渦輪增壓內燃機組成的多發動機機組的製作方法

2023-06-04 05:45:26

專利名稱:渦輪增壓內燃機組成的多發動機機組的製作方法
本發明涉及一種多發動機機組，它具有多臺渦輪增壓內燃機，其中至少有一臺在機組的大部份運行時間內作備用運轉，而與此同時另一臺發動機作加載運轉，上述發動機各具有一套獨立的空氣增壓系統。
這裡所謂的發動機作備用運行是指發動機持久空轉，即作無載或低載運轉，例如不超過它最大輸出功率的約25%。
通常力避的上述運轉出現在自備的發電機組，也就是不依賴外部電源的機組。它需要高度可靠地持續供電。這種動力機組典型地使用於船隻、海上鑽井臺以及與電源隔絕的其他裝置。
為了確保在任何工作環境中滿足電力的實際需求，有必要，而且一般地說是限定機組要具備一些附加的或輔助的發動機，它們有時或一俟通知就可以參與並可能完全投入供電。
事實上上述動力機組往往是自動化的而且因此是周期性地無人管理的，供電的準則意指輔助發動機應持續地運轉，即主要是作備用運轉。
如上所述，這種運轉是不希望有的，因為它牽涉到多方面的問題，其中最嚴重的是由於廢氣的倒流而引起對空氣和氣體管道的低溫腐蝕與汙染。降低負荷後到排氣壓力最終超過增壓空氣壓力時，後述問題變得越來越突出。因此增壓空氣壓力不足就無可爭議地成為由備用運轉帶來上述種種問題的主要原因。
在這種情況下必須提高增壓空氣壓力。已知的辦法就是採用電驅動的輔助鼓風機。但由於種種原因，上述解決辦法並非最佳，它需要並投資比較昂貴的鼓風機等等，而且從能量的方面看，這個辦法總的來說並非機組的一項最佳解決辦法。
根據本發明的多發動機機組與先有機組的不同之處在於備用發動機空氣增壓系統用一條導管連接到加載發動機空氣增壓系統空壓機排出口的下遊處，並具有導管開關裝置。
本文述及的一臺發動機的空氣增壓系統包括連接渦輪增壓器壓氣機部分上下遊的所有通道系統。
這裡所謂的加載發動機是指其負載約為發動機最大負載的約50%到100%。將其空氣增壓系統連接備用發動機的空氣增壓系統，就可以用一種簡單的方式提高備用發動機的增壓空氣壓力。這種辦法所以可行，是因為在上述的工作範圍內加載發動機的渦輪增壓器以加壓增壓空氣的形式提供了相當數量的多餘能量。整個動力機組的總效率因此改善而非單獨發動機之能力所及。
鑑於一艘船的動力裝置的燃油成本約為該船總運營費用的40%，可以理解在效率方面即使最小的改進都會帶來可觀的節約。
它的優點是導管終接於備用發動機渦輪增壓器壓氣機殼體上的至少一個噴咀小孔。然而，這些補充的增壓空氣原則上可以輸往備用發動機空氣增壓系統中的任何處。
同樣，導管原則上可以連接在加載發動機空氣增壓系統中的任何處，然而最佳的是在該系統中有一個空氣冷卻器，導管從空氣冷卻器的上遊分支出來。因此多餘的空氣在高溫和高壓下排出。
開關導管的裝置可以是一個能根據備用發動機瞬時工作情況控制的自動斷流閥。
現參考附圖更詳盡敘述本發明。
圖1是渦輪增壓柴油機增壓空氣壓力和排氣壓力之間關係的曲線圖。
圖2是渦輪增壓器壓氣機殼體的端視略圖。
圖3是圖2中渦輪增壓器壓氣機部分的剖面圖。
圖4表示根據本發明的多發動機機組的第一例。
圖5是根據本發明的多發動機機組的第二例。
圖1中的曲線說明渦輪增壓柴油機的排氣壓力和增壓空氣壓力之間在不同負載時的一般關係。點劃曲線1表示增壓空氣壓力，實線曲線2表示排氣壓力。橫座標軸表示發動機負載的百分比，縱座標軸表示以毫巴為單位的絕對壓力值。正如所示，負載百分比約為25時，兩條曲線於S點相交。當負載百分比超過該值時，發動機的增壓空氣壓力則高於排氣壓力，而在負載百分比低於25時出現相反的情況，即處在典型的備用狀態。當發動機氣缸的進氣時間與排氣時間重疊時，廢氣就必然倒流入空氣增壓系統中，由此導致前述問題的發生而實際上不可能在該負載範圍內繼續作備用運轉。
處於這種運轉狀態時有必要提高增壓空氣壓力以超過排氣壓力。根據本發明將加載發動機空氣增壓系統的多餘增壓空氣供給備用發動機空氣增壓系統就可以最佳地實現。
上述補充增壓空氣原則上可以輸入備用發動機空氣增壓系統中的任何處，例如經壓氣機殼體上、通向空氣冷卻器的過渡通道上或增壓空氣儲罐上的注射口或噴咀。
圖2和圖3簡略表示這些注射口如何付諸實施。沿壓氣機殼體3的圓周均勻分布著五個注射口4。注射口基本上切向朝向壓氣機葉輪5的葉片6並順其旋轉方向，因而補充的空氣切向衝擊葉片，以助壓氣機的葉輪旋轉。增壓器的正常供氣是通過入口7進入的，而經殼體3上注射口4的補充供氣是通過殼體上的環形室8進入的。
圖4表示用於船隻上的多發動機機組的簡圖。機組包括一臺推進船隻的較大的渦輪增壓主發動機9以及三臺小的，同樣採用渦輪增壓的輔助發動機10，每臺都驅動一臺獨立的發電機，未示。主發動機9包括一個具有壓氣機部分12和渦輪機部分13的渦輪增壓器11。壓縮後的增壓空氣由壓氣機部分12經管道14輸往空氣冷卻器15，從那裡再經增壓空氣儲罐16進入發動機9的各氣缸。
渦輪增壓器11由燃燒後產生的廢氣驅動。廢氣經廢氣儲罐17供給渦輪增壓器11的渦輪機部分13。
三臺輔助發動機10中的每一臺都類似地包括渦輪增壓器18、增壓空氣冷卻器19、增壓空氣儲罐20以及廢氣儲罐21。
主發動機9的空氣增壓系統通過從壓氣機部分12和增壓空氣冷卻器15之間的管道14引伸出來的導管22與三臺輔助發動機10的空氣增壓系統並聯。正如所示，導管22與每一套獨立的空氣增壓系統的連接均位於各自渦輪增壓器18中的壓氣機殼體上。在每一臺輔助發動機的空氣增壓系統和主發動機的空氣增壓系統之間都裝有一個斷流閥23。如虛線24所示，每個閥23由各增壓空氣儲罐20的壓力控制。
在船隻正常運行時，主發動機9主要是用來推進船隻，其次是用來驅動一臺或多臺發電機，未示。它們既可以直接連接發動機9的曲軸，也可以連接利用發動機9廢熱的汽輪機。由於主發動機發電最經濟，所以希望最大限度地利用它而難得所有輔助發動機同時加載。因而，它們中間的一臺或多臺就作備用運轉。裝於獨立的增壓空氣儲罐的傳感器檢測到上述工作狀態，即開啟有關閥或閥23使壓力相當高的空氣從主發機的空氣增壓系統經導管22供給上述一臺或多臺輔助發動機的空氣增壓系統。輔助發動機中的增壓空氣壓力因此高於排氣壓力，並消除了備用運轉帶來的一些問題。
當電網上的負載超過主發動機驅動的發電機所能輸送的最大功率時，例如要求犧牲直接聯接發電機的電力以增加推進功率時，或者由於機動演習或類似的其他原因，主發動機不能滿足電力的需要，那就有必要按照需要使一臺或多臺輔助發動機投入運轉。由於輔助發動機已經處於備用狀態，它們可以快速「開動」以應電力之急需而不必依賴主發動機。
圖5是表示包括多臺相同的渦輪增壓柴油機，用於供應船或石油鑽探平臺的多發動機機組的圖。
除了執行僅佔最大可用輸出功率中一小部分的普通運輸任務外，供應船也需協助近海鑽井平臺的錨定和其他需要即刻補充電力的嚴峻任務，因此需要一臺或多臺發動機作連續的備用運轉。
由於石油鑽探需要相當大的輸出功率，在嚴峻的工作條件下就要求提供附加的動力作緊急支援。用一臺或多臺作備用運轉的發動機可以最經濟地滿足上述要求。
圖5所示的機組共有四臺發動機25，每臺包括渦輪增壓器26、增壓空氣冷卻器27、增壓空氣儲罐28以及廢氣儲罐29。
所有發動機25的空氣增壓系統通過在各渦輪增壓器26中壓氣機殼體31上的噴咀小孔和一條公用的岐管40之間的導管30並聯。正如所述，圖4中的斷流閥，此處是32，分別裝在每臺壓氣機機殼的入口處。上述閥防止個別的發動機過載並保證不使空氣經已停了的發動機跑掉。這些閥正如圖中虛線33所示，由各增壓空氣儲罐28上的壓力傳感器控制。因此，當增壓空氣壓力低於排氣壓力時閥門打開，而當發動機的負載達到特定的臨界限度或停機時閥門關閉。
減壓導管34從每臺增壓器的壓氣機部分的下遊側通向岐管40。與節流閥36串聯的減壓導管34均有一個單向閥35，用來防止氣體朝增壓器的壓縮側方向流動。
當配套的渦輪增壓器26產生多餘的增壓空氣時，導管34將上述空氣輸入岐管40，節流閥36保證從渦輪增壓器排出的空氣量不超出允許值，以使配套的發動機安全運轉。
為了最大程度利用多餘的增壓空氣，可將這些空氣從壓氣機殼體31和增壓空氣冷卻器27之間的過渡通道排出，空氣在該處的溫度和壓力最高。
如果機組中的另一臺發動機在作備用運轉而其渦輪增壓器需要補充增壓空氣，則配套的關著的閥門32就會打開而使岐管40中的多餘增壓空氣直接流入上述備用發動機的空氣增壓系統。
由於機組中的發動機基本相同，「劃分」加載的發動機和備用的發動機實際上就無關緊要，因為所有發動機空氣增壓系統的聯接保證了任何加載發動機的可用的多餘增壓空氣隨時可以分配給任何缺氣的「備用發動機」。
權利要求
1.具有多臺渦輪增壓內燃機(9，10)的多發動機機組，其中至少有一臺(10)在機組的大部份運行時間內作備用運轉，而與此同時另一臺發動機(9)作加載運轉，上述發動機(9，10)各具有一套獨立的空氣增壓系統，其特徵是有一條把備用發動機(10)空氣增壓系統連接於加載發動機(9)空氣增壓系統壓氣機出口下遊處的導管(22)，以及開關上述導管(22)的裝置。
2.權利要求
1所述之發動機機組，其特徵是導管(22)終接於備用發動機(10)渦輪增壓器(18)中壓氣機殼體上至少一個噴咀小孔。
3.權利要求
2所述之發動機機組，其特徵是加載發動機(9)的空氣增壓系統具有一個空氣冷卻器(15)，導管(22)從加載發動機(9)空氣增壓系統上述空氣冷卻器(15)的上遊分支出來。
4.權利要求
1所述之發動機機組，其特徵是開關導管(22)的裝置是一個能根據備用發動機(10)瞬時工作情況進行控制的自動斷流閥(23)。
5.權利要求
1所述之發動機機組，包括一臺較大的推進船隻的主柴油機(9)以及多臺較小的輔助柴油機(10)，每一臺發動機的空氣增壓系統都具有一個把空氣分配給發動機各氣缸的增壓空氣儲罐(16，20)，其特徵是每臺輔助發動機(10)的空氣增壓系統經導管(22)和主發動機(9)的空氣增壓系統連接。在連接導管(22)與輔助發動機(10)空氣增壓系統的上述導管的上遊，均具有一個自動斷流閥(23)，具有根據配套增壓空氣儲罐(20)壓力開關每個斷流閥(23)的控制裝置。
6.權利要求
1所述之發動機機組，具有多臺輸出功率大且相同的柴油機(25)，每臺發動機的空氣增壓系統均包括向發動機各氣缸分配空氣的增壓空氣儲罐(28)，其特徵是具有將所有發動機(25)的空氣增壓系統並聯的導管(30，40)，在連接每臺發動機空氣增壓系統的上述導管(30)的上遊具有一個自動斷流閥(32)，具有根據配套增壓空氣儲罐(28)壓力開關每個斷流閥(32)的控制裝置。減壓導管(34)連接每臺壓氣機(31)的下遊側和配套的斷流閥(32)的上遊側，它包括一個節流閥(36)和與其串聯的單向閥(35)，用以防止氣體流向壓氣機的下遊側。
專利摘要
一個實施例中的多發動機機組包括一臺較大的用以推進船隻的渦輪增壓船用柴油機和三臺較小的用來驅動發電機的渦輪增壓輔助柴油機。為保證始終可靠地供電，一臺或多臺輔助發動機持續作備用運轉，發動機因增壓空氣壓力低於排氣壓力而出現問題。由於主發動機的渦輪增壓器在正常運轉時產生大量剩餘的增壓空氣，主發動機的空氣增壓系統通過一條導管和各輔助發動機並聯，有關輔助發動機的增壓空氣壓力因此得以增加。
文檔編號F02D25/00GK86106876SQ86106876
公開日1987年7月15日 申請日期1986年10月28日
發明者漢斯·克裡斯琴·克裡坦森, 漢斯·克裡斯琴·勞裡森 申請人:奧格斯堡·紐倫堡機械公司伯邁斯特與韋恩柴油機分公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan