ПРОПУЛЬСИВНАЯ УСТАНОВКА СУДНА ДЛЯ ЕГО РАБОТЫ В ОСОБЫХ РАЙОНАХ ОКЕАНА

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к судовым пропульсивным установкам, содержащим соосные гребные винты противоположного вращения, и может быть применена при проектировании и строительстве новых типов судов повышенной надежности, работающих в особых морских районах и особо уязвимых морских районах.
При этом, предлагаемая полезная модель в первую очередь может быть использована при проектировании и строительстве судов рыбопромыслового флота, предназначенных для длительной эксплуатации на промысле в арктических и антарктических районах мирового океана, в условиях сложной ледовой обстановки и интенсивного ветро-волнового воздействия, например, судов типа «Большой морозильный траулер-завод для добычи и переработки антарктического криля».
Известна судовая пропульсивная установка, являющаяся по своему назначению аналогом заявляемой и содержащая соосные гребные винты противоположного вращения (СГВ) в составе поворотной колонки с приводным электродвигателем, выполненным биротативным и размещенным в герметичном обтекаемом кожухе поворотной колонки (см. патент Российской федерации №2119875, кл. B63H 20/00, 20/08, 21/17, 23/24, опубл. 1998).
Указанная судовая пропульсивная установка предусматривает размещение приводного электродвигателя гребных винтов вне корпуса судна, что уменьшает надежность конструкции, т.к. кожух поворотной колонки и ее стойка по характеристикам прочности уступают корпусу. В связи с этим, Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства (2010 г.) в случае использования поворотной колонки в качестве главного движителя требуют увеличения их количества на судне: движителей должно быть не менее двух (см. п. 7.12, Часть VII, Механические установки). Кроме того, использование судовой пропульсивной установки большой мощности приведет к увеличению габаритов приводного электродвигателя, что отрицательно скажется на гидродинамических характеристиках обтекаемого кожуха поворотной колонки.
Наиболее близким по своему назначению, конструкции и общей компоновке техническим решением к заявляемому, принятым за ближайший аналог (прототип), является судовая пропульсивная установка, состоящая из соосных гребных винтов противоположного вращения, валопровода типа вал в валу противоположного вращения, размещенных в корпусе судна, судовой передачи мощности с редуктором, упорных подшипников, главного двигателя, см. журнал «Фунэ-нокагаку», Vol. 41, №11, 1988 г., стр. 42-46 (см. Приложение 1 к описанию).
Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является значительная сложность конструкции редуктора, входящего в судовую передачу мощности, который не только обеспечивает уменьшение частоты вращения гребных валов по отношению к частоте вращения вала главного двигателя, но и реверсирует направление вращения одного из гребных валов. Следствием указанного является уменьшение надежности судовой пропульсивной установки в целом. При этом, выход из строя редуктора или главного двигателя приводит к аварийному режиму "судно без хода" (dead ship conedition), что наиболее опасно по своим последствиям в особых морских районах (назначаемых согласно конвенции МАРПОЛ 73/78 и включающих, в частности, район Антарктики, расположенный к югу от 60° южной широты) и в особо уязвимых морских районах (назначаемых Международной морской организацией, IMO, см. Резолюцию А.927(22)), так как с большой вероятностью сопровождается разливом нефти, топлива и иными видами загрязнения морской среды в виду того, что судно без хода в значительной степени подвержено риску полной потери остойчивости, посадке на мель, выбросу на берег, а также другим механическим повреждениям, особенно в условиях сложной ледовой обстановки, например в районах добычи антарктического криля.
Кроме того, к недостаткам наиболее близкого аналога относится пониженный коэффициент полезного действия (КПД) соосных гребных винтов на режимах, несоответствующих проектному (в т.ч. во всем диапазоне повышенных нагрузок). Снижение КПД происходит в связи с наличием остаточной закрутки потока за гребными винтами, которая возникает в результате разбалансировки соосных гребных винтов (СГВ) по моментным характеристикам. Указанное является следствием фиксированного соотношения частоты вращения гребных валов СГВ, вызванное применением механической передачи мощности. Эта же причина обуславливает и невозможность использования полной мощности главного двигателя на непроектных режимах (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р. "Корабельные лопастные движители: Новые технические решения, результаты исследований", - СПб.: Судостроение, 2011, стр. 148).
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение надежности судовой пропульсивной установки, особенно при работе судна в особых районах океана, а также на увеличение КПД СГВ на непроектных режимах и повышение возможностей использования максимальной мощности главного двигателя на всех эксплуатационных режимах.
Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции пропульсивной установки судна для его (судна) работы в особых районах океана, включающей валопровод типа вал в валу с противоположным вращением внешнего и внутреннего валов, соединенных одним своим концом с соосными гребными винтами противоположного вращения, соответственно, а другим - с упорными подшипниками, и размещенные в корпусе судна главный двигатель и судовую передачу мощности на валы, в отличии от ближайшего аналога - прототипа, судовая передача мощности на валы выполнена электрической в составе, по крайней мере одного, приводного электродвигателя, а установка дополнительно снабжена генератором электрического тока, соединенным с главным двигателем.
Одним из самых оптимальных с точки зрения наиболее эффективной работы пропульсивной установки судна в процессе его эксплуатации в особых районах океана является вариант, при котором судовая электрическая передача мощности на валы выполнена в виде приводного биротативного электродвигателя с вращающимися в противоположных направлениях статором, соединенным с внешним валом, и ротором, соединенным с внутренним валом, при этом один из вышеупомянутых валов соединен с дополнительным приводным электродвигателем.
В другом случае более простой и одновременно достаточно эффективной для достижения целей создания предлагаемой полезной модели является конструкция, при которой судовая электрическая передача мощности на валы выполнена с использованием автономных приводных электродвигателей, один из которых приводит во вращение внешний вал, а другой - внутренний вал.
При этом, в обоих вышеуказанных вариантах судовая электрическая передача мощности на валы может быть выполнена в составе единого монтажного блока с упорными подшипниками.
Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг 1-3, которых схематично изображена пропульсивная установка судна с ее основными узлами и элементами элементами.
Примером конкретного выполнения заявляемого технического решения является пропульсивная установка судна, содержащая соосные гребные винты 1 противоположного вращения, валопровод 2 типа вал в валу с противоположным вращением последних (валов), размещенных в корпусе 3 судна, электрической передачи 4 мощности на валы, главный двигатель 5 с генератором электрического тока (на чертеже не показан).
В варианте использования в качестве судовой электрической передачи (4) мощности на валы биротативного электродвигателя 6 (см. фиг. 2) передний гребной винт закреплен на полом внешнем валу 7, прикрепленном к вращающемуся статору 8. Задний гребной винт закреплен на внутреннем валу 9, проходящем внутри осевой полости внешнего гребного вала 7, противоположный конец которого (вала 9) соединен с ротором 10 биротативного электродвигателя 6. Упоры от переднего гребного винта и заднего гребного винта передаются, через упорные подшипники 11 и 12, соответственно, на корпус (3) судна. Опорные подшипники ротора и статора на чертеже не показаны. Один из гребных валов является общим с валом дополнительного электродвигателя 13 (фиг 1), который обеспечивает дублирование биротативного электродвигателя (6).
При использовании в качестве судовой электрической передачи мощности на валы автономных приводных электродвигателей (см. фиг. 3) передний гребной винт закреплен на полом внешнем валу 14, являющимся общим с валом приводного электродвигателя 15. Задний гребной винт закреплен на внутреннем валу 16, размещенным на опорных подшипниках (на чертеже не показаны) внутри осевой полости внешнего гребного вала 14 и вала электродвигателя 15. Второй конец вала заднего гребного винта соединен со своим автономным электродвигателем 17. Упор от переднего гребного винта и заднего гребного винта передается через упорные подшипники 18 и 19, соответственно, на корпус (3) судна.
Пропульсивная установка судна работает следующим образом.
1
2
1
2
Главный двигатель 5 обеспечивает работу генератора электрического тока (например, главный дизель-генератор), который приводит в действие судовую электрическую передачу 4 мощности, например, выполненную в виде биротативного электродвигателя 6. Биротативный электродвигатель 6 посредством вращающихся в противоположных направлениях ротора 10 и статора 8 через валы 9 и 7, соответственно, приводит во вращение задний гребной винт и передний гребной винт (на чертеже не показаны). Соосные гребные винты противоположного вращения через упорные подшипники 11 и 12 передают упор на корпус 3 судна и судно приходит в движение. Вследствие взаимодействия электромагнитных полей ротора 10 и вращающегося статора 8 на валах гребных винтов будет выполняться равенство моментов (M=M) во всем диапазоне гидродинамических нагрузок. Равенство моментов M и M свидетельствует о практическом устранении остаточной закрутки потока за задним гребным винтом и, следовательно, максимальной гидродинамической эффективности установки. В случае выхода из стоя биротативого электродвигателя 6, дополнительный электродвигатель 13 гарантирует отсутствие режима "судно без хода" путем вращения одного винта из соосных гребных винтов противоположного вращения 1.
1
2
При использовании в качестве судовой электрической передачи 4 мощности автономных приводных электродвигателей 15 и 17, последние приводят во вращение соответственно передний и задний гребной винт (на чертеже не показаны). Благодаря тому, что электродвигатели являются электродвигателями переменного тока и работают с автономными статическими преобразователями частоты, управление которыми принципиально может быть реализовано по закону постоянства мощности, момента или частоты вращения, в рассматриваемом случае на валу 14 переднего гребного винта и на валу 16 заднего гребного винта также будет выполняться равенство моментов (M=M) во всем диапазоне гидродинамических нагрузок. В случае выхода из строя одного из электродвигателей, исправный двигатель гарантирует отсутствие режима "судно без хода" путем вращения одного винта из соосных гребных винтов противоположного вращения 1. Надежность пропульсивной установки может быть повышена при использовании в блоке 5 (главный двигатель с генератором электрического тока) нескольких дизель-генераторов.
Таким образом, заявленная пропульсивная установка судна с судовой электрической передачей мощности на валы обеспечивает дублирование последней (передачи 4) и ее основных узлов (элементов), что позволяет существенно снизить риск возникновения режима "судно без хода", обеспечивает передачу большой мощности на гребные винты без использования сложной механической судовой передачи, увеличивает КПД соосных гребных винтов на непроектных режимах и позволяет использовать максимальную мощность главного двигателя на всех эксплуатационных режимах работы установки, в т.ч. в сложных условиях плавания.