ПРОПУЛЬСИВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
SUBMARINE PROPULSE ELECTRICAL INSTALLATION

Изобретение относится к подводному кораблестроению, в частности к созданию и установке электрического движителя подводных лодок либо подводных аппаратов с электрическими пропульсивными системами. Изобретение позволяет увеличить полезный объем внутри прочного корпуса подводной лодки, а так же исключить необходимость прохода вала электродвигателя гребного винта через прочный корпус подводной лодки. Пропульсивная электрическая установка подводной лодки позволяет совместить конструкцию гребного винта и конструкцию гребного электродвигателя, а так же улучшить эксплуатационные, вибро - шумовые и массогабаритные характеристики гребной электрической установки подводной лодки.
Известна установка подводной лодки (Справочник "Военные корабли СССР и России" город Якутск, изд. 1995 г, стр. 44, дизельная ПЛ проекта 877 класс-"Варшавянка"), имеющая кормовую оконечность с кормовым отсеком, через которые насквозь проходит линия вала, а гребной винт расположен за кормовой оконечностью подводной лодки.
Недостатком такой установки являются небольшой диапазон регулирования частоты вращения гребного винта, а также невозможность получения малых скоростей. К основным недостаткам также могут быть отнесены это наличие дейдвуда и достаточно длинной линии вала.
Известна двигательная установка подводной лодки (патент RU 2501705, класс B63G 8/08, ПОДВОДНАЯ ЛОДКА И ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ, фиг. 1, автор Болотин Н.Б.) содержащая гребной электродвигатель расположенный внутри прочного корпуса подводной лодки, гребной вал, проходящий сквозь прочный корпус и кормовую оконечность, соединяющий гребной электродвигатель со ступицей гребного винта. Достоинствам такой установки подводной лодки является улучшение эксплуатационных характеристик пропульсивной системы, возможность оптимального расположения оборудования внутри прочного корпуса подводной лодки, а также возможность организации малошумного режима работы электроэнергетической установки от химического источника постоянного тока.
Недостатком известной установки является наличие дейдвуда, необходимости расположения гребного электродвигателя внутри прочного корпуса подводной лодки, организация опорных подшипников для гребного вала.
Известна двигательная установка подводной лодки (патент RU 2502631, класс B63G 8/08, ПОДВОДНАЯ ЛОДКА И ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ, фиг. 7, фиг. 8, автор Болотин Н.Б., дата подачи 11.12.2012, публикация патента 27.12.2013) содержащая гребной винт установленный в кормовой оконечности подводной лодки который приводится в движение несколькими радиально установленными электродвигателями, на выходном валу каждого из которых имеются шестерни, вступающие в зацепление с зубчатым колесом большого диаметра, являющимся частью конструкции ступицы гребного винта. Достоинствам такой установки является отсутствие линии гребного вала.
Недостатком известной установки является наличие большого количества оборудования расположенного в кормовом отсеке подводной лодки, снижение надежности такой пропульсивной установки, наличие сложного многодвигательного привода гребного винта с необходимостью распределения нагрузки между гребными электродвигателями, необходимость организации крепления гребных электродвигателей и опорных устройств внутри кормовой оконечности. Еще одним из недостатков при размещении гребных электродвигателей внутри прочного корпуса подводной лодки является необходимость организации дейдвудных отверстий, либо при размещении гребных электродвигателей внутри легкого корпуса - это необходимость использования погружных гребных электродвигателей.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция кормовой оконечности подводной лодки (патент RU 2166456, класс B63G 8/00, В63Н 5/07, КОРМОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ, автор Дегтерев М.А., номер заявки 2000100769/28, дата подачи заявки 10.01.2000, дата публикации 10.05.2001, заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин") содержащая прочный и легкий корпуса, кормовой отсек, гребной винт со ступицей и шестеренкой, коническую механическую передачу, гребной электродвигатель и дейдвуд. Гребной электродвигатель, расположенный в прочном корпусе подводной лодки через вал, проходящий в дейдвудной трубе и через коническую передачу передает вращение на ступицу гребного винта. Достоинством такой конструкции является увеличение полезного объема внутри прочного корпуса подводной лодки, обеспечение смазки и охлаждения трущихся поверхностей самопротоком через них окружающей забортной воды.
Недостаток устройства заключается в наличии дейдвудной трубы для обеспечения выхода вала гребного электродвигателя из прочного корпуса подводной лодки, что значительно снижает прочность внутреннего корпуса подводной лодки и возможность образования протечек в местах уплотнения вала с дейдвудной трубой. К недостаткам такой конструкции так же следует отнести необходимость обеспечения крепления громоздкого и тяжелого гребного электродвигателя внутри прочного корпуса подводной лодки на специальной консоли, а так же достаточно низкий КПД конической передачи.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение полезного объема внутри прочного корпуса подводной лодки, исключение необходимости прохода вала гребного электродвигателя через прочный корпус подводной лодки, а так же улучшение эксплуатационных, виброшумовых и массогабаритных характеристик гребной электрической установки подводной лодки. В предложенной пропульсивной электрической установке подводной лодки удалось совместить конструкцию гребного винта и конструкцию гребного электродвигателя с исключением элементов выполняющих одни и те же функциональные назначения. В конструкции гребного электродвигателя удалось исключить станину, подшипниковые щиты и прочие крепежные элементы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в пропульсивной электрической установке подводной лодки, содержащей гребной электродвигатель и гребной винт, со ступицей большого диаметра совпадающей по своему диаметру и контуру с образующей линией легкого корпуса подводной лодки в месте установки гребного винта, упор от гребного винта на прочный корпус передается через кольцевые конструкции ступицы, при этом упорные и опорные поверхности прочной конструкции, принадлежащие как прочному корпусу подводной лодки, так и ступице гребного винта, покрыты антифрикционным материалом, смазка и охлаждение трущихся поверхностей обеспечены самопротоком через них окружающей забортной воды, на внешней поверхности ступицы гребного винта расположены лопасти гребного винта предусмотрены следующие отличия: ступица гребного винта выполнена из немагнитного материала, а гребной электродвигатель расположен между внешней частью прочного корпуса подводной лодки и внутренней частью ступицы гребного винта, причем гребной электродвигатель выполнен обращенным и без станины, магнитопровод статора гребного электродвигателя закреплен на прочном корпусе подводной лодки, зубцы магнитопровода статора расположены снаружи, обмотка статора гребного электродвигателя заложена в пазы магнитопровода статора и залита компаундом который, вместе с зубцами магнитопровода статора, образует ровную цилиндрическую поверхность, концы обмотки статора заведены через герметичный ввод в прочный корпус подводной лодки, активная часть ротора гребного электродвигателя закреплена на внутренней поверхности ступицы гребного винта, все пустоты активной части ротора гребного электродвигателя залиты компаундом и образуют ровную внутреннюю цилиндрическую поверхность и обеспечивают постоянство зазора между статором и ротором гребного электродвигателя.
Кроме того, пропульсивная электрическая установка подводной лодки может быть выполнена содержащей два последовательно установленных гребных винта с гребными электродвигателями, причем гребные электродвигатели, всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты конструктивно выполнены разного направления вращения.
Кроме того, пропульсивная электрическая установка подводной лодки может быть выполнена содержащей два гребных винта с гребными электродвигателями, один из гребных винтов с гребным электродвигателем установлен в носовой части подводной лодки, второй гребной винт с гребным электродвигателем установлен в кормовой оконечности подводной лодки, причем гребные электродвигатели всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты конструктивно выполнены разного направления вращения.
Кроме того, пропульсивная электрическая установка подводной лодки может быть выполнена, так что вместо упорных и опорных поверхностей установлены подшипники качения.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Пропульсивная электрическая установка подводной лодки, конструкция, которой представлена на Фиг. 1- Фиг. 3, содержит гребной электродвигатель 1 и гребной винт 2, со ступицей 3 большого диаметра совпадающей по своему диаметру и контуру с образующей линией легкого корпуса 4 подводной лодки 5 в месте установки гребного винта 2. Упор от гребного винта 2 на прочный корпус 6 передается через кольцевые конструкции ступицы 3, при этом упорные 7 и опорные 8 поверхности рочной конструкции, принадлежащие как прочному корпусу 6 подводной лодки, так и ступице 3 гребного винта 2, покрыты антифрикционным материалом 9. Смазка и охлаждение трущихся поверхностей обеспечены самопротоком через них окружающей забортной воды. На внешней поверхности ступицы 3 гребного винта 2 расположены лопасти 10 гребного винта 2. Ступица 3 гребного винта 2 выполнена из немагнитного материала, а гребной электродвигатель 1 расположен между внешней частью прочного корпуса 6 подводной лодки 5 и внутренней частью ступицы 3 гребного винта 2. Гребной электродвигатель 1 выполнен обращенным и без станины, магнитопровод статора 11 гребного электродвигателя 1 закреплен на прочном корпусе 6 подводной лодки 5. Зубцы 12 магнитопровода статора 11 расположены снаружи, обмотка 13 статора гребного электродвигателя 1 заложена в пазы магнитопровода статора 11 и залита компаундом 14 который, вместе с зубцами 12 магнитопровода статора 11, образует ровную цилиндрическую поверхность. Концы обмотки 13 статора заведены через герметичный ввод 15 в прочный корпус 6 подводной лодки 5. Активная часть ротора 16 гребного электродвигателя 1 закреплена на внутренней поверхности ступицы 3 гребного винта 2. Все пустоты активной части ротора 16 гребного электродвигателя 1 залиты компаундом 14 и образуют ровную внутреннюю цилиндрическую поверхность и обеспечивают постоянство зазора между статором и ротором гребного электродвигателя 1.
Пропульсивная электрическая установка подводной лодки конструкция, которой представлена на Фиг. 4, содержит два последовательно установленных гребных винта 2-1, 2-2 с гребными электродвигателями 1-1, 1-2, причем гребные электродвигатели 1-1, 1-2, всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты 2-1, 2-2 конструктивно выполнены разного направления вращения.
Пропульсивная электрическая установка подводной лодки конструкция, которой представлена на Фиг. 5, содержит два гребных винта 2-1, 2-2 с гребными электродвигателями 1 -1, 1-2, один из гребных винтов 2-1 с гребным электродвигателем 1- 1 установлен в носовой части подводной лодки 5. Второй гребной винт 2-2 с гребным электродвигателем 1- 2 установлен в кормовой оконечности подводной лодки 5. Гребные электродвигатели 1-1, 1-2, всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты 2-1, 2-2 конструктивно выполнены разного направления вращения.
Пропульсивная электрическая установка подводной лодки конструкция, которой представлена на Фиг. 6, содержит вместо упорных 7 и опорных 8 поверхностей подшипники качения 17-1 и 17-2.
Работа пропульсивной электрической установки подводной лодки происходит следующим образом.
Гребной электродвигатель 1 (Фиг. 1- Фиг. 3) конструктивно выполнен обращенным, без станины, без подшипниковых щитов и содержит только магнитопровод статора 11, обмотки 13 и активную часть ротора 16. Гребной электродвигатель 1 выполнен заодно с гребным винтом 2, который через ступицу 3 связывает активную часть ротора 16 с лопастями 10 гребного винта 2. При этом при этом упорные 7 и опорные 8 поверхности, а также элементы обеспечивающие вращение ступицы 3 гребного винта и активной части ротора 16 одни и те же. Большое количество лопастей 10 гребного винта 2 вызвано резким увеличением диаметра ступицы 3 по сравнению с классическими конструкциями гребных винтов. Высота лопастей 10 гребного винта 2 снижена из расчета создания требуемого упора гребного винта 2. При этом следует отметить что значительно снижается номинальная частота вращения гребного винта 2 для создания одного и того же значения упора по сравнению с классической конструкцией гребного винта.
На Фиг. 1 - Фиг. 4, Фиг. 6 изображена конструкция гребного электродвигателя 1 на основе реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Следует отметить, что в качестве гребного электродвигателя 1 может быть установлен любой тип электрической машины. Выбор в пользу использования реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора вызван достоинствами эксплуатационного характера, а также тем, что ротор такой машины является пассивным, то есть не содержит в своей конструкции не обмоток, не постоянных магнитов. При подаче питающего напряжения на обмотки 13 статора гребного электродвигателя 1 в них будет образовываться круговое вращающееся магнитное поле, которое будет увлекать за собой активную часть ротора 16 гребного электродвигателя 1 закрепленную на ступице 3 а, следовательно, будет вращаться и гребной винт 2 с лопастями 10. Достоинством такой конструкции является непосредственная передача вращения от гребного электродвигателя лопастям 10 гребного винта 2. Следует отметить еще одно большое достоинство такой конструкции - это отсутствие дейдвуда с необходимостью обеспечения герметичности трущейся пары под большим давлением. Для реализации предложенной конструкции пропульсивной электрической установки подводной лодки 5 необходимо организовать только герметичный ввод 15 обмотки 13 гребного электродвигателя 1 в прочном корпусе 6 подводной лодки 5.
На Фиг. 1 изображен продольный разрез кормовой оконечности подводной лодки 5.
На Фиг. 2 изображен поперечный разрез гребного винта 2 и гребного электродвигателя 1 закрепленного на прочном корпусе 6 подводной лодки 5.
На Фиг. 3 изображена конструкция гребного электродвигателя 1.
Все пустоты в магнитопроводе статора 11, между обмотками 13 и между активными частями ротора 16 залиты компаундом 14 для исключения разрушения конструкции гребного электродвигателя 1. При этом компаунд 14 с внешней поверхностью зубцов 12 магнитопровода статора 11 и с внешними активными частями ротора 16 образуют две идеально ровные цилиндрические поверхности с постоянством зазора между статором и ротором гребного электродвигателя 1.
На Фиг. 4 изображена конструкция пропульсивной электрической установки подводной лодки 5 содержащей два последовательно установленных гребных винта 2-1, 2-2 с гребными электродвигателями 1-1, 1-2. Гребные электродвигатели 1-1, 1-2, всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты 2-1, 2-2 конструктивно выполнены разного направления вращения. Такое конструктивное решение позволяет исключить возникновение вращающего момента передающегося на корпус подводной лодки 5, так как вращающие моменты от гребных электродвигателей 1-1, 1-2 будут направлены в противоположные стороны и будут взаимно исключаться.
На Фиг. 5 изображена конструкция пропульсивной электрической установки подводной лодки 5 содержащей носовой гребной винт 2-1 с гребным электродвигателям 1-1, и кормовой гребной винт 2-2 с гребным электродвигателям 1-2. Такое конструктивное решение позволяет исключить возникновение вращающего момента передающегося на корпус подводной лодки 5, а также повысить надежность и живучесть подводной лодки 5.
На Фиг. 6 изображена конструкция пропульсивной электрической установки подводной лодки 5 которая содержит вместо упорных 7 и опорных 8 поверхностей подшипники качения 17-1 и 17-2. Изображенные подшипники качения 17-1 и 17-2 представляют собой подшипники, одновременно выполняющие роль опорных и упорных подшипников.
Конструктивные решения (Фиг. 1- Фиг. 6) позволяют снизить массу и габариты гребного электродвигателя 1 за счет исключения станины и подшипниковых щитов из конструкции гребного электродвигателя 1, а так же значительно улучшить вибро-шумовые характеристики гребной электрической установки за счет значительного снижения частоты вращения гребного винта 2. Предложенная пропульсивная электрическая установка подводной лодки 5 позволяет увеличить надежность, а так же полезный объем внутри прочного корпуса 6 подводной лодки 5. При такой конструкции пропульсивной электрической установки подводной лодки 5 в кормовой оконечности подводной лодки 5 может быть дополнительно размещено вооружение, гидро-акустическое оборудование, спасательное оборудование и прочие средства обеспечения живучести и боевой готовности подводной лодки 5.
Таким образом, предложенная пропульсивная электрическая установка подводной лодки позволяет улучшить вибро-шумовые и эксплуатационные характеристики, значительно увеличить надежность, боевую живучесть и полезный объем внутри прочного корпуса подводной лодки, а также снизить вес, габариты и стоимость пропульсивной электрической установки подводной лодки.