КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА
COMBINED VESSEL POWER INSTALLATION

Изобретение относится к судостроению, в частности к энергетическим установкам судов большой мощности как гражданского, так и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить широкий диапазон регулирования скорости движения судна.
Известна конструкция пропульсивной системы судов на основе гребного винта регулируемого шага (МПК В63Н 3/00, В63В 59/00, патент RU 2066659, номер заявки 93039218/11, дата подачи заявки 30.07.1993, ГРЕБНОЙ ВИНТ РЕГУЛИРУЕМОГО ШАГА, авторы Кузьмин Ю.Л., Устинов В.П., Клементьев С.Ю., Крылов Ю.М., патентообладатель ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей"), содержащая гребной винт со ступицей и поворотными лопастями, приводимый в движение первичным тепловым двигателем. Разворот поворотных лопастей на ступице гребного винта позволяет осуществлять регулирование упора, создаваемого гребным винтом. Достоинством такой конструкции пропульсивной установки является прямая передача энергии от теплового первичного двигателя ступице гребного винта и возможность регулирования упора гребного винта разворотом лопастей без изменения частоты вращения первичного теплового двигателя.
Недостатком известной конструкции является небольшой диапазон регулирования скорости судна, низкая энергетическая эффективность, а также сложная кинематическая схема управления разворотом лопастей гребного винта.
Известна конструкция электрической пропульсивной системы для судов (МПК В63Н 23/24, В63Н 21/17, патент CN 101857082 (А), номер заявки CN 20101162739 20100401, 13.10.2010, MASANORI ITO; HIROSHI SATO, Electric propultion systemforships), содержащая тепловой двигатель, синхронный генератор, к обмотке которого подсоединен электрический преобразователь, работающий на гребной электродвигатель, с которым механически соединен гребной винт. Достоинством такой электроэнергетической системы является широкий диапазон регулирования частоты вращения, а также возможность оптимального размещения оборудования на судне.
Недостатком известной электрической передачи является то, что все элементы данной последовательной структуры, во-первых, должны быть выполнены на полную мощность энергетической установки, а во-вторых, каждый из этих элементов имеет свой КПД, в результате чего общий КПД всей системы будет определяться как произведение КПД отдельных элементов рассматриваемой структуры. Также следует отметить низкую энергетическую эффективность установки на полном ходу судна. К недостаткам такой пропульсивной системы могут быть отнесены большие габариты и масса оборудования электрической передачи.
Известна конструкция гребной электрической установки, построенной по системе генератор-двигатель на базе машин постоянного тока ("Электродвижение судов и электропривод судовых механизмов". Л.:, "Судостроение", 1965, авторы В.А. Михайлов, С.Б. Рукавишников, И.Р. Фрейдзон, стр. 126-130), содержащая одновальную гребную установку с генератором постоянного тока и гребным электрическим двигателем постоянного тока, якорные обмотки которых соединены между собой последовательно. Достоинством такой электроэнергетической системы является минимальное количество элементов между тепловым первичным двигателем и гребным винтом.
Недостатком известной электрической передачи является наличие сложного устройства коллекторно-щеточного аппарата электрических машин постоянного тока, ограничивающего широкое использование системы генератор-двигатель на постоянном токе.
Известны способ и устройство для управления судном (МПК В63Н 5/08, В63Н 25/42, патент RU 2342282 (A), номер заявки 2005134950/11, 13.04.2004, КОРХОНЕН ВЕСА, ПАКАСТЕ РИСТО, РУО-ХОНЕН АНТТИ и др. Способ и устройство для управления судном.), которое состоит из главного и управляющего гребного винта, установленных на одной продольной линии судна. Гребные винты в нормальном режиме вращаются в противоположных направлениях (соосные гребные винты противоположного вращения). Достоинством такой системы является повышение надежности и увеличение эффективности работы движительного комплекса.
Недостатком известного устройства является сложная конструкция пропульсивной установки, необходимость соосного размещения гребных винтов, наличие большого количества элементов пропульсивного комплекса. К недостаткам известного устройства может быть отнесено и наличие сложного редуктора, передающего энергию от главных тепловых двигателей к главному гребному винту.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа конструкция комбинированной корабельной/судовой энергетической установки типа CODELAG (Дайджест зарубежной прессы ВМС И КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ, выпуск 64, ФГУП Государственный научный центр РФ «Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова» СПб, 2012, стр. 89-93), которая содержит два гребных винта, автономные дизель-генераторы, газотурбинный двигатель, два гребных электродвигателя, редукторы и разобщительные муфты. Достоинством такой комбинированной энергетической установки типа CODELAG является использование достоинств различных типов источников механической энергии для различных технологических режимов работы. Энергетическая установка типа CODELAG позволяет использовать либо гребные электрические двигатели для обеспечения большого диапазона регулирования, или газотурбинный двигатель при движении на крейсерской скорости.
Недостатком известной комбинированной корабельной энергетической установки является наличие сложных редукторов, рассчитанных на полную мощность энергетической установки, а также использование большого количества разобщительных муфт. К недостаткам известной комбинированной корабельной энергетической установки также могут быть отнесены длинная линия гребного вала, а также большие масса и габариты оборудования пропульсивного комплекса.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик, надежности и энергетической эффективности пропульсивной установки, в т.ч. повышение коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей, возможность обеспечения электропитания потребителей собственных нужд, а также улучшение массогабаритных характеристик пропульсивной установки.
Следует отметить, что мощность гребной электрической установки небольшая и составляет не более 0,125 от суммарной мощности пропульсивного комплекса, для режима регулирования скорости судна от нулевой до половины от номинальной.
Предлагаемая комбинированная энергетическая установка судна позволяет совместить достоинства электрической передачи - обеспечение большого диапазона регулирования для обеспечения малого хода судна и достоинства газотурбинного двигателя - малый вес и габариты для обеспечения полного хода.
Описанные преимущества достигаются тем, что:
1) для регулирования скорости движения судна от нуля до половины номинальной используется гребной винт, приводимый во вращение гребным электродвигателем. При скоростях движения судна выше половины номинальной, к уже задействованному гребному винту, используются гребные винты, приводимые во вращение газотурбинными двигателями;
2) при использовании гребного электродвигателя, конструктивно выполненного в винто-рулевой колонке с возможностью разворота и создания тяги в любом направлении, появляется возможность исключения в такой комбинированной энергетической установке судна рулей, а управление направлением движения судна будет осуществляться разворотом в нужном направлении винто-рулевой колонки.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в комбинированной энергетической установке судна, содержащей гребные винты, гребной электрический двигатель, дизель-генератор, газотурбинные двигатели, систему управления энергетической установкой судна, предусмотрены следующие отличия: комбинированная энергетическая установка судна содержит три и более гребных винта фиксированного шага, причем привод центрального гребного винта осуществляется от гребного электродвигателя, а приводы остальных гребных винтов осуществляются от газотурбинных двигателей, комбинированная энергетическая установка судна дополнительно содержит обратимый электрический преобразователь, вспомогательную электростанцию с дизель-генератором, главный распределительный щит, потребители собственных нужд, два автоматических выключателя и накопитель энергии с согласующим электрическим преобразователем, причем к электрическому генератору дизель-генератора подключены: через первый автоматический выключатель главный распределительный щит с потребителями собственных нужд; накопитель энергии через согласующий электрический преобразователь; гребной электрический двигатель через обратимый электрический преобразователь, а через второй автоматический выключатель к главному распределительному щиту подключен электрический генератор дизель-генератора вспомогательной электростанции.
Кроме того, комбинированная энергетическая установка судна может содержать гребные винты, приводимые в движение газотурбинными двигателями, которые имеют поворотные лопасти с возможностью регулирования шага винта, а гребной электрический двигатель конструктивно выполнен в винто-рулевой колонке с возможностью разворота и создания тяги в любом направлении.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Комбинированная энергетическая установка судна схема, которой представлена на Фиг. 1, содержит гребные винты 1-1÷1-3, гребной электрический двигатель 2, дизель-генератор 3, газотурбинные двигатели 4-1÷4-2, систему управления 5 энергетической установкой судна. Комбинированная энергетическая установка судна содержит три и более гребных винта 1-1÷1-3 фиксированного шага, причем привод центрального гребного винта 1-2 осуществляется от гребного электродвигателя 2, а приводы остальных гребных винтов 1-1, 1-3 осуществляются от газотурбинных двигателей 4-1, 4-2. Комбинированная энергетическая установка судна дополнительно содержит обратимый электрический преобразователь 6, вспомогательную электростанцию с дизель-генератором 7, главный распределительный щит 8, потребители собственных нужд 9, два автоматических выключателя 10-1, 10-2 и накопитель энергии 11 с согласующим электрическим преобразователем 12. К электрическому генератору 13 дизель-генератора 3 подключены: главный распределительный щит 8 с потребителями собственных нужд 9 через первый автоматический выключатель 10-1; накопитель энергии 11 через согласующий электрический преобразователь 12; гребной электрический двигатель 2 через обратимый электрический преобразователь 6. Через второй автоматический выключатель 10-2 к главному распределительному щиту 8 подключен электрический генератор 14 дизель-генератора 7 вспомогательной электростанции.
Комбинированная энергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 2, содержит гребные винты 15-1, 15-2, приводимые в движение газотурбинными двигателями 4-1, 4-2, которые имеют поворотные лопасти с возможностью регулирования шага винта 15-1 (15-2), а гребной электрический двигатель 2 конструктивно выполнен в винто-рулевой колонке 16 с возможностью разворота и создания тяги в любом направлении.
Работа комбинированной энергетической установки судна происходит следующим образом.
Для регулирования скорости движения судна в представленной на Фиг. 1 комбинированной энергетической установке от нуля до половины номинальной используется гребной винт 1-2, приводимый во вращение гребным электродвигателем 2. При этом гребной электродвигатель 2 получает питание через обратимый электрический преобразователь 6 от электрического генератора 13 дизель-генератора 3. При такой структуре энергетической установки судна обеспечивается большой диапазон регулирования частоты вращения гребного винта 1-2, а следовательно, обеспечивается большой диапазон регулирования упора и скорости движения судна. При этом для осуществления питания потребителей собственных нужд 9 судна может быть использован тот же дизель генератор 3 с электрическим генератором 13. При этом схема питания потребителей собственных нужд состоит из электрического генератора 13 дизель-генератора 3 первого автоматического выключателя 10-1, главного распределительного щита 8 и потребителей собственных нужд 9. Такая гребная электрическая установка части комбинированной энергетической установки судна позволяет использовать энергию торможения судна для питания потребителей собственных нужд 9 либо осуществлять накопление энергии торможения в накопителе энергии 11. Так при необходимости остановки судна гребной электродвигатель 2 переводиться в генераторный режим и энергия от гребного электродвигателя 2 через обратимый электрический преобразователь 6 и первый автоматический выключатель 10-1 идет на главный распределительный щит 8 для питания потребителей собственных нужд 9. Если потребители собственных нужд 9 более не могут принять энергию торможения судна, то она идет на накопитель 11 через согласующий электрический преобразователь 12. Для осуществления питания потребителей собственных нужд 9 на стоянке, либо независимо от питания гребного электродвигателя 2, используется вспомогательная электростанция с дизель-генератором 7 и электрическим генератором 14.
Следует отметить, что установленная мощность гребного электродвигателя 2, обратимого электрического преобразователя 6 для регулирования скорости движения судна от нуля до половины номинальной составляет всего 0,125 от полной мощности комбинированной энергетической установки судна.
Данные соотношения следуют из механической характеристики момента сопротивления гребного винта 1-2:
2
М=k⋅ω
где М - момент сопротивления гребного винта; k - коэффициент пропорциональности; ω - частота вращения гребного винта.
Тогда зависимость мощности на валу гребного винта 1-2 от частоты вращения имеет вид:
3
Р=k⋅ω
где Р - мощность на валу гребного винта.
Следует отметить, что реверс и движение задним ходом в такой комбинированной энергетической установке судна (Фиг. 1) может осуществляться только гребным двигателем 2, при этом нет необходимости в установке сложных и дорогих реверс-редукторов между газотурбинными двигателями 4-1, 4-2 и гребными винтами 1-1, 1-3.
Для регулирования скорости движения судна в предложенной комбинированной энергетической установке выше половины номинальной используются гребные винты 1-1, 1-3, приводимые во вращение газотурбинными двигателями 4-1, 4-2. Газотурбинные двигатели 4-1, 4-2 позволяют осуществлять регулирование в диапазоне 2:1.
Управление переходом движения судна с гребного электродвигателя 2 на движение судна от газотурбинных двигателей 4-1, 4-2 и обратно осуществляется системой управления 5 энергетической установкой судна. Система управления 5 энергетической установкой судна осуществляет контроль состояния всех элементов энергетической системы и осуществляет регулирование и распределение потоков энергии. В такой комбинированной энергетической установке газотурбинные двигатели 4-1, 4-2 используются только для движения на полном ходу, что существенно увеличивает их ресурс до ремонта.
На Фиг. 2 представлена комбинированная энергетическая установка, позволяющая уменьшить сопротивление движению судна от неработающих гребных винтов 15-1, 15-2 при скоростях судна от нулевой до половины номинальной. При этом поворотные лопасти гребных винтов 15-1, 15-2 устанавливаются в положение, которое создает минимальное сопротивление движению судна. При скоростях движения судна выше половины номинальной появляется возможность осуществлять регулирование тяги как газотурбинными двигателями 4-1, 4-2 так и поворотом лопастей гребных винтов 15-1, 15-2. Следует отметить, что в данном режиме может быть задействован и гребной электродвигатель 2 система управления 5, которым должна ограничивать величину его электромагнитного момента на уровне не более номинального. В комбинированной энергетической установке судна, представленной на Фиг.2, предлагается конструктивно гребной электродвигатель 2 выполнить в винто-рулевой колонке 16 с возможностью разворота и создания тяги в любом направлении. При таком исполнении появляется возможность осуществлять управлением направления движения судна без использования дополнительных рулей. При этом все три гребных винта 1-2, 15-1, 15-2 работают на создание движения, а гребной винт 1-2 в составе винто-рулевой колонки 16 дополнительно и на поворот судна. Следует отметить, что реверс и движение задним ходом в такой комбинированной энергетической установке судна (Фиг. 2) может осуществляться гребным двигателем 2 при его реверсе и гребными винтами 15-1, 15-2 при обеспечении разворота поворотных лопастей гребных винтов 15-1, 15-2.
Предложенная комбинированная энергетическая установка судна позволяет обеспечить высокую степень надежности, поскольку выход из строя хотя бы одного или нескольких элементов не приводит к выходу из строя всей комбинированной энергетической установки судна.
Таким образом, предложенная комбинированная энергетическая установка судна позволяет улучшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики пропульсивной установки и характеризуется простой структурой построения и минимальным количеством элементов пропульсивной установки. К достоинствам предлагаемой комбинированной энергетической установки судна можно отнести высокую надежность, энергетическую эффективность и высокий коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, а также возможность обеспечения электропитания потребителей собственных нужд.