PL220363B1 - Sposób zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych tłokowych silników parowych i zawór wtryskowy w sposobie zasilania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych tłokowych silników parowych i zawór wtryskowy w tym sposobie zasilania.

Stan techniki

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.

Cel wynalazku

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.

Istota wynalazku

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.

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.

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.

W innym korzystnym rozwiązaniu zawór wtryskowy napędzany jest elektromagnetycznie lub piezoelektrycznie.

W korzystnej odmianie wykonania zawór wtryskowy zawiera iglicę z zaworem grzybkowym, która jest dociskana do gniazda korpusu cylindra silnika parowego siłą spiralnej sprężyny.

Korzystne skutki wynikające z istotnych cech wynalazku

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 - mianowicie

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”.

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.

Zaletą techniczną wynalazku jest możliwość dozowania precyzyjnej i płynnie zmiennej dawki wody (pary) nadkrytycznej i ultranadkrytycznej do cylindra tłokowego silnika parowego.

Zaletą techniczną jest również możliwość uzyskania szybkobieżności pracy silnika parowego a także znacząca poprawa jego sprawności.

Przykład użytecznego wykorzystania istotnych cech wynalazku w zakresie sposobu zasilania i budowy zaworu wtryskowego pokazany jest na rysunku, na którym:

- fig. 1 przedstawia impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji zamkniętej,

- fig. 2 - impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji otwartej z nastawioną dawką minimalną,

- fig. 3 - impulsowy zawór wtryskowy wody nadkrytycznej i ultranadkrytycznej w pozycji otwartej z nastawioną dawką maksymalną.

Opis przykładu działania sposobu i przykład budowy zaworu wtryskowego

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).

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.

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.

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.

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 kontrolowanej

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.

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.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych silnika parowego wykorzystującego zjawisko „impulsu”, znamienny tym, że przy zasilaniu parą wodną stosuje się zawór wtryskowy impulsowy (ZI) o wysokiej częstotliwości pracy i płynnie zmiennej dawce pary, który zawiera przegrodę tłokową (3) z osadzoną w niej iglicą sterującą (2) zakończoną zaworem grzybkowym (15), przy czym decyzję o nastawie przegrody tłokowej (3) 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.
2. 2. Zawór wtryskowy do zasilania parą wodną o parametrach ultranadkrytycznych silnika parowego wykorzystującego zjawisko „impulsu”, znamienny tym, że 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 kontrolowanej objętości (1), zaś w części górnej przegroda tłokowa (3) zawiera nakrętkę (4) do jej przesuwania, która połączona jest z kołem zębatym (5) napędzanym wałkiem (9).
3. 3. Zawór wtryskowy według zastrz. 2, znamienny tym, że napęd wałka (9) jest realizowany silnikiem krokowym, serwonapędem lub innym sposobem na podstawie sygnału wysterowania z elektronicznego systemu sterującego pracą silnika parowego.
4. 4. Zawór wtryskowy według zastrz. 2, znamienny tym, że zawór wtryskowy (ZI) napędzany jest elektromagnetycznie lub piezoelektrycznie.
5. 5. Zawór wtryskowy według zastrz. 2, znamienny tym, że iglica sterująca (2) uformowany ma w części dolnej grzybek (13) do utworzenia zaworu grzybkowego (15) z otworem korpusu cylindra (CS) silnika parowego.