Силовая установка
Изобретение относится к области создания двигателей внутреннего сгорания с наддувом и утилизацией тепла отработав- Н1ИХ газов. 11ель изобретения - сокран1ение длителы{ости нереходиых процессов установки . Силовая газовая турбина (Т) 4 и динамический насос В гидравлической нередачи 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 паротурбиппая 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 комнрессор 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 промежуточпы.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)
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
CO
Ю
CO (О
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61 ) 112()3!)9 (21 ) 4093052/25-0() (22 ) 25.07.86 (46) 30.08.88 Вк)л. Хе 32 (7l ) 3)ало;(-втуз при Московском автомобильпом заводе им. И. А. Лихачева (72) А. А. 1(зеипак, А. Г. (.ерх и B. H. Вогzaklo« (53) 621.43.052 (088.8) (56) Авторсho(. сви,l Хо I(29399, кл. Г 02 G 5/02, 1983. (54) (.И, 1()ВА51 У(:ТАНОВКА (57) Изобрстепие отпосится к области создапия двигHтслей внутреннего сгорания с kiBддувом и утилизацией тепла отработавп)их газов. Цель изобретения сокращепие длительности íереходпых процессов устаповки. (.иловая газовая турбина (Т) 4 и динамический насос 6 гидравлической передачи расположены ца валу паровой Т 5. Обземпый роторно-поршневой гидравлический II)HI HT(. . 7 кипематически соединен с кол llчатым валом двигателя 1 внутреннего сгорания п(нредством муфты 8. К трубопро(3о.(у 9, связываюгцему между собой элеи lITbl гидравлической IIEðåäà÷è, подключен IH;Iроаккумулятор 10. Утилизационная паротурбицпая устаповка вкпючает в себя Т 5, „„SU„„1420203 A 2 (5D 4 F 02 В 37 00, Г 02 G 5 02 соеTHIIBHHyto с парог(. tie p;ITopo» 11. и h-рому выходом подключен копдепсатпый пас(к 12. Между баком 13 и T 5) р()зл)еще)3 -коп ц исатор 14. Иарогеператор установлен н и;)гистрали 15 выпуска отработав(пи. га (ов турбокомпрессора (TK), а Т 4 вклк)чеп;(в эту магистраль между ТК и пар»гепсратором. Вал Т 5 выполнен составным из тр(х хч и ThOB: )ч а(. TOh тх рб)3 kl, H;t h- ром ((г I ki() Bлены Т 2, 4 и 5, промежут()ч х (;)сг()l(, liB к-ром установлен маховик 16, и участок )3<)соса, HB K-poM у TBIIoB1(H )3()сос 6 и компрессор 3 ТК. Учас)ки связаны между ((п)ои через управляемые муфты 17, 18. Вал ТК наддува м. б. выполнен зао (но с составпым валом Т 5. Маховик м. б. сопряжеп (Ilpoмежуточпым участком через обгонную муфту, а муфта 17 м. б. выполцепа центр(п)е иной либо в виде сочетапия обгонной и центробежной муфт. Использовапие маховика позволяет снизить влияпи«пkl динамические характеристики и присмистосTI l(. г;Iвовки важного в этом отношении факт(>ра значительной инерции разгoktktt>lx масс. Кроме того, раскрученный маховик м()жет ра и)гнать с места;(о рабочей частоты BpcIHI(. пия подключаемые к нему агреl аты за мицим. промежуток времени.,3 з. Il. ф-лы, 3 ил. 1420203 Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а конкретно -- к области создания двигателей внутреннего сгорания с наддувом и утилизацией тепла отработавших газов. 1)ель изобретения — сокращение продолжительно TH переходных процессов силовой установки. На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой установки; на фиг. 2 — вариант выполнения вала турбокомпрессора заодно с составным валом паровой турбины; на фиг. 3 промежуточный участок í;1ла с чахоником и управляемыми муфтами. Силовая установка (фиг. 1) содержит двигатель 1 ннутреннего сгорания (ДВС), снабженный турбокомпрессором наддува, состоящич из турбины 2 и компрессора 3. (илоная газовая турбина 4 расположена на на.1у паровой турбины 5 и на том же валу расположен динамический насос 6 гидравлической передачи. Насос выполнен центробе кным. Объемный роторно-поршневой гидравлический двигатель 7 кинематически соединеH с коленчатым налом двигателя внутреннего сгорания посредством муфты 8. К трубопроводу 9, связывающему между собой элементы гидравлической передачи, подклк>чен гидроаккумулятор 10. Утилизационная паротурбинная установка включает в себя пароную турбину 5, которая соединена с парогенератором 11, при этом конденсатный насос )2 установки подключен своим ныходоч к парогенератору 11, а входом к баку 13. Между 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, на 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 турбокомпрессора наддува выполнен заодно с составным налом паровой турбины (фиг. 2). При этом турбина 2 турбокомпрессора расположена на участке турбин, а кочпрессор 3 турбокомпрессора — на участке насоса. В результате такой компоновки образуется энергетический блок, в который включены агрегаты, преобразующие теплоту н работу, и энергопотребляющий блок, в который включены агрегаты, потребляющие работу для создания напора. Объединение и установка агрегатов данным образом объясняется тем, что у пары силовая газовая 4 и паровая 5 турбины динамический насос 6 режим работы и недостатки. соответствующие этому режиму, 5 ! 0 ! 55 аналогичны режиму и недостаткам пары турбокомпрессора наддува, т. е. рабочая частота вращения турбины 2 турбокомпрессора, а также внешняя и нагрузочная характеристики 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 работе 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 турбин 2, 4 и 5) сходны рабочие параметры и режимы для компрессора 3 и насоса 6, т. е. внешние и нагрузочные характеристики, а также условия работы н зависимости от режима работы силовой установки (компрессор и динамический насос на переходных и номинальных режимах должны обеспечивать постоянную мощность и производите 1hHOCTb) . Как в варианте по фиг. 1, так и в варианте по фиг. 2 участки вала связаны между 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 ниде сочетания обгонной муфты 19 и центробежной муфты l 7, причем обгонная муфта размещается между центробежной муфтой и участком турбин. При этом маховик 16 сопряжен с промежуточным участком через вторую обгонную муфту 20. Силовая установка работает следующим образом. При запуске ДВС 1 отработавшие газы через турбину 2 турбокомпрессора по магистрали 15 начинают поступать в возрастающем количестве на лопатки силовой газовой турбины 4, постепенно раскручивая ее дО НОМИНаЛЬНОй ЧаСтОтЫ Вращс,1Ия, раВНОй порядка 60.000 об/мин. Пройдя силовую газовую турбину 4, отработавшие газы попадают в парогенератор 11, где утилизируется их тепло, первичное парообразование и соотнетстненно 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 вращения. Зо этого центробежная муфта 17 разомкнута и обеспечивает (в отсутствии ннешнего момента сопротивления) быстрый разгон силовой газовой 4 и паровой 5 турбин и их вывод на оптимальный режим. При замыкании центробежной муфты 17 турбины начинают работать одновременно на разгон маховика 16 и насоса 6 Первоначальный момент разгона происходит за счет пробуксовки центробежной муфты 17. 1420203 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 со«етание 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 Нх подклк)чение к насосу 6 и компрессору 3 для обеспечения определенной производительности этих агрегатов при неподвижном маховике 16. Однако запас мощности турбин на разгоне недостаточен егце и для раскрутки маховика, поэтому обгонная муфта 19 позволяет турбинам работать на потребителя без раскрутки 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 газон ДВС, 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 эффективHocThlo, к ним через центробежную муфту 17 н 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 врагцающегося маховика. При работе силовой установки на переходных режимах (например, при разгоне) наблюдается падение ее мощности по сравнению с номинальным режимом, вызванное отсутствием достаточного количества горячих отработавших газов ДВС, что приводит к неработоспособности систем, утилизирующих энергию этих газон т рбоком и реее()ра, силовой газовой турбины 4, паротx!)F)tttt ной установки 5 и парогенератора 1! !. и вызывает падение мощности непосредственно самого ДВС в связи с падением коэффициента наполнения и отсутствием крутяtttåго момента на валу ДВС от газовой сил()вой 4 и паровой 5 турбин. Для компенсации дефицита мощности HH переходных режимах и используется энергия разогttattt«)го на номинальных режимах маховика 16. Эта энергия потребляется ли намичесhttbl насосом 6 гидросистемы и и() среде гвс)м роторно-поршневого гидравлического Lttt«.;tтеля 7 передается на коленчатый )3а,l двигателя 1. Таким образом, при ком()ононке еи 1()вой установки !фиг. 1), т. е. ))ри под ключении маховика 6 тол ьк() к (и.l()tt()tt газоной турбине 4, паровой турбин(5 и динамическому насосу 6, частичная компенсация дефицита мощноет)3 силовой y(T;ttt»ttки на переходных режимах идет за (чег восстановления дополнительного t pi T)tilt( момента на валу 3B(. от роторно-3)ори и( ного гидравлического двигателя 7. Дополнительный крутящий мом IIT и развиваемая мощность, снимаемые «рitзогнанного маховика, сг 13)t(Hl33)()ã ней.titl ()приятный вид рабочих характеристик насоса 6 и компрессора 3 при работе i(.T;ttt()ttки на переходных режимах, так как происходит восстановление не только дополнительного крутящего момента на валу ДВС 1 от роторно-поршневого двигателя (гидросистемы, но и не происходит потери мо)цности самого ДВС 1 в связи с падением коэффициента наполнения, так как данлсtttt( наддува на переxolных режимах соотвеTствует давлению на номинальных режимах работы ДВС 1 и своей силовой x(T Использование н предлагаемой силовой установке механического накопителя энергии -- маховика 16 значительно снижает 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 силовой установки. Отличительной споеобноепью накопительной энергии, и н частно«ти маховика 16, является возможность перед;)чи потока энергии теоретически любой моши()(ти, т. е, практически это означает, что раскрученный маховик 16 можеT разогнать е места 10 рабочей частоты вра(пения подключаемые к нему агрегаты за минимальныи ПрОМЕжутОК ВРЕМЕНИ (T. Е. Об«СПЕЧИ(3(3(г Г М;)К симальное ускорение).! 420203 Ф<>!>.(« !.га изг)<>!)< г (><и» Фиг.д (л е;;)нttt<>.)ь .Ч I if, у I )t и < fн .< 11 и< l)«кор!я к r<)I),,>1, !о ко ),)к,) ) I )(t) 11 I ) Б! I!!1!1!!! о«ударе> н< нного комитета (.(:(.Р «<) делам изобретений и открытий I I 3(I 35 Моекна, Ж:35, Рау<иская наб, д. 4, 5 I l!) и )ноя тн< н>и) поли< ра«)< яре «Ipt<> <ч».ри и(еftff>I и !)(> (<>«1 жит< анно TH иере (одных и!>()ц(<. «()H, ), (г;)нов к;1 е набжена маховик()м и Н;1» Ili1!>(>H()1l 1>, p<)IIIII)1 выио, Ill(. н составным из ) р«x у IH« I I()II: % X I1 > <1 H . I >l(Л< Ы < М У (!> Г Ы . у (I III<>III<;I f1<> II. 3, <ттл«чин)«<и.<г» тем, н;1,1 гл р<><>к<>мире«сора н<1;1, гу иа выи(>»не н заодно с составныл(валом паровой турбины, причем турбина турбокомпрессора расположена на участке турбин, а компрессор турбоком прессора на участке насоса. 3 Установка по пи. и 2, от.гичаюи4аяся тел(, что уиравдяел(ая муфта, связывающая промежуточный участок с участком турбин, выполнена центробежной. 4. Установка ио пи. и 2, отличаю«<а.гг» тем, что маховик сопряжен с иром(жуго(ным участком через обгонную муфту, ;1 уир;гв I>t«÷àÿ муфта, связывающая промежуточи>)й у ча Tot(с участком турбин, выио»иен;1 H ви.(е (> цтапия обгонной и центр<><)(. кги>й у(ут.
