ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
HIGH TONNAGE SHIP ELECTRIC PLANT

Предложение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов большой мощности как гражданского так и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта на малых скоростях движения судна.
Известна конструкция электрической пропульсивной системы для судов (МПК B63H 23/24, B63H 21/17, патент CN 101857082 (A), номер заявки CN 20101162739 20100401, 13.10.2010, MASANORIITO; HIROSHI SATO, Electric propultion system for ships), содержащая тепловой двигатель, синхронный генератор, к обмотке которого подсоединен электрический преобразователь, работающий на гребной электродвигатель, с которым механически соединен гребной винт. 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 экономичность такой энергетической установки на полном ходу судна.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство энергетической установки кораблей (МПК B63H 23/12, патент RU 2186708 C1, заявка: 2000133016/28, 28.12.2000, Бройдо М.Д., Колтун Л.З., Лейденский A.M., Шляхтенко А.В., Корабельная энергетическая установка), содержащая тепловой первичный двигатель, электрический генератор, две разобщительные муфты, редуктор, гребной электродвигатель и электрический преобразователь. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение экономичности энергетической установки.
Недостатком известного устройства является сложная кинематическая схема энергетической установки, содержащая две разобщительные муфты, а также недостаточно высокий коэффициент использования электрического генератора и гребного электродвигателя, которые не участвуют в процессе преобразования энергии на полном ходу судна. К недостаткам известной энергетической установки также можно отнести отсутствие процесса выработки электроэнергии для потребителей собственных нужд, то есть необходимо создание еще одной энергетической системы для питания вспомогательного оборудования судна.
Предлагаемая электроэнергетическая система помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет:
- обеспечивать потребители собственных нужд электроэнергией от главного теплового двигателя в режимах полного хода судна, используя гребную электрическую машину в качестве валогенератора;
- обеспечивать регулировку частоты вращения гребного винта от вспомогательного теплового двигателя либо от статического источника постоянного тока, при сохранении питания потребителей собственных нужд;
- обеспечивать большой диапазон регулирования частоты вращения гребного винта на малых частотах вращения без использования главного теплового двигателя;
- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и живучесть энергетической установки;
- улучшить виброшумовые характеристики электроэнергетической установки для режима работы при питании от статического источника тока и, как следствие, осуществить снижение шума, излучаемого в воду при движении судна;
- повысить экономичность энергоустановки и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации.
Описанные преимущества достигаются тем, что для различных режимов работы энергетической установки используются различные варианты соединения элементов структуры таким образом, чтобы помимо выполнения требований технологического процесса между источником энергии и исполнительным агрегатом было минимальное число элементов, а используемый источник энергии загружался под номинальное значение и не работал вхолостую.
Электроэнергетическая установка судов большой мощности, структурная схема которой представлена на фиг.1, состоит из главного первичного теплового двигателя 1, редуктора 2, разобщительной муфты 3, гребной электрической машины 4, гребного винта 5, дизель-генератора 6, статического источника постоянного тока 7, главного распределительного щита 8, двух обратимых электрических преобразователей 9, 10, четырех коммутационных элементов 11, 12, 13, 14 и потребителей собственных нужд 15. Гребная электрическая машина 4 подсоединена к гребному винту 5 и через разобщительную муфту 3 к выходному валу редуктора 2. Обмотки машины 4 подключены к первому входу-выходу первого обратимого электрического преобразователя 9. Дизель-генератор 6 через первый коммутационный элемент 11 подключен к шинам главного распределительного щита 8, с которым связаны потребители собственных нужд 15. Через второй коммутационный элемент 12 к шинам главного распределительного щита 8 подключен второй вход-выход первого обратимого электрического преобразователя 9. Выход статического источника постоянного тока 7 подключен к первому входу-выходу второго обратимого электрического преобразователя 10 и через третий коммутационный элемент 13 - ко второму входу-выходу первого обратимого электрического преобразователя 9. Второй вход-выход второго обратимого электрического преобразователя 10 через четвертый коммутационный элемент 14 подключен к шинам главного распределительного щита 8. Входной вал редуктора 2 подсоединен к главному первичному двигателю 1.
Статический источник постоянного тока 7, структурная схема которого представлена на фиг.2, содержит аккумуляторную батарею 16, энергоустановку на топливных элементах 17, два коммутационных элемента 18, 19 и распределительный щит постоянного тока 20. Выход статического источника постоянного тока 7 подключен к шинам распределительного щита постоянного тока 20, к которому также подключены через пятый коммутационный элемент 18 аккумуляторная батарея 16 и через шестой коммутационный элемент 19 энергоустановка на топливных элементах 17.
Предлагаемая электроэнергетическая установка работает следующим образом. Предлагаемая структура обеспечивает три режима работы электроэнергетической установки, отличающихся способом передачи энергии от источников 1, 6, 7 к движителю - винту 5:
- режим полного хода;
- экономичный режим работы;
- малошумный режим работы.
Режим полного хода характеризуется снабжением потребителей судна от главного теплового двигателя, выступающего в роли источника энергии. При этом энергия от главного теплового двигателя 1 через редуктор 2, разобщительную муфту 3 передается на движитель, в роли которого выступает винт 5, а гребная электрическая машина 4, получая механическую энергию, работает в роли валогенератора, снабжая (через первый обратимый электрический преобразователь 9) электроэнергией потребителей, подключенных к главному распределительному щиту 8. В данном режиме дизель-генератор 6 и статический источник постоянного тока 7 не работают, коммутационные элементы 11, 13 и 14 разомкнуты, а 12 замкнут. Первый обратимый электрический преобразователь 9 стабилизирует параметры напряжения на втором входе-выходе, обеспечивая потребителей электроэнергией со стабильными параметрами качества.
Экономичный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от дизель-генераторного агрегата 6. Экономичный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и, как следствие, малым потреблением энергии со стороны винта 5. При этом режиме обеспечивается глубокий диапазон регулирования частоты вращения гребной электрической машины 4 и, соответственно, винта 5. При этом электрическая энергия от дизель-генераторного агрегата 6 через коммутационный элемент 1 поступает на шины главного распределительного щита 8. Выработанная электроэнергия расходуется на потребителей собственных нужд 15 и через второй коммутационный элемент 12 и первый обратимый электрический преобразователь 9 - для питания гребной электрической машины 4, работающей в двигательном режиме и приводящей в движение гребной винт 5. В данном режиме работы главный тепловой двигатель 1 и статический источник постоянного тока 7 не работают, разобщительная муфта 3 отключена, коммутационные элементы 13 и 14 отключены. Первый обратимый электрический преобразователь 9 регулирует параметры электроэнергии на первом входе-выходе таким образом, чтобы обеспечивать заданную частоту вращения гребной электрической машины 4 и, соответственно, гребного винта 5.
Малошумный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от статического источника постоянного тока 7. Малошумный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и исключением элементов, создающих посторонние шумы, - главного теплового двигателя 1 и дизель-генераторной установки 6. В данном режиме также обеспечивается глубокий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта 5. При этом электрическая энергия от статического источника постоянного тока 7 через второй обратимый электрический преобразователь 10 и коммутационный элемент 14 поступает на шины главного распределительного щита 8 для питания потребителей собственных нужд 15, а через коммутационный элемент 13 и первый обратимый электрический преобразователь 9 - для питания гребной электрической машины 4. Первый обратимый электрический преобразователь 9 осуществляет регулирование выходных параметров для регулирования частоты вращения гребной электрической машины 4 и гребного винта 5. В данном режиме работы главный тепловой двигатель 1 и дизель-генератор 6 не работают, разобщительная муфта 3 отключена, и коммутационные элементы 11 и 12 отключены. Статический источник постоянного тока 7 может использовать энергию двух независимых источников аккумуляторной батареи 16 или энергоустановки на топливных элементах 17.
Следует отметить, что экономичный и малошумный режимы работы характеризуются незначительной мощностью на винте, составляющей порядка 10% от номинальной. При этом диапазон частот вращения гребного винта находится в пределах от 0 до 0,46 от номинальной. Мощность потребителей собственных нужд составляют также около 10% от мощности основного движителя для судов большой мощности. На фиг.3 представлены набранные структуры и потоки энергии в электроэнергетической установке для различных технологических режимов работы судна. Зависимости мощностей на входах и выходах элементов энергосистемы приведены без учета потерь в самих элементах. На фиг.4 представлена нагрузочная характеристика гребного винта и отмечены диапазоны работы электроэнергетической установки в различных технологических режимах работы судна.
Преимуществом данной электроэнергетической системы является повышение энергетической эффективности и увеличения коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки и, как следствие, экономия топлива, а также повышение ресурса элементов системы. К достоинствам предлагаемой системы также следует отнести улучшение массогабаритных и виброшумовых характеристик, а также повышение надежности и живучести электроэнергетической установки.