PL220363B1

PL220363B1 - The method of steam supply with ultra-supercritical parameters of piston steam engines and the injection valve in the supply method

Info

Publication number: PL220363B1
Application number: PL398775A
Authority: PL
Inventors: Janusz Wełnowski
Original assignee: Wełnowski Janusz Itp
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2015-10-30
Also published as: PL398775A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych tłokowych silników parowych i zawór wtryskowy w tym sposobie zasilania.The subject of the invention is a method of supplying steam with ultra-supercritical parameters to piston steam engines and an injection valve in this method of supply.

Stan technikiState of the art

Para nadkrytyczna występuje przy ciśnieniu od 24,1 MPa i temperaturze od 538°C. Para ultranadkrytyczna powstaje przy ciśnieniu od 27,2 MPa i temperaturze od 600°C. Przy powyższych parametrach nie ma granicy pomiędzy wodą a parą. Woda (para) pod wysokim ciśnieniem pozostaje w stanie ciekłym w wyższych temperaturach i nie wrze bądź paruje. Jeżeli taką podgrzaną i znajdującą się pod wysokim ciśnieniem wodę przydławić poprzez kryzę do niższego ciśnienia, część wody natychmiast i w sposób wybuchowy zamienia się w parę - jest to proces znany pod nazwą „impulsu”, co stosowane jest w tłokowych silnikach parowych. Do tego celu stosuje się specjalne zawory wlotowe zasilające takie silniki, które są znane w technice jako zawory zasilające silniki parowe, które znane są z patentów: CN101892930, JP60184913, DE102007046316, US2008093477 i EP1277014. Rozwiązania te jednak nie umożliwiają szybkiego impulsowego dozowania pary nadkrytycznej z jednoczesną płynną regulacją dawki w czasie rzeczywistym pracy silnika parowego.Supercritical steam occurs at a pressure of 24.1 MPa and a temperature of 538 ° C. Ultra-supercritical steam is generated at a pressure of 27.2 MPa and a temperature of 600 ° C. With the above parameters, there is no boundary between water and steam. Water (steam) under high pressure remains liquid at higher temperatures and does not boil or evaporate. If this heated, high-pressure water is choked to a lower pressure via an orifice, some of the water immediately and explosively turns into steam - a process known as "impulse" as used in reciprocating steam engines. For this purpose, special inlet valves are used to feed such engines, which are known in the art as steam engine feed valves, which are known from the patents: CN101892930, JP60184913, DE102007046316, US2008093477 and EP1277014. However, these solutions do not allow for quick impulse dosing of supercritical steam with simultaneous smooth regulation of the dose in real-time operation of the steam engine.

Cel wynalazkuObject of the invention

Celem wynalazku jest uzyskanie nowego sposobu zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych tłokowych silników parowych wykorzystujący zjawisko „impulsu” i nowego zaworu wtryskowego w tym sposobie zasilania o wysokiej częstotliwości pracy i płynnie zmiennej precyzyjnej dawce pary, co powinno umożliwić stworzenie nowoczesnego tłokowego silnika parowego o nowatorskim sposobie działania i budowie.The aim of the invention is to obtain a new method of steam supply with ultra-supercritical parameters of piston steam engines using the phenomenon of "impulse" and a new injection valve in this method of supply with high operating frequency and continuously variable precise steam dose, which should enable the creation of a modern piston steam engine with an innovative method activities and construction.

Istota wynalazkuThe essence of the invention

Postawione zadanie w zakresie sposobu zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych silnika parowego wykorzystującego zjawisko „impulsu” według istotnych cech wynalazku charakteryzuje się tym, że przy zasilaniu parą wodną stosuje się zawór wtryskowy impulsowy o wysokiej częstotliwości pracy i płynnie zmiennej dawce pary, który zawiera przegrodę tłokową z osadzoną w niej iglicą zakończoną zaworem grzybkowym, przy czym decyzję o nastawie przegrody tłokowej podejmuje komputer sterujący pracą silnika parowego, a także stosuje się płynną zmianę dawki pary w czasie rzeczywistym w wyniku zmian obciążenia silnika parowego, napędzanego metodą mechaniczną, elektromagnetyczną, piezoelektryczną lub inną w powiązaniu z prędkością obrotową wału korbowego tłokowego silnika parowego z częstotliwością 25 Hz lub wyższą i jednoczesną regulacją dawki wody (pary) zależną od jego stopnia obciążenia.The task set in the field of the method of supplying steam engine with ultra-supercritical parameters to a steam engine using the phenomenon of "impulse" according to the essential features of the invention, is characterized by the fact that when supplying steam, an impulse injection valve with high operating frequency and continuously variable steam dose is used, which includes a piston baffle with a spike embedded in it with a mushroom valve, the decision on the setting of the piston partition is made by the computer controlling the operation of the steam engine, and a smooth change of the steam dose is applied in real time as a result of changes in the load of the steam engine, driven by a mechanical, electromagnetic, piezoelectric or other method in conjunction with the rotational speed of the piston crankshaft of a steam engine with a frequency of 25 Hz or higher and the simultaneous control of the dose of water (steam) depending on its degree of load.

W zakresie budowy zaworu wtryskowego, istota wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawór wtryskowy składa się z korpusu, w którym przesuwnie osadzona jest przegroda tłokowa w postaci tulei z osadzoną w niej przesuwnie iglicą sterującą dociskaną spiralną sprężyną, przy czym przegroda tłokowa uformowany ma w części dolnej cylindryczny kołnierz usytuowany w przestrzeni zasilania, która wyposażona jest w otwór wlotowy do pary, a cylindryczny kołnierz zawiera kapilarę do połączenia z przestrzenią kontrolowanej objętości, zaś w części górnej przegroda tłokowa zawiera nakrętkę do jej przesuwania, która połączona jest z kołem zębatym napędzanym wałkiem.In terms of the construction of the injection valve, the essence of the invention is characterized by the fact that the injection valve consists of a body in which a piston baffle in the form of a sleeve is slidably mounted, with a slidingly mounted control needle, pressed by a spiral spring, the piston baffle being partially formed in the lower part, a cylindrical flange located in the supply space, which is provided with an inlet for the steam, and the cylindrical flange includes a capillary for connection to the controlled volume space, and in the upper part, the piston baffle includes a nut for its displacement, which is connected to a pinion driven by a shaft.

W korzystnym rozwiązaniu napęd wałka jest realizowany silnikiem krokowym, serwonapędem lub innym sposobem na podstawie sygnału wysterowania z elektron icznego systemu sterującego pracą silnika parowego.Preferably, the shaft is driven by a stepper motor, servo drive or other method based on a control signal from an electronic steam engine control system.

W innym korzystnym rozwiązaniu zawór wtryskowy napędzany jest elektromagnetycznie lub piezoelektrycznie.In another preferred embodiment, the injection valve is electromagnetically or piezoelectrically driven.

W korzystnej odmianie wykonania zawór wtryskowy zawiera iglicę z zaworem grzybkowym, która jest dociskana do gniazda korpusu cylindra silnika parowego siłą spiralnej sprężyny.In a preferred embodiment, the injection valve comprises a poppet valve needle which is pressed against the seat of the cylinder body of the steam engine by the force of a helical spring.

Korzystne skutki wynikające z istotnych cech wynalazkuBeneficial effects resulting from the essential features of the invention

Znany zawór wlotowy pary został zastąpiony wtryskiwaczem, kierującym bardzo gorącą i znajdującą się pod wysokim ciśnieniem wodę bezpośrednio do cylindra. Zastosowanie wtryskiwacza wtryskującego wodę, zamiast zaworu wlotowego pary, ma zasadnicze znaczenie praktyczne. Po pierwsze, ilość wody wtryśniętej podczas każdego suwu jest znacznie mniejsza, niż objętość pary przechodzącej przez zawór wlotowy w silniku wyposażonym z przepływową wytwornicę pary (para pod ciśnieniem atmosferycznym zajmuje 1650 razy większą objętość niż woda). Tę niewielką ilość wody znacznie łatwiej rozprowadzić poprzez zastosowanie wtryskiwacza, niż robi to zawór wlotowy ze znacznie większą ilością pary w silniku przepływowym. To zaś przekłada się na kolejną korzyść - mianowicieThe known steam inlet valve has been replaced with an injector that directs very hot and high pressure water directly into the cylinder. The use of a water injection injector instead of a steam inlet valve is of substantial practical importance. First, the amount of water injected during each stroke is significantly less than the volume of steam passing through the intake valve in an engine equipped with a continuous steam generator (steam at atmospheric pressure is 1650 times larger than water). This small amount of water is much easier to distribute through the use of an injector than does the intake valve with much more steam in the flow engine. This, in turn, translates into another benefit - namely

PL 220 363 B1 prędkość. Takie niewielkie ilości wody można dozować z prędkością równą prędkościom spotykanym w silnikach wysokoprężnych. W odróżnieniu od tego para, która musi przejść przez zawór wlotowy w poważnym stopniu obniża swe ciśnienie, gdy silnik zaczyna pracować szybciej. Jest to wywołane zjawiskiem, zwanym „dławieniem przepływu”.Speed. These small amounts of water can be dosed at a rate equal to that found in diesel engines. In contrast, the steam which has to pass through the intake valve severely lowers its pressure as the engine starts to run faster. This is due to a phenomenon known as "throttling".

Zawór wtryskowy będący przedmiotem wynalazku może być napędzany krzywką z wałka rozrządu lub inną metodą np.: elektromagnetycznie lub piezoelektrycznie. Konstrukcja zaworu umożliwia wtryśnięcie precyzyjnej dawki wody (pary) a także płynną zmianę tej dawki w czasie rzeczywistym w wyniku zmian obciążenia silnika.The injection valve according to the invention may be driven by a cam from a camshaft or by some other method, e.g. electromagnetically or piezoelectrically. The design of the valve enables the injection of a precise dose of water (steam) as well as a smooth change of this dose in real time as a result of changes in the engine load.

Zaletą techniczną wynalazku jest możliwość dozowania precyzyjnej i płynnie zmiennej dawki wody (pary) nadkrytycznej i ultranadkrytycznej do cylindra tłokowego silnika parowego.The technical advantage of the invention is the possibility of dosing a precise and smoothly variable dose of supercritical and ultra-supercritical water (steam) to the piston cylinder of a steam engine.

Zaletą techniczną jest również możliwość uzyskania szybkobieżności pracy silnika parowego a także znacząca poprawa jego sprawności.The technical advantage is also the possibility of achieving the speed of operation of the steam engine as well as a significant improvement in its efficiency.

Przykład użytecznego wykorzystania istotnych cech wynalazku w zakresie sposobu zasilania i budowy zaworu wtryskowego pokazany jest na rysunku, na którym:An example of a useful use of the essential features of the invention in terms of the supply method and construction of the injection valve is shown in the drawing, where:

- fig. 1 przedstawia impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji zamkniętej,- fig. 1 shows the impulse injection valve for supercritical and ultra-supercritical water in the closed position,

- fig. 2 - impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji otwartej z nastawioną dawką minimalną,- fig. 2 - impulse injection valve of supercritical and ultra-supercritical water in the open position with the set minimum dose,

- fig. 3 - impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji otwartej z nastawioną dawką maksymalną.- Fig. 3 shows the impulse injection valve of supercritical and ultra-supercritical water in the open position with the set maximum dose.

Opis przykładu działania sposobu i przykład budowy zaworu wtryskowegoDescription of an example of operation of the method and an example of construction of an injection valve

Istotą sposobu zasilania i budowy zaworu wtryskowego ZI pokazanego na fig. 1 do 3 według przykładu wykonania jest precyzyjne zasilanie - dozowanie porcji wody (pary) o parametrach nadkrytycznych i ultranadkrytycznych przygotowanej w przestrzeni kontrolowanej 1 impulsowego zaworu wtryskowego ZI do cylindra CS tłokowego silnika parowego. Przygotowana porcja wody po otwarciu iglicy sterującej 2 ulega gwałtownej dekompresji z obniżeniem ciśnienia i wzrostem objętości, wykonując pracę w cylindrze CS. Ilość wtryskiwanej wody zależy od stanu obciążenia silnika i może być płynnie regulowana podczas pracy silnika w czasie rzeczywistym poprzez zmianę objętości przestrzeni kontrolowanej 1. Zmianę objętości osiągamy w wyniku osiowego przesuwania przegrody tłokowej 3 za pomocą nakrętki 4 i zębatego koła napędowego 5. Decyzję o nastawie przegrody tłokowej 3 podejmuje komputer sterujący pracą silnika (nie jest pokazany na rysunku). Po zamknięciu iglicy sterującej 2 przestrzeń kontrolowana 1 napełnia się ponownie wodą (parą) z przestrzeni zasilania 6 poprzez nieszczelności tłoka przegrody tłokowej 3 oraz kapilarę 7. Czas napełniania przestrzeni kontrolowanej 1 będzie zmienny w zależności od wymaganej dawki wody (objętości przestrzeni kontrolowanej 1). Przy maksymalnej wydajności zaworu wtryskowego ZI będzie to czas reszty suwu prasy (po zamknięciu iglicy sterującej 2) plus czas suwu wydechu. Dla prawidłowej pracy impulsowego zaworu wtryskowego ZI pary ultranadkrytycznej zawiera on izolację termiczną od otoczenia lub ma dodatkowe ogrzewanie (nie jest to pokazane na rysunku).The essence of the method of supply and construction of the injection valve ZI shown in Figs. 1 to 3 according to the exemplary embodiment is the precise supply - dosing of a portion of supercritical and ultra-critical water (steam) prepared in the controlled space 1 of the impulse injection valve ZI to the CS cylinder of a piston steam engine. After opening the control needle 2, the prepared portion of water is rapidly decompressed with a decrease in pressure and an increase in volume, performing work in the CS cylinder. The amount of injected water depends on the load condition of the engine and can be smoothly adjusted while the engine is running in real time by changing the volume of the controlled space 1. The volume change is achieved as a result of axial displacement of the piston baffle 3 by means of the nut 4 and the toothed drive wheel 5. The decision to set the baffle of the piston 3 is taken over by the engine control computer (not shown in the drawing). After closing the control needle 2, the controlled space 1 is refilled with water (steam) from the supply space 6 through the leaks of the piston baffle 3 and the capillary 7. The time of filling the controlled space 1 will vary depending on the required water dose (volume of the controlled space 1). At maximum capacity of the injection valve ZI, this will be the rest of the press stroke (after control needle 2 is closed) plus the exhaust stroke time. For the correct operation of the ZI pulse injection valve of the ultra-supercritical steam, it has thermal insulation from the surroundings or has additional heating (not shown in the figure).

Wywierając siłę na iglicę sterującą 2 w kierunku pokazanym strzałką otwieramy ujście wody z przestrzeni kontrolowanej objętości 1 do cylindra CS. Objętość przestrzeni kontrolowanej 1, a tym samym dawki wody można zmieniać płynnie w czasie pracy silnika przesuwając przegrodę tłokową 3 wzdłuż korpusu zaworu 8.By exerting a force on the control needle 2 in the direction shown by the arrow, we open the outlet of water from the controlled volume space 1 to the CS cylinder. The volume of the controlled space 1, and thus the water dose, can be changed smoothly during engine operation by moving the piston baffle 3 along the valve body 8.

Przegroda tłokowa 3 jest przesuwana nakrętką 4 i kołem zębatym 5 napędzanym wałkiem 9. Napęd wałka 9 może być realizowany silnikiem krokowym, serwonapędem lub inną metodą na podstawie sygnału wysterowania z elektronicznego systemu sterującego pracą silnika.The piston baffle 3 is moved by a nut 4 and a gear wheel 5 driven by a shaft 9. The shaft 9 can be driven by a stepper motor, servo drive or other method based on a control signal from an electronic motor control system.

Iglica sterująca 2 jest otwarta przez czas odpowiadający ułamkowi suwu pracy silnika. Przez pozostały czas suwu pracy woda z przestrzeni zasilania zaworu 8 przedostaje się przez szczelinę pomiędzy tłokiem przegrody tłokowej 3, a korpusem 8 zaworu impulsowego ZI oraz kapilarę 7 do przestrzeni kontrolowanej objętości 1. Średnicę kapilary 7 określa się doświadczalnie dla spełnienia warunku napełnienia przestrzeni kontrolowanej 1 w czasie reszty (po zamknięciu iglicy sterującej 2) suwu pracy plus suwu wydechu.The control needle 2 is open for the time corresponding to the fraction of the engine operation stroke. For the remaining time of the work stroke, the water from the supply space of the valve 8 passes through the gap between the piston baffle 3 and the body 8 of the impulse valve ZI and the capillary 7 into the controlled volume space 1. The diameter of the capillary 7 is experimentally determined to fulfill the condition of filling the controlled space 1 in the remainder (after control needle 2 is closed) of the power stroke plus the exhaust stroke.

W przykładzie wykonania zawór wtryskowy ZI składa się z korpusu 8, w którym przesuwnie osadzona jest przegroda tłokowa 3 w postaci tulei z osadzoną w niej przesuwnie iglicą sterującą 2 dociskaną spiralną sprężyną 10, przy czym przegroda tłokowa 3 uformowany ma w części dolnej cylindryczny kołnierz 11 usytuowany w przestrzeni zasilania 6, która wyposażona jest w otwór wlotowy 12 do pary, a cylindryczny kołnierz 11 zawiera kapilarę 7 do połączenia z przestrzenią kontrolowanejIn the exemplary embodiment, the injection valve ZI consists of a body 8, in which a piston baffle 3 is slidably mounted in the form of a sleeve with a control needle 2 slidably mounted therein, pressed by a spiral spring 10, the piston baffle 3 having a cylindrical flange 11 in its lower part. in the supply space 6, which is provided with an inlet 12 for the steam, and the cylindrical collar 11 includes a capillary 7 for communication with the controlled space

PL 220 363 B1 objętości 1. Iglica sterująca 2 w części dolnej uformowany ma grzybek 13, który w połączeniu z otworem w części dolnej korpusu 8 tworzy zawór grzybkowy 15.The control needle 2 is formed in the lower part by a poppet 13 which, in connection with the opening in the lower part of the body 8, forms a poppet valve 15.

Przedstawiony w przykładzie realizacji wynalazku sposób zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych tłokowych silników parowych i zawór wtryskowy w sposobie zasilania według istotnych cech wynalazku, nie wyczerpuje wszystkich możliwych jego odmian realizacji. Ten szczegółowy opis sposobu i budowy zaworu wtryskowego nie powinien być interpretowany jako ograniczający zasadniczą ideę wynalazczą opisaną w podstawowej części niniejszego opisu.The method of supplying steam with ultra-supercritical parameters to piston steam engines presented in the embodiment of the invention and the injection valve in the method of supply according to the essential features of the invention does not exhaust all possible variants of its implementation. This detailed description of the injection valve method and construction should not be interpreted as limiting the principle inventive concept described in the main part of this description.

Claims

Patent claims

1. Method of supplying steam engine with ultra-supercritical parameters to a steam engine using the phenomenon of "impulse", characterized in that when steam is supplied, an impulse injection valve (ZI) with a high operating frequency and a continuously variable dose of steam is used, which includes a piston baffle (3) with a control needle (2) embedded in it ending with a mushroom valve (15), where the decision on the setting of the piston baffle (3) is made by the computer controlling the operation of the steam engine, and a smooth change of the steam dose in real time as a result of changes in the steam engine load , driven by a mechanical, electromagnetic, piezoelectric or other method in connection with the rotational speed of the piston crankshaft of a steam engine with a frequency of 25 Hz or higher, with simultaneous regulation of the dose of water (steam) depending on its load level.

2. The injection valve for steam supply with ultra-supercritical parameters of a steam engine using the "impulse" phenomenon, characterized by the fact that it consists of a body (8) in which a piston baffle (3) is slidably mounted in the form of a sleeve with a sliding needle inserted in it control (2) with a spiral spring (10) pressed on, while the piston baffle (3) has a cylindrical flange (11) in the lower part located in the supply space (6), which is equipped with an inlet (12) for steam, and a cylindrical the flange (11) includes a capillary (7) for connection to the controlled volume space (1), and in the upper part, the piston baffle (3) includes a nut (4) for its displacement, which is connected to the gear (5) driven by a shaft (9) ).

3. The injection valve according to claim 1 The method of claim 2, characterized in that the drive of the shaft (9) is carried out by a stepper motor, servo drive or other method based on a control signal from an electronic system controlling the operation of the steam engine.

4. The injection valve according to claim 1 The method of claim 2, characterized in that the injection valve (ZI) is electromagnetically or piezoelectrically driven.

5. The injection valve according to claim 1 Device according to claim 2, characterized in that the control needle (2) is formed with a poppet (13) in its lower part to form a poppet valve (15) with an opening in the cylinder body (CS) of the steam engine.