СПОСОБ РАЗГОНА ГЛИССИРУЮЩЕГО СУДНА
PLANING VESSEL ACCELERATION METHOD

Изобретение относится к водному транспорту, а именно к силовым комбинированным электроэнергетическим установкам глиссирующих морских и речных судов, в том числе судов с подводными крыльями, и может быть использовано на них для уменьшения мощности главного двигателя.
Известен, например, способ разгона и торможения судна-электрохода при отходе-подходе его к пирсу с электрическим питанием от береговой сети (патент РФ №2328408 С1 МПК, В63Н 21/17, В63В 38/00 (2006.01)), заключающийся в том, что при отходе судна от пирса перед началом его движения подают электрическое питание в судовую сеть от береговой сети, имеющей протяженный участок контактного токопровода, посредством прижатия к нему подвижного токосъемного устройства судна. Включают гребной электродвигатель судна, соединенный с его гребным винтом, на работу от судовой сети, сообщенной в данный момент с береговой, на переднем ходу и развивают его обороты, осуществляя разгон судна. При подходе судна к пирсу останавливают гребной электродвигатель или снижают частоту его вращения. Переключают его на работу на "задний ход", осуществляя торможение судна. Токосъемное устройство судна используют в виде расположенного над судном подвижного устройства, контактирующего с береговым токопроводом, который располагают над водной поверхностью и которому придают ограниченную протяженность над водой.
Недостатком данного способа является ограниченность его действия, т.к. пирс, вдоль которого производится разгон судна с питанием гребных электродвигателей от береговой сети, имеет ограниченную длину. Кроме того, общеизвестно, что допустимые скорости движения судов в портах ограничены, что связано с безопасностью плавания, поэтому и скорость, до которой можно разогнать данным способом судно, невелика.
Известен ряд технических и конструктивных решений (Муругов B.C., Яременко О.В. Морские суда на подводных крыльях (СПК), изд-во "Морской транспорт", М - 1962 г), связанных с изменением геометрических размеров, формы подводных крыльев и их расположения на корпусе судна, направленных на уменьшение волнового сопротивления корпуса при его движении, а также с поиском такого движителя и двигателя, применение которых позволило бы уменьшить расход топлива, и сделать, тем самым, эксплуатацию СПК более экономичной. Общим недостатком этих известных технических и конструктивных решений является необходимость в установке на судне мощного, тяжелого первичного (дизельного или газотурбинного) двигателя, способного разогнать судно для выхода на глиссирующий режим (или на подводные крылья) и преодолеть, соответственно, «горб» сопротивления. В этом кратковременном (1…3 мин) режиме работы, а именно при выходе корпуса судна из воды и переходе его к движению в глиссирующем режиме (или на подводных крыльях), необходимо, как известно, большое (двух-трехкратное) увеличение мощности первичного двигателя. А после преодоления этого «горба» сопротивления и продолжительном движении судна в глиссирующем режиме (или на подводных крыльях), сопротивление движению судну в разы снижается, вследствие чего первичный двигатель работает с малым коэффициентом загрузки и, соответственно, с большим удельным расходом топлива. При этом известно, что частая и продолжительная работа первичного (особенного дизельного) двигателя на пониженном тепловом режиме с малыми нагрузками, приводит к закоксовыванию поршневых колец и потере их надежности вследствие неполного сгорания топлива, что ускоряет износ данных колец, повышает расход масла и увеличивает его выброс через выхлопную трубу в атмосферу. Таким образом, общим недостатком данных известных технических и конструктивных решений является низкая их экономичность и экологичность.
Известно, например, быстроходное судно с реданом на днище [патент RU №2585688, МПК В63Н 5/125 (2006.01), В63Н 5/20 (2006.01), В63В 1/18 (2006.01), В63В 1/08 (2006.01), публикация патента 10.06.2016 Бюл. №16], снабженное наряду с основными движителями вспомогательным (разгонным, стартовым) движителем, размещенным в диаметральной плоскости судна над реданом, в шахте, и выполненным с возможностью его перемещения в этой шахте по вертикали. При этом конструкция вспомогательного (разгонного, стартового) движителя принята в виде гребного винта, совмещенного с электродвигателем кольцевого типа, а участок редана, расположенный под нижним отверстием шахты, выполнен с возможностью его перемещения на днище по длине судна. Вспомогательный (разгонный, стартовый) движитель используют в процессе разгона судна, а также для поддержания необходимой скорости хода судна в условиях волнения, когда сопротивление его движению возрастает.
Недостатком данного изобретения является наличие перемещающихся элементов - вспомогательного движителя в шахте по вертикали, и участка редана на днище по длине судна, что приводит к усложнению предложенной конструкции в целом, ее удорожанию и снижению надежности. Кроме того, задача выхода судна на «загорбовый» режим движения решена за счет установки вспомогательного (разгонного, стартового) движителя, что в общем случае является очевидным техническим решением, а выдвижные движители в виде винто-рулевых колонок (ВРК) известны в судостроении достаточно давно, также как и известны подъемно-опрокидывающиеся ВРК и опрокидывающиеся ВРК.
После отключения вспомогательного движителя от источника электроэнергии, в виде которого используют, как правило, дизель-генератор, коэффициент загрузки последнего значительно уменьшится, что приводит, соответственно, к возрастанию удельного расхода топлива, т.е. снижению экономичности. При этом общеизвестно, что работа дизельного двигателя в переходных (маневренных) и частичных (долевых) режимах крайне неэкологична, т.к. ухудшаются условия сгорания топлива и многократно увеличивается содержание вредных веществ в выхлопных газах, кроме того, уменьшается его ресурс. Поэтому процесс включения и процесс выключения вспомогательного движителя, являющийся для дизельного двигателя переходным (маневренным), так же как и режим работы последнего с малым коэффициентом загрузки, является неблагоприятным режимом, что также является недостатком данного изобретения.
Известен способ разгона судна с комбинированной энергоустановкой [Фиясь И.П., Евграфов В.В. Обратимая валогенераторная установка с полупроводниковым преобразователем частоты. - М.: В/О, "Мортехинформреклама", сборник научных трудов, 1987, С. 68]. Известный способ позволяет увеличить скорость судна за счет совместной одновременной работы на гребной вал через редуктор главного (дизельного) двигателя (ГД) и валогенератора (ВГ), работающего в этот момент в режиме вентильного двигателя и получающего питание от вспомогательных тепловых двигателей (дизель-генераторов) через полупроводниковый преобразователь частоты.
Известный способ разгона судна обладает рядом эксплуатационных, экономических и экологических недостатков. Во-первых, для работы ВГ в двигательном режиме используются вспомогательные тепловые (дизельные) двигатели, работающие на более дорогом топливе. Следовательно, эксплуатация ВГ в режиме вентильного двигателя является неэкономичной. Во-вторых, т.к. мощность ВГ невелика, порядка (10-15)% от мощности ГД, то и скорость судна при совместной одновременной работе на гребной вал через редуктор этих двух двигателей - ГД и ВГ, работающего в режиме вентильного двигателя, существенно увеличить невозможно. Кроме того, потребляемая в процессе разгона судна гребным винтом мощность изменяется в соответствии с его винтовой характеристикой в широком диапазоне, вследствие чего значительно изменяется и развиваемая мощность ГД, а также вспомогательных тепловых (дизельных) двигателей; работа же дизельных двигателей в переходном (маневренном) режиме, как упомянуто выше, является крайне неблагоприятной, что также является недостатком данного изобретения.
Также известен способ разгона судна, принятый за прототип, содержащий в составе комбинированной передачи для привода движителя главный двигатель и ускорительный гребной электродвигатель [Беспалов В.И, Эксплуатация судовых энергетических установок: лабораторный практикум / Беспалов В.И., Пискунов В.А, Садеков М.Х. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. - 75 с], подключаемый во время разгона данного судна к гребному валу с помощью разобщительной муфты и суммирующего редуктора. При этом питание ускорительного гребного электродвигателя, производится, очевидно, от одного или нескольких вспомогательных источников электроэнергии (как правило, дизель-генераторов) через полупроводниковый преобразователь частоты. А после разгона судна ускорительный гребной электродвигатель отсоединяют от гребного вала и останавливают.
Этот способ разгона судна обладает практически такими же недостатками, как и предыдущий способ: наличие одного или нескольких дополнительных дизель-генераторов, для питания которых требуется дорогое топливо, кратковременный переходной, и поэтому неэффективный их режим работы, а также сравнительно малая мощность ускорительного гребного электродвигателя. Использование более мощного ускорительного гребного электродвигателя нецелесообразно по экономическим причинам, т.к. для его питания при традиционном подходе решения поставленной задачи потребовалась бы и установка, соответственно, одного или нескольких вспомогательных источников электроэнергии большей мощности, которые обладают, очевидно, большей стоимостью, шумностью, расходом топлива, массой и размерами. А использование их в кратковременном переходном режиме работы, т.е. только во время разгона судна, еще более снижает эффективность данного известного способа разгона судна.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении перечисленных выше эксплуатационных, экономических и экологических недостатков, а именно: обеспечить экологичный и экономичный разгон глиссирующего судна, в том числе судна с подводными крыльями.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе разгона судна, заключающемся в том, что приводят во вращение гребной винт посредством главного двигателя с разобщительной муфтой перед суммирующим редуктором гребного вала, а также посредством ускорительного гребного электродвигателя, кинематически связанными через суммирующий редуктор с гребным винтом судна; увеличивают частоту вращения главного двигателя путем увеличения топливоподачи в его цилиндры и одновременно ускорительного гребного электродвигателя, питаемого от вспомогательного источника электроэнергии в виде дизель-генератора через полупроводниковый преобразователь частоты, разгоняя тем самым судно, в отличие от него, в заявляемом способе ускорительный гребной электродвигатель используют в виде синхронной машины обратимого типа, полупроводниковый преобразователь частоты используют в виде обратимого полупроводникового преобразователя, а вспомогательный источник электроэнергии используют в виде аккумуляторной батареи с высокой плотностью энергии. А после преодоления «горба» сопротивления и выхода корпуса судна из воды, т.е. переходу к режиму глиссирования или режиму движения на подводных крыльях, ускорительный гребной электродвигатель отключают от вспомогательного источника электроэнергии и отсоединяют от суммирующего редуктора посредством разобщительной муфты ускорительного гребного электродвигателя.
Мощность ускорительного гребного электродвигателя в частном случае составляет (100…200)% от мощности главного двигателя, а аккумуляторную батарею используют в частом случае литий-ионного типа.
Благодаря тому, что мощность ускорительного гребного электродвигателя составляет (100…200)% от мощности главного двигателя, появляется возможность существенно увеличить мощность на гребном валу без увеличения мощности главного двигателя, и соответственно, его массы и стоимости.
Благодаря тому, что в качестве ускорительного гребного электродвигателя используется синхронная машина обратимого типа, обеспечиваются следующие традиционные преимущества:
- наибольший КПД электропривода гребного винта;
- возможность работы с cos ϕ=1, что приводит к сокращению размеров электродвигателя и, соответственно, его массы, по сравнению с асинхронным, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. Кроме того, при работе с опережающим током (т.е. в режиме перевозбуждения) синхронный двигатель, как известно, служит генератором реактивной мощности, которая может быть использована, например, вспомогательными асинхронными двигателями данного судна, что позволит уменьшить потребление этой мощности от источника электрической энергии (дизель-генератора) и уменьшить потери в электрической сети;
- меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, вызванным, например, разрядкой аккумуляторной батареи, так как максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения;
- большая перегрузочная способность по моменту (2…3).
В качестве ускорительного гребного электродвигателя может быть использована и синхронная машина обратимого типа с возбуждением от постоянных редкоземельных, например, неодимовых магнитов. КПД такой машины несколько выше, т.к. нет потерь на возбуждение, но отсутствует возможность регулирования магнитного потока в воздушном зазоре между статором и ротором, т.е. регулировочные ее характеристики хуже.
Наличие синхронной машины обратимого типа позволяет ее использовать не только в двигательном режиме при разгоне судна, но и в генераторном режиме, например при малом ходу судна с приводом гребного винта от главного двигателя, или во время кратковременных его стоянок у причала при высадке-посадке пассажиров с работающим главным двигателем, осуществляя с ее помощью отбор избыточной мощности главного двигателя. При этом отбираемый на подзаряд аккумуляторной батареи от синхронной машины обратимого типа, работающей в этот момент в генераторном режиме, ток регулируют посредством обратимого полупроводникового преобразователя. Аккумуляторная батарея при этом служит буферным источником электроэнергии для синхронной машины обратимого типа, являясь либо ее потребителем, либо источником.
Таким образом, обеспечивается близкий к номинальному режим работы главного двигателя, благодаря чему он имеет минимальные вредные выбросы в атмосферу, минимальный удельный расход топлива и наибольший эксплуатационный ресурс, что в свою очередь, приводит к повышению экономичности эксплуатации судна.
За счет того, что в качестве вспомогательного источника электроэнергии используют не дизель-генератор, а аккумуляторную батарею с высокой плотностью энергии, обеспечиваются существенно лучшие эколого-экономические характеристики судна, т.к. отсутствуют вредные выбросы в атмосферу от дополнительных источников электроэнергии и отсутствует повышенный расход дорогостоящих горюче-смазочных материалов.
Кроме того, разгон судна производиться с более низким уровнем шума, т.к. аккумуляторная батарея, как известно, в процессе своей работы шума не производит, в отличие от дизель-генератора, благодаря чему обеспечивается более комфортная перевозка пассажиров.
Дополнительным преимуществом заявляемого способа является возможность движения судна в порту (гавани) с нулевыми вредными выбросами в атмосферу, т.е. только за счет гребного электродвигателя, питаемого от аккумуляторной батареи через обратимый полупроводниковый преобразователь при неработающем главном двигателе. А в глиссирующем режиме работы или движении судна на подводных крыльях увеличение мощности на гребном валу, при необходимости, обеспечивают за счет энергии аккумуляторной батареи, т.е. с минимальной динамической нагрузкой на главный двигатель. Благодаря этому обеспечивается меньший удельный расход топлива и меньшие, по сравнению с прототипом, вредные выбросы в атмосферу. Следовательно, обеспечиваются требования международной морской организации (International Maritime Organization (IMO)) и Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (англ. International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL 73/78).
Таким образом, предложенный способ устраняет вышеперечисленные недостатки за счет применения синхронной машины обратимого типа, обратимого полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи с высокой плотностью энергии, используемой в буферном режиме, а также имеет ряд дополнительных преимуществ по сравнению с прототипом.
Большие капитальные вложения в постройку предложенной силовой комбинированной электроэнергетической установки, с помощью которой реализуется заявляемый способ, по сравнению с обычной дизельной, являются окупаемыми вследствие того, что судно с подобной энергоустановкой имеет более низкие эксплуатационные расходы. Это достигается в первую очередь благодаря тому, что используется меньший по мощности дизельный двигатель, который работает в режиме близком к номинальному практически независимо от мощности на гребном валу.
Заявляемый способ разгона глиссирующего судна иллюстрируется: фиг. 1 - Структурная схема судовой комбинированной энергоустановки.
Заявляемый способ разгона глиссирующего судна реализуется посредством схемы, изображенной на фиг. 1. Данная схема содержит: главный (первичный) (дизельный) двигатель (1), валопровод (2), разобщительную муфту (3), суммирующий редуктор (4), разобщительную муфту (5), гребной винт (6), синхронную машину обратимого типа (7), разобщительную муфту (8), обратимый полупроводниковый преобразователь (9), аккумуляторную батарею (10).
Заявляемый способ разгона глиссирующего судна реализуют следующим образом. При разомкнутой разобщительной муфте (3) и замкнутых аналогичных муфтах (5) и (8) приводят гребной винт (6) во вращение от синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме и получающей питание от аккумуляторной батареи (10) через обратимый полупроводниковый преобразователь (9). Последним при этом осуществляют преобразование постоянного тока аккумуляторной батареи (10) в переменный ток и плавно увеличивают частоту тока, подаваемого в фазные обмотки (не показано) синхронной машины обратимого типа (7), осуществляя, тем самым, плавный ее пуск как синхронного двигателя. Вращаясь с некоторой частотой вращения гребной винт (6) создает упор, под действием которого судно движется с малой скоростью в водоизмещающем режиме. После выхода судна из порта (гавани), осуществляют пуск главного (первичного) (дизельного) двигателя (1), соединяют его с помощью разобщительной муфты (3) к суммирующему редуктору (4), увеличивают частоту вращения синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме, за счет увеличения частоты тока, подаваемого в ее фазные обмотки (не показано) от обратимого полупроводникового преобразователя (9), а также одновременно увеличивают частоту вращения главного (первичного) (дизельного) двигателя (1), за счет увеличения топливоподачи в его цилиндры (не показано). Благодаря совместной одновременной работе на гребной винт (6) через суммирующий редуктор (4) главного (первичного) (дизельного) двигателя (1) и синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме, судно достаточно быстро разгоняется, преодолевая «горб» сопротивления. После выхода судна на режим глиссирования (или выхода на подводные крылья) сопротивление движению судну, как известно, резко снижается и поэтому синхронную машину обратимого типа (7), работающую в двигательном режиме, отключают от источника питания (обратимого полупроводникового преобразователя (9)) и отсоединяют от суммирующего редуктора (4) с помощью разобщительной муфты (8). Судно движется в режиме глиссирования (или на подводных крыльях) только за счет главного (первичного) (дизельного) двигателя (1). Таким образом, производят разгон судна.
Дополнительным преимуществом судна с предложенной схемой, с помощью которой реализуется заявляемый способ разгона судна, является возможность его движения в порту (гавани) с нулевыми вредными выбросами в атмосферу, т.е. при выключенном главном (первичном) (дизельном) двигателе (1). При этом привод гребного винта осуществляют только от синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме и получающей питание от аккумуляторной батареи (10) через обратимый полупроводниковый преобразователь (9). Обратимый полупроводниковый преобразователь (9) работает при этом в инверторном режиме, преобразуя постоянный ток аккумуляторной батареи (10) в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением, за счет чего регулируют частоту вращения синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме, и, соответственно, гребного винта (6).
При движении судна в глиссирующем режиме (или режиме движения на подводных крыльях) или в водоизмещающем режиме с приводом гребного винта (6) от главного (первичного) (дизельного) двигателя (1) при наличии избыточной мощности последнего имеется возможность отбора этой мощности с помощью синхронной машины обратимого типа (7), которую переводят при этом в генераторный режим. Регулирование отбираемой мощности производят обратимым полупроводниковым преобразователем (9), работающем при этом в режиме управляемого выпрямителя. Получаемый с помощью этого управляемого выпрямителя постоянный ток направляют на подзаряд аккумуляторной батареи (10). Таким образом, независимо от того, в каком режиме движения (водоизмещающем или глиссирующем) движется судно, при наличии избытка мощности главного (первичного) (дизельного) двигателя (1) имеется возможность полезно использовать эту избыточную мощность, осуществляя подзаряд аккумуляторной батареи (10), и одновременно обеспечивать при этом такую номинальную его нагрузку по моменту, при которой он имеет минимальный удельный расход топлива и минимальные вредные выхлопы в атмосферу, что также является дополнительным преимуществом заявляемого изобретения.
Кроме того, при движении судна в глиссирующем режиме (или режиме движения на подводных крыльях) с приводом гребного винта (6) от главного (первичного) (дизельного) двигателя (1) мощность на гребном валу и, соответственно, скорость судна, при необходимости, может быть кратковременно увеличена за счет за счет подключения к суммирующему редуктору (4) с помощью разобщительной муфты (8) синхронной машины обратимого типа (7), работающей в этот момент в двигательном режиме и получающей питание от аккумуляторной батареи (10) через обратимый полупроводниковый преобразователь (9). Таким образом, появляется возможность снизить динамические нагрузки на главный (первичный) (дизельный) двигатель (1) в маневровых режимах работы судна, и, тем самым, продлить его эксплуатационный ресурс и снизить вредные выбросы в атмосферу.
При кратковременной стоянке судна у причала, например во время высадки-посадки пассажиров, с работающим главным (первичным) (дизельным) двигателем (1), последний может работать только на подзаряд аккумуляторной батареи (10), с номинальным моментом нагрузки на валу и с номинальной частотой вращения, при этом разобщительная муфта (5) разомкнута, муфты (3) и (8) замкнуты, синхронная машина обратимого типа (7) работает в генераторном режиме, а обратимый полупроводниковый преобразователь (9) работает в режиме управляемого выпрямителя.
Таким образом, заявляемое изобретение за счет применения синхронной машины обратимого типа, обратимого полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи с высокой плотностью энергии позволяет не только обеспечить экологичный и экономичный разгон глиссирующего судна, в том числе судна с подводными крыльями, но и улучшить эксплуатационные и эколого-экономические показатели подобных быстроходных судов в целом.