdscylinder (10) fødes med skylleluft via et til denne hørende indføringsrumfang (24), hvis volumen er lig med flere gange den pågældende arbejdscylinders slagvolumen, 25 kendetegnet ved, at der til hvert par arbejdscy- linder (10) med indføringsrumfang (24) er tilknyttet en kompressorcylinder (12, 16), der udelukkende føder det nævnte indføringsrumfang (24), og som er den af kompressorcylindrene (12), hvis trykslag forekommer og afsluttes, når arbejdscylin-30 derens (10) skylleporte (32) er lukkede.

2. Installation ifølge krav l, kendetegnet ved, at indføringsrumfangets (24) volumen er ca. fem gange cylindrenes slagvolumen. 35

3. Intallation ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at arbejdscylindrens (10) udstødningsledninger (36), der DK 162946 B er placeret modsat til indføringsportene (32) i arbejdscylin-deren (10), har et konstant tværsnit tæt ved udstødningsportene (24) og derpå et langsomt voksende tværsnit for fremkaldelse af et hurtigt trykfald i arbejdscylindren (10) så snart ud-5 stødningsportene åbnes.

4. Installation ifølge krav 1, 2 eller 3 og af den art, der omfatter en gasgenerator med frie multi tandemstempler for de nævnte arbejdscylindre og en gasturbine, der modtager arbejds- 10 cylindrenes udstødningsgas, kendetegnet ved, at hver arbejdscylinder (10), begrænset af to motorstempler (26, 28), fødes ud fra et enkelt kompressorrum (16) begrænset af en dobbeltvirkende kompressorcylinder (12) og af et stempel (14) drevet af en af cylinderens stempler (26), valgt på en sådan 15 måde, at kompressorens trykslag falder sammen med det øjeblik, hvor de tilsvarende porte (32, 34) i motoren er lukket.

5. Installation ifølge krav 4 og hvor hver arbejdscylinder omfatter skylleporte (32) eller ventiler, der er fordelt re- 20 gelmæssigt om cylinderen ved en af dennes ender og udstød ningsorganer, såsom portene (34), der ligeledes er fordelt regelmæssigt ved den anden ende af cylinderen begrænset af to stempler (26, 28), der forskydes i modsatte retninger, kendetegnet ved, at skylleportene er fordelt i to ræk-25 ker, der åbnes successivt, at portene (32^) af den først åbnede række er placeret således, at de leverer en stråle med en tangentiel komponent, medens de dernæst åbnede porte (312) er udformet til at levere en stråle, der er rettet i det væsentlige mod aksen. 30

6. Installation ifølge krav 5, kendetegnet ved, at de to rækker (32^, 322) fødes af det samme indføringsrumfang (24), idet der er tilvejebragt organer til at forsinke skylleluftens ankomst til den første rækkes porte (32^). 35

7. Installation ifølge krav 6, kendetegnet ved, at de nævnte organer udgøres af en ledning (40) med et sinus- 5 DK 162946 B formet spor mellem indføringsrumfanget (24) og det første sats porte (322)« 10 15 20 25 30 35