NO125859B - - Google Patents

Description

Ladeaggregat for oppladet, flersylindret totakts stempelmotor.

Foreliggende oppfinnelse angår et ladeaggregat for oppladet, flersylindret totakts stempelmotor med minst to turboladere som leverer luft inn i en felles lufttank, idet,turboladernes gassturbiner er likt dimensjonert og hver av dem får samme mengde avgasser og sentrifugalkompressorene er hovedsakelig like og får samme drivkraft, samt med en hjelpeventilator som kan kobles foran og i serie mad turboladerne.

I beskrivelsen av oppfinnelsen er folgende uttrykk anvendt: Hoveddieselmotor - en oppladet totakts, flersylindret dieselmotor av skips-eller stasjonar type.

Turbolader - et aggregat bestående av en gassturbin og en sentrifugalkompressor, idet hver gassturbin drives av avgassene fra hoveddieselmotorens sylindre.

5entrifugalkompressor - en sentrifugalkompressor som drives av gassturbinen i turboladeren og leverer luft til en felles spylelufttank.

Hjelpeventilator - en'ventilator som er koblet i serie med en av sentrifugalkompressorene og bevirker et innledende kompre-sjonstrinn med levering av luft til sentrifugalkompressoren ved lavt trykk eller ved hoyere trykk, i hvilke sistnevnte tilfelle det kan være nodvendig å utstyre sentrifugaljcompressorene som ikke er forbundet med ventilatoren, med mindre diffusorer enn den sentrifugalkompressor som er tilkoplet ventilatoren.

For å forbedre overladningsbetingelsene for dieselmo-torer er det kjent et tretrinns overladningssystem, hvor en vifte som bevirker et ytterligere overladningstrinn, er montert i serie med en sentrifugalkompressor og en stempelluftpumpe drevet av hoveddieselmotoren. I dette system ligger hver sentrifugalkompressor i serie med en ventilator og én av systemets ulemper er at sentrifugalkompressorens ytelse blir noe redusert på grunn av ventilatorenes virkning.

Til samme formål er ennvidere kjent et overladningssystem som omfatter tretrinns- og totrinnsenheter, hvilket system anvender luftpumper med direkte forskyvning for å understotte utjevningen av trykktoppene levert av tretrinns-jog totrinns-overladningsenhetene til en felles lufttank. I dette syst<i>em gir sentrifugalkompressorene luft til sugegrenrorene for luftpumpene med direkte forskyvning og ikke, som ved foreliggende oppfinnelse, til en felles lufttank.

Til samme formål er også kjent et overladningssystem som omfatter totrinns og ettrinns-overladningsenheter, hvor avgass-systemene for sylindrene som mates fra totrinnsoverladningsenhetene er i forbindelse med gassturbinen eller -turbinene i ettrinnsoverladningsenhetene og turboladernes konstruksjon i totrinnsoverladningsenhetene avviker fra konstruksjonen av turboladerne i ettrinns-overladningsenhetene for å utjevne trykktoppene levert til den felles lufttank.

Dverladningssystemet ifolge oppfinnelsen er enklere, lettere å utfore og mindre kostbart enn de ovenfor nevnte systemer. Ladeaggregatet ifolge oppfinnelsen bygger på det overraskende faktum som er funnet under prover foretatt med maskinanlegg og som skal for-klares i det folgende, at når en av sentrifugalkompressorene kobles i

i

' I

serie med en lavtrykks hjelpeventilator, krever de ovrige sentrifugalkompressorer ikke bare en storre hastighet og oker således automatisk deres ytelse og leveringstrykk, men denne okning av leveringstrykkene er således (forutsatt at trykktoppen for hjelpeventilatoren ikke er for stor) at der ikke er noe behov for ytterligere innretninger for å unngå svingninger eller "jaging" av de sentrifugalkompressorer som ikke er utstyrt med hjelpeventilator. Særlig er der ikke noe behov for å opprette forbindelse mellom avgass-systemene for sylindrene som mates av totrinnsoverladningsenhetene, med gassturbinen eller turbinene for ettrinnsoverladningsenhetene. Det er ifolge oppfinnelsen heller ikke nodvendig at både totrinns-overladningsenheten og ettrinns-overladningsenheten skal være kontinuerlig i drift samtidig. Tvert i mot blir hjelpeventilatoren ifBlge oppfinnelsen satt i drift fortrinnsvis bare når der av hoveddieselmotoren kreves full effekt.

Ytelsen av hoveddieselmotoren uttrykkes i industrien som den storste kontinuerlige ytelse som utvikles under verksted-provelop med hoveddieselmotoren, og noen ganger, men ikke elltid, når denne motor er installert i et skip, under provelop på sjoen for rederen godtar skipet for tjeneste. Det er imidlertid bragt på det rene ved erfaring at den maksimale kontinuerlige ytelse av hoveddieselmotorer ikke kan utnyttes over en lang tidsperiode i virkelig innsats. Som det er vel kjent innenfor industrien, kjorer derfor skipssjefer sine hoveddieselmotorer ved ca. 85 % til 90 % av den maksimale kontinuerlige ytelse og denne ytelse som utvikles i virkelig innsats, kalles arbeidsytelsen.

På den annen side er akslingen, propellene, pumpene, varmeutvekslerne og alt utstyret og rørledningene i maskinrommet på

de fleste skip konstruert for maksimal kontinuerlig ytelse av hoveddieselmotoren for godkjennelse av klassifiseringsmyndighetene. Det folger av dette at en betydelig del av den investerte kapital i maskinromanlegget på skip ikke utnyttes, fordi hoveddieselmotoren ikke bare drives ved 85 $ til 90 % av den maksimale kontinuerlige ytelse, men heller ikke alle de ovrige komponenter i maskinromanlegget utnyttes fult ut.

Da dessuten propellene på en stor del av de eksisterende skip er konstruert for de hastigheter av hoveddieselmotoren som svarer til dens kontinuerlige ytelse, er propellenes ytelse under drift lavere enn beregnet.

Grunnen til at hoveddieselmotorene drives med arbeids-ytelse i stedet for med den maksimale kontinuerlige ytelse, er mulig-heten for termisk overbelastning av motoren, ved forsok på å utnytte deres maksimale kontinuerlige ytelse gjennom lengere tidsperioder. Denne termiske overbelastning er et resultat av utilstrekkelig luft-tilførsel til forbrenningen ved hjelp av de foreliggende overladnings-systemer for motoren, hvis denne ikke i alle henseender lenger er i en perfekt tilstand og den maksimale kontinuerlige ytelse benyttes over en betydelig tidsperiode. Det hender imidlertid meget sjelden i virkelig praksis til sjos at hoveddieselmotoren i alle henseende forblir i perfekt tilstand når motoren ikke lenger er ny.

i

Formålet med oppfinnelsen er å muliggjore bruken av de maksimale kontinuerlige ytelser for hoveddieselmotorer som deres virkelige arbeidsytelser, det vil si å oke de faktiske arbeidsytelser av hoveddieselmotorene med 10 % til 15 %.

Det særegne ved oppfinnelsen er at der er anordnet en hjelpeventilator foran bare den ene isentrifugalkompressor for å oke ytelsen av forbrenningsmotoren i området med full ytelse, således at den av hjelpeventilatoren drevne luft bare strommer til en av sentrifugalkompressorene for turboladerne.

For de fleste foreliggende motorer er de leveringstrykk som velges for hjelpeventilatoren, 0i ,01 til 0,09 kg/cm 2..

Da det innledende trykk på sugesiden av en av sentrifugalkompressorene er begrenset, kan alle de ovrige sentrifugalkompressorer automatisk innstille deres leveringstrykk, således at disse vil være lik leveringstrykket for den sentrifugalkompressor som er

i , ■

utstyrt med hjelpeventilatoren, som forklart nærmere i det folgende.

Utforelseseksempler på oppfinnelsen er vist skjematisk på tegningene, hvis fig. 1 viser en utforelse av overladningssystemet ifolge oppfinnelsen under anvendelse av en lavtrykk8hjelpeventilator, fig. 2 viser de karakteristiske kurier for sentrifugalkompressorene ved denne utforelse, fig. 3 viser skjematisk en annen utforelse av overladningssystemet ifolge oppfinnelsen under anvendelse av en hjelpeventilator, fig. 4 viser de karakteristiske kurver for sentrifugalkompressorene ved utforelsen ifolge fig. 3, eig fig. 5 viser ennå en utforelse av overladningssystemet ifolge oppfinnelsen, hvor gassturbinene i turboladerne arbeider etter et konstant trykksystem og hoveddieselmotoren er utstyrt med understempelpumper.

Ved systemet ifolge fig. 1 anvendes der to turboladere. De omf atter sentrifugalkompressoreri 2, 4 drevet av gassturbiner 3 hhv.

i

5, idet kompressorene leverer luft til en felles spylelufttank 7,

fra hvilken hoveddieselmotoren (ikke vist) mottar sin luft. Ifolge oppfinnelsen mottar kompressoren 2 luft fra en lavtrykkshjelpeventila-tor 1 drevet av en elektrisk motor-eller en annen drivanordning.

Turboladerne 4, 5 og 3,' 2 har i det vesentlige samme utforelse og dimensjoner, og gassturbinene 3 og 5 kan være drevet av gasser enten fra adskilte gassgrenror som er innbyrdes isolert (som i pulssystemet), eller fra en felles gasstank (som i konstant-trykk-systemet).

5om det fremgår av fig. 2, ville arbeidspunktet for begge sentrifugalkompressorer 2 og 4 være "a" på den karakteristiske kurve uten lavtrykks-hjelpeventilatoren 1. Når denne imidlertid leverer trykkluft til kompressoren 2, springer arbeidspunktet for sentrifugalkompressoren 2 til punktet "b" på en karakteristisk kurve med hfjyere trykk og tilnærmet den samme hastighet, ved hvilken sentrifugalkompressoren 2 arbeidet for anvendelse av ventilatoren 1.

På grunn av okningen av leveri ngstrykket fra kompres^-soren 2 stiger også lufttrykket og den spesifikke vekt av luften i spyleluftbeholderen 7. Således vil mengden av luft levert til sylindrene i hoveddieselmotoren og mengden av avgasser som unnslipper fra sylindrene i hoveddieselmotoren,bli akt.

Sentrifugalkompressoren 4, som ikke på sin sugéside forsynes med luft som opprinnelig er komprimert, arbeider forst i arbeidspunktet "a". Da hver av sylindrene i hoveddieselmotoren blåser ut hovedsakelig samme kvantum forbrenningsgasser, er den mengde forbrenningsgasser som trer inn i gassturbinen 3, hovedsakelig lik mengden av forbrenningsgasser som trer inn i gassturbinen 5. På den annen side er mengden av luft som leveres av sentrifugalkompressoren 2, storre enn den mengde luft som leveres av sentrifugalkompressoren 4, fordi sistnevnte ikke mottar trykkluft på sin sugesicfe. Derfor er den mengde av forbrenningsgasser som driver gassturbinen 5, storre enn den mengde luft som levers av kompressoren 4. Dette forskyver energibalansen mellom gassturbinen 5 og sentrifugalkompre»soren 4 til fordel for gassturbinen 5 og hastigheten av turboladeren 4, 5 oker. Arbeidspunktet for sentrifugalkompressoren 4 springer derfor til punktet "c" på kurven, som svarer til en storre hastighet, storre ytelse og storre trykkhByde.

Hvis leveringstrykket for sentrifugalkompressoren 4 i arbeidspunktet "c" fortsatt er mindre enn leveringstrykket for sentrifugalkompressoren 2 i arbeidspunktet "b", forskyves arbeidspunktet for sentrifugalkompressoren 4 fra "c" til "d" langs den karakteristiske kurve for den okede hastighet, hvor begge de nevnte leveringstrykk i punktet "b" er like. Trykket i punktene "b" og "d" tillater okning av arbeidsytelsen for hoveddieselmotoren til verdien, av den maksimale kontinuerlige ytelse.

Den ovenfor beskrevne enkle forbedring av overladningssystemet er bare mulig fordi lavtrykksventilatoren 1 har en begrenset trykkhSyde som er tilpasset karakteristikken for sentrifugalkompressorene. Der vil således ikke finne sted noen svingning eller "jaging" av sentrifugalkompressorene nårjlavtrykks-hjelpeventilatoren settes i drift..

På fig. 3 har de elementer som er de samme som anvendt

i det allerede beksrevne system i forbindelse med fig. 1, 2, de samme henvisningstall. Således anvendes to turboladere omfattende to gassturbiner 3, 5 som driver sentrifugalkompressorer 2 hhv. 8 som leverer luft til en felles spylelufttank 7, hvorfra hoveddieselmotoren (ikke vist) mottar sin luft. I samsvar med denne utforelse mottar kompressoren 2 luft fra en hjelpeventilator 9 drevet av en elektro-motor eller en annen egnet drivanordning 10.

Gassturbinene 3 og 5 er av samme utforelse og dimensjoner, drevet av hovedsakelig de samme gassmengder enten fra separate, innbyrdes.isolerte, gassgrenrBr (som |i pulssystemet), eller fra en felles gassbeholder (som i konstanttriykksystemet). I samsvar med denne utforelse av oppfinnelsen er sentrifugalkompressoren 8 vist med en avvikende form sammenlignet med sentr|ifugalkompressoren 2 for å indi-

i

kere at den har en mindre diffusor enn kompressoren 2, således at kompressor 8, selv om den krever hovedsakelig den samme drivkraft som kompressoren 2, når hjelpeventilatoren 9 er i drift, vil levere mindre luft ved hByere trykk til tanken 7 og derved unngå svingning eller "jaging".

Fig. 4 viser de karakteristiske kurver for sentrifugalkompressorene. Kurvene A og F er de karakteristiske kurver for sen-trif ugalkompressorene 2 hhv. 8 når hjelpeventilatoren 9 ikke er i drift. Kurven F' er den karakteristiske kurve for sentrifugalkompressoren 8 når dens hastighet okes, mens kurven A' er den karakteristiske kurve for sentrifugalkompressoren 2 når den på sin sugeside mottar luft som til å begynne med er komprimert av hjelpeventilatoren 9.

Når hjeipeventilatorenj ikke er i drift er arbeidspunktet for sentrifugalkompressorene 2 og 8 ved "a". Når hjelpeventilatoren 9 er i drift, krever 6entrifugalkompressoren 8 hovedsakelig samme drivkraft som sentrifugalkompressoren 2, men leverer mindre luft ved hov-ere trykk til den felles lufttank 7 enn sentrifugalkompressoren 2.

Når hjelpeventilatoren 9 settes i drift, springer arbeidspunktet for sentrifugalkompressoren 2 til punktet "b". Således stiger trykket i den felles lufttank 7. Den luftmengde som tilfores sylindrene i hoveddieselmotoren, oker likeledes og således okes mengden av forbrenningsgasser som driver gassturbinene 3 og 5. Dette bevirker en forskyvning av energibalansen for turboladeren 5, 8 til fordel for gassturbinen 5, fordi mengden av gasser levert til gassturbinen 5 er storre enn mengden av luft levert av sentrifugalkompressoren 8. Således stiger hastigheten for turboladeren 5, 8 og arbeidspunktet for sentrifugalkompressoren 8 springer fra punktet "a" til punktet "c", hvilket svarer til en storre hastighet, storre ytelse og hoyere trykk. Hvis leveringstrykket for kompressoren 8 i punktet "c" er mindre enn leveringstrykket for kompressoren 2, forskyves arbeidspunktet for kompressoren 8 til punktet "d" på den karakteristiske kurve F' .

Ifolge fig. 5 mottar gassturbinene 3 og 5 på fig. 3 forbrenningsgassen fra den felles gassbeholder 12, hvilket er vanlig ved konstant-trykk-systemet. Begge gassturbiner .3 og 5 er av samme utforelse og dimensjoner og mottar hovedsakelig like gassmengder. Sentrifugalkompressorene 2 og 8 leverer luft til den felles lufttank

7 og understempelpurapene 11 mottar luften fra samme felles lufttank

7 og leverer den til hoveddieselmotorens (ikke vist) sylindere.

Sentrifugalkompressoren 2 er koblet i serie med hjelpeventilatoren 9. Som på fig. 3, er sentrifugalkompressoren 8 vist med en avvikende form sammelignet med sentrifugalkompressoren 2 for å indikere at den er utstyrt med en mindre diffusor enn sentrifugalkompressoren 2.

På fig. 5 er bare vist to understempelpumper. Imidlertid kan der i virkelige anlegg anvendes flere understempelpumper, f.ek8. én for hvert stempel.

Den ovenfor beskrevne forbedring av overladningssystemet tillater således, når dette er installert i skip, også utnyttelsen av maskinrommets hjelpeanlegg, det vil si rørsystemer, pumper, varmeut-vekslere og lignende opp til deres beregnede kapasiteter og av akslin-ger og propeller opp til deres beregnede styrke.

I

Hovedtrekkene ved det overladningssystem som er beskrevet under henvisning til fig. 1 |til 5, er derfor som folger: 1. Lavtrykks-hjelpeventilatoren er i drift fortrinnsvis bare når hoveddieselmotoren loper med full ytelse. 2. Alle gassturbiner i alle turboladere er identiske og mottar hovedsakelig samme gassmengder og arbeider ved hovedsakelig samme ytelser. 3. Alle sentrifugalkompressorer krever hovedsakelig samme drivkraft, men når lavtrykks-hjelpeventilatoren er i drift, vil de sentrifugalkompressorer som ikke er tilkoblet hjelpeventilatoren, levere mindre luft ved hoyere trykk enn de sentrifugalkompressorer som er koblet i serie med hjelpeventilatoren.

4. Alle sentrifugalkompressorer levelrer luft til en felles lufttank.

5. Turboladeren forbundet med lavtrykks-hjelpeventilatoren og turbo-

i

laderen eller turboladerne som ikke er forbundet med lavtrykks-hjelpeventilatoren , ér selvstendige. Der er ikke noe behov for å forbinde avgass-systemene for de sylindre som mates av turboladerne forbundet med hjelpeventilatoren, med avgass-systemene for de sylindere som mates av turboladerne som ikke er forbundet med lavtrykks-hjelpeventilatoren. 6. Når lavtrykks-hjelpeventilatoren er i drift, er utjevningen av leveringstrykkene for de sentrifugalkompressorer som ikke er tilkoblet hjelpeventilatoren, med leveringstrykket for den sentrifugalkompressor som er tilkoblet hjelpeventilatoren, oppnådd hovedsakelig på grunn av den storre hastighet av turboladerne som ikke er forbundet med hjelpeventilatoren, idet den stBrre hastighet oppnåes automatisk, som allerede forklart. 7. Det er ikke påkrevet med noen som helst spesiell innretning, såsom avlastningsventiler eller spjeld for' å hindre at de sentrifugalkompressorer som ikke er tilkoblet hjelpeventilatoren, skal svinge eller "jage".

Selvom der bare er beskrevet systemer som anvender to turboladere, er det selvsagt mulig å anvende flere enn to turboladere uten å avvike fra grunntanken ved oppfinnelsen.

Claims (2)

1. Ladeaggregat for oppladet, flersylindret totakts stempelmotor med minst to turboladere som leverer luft inn i en felles lufttank, idet turboladernes gassturbiner er likt dimensjonert og hver av dem får samme mengde avgasser og sentrifugalkompressorene er hovedsakelig like og får samme drivkraft, samt med en hjelpeventilator som kan kobles foran og i serie med turboladerne, karakterisert ved at der er anordnet en hjelpeventilator (1, 9) foran bare den ene sentrifugalkompressor (2) for å oke ytelsen av forbrenningsmotoren i området med full ytelse, således at den av hjelpeventilatoren drevne luft bare strommer til en av sentrifugalkompressorene for turboladerne.

2. Ladeaggregat i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sentrifugalkompressor til hvilken hjelpeventila-torens luft strommer, har en stSrre diffusor enn de ovrige sentrifugalkompressorer.