FI82293B - Flermotoranlaeggning omfattande ett flertal turboladdade foerbraenningsmotorer. - Google Patents

Description

j. 82293

Useampia ahdettuja polttomoottoreita käsittävä monimoottori- laitos

Keksintö koskee sen laatuista monimoottorilaitosta, joka käsittää useita turboahdettuja polttomoottoreita kukin omine ahtoilmajärjestelmineen, ja jossa olennaisen osan laitoksen käyttöajasta ainakin yksi moottori käy valmiustilassa ja ainakin yksi moottori käy kuormitettuna.

Moottorin käynti valmiustilassa tarkoittaa tässä yhteydessä, että moottori pitkähköinä aikoina käy tyhjäkäyntiä, siis kuormittamattomana, tai pienellä kuormituksella, esimerkiksi alle noin 25 % moottorin maksimitehosta.

Tämä käyttömuoto - jota yleensä pyritään välttämään - esiintyy omavaraisten, siis ulkopuolisista energialähteistä riippumattomien energialaitosten yhteydessä, joissa tarvitaan suurta varmuusastetta keskeytyksettömään energian tuotantoon nähden. Tällaisia energialaitoksia käytetään tyypillisesti laivoissa, porauslautoilla ja muiden energiaan nähden eristettyjen yksikköjen yhteydessä.

Sen varmistamiseksi, että kaikissa käyttöolosuhteissa voidaan täyttää ajankohtainen energiantuotannon tarve, on pakko ja tavallisesti määrättykin varustaa laitos useilla vara-tai apumoottoreilla, jotka tarpeen vaatiessa ja tällöin melko lyhyin ennakkovaroituksin on voitava kytkeä mukaan osallistumaan energian tuotantoon ja mahdollisesti kokonaan huolehtimaan siitä.

Muun muassa siitä syystä, että monessa tapauksessa käytetään automaattisia ja täten aika ajoin miehittämättömiä energialaitoksia, energiantuotannon kriteerio merkitsee, että apumoottorien tulee käydä jatkuvasti, mikä tarkoittaa, että niiden tulee suurimmaksi osaksi käydä valmiustilassa.

2 82293

Kuten edellä mainittiin, pyritään välttämään tätä käyttömuotoa, koska se aiheuttaa erinäisiä ongelmia, joista olennaisimpia ovat: matalalämpötilasyöpyminen ja ilma- ja kaasukana-vien likaantuminen pakokaasun takaisinvirtaamisen takia. Viimemainittu seikka saa alenevan kuormituksen mukana yhä suurenevan merkityksen, kunnes pakokaasunpaine tiettynä ajankohtana kokonaan ylittää ahtoilmanpaineen, minkä jälkeen riittämätön ahtoilmanpaine ehdottomasti on pääsyynä edellä mainittuihin valmiustilakäytön ongelmiin.

Näissä olosuhteissa on pakko nostaa ahtoilman painetta ja on tunnettua suorittaa tämä sähkökäyttöisellä apupuhaltimella.

Tämä ratkaisu ei kuitenkaan ole useista syistä optimaalinen. Toisaalta se edellyttää, että on käytettävissä suhteellisen kalliita puhaltimia ym. ja siis investoitava niihin, toisaalta se ei ole laitokselle kokonaisuutena energiamaisesti katsottuna optimaalinen ratkaisu.

Keksinnön mukainen monimoottorilaitos eroaa tunnetuista laitoksista sen johdosta, että valmiustilamoottorin ahtoilmajärjestel-\ män ja kuormitetun moottorin ahtoilm^järjestelmän välillä on ·;· suljettava putkijohto alavirtaajn, kompressorin ulos- tulosta.

Moottorin ahtoilmajärjestelmällä tarkoitetaan tässä yhteydessä koko sekä turboahtaajän kompressoripuolen ylävirtapuoleen että alavirtapuoleen liitettyä virtauskanavistoa.

Yhdistämällä tällä tavalla kuormitetun moottorin, joka tässä tarkoittaa moottoria, joka käy noin 50-100 %:lla maksimaali-sesta kuormituksestaan, ahtoilmajärjestelmä valmiustilamootto-: : rin ahtoilmajärjestelmään saadaan yksinkertaisella tavalla ai- V kaan viimemainitun moottorin haluttu ahtoilmanpaineen nousu.

Tämä on mahdollista sen johdosta, että siihen kuuluva turboahdin mainitussa käyttövälissä luovuttaa huomattavan määrän yli-: : jäämäenergiaa paineen alaisena ahtoilmana. Energialaitokselle 3 82293 kokonaisuutena tulee tällöin kyseeseen kokonaishyötysuhteen parannus yli sen, mikä on mahdollista yksittäisen moottorin kohdalla.

Kun laivoissa olevien energialaitosten yhteydessä on puhe polttoainekustannuksista, jotka ovat noin 40 % laivan kokonais-käyttökustannuksista, lienee selvää, että pienetkin hyötysuhteen parannukset voivat antaa olennaisia säästöjä.

Putkijohto aukeaa edullisesti yhteen tai useampaan suutinauk-koon valmiustilamoottoriin kuuluvassa kompressoripesässä, mutta täydennysahtoilmaa voidaan periaatteessa johtaa valmiusti-lamoottorin ahtoilmajärjestelmän mihin tahansa kohtaan.

Ilmanotto putkijohtoon voi samoin periaatteessa tapahtua missä tahansa kuormitetun moottorin ahtoilmajärjestelmässä, mutta siinä tapauksessa, että tämä käsittää ahtoilman jäähdyttimen korkean paineen ja jäähdyttämättömän ahtoilman käyttämistä varten, lähtee putkijohto edullisesti kuormitetun moottorin ahtoilmajärjestelmästä ylävirtaan ahtoilman jäähdyttimestä.

Putkijohtoon on edullisesti sovitettu automaattinen sulkuvent-tiili putkijohdon läpi tapahtuvan ilmavirtauksen avaamiseksi ja sulkemiseksi riippuen valmiustilamoottorin kulloisestakin käyttötilasta.

Keksintö esitetään seuraavassa lähemmin viittaamalla piirustukseen, jossa kuva 1 esittää kaaviota turboahdetun dieselmoottorin ahtoilman-paineesta ja pakokaasunpaineesta, kuva 2 esittää kaaviollisesti turboahtimen kompressoripesää päästä katsottuna, kuva 3 esittää osaleikkausta kuvassa 2 esitetyn turboahtimen kompressoriosasta, kuva 4 esittää ensimmäistä esimerkkiä keksinnön mukaisesta moni-moottorilaitoksesta, ja kuva 5 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta monimootto- rilaitoksesta.

4 82293

Kuvassa 1 esitetty kaavio havainnollistaa yleistä yhteyttä pakokaasunpaineen ja ahtoilmanpaineen välillä turboahdetussa dieselmoottorissa vaihtelevalla kuormituksella. Pistekatko-käyrä 1 tarkoittaa ahtoilmanpainetta, ja ehjäviivainen käyrä 2 tarkoittaa pakokaasunpainetta. Moottorin kuormitusprosentti on merkitty abskissalle ja absoluuttiset painearvot millibaa-reina on merkitty ordinaatalle. Kuten näkyy, kahdet käyrät leikkaavat toinen toisensa pisteessä S kuormitusprosentin ollessa noin 25. Tämän ylittävillä kuormitusprosenteilla on moottorin ahtoilmanpaine suurempi kuin pakokaasunpaine, kun päinvastainen pätee noin 25 alittavilla kuormitusprosenteilla, siis tyypillisellä valmiustila-alueella. Tällä alueella, kun moottorin sylinterin sisäänvirtaus- ja ulosvirtausjaksot menevät limittäin, pakokaasuja puhaltuu takaisin ahtoilmajärjestelmään, mikä aiheuttaa edellä mainitut ongelmat ja käytännössä tekee jatkuvan valmiustilakäytön mahdottomaksi.

Tässä käyttömuodossa on tämän vuoksi pakko nostaa ahtoilmanpainetta niin, että se ylittää pakokaasunpaineen. Keksinnön mukaan tämä suoritetaan edullisesti johtamalla valmiustila-moottorin ahtoilmajärjestelmään kuormitetun moottorin ahtoilma-järjestelmän ylimääräilmaa.

Tämä täydentävä ahtoilmamäärä voidaan periaatteessa lisätä missä tahansa valmiustilamoottorin ahtoilmajärjestelmään, esimerkiksi kompressoripesässä olevien puhallusaukkojen kautta, ahtoilman jäähdyttimeen johtavassa ylimenokappaleessa tai ahtoilman vastaanottimeen.

Kuvat 2 ja 3 esittävät kaaviollisesti miten tällaiset puhallus-: aukot voivat olla käytännössä tehdyt. Tasaisesti jaettuina : kompressoripesän 3 kehälle on viisi puhallusaukkoa 4. Aukot on suunnattu suurin piirtein tangentiaalisesti kompressoripyörän 5 siipiin 6 nähden ja niiden kiertosuuntaan niin, että sisään- 5 82293 johdettu ilma virtaa tangentiaalisesti siiville ja täten myötävaikuttaa kompressoripyörän pyörimiseen. Turboahtimen normaali ilmantulo tapahtuu aukosta 7, kun taas täydentävä ilman-tulo pesän 3 aukkoihin 4 tapahtuu siihen muodostetun rengaskam-mion 8 kautta.

Kuva 4 esittää kaaviota laivassa käytettävästä monimoottori-laitoksesta. Laitos käsittää suhteellisen suuren turboahdetun päämoottorin 9 laivan kuljettamiseksi sekä kolme pienempää samoin turboahdettua apumoottoria 10, jotka ovat tarkoitetut käyttämään kukin omaansa esittämättä jätettyä generaattoria. Päämoottoriin 9 kuuluu turboahdin 11 kompressoriosineen 12 ja turbiiniosineen 13. Puristettu ahtoilma, joka poistuu kompres-soriosasta 12 putkijohdon 14 kautta, kulkee ahtoilman jäähdytti-men 15 läpi ennen kuin ilma ahtoilman vastaanottimen 16 kautta johdetaan moottorin 9 sylintereihin.

Turboahdinta käyttävät palamisessa syntyneet pakokaasut, jotka pakokaasun vastaanottimen 17 kautta johdetaan turboahtimen 11 turbiiniosaan 13.

Jokainen kolmesta apumoottorista 10 käsittää analogisella tavalla turboahtimen 18, ahtoilman jäähdyttimen 19, ahtoilman vastaanottimen 20 ja pakokaasun vastaanottimen 21.

Päämoottorin 9 ahtoilmajärjestelmä on putkijohdolla 22, joka lähtee kompressoriosan 12 ja ahtoilman jäähdyttimen 15 välisestä johdon 14 kohdasta, yhdistetty rinnan kolmen apumoottorin 10 ahtoilmajärjestelmiin. Kuten on esitetty yhteys vastaaviin ahtoilmajärjestelmiin tapahtuu vastaavien turboahtimien 18 kompressoripesiin. Jokaisen apumoottorin ahtoilmajärjestelmän ja päämoottorin ahtoilmajärjestelmän väliin on liitetty sulku-venttiili 23. Venttiilejä 23 ohjataan, kuten on osoitettu signaalipisteviivoin 24, vastaavassa ahtoilman vastaanottimessa 20 vallitsevan paineen avulla.

6 82293

Laivan normaalikäytössä päämoottori 9 toimii primäärisesti laivan kuljettamiseksi. Sekundäärisesti päämoottori voi myös käyttää yhtä tai useampia esittämättä jätettyjä sähkögeneraattoreita, joko kytkemällä nämä suoraan moottorin 9 kampiakseliin tai käyttämällä hyväksi ylijäämälämpöä höyryn tuottamiseen ja höyryturbiinien käyttöön, jotka käyttävät sähkögeneraattoreita. Koska tällainen päämoottorin käyttämä sähkötuotanto on taloudellisin, halutaan sitä mahdollisuuksien mukaan käyttää maksimaalisesti hyväksi, ja tästä syystä tarvitaan vain harvoin kaikkia apumoottoreita, joista siis yksi tai useampi voi käydä valmiustilassa. Tämän käyttötilan tunnistavat eri ahtoilman vastaanottimiin sovitetut anturit, jotka saavat aikaan, että vastaava sulkuventtiili 23 aukeaa ja kyseisen apumoottorin ahto-ilmajärjestelmään johdetaan johdon 22 kautta päämoottorin ahto-ilmajärjestelmästä ilmaa, jonka paine on huomattavasti korkeampi. Tämän johdosta kyseisen tai kyseisten apumoottoreiden ahtoilmanpaine ylittää pakokaasunpaineen, jolloin valmiustila-käytössä tästä käyttömuodosta johtuvat ongelmat eliminoituvat.

Siinä tapauksessa, että verkon kuormitus enemmän tai vähemmän äkillisesti ylittää sen tehon, jonka päämoottorin käyttämät generaattorit maksimaalisesti voivat kehittää, jos kuljetustehoa halutaan nostaa - mikä tapahtuu päämoottorin suoraan kytketyn generaattoritehon kustannuksella - tai jos päämoottori muista syistä, kuten ohjauksesta tai sentapaisesta, ei kykene kattamaan sähköntarvetta, on tarpeesta riippuen pakko kytkeä yksi tai useampi apumoottori mukaan. Koska apumoottorit kuten sanottua käyvät valmiustilassa, voi kytkentä tapahtua niin nopeasti, että käytännössä aina voidaan täyttää kulloinenkin sähköntar-ve, päämoottorista riippumatta.

Kuvassa 5 esitetään kaavio monimoottorilaitoksesta, joka käsittää useita samanlaisia turboahdettuja dieselmoottoreita ja on tarkoitettu käytettäväksi esimerkiksi nk. huoltolaivoissa tai öljynporauksen yhteydessä.

7 82293

Huoltolaivojen tulee yleisten kuljetustehtävien lisäksi, jotka tarvitsevat vain pienehkön osan maksimaalisesta tehosta, myös osallistua öljynporauslauttojen ankkurointiin ja muihin vaativiin tehtäviin, jotka saattavat vaatia, että on käytettävissä varatehoa välittömästi saatavana, minkä vuoksi tarvitaan, että yksi tai useampi asennetuista moottoreista käy jatkuvasti valmiustilassa.

Öljynporaus voi vaatia hyvin suuria tehoja, ja siinä voi myös tietyissä kriittisissä käyttöolosuhteissa olla tarve välittömästi käytettävissä olevasta varatehosta. Tämä tarve on talou-dellisimmin täytettävissä sillä, että yksi tai useampi moottori käy valmiustilassa.

Kuvassa 5 esitetty laitos käsittää neljä moottoria 25 omine tur-boahtimineen 26, ahtoilman jäähdyttimineen 27, ahtoilman vastaan-ottimineen 28 ja pakokaasun vastaanottimineen 29.

Moottoreiden 25 ahtoilmajärjestelmät on kytketty rinnan putkijohtojen 30 avulla, jotka kulkevat eri turboahtimien 26 kompres-soripesässä 31 olevien suutinaukkojen ja yhteisen kokoomajohdon 40 välillä. Kuten on selostettu kuvan 4 yhteydessä, on eri putkijohtoihin sovitettu sulkuventtiilit 32. Näitä venttiilejä, joiden tulee varmistaa ettei eri moottoreita ylikuormiteta ja ettei menetetä ilmaa mahdollisesti pysähtyvän moottorin kautta, ohjataan kuten on havainnollistettu signaalipisteviivoin 33 vastaaviin ahtoilman vastaanottimiin 28 sijoitettujen paine-anturien avulla niin, että määrätty venttiili aukeaa kun ahto-ilmanpaine on pakokaasunpainetta alhaisempi, ja sulkeutuu kun moottorin kuormitus saavuttaa ennalta määrätyn kriittisen rajan, tai kun moottori on pysähtynyt.

Jokaisen turboahtimen puristuspuolesta alavirtaan ja yhteiseen kokoomajohtoon 40 kulkee poistojohto 34. Jokaiseen poisto-johtoon on sijoitettu turboahtimen puristuspuoleen päin sulkeva yksitieventtiili 35 sarjaan kuristusventtiilin 36 kanssa.

8 82293

Johdon 34 tehtävänä on siinä tapauksessa, että vastaava turbo-ahdin 26 tuottaa ylimäärin ahtoilmaa, johtaa tämä kokoomajohtoon 40, ja kuristusventtiilin 36 tarkoituksena on varmistaa, ettei oteta suurempia ilmamääriä kuin on käyttöön nähden puolustettavissa vastaavan moottorin osalta.

Ylimäärin olevan ahtoilman hyväksikäyttämiseksi parhaalla tavalla se otetaan ulos kompressoripesän 31 ja ahtoilman jäähdyttimen 27 välisestä ylimenokappaleesta, sillä tässä ovat ilmanpaine ja lämpötila korkeimmillaan.

Jos laitoksen toinen moottori käy valmiustilassa ja sen turboah-din täten tarvitsee täydentävää ahtoilmaa, mikä edellyttää vastaavan sulkuventtiilin 32 aukiolon, johdetaan ylimääräahto-ilma suoraan eteenpäin johdosta 40 ja tämän valmiustilamootto-rin ahtoilmajärjestelmään.

Kun on kyse suuresta erästä samanlaisia moottoreita ollaan siis täysin vapaita kulloisenkin käyttömäisen "jaon" suhteen pää- ja valmiustilamoottoreihin, koska moottoreiden ahtoilma-järjestelmien yhteenkytkeminen varmistaa kulloinkin että "päämoottoreiden" ylimääräahtoilma jaetaan "valmiustilamoottoreihin", joissa on ilman vajausta.

Claims (6)

1. Monimoottorilaitos, joka on sen laatuinen, joka käsittää useita turboahdettuja polttomoottoreja (9, 10) kukin omine ahtoilmajärjestelmineen, ja jossa olennaisen osan laitoksen käyttöajasta ainakin yksi moottori (10) käy valmiustilassa ja ainakin yksi moottori (9) käy kuormitettuna, tunnettu siitä, että valmiustilamoottorin (10) ahtoilmajär-jestelmän ja kuormitetun moottorin (9) ahtoilmajärjestel-män välillä on suljettava putkijohto (22) alavirtaan kompressorin ulostulosta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottorilaitos, tunnettu siitä, että putkijohto (22) päätyy yhteen tai useampaan suutinaukkoon valmiustilamoottoriin (10) kuuluvan turboah-timen (18) kompressoripesässä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen moottorilaitos, jossa kuormitetun moottorin (9) ahtoilmajärjestelmä käsittää ahtoilman jäähdyttimen (15), tunnettu siitä, että putkijohto (22) lähtee kuormitetun moottorin (9) ahtoilmajärjestelmästä ylävirtaan ahtoilman jäähdyttimestä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen moottori-laitos, tunnettu siitä, että putkijohtoon (22) on sovitettu automaattinen sulkuventtiili (23) putkijohdon (22) läpi tapahtuvan ilmavirtauksen avaamiseksi ja sulkemiseksi riippuen valmiustilamoottorin (10) kulloisestakin käyttötilasta.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottorilaitos, joka on laivan moottorilaitoksen muodossa, johon kuuluu suhteellisen suuri päädieselmoottori (9) ja useita pienempiä apu-ja/tai valmiustiladieselmoottoreita (10), jolloin kunkin moottorin ahtoilmajärjestelmä käsittää ahtoilman vastaanottimen (16? 20) ilman jakamiseksi eri moottorisylintereihin, tunnettu siitä, että jokaisen apumoottorin (10) ahtoilmajär-jestelmä on putkijohdolla (22) yhdistetty päämoottorin ahtoilmaj ärj estelmään, 10 82293 että ylävirtaan eri putkijohtojen (22) liittymiskohdasta kunkin apumoottorin (10) ahtoilmajärjestelmään putkijohtoon on sovitettu automaattisesti toimiva sulkuventtiili (23), ja että on elimiä eri sulkuventtiilien (23) avaamiseksi ja sulkemiseksi riippuen vastaavassa ahtoilman vastaanottimessa (20) vallitsevasta paineesta.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottorilaitos, joka muodostuu useista tehoon nähden suurin piirtein samanlaisista dieselmoottoreista (25), jolloin jokaisen moottorin ah-toilmajärjestelmä käsittää ahtoilman vastaanottimen (28) ilman jakamiseksi eri moottorisylintereihin, tunnettu siitä, että moottoreiden (25) ahtoilmajärjestelmät on keskenään kytketty rinnan putkijohtojen (30, 40) avulla, että ylävirtaan eri putkijohtojen (30) liittymiskohdasta moottoreiden ahtoilmajärjestelmiin putkijohtoon (30) on sovitettu automaattisesti toimiva sulkuventtiili (32), että on elimiä eri sulkuventtiilien avaamiseksi ja sulkemiseksi riippuen vastaavassa ahtoilman vastaanottimessa (28) vallitsevasta paineesta, että kunkin kompressorin (31) alavirtapuolen ja vastaavan sulkuventtiilin (32) ylävirtapuolen välillä on poistojohto (34), ja että tähän poistojohtoon (34) on sovitettu kuris-tusventtiili (36), joka on kytketty sarjaan yksitieventtii-lin (35) kanssa, jolloin yksitieventtiili sulkee kompressorin (31) alavirtapuoleen päin.