DK178395B1

DK178395B1 - Seven-cylinder two-stroke cross-head motor with a shaft system

Info

Publication number: DK178395B1
Application number: DK200100252A
Authority: DK
Inventors: Per Rønnedal
Original assignee: Man Diesel & Turbo Deutschland
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2016-02-01
Also published as: DK200100252A

Abstract

En syvcylindret totakts krydshovedmotor (l) har et akselsystem omfattende en krumtapaksel (2), der gennem i det mindste en propelleraksel (3) er koblet direkte til propelleren (4) i et skib. Akselsystemets egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter (k) er beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR, hvor MCR er motorens omdrejningstal (rpm) ved fuld motorbelastning.A seven-cylinder two-stroke cross-head motor (1) has a shaft system comprising a crankshaft (2) connected through at least one propeller shaft (3) directly to the propeller (4) in a ship. The shaft system's own frequency for the two-node (k) torsional oscillation shape is in the range of 8.5-12.0 x MCR, with the MCR being the engine speed (rpm) at full engine load.

Description

Opfindelse angår en syvcylindret totakts krydshovedmotor og et akselsystem, hvilket akselsystem omfatter motorens krumtapaksel og i det mindste en propelleraksel, som kobler krumtapakslen direkte til en skibspropeller.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention This invention relates to a seven-cylinder two-stroke cross-head motor and a shaft system, the shaft system comprising the crankshaft of the engine and at least one propeller shaft which couples the crankshaft directly to a ship propeller.

Fra dansk patentansøgning nr. PA 1999 01634 kendes en syvcylindret motor med et akselsystem, hvis énknude torsionssvingning har egenfrekvens ved motorens omdrejningstal ved fuld motorbelastning.From Danish Patent Application No. PA 1999 01634, a seven-cylinder engine with a shaft system is known, whose single-node torsional oscillation has its own frequency at the engine speed at full engine load.

Den direkte kobling mellem krumtapakslen og propelleren betyder, at den mellemliggende akselforbindelse ikke indeholder noget gear, og at propelleren har samme omdrejningstal (rpm) som krumtapakslen. Den mellemliggende akselforbindelse indeholder en propelleraksel, der passerer ud gennem stævnrøret i skibsskroget, og eventuelt en eller flere mellemaksler, alt efter afstanden mellem motor og propelleraksel.The direct coupling between the crankshaft and the propeller means that the intermediate shaft connection contains no gear and the propeller has the same speed (rpm) as the crankshaft. The intermediate shaft connection includes a propeller shaft passing out through the stern tube in the ship's hull, and optionally one or more intermediate shafts, depending on the distance between the engine and propeller shaft.

Motorens krumtapaksel er et væsentligt element både i akselsystemet og i motoren, men det er et problem, at ønskerne til krumtapakslens udformning set fra motorens side er modstridende med ønskerne set fra akselsystemets side. Ved totakts fremdrivningsmotorer med syv cylindre er problemet særlig udtalt, idet motoren gerne vil have en krumtapaksel med relativt lille masse, medens akselsystemet traditionelt set har behov for en krumtapaksel med relativt stort masseinertimoment.The crankshaft of the motor is an essential element both in the shaft system and in the motor, but it is a problem that the crankshaft design as seen from the motor side contradicts the wishes seen from the shaft system. In the case of seven-stroke propulsion engines with seven cylinders, the problem is particularly pronounced, since the engine would like a crankshaft with relatively small mass, while the shaft system traditionally needs a crankshaft with relatively large mass inertia.

Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise en ny løsning på dette klassiske problem.The present invention aims to provide a novel solution to this classic problem.

Med henblik herpå er motoren ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at akselsystemet er udformet således, at akselsystemets egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter er beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR, hvor MCR er motorens omdrejningstal (rpm) ved fuld motorbelastning.To this end, the motor according to the invention is characterized in that the shaft system is designed such that the shaft system's own frequency for the two-node torsional oscillation is in the range of 8.5-12.0 x MCR, where the MCR is the engine speed (rpm) at full engine load. .

Motorens omdrejningstal ved fuld motorbelastning er for en given motorstørrelse af betydning for den effekt, motoren yder, og er kendt på et tidligt tidspunkt af motorens udformning, ligesom det også er tilfældet for boringen, slaglængden, og cylinderens middeltryk. Ved at udforme akselsystemet med en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter beliggende i nævnte interval, har akselsystemet relativt lille vridningsstivhed i forhold til sin masse, og det tillader krumtapakslen at være af et materiale af højere styrke og at have mindre masse.The engine speed at full engine load is important for a given engine size for the power output of the engine and is known at an early stage of engine design, as is the case for drilling, stroke, and cylinder pressure. By designing the shaft system with an intrinsic frequency of the two-node torsional oscillation shape located in said range, the shaft system has relatively small torsional stiffness relative to its mass, and allows the crankshaft to be of a higher strength material and to have less mass.

Anvendelsen af et aksel materiale med højere styrke betyder, at spændingsniveauet i materialet kan være højere, og at akslen for uændrede belastningerne kan udføres med mindre tværsnitsareal og dermed mindre masse. Det mindre tværsnitsareal medfører, at akslens vridningsstivhed bliver mindre. Hvis egenfrekvensen bliver lavere end 8,5 x MCR, bliver akslen for blød i vridningsmæssig henseende.The use of a higher strength shaft material means that the stress level in the material can be higher and that the shaft for unchanged loads can be made with less cross-sectional area and thus less mass. The smaller cross-sectional area causes the torsional stiffness of the shaft to be reduced. If the intrinsic frequency becomes lower than 8.5 x MCR, the shaft becomes too soft in the torsional sense.

Med den aktuelle egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter, vil torsionssvingningerne af 9. - 11. orden kunne bidrage til torsionsspændingerne i akslen. I nogle tilfælde kan bidragene være uden væsentlig betydning for det samlede spændingsniveau, medens spændingerne i andre tilfælde kan være større end ønskeligt, navnlig i hovedleje-sølerne. I sidstnævnte tilfælde kan der kompenseres herfor ved at tilpasse motorens tændingsvinkler således, at summen af de varierende torsionssvingningsbidrag til 11. ordens svingningerne mindskes. I en sådan udførelsesform er tændingsvinklerne (α1-α7) for cylindrene C1-C7 beliggende i intervallerne hhv. 358-2°, 105,9-109,9°, 257,1-259,1°, 211,7-215,7°, 155,3-159,3°, 314,6-318,6° og 57,4-61,4°, idet nummereringen af de syv cylindre er regnet enten fra motorens forende eller fra motorens bagende, og mest foretrukken er tændingsvinklerne 0° for C1,107,9° for C2, 257,1° for C3, 213.7° for C4,157,3° for C5, 316,6° for C6 og 59,4° for C7.With the current eigenfrequency of the torsional vibration shape with two nodes, the torsional vibrations of the 9th - 11th order can contribute to the torsional stresses in the shaft. In some cases, the contributions may be of no significant importance to the overall voltage level, while in other cases the voltages may be greater than desirable, especially in the main bearing columns. In the latter case, this can be compensated for by adjusting the ignition angles of the motor so that the sum of the varying torsional oscillation contributions to the 11th order oscillations is reduced. In such an embodiment, the ignition angles (α1-α7) of the cylinders C1-C7 are located in the intervals respectively. 358-2 °, 105.9-109.9 °, 257.1-259.1 °, 211.7-215.7 °, 155.3-159.3 °, 314.6-318.6 ° and 57.4-61.4 °, the numbering of the seven cylinders being calculated either from the front of the engine or from the rear of the engine, and most preferably the ignition angles are 0 ° for C1,107.9 ° for C2, 257.1 ° for C3, 213.7 ° for C4,157.3 ° for C5, 316.6 ° for C6, and 59.4 ° for C7.

Eksempler på udførelsesformer for motoren ifølge opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvorpå fig. 1 viser en krydshovedmotor ifølge opfindelsen, fig. 2 en skitse af torsionssvingningsformen med to knudepunkt, og fig. 3 et diagram visende et eksempel på tændingsvinkler for i motoren i fig. 3.Examples of embodiments of the engine according to the invention will now be explained in more detail with reference to the very schematic drawing, in which fig. 1 shows a cross-head motor according to the invention; FIG. 2 is a sketch of the two-node torsional oscillation shape; and FIG. 3 is a diagram showing an example of ignition angles for the engine of FIG. Third

I fig. 1 ses en syvcylindret krydshovedmotor 1 af dieseltypen, der eksempelvis kan anvende olie og/eller gas som brændsel. En sådan motors opbygning er velkendt, og den kan eksempelvis være af ansøgerens type MC. Cylinderboringen kan eksempelvis være beliggende i intervallet fra 35 til 110 cm, slaglængden fx i intervallet fra 80 til 400 cm, middeltrykket fx i intervallet fra 18 til 21 bar, og effekten per cylinder kan fx være beliggende i intervallet fra 400 til 7000 kW eller mere. Motoren er en rækkemotor med 7 cylindre.In FIG. Figure 1 shows a seven-cylinder diesel head engine 1 of the diesel type, which can, for example, use oil and / or gas as fuel. The structure of such an engine is well known, and it may be, for example, of the applicant's type MC. For example, the cylinder bore may be located in the range of 35 to 110 cm, the stroke length, for example, in the range of 80 to 400 cm, the mean pressure, for example, in the range of 18 to 21 bar, and the power per cylinder may, for example, be in the range of 400 to 7000 kW or more. . The engine is a series engine with 7 cylinders.

Motorens akselsystem er opbygget af en krumtapaksel 2, der er koblet direkte til en propelleraksel 3 med en propeller 4, hvilket valgfrit kan ske direkte til propellerakslen eller via mindst en mellemaksel 5. Om ønsket kan der endvidere være indskudt en kobling mellem krumtapakslen og propellerakslen. Såfremt propelleren er af CP typen med variabel stigning kan der mellem krumtapakslen og propellerakslen være en oliefordelingsaksel, hvorigennem hydraulikvæske kan føres til eller fra propelleren for indstilling af dennes stigning. Alternativt er propelleren af FP typen med fast stigning.The engine shaft system is made up of a crankshaft 2 coupled directly to a propeller shaft 3 with a propeller 4, which can optionally be done directly to the propeller shaft or via at least one intermediate shaft 5. If desired, a coupling between the crankshaft and the propeller shaft can also be inserted. If the propeller is of the CP type with variable pitch, there may be an oil distribution shaft between the crankshaft and the propeller shaft through which hydraulic fluid can be fed to or from the propeller for adjusting its pitch. Alternatively, the propeller is of the FP type with fixed pitch.

Fig. 2 illustrerer et eksempel på torsionssvingningsformen med to knudepunkter. C1-C7 illustrerer beliggenheden af cylindrene i motoren, og P angiver beliggenheden af propelleren 4. Den indtegnede kurve d viser den relative torsionsdrejning for svingningsformen, dvs. den faktiske drejning ved den pågældende aksiale beliggenhed divideret med den maksimale torsionsdrejning i akslen. Skæringspunkterne k mellem kurven d og den vandrette akse viser beliggenhederne af knudepunkterne for torsionssvingningen. Det er klart, at kurven d kun er gældende for ét specifikt eksempel, og at udformningen af akselsystemet influerer på kurvens forløb og på beliggenheden af knudepunkterne.FIG. 2 illustrates an example of the torsional oscillation shape with two nodes. C1-C7 illustrate the location of the cylinders in the engine and P indicates the location of the propeller 4. The plotted curve d shows the relative torsional rotation of the pivot shape, ie. the actual rotation at that axial location divided by the maximum torsional rotation of the shaft. The intersections k between the curve d and the horizontal axis show the locations of the nodes of the torsional oscillation. It is clear that the curve d is only applicable to one specific example and that the design of the shaft system influences the course of the curve and the location of the nodes.

Akselsystemet har en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter på n = 1210 cpm. Egenfrekvensen er på velkendt vis bestemt af forholdet mellem akselsystemets stivhed og masse. Motoren er en 7L60MC med en effekt på 9840 kW ved et nominelt omdrejningstal ved fuldlast på MCR = 107 rpm og et middeltryk på 14 bar. Motorens boring er 600 mm og slaglængden er 1944 mm. Hvis motoren efter installation i skibet ønskes ændret til at køre med fuldlast ved et lavere omdrejningstal for derved at mindske det specifikke brændselsforbrug, kan MCR mindskes indtil 101 rpm uden at foretage ændringer i akselsystemet, og hvis motoren ønskes ændret til at køre med fuldlast ved et højere omdrejningstal for derved at få større effekt, kan MCR ændres op til 123 rpm, der er den konstruktionsbestemte øvre grænse for den pågældende motor.The shaft system has an intrinsic frequency for the torsional oscillation shape with two nodes of n = 1210 cpm. The eigenfrequency is in a well-known manner determined by the relationship between the stiffness and mass of the shaft system. The engine is a 7L60MC with a power of 9840 kW at a rated full speed at MCR = 107 rpm and a mean pressure of 14 bar. The bore of the motor is 600 mm and the stroke is 1944 mm. If after engine installation in the ship it is desired to change to full load at a lower rpm, thereby reducing the specific fuel consumption, the MCR can be reduced to 101 rpm without making changes to the axle system and if the engine is desired to run at full load at a higher rpm to get more power, the MCR can be changed up to 123rpm, which is the design-specific upper limit of the particular engine.

Krumtapakslen er af stål med en trækstyrke σ02 på 610 N/mm2, og den øvre grænse for acceptable nominelle spændinger i hovedlejesølerne som følge af torsionssvingninger er 30 N/mm2. Akselsystemet har en torsionsfleksibilitet på omtrent 37 nrad/Nm.The crankshaft is of steel with a tensile strength σ02 of 610 N / mm2 and the upper limit of acceptable nominal stresses in the main bearing columns due to torsional oscillations is 30 N / mm2. The shaft system has a torsional flexibility of about 37 nrad / Nm.

I tilfælde af, at de varierende torsionssvingninger er uønsket store, er der flere muligheder for at nedbringe spændingerne. Spændingsniveauet er en funktion af excitationskræfternes størrelse, der afhænger af cylindereffekten, og af svingningssystemets dynamiske forhold, der afhænger af det masse-elastiske system og motorens omdrejningshastighed, samt af en såkaldt vektorsum, der afhænger af de tidspunkter i motorcyklussen, i hvilke excitationskræfterne virker, nærmere angivet i form af cylindrenes tændingsvinkler.In the event that the varying torsional vibrations are undesirably large, there are several options to reduce the tension. The voltage level is a function of the magnitude of the excitation forces, which depends on the cylinder power, and the dynamic relationship of the vibration system, which depends on the mass-elastic system and the speed of rotation of the engine, and on a so-called vector sum that depends on the times of the motor cycle in which the excitation forces act. more particularly in the form of the ignition angles of the cylinders.

Da motoren ønskes med en vis effekt, og da krumtapakslen så vidt muligt ønskes upåvirket af svingningsmæssige forhold, er det hensigtsmæssigt at undgå at ændre i det masse-elastiske system og i excitationskræfternes størrelse.Since the motor is desired with some power, and as the crankshaft is as far as possible unaffected by oscillatory conditions, it is advisable to avoid changing the mass elastic system and the magnitude of the excitation forces.

Med hensyn til vektorsummen er svingningsbidragene til torsionssvingningsformen med to knudepunkter sammensat af de tidsmæssigt varierende drejningsmomentbidrag fra de enkelte cylindre. Disse svingningsbidrag kan på velkendt vis opløses i harmoniske komponenter, og for hver orden i af disse, er der et resonansomdrejningstal ω, = n/i, hvor svingningsordenen er i resonans med akselsystemets egenfrekvens. Da en fremdrivningsmotor i et skib typisk kører stort set kontinuert ved sin fuldlastbelastning, er det især relevant at se på de harmoniske komponenter, der kan have resonans ved omdrejningstal i nærheden af MCR. Med en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR kan der ses nærmere på svingningerne af 9.-12. orden.With respect to the vector sum, the oscillation contributions to the torsional oscillation form with two nodes are composed of the temporally varying torque contributions from the individual cylinders. These oscillation contributions can be well known in the case of harmonic components, and for each order i of these, there is a resonant rpm ω, = n / i, where the oscillation order is in resonance with the shaft system's own frequency. Since a propulsion engine in a ship typically runs almost continuously at its full load, it is especially relevant to look at the harmonic components that can resonate at rpm near the MCR. With an intrinsic frequency for the torsional oscillation shape with two nodes located in the range of 8.5-12.0 x MCR, the oscillations of 9-12 can be seen in more detail. order.

Der kan tages udgangspunkt i en syvcylindret motor af typen MC med tændfølgen C1 C7 C2 C5 C4 C3 C6 og ens tændingsvinkler, dvs. en drejningsvinkel på 360/7° = 51,4° mellem hver tænding. På basis heraf beregnes tændingsvinkler, der giver en lavere vektorsum for svingningerne af 9.-12. orden.A seven-cylinder engine of the type MC can be started with the ignition sequence C1 C7 C2 C5 C4 C3 C6 and similar ignition angles, ie. an angle of rotation of 360/7 ° = 51.4 ° between each ignition. On this basis, the angles of ignition are calculated, giving a lower vector sum for the oscillations of 9-12. order.

Et særligt fordelagtigt sæt tændingsvinkler er vist i fig. 3 med 0° for C1, 107,9° for C2, 257,1° for C3, 213.7° for C4, 157,3° for C5, 316,6° for C6 og 59,4° for C7. Disse tændingsvinkler udviser væsentlig lavere vektorsum for svingningerne af 9.-12. orden, uden at de øvrige svingningspa rametre, såsom de frie kræfter og momenter af 1. og 2. orden, guidekræfterne eller aksialsvingningerne i akselsystemet, ændrer sig mærkbart i negativ retning. Disse tændingsvinkler giver mulighed for, at akselsystemet udføres uden aktive elementer til dæmpning af torsionssvingninger på trods af, at akselsystemets egenfrekvens er valgt således, at den 9. 10. 11. og 12. orden af torsionssvingningerne har resonans nær punktet for kontinuert drift af motoren. Tændingsvinklerne kan varieres inden for vinkelforskelle på op til to grader. Andre sæt af tændingsvinkler er også mulige for opnåelse af fordelagtigt små bidrag til torsionssvingningerne fra ordenerne 9-12.A particularly advantageous set of ignition angles is shown in FIG. 3 with 0 ° for C1, 107.9 ° for C2, 257.1 ° for C3, 213.7 ° for C4, 157.3 ° for C5, 316.6 ° for C6, and 59.4 ° for C7. These ignition angles exhibit significantly lower vector sum for the oscillations of 9-12. order, without the other oscillation parameters, such as the free forces and moments of the 1st and 2nd order, the guide forces or axial oscillations in the shaft system, change noticeably in the negative direction. These ignition angles allow the shaft system to be performed without active elements to dampen torsional vibrations despite the fact that the shaft system's own frequency is selected such that the 9th, 10th and 12th order of the torsional vibrations resonate near the point of continuous operation of the motor . The ignition angles can be varied within angular differences of up to two degrees. Other sets of ignition angles are also possible to obtain advantageously small contributions to torsional oscillations from orders 9-12.

Som andre eksempler på syvcylindrede motorer, der med fordel kan anvende de i krav 2 og 3 nævnte tændingsvinkler, kan anføres en 7K80MC-C med en effekt på 21280 kW ved et omdrejningstal ved fuldlast på 97 rpm, en 7K98MC-C med en maksimaleffekt på 39970 kW ved et omdrejningstal ved fuldlast på 104 rpm samt andre motorstørrelser med boringer på eksempelvis 900 mm, 840 mm, 700 mm, 500 mm og 460 mm.As other examples of seven-cylinder engines which can advantageously use the ignition angles mentioned in claims 2 and 3, a 7K80MC-C with a power of 21280 kW can be given at a full load speed of 97 rpm, a 7K98MC-C with a maximum power of 39970 kW at a full load speed of 104 rpm and other motor sizes with bores of, for example, 900 mm, 840 mm, 700 mm, 500 mm and 460 mm.

De ovennævnte tændingsvinkler giver en noget ujævn tændfølge, hvor der mellem de enkelte tændinger forløber krumtapdrejninger på hhv. 59,4°, 48,5°, 49,4°, 56,4°, 43,4°, 59,5° og 43,4°.The above ignition angles give a somewhat uneven ignition sequence, where crankshaft turns of the respective ignitions occur. 59.4 °, 48.5 °, 49.4 °, 56.4 °, 43.4 °, 59.5 ° and 43.4 °.

Såfremt akselsystemets egenfrekvens ligger væsentligt højere end 12 x MCR bliver den ønskede virkning for ringe, og der kan endvidere optræde svingningsbidrag fra 13. eller højere svingningsorden.If the shaft system's own frequency is substantially higher than 12 x MCR, the desired effect will be too low, and fluctuation contributions of 13 or higher can also occur.

Claims

A seven-cylinder two-stroke cross-head motor (1) and a shaft system, the shaft system comprising the crankshaft of the engine (2) and at least one propeller shaft (3) which couples the crankshaft directly to a ship propeller (4), characterized in that the shaft system is designed so as to that the shaft system's own frequency for the two-node (k) torsion oscillation form is in the range of 8.5-12.0 x MCR, where the MCR is the engine speed (rpm) at full engine load.

A seven-cylinder two-stroke cross-head motor according to claim 1, characterized in that the ignition angles (α1-α7) of the cylinders C1-C7 are located in the intervals respectively. 358-2 °, 105.9-109.9 °, 257.1-259.1 °, 211.7-215.7 °, 155.3-159.3 °, 314.6-318.6 ° and 57.4-61.4 °, the numbering of the seven cylinders being calculated either from the front of the engine or from the rear of the engine.

Seven-cylinder two-stroke cross-head motor according to claim 2, characterized in that the ignition angles are 0 ° for C1, 107.9 ° for C2, 257.1 ° for C3, 213.7 ° for C4, 157.3 ° for C5, 316 , 6 ° for C6 and 59.4 ° for 01.