FI123015B - Moottorilaitteisto - Google Patents

Description

Moottorilaitteisto

Keksintö koskee moottorilaitteistoa, joka käsittää iskumäntäpoltto-moottorikoneen polttoaineen itsesytytyksellä, pakokaasuturboahtimen ja laitteen 5 pakokaasulämmön muuttamiseksi höyryksi.

Tällaisia suuria iskumäntäpolttomoottorikoneita käsittäviä laitteistoja käytetään laivoissa ja kiinteissä voimalaitoksissa. Tällöin pakokaasulämmön muuttamiseen tarkoitetulla laitteella tuotetaan höyryä, jota käytetään esimerkiksi höyryturbiinin käyttämiseen, kuumennustarkoituksiin tai prosessihöyrynä. 10 Tämä lähtökohtana keksinnön tarkoituksena on saada aikaan moni- vaiheisesti ahdettuihin iskumäntäpolttomoottorikoneisiin soveltuva, höyryä mahdollisimman korkealla paineella ja korkealla lämpötilalla tuottava moottorilaitteisto.

Keksinnön mukaisesti tämä saavutetaan siten, että pakokaasujohtoon 15 on järjestetty monivaiheisen ahtoryhmän korkeampipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin ja alhaisempipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin väliin ensimmäinen pakokaasukattila ja kaikkien turbiinien taakse toinen pako-kaasukattila.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa ensimmäinen kattila on jär-20 jestetty kaksivaiheisen ahtoryhmän korkeapaineturbiinin ja matalapaineturbiinin väliin sekä toinen kattila matalapaineturbiinin taakse.

Edullisesti toisen pakokaasukattilan poistoaukko on kytketty ensimmäisen pakokaasukattilan sisääntuloon. Tästä on tuloksena se etu, että pakokaasulämmön kaksivaiheinen hyödyntäminen voi tapahtua ilman pakokaasuläm-25 pötilan kohoamista iskumäntäpolttomoottorikoneen takana. Jos on tarkoitus tuot-taa höyryä pakokaasun lämmöllä höyryturbiinille, ensimmäinen pakokaasukat-5 tila toimii ylikuumentimena.

CNJ

^ Lopuissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on ilmoitettu rivi yk- ° sittäin tai yhdessä järjestettäviä kytkentämahdollisuuksia, jotka sallivat, että jo-

CVJ

° 30 kaista käyttötapausta ja käyttötilaa varten iskumäntäpolttomoottorikoneen tehon | ja paineen sekä höyryn lämpötilan välinen optimointi on mahdollista.

^t· Piirustuksessa on toistettu kuvioissa 1 ja 2 keksinnön kaksi suori- o § tusesimerkkiä kaavamaisesti.

o Kuviossa 1 iskumäntäpolttomoottorikone on merkitty numerolla 1, jon- 00 35 ka jälkeen on kytketty kaksivaiheinen ahtoryhmä. Polttomoottorikoneesta 1 joh taa ensimmäinen, numerolla 2 merkitty pakokaasujohdon osuus turbiiniin 3, joka 2 käyttää akselin 4 kautta ahdinta 5. Turbiini 3 ja ahdin 5 muodostavat ahtoryhmän korkeapainevaiheen. Turbiinista 3 johtaa pakokaasujohdon jatko-osuus 6 ensimmäiseen pakokaasukattilaan 7. Pakokaasukattilan 7 läpi siirtyvä pakokaasu pääsee sen jälkeen pakokaasujohdon osuuden 8 kautta turbiiniin 9, joka on kytket-5 ty akselin 10 kautta ahtimeen 11. Turbiini 9 ja ahdin 11 muodostavat ahtoryhmän matalapainevaiheen. Turbiinista 9 pakokaasu pääsee pakokaasujohdon osuuden 12 kautta toiseen pakokaasukattilaan 13. Toisen pakokaasukattilan 13 poisto-aukko on kytketty johdon 18 kautta ensimmäisen pakokaasukattilan 7 imuvent-tiiliin. Tässä toisen pakokaasukattilan 13 poisto-aukkoon sijoitetusta johdosta 19 10 haarautuu johto 25, joka johtaa toiseen ahtimeen, esimerkiksi kuumennuslait-teeseen. Johto 25 käsittää samoin kuten johto 19 kulloinkin erilaisille läpivirtaus-määrille säädettävän sulkuelimen 26 tai 27. Tällöin johto 25 voi lähteä myös suoraan pakokaasukattilasta 13.

Laitteiston käytössä tapahtuu myös lämpötilahäviön jakautuminen 15 analogisesti painehäviön jakautumiseen nähden molemmille turbiineille 3 ja 9. Molempien turbiinien välinen lämpötila on lämpötilojen välillä, jotka ovat ennen turbiinia 3 ja turbiinin 9 jälkeen. Koska pakokaasukattila 7 on järjestetty molempien turbiinien väliin, voidaan saavuttaa suhteellisen korkea höyrylämpötila. Jos käytetään pakokaasukattiloiden 7 ja 13 tuottamaa höyryä höyryturbiiniproses-20 sissa, tämä merkitsee suhteellisen korkeaa höyryturbiinin hyötysuhdetta.

Pakokaasukattiloiden 7 ja 13 mitat määräytyvät toteutettavan tilavuus-virran perusteella. Koska pakokaasu turbiinien 3 ja 9 välissä ei ole vielä täysin vapautunut, tilavuusvirta pakokaasukattilan 7 läpi on pienempi kuin turbiinin 9 jälkeen. Tämä johtaa siihen, että pakokaasukattilan 7 mitat voidaan valita pie-25 nemmiksi.

Ahtoilma virtaa ahtimen 11 läpi ja sen jälkeen sijoitetun lämmönvaih-5 timen 14 läpi, jossa se jäähdytetään. Lämmönvaihtimesta 14 ahtoilma pääsee

CNJ

^ korkeapainepakokaasuturboahtimen ahtimeen 5, josta se johdetaan toisen ° lämmönvaihtimen 15 kautta iskumäntäpolttomoottorikoneeseen 1.

° 30 Iskumäntäpolttomoottorikoneen 1 kuormitusmuutoksissa voi esiintyä | sellaisia ongelmia, että turbiinien 3 ja 9 väliin järjestetty pakokaasukattila 7 toi- ^ mii lämmönkerääjänä. Tämä saattaa johtaa siihen, että pakokaasuenergiatarjonta o § turbiinille 9 ontuu kuormitusmuutoksen jälkeen. Tämän välttämiseksi voidaan o käyttää pakokaasukattilaa 7, jossa on ohitusjohto 16. Ohitusjohto 16 lähtee osuu- 00 35 desta 6 ja päättyy osuuteen 8. Ohitusjohto 16 käsittää sulkuelimen 17, joka on tarkoituksenmukaisesti säädettävissä erilaisille läpivirtausmäärille. Osuudelle 6 3 on järjestetty ohitusjohdon 16 haarajohdon ja ensimmäisen pakokaasukattilan 7 väliin toinen sulkuelin 18. Jos sulkuelin 17 on suunniteltu läpivirtamäärän sääntelyyn, silloin sulkuelin 18 on toteutettu samalla tavalla. Molemmat sulkuelimet 17 ja 18 voidaan kytkeä, mitä ei ole esitetty piirustuksessa, sopivalla tavalla niin, 5 että sukuelimen 17 avautuminen saa samanaikaisesti aikaan sukuelimen 18 sulkeutumisen. Sukuelinten 17 ja 18 vastaavalla ohjauksella pakokaasu voidaan johtaa joko kiinteässä käytössä pakokaasukattilan 7 läpi tai kuormitusmuutoksissa tämän ohitse.

Pakokaasukattilan 7 läpi tapahtuvan pakokaasuenergian poisvetämi-10 sen seurauksena on, että iskumäntäpolttomoottorikoneen ahtopaine laskee. Tietyissä rajoissa tämä on siedettävissä. Se voi kuitenkin johtaa lämpöongelmiin, jos ahtopaineen lasku tulee liian suureksi. Tässä tapauksessa ainakin toinen turbiineista 3, 9 voidaan varustaa erilaisille läpivirtausmäärille säädettävällä johtolaitteella.

15 Toinen vaihtoehto tarjoutuu siten, että iskumäntäpolttomoottorikone varustetaan ohjausaikojen muuttuvaan säätämiseen tarkoitetulla laitteella. Esimerkiksi nelitahti-iskumäntäpolttomoottorikoneen tapauksessa tämä voi tapahtua siten, että imuventtiilien ohjausajat ovat muuttuvia. Nelitahti-iskumäntä-polttomoottorikoneen tapauksessa poistoventtiilien ohjausajat voidaan suunni-20 telia muuttuvasti säädettäväksi. Nelitahti-iskumäntäpolttomoottorikoneilla myöhemmällä imuventtiilin sulkemisella tai kaksitahti-iskumäntäpolttomoottori-koneilla aikaisemmalla poistoaukon sulkemisella voidaan vastustaa ahtopaineen laskun vaikutuksia korkealla höyrytuotannolla.

Kuviossa 2 on esitetty eräs toinen suoritusmuunnos. Tässä osat, jot-25 ka täsmäävät kuvion 1 mukaisen laitteiston kanssa, on varustettu samoilla vii-temerkeillä. Kuvion 1 mukaiseen järjestelyyn on lisäksi järjestetty yhdensuuntai-o sesti jokaiseen turbiiniin 3, 9 nähden ohitusjohto 20 tai 21. Jokainen ohitusjoh-

CNJ

^ to 20, 21 käsittää sulkuelimen 22 tai 23. Sulkuelimet 22, 23 ovat puolestaan ^ säädettävissä erilaisille läpivirtausmäärille. Esitetyssä suoritusesimerkissä ohi- ° 30 tusjohdot 20, 21 on kytketty ohitusjohtoon 16 niin, että voidaan toteuttaa mo- | lemmat turbiinit 3, 9 ohittava ohitus. On kuitenkin myös mahdollista järjestää ai- ^ noastaan yksi ohitusjohto 20 tai 21.

o § Ohitusjohdot 20, 21 ovat vaihtoehto turbiineille, joilla on säädettävä § johtolaite tai venttiilin muuttuvat ohjausajat. Jos pakokaasusta poistetaan lämpöä ^ 35 pakokaasukattilan 7 kautta, jolloin sulkuelin 18 on avoin ja sulkuelin 17 suljettu, niin ahtopaine on alhainen. Tässä tapauksessa sulkuelimet 22, 23 ovat suljetut.

4

Jos nyt pakokaasukattila 7 kytketään pois päältä sulkemalla sulkuelin 18 ja avaamalla sulkuelin 17, niin pakokaasusta ei poistu enää yhtään lämpöä pako-kaasukattilan kautta. Sen seurauksena ahtopaine nousee. Tämän kompensoimiseksi sulkuelimet 22, 23 on avattava. Turbiinit 3 ja 9 saavat siten ainoas-5 taan niin paljon pakokaasua, että vaadittu ahtopaine säilyy. Ei-tarvittu pakokaasu virtaa suoraan pakokaasukattilaan 13. Tässä tapauksessa on tarkoituksenmukaista sulkea myös sulkuelin 17.

CVJ

δ

CVJ

oo o

CVJ

o

X

cc

CL

O

o o m o o

CVJ

Claims (12)

1. M oottori I a itte i sto, joka käsittää iskumäntäpolttomoottorikoneen polttoaineen itsesytytyksellä, pakokaasuturboahtimen sekä laitteen pakokaasuläm-mön muuntamiseksi höyryksi, jolloin pakokaasujohtoon (2, 6, 8, 12) on järjes-5 tetty ensimmäinen pakokaasukattila (7) monivaiheisen ahtoryhmän korkeam-pipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin (3) ja matalampipaineisella pakokaasulla paineistetun turbiinin (9) väliin, tunnettu siitä, että että pakokaasun reitille on järjestetty kaikkien turbiinien taakse toinen pakokaasukattila (13).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottorilaitteisto, tunnettu sii tä, että ensimmäinen pakokaasukattila (7) on järjestetty kaksivaiheisen ahtoryhmän korkeapainevaiheen turbiinin (3) ja matalapainevaiheen turbiinin (9) väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen moottorilaitteisto, tunnet- 15. u siitä, että toisen pakokaasukattilan (13) poistoaukko on kytketty johdon (18) kautta ensimmäisen pakokaasukattilan (7) sisääntuloon.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, tunnettu siitä, että johto (19) käsittää sulkuelimen (27) ja että toisen pakokaasukattilan (13) poistoaukkoon liittyy toinen, sulkuelimen (26) käsittävä, toiseen 20 ahtimeen johtava johto (25).

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, tunnettu siitä, että on järjestetty ensimmäisen pakokaasukattilan (7) ohittava ohitusjohto (16) ja että ohitusjohtoon (16) sekä pakokaasujohdon osuudelle (6) on järjestetty ohitusjohdon (16) haarajohdon ja ensimmäisen pakokaa- 25 sukattilan (7) väliin kulloinkin sulkuelin (17, 18). c\j

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, ^ tunnettu siitä, että on järjestetty ainakin yksi turbiinin (3, 9) ohittava ohitus- οό johto (20, 21) ja että jokaiseen ohitusjohtoon (20, 21) on järjestetty sulkuelin (22, Z 23). o x 30

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, ^ tunnettu siitä, että sulkuelimet (17, 18, 22, 23, 26, 27) ovat säädettävissä S erilaisille läpivirtausmäärille. o

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, o tunnettu siitä, että sulkuelin (17) ohitusjohdossa (16) ja sulkuelin (18) pako- 35 kaasujohdossa (6) on kytketty keskenään yhteistä säätöä varten.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, tunnettu siitä, että ainakin toinen turbiineista (3, 9) on varustettu erilaisille läpivirtausmäärille säädettävällä johtolaitteella.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottorilaitteisto, 5 tunnettu siitä, että iskumäntäpolttomoottorikone käsittää laitteen ohjausai- kojen muuttuvaan säätämiseen.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen moottorilaitteisto, jossa on jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen nelitahti-iskumäntäpolttomoottori-kone, tunnettu siitä, että imuventtiilien ohjausajat ovat muuttuvia.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen moottorilaitteisto, jossa on kaksi- tahti-iskumäntäpolttomoottorikone, tunnettu siitä, että poistoventtiilien ohjausajat ovat muuttuvia. CVJ δ CVJ i 00 o CVJ o X cc CL o o o m o o CVJ