使用船舶驱动的余热的装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有柴油发动机的用于船舶驱动的装置，所述柴油发动机与船舶驱动轴和发电机转动连接，在此，发电机通过马达变频器和通过舰船电网变频器与舰船电网连接，在马达变频器和舰船电网变频器之间设置有直流电压中间电路；并且，发电机向舰船电网供给能量，或者作为辅助发动机从舰船电网中获取能量，并充当柴油发动机。此外，这种装置具有通过柴油发动机的废气提供供给的废气涡轮机和/或通过柴油发动机的余热提供供给的蒸汽涡轮机，所述两个涡轮机驱动涡轮发电机，其特征在于，涡轮发电机的输出能量供给发动机变频器和舰船电网变频器的电压中间电路。
【专利说明】
使用船舶驱动的余热的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种应用具有柴油发动机的用于船舶驱动的装置，所述柴油发动机与 船舶驱动轴及与发电机转动连接。在此，发电机充当柴油发动机，通过马达变频器(1〇1:〇1·-111111'；[01^61')和通过舰船电网变频器（13(^(1116七2-1]1]11'；[01^61')，在马达变频器和舰船电网 (Bordnetz)变频器之间设置有直流电压中间电路，该发电机与舰船电网连接，并且，发电机 向舰船电网输送能量，或者作为辅助发动机，从舰船电网中获取供给。此外，这种装置具有 通过柴油发动机的废气提供供给的废气涡轮机和/或通过柴油发动机的余热提供供给的蒸 汽涡轮机，所述两个涡轮机驱动涡轮发电机。
【背景技术】
[0002] 用于船舶驱动的现代柴油发动机具有约50 %的效率，大约25 %的初级能源随着余 热散失。这部分能量的余热利用已从十几年前开始被实现。这样，在船舶动力装置中，这部 分能量被用于供给舰船电网，或额外地这部分能量也通过所谓的助推发动机驱动轴。
[0003] 由此，在舰船电网中，不期望出现受操作限制的涡轮机能量波动，因此，通常需要 使用附件的控制阀来驱动涡轮发电机，以便不引起快速负载波动。但是，这样的缺点是效率 损失，其造成控制阀上的压力损失。如果涡轮机不规则地被驱动，则供给的能量波动，这会 导致不期望的舰船电网频率波动。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是，提供一种具有柴油发动机的船舶驱动，所述柴油发动机与船舶 驱动发电机转动连接，发电机通过马达变频器和通过舰船电网变频器，在它们之间设置有 直流电压中间电路，且所述发电机与舰船电网连接，并且，向舰船电网供给能量，或者作为 辅助发动机从舰船电网中获取供给，所述装置充当柴油发动机。此外，这种装置具有通过柴 油发动机的废气供给的废气涡轮机和/或通过柴油发动机的余热供给的蒸汽涡轮机，所述 涡轮机可驱动涡轮发电机，这样提高了该装置的效率。
[0005] 本发明的目的通过根据权利要求1所述特征的装置实现。优选的实施例将在从属 权利要求中说明。
[0006] 根据本发明的用于驱动船舶的装置具有柴油发动机(所谓的船舶的主机），所述柴 油发动机与船舶驱动轴及发电机转动连接，发电机通过马达变频器和通过舰船电网变频器 (在它们之间设置有直流电压中间电路)与舰船电网连接，并且，发电机向舰船电网供给能 量，或者充当柴油发动机作为辅助发动机从舰船电网中获取供给。此外，这种装置具有通过 柴油发动机的废气供给的废气涡轮机和/或通过柴油发动机的余热获得供给的蒸汽涡轮 机，所述涡轮机可驱动涡轮发电机。
[0007] 根据本发明，涡轮发电机的输出能量供给发动机-和舰船电网-变频器的电压中间 电路。
[0008] 优选地，祸轮发电机的输出能量和转数调节(Drehzahlregelung)通过祸轮发电机 的励磁装置进行控制。替选地，例如通过中间电路的电压进行调节，所述电压由马达变频器 确定。
[0009] 当由柴油发动机的废气供给的废气涡轮机以及由柴油发动机的余热供给的蒸汽 祸轮机一起驱动祸轮发电机时，祸轮机可以通过级传动（〇61：1^6匕6 81：1^6)"在共同的轴 (We 11 ens tange)上"工作。祸轮机可以通过级传动与共同的祸轮发电机驱动轴转动连接。
[0010] 优选地，在局部负载范围内的涡轮发电机的转数通过励磁装置控制，使得至少一 个涡轮机根据其转数-功率-特征在最大能量产生的运行点工作。所述针对涡轮机的转数-功率-特征为，通常在相应的图表中将功率对应转数作为综合特征曲线表示出来，其功率取 决于转数。
[0011]前述在废气涡轮机和蒸汽涡轮机之间的级传动可设置和调整，使得两个涡轮机根 据其转数-功率-特征甚至在最大能量产生的运行点也可工作。
[0012] 优选地，调节所述马达变频器，使得直流电压中间电路的电压恒定。用于助推 (boostern)柴油发动机(通过发电机充当柴油发动机作为辅助发动机的）或由舰船电网能 量提供的能量相应地控制。
[0013] 特别优选地，电网变频器（Netzumrichter)通过其有效负载静态 (Blindlaststatik)和无功负载静态(Wirklaststatik)在舰船电网上"行驶"。即，与舰船电 网连接，电网变频器可与其它发电机平行运行（parallellaufBhig λ整体系统的电源管理 可调节电网变频器的能量流，使得根据需求和经济优化标准，除了供给涡轮发电机之外，还 提供能量供给中间电路，或涡轮发电机和/或马达变频器的能量供给配电系统。
[0014] 本发明基本涉及驱动废气和蒸汽涡轮机，使得可实现最优的能量利用。为此，不需 要额外的控制阀。因为节流阀的使用一直伴随着效率的损失。此外，因为能量被供给现有的 轴发电机/助推电动机的中间电路，因此同样可避免在舰船电网中复杂的平衡过程。除此之 外，涡轮发电机从现在起可转数变化地运行。所述涡轮发电机没有连接在具有固定电网频 率的电网中，而是能量流可通过涡轮发电机的励磁进行调节。这样得到了一个自由度，以便 涡轮机的转数-功率-特征运行在最优功率输出的运行点，而不需要另一频率变频器。
[0015] 涡轮发电机、马达变频器和电网变频器的组件控制电路可独立工作，并且在控制 技术上不必进行彼此协调。
[0016] 此处，稳定因子为马达变频器。它使中间电路的直流电压基本上保持恒定。通过所 述马达变频器可以调整能量流，使得100%能量供给辅助或助推发动机，或100%能量供给 相关的及舰船电网中。
[0017] 如废气发电机的能量波动不需要通过舰船电网来稳定，而是通过助推发动机进行 补偿。作用在螺旋桨轴上的反馈作用是微不足道的，因为主机优选为比废气涡轮强很多倍。
[0018] 涡轮发电机的励磁装置可调整为，在恒定的反向电压时，输出功率在一个允许的 转数范围内可任意调节，因为马达变频器通常总是具有将涡轮发电机的功率供给助推发动 机中的能力。
[0019]优选地，电网变频器为如波发电机(Wellengenerator)，所述波发电机将螺旋桨轴 的低波动的频率转换为恒定的电网频率。波发电机将有效负载和无功负载供给舰船电网。 这样舰船电网能量在宽的驱动范围内从涡轮发电机和波发电机提供。同样允许操作理念， 供给辅助发动机(助推操作）。
【附图说明】
[0020] 参照附图在下列示例性实施例的描述对本发明的其它优点、实施例和细节进行说 明：
[0021] 图1示出了根据现有技术的用于船舶驱动的装置示意图，及
[0022] 图2示出了根据本发明的用于船舶驱动的装置的示意图。
【具体实施方式】
[0023]用于船舶驱动的现代柴油发动机2,如图1和2中所示，具有约50%的效率。
[0024]大约25%的初级能源将随着余热散失。这部分能量余热利用已从十几年前开始被 实现，如图1所示。这样在船舶驱动中，用于供给舰船电网4'的能源被使用，或也可通过辅助 发动机6'，所谓的助推发动机额外地驱动轴。
[0025] 因此，常规的用于船舶驱动的装置包括柴油发动机2'（所谓船舶的主机），所述柴 油发动机与船舶驱动轴8'和发电机10'转动连接。发电机通过马达变频器12'和通过舰船电 网变频器14'与舰船电网连接，在马达变频器和舰船电网变频器之间设置有直流电压中间 电路16'，并且，发电机10'向舰船电网4'供给能量，或者从舰船电网4'中获取能量，充当(作 为辅助发动机6'）柴油发动机2'。此外，附加的柴油发电机18'可供给舰船电网4'，例如当主 机停止工作时。
[0026] 此外，所述装置包括通过柴油发动机2'的废气供给的废气涡轮机20'和通过所述 柴油发动机的余热供给的蒸汽涡轮机22'，所述废气涡轮机和蒸汽涡轮机驱动涡轮发电机 24'。在根据图1的现有技术中，由此在舰船电网中，不期望出现受操作限制的涡轮机(20'、 22'）的能量波动，因此，通常需要使用额外的控制阀26'（例如，在蒸汽涡轮机22'处示出的） 来驱动涡轮发电机24'，以便不引起快速负载波动。但是，这样的缺点是效率损失，其造成控 制阀26'上的压力损失。如果涡轮机(20'、22'）不规则地被驱动，则供给的能量波动，这会导 致不期望的舰船电网频率波动。
[0027] 根据图2的本发明用于船舶驱动的装置具有柴油发动机2(所谓的船舶的主机），所 述柴油发动机与船舶驱动轴8及发电机10转动连接。在此，发电机10通过马达变频器12和通 过舰船电网变频器14,与舰船电网连接，在马达变频器和舰船电网变频器之间设置有直流 电压中间电路16,并且，发电机10向舰船电网4供给能量，或者从舰船电网中获取能量作为 辅助发动机6充当柴油发动机2。此外，这种装置具有通过柴油发动机2的废气提供供给的废 气涡轮机20和通过柴油发动机2的余热提供供给的蒸汽涡轮机22,所述废气涡轮机和蒸汽 涡轮机驱动涡轮发电机24。
[0028] 与此相反，根据图2本发明的涡轮发电机24的输出能量（例如通过二极管整流器 28)向马达变频器12和舰船电网变频器14的直流电压中间电路16(具有电容器)提供供给， 而不是直接供给给舰船电网4。
[0029]废气涡轮机20和蒸汽涡轮机22-起驱动涡轮发电机24,并且，所述废气涡轮机和 蒸汽涡轮机可以通过级传动30"在共同的轴上32"工作。所述废气涡轮机和蒸汽涡轮机可以 通过级传动34与共同的涡轮发电机驱动轴36转动连接。
[0030]优选地，在局部负载范围内的涡轮发电机24的转数通过励磁装置36进行调节，使 得通过级传动30连接的涡轮机(20、22)根据其转数-功率-特征在最大能量产生的运行点工 作。
[0031] 在废气涡轮机和蒸汽涡轮机之间的级传动30这样设置，使得两个涡轮机(20、22) 根据其转数-功率-特征在最大能量产生的运行点工作。
[0032] 马达变频器12这样被调整，使得直流电压中间电路16的电压恒定。助推柴油发动 机2的能量(通过作为辅助发动机6的发电机10充当柴油发动机)或由舰船电网提供的能量 被相应地调节。
[0033] 电网变频器14通过其有效负载静态和无功负载静态在舰船电网4上"行驶"。即，电 网变频器与舰船电网连接，并与另一处于柴油发电机18平行运行。整体系统的电源管理(未 示出）可调节电网变频器14的能量流，使得根据需求和经济优化标准，由除了供给涡轮发电 机24之外，舰船电网4还提供能量供给中间电路，或涡轮发电机24和/或马达变频器12的能 量供给舰船电网4。
[0034] 基本地，本发明涉及驱动废气涡轮机20和蒸汽涡轮机22,使得可实现最优的利用 能量。为此，不需要额外的控制阀（图1)。此外，因为能量被供给现有的轴发电机10/助推电 动机6的中间电路16,因此，同样可避免在舰船电网的复杂的平衡过程。除此之外，涡轮发电 机24从现在起可转数变化地运行。所述涡轮发电机没有连接在具有固定电网频率的舰船电 网4中，而是能量流可通过涡轮发电机进行调节，例如通过涡轮发电机的励磁进行调节。这 样得到了一个自由度，以便涡轮机(20、22)的转数-功率-特征运行在最优功率输出的运行 点，而不需要例如在涡轮发电机24'和舰船电网4(图1)之间的另一频率转换器。
[0035]涡轮发电机24、马达变频器12和电网变频器14的组件控制电路可独立工作，并且 在控制技术上不必进行彼此协调。
[0036] 此处，稳定因子为马达变频器12。它使中间电路16的直流电压基本上保持恒定。通 过所述马达变频器能量流可以被调整，使得100%能量供给辅助或助推发动机6,或100%能 量供给相关的舰船电网4中。
[0037] 能量波动，如废气发电机20的能量波动，不需要通过舰船电网4来稳定，而是通过 助推发动机6进行补偿。作用在螺旋桨轴8上的反馈作用是微不足道的，因为主机2比废气涡 轮20强很多倍。
[0038] 涡轮发电机20的励磁装置可进行调整，在反向电压恒定时，在一个允许的转数范 围内，功率输出可自由地调节，因为马达变频器12通常总是具有将涡轮发电机24的功率供 给助推发动机6中的能力。
[0039] 电网变频器14运作方式如波发电机，所述波发电机将螺旋桨轴8的低波动频率转 换为恒定的电网频率。波发电机将在舰船电网4中提供有效负载和无功负载。这样，在宽的 操作范围内，舰船电网能量由涡轮发电机24和波发动机10供给。同样允许这种操作概念，供 给辅助发动机6 (助推操作）。
【主权项】
1. 一种用于船舶驱动的装置，其 -具有柴油发动机，所述柴油发动机与船舶驱动轴及发电机转动连接，所述发电机通过 马达变频器和通过舰船电网变频器与舰船电网连接，在所述马达变频器和所述舰船电网变 频器之间设置有直流电压中间电路;并且，所述发电机向舰船电网供给能量，或者作为辅助 发动机从舰船电网中获取能量，并充当柴油发动机，和 -具有通过柴油发动机的废气供给的废气涡轮机和/或通过所述柴油发动机的余热供 给的蒸汽涡轮机，所述废气涡轮机和/或蒸汽涡轮机驱动涡轮发电机， -其特征在于，涡轮发电机的输出能量供给发动机变频器和舰船电网变频器的电压中 间电路。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，涡轮发电机的输出能量和转数调节通过所 述涡轮发电机的励磁装置进行控制。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过柴油发动机的废气供给的废气涡轮机 和通过所述柴油发动机的余热供给的蒸汽涡轮机驱动涡轮发电机，并且，所述废气涡轮机 和所述柴油发动机通过级传动与共同的涡轮发电机-驱动轴转动连接。4. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在局部负载范围内的涡轮发 电机的转数通过励磁装置调节，使得至少一个涡轮机根据其转数-功率-特征在最大能量产 生的运行点工作。5. 根据权利要求3和4所述的装置，其特征在于，这样调整或调节在废气涡轮机和蒸汽 涡轮机之间的级传动，使得两个涡轮机根据其转数-功率-特征在最大能量产生的运行点工 作。6. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，可这样调节马达变频器，使得 直流电压中间电路的电压恒定。7. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，电网变频器通过其有效负载 静态和无功负载静态向舰船电网供给能量或从舰船电网获取能量。
【文档编号】F02G5/02GK106081045SQ201610282680
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赫尔曼·柯明施
【申请人】瓦锡兰赛姆电子