СПАСАТЕЛЬНАЯ ШЛЮПКА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕЕ ХОДА И ЕЕ НЕПРЯМОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
LIFEBOAT WITH PROPULSION DEVICE AND LIFEBOAT INDIRECT APPLICATION

Изобретение относится к области судостроения, в частности к плавающим спасательным средствам - шлюпкам и плотам, а также к области электрических машин, в частности к элементам конструкций их магнитной цепи; к элементам конструкции обмоток, кожухов, корпусов и опор; к устройствам для регулирования механической энергии, конструктивно сопряженными с электрическими машинами; к машинам с несколькими роторами или статорами; к асинхронным и синхронным двигателям и генераторам; к синхронным двигателям и генераторам с постоянными магнитами; к коллекторным двигателям и генераторам постоянного тока с механической коммутацией, к универсальным коллекторным двигателям, допускающим питание переменным и постоянным током; к двигателям и генераторам пульсирующего постоянного тока; к коллекторным двигателям и генераторам переменного тока с механической коммутацией; к двигателям или генераторам с бесконтактной коммутацией; к униполярным двигателям и генераторам, машинам постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом; к генераторам с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек или какого-либо иного элемента магнитной цепи.
Известна спасательная шлюпка с жестким закрытием, оборудованная сидениями для пассажиров, двигателем с валопроводом, рулевым устройством, рубкой и посадочными площадками на крыше закрытия, у которой посадочные люки расположены в самой верхней части жесткого закрытия, а под посадочными площадками расположены резервные лючки для прохода обессилевших людей, оборудованные крышками, открываемыми изнутри и снаружи шлюпки (см. а.с. СССР №395303, М.Кл. В63С 9/02. Спасательная шлюпка. Заявка №1498218/27-11 от 14.12.70, опубл. 28.08.73. Бюл. №35). Устройством для обеспечения ее хода может быть парогенератор с рабочей форсункой и стартовым механизмом, парогазовый двигатель гребного винта и трособлочная система управления, а для повышения эффективности и длительности его действия к парогазогенератру через пневмоклапан с золотником подключена дополнительная расходная емкость с реагентом, при этом форсунка парогазогенератора связана с золотником через дроссельный клапан и трубопровод подачи реагента, на котором установлен гидроаккумулятор и гидронасос, кинематически связанный с приводным двигателем (см. а.с. СССР №288580, М.Кл. В63С 9/02. Устройство экстренного хода спасательной шлюпки. Заявка №1318081/27-11 от 07.04.69, опубл. 03.12.70. Бюл. №36).
Недостатком данной шлюпки является сложность и ограниченность времени действия устройства для обеспечения ее хода.
Известен также синхронный генератор электрического тока, у которого статор состоит из станины, катушек, сердечников, обмоток и панели выводов, а корпус - сварной из литой стали. Пакеты сердечника статора собраны из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изолирующим лаком, концы трех фаз статорной обмотки и нулевая точка выведены на шины. Явнополюсный ротор генератора состоит из вала, остова и сердечников, на которых размещаются обмотки возбуждения и успокоительная. Сердечник ротора набран из отдельных стальных листов, скрепленных в пакет. Траверсы контактных колец установлены на фланце подшипникового щита с роликовым и шариковым подшипником, имеется вентилятор; ребро для подъема; полюс и ротор генератора начального пуска или иные системы возбуждения - независимой; с самовозбуждением или смешанной (см. книгу: Лейкин B.C. Судовые электрические станции и системы. - М.: Транспорт, 1982, с.25-26).
Недостатком данного генератора является потребность во внешнем приводе движения, требующем дополнительной энергии, что ограничивает его возможности для обеспечения хода автономных плавающих средств.
Исключение внешнего привода и постоянное получение электрической энергии генератором за счет энергии волн при качании ими плавающего средства в результате смещения силами тяготения свободно подвешенного статически неуравновешенного ротора или статора относительно парных им статора и ротора является главной задачей данной заявки на изобретение.
В предлагаемой заявке на изобретение поставленная задача решена путем оснащения шлюпки генераторами новой конструкций и вариантами их установки, при которых генератор, содержащий ротор и статор с общей продольной осью, расположенной горизонтально, и имеющих сердечники, катушки, системы возбуждения и съема полученного электрического тока, имеет свободно установленный ротор или подвешенный на его оси статор, у которых центры масс выполнены эксцентрично смещенным относительно продольной оси их вращения, а для увеличения эксцентриситета на роторе или статоре может быть установлен дополнительный груз и/или выполнены пазы и/или отверстия, в которые может быть введен материал с плотностью, большей, чем у окружающего их материала, или одна, или часть катушек и их сердечников могут быть исключены, или сердечники с катушками размещены асимметрично или в нечетном количестве, большем трех, а парный им ротор или статор закреплен в шлюпке, имеющей возможность качаний волнами, при этом генераторы могут быть установлены фронтальными рядами или соосно друг за другом, а для восприятия колебаний на волнах, действующих на шлюпку во взаимно перпендикулярных направлениях, такие генераторы могут быть установлены фронтально и соосно, в т.ч. в шахматном порядке, или фронтальными и соосными рядами в различных комбинациях, в т.ч. в шахматном порядке, а для обеспечения возможности колебаний в трех взаимных плоскостях роторы или статоры могут быть установлены или подвешены к горизонтальной поворотной платформе, размещенной в шлюпке с возможностью свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, при этом на платформе и прилегающих к ней частях шлюпки могут быть выполнены сердечники с катушками и системой возбуждения, которые обеспечивают выработку электрического тока, а роторы и статоры могут быть установлены или подвешены к платформе в несколько рядов и ярусов, при этом непрямое применение шлюпки связано с возможностью выработки ее генераторами электрической энергии при ходе и качании на волнах судна, на котором она установлена, для чего генератор или связанная с ним батарея аккумуляторов снабжены токоотводящим устройствами, защищенными от попадания в них влаги.
Конструктивные исполнения предлагаемых генераторов, их вариантов и вариантов их установки на плавающем средстве показаны на чертежах.
в
м
р
На фиг.1 показана шлюпка 1 с устройством для обеспечения ее хода, состоящим из ходового винта 2, приводного электродвигателя 3 с батареей аккумуляторов 4 и генератора электрического тока 5, содержащего статор 6 и ротор (якорь) 7 с общей продольной осью О, расположенной горизонтально. При этом статор прикреплен на плите 8 к шлюпке, а ротор установлен в нем свободно от приводных устройств, с возможностью качания вокруг своей оси на угол ±α от действующих на шлюпку волн, для чего центр его массы О выполнен эксцентрично смещенным относительно оси его вращения, а для увеличения эксцентриситета е на валу 9 ротора закреплен дополнительный груз 10, которым может быть аккумуляторная батарея. При этом генератор вырабатывает электрический ток прямого и обратного направления, который может быть либо разделен на потоки со сведением их к одинаковой фазе и обеспечить заряд аккумуляторной батареи, используемый на приведение в движение приводного двигателя, и/или обогрев, или охлаждение и освещение шлюпки, либо, минуя аккумулятор, выполнять эти действия напрямую, если частота смены направления потоков (собственная частота импульсов) будет дополнительно умножена полупроводниковыми или иными устройствами.
р
р
На фиг.2 показаны варианты увеличения эксцентричного смещения е массы ротора, которое возможно при выполнении в его остове 11 отверстий 12 и/или паза 13 в валу 9 и/или остове 11 (исполнение 1), а для дальнейшего увеличения эксцентриситета е (исполнение 2) - выполнения отверстий и/или пазов с противоположной стороны ротора вдоль продольной и радиальной осей и заполнения их более тяжелым материалом (т.е. большей плотностью), исключением одной из обмоток возбуждения 14 (исполнение 3), в т.ч. с сердечником 15 вместе (исполнение 4), или выполнения нечетного количества сердечников с обмотками (исполнение 5), или закрепления внутри корпуса на валу вместо вентилятора (т.к. тепловой режим работы генератора не требует его применения) асимметричного груза 16 (исполнение 6) и др.
На фиг.3 показано развитие вариантов установки генераторов 5 за счет увеличения их количества, размещаемых вдоль оси шлюпки 1 фронтальными рядами и воспринимающих качку от носа к корме (исполнение 1) и/или в ряд друг за другом и воспринимающих бортовую качку (исполнение 2), а для уменьшения их общей длины валы 9 присоединены друг к другу с помощью муфт или хомутов 17 с установкой статоров 6 в шлюпке 1 на общей плите 18. При этом промежуточные генераторы возбуждения обмоток ротора заменены общим 19, для чего в последующих валах генераторов выполнены сквозные отверстия для укладки кабеля, а концы валов 9 могут быть срезаны или укорочены. Для всех этих роторов вал может быть выполнен общим, а для уменьшения общей длины сборки промежуточные подшипниковые щиты 20 и вентиляторы 21 могут быть исключены. Возможна также комбинация фронтальных и соосных установок для восприятия качки в двух направлениях.
в
м
c
На фиг.4 показана шлюпка 1 с устройством для обеспечения ее хода, состоящим из ходового винта 2, приводного электродвигателя 3 с батареей аккумуляторов 4 и генератора электрического тока 5, содержащего статор 6 и ротор (якорь) 7 с общей продольной осью О, расположенной горизонтально. При этом ротор 7 закреплен на стойках 22 плиты 23 к шлюпке, а на его валу 9 свободно подвешен статор 6 с возможностью качания вокруг своей оси на угол ±α от действия на шлюпку волн, для чего центр его массы О выполнен эксцентрично смещенным относительно оси его вращения за счет асимметрии формы корпуса 24, а для увеличения эксцентриситета e на нем может быть дополнительно закреплен груз, которым может быть батарея аккумуляторов, а для ограничения сектора качания статора могут быть выполнены упоры 25. При этом генератор вырабатывает электрический ток прямого и обратного направления, который может быть либо разделен на потоки со сведением их к одинаковой фазе и обеспечить заряд батареи аккумуляторов, используемый на приведение в движение приводного двигателя и/или на обогрев или на охлаждение и освещение шлюпки, либо, минуя аккумулятор, выполнять эти действия напрямую, если частота смены направления потоков (собственная частота импульсов электрического тока, вырабатываемого генератором) будет дополнительно умножена полупроводниковыми или иными устройствами.
c
с
На фиг.5 показаны варианты увеличения эксцентричного смещения e массы статора за счет выполнения в его корпусе 24 отверстий 26 и/или пазов 27 в продольном (исполнение 1) и/или радиальном направлении, а для еще большего увеличения е - выполнения отверстий и пазов с противоположной стороны станины статора и заполнения их более тяжелым (т.е. с большим удельным весом) материалом (исполнение 2), и/или при выполнении корпуса 24 асимметричной толщины (исполнение 3), и/или при выполнении станины 27 асимметричной толщины (исполнение 4).
На фиг.6 показано развитие вариантов установки генераторов 5 за счет увеличения их количества, размещаемых на шлюпке 1 фронтальными рядами на стойках 22 на общем остове 28 вдоль ее оси и воспринимающих качку шлюпки от носа к корме (исполнение 1) и/или на стойках 22 и общем остове 28 в ряд друг за другом и воспринимающих кормовую качку (исполнение 2), а для уменьшения их общей длины валы 9 роторов соединены друг с другом с помощью муфт или хомутов 17. При этом все промежуточные генераторы возбуждения заменены общим 19, для чего в последующих валах выполнены сквозные отверстия для укладки кабеля, а концы валов 9 могут быть удалены или укорочены. Для всех этих роторов 7 вал может быть выполнен общим, а для уменьшения общей длины конструкции промежуточные подшипниковые щиты 20 и вентиляторы 21 могут быть исключены. Для ограничения сектора качания статора 6 могут быть выполнены упоры 25. Возможны также любые комбинации фронтальных и соосных установок генераторов, в т.ч. рядами в шахматном порядке, для восприятия качки шлюпки в двух направлениях.
Дальнейшее развитие конструкций устройств для обеспечения хода шлюпки и вариантов их установки связано с обеспечением восприятия качки шлюпки в разных направлениях.
На фиг.7 приведено дальнейшее развитие предлагаемых вариантов установок генераторов для любых рассмотренных выше исполнений.
Их отличительной особенностью является размещение генераторов 5, имеющих свободно подвешенные статически несбалансированные роторы 7 или статоры 6 на горизонтальной поворотной платформе 29, установленной в шлюпке 1 (исполнения 1, 2) или подвешенной к ее крыше 30 (исполнения 3 и 4) на упорных подшипниках 31, что дополнительно обеспечивает их разворот от действия волн в направлении более массивных частей генераторов. При этом сама платформа и прилегающие к ней части шлюпки могут иметь обмотки роторного 32 и статорного 33 типов. Все остальные конструктивные и опорные элементы 22 генераторов аналогичны предыдущим исполнениям, приведенным на фиг.1…6. Такое исполнение обеспечивает возможность разворота генераторов и съема тока от движения его роторов и статоров при действии волн на шлюпку под любым углом.
На фиг.8 показано развитие предыдущих конструкций генератора и способов их установки в шлюпке за счет их многоярусной компоновки.
Их главным отличием является размещение 2-х и большего количества генераторов 5 со свободно подвешенными статически несбалансированными роторами 7 и/или статорами 6 на горизонтальной поворотной платформе 29, установленной на перекрытии 34 на упорных подшипниках 31 сверху и снизу (исполнение 1), при этом обе эти платформы и прилегающие к ним части шлюпки могут иметь обмотки роторного 32 и статорного 33 типов и системы их возбуждения и снятия выработанного электрического тока. Многоярусная компоновка генераторов возможна на опорах 22 друг над другом (исполнение 2) и/или в их комбинациях с предыдущим исполнением, в т.ч. в шахматном порядке. Такие же варианты многоярусной компоновки и их комбинации возможны для всех предложенных генераторов 5 и вариантов их установки.
Непрямое применение всех предложенных вариантов шлюпки связано с возможностью выработки их генераторами электрической энергии при ходе и качании на волнах судна, на котором они установлены, для чего генератор или питаемые им аккумуляторы снабжены токоотводящим устройствами 35 с присоединительными разъемами 36, защищенными от попадания в них влаги, через которые шлюпки временно подключены к системе электроснабжения судна.
Остальные конструктивные элементы генераторов и виды их установки аналогичны предыдущим исполнениям, приведенным на фиг.1…7.
Совокупность перечисленных признаков по приведенным на фиг.1…8 исполнений шлюпок с устройствами для обеспечения их хода и вариантов установки в них генераторов позволяет характеризовать их как технические решения, являющиеся новыми и неочевидными из базового уровня развития техники. Их изготовление возможно в условиях реального промышленного производства, т.к. конструкции шлюпок аналогичны известным, а генераторы отличаются от базовых выполнением лишь статически несбалансированных роторов или статоров за счет выполнения в них пазов и отверстий, или исключения обмоток и сердечников, или установки дополнительных грузов, или асимметричной формой корпуса и станины статора. Более сложным является изготовление шлюпок с горизонтально установленными в них поворотными платформами-генераторами, на которых закреплены статоры или роторы генераторов со статически несбалансированными парными им роторами или статорами, однако оно также реально в условиях современного промышленного производства. При этом все новые конструкции генераторов и варианты их установки на шлюпках являются развитием предыдущих вариантов, логически вытекающих друг из друга, что обеспечивает единство замысла предлагаемой заявки на изобретение. Таким образом, возможна классификация всех предложенных в данной заявке технических решений как устройств, отвечающих всем признакам изобретения.
Все предлагаемые исполнения генераторов и варианты их установки в шлюпке при их колебании волнами позволяют вырабатывать электрический ток за счет движения роторов и статоров относительно друг друга в одном, двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивает положительный эффект от их применения.
Реальные варианты исполнения предлагаемых генераторов возможны в любом диапазоне развиваемых мощностей и стандартных типоразмеров, что облегчает их выбор, конструирование и изготовление, однако выбор сечения проводников катушек и обмоток изменяется по причине уменьшения частоты оборотов роторов или статоров, исходя из реального количества колебаний плавающего средства волнами, обычно составляющих величину от 6 до 12 раз в минуту, что при секторе колебаний α=±15° сводит их к условному числу в 1…2 полных оборотов в минуту.
н
Например, для исходного судового синхронного генератора СГ-200, развивающего мощность 200 кВт при числе оборотов в минуту n=500, в случае качаний на угол α=±15° (1/12 полного оборота) при средней частоте бортовых качаний шлюпки 6 раз в минуту (ν=0,1 Гц) и 2-х ее перекладках за одно качание мощность N такой системы составит величину (1)
g
Однако можно изменить параметры воспроизводящих электрический ток обмоток, в частности сечение их проводки и ее длину (количество витков), поскольку мощность N генератора определяется по зависимости (2)
о
где µ - магнитная постоянная,
µ - относительная магнитная проницаемость среды,
n - количество витков на единицу длины обмотки возбуждения,
I - сила электрического тока,
V - объем обмотки возбуждения,
ν - частота вращения.
о
Следовательно, при уменьшении частоты вращения ротора с 500 до 1 оборота в минуту и при прочих равных условиях для параметров µ, µ, n, I, V обеспечение требуемой мощности будет зависеть от количества витков n. Поскольку их нужно уложить в прежнее сечение обмоток генератора, то для неизменности исходной конструкции необходимо адекватное уменьшение сечения проводника. Однако этот путь, при неизменной напряженности электрического поля Е, ведет к увеличению плотности тока j и ограничен электропроводностью γ или удельным сопротивлением ρ=1/γ проводника, определяемым по закону Ома (3)
Таким образом, при отсутствии явления сверхпроводимости в обмотках генератора плотность тока увеличится при уменьшении сечения проводника за счет повышения напряженности Е, определяемой по зависимости (4):
где σ - поверхностная плотность электрических зарядов q на проводнике с наружным диаметром d:
Тогда при базовой величине q и прочих равных условиях уменьшение диаметра d приведет к такому же увеличению плотности σ, а вместе с ней - к такому же увеличению Е и j, что неблагоприятно для работы генератора.
Для устранения этого недостатка мощность перемотанного генератора целесообразно увеличить с 0,4 до 20 кВт, или в 50 раз, что обеспечивается при увеличении количества витков в 50 раз и уменьшении их сечения в 7,07 раза и при таком же уменьшении силы тока в 7,07 раз. Тогда обеспечиваются неизменными q, d, σ и j, что не приведет к ухудшению условий работы генератора, а использование сверхпроводимости увеличивает его мощность. При этом развиваемая мощность 20 кВт является приемлемой величиной для хода спасательной шлюпки, поскольку она обеспечивается при практически неограниченной его дальности.
Достижение технико-экономических показателей для предлагаемых технических решений не является обязательным, т.к. обеспечивает спасение человеческих жизней, однако расходы на их изготовление близки к расходам на оснащение спасательных шлюпок другими энергетическими установками, например дизельными с топливом для обеспечения их хода, а их применение на судне в ходу позволяет заменить хотя бы один дизель-генератор, что дает прямой экономический эффект от исключения на него затрат, сокращения расхода топлива, уменьшения занимаемых ими объемов и массы, которые можно использовать для грузоперевозок или для оснащения судна другими устройствами. Хотя величина этого эффекта зависит от конкретных условий, но она может достигать 10…100 тыс.$ в год на каждое судно. Учитывая, что таких кораблей может быть более 100 тыс., суммарный эффект составит от 1 до 10 млрд.$.
Совокупность приведенных данных подтверждает целесообразность широкого применения предлагаемых устройств, вариантов их установки и применения.
В настоящее время экспериментальная партия данных генераторов изготавливается на АО "Новокаховский электромашзавод", а спасательных шлюпок - на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.