Beschreibung

System zur Ausnutzung von überschussenergie in den Abgasen eines Schiffs-Großdieselmotors

Die Erfindung betrifft ein System zur Ausnutzung von überschussenergie in den Abgasen eines Großdieselmotors, insbesondere eines Zweitakt-Großdieselmotors, der an Bord eines Schiffes mit elektrischem Bordnetz installiert ist, wobei die Abgase zunächst Abgasturboladern zugeführt und dann in einer Abgasturbine weiter ausgenutzt werden und wobei die Abgastur- bine einen Generator antreibt.

Die Abgasenergie von Großdieselmotoren an Bord von Schiffen wird häufig durch die Abgasturbolader und/oder nachgeschaltete Dampfturbinen, die einen Generator antreiben, nicht vollständig ausgenutzt. Dies ist insbesondere bei Zweitakt-Großdieseln der Fall, da die in der Schifffahrt verwendeten Typgrößen häufig nicht die für die Abgasausnutzung ideale Turbo- laderzahl aufweisen. So würde beispielsweise manchmal eine gebrochene (2,5 oder 3,5) Zahl von Turboladern zur besten Ausnutzung der Abgasenergie benötigt. Da eine gebrochene Zahl von Turboladern jedoch nicht darstellbar ist, wird ein nicht notwendiger Aufladungsgrad erreicht. Es liegt nahe, die sich bei Zweitakt-Großdieseln ergebende überschüssige Aufladung zum Antrieb eines Nutzturbinenrades zu verwenden. Dies ist bereits aus der Schrift „Produkt + Praxis" der Firma ABB Schalt- und Steuerungstechnik, Ausgabe 1/99, bekannt. Es handelt sich dabei um eine Nutzturbine, die elektrische Energie in das Netz einer Insel einspeist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine derartige bekannte Nutzturbine in das Abgassystem eines Zweitakt-Großdieselmotors oder auch eines anderen Großdieselmotors derart einzubinden,

dass die erzeugte Elektroenergie in optimaler Form für ein Schiffsbordnetz zur Verfügung steht. Dabei soll insbesondere der Tatsache Rechnung getragen werden, dass an Bord eines Schiffes große induktive Verbraucher vorhanden sind, die für das Schiffsbordnetz einen relativ schlechten Cosinus phi ergeben .

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Generator Elektroenergie in das Bordnetz eines Schiffes einspeist, wobei der Generator als Blindleistungsmaschine (Phasenschieber) schaltbar ist. Bisher war es üblich, dass große Schiffe einen separaten Phasenschieber aufwiesen, häufig in Form einer Blindleistungsmaschine, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen war. Erfindungsgemäß und sehr vorteilhaft übernimmt jetzt einer der sowieso an Bord eines Schiffes vorhandenen

Generatoren in Verbindung mit einer Abgasturbine diese Aufgabe. Es wird also sehr vorteilhaft eine elektrische Maschine an Bord des Schiffes eingespart, so kommt es zu einer nicht unerheblichen Kostensenkung in Bezug auf das Bordnetz eines großen Schiffes.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator einen Anwurfmotor aufweist und dass zwischen der Abgasturbine und dem Generator ein Getriebe und eine überholkupp- lung, insbesondere in Form einer SSS-Kupplung, (Selbstsynchronisierende Schaltkupplung) angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäß vorteilhaft verwendete überholkupplung zwischen Abgasturbine und Generator ist es möglich, den Generator durch ein einfaches Zwischenaggregat (Getriebe und SSS-Kupp- lung) direkt mit der Abgasturbine zu verbinden, wobei durch diese Anordnung ein einfaches Hochlaufen der Abgasturbine möglich ist. Der Generator wird durch seinen Anwurfmotor ohne Gegendrehmoment auf das Schiffsnetz synchronisiert und elektrisch verbunden. Danach erfolgt der ungeregelte Hochlauf der

Gasturbine bis zum Erreichen der Generatorsynchrondrehzahl. Die Abgasturbine würde weiter hochlaufen, wenn sie nicht von der überholkupplung eingekuppelt würde. Mit Schließen der Kupplung kann Wirkleistung an den Generator abgegeben werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Generator eine kennliniengeführte Spannungsregelung aufweist und dass für eine Blindleistungserzeugung von der Generatorkennlinie auf eine Phasenschieberkenn- linie gewechselt wird. So ergibt sich eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, den Generator als Phasenschieber einzusetzen und dabei die notwendige Statik zu erreichen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vor- gesehen, dass der Großdieselmotor außer der Hauptabgasleitung eine, insbesondere bezüglich ihrer Durchströmung regelbare, Bypass-Abgasleitung zur Abgasturbine aufweist. So ergibt sich sehr vorteilhaft die Möglichkeit, die Abgasturbine so zu betreiben, dass die Abgasturbolader, die ja für eine optimale Füllung der Zylinder des Großdiesels sorgen, von der Entnahme der überschussenergie aus der Abgasleitung zu den Turboladerturbinen nicht beeinflusst werden. Die Nutzung der überschussenergie kann also bei allen Betriebszuständen, d.h. auch bei Teillast, ohne Beeinflussung des Motorwirkungsgrades der Großdieselmaschine erfolgen. Es ergibt sich also eine

überschussenergienutzung, die den Wirkungsgrad der Antriebsanlage des Schiffes erheblich steigern kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasturbine, das Getriebe mit SSS-Kupplung, der als Phasenschieber betreibbare Generator und der Anwurfmotor auf einem gemeinsamen Grundrahmen angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann eine Maschinengruppe geschaffen werden, die besonders kostengünstig ist und auch leicht nachgerüstet werden

kann. Mit dieser Maschinengruppe wird das freie Wellenende des Generators optimal derart genutzt, dass eine kompakte Abgasturbinengenerator/Phasenschiebereinheit entsteht .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator einen Stromrichter aufweist, der ausgangsseitig für die Bordnetzfrequenz, die Bordnetzspannung und die richtige Phasenlage der erzeugten Elektroenergie sorgt. So ist eine problemlose Ein- und Ausschaltung des Generator/Pha- senschiebers in das Bordnetz möglich, ohne dass separate

Schaltvorgänge erfolgen müssen. So ist auch ein asynchroner Betrieb zum Bordnetz möglich!

Es ist vorgesehen, dass der Generator mit einem Cosinus phi von 0,9 - 1 betrieben wird.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, auch weitere erfinderische Einzelheiten entnehmbar sind.

Im Einzelnen zeigen:

FIG 1 eine schematische Ansicht des an Bord eines

Schiffes mit Großdieselmotor befindlichen erfindungsgemäßen Systems und

FIG 2 eine Darstellung der einzelnen Aggregate, wie sie auf einem Grundrahmen angeordnet sind.

In FIG 1 ist mit 1 der Großdieselmotor bezeichnet, der in der Regel acht oder mehr Zylinder aufweist (acht Zylinder sind angedeutet) . Die Zahl der Zylinder kann bis zu vierzehn betragen .

Von dem Großdieselmotor 1 wird die Propellerwelle 15 mit dem Propeller 16 angetrieben, wobei auf der Propellerwelle 15 bei modernen Schiffen, insbesondere bei Containerschiffen, ein Boostermotor 2 angeordnet ist, der über einen Stromrichter 3 und einen Schalter 13 aus dem Schiffsbordnetz 12 gespeist wird. Der Boostermotor 2 dient dazu, im Bedarfsfall zusätzliche Energie für den Antrieb des Propellers 16 zur Verfügung zu stellen, damit z.B. der Fahrplan des Containerschiffs eingehalten werden kann. Der Großdieselmotor weist noch eine Ab- gasturboeinheit 4, 6 auf, wobei in dem Teil 4 die Verbrennungsluft verdichtet und im Teil 6 die Abgase entspannt und abgekühlt werden. Zwischen dem Großdieselmotor 1 und dem Abgasteil 6 der Turboladereinheit befindet sich die Abgaslei- tung 7, von der ein Bypass 9 abzweigt, der zu der Abgasturbi- ne 8, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, führt. Die Abgas- turbine 8 treibt den erfindungsgemäß vorgesehenen, als Phasenschieber umschaltbaren Generator 10 an, der durch einen Anwurfmotor 11 im Bedarfsfall hochgefahren wird. Zwischen dem Generator 10 und der Abgasturbine 8 befindet sich in der Re- gel noch ein Getriebe, das erfindungsgemäß mit einer SSS- Kupplung verbunden ist. Der Generator 10 speist über eine Schalteinrichtung 14 Energie in das Bordnetz 12 ein, das in üblicher Weise über nicht dargestellte Motorgeneratoreinheiten mit Elektroenergie versorgt wird.

In FIG 2 bezeichnet 20 den erfindungsgemäß verwendeten Grundrahmen, auf dem sich der Anwurfmotor, der elektrische Generator - umschaltbar als Blindleistungsmaschine -, das Getriebe mit der SSS-Kupplung und die Abgasturbine befinden.

Der Generatorspannungsregler wird für die Verwendung des Generators als Blindleistungsgenerator zu diesem Zweck bezüglich seiner Kennlinien umgeschaltet. Er ist nicht dargestellt, da er in der Regel in einem Schaltschrank unterge-

bracht ist, der räumlich von der Maschinenanlage entfernt ist. In diesem Schaltschrank ist auch ein Cosinus phi Regelmodul angeordnet. Damit kann sehr vorteilhaft ein optimaler Cosinus phi für das Bordnetz erreicht werden.

Durch die erfindungsgemäße Generator/Phasenschiebermaschineneinrichtung mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Umschalteinrichtung ergibt sich eine äußerst einfache und kostengünstige Möglichkeit, die überschussenergie eines Großdiesels zu nut- zen und dabei bis zu 5 bis 10 % der verbrauchten Energie einzusparen. Trotz dieses erheblichen Vorteils ist die Maschinenanlage, die dafür notwendig ist, von äußerster Einfachheit und sehr kostengünstig. Die erreichten Vorteile sind also erheblich, ohne dass ein erheblicher Aufwand, z.B. durch die Verwendung einer Dampfturbinenanlage mit Abgaswärmetauscher, betrieben werden muss. Das erfindungsgemäße System ist für Zweitakt-Großdieselmaschinen besonders vorteilhaft, u.U. kann es jedoch auch für Viertaktgroßdiesel von Vorteil sein.