ОДНОЦИЛИНДРОВАЯ СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SINGLE-CYLINDER SHIP POWER PLANT

Изобретение относится к области судостроения, а именно к судовым энергетическим установкам, и может быть использовано, преимущественно, на крупнотоннажных судах, как грузопассажирских, так и специальных (ледокольные, военные и пр.).
Большая часть крупнотоннажных судов, как морских, так и речных, в настоящее время оснащаются дизельными энергетическими установками как наиболее экономичными в эксплуатации (КПД достигает 55%). Однако они дороги в производстве (сложная многоцилиндровая конструкция), тяжелы (особенно, наиболее экономичные из них, малооборотные), громоздки (машинное отделение занимает до 15% длины судна).
Целью изобретения является создание судовой энергетической установки, которая при высоких эксплуатационных показателях была бы лишена этих недостатков.
Поставленная цель достигается тем, что судовая энергетическая установка содержит установленный вертикально свободнопоршневой двигатель с одним или несколькими кривошипно-поршневыми механизмами отбора мощности, расположенными вне рабочего цилиндра двигателя и соединенными с его демпферной камерой двухзвенными трубопроводами с шарнирным сочленением звеньев, имеющими возможность качательных перемещений. При этом рабочий цилиндр двигателя с помощью двух диаметрально расположенных пневмоцилиндров с давлением воздуха над или под поршнями (в зависимости от установочного положения пневмоцилиндров) ниже атмосферного подвешен к верхнерасположенным металлоконструкциям корпуса судна. А с помощью двух диаметрально расположенных пневмоцилиндров с давлением воздуха над или под поршнями выше атмосферного соединен с нижнерасположенными металлоконструкциями корпуса судна. Кроме того, кривошипы механизмов отбора мощности кинематически соединены с гребными винтами судна и с электродвигателями, способными работать в режиме электрогенераторов и расположенными соосно с гребными винтами.
На фиг. 1 изображена одноцилиндровая судовая энергетическая установка (далее СЭУ) с двумя кривошипно-поршневыми механизмами отбора мощности. На фиг. 2 -  Вид А. На фиг. 3 показан свободнопоршневой двигатель (далее СПД) в разрезе.
СЭУ включает в себя установленный вертикально СПД 1 с рабочим цилиндром 2 с кронштейнами 3 на боковой поверхности. В рабочем цилиндре 2 помещается поршень 4 (см. заявку RU №2016124904), взаимодействующий с демпферной камерой 5. Кронштейны 3 присоединяются к поршням 6 пневмоцилиндров 7 с вакуумными (давление ниже атмосферного) камерами 8 сверху поршней 6. Пневмоцилиндры 7 шарнирно подвешиваются к верхнерасположенным металлоконструкциям корпуса судна (не показаны). К демпферной камере 5 присоединяются двухзвенные трубопроводы 9, соединяющие их с кривошипно-поршневыми механизмами отбора мощности 10. Звенья трубопроводов 9 соединяются между собой шарнирами 11, обеспечивающими возможность их качательных перемещений. Кривошипно-поршневые механизмы 10 содержат поршни 11 с кривошипами 12 и через муфты 13 (вариант - электромагнитные) соединяются с гребными винтами (вариант - с регулируемым шагом) 14. Снизу к кронштейнам 3 присоединяются длинноходовые пневмоцилиндры 15 с давлением над поршнем выше атмосферного, связывающие их с нижнерасположенными металлоконструкциями корпуса судна (не показаны). К кривошипам 12 также присоединяются электродвигатели 16, способные работать в режиме электрогенераторов.
СЭУ функционирует следующим образом. С помощью грузоподъемных механизмов (много вариантов) собранный СПД 1 в вертикальном положении устанавливается на нижнерасположенные металлоконструкции машинного отделения судна. Далее производится присоединение рабочего цилиндра 2 посредством кронштейнов 3 к поршням 6 пневмоцилиндров 7. С использованием трубопроводов 9 демпферная камера 5 двигателя соединяется с ранее установленными кривошипно-поршневыми механизмами отбора мощности 10. К кронштейнам 3 присоединяются пневмоцилиндры 15 и начинается подъем СПД на рабочую высоту. Подъем производится путем откачки воздуха вакуумным насосом (не показан) из полостей 8 пневмоцилиндров 7 до давления 5÷10 Па (технический вакуум). При этом два пневмоцилиндра 7 с внутренним диаметром - 2500 мм обеспечат удержание на весу СПД массой около 100 т (вместе с трубопроводами 9). В нижних пневмоцилиндрах 15 над поршнями устанавливается такое избыточное давление, которое позволяет им воспринимать 0,1÷0,2% общей массы СПД (вместе с тубопроводами 9), обеспечивая этим стабильную среднюю высоту «висения» СПД во время работы. Запуск СПД в работу и последующий технологический процесс производятся в полном соответствии с описанием базового изобретения (патент RU №2584769). Во время запуска СПД в работу гребные винты 14, с помощью муфт 13, отсоединяются от кривошипов 12 и лишь после выхода СПД на стабильный рабочий режим производится их соединение. При этом лопасти гребных винтов 14 постепенно переводятся с нулевого шага на рабочий. Поскольку гребные винты 14 не обладают достаточной инерционностью, для обеспечения равномерного вращения к кривошипам 12 присоединяются электродвигатели 16, которые во время совершения поршнями 4 рабочих ходов выполняют функции электрогенераторов. Электродвигатели - генераторы функционируют совместно с накопителями электрической энергии (вариант - батареи конденсаторов. Не показаны).
Предлагаемая система подвески СПД с использованием вакуумных пневмоцилиндров практически исключит передачу инерционных нагрузок (т.е. вибрацию) на корпус судна, несмотря на значительные продольные перемещения рабочего цилиндра 2. А большой диаметр обоих поршней (4 и 11) делает моторесурс СЭУ практически «вечным» (т.е. превышающим срок службы судна).
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЦИЛИНДРОВОЙ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Наружный диаметр рабочего поршня
- 2500 мм
Ход рабочего поршня
- 12500 мм.
Степень сжатия воздуха в камере сгорания
25÷30
Скорость движения поршня (средняя)
35÷50 м/с
Частота вращения кривошипа
80÷120 об/мин
Средняя температура рабочего цикла
420÷450°С
Развиваемая мощность
15000÷20000 л.с.
Эффективное КПД
70÷75%
Столь высокое, по меркам существующих тепловых машин (в частности дизельных двигателей), КПД объясняется высокой степенью сжатия (обеспечивается отсутствием прямой механической связи между рабочим поршнем и кривошипно-поршневыми механизмами отбора мощности). Почти полным расширением продуктов сгорания (обеспечивается большим рабочим ходом поршня). Отсутствием необходимости в охлаждении рабочего цилиндра (обеспечивается низкой средней температурой рабочего цикла, а также отсутствием боковых нагрузок на рабочий поршень и его большим диаметром, допускающим относительно большой зазор между боковыми стенками поршня и рабочего цилиндра). Относительно большой продолжительностью рабочего цикла (обеспечивается более полное сгорание топлива). И высоким механическим КПД (кривошип работает с мало меняющимся нагружением).