Силовая установка Советский патент 1988 года по МПК F02B37/00 F02G5/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а конкретно -- к области создания двигателей внутреннего сгорания с наддувом и утилизацией тепла отработавших газов.

Цель изобретения - сокращение продолжительности переходных процессов силовой установки.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой установки; на фиг. 2 - вариант выполнения вала турбоко.мпрессора заодно с составным валом паровой турбины; на фиг. 3 - про.межуточный участок вала с маховиком и управляемыми муфтами.

(л1ловая установка (фиг. 1) содержит двигатель 1 внутреннего сгорания (ДВС), снабженный турбокомпрессором наддува, состоящим из турбины 2 и компрессора 3. Силовая газовая турбина 4 расположена на валу паровой турбины 5 и на том же валу распо.1ожен динамический насос 6 гидравлической передачи. Насос выполнен центробежным. Объемный роторпо-поршневой гид- ран,1ический двигатель 7 кинематически соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания посредством муфты 8. К трубопроводу 9, связывающему между собой элементы гидравлической передачи, под- к.тючен гидроаккумулятор 10. Утилизационная паротурбинная установка включает в себя паровую турбину 5, которая соединена с парогенератором 11, при это.м конденсат- )|ый насос 12 установки подключен своим выходом к парогенератору 11, а входом - к баку 13. Л Уежду баком и паровой турбиной размещен конденсатор 14. Парогенератор установлен в магистрали 15 выпуска отработавших газов турбокомпрессора, а силовая газовая турбина 4 включена в ту же магистраль между турбокомпрессором и парогенератором. Вал паровой турбины 5 выполнен составным из трех участков: участка турбин, па котором установлены силовая газовая турбина 4 и паровая турбина 5, промежуточного участка, на котором установлен маховик 16; участка насоса, на котором установлен насос 6, при этом участки связаны между собой через управляемые .муфты 17 и 18.

Вал турбоко.м 1рессора наддува выполнен заодно с составны.м валом паровой турбины (фиг. 2). При этом турбина 2 турбокомпрессора расположена на участке турбин, а компрессор 3 турбокомпрессора - на участке насоса. В результате такой компоновки образуется энергетический блок, в который включены агрегаты, преобразующие теплоту в работу, и энергопотребляющий блок, в который включены агрегаты, потребляющие работу для создания напора.

ОбЧ единение и установка агрегатов данным образом объясняется тем, что у пары си ловая газовая 4 и паровая 5 турбины - динамический насос 6 режим работы и недостатки, соответствующие этому режиму.

аналогичны режиму и недостаткам пары турбокомпрессора наддува, т. е. рабочая частота вращения турбины 2 турбокомпрессора, а также внещняя и нагрузочная характе- 5 ристики соответственно аналогичны частоте вращения и характеристикам газовой силовой 4 и паровой 5 турбин. Сходны также режимы работы турбин в зависимости от работы всей установки (т. е. наиболее благоприятный и эффективный режим при рабо0 je установки в установившихся условиях на максимальной мощности, медленный разгон и недостаточная работоспособность турбин при работе силовой установки на переходных режимах). В той же степени (как и для тур бин 2, 4 и 5) сходны рабочие параметры и режимы для ко.мпрессора 3 и насоса 6, т. е. внешние и нагрузочные характеристики, а также условия работы в зависимости от режима работы силовой установки (компрессор и динамический насос на переходных

0 и номинальных режимах должны обеспечивать постоянную мощность и производительность) .

Как в варианте по фиг. 1, так и в варианте по фиг. 2 участки вала связаны меж5 ду собой через управляемые муфты. Муфта 17, связывающая промежуточный участок с участком турбин, может быть выполнена центробежной, как показано на фиг. 3, или может быть выполнена в виде сочетания обгонной муфты 19 и центробежной муфты

0 17, причем обгонная муфта размещается между центробежной муфтой и участком турбин. При этом маховик 16 сопряжен с про- .межуточным участко.м через вторую обгонную муфту 20.

Силовая установка работает следующим

5 образом.

При запуске ДВС 1 отработавшие газы через турбину 2 турбокомпрессора по магистрали 15 начинают поступать в возрас- таюц1ем количестве на лопатки силовой газовой турбины 4, постепенно раскручивая ее

до номинальной частоты вращения, равной порядка 60.000 об/мин. Пройдя силовую газовую турбину 4, отработавшие газы попадают в парогенератор II, где утилизируется их тепло, первичное парообразование и

г соответственно разгон паровой турбины 5 до той же частоты, равной порядка 60.000 об/мин. Центробежная муфта 17 выполнена такой, что ее замыкание, т. е. начало работы на нагрузку, происходит только при достижении турбинами рабочей частоты

0 врапхения. До этого центробежная муфта 17 разомкнута и обеспечивает (в отсутствии внешнего момента сопротивления) быстрый разгон силовой газовой 4 и паровой 5 турбин и их вывод на оптимальный режим. При замыкании центробежной муфты 17 тур5 бины начинают работать одновременно на разгон маховика 16 и насоса 6 Первоначальный .момент разгона происходит за счет пробуксовки центробежной муфты 17.

Муфта 18 служит для сохранения энергии маховика 16. Механизм включения муфты 18 связан с органами управления силовой установкой, например с педалью сцепления, и при торможении установки одновременно происходит выключение сцепления и отключение раскрученного маховика 16 и турбин от нагрузки. При включении сцепления соответственно включается и муфта 18.

Если между промежуточным участком вала и участком турбин установлено сочетание из центробежной муфты 17 и обгонной муфты 19, то при включенной муфте 18 блок турбин через обгонную муфту 19 соединен с блоком преобразователей энергии. В период разгона турбины обладают некоторым запасом мощности и крутящего момента, поэтому рентабельно их подключение к насосу 6 и компрессору З для обеспечения определенной производительности этих агрегатов при неподвижном маховике 16. Однако запас мощности турбин на разгоне недостаточен еще и для раскрутки маховика, поэтому обгонная муфта 19 позволяет турбинам работать на потребителя без рас- к рутки маховика 16. При достижении турбинами номинальных оборотов, как и в случае схемы по фиг. 3, за счет замыкания центробежной муфты 17 происходит раскрутка маховика 16 и последующая одновременная работа турбин на маховик 16 и нагрузку. В последующий после торможения момент разгона, т. е. когда маховик 16 раскручен и его число оборотов значительно превосходит число оборотов силовых турбин, вторая обгонная муфта 19 позволяет уже маховику 16 независимо работать на насос 6 и компрессор 3.

Номинальный режим работы силовой установки характеризуется наличием большого количества горячих отработавших газов две, что в свою очередь определяет эффективную работу всех агрегатов установки, утилизирующих энергию этих газов. Поэтому на номинальных режимах, когда силовая газовая 4 и паровая 5 турбины работают с максимальной мощностью и эффективностью, к ним через центробежную муфту 17 в качестве дополнительной нагрузки подключается маховик 16. После подключения маховика 16 к турбинам 4 и 5 происходит его раскрутка до рабочей частоты турбин, что составляет порядка 60.000- 100.000 об/мин. Таким образом, часть механической энергии, вырабатываемой силовой газовой 4 и паровой 5 турбинами, запасается в виде кинетической энергии вращающегося маховика.

При работе силовой установки на переходных режимах (например, при разгоне) наблюдается падение ее мощности но сравнению с номинальным режимом, вызванное отсутствием достаточного количества горячих отработавших газов ДВС, что приводит к неработоспособности систем, утилизирующих энергию этих газов (турбокомпрессора, силовой газовой турбинь, 4, паротурбин ной установки 5 и парогенератора 11), и вызывает падение мощности непосредственно

самого ДВС в связи с падением коэффициента наполнения и отсутствием крутяни- го момента на валу ДВС от газовой силовой 4 и паровой 5 турбин. Для компенсации дефицита мощности па переходных

Q режимах и используется энергия разогнанного на номинальных режимах маховика (. Эта энергия потребляется динамическим насосом 6 гидросистемы и посредством роторно-поршневого гидравлического дви1 а теля 7 передается на коленчатый ва.1 дви5 га тел я 1.

Таким образом, при компоновке си.ю- вой установки (фиг. Г), т. е. при под ключении маховика 16 только к cn.UJBoit газовой турбине 4, паровой ту|)бине 5 и

0 динамическому насосу 6, частичная компенсация дефицита мощпости силовой установки на переходных режимах идет за счет восстановления дополнительного крутящего момента на валу ДВС от роторно-iiopiiiiie

5 вого гидравлического двигате.-1я 7.

Дополнительный крутящий момент и развиваемая мощность, снимаемые с разогнанного маховика, сг.чажпваюг неб.гаго- приятный вид рабочих характеристик насоса 6 и компрессора 3 при работе устанон0 ки на переходных режимах, так как происходит восстановление не только допо.1ни- тельного крутящего момента на валу ДВС 1 от роторно-порн1нево о двигателя 7 гидросистемы, но и не происходит потери мощности самого ДВС 1 в связи с падением

5 коэффициента наполнения, так как дав.чение наддува на переходных режимах соответствует давлению на номинальных режимах работы ДВС 1 и своей силовой установки, вследствие высокопроизводительной работы компрессора 3 за счет энергии махоО вика 16.

Испо.тьзование в предлагаемой силовой установке механического накопителя энергии - маховика 16 значительно снижает

5 влияние на динамические характеристики и приемистость силовой установки второго немаловажного в этом отношении фактора значительной инерции разгонных масс (три турбинных и два насосных колеса), определяющих затяжной характер разгона сило0 вой установки. Отличительной способностью накопительной энергии, и в частности маховика 16, является возможность нередачи потока энергии теоретически любой мониюс- ти, т. е. практически это означает, что раскрученный маховик 16 может разогнать с

места до рабочей частоты вран1ения подключаемые к нему агрегаты за минима.и.ный промежуток времени ,(т. е. обеспечивает мак симальное ускорение).

Формула и:юС ретения

1.(ji.ioBiiH устгшовка no авт. св. .Ml , отличающаяся тем, что, с целью 1()к|1а11кмп1Я п)(.и);1житольности иере.ходны.х iipnuecL Oii. ч гановка снабжена ма.ховиком и нал нароной г рбин1)1 ныгк), 111ен составным из трех час1ко : участка турбин, нромежуточ- 11(11 о участка н частка насоса, причем ма- xoiuiK устан()и, 1С11 на нромежуточном участ- к(- 1 учасгкн свячаны между собой через viipaii. 1иемые iy(fiTbi.

2.Установка но н. 1, отличающимся тем. 4T(j ва.| )(жг)мнресс()ра наддува выполнен

.заодно с составным валом паровой турбины, причем турбина турбокомпрессора расположена на участке турбин, а компрессор турбокомпрессорана участке насоса.

3.Установка но нн. 1 и 2, отличающаяся тем, что управляемая муфта, связывающая промежуточный участок с участком турбин, вынолнена центробежной.

4.Установка но rui. 1 и 2, отличающаяся тем, что ма.ховик сопряжен с про- межут() участко.м через обгонную .муфту, а унраг, 1яемая муфта, связывающая проме- жу| ;чны11 участок с участко.м турбин, вы- но.шена н виде сочетания обгонной и цент- юоежной муфт.

Изобретение относится к области создания двигателей внутреннего сгорания с наддувом и утилизацией тепла отработав- Н1ИХ газов. 11ель изобретения - сокран1е- ние длителы{ости нереходиых процессов установки. Силовая газовая турбина (Т) 4 и динамический насос В гидравлической нере- дачи распо. южены на валу паровой Т 5. Об-| емный р()торно-порц невой гидравлический двиг атель 7 кинематически соединен с коленчатым валом двигателя I внутреннего сгорания посредством муфты 8. К трубопроводу 9, связываюп1ему между собой элементы гидравлической передачи, подключен гидроаккумулятор 10. Утилизационная паро- турбиппая устаповка включает в себя Т 5, соединенную с парогенератором 1 I, к к-рому выхоАом подключеп к()ндепсат1П)1Й пасос 12. Между бако.м 13 и Т 5 размен1еп-конденсатор 14. Иарогенератор установлен в магистрали 15 вынуска отрабогав1пих газов турбокомпрессора (ТК), а Т 4 включена в эту магистраль между ТК и нарогенератором. Вал Т 5 выполнен составным из т|Н х участков: участок турбпп. на к-ром установ- .пепы Т 2. 4 и 5, промежуточны ) учасгок, на к-ром установлен маховик 16, и участок насоса, на к-ром установ.1ен пасос ( и ком- нрессор 3 ТК. Участки связаны между собой через управляемые муфты 17, 18. Ba. i ТК наддува .м. б. вьтолпеп заодпо с составпым валом Т 5. ЛАаховик м. б. сопряжен с про- межуточпы.м участко.м через обгоппую муфту, а муфта 17 м. б. в1)Н10.чнена центробежной либо в виде coчeтat ия обгонной и центробежной .муфт. Использование маховика позволяет снизить в.тияпие на динамические характеристики и ириемистость установки важного в этом отношении фактора значительной инерции разг1)пных масс. Кроме того, раскрученный маховик может разогнать с места до рабочей частоты вращения нодключаемые к нему агре1аты за миним. иромежуток времени. 3 з. п. ф-лы, 3 и. ь (Л N3 О 1чЭ О со N)

17

Фиг.З

.нг ; пни 1C. и, . Фпйм

TcxiMM И Hf)i4-Kop|)fKTo|) .1 11иж1)

Ь(1,, (4liip;,., 51,,-,11,)л11исн,)е

ВНИИПИ 1 ocy. UipcTBefiHoro комитета ((Х Р но делам изобретений и открытий

1I3(J35. Москву. Ж .35. Раушская наб., д. 4/5 П)|)И ilИJ;u тнlнпo-ll(). Iиrpaфич(чк()e нредпрнятне. г Ужг ород, ул. Проектная. 4

Г8