Судовая валогенераторная установка

Заявляемая полезная модель относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с валогенераторами.
Известна электроэнергетическая установка судна (патент РФ №2560198, опубл. 20.08.2015), содержащая главный тепловой двигатель, редуктор, разобщительную муфту, гребную электрическую машину, гребной винт, электрической преобразователь, главный распределительный щит, коммутационные элементы, вспомогательный дизель-генератор, статический источник постоянного тока, потребитель собственных нужд, дополнительные разобщительные муфты, вторую гребную электрическую машину, преобразователи постоянного напряжения, обмотки возбуждения, выпрямитель напряжения, обратимый преобразователь постоянного напряжения.
Эта установка имеет следующие недостатки:
- в качестве гребных используются электрические машины постоянного тока, коллекторные узлы которых требуют регулярного технического обслуживания и обладают низкой надежностью;
- сравнительно невысокое качество электроэнергии, вырабатываемой для питания судовых потребителей обратимым преобразователем постоянного напряжения, из-за наличия высших гармоник напряжения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является судовая валогенераторная установка (патент РФ №2493047, опубл. 20.09.2013). Эта установка, как и описанный выше аналог, содержит двигатель приводного вала, в дальнейшем именуемый как главный двигатель, который соединен с гребным винтом посредством редуктора и валопровода. Последний в формуле не упоминается, но на сопровождающей описание патента фигуре изображен. С главным двигателем механически связан валогенератор, который через преобразователь частоты и фильтр электрически соединен с шинами судовых электропотребителей. К шинам судовых электропотребителей подсоединен вспомогательный генератор, механически сочлененный со вспомогательным двигателем. На фигуре в описании прототипа и в предлагаемом устройстве показан только один вспомогательный генератор со вспомогательным двигателем, однако авторами не исключается вариант с несколькими подключенными к шинам судовых электропотребителей аналогичными генераторами и вспомогательными двигателями.
Недостатком данной установки является повышенный уровень высших гармоник напряжения на зажимах преобразователя частоты при питании судовых потребителей электроэнергией, вырабатываемой валогенегатором в ходовом и маневренном режимах судна.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в снижении высших гармоник напряжения в электросети, когда она получает питание от валогенератора.
Высшие гармоники снижают общий коэффициент полезного действия установки и могут вызвать ложное срабатывание автоматических устройств. Кроме того, не производя полезной работы, высшие гармоники тока вызывают дополнительные вибрации и нагрев электрических машин, что негативно сказывается на сроках службы последних.
Снижение высших гармоник будет способствовать:
- повышению общего коэффициента полезного действия установки;
- уменьшению вероятности ложных срабатываний автоматических устройств, получающих питание от валогенераторной установки;
снижению вибрации и нагрева электрических машин, комплектующих и валогенераторную установку, и судовые потребители электроэнергии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в судовой валогенераторной установке, содержащей главный двигатель, который через разъединительную муфту, редуктор и валопровод механически соединен с гребным винтом, а через редуктор и вторую разъединительную муфту связан с валогенератором, который электрически соединен с шинами судовых электропотребителей, к которым также подсоединен вспомогательный генератор, механически сочлененный с вспомогательным двигателем, в качестве валогенератора использована синхронная электрическая машина переменного тока, а в качестве гребного винта используется винт регулируемого шага, в ступице которого находится механизм поворота лопастей, при этом, вдоль оси валопровода выполнено сквозное отверстие, через которое проложена штанга, соединяющая выход механизма изменения шага с входом механизма поворота лопастей.
В качестве валогенератора целесообразно использовать синхронную электрическую машину переменного тока с демпферной (короткозамкнутой) обмоткой.
Возможно применение нескольких вспомогательных двигателей, каждый из которых будет механически сочленен со своим генератором, который в свою очередь будет электрически соединен с шинами судовых потребителей электроэнегии.
Более подробно решение раскрыто в приведенном ниже примере реализации, и иллюстрируется фигурой, на которой представлена функциональная схема установки.
Судовая валогенераторная установка (см. фиг.) включает в себя главный двигатель 1, который через разъединительную муфту 2, редуктор 3 и валопровод 6 соединяется с гребным винтом регулируемого шага 5, в ступице которого находится механизм поворота лопастей 5. Редуктор 3 через вторую разъединительную муфту 7 подсоединен к валогенератору 8. Как уже отмечалось, предпочтительным является использование в качестве валогенератора 8 синхронной электрической машины переменного тока с демпферной обмоткой. Валогенератор 8 через первый автоматический выключатель 9 электрически соединен с шинами 10 судовых электропотребителей. К шинам 10 судовых электропотребителей через второй автоматический выключатель 11 подсоединен вспомогательный генератор 12, механически связанный с вспомогательным приводным двигателем 13.
Судовая валогенераторная установка работает следующим образом.
В ходовом и маневренном режимах работы судна главный двигатель 1 через разъединительную муфту 2, редуктор 3 и валопровод 6 вращает гребной винт регулируемого шага 4. Скорость хода судна при этом регулируется за счет изменения угла поворота лопастей гребного винта расположенным в его ступице механизмом 5.
На фигуре изображена только одна лопасть винта регулируемого шага 4, которая находится она в «нейтральном положении», когда при вращении винта в воде упор не создается. На фигуре изображен механизм поворота лопастей 5 шатунного типа.
Обусловленные действием механизма изменения шага 14 перемещения штанги 15 на фигуре влево или вправо, а на судне, соответственно, «в нос» или «в корму» будут приводить к соответствующему повороту лопастей винта регулируемого шага 4. Последнее в зависимости от направления вращения винта регулируемого шага 4 будет толкать присоединенные к лопастям массы воды вперед или назад.
В соответствии с определяемым на ходовом мостике судна положением механизм изменения шага 14, поступательно перемещая в осевом направлении штангу 15 «в нос» или «в корму», изменяет угол поворота лопастей гребного винта 4, что приводит к соответствующему изменению создаваемого гребным винтом упора в интервале от «полного вперед» через изображенное на фигуре «нейтральное положение» вплоть до «полного назад».
Частота вращения главного двигателя 1 при любых ходах судна в этом случае может оставаться неизменной.
Главный двигатель 1 через разъединительную муфту 2, редуктор 3, и разъединительную муфту 7 подсоединен к валогенератору 8. Поэтому в соответствующих режимах работы судна также будет оставаться неизменной и частота вращения валогенератора 8, как и вырабатываемого им напряжения и тока.
В качестве валогенератора 8 использована синхронная электрическая машина переменного тока. Высшие гармоники напряжения в судовой электросети, при питании от валогенератора будут отсутствовать. Их появление может быть обусловлено наличием силовых преобразовательных устройств.
Вспомогательный генератор 12 вместе с вспомогательным двигателем 13 необходимы для обеспечения питанием судовых потребителей электроэнергии в стояночных режимах судна. Их наличие дает заявляемой судовой валогенераторной установке еще одно важное преимущество.
За счет электроэнергии, вырабатываемой вспомогательным генератором 12, приводимым во вращение вспомогательным двигателем 13, синхронная электрическая машина, использованная в качестве валогенератора 8, может быть переведена в двигательный режим.
В этом случае гребной винт регулируемого шага 4 во вращение должен приводиться через вторую разъединительную муфту 7, редуктор 3 и валопровод 6.
Управление скоростью судна будет осуществляться путем изменения угла поворота лопастей винта регулируемого шага 4, как это было и в случае, когда он приводился в движение от главного двигателя 1.
Для обеспечения возможности запуска использованной в качестве валогенератора 8 синхронной электрической машины в двигательном режиме при отсоединенном главном двигателе 1 необходимо, чтобы эта машина дополнительно была снабжена демпферной (короткозамкнутой) обмоткой.
При такой конструкции валогенератора 8 ротор примененной синхронной машины до подсинхронных оборотов может быть раскручен за счет работы размещенной на нем демпферной (короткозамкнутой) обмотки. После выхода до под синхронной частоты вращения на обмотку возбуждения синхронной машины подается напряжение для того, чтобы ее ротор втянулся в синхронизм, и машина заработала как синхронная.
В описанном режиме заявляемая судовая валогенераторная установка может обеспечить движение судна малыми ходами, скорость которых будет ограничиваться мощностью (суммарной мощностью) установленных вспомогательных генераторов. Работа главного двигателя 1 в данном режиме не обязательна. Появляется возможность экономить его моторесурс, например, на малых ходах судна.
Важным данный режим работы судовой валогенераторной установки может оказаться в случаях отказа главного двигателя 1. Особенно, если подобный отказ произойдет в штормовых условиях.
Потеря хода в подобных условиях означает потерю управляемости судна. Потеря управляемости, как правило, приводит к развороту судна лагом к волне и последующему за ним недопустимо большому (вплоть до потери судном остойчивости) размаху его бортовой качки.
Обеспечиваемая работой использованной в качестве валогенератора 8 синхронной электрической машины в двигательном режиме скорость хода, как правило, составит 1…3 узла, что сохранит управляемость судна. Возникающая в штормовых условиях при этом килевая качка, как правило, имеет значительно меньшую амплитуду, и потому значительно менее опасна.