DK174205B1 - Svingningskompensator til en forbrændingsmotor samt fremgangsmåder til igangsætning af disse - Google Patents

Description

i DK 174205 B1

Opfindelsen angår svingningskompensator til en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, med mindst en svingvægt, der er excentrisk monteret på en aksel, som af en drivmotor er roterbar med en 5 frekvens, der er afpasset efter forbrændingsmotorens omdrejningstal.

Svingningskompensatorer af denne art er velkendte inden for skibsmaskinanlæg og er eksempelvis beskrevet i EP 0 010 973. Kompensatorerne mindsker eller helt 10 udligner udvalgte kræfter eller momenter, som fremkommer ved forbrændingsmotorens drift. Uden kompensering ville de udvalgte kræfter eller momenter give uhensigtsmæssigt store vibrationer af forbrændingsmotoren med tilhørende elementer, såsom akselsystemet.

15 For at give den ønskede svingningsdæmpning skal svingningskompensatoren følge motorens omdrejningstal med en bestemt fasestilling i forhold til forbrændingsmotoren, dvs. kompensatoren skal ved kontinuert drift være faselåst til motoren. Dette kan ske ved en aktiv, 20 løbende regulering af drivmotoren, eksempelvis ved at regulere mængden af tryksat hydraulisk drivmiddel til en hydraulisk virkende drivmotor.

Det er et formål for opfindelsen at anvise en alternativ løsning til frembringelse af faselåsningen 25 mellem svingningskompensatoren og forbrændingsmotoren.

Med henblik herpå er svingningskompensatoren ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at drivmotoren ved kontinuert drift af forbrændingsmotoren virker som en synkronmotor, hvis fasestilling og omløbstal synkront 30 følger en elektrisk vekselspænding, hvis frekvens står i et fast forhold til forbrændingsmotorens omdrejningstal .

En synkronmotor har den egenskab, at den uden styring kører faselåst i forhold til den elektriske 35 vekselspænding, som forsyner synkronmotoren med effekt.

DK 174205 B1 2

Ved at anvende en drivmotor, der virker som synkronmotor ved kontinuert drift, og at effektforsyne drivmotoren med en vekselspænding med en frekvens, der står i et fast forhold til forbrændingsmotorens omdrejnings-5 tal, er der med enkle midler og på rent elektrisk vis frembragt den nødvendige faselåsning mellem sving-ningskompensatoren og forbrændingsmotoren.

Det foretrækkes, at drivmotoren virker som asynkronmotor ved igangsætningen af svingningskompensatoren 10 og som synkronmotor i den kontinuerte driftstilstand.

Selve drivmotoren er dermed i stand til at accelerere svingningskompensatoren fra stilstand til det synkrone omdrejningstal i den kontinuerte driftstilstand uden anvendelse af supplerende drivenheder. Dette giver en 15 særdeles enkel og driftssikker udformning af kompensa-toren.

I en alternativ udformning er drivmotoren en synkronmotor, der startes af et separat igangsætnings-drev for at afhjælpe den ulempe ved synkronmotoren, at 20 den ved stilstand ikke har noget startmoment. Igangsætningsdrevet kan eksempelvis være en asynkronmotor eller en hydraulikmotor, der via en drevforbindelse er koblet til svingvægtens aksel.

Det er naturligvis muligt at anvende den elektri-25 ske drivmotor til at rotere en svingvægt, hvis aksel forløber vandret, men det foretrækkes, at den af drivmotoren drevne aksel med svingvægten har i det væsentlige lodret forløbende omdrejningsakse. Det krævede drivmoment har dermed en såpas lille størrelse, 30 at standardfremstillede elektriske motorer med fordel kan anvendes. Når forbrændingsmotoren anvendes på et skib er det klart, at der ved vægtændringer i skibet og under sejlads forekommer bevægelser, som stiller omdrejningsaksen i en spids vinkel i forhold til en 35 lodlinie. Når der ved den foreliggende opfindelse tales 3 DK 174205 B1 om lodret skal det ikke forstås som fysisk lodret, men blot som noget, der mere eller mindre forløber i op- og nedadgående retning.

I en udførelsesform, der er specielt anvendelig 5 til stationære motorer eller til skibsmotorer med konstant omdrejningstal, er den elektriske vekselspænding udtaget fra et forsyningsnet, hvortil en af forbrændingsmotoren drevet generator producerer strøm.

Da generatoren kører synkroniseret med forsynings-10 nettet, kan dette uden videre på denne måde bruges som et effektivt middel til at faselåse svingningskompensa-toren til forbrændingsmotoren.

I en anden udførelsesform, der er specielt anvendelig til skibsmotorer med variabelt omdrejningstal, 15 er den elektriske vekselspænding er udtaget fra en frekvensomformer, hvis frekvens er styret af en drejningssignalgiver, som aftaster drejningsbevægelsen for en roterende aksel på motoren, såsom krumtapakslen.

Denne udførelsesform er også anvendelig til motorer med 20 konstant omdrejningstal, men da der både kræves en drejningssignalgiver og en frekvensgenerator, er den ikke foretrukken til sådanne motorer.

Når svingningskompensatoren har lodret forløbende omdrejningsakse, kan der med fordel på forbrændings-25 motoren monteres to svingvægte med tilhørende drivmotorer. Svingvægtene kan afhængigt af indbyrdes omdrejningsretning og faseforskel bringes til at frembringe pulserende ydre kræfter, som kun virker i få bestemte retninger, fordi kræfterne fra de to kompensa-30 torer ophæver hinanden i de hermed ortogonale retninger .

Med henblik på at kompensere for guidetryks-momenter af såkaldt X-type, der udsætter motorstativet for vridende påvirkninger omkring en vandret langs-35 gående akse og fremkalder generende tværgående vibra- DK 174205 B1 4 tioner af motortoppen, hvor de to ender af motoren vibrerer i modfase, kan de to svingvægte være monteret ved forbrændingsmotorens for- og bagende og af driv-motorerne være drevet med en indbyrdes faseforskel på 5 180° og med ens rotationsretning. Svingvægtene kører fasemæssigt indstillet i forhold til forbrændingsmotoren, således at de to varierende tværkræfter frembragt af svingvægtene virker direkte imod motortoppens tværgående bevægelser, der dermed mindskes.

10 Det kan også være fordelagtigt, at de to sving vægte er monteret ved den ene ende af motoren, eksempelvis på fundamentet for akslens trykleje, og af drivmotorerne er drevet med en indbyrdes faseforskel på 0° og med modsatte omdrejningsretninger. Derved frem-15 kommer en varierende aksialtrettet kraft til dæmpning af aksialsvingninger fra propeller- og mellemakslerne.

Det er endvidere muligt at placere to svingvægte ved motortoppen og at lade dem drive med en indbyrdes faseforskel på 0° og med modsatte omdrejningsretninger, 20 så der fremkommer en pulserende kraft, der afhængigt af fasestillingen i forhold til motoren virker i motorens længderetning til kompensering for L-type svingninger af motortoppen, eller virker i tværretningen for kompensering af guidetryksmomenter af H-typen, der 25 sætter motortoppen i tværsvingninger, hvor de to motorender svinger i fase, dvs samtidig til samme side.

Opfindelsen angår endvidere en fremgangsmåde til igangsætning af en svingningskompensator og en forbrændingsmotor, hvor svingningskompensatoren omfatter 30 to svingvægte, der er excentrisk monteret på aksler, der er drevet af tilhørende drivmotorer. Fremgangsmåden er ejendommelig ved, at drivmotorerne startes, og svingvægtene roteres op tilnærmelsesvis til det synkrone omdrejningstal i forhold til et aktivt forsynings-35 net, at svingvægtenes fasestillinger og omdrejningstal 5 DK 174205 B1 synkroniseres ind efter forsyningsnettet og efter hinanden, hvorefter drivmotorerne kører som synkronmotorer, og at forbrændingsmotoren efterfølgende startes og synkroniseres efter kompensatorerne.

5 Ved at starte svingvægtene inden forbrændings motoren opnås god tid til at foretage synkroniseringen, ligesom synkroniseringerne også kan fortages enkeltvis, dvs først en svingvægt ad gangen og derefter forbrændingsmotoren .

10 Det er også muligt, at forbrændingsmotoren startes og driver en generator, der aktiverer forsyningsnettet, at drivmotorerne startes, og svingvægtene roteres op tilnærmelsesvis til det synkrone omdrejningstal i forhold til forsyningsnettet, at svingvægtenes fa-15 sestillinger og omdrejningstal synkroniseres ind efter forsyningsnettet, hinanden og forbrændingsmotoren, hvorefter drivmotorerne kører som synkronmotorer. Denne løsning er særlig anvendelig i et skib, hvor hovedparten af strømmen til forsyningsnettet leveres af 20 forbrændingsmotorens generator.

Opfindelsen beskrives herefter nærmere med henvisning til den stærkt skematiske tegning, hvorpå fig. 1 viser en skitse af en forbrændingsmotor med en svingningskompensator ifølge opfindelsen, 25 fig. 2 i større skala et billede af en af sving vægtene på motoren i fig. 1, fig. 3 et billede af ydre tværkræfter frembragt af svingningskompensatoren for kompensering af H-type svingninger, og 30 fig. 4 et billede af ydre tværkræfter frembragt af svingningskompensatoren for kompensering af X-type svingninger.

En forbrændingsmotor 1 er via en aksel 2 drivende forbundet med en generator 3, der producerer veksel-35 strøm til et elektrisk forsyningsnet, der er antydet DK 174205 B1 6 ved 4. Motoren kan eksempelvis være en totakts krydsho-vedmotor, der afhængigt af motorstørrelsen kan have en effekt beliggende i intervallet 4-60 MW. Motoren kan være en drivenhed i et stationært kraftværk, eller den 5 kan være en skibsmotor, der driver en propellerakse1.

I sidstnævnte tilfælde kan generatoren være direkte drevet af motorens aksel og monteret på motorens forende eller på en mellemaksel, eller generatoren kan være drevet via et gear.

10 Motoren 1 har en svingningskompensator 5 med en svingvægt 6 monteret ved hhv. for- og bagenden af motoren ved toppen af cylinderpartiet for at opnå størst mulig afstand ned til neutralaksen for de tværgående svingninger i motorstativet.

15 I fig. 2 ses, at svingvægten 6 er excentrisk monteret på en lodret forløbende aksel 7, der er drejeligt lejret i ikke viste lejer i de vandrette topog bundvægge i et kompensatorhus 8, der er fikseret til motorens cylinderparti 9, eksempelvis ved svejsning 20 eller påboltning. Akslen 7 rager op gennem topvæggen og bærer en drivskive 10, der via et rem- eller kædetræk er drevet af en elektrisk drivmotor 11. Udvekslingen mellem drivmotoren og akslen kan naturligvis også opnås ad anden vej, såsom ved en traditionel tandhjulsge-25 aring. Det er også muligt at montere drivmotoren direkte på akslen 7 i de tilfælde, hvor drivmotoren kører med det samme omdrejningstal som svingvægten 6.

Drivmotoren 11 kan være en reluktansmotor, der har den specielle egenskab, at den virker som asynkronmotor 30 under igangsætningen og som synkronmotor ved det synkrone omdrejningstal. Drivmotoren kan eksempelvis være af fabrikatet ABB Motors, type MTL, der er en trefaset kortslutningsmotor, hvis rotor har udprægede magnetiske poler, og hvis stator har trefaset vikling.

35 Motoren er koblet i stjerne.

7 DK 174205 B1

Drivmotorens omløbstal og udvekslingen bestemmes på sådan måde, at svingvægten opnår netop den frekvens, der svarer til den svingningsfrekvens, der skal dæmpes.

Som et eksempel kan der ses på kompensering af de 5 tværgående stativsvingninger, der er fremkaldt af det 6 . ordens guidetryksmoment. Forbrændingsmotoren kører typisk med 103,4 rpm eller 102,9 rpm afhængigt af, om forsyningsnettet har en frekvens på 50 eller 60 Hz. Forbrændingsmotorens giver således en grundfrekvens på 10 1,723 Hz eller på 1,715 Hz og frekvensen for 6. ordens svingningerne og dermed svingvægtens rotationsfrekvens ses at være enten 10,34 Hz eller 10,29 Hz. Hvis drivmotoren li har otte poler i fire polpar har den et synkront omdrejningstal på 750 rpm svarende til 12,5 Hz 15 ved en netfrekvens på 50 Hz. Udvekslingsforholdet mellem drivmotoren og akslen 7 er så 1:0,827. Hvis drivmotoren har fire poler i to polpar har den en frekvens på 25 Hz, og udvekslingsforholdet skal så være 1:0,414 OSV.

20 Drivmotoren kan være koblet til et aktivt forsy ningsnet, så den drives af en vekselspænding, der er udtaget fra nettet. Når drivmotoren starter har den et startmoment stort set som en asynkronmotor, og den igangsætter svingvægten. Når drivmotoren nærmer sig det 25 synkrone omdrejningstal, falder drivmomentet, og den træder ind i et indsvingningsområde, hvori rotorens poler faselåses til nettets frekvens, og derefter kører drivmotoren som en synkronmotor.

Når de to drivmotorer er startet enkeltvis og 30 begge er blevet faselåst til nettets frekvens, vil det ofte være sådan, at de to svingvægte ikke kører i den ønskede indbyrdes fasestilling, idet de typisk skal have en indbyrdes faseforskel på enten 0° eller 180°.

Der foretages derfor en indbyrdes synkronisering af de 35 to drivmotorer ved at vekselspændingen til den ene af DK 174205 B1 8 drivmotorerne afbrydes kortvarigt, hvilket får rotoren til at dreje sig et eller flere polpar i forhold til nettet, så fasestillingen ændres. Når de to svingvægte er fuldt synkroniserede, startes forbrændingsmotoren, 5 og synkrongeneratoren 3 synkroniseres ind efter nettet i en fasestilling, der også giver den ønskede synkronisering med svingvægtene. Til brug for synkroniseringen er der for hver af svingvægtene og for forbrændingsmotoren en nulpunktsgiver, der giver et positionssignal 10 hver gang et forudbestemt punkt på den bevægelige del passerer forbi en stationær sensor.

Hvis forsyningsnettet først bliver aktivt, når forbrændingsmotoren kører, er det nødvendigt først at starte forbrændingsmotoren, og derefter at igangsætte 15 svingningskompensatoren.

Hvis forbrændingsmotoren har variabelt omløbstal, hvilket er tilfældet for en hovedmotor i et skib med en propeller med fast stigning (FPP), kan svingningskompensatoren faselåses til forbrændingsmotoren ved at 20 drivmotoren 11 drives af en vekselspænding, der er udtaget fra en ikke vist frekvensomformer, som eksempelvis kan være af fabrikatet Danfoss og have betegnelsen VLT. Frekvensomformeren genererer en frekvens, som er styret til at stemme overens med 25 forbrændingsmotorens øjeblikkelige omdrejningstal ved hjælp af en vinkelenkoder, der aftaster forbrændingsmotorens akselbevægelse. Såvel vinkelenkoderen som frekvensomformeren er standardkomponenter til brug i forbindelse med forbrændingsmotorer.

30 I fig. 3 anskueliggør vektorerne F kræfterne fra de to svingvægte 6, der er placeret ved hver ende af motortoppen. Svingvægtene har en indbyrdes fasestilling på 0° og roterer i modsatte retninger. Kræfterne F kan opløses i to aksialtvirkende kræfter Fa, der ophæver 35 hinanden, og i to tværgående kræfter Ft, der er ydre 9 DK 174205 B1 kræfter, som påvirker hver sin ende af motoren. Disse kræfter kompenserer for svingninger fra H-type guidetryksmomenter .

I fig. 4 anskueliggør vektorerne F kræfterne fra 5 de to svingvægte 6, der er placeret ved hver ende af motortoppen. Svingvægtene har en indbyrdes fasestilling på 180° og roterer i samme retning. Kræfterne F kan opløses i to aksialtvirkende kræfter Fa, der ophæver hinanden, og i to tværgående kræfter Ft, der er ydre 10 kræfter, som påvirker hver sin ende af motoren. Disse kræfter kompenserer for svingninger fra X-type guidetryksmomenter .

15

Claims (11)

1- Svingningskompensator (5) til en forbrændingsmotor (1) , navnlig en totakts krydshovedmotor, med mindst en svingvægt (6), der er excentrisk monteret på 5 en aksel (7), som af en drivmotor (11) er roterbar med en frekvens, der er afpasset efter forbrændingsmotorens omdrejningstal, kendetegnet ved, at drivmotoren (11) ved kontinuert drift af forbrændingsmotoren virker som en synkronmotor, hvis fasestilling 10 og omløbstal synkront følger en elektrisk vekselspænding, hvis frekvens står i et fast forhold til forbrændingsmotorens (1) omdrejningstal.

2. Svingningskompensator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at drivmotoren (11) virker som 15 asynkronmotor ved igangsætningen af svingningskompensa-toren (5) og som synkronmotor i den kontinuerte driftstilstand.

3. Svingningskompensator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at at drivmotoren (11) er en 20 synkronmotor, der startes af et separat igangsætnings-drev.

4. Svingningskompensator ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at den af drivmotoren (11) drevne aksel (7) med svingvægten har i det væsentlige 25 lodret forløbende omdrejningsakse.

5. Svingningskompensator ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at den elektriske vekselspænding er udtaget fra et forsyningsnet (4), hvortil en af forbrændingsmotoren drevet generator (3) pro- 30 ducerer strøm.

6. Svingningskompensator ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at den elektriske vekselspænding er udtaget fra en frekvensomformer, hvis frekvens er styret af en drejningssignalgiver, som 35 aftaster drejningsbevægelsen for en roterende aksel på 11 DK 174205 B1 motoren, såsom krumtapakslen.

7. Svingningskompensator ifølge krav 4 og et af kravene 1-3, 5, 6, kendetegnet ved, at der på motoren er monteret to svingvægte (6) med tilhørende 5 drivmotorer (11).

8. Svingningskompensator ifølge krav 7, kendetegnet ved, at de to svingvægte (6) er monteret ved forbrændingsmotorens (1) for- og bagende og af drivmotorerne (11) er drevet med en indbyrdes 10 faseforskel på 180° og med ens rotationsretning.

9. Svingningskompensator ifølge krav 7, kendetegnet ved, at de to svingvægte (6) er monteret ved mindst den ene ende af motoren (l) og af drivmotorerne (11) er drevet med en indbyrdes fasefor- 15 skel på 0° og med modsatte omdrejningsretninger.

10. Fremgangsmåde til igangsætning af en svingningskompensator (5) og en forbrændingsmotor (1), hvor svingningskompensatoren omfatter to svingvægte (6) , der er excentrisk monteret på aksler (7), der er drevet af 20 tilhørende drivmotorer, kendetegnet ved, at drivmotorerne (11) startes, og svingvægtene (6) roteres op tilnærmelsesvis til det synkrone omdrejningstal i forhold til et aktivt forsyningsnet (4) , at svingvægtenes fasestillinger og omdrejningstal synkroniseres 25 ind efter forsyningsnettet og efter hinanden, hvorefter drivmotorerne kører som synkronmotorer, og at forbrændingsmotoren (1) efterfølgende startes og synkroniseres efter kompensatorerne.

11. Fremgangsmåde til igangsætning af en sving-30 ningskompensator (5) og en forbrændingsmotor (1), hvor svingningskompensatoren omfatter to svingvægte (6) , der er excentrisk monteret på aksler (7), der er drevet af tilhørende drivmotorer, kendetegnet ved, at forbrændingsmotoren (l) startes og driver en generator 35 (3) , der aktiverer forsyningsnettet (4) , at drivmo- DK 174205 B1 12 torerne (11) startes, og svingvægtene roteres op tilnærmelsesvis til det synkrone omdrejningstal i forhold til forsyningsnettet, at svingningsvægtenes fasestillinger og omdrejningstal synkroniseres ind 5 efter forsyningsnettet og efter hinanden, hvorefter drivmotorerne (11) kører som synkronmotorer.