ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД ГРЕБНОГО ВИНТА СУДНА

Полезная модель относится к судовым гребным электрическим установкам, обеспечивающим экономичные режимы движения. Установка может быть применена на любых типах кораблей, судов и подводных аппаратов.
Известны системы электродвижения судов (патенты ЕР №2236409 от 02.04.2009, US №8816524 от 13.02.2009), оснащенных одним или несколькими гребными винтами, каждый из которых приводится во вращение мощным синхронным или вентильным электродвигателем, ток заданной частоты и направления для которого вырабатывается дизель-генераторной или турбогенераторной установкой, и через управляемую трансформирующую систему подается к электродвигателю.
Недостатки такой системы электродвижения - большие габариты и массы электродвигателя-генератора и трансформирующей системы, отсутствие возможности резервирования электродвигателей, а также пониженная энергетическая эффективность для движения судна в режимах среднего, малого и самого малого хода.
Известен электрический привод винтового движителя подводной лодки (патент ЕР №1584131 от 15.01.2003).
Недостаток этого электропривода - значительная масса электродвигателя, отсутствие резервирования и высокая трудоемкость его ремонта или замены в случае выхода из строя.
Известна кормовая оконечность подводной лодки (патент RU №2166456 от 10.01.2000), у которой гребной винт подвижно насажен на прочном корпусе на опорном подшипнике в зоне кормового отсека. Упор винта передается на прочный корпус через снабженные антифрикционным покрытием кольцевые поверхности на ступице винта и прочном корпусе; привод гребного винта осуществляется через коническую зубчатую передачу, включающую зубчатое колесо большого диаметра, закрепленное на гребном винте, и конические зубчатые шестерни на выходных валах механических электроприводов, проходящих через дейдвудные подшипники, установленные внутри прочного корпуса так, что их оси перпендикулярны оси гребного винта.
Недостаток многодвигательного электромеханического привода гребного винта большого диаметра, приводимого через коническую зубчатую передачу, заключается в том, что зубья конической передачи подвергаются значительным нагрузкам, работая в условиях смазки водой. Так как данный электромеханический привод является безмуфтовым, то при нем невозможно применение современных бесколлекторных электродвигателей вследствие возбуждения значительных токов в обмотках при свободном движении подводной лодки с вращающимся винтом.
Кроме того, прочный корпус ослаблен множеством отверстий, диаметр которых зависит от наружного диаметра дейдвудной втулки, так и от диаметра конической зубчатой шестерни.
Известен электрический привод гребного винта (заявка US №2013/0233230 от 09.09.2011), включающий два электрических двигателя, расположенных последовательно, соединенных муфтами с гребным винтом между собой.
Недостаток этого электропривода - значительная масса электродвигателя и высокая трудоемкость его ремонта или замены в случае выхода из строя, а также необходимость иметь на борту подъемный кран, необходимый для выемки или замены одного из электродвигателей при выходе его из строя.
Известна система электродвижения судна (патент US №4661714 от 17.06.1985), включающая два электродвигателя, приводящих через две зубчатые шестерни зубчатое колесо редуктора, соединенного с валом гребного винта.
Известен многодвигательный привод транспортного средства (патент US №4685354 от 03.10.1986), включающий размещенную в корпусе цилиндрическую зубчатую передачу с соединенным с выходным валом колесом, взаимодействующим с множеством шестерен, расположенных на выходных валах электродвигателей, закрепленных на корпусе.
Известен многодвигательный электромеханический привод движителя транспортного средства (преимущественно судна) (патент US №7802494 от 13.11.2006).
Недостатки данного электромеханического привода - в том, что на солнечную шестерню действуют максимальные нагрузки значительно большие, чем на взаимодействующие с ней приводные шестерни, что существенно снижает ее надежность.
Известно эксцентриково-циклоидальное внутреннее или внешнее зацепление составных зубчатых профилей (патент RU №2385435 от 22.12.2008), состоящее из нескольких смещенных по фазе относительно друг друга дисков, каждый с циклоидальным венцом, взаимодействующим с эксцентриковым валом с числом эксцентриков, равным числу колес. Каждый эксцентрик является цилиндрическим и имеет подшипник, посаженный на эксцентрично смещенный участок общего вала. Вал может приводиться во вращение от любого двигателя, в том числе от электродвигателя.
Недостаток привода электродвигателя с редуктором, имеющим описанное зацепление - сложность конструкции эксцентриково-циклоидального зацепления с множеством эксцентриков и зубчатых дисков и пониженная надежность, обусловленная отсутствием резервирования при наличии одного электропривода вала с несколькими эксцентриками.
Известна судовая движительная установка (патент GB №789279 от 10.05.1956 г.), включающая несколько двигателей, работающих на общий винт через зубчатый редуктор, управляемые муфты сцепления и эксцентриково-циклоидальную зубчатую передачу (одно- или двухступенчатую с одним или двумя тормозными устройствами для ступенчатого изменения передаточного отношения в зависимости от включаемого тормозного устройства).
Недостаток данной установки - сложность конструкции вследствие передачи крутящего момента от двигателя к валопроводу через цилиндрический зубчатый редуктор, три управляемых муфты и эксцентриково-циклоидальную передачу.
Известна конструкция зубчатого колеса (патент RU №2375618 от 05.08.2008), выполненная в виде диска, по наружному диаметру которого установлен зубчатый венец, состоящий из набора отдельных секторных частей, на каждой из которых выполнен один или несколько зубьев. Зубчатый венец закреплен на диске крепежными деталями через прижимное кольцо.
Известна судовая электроэнергетическая установка (патент RU №2503580 от 08.06.2012), содержащая главный двигатель, соединенный с главным генератором и через электрическую систему - с гребным электродвигателем, соединяемым с гребным винтом. Установка имеет локальную систему управления, подключаемую к системе управления высшего уровня.
Известен электромеханический привод гребного винта (патент RU №2392180 от 11.01.2009, прототип), включающий: судовой валопровод с валом с гребным винтом, дейдвудным, опорным и упорным подшипниками; зубчатый редуктор, имеющий корпус, установленные в корпусе входной и выходной валы; муфту, соединяющую выходной вал редуктора с валом судового валопровода; блоки управления электроприводом; источник электропитания, соединенный с электродвигателями через блоки управления ими; главный блок управления (ГБУ) электроприводами (включающий задатчик частоты вращения роторов электродвигателей); датчики углового положения выходного вала каждого электропривода, соединенные интерфейсными шинами с соответствующими блоками управления электродвигателями; датчик углового положения выходного вала редуктора, соединенный интерфейсной шиной с главным блоком управления.
Известен способ работы много двигательного электромеханического привода с вентильными электродвигателями с датчиками положения ротора (http://www.kaskod.ru/product/motorsrm/srm_article01/) с микропроцессорным блоком управления, электронным коммутатором и электромеханическим преобразователем, включающий: пуск электромеханического привода по сигналам, подаваемым ГБУ в блоки управления следящих электроприводов в соответствии с алгоритмами, заложенными в программы управления; разгон и торможение приводимого объекта с необходимым ускорением по программе, задаваемой ГБУ и выдаваемым сигналам, преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов; отслеживание углового положения главного выходного вала и приводимого объекта по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов; остановка всех электродвигателей и приводимого объекта в заданном ГБУ угловом положении валов по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов; изменение направления вращения выходною вала с приводимым объектом по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов.
В данном способе работы многодвигательного электромеханического привода не предусмотрена возможность свободного вращения выходного вала с приводимым объектом.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение массы электропривода гребного винта судна при обеспечении резервирования электроприводов, сокращение времени замены отдельного электропривода при выходе его из строя.
Техническая задача решена в конструкции электромеханического привода гребного винта судна, содержащей: судовой валопровод с валом с гребным винтом, дейдвудным, опорным и упорным подшипниками; зубчатый редуктор, имеющий корпус с одним выходным и несколькими входными валами; муфту, соединяющую выходной вал редуктора с валом судового валопровода; установленное на выходном валу в корпусе редуктора цилиндрическое зубчатое колесо с зубчатым венцом; следящие электроприводы, установленные на корпусе редуктора, выходные валы которых имеют шестерни и являются входными валами зубчатого редуктора; блоки управления следящими электроприводами, каждый из которых установлен на электродвигателе электропривода; источник электропитания, соединенный с электроприводами через блоки управления ими; главный блок управления следящими электроприводами (включающий задатчик частоты вращения роторов электродвигателей); датчики углового положения выходного вала каждого следящего электропривода, соединенные интерфейсными шинами с соответствующими блоками управления; датчик углового положения выходного вала редуктора, соединенный интерфейсной шиной с главным блоком управления, при этом зубья зубчатого венца образованы циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса; каждая шестерня на входном валу редуктора является однозубой, выполнена в виде цилиндрического эксцентрика с установленным на нем подшипником и, взаимодействуя с зубчатым венцом, образует эксцентриково-циклоидальную передачу; количество следящих электроприводов с входными валами с эксцентриками с подшипниками, взаимодействующих с зубчатым венцом эксцентриково-циклоидальной передачи, выбирается из интервала целых чисел по зависимости:
,
где n - количество следящих электроприводов;
e
R - радиус окружности, на которой размещены оси входных валов, описанной относительно оси главного выходного вала;
e
max
n
R=R-e±r,
max
R - радиус окружности, описанной относительно вершин зубьев или впадин колеса внешней или внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи;
e - эксцентриситет цилиндрического эксцентрика;
п
r - внешний радиус подшипника, установленного на цилиндрическом эксцентрике;
п
+r - для внешней эксцентриково-циклоидальной передачи;
п
- r - для внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи;
ЭД
Д - максимальный диаметр (размер) корпуса следящего электропривода.
Эксцентриково-циклоидальная передача в редукторе может быть как внешней, так и внутренней.
Для упрощения конструкции редуктора эксцентриково-циклоидальное зацепление является внешним, зубчатое колесо является сборным и может состоять из жестко закрепленного на ступице выходного вала кольцевого диска ступицы с диском и кольца с зубчатым венцом.
Для упрощения технологии изготовления кольцевой диск с зубчатым венцом циклоидального цилиндрического зубчатого колеса состоит из набора закрепленных крепежными деталями на ступице выходного вала секторных частей, на каждой из которых выполнен один или несколько зубьев.
-1
Для уменьшения массы и габаритов каждый электродвигатель следящего электропривода является бесколлекторным, постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов, частота вращения ротора каждого электродвигателя находится в интервале 7000…100000 мин, вал электродвигателя соединен с выходным валом волновым редуктором с телами вращения, имеющим одну или две ступени.
Технический эффект, - упрощение конструкции и уменьшение массы электропривода гребного винта судна при обеспечении резервирования электроприводов, сокращение времени замены отдельного электропривода при выходе его из строя, - обеспечивается за счет следующей совокупности отличительных признаков: зубья зубчатого венца образованы циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса; каждая шестерня на входном валу редуктора является однозубой, выполнена в виде цилиндрического эксцентрика с установленным на нем подшипником и, взаимодействуя с зубчатым венцом, образует эксцентриково-циклоидальную передачу; количество следящих электроприводов с входными валами с эксцентриками с подшипниками, взаимодействующих с зубчатым венцом эксцентриково-циклоидальной передачи, выбирается из интервала целых чисел по зависимости:
,
где n - количество следящих электроприводов;
e
R - радиус окружности, на которой размещены оси входных валов, описанной относительно оси главного выходного вала;
e
max
n
R=R-e±r,
max
R - радиус окружности, описанной относительно вершин зубьев или впадин колеса внешней или внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи;
e - эксцентриситет цилиндрического эксцентрика;
п
r - внешний радиус подшипника, установленного на цилиндрическом эксцентрике;
п
+r - для внешней эксцентриково-циклоидальной передачи;
п
- r - для внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи;
ЭД
Д - максимальный диаметр (размер) корпуса следящего электропривода.
Эксцентриково-циклоидальная передача в редукторе может быть как внешней, так и внутренней.
Для упрощения конструкции редуктора эксцентриково-циклоидальное зацепление является внешним, зубчатое колесо является сборным и может состоять из жестко закрепленного на ступице выходного вала кольцевого диска ступицы с диском и кольца с зубчатым венцом.
Для упрощения технологии изготовления кольцевой диск с зубчатым венцом циклоидального цилиндрического зубчатого колеса состоит из набора закрепленных крепежными деталями на ступице выходного вала секторных частей, на каждой из которых выполнен один или несколько зубьев.
-1
Для уменьшения массы и габаритов каждый электродвигатель следящего электропривода является бесколлекторным, постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов, частота вращения ротора каждого электродвигателя находится в интервале 7000…100000 мин, вал электродвигателя соединен с выходным валом волновым редуктором с телами вращения, имеющим одну или две ступени.
Данная совокупность отличительных признаков не обнаружена в ходе проведенного патентно-информационного поиска, следовательно, полезная модель соответствует критерию «новизна».
На фиг. 1 показан одноредукторный электромеханический привод гребного винта судна.
На фиг. 2 - двухредукторный электромеханический привод гребного винта судна с двумя редукторами, последовательно присоединенными к гребному валу.
На фиг. 3 - конструкция электромеханического привода гребного винта судна с эксцентриково-циклоидальной передачей в редукторе и шестью следящими электроприводами, закрепленными на одной из сторон редуктора.
На фиг. 4 - вид А на фиг. 3.
На фиг. 5 показана конструкция электромеханического привода гребного винта судна с одноступенчатыми редукторами с шестью следящими электроприводами, закрепленными на двух сторонах редуктора.
На фиг. 6 - показана конструкция электромеханического привода гребного винта судна с шестью следящими электроприводами с одноступенчатыми редукторами.
На фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 5 с шестью эксцентриками, находящимися в зацеплении с зубьями эксцентриково-циклоидальной передачи.
На фиг. 8 показана эксцентриково-циклоидальная передача на фиг. 7 с шестью эксцентриками, выведенными из зацепления.
На фиг. 9 показана схема расположения множества эксцентриков в состоянии зацепления с зубьями эксцентриково-циклоидальной передачи (с зубчатым колесом внешней эксцентриково-циклоидальной передачи) для мощных электромеханических приводов.
На фиг. 10 - конструкция электромеханического привода с внутренней эксцентриково-циклоидальной передачей с шестью следящими электроприводами.
На фиг. 11 - схема расположения шести эксцентриков внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи в состоянии зацепления.
На фиг. 12 - схема расположения множества эксцентриков внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи в состоянии зацепления для мощного электромеханического привода гребного винта судна.
На фиг. 13 - схема системы управления электромеханическим приводом гребного винта судна.
Электромеханический привод гребного винта судна (фиг. 1-13) содержит: судовой валопровод 1 (фиг. 1, 3, 4) с валом 2 с гребным винтом 3, дейдвудным подшипником 4, опорными подшипниками 5 и упорными подшипниками 6; зубчатый редуктор 7 (фиг. 2, 5, 6), имеющий корпус 8 с одним выходным валом 9, установленным в подшипниках 10; муфту 11, соединяющую выходной вал 9 с валом 2 судового валопровода 1; установленное на выходном валу 9 цилиндрическое зубчатое колесо 12 с зубчатым венцом 13, зубья 14 (фиг. 7, 8, 9, 11, 13) которого образованы циклоидальной поверхностью 15; по меньшей мере, шесть цилиндрических эксцентриков 16 (фиг. 7, 8, 9, 11, 13), выполняющих функцию однозубых шестерен, с установленными на каждом из них подшипниками 17, каждый из которых установлен на входных валах 18 вокруг зубчатого венца 13 и образуют внешнюю (фиг. 7, 8, 9) или внутреннюю (фиг. 10, 11, 12) эксцентриково-циклоидальную передачу 19, в которой силы, действующие при передаче крутящих моментов на зубчатый венец 13 от противолежащих эксцентриков 16, уравновешены и не создают изгибающих моментов на валу 9; количество зубьев 14 на зубчатом венце 13 превышает количество взаимодействующих с ним эксцентриков 16 и выбирается из интервала целых чисел по зависимости:
,
z
где n - количество зубьев 14 на зубчатом венце;
n - количество входных валов с эксцентриками с подшипниками;
- следящие электромеханические приводы 20, установленные на корпусе 8, выходные валы которых являются входными валами 18 редуктора 7.
Для судов и кораблей, мощность электромеханических приводов которых составляет несколько мегаватт, оснащенных, например, турбодвигателями (не показаны), диаметр описанной окружности которых достигает нескольких метров, в машинном отделении можно размещать многодвигательные электромеханические приводы с эксцентриково-циклоидальными передачами 19, количество электроприводов 20 которых может составлять несколько десятков (фиг. 9, 12).
Количество входных валов 18 вокруг зубчатого венца 13 выбирается из интервала целых чисел по зависимости:
,
где n - количество входных валов 18 с эксцентриками 16 с подшипниками 17; n≥6 для уравновешивания сил, действующих при работе электромеханического привода на вал 9 со стороны эксцентриков 16 и зубчатого венца 13;
e
R - радиус окружности 21 (фиг. 7, 8, 9, 11, 12), на которой размещены оси входных валов 18, описанной относительно оси выходного вала 9;
e
max
n
R=R-e±r,
max
R - радиус окружности, описанной относительно вершин зубьев 14 внешней эксцентриково-циклоидальной передачи 19 (фиг. 5) или впадин колеса внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи 22 (фиг. 10, 11, 12);
е - эксцентриситет цилиндрического эксцентрика 16;
п
r - внешний радиус подшипника 17, установленного на цилиндрическом эксцентрике 16 (фиг.7, 8, 11);
п
+r - для внешней эксцентриково-циклоидальной передачи 19 (фиг. 7, 8);
п
-r - для внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи 22 (фиг. 11);
ЭД
Д - максимальный диаметр (размер) корпуса 23 следящего электропривода 20 (фиг. 2);
блоки управления 24 (фиг. 13) следящими электроприводами 20, каждый из которых может быть установлен на корпусе 23 электродвигателя 25 электропривода 20; источник электропитания (не показан), соединенный с электроприводами 20 через блоки 24 управления; главный блок 26 управления следящими электроприводами 20; датчики 27 (фиг. 2, 5, 6, 13) углового положения ротора электродвигателя 25; датчики 28 (фиг. 2, 5, 6, 13) углового положения выходного вала 18 каждого следящего электропривода 20, соединенные интерфейсными шинами 29 (фиг. 13) с соответствующими блоками 24 управления и с главным блоком 26 управления; датчик 30 углового положения выходного вала 9 редуктора 7, соединенный интерфейсной шиной 30а с главным блоком 26 управления.
Для упрощения конструкции редуктора 7 эксцентриково-циклоидальная передача 19 является внешней (фиг. 2, 5, 6, 7, 8,9), зубчатое колесо 12 является сборным (фиг. 6) и может состоять из жестко закрепленного на ступице 31 вала 9 диска 32 с зубчатым венцом 13.
Для упрощения технологии изготовления зубчатый венец 13 зубчатого колеса 12 состоит из набора закрепленных на ступице 31 крепежными деталями 33 секторных частей 34, на каждой из которых выполнен один (фиг. 7) или несколько зубьев 14.
-1
Для уменьшения массы электропривода 20 и увеличения крутящего момента каждый электродвигатель 25 следящего электропривода 20 является бесколлекторным, постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов, частота вращения ротора каждого электродвигателя 25 находится в интервале 7000…100000 мин, а вал электродвигателя 25 соединен с выходным валом 18 через волновой редуктор 35 с телами вращения 36, имеющий одну (фиг. 6, 10) или две (не показан) ступени.
Способ работы электромеханического привода гребного винта 3 описанной конструкции (фиг. 1-12) обеспечивает начало хода судна вперед или назад, разгон при совершении хода судна, установившееся движение судна с постоянной скоростью, свободное или активное торможение, и включает следующие действия: пуск электромеханического привода с гребным винтом, обеспечивающий начало хода вперед или назад, по сигналам, подаваемым главным блоком 26 управления (фиг. 13) в блоки управления 24 следящих электроприводов 20 в соответствии с алгоритмами, заложенными в программы управления; разгон судна с необходимым ускорением до установившейся скорости движения по программе, задаваемой главным блоком 26 управления и выдаваемым сигналам, преобразуемым в блоках управления 24 следящих электроприводов 20; изменение скорости судна при отслеживании углового положения судового валопровода и гребного винта по сигналам, поступающим от главного блока 26 управления и преобразуемым в блоках 24 управления следящих электроприводов 20; свободное торможение судна после остановки всех следящих электроприводов 20 по сигналам, поступающим от главного блока 26 управления и преобразуемым в блоках управления 24 следящих электроприводов 20; активное торможение судна при изменении направления вращения электродвигателей 25 и валопровода 2 с гребным винтом 3 по сигналам, поступающим от главного блока 26 управления и преобразуемым в блоках 24 управления следящих электроприводов 20, при этом пуск после остановки всех следящих электроприводов 20 при положении цилиндрических эксцентриков 16 в состоянии, выведенном из зацепления с зубчатым колесом 12, осуществляется подачей сигнала от главного блока 26 управления на определение углового положения выходных валов 18 следящих электроприводов 20, последующее формирование и подачу управляющих сигналов на блоки 24 управления для установки каждого из выходных валов 18 поворотом в заданное взаимное угловое положение линий 37 (фиг. 7, 9, 11) симметрии цилиндрических эксцентриков 16 и вращения выходных валов 18 следящих электроприводов 20 для начала хода судна вперед или назад; разгон судна с заданным ускорением до установившейся скорости движения осуществляется путем регулирования частоты синхронного вращения валов 18 электроприводов при поддержании заданного взаимного углового положения линий 37 симметрии эксцентриков 16 в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе главного блока 26 управления; движение судна при установившейся скорости совершается при соблюдении заданного взаимного углового положения линий 37 симметрии эксцентриков 16; свободное движение судна совершается после остановки всех следящих электроприводов 20 в состоянии цилиндрических эксцентриков 16, выведенном из зацепления с зубчатым колесом (фиг. 8), осуществляется в момент занятия центрами всех эксцентриков 16 положения на радиальных линиях 38 (фиг. 7, 8), соединяющих ось зубчатого колеса 12 с осью каждого вала 18 следящих электроприводов 20 (фиг. 8) по сигналу от главного блока 26 управления в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, заложенным в программе главного блока 26 управления при последующем свободном вращении зубчатого колеса 12 с выходным валом 9 и гребным винтом 3; активное торможение судна при изменении направления вращения роторов электродвигателей 25 и вала 2 с гребным винтом 3 осуществляется после начала свободного движения судна и остановки гребного винта 3 и установки всех валов 18 следящих электроприводов поворотом в заданное взаимное угловое положение линий 37 симметрии эксцентриков 16 (фиг. 7, 11), осуществляемой по сигналам, поступающим от главного блока 26 управления в соответствии с алгоритмом, заложенным в его программу и преобразуемым в блоках 24 управления следящих электроприводов 20.
При отказе или выходе из строя по меньшей мере одного из электроприводов 20 эксцентрик 16 выводится из зацепления с зубчатым венцом 13 по команде, подаваемой от главного блока 26 управления на блок 24 управления, после чего все следящие электроприводы 20 могут продолжать работу при уменьшении суммарной мощности. При наличии резервного электропривода вышедший из строя электропривод 20 может быть заменен. Для обеспечения замены электропривода 20 на судне нет необходимости в мощных подъемных средствах.
Предложенный электромеханический привод и способ его работы обеспечивает следующие преимущества в сравнении с известными электроприводами гребных винтов судов.
1. Резервирование электроприводов; быструю замену электроприводов, вышедших из строя, в процессе движения судна.
2. Возможность движения судна при выходе из строя части электроприводов.
3. Повышение энергетической эффективности работы электромеханического привода при движении на малой и средней скорости за счет возможности отключения части электроприводов.