РОТОРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СУДОВАЯ УСТАНОВКА
ROTOR POWER SHIPBOARD PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым энергетическим установкам для надводных и подводных плавсредств. Возможно его применение в качестве силовой или насосной установки, в частности, на стационарных или временных регазификационных терминалах.
Уровень техники
Наиболее эффективна роторная энергетическая судовая установка для газовозов с учетом заправки топливом в местах добычи газа, использования давления для вращения роторов в процессе перехода из емкости с высоким давлением в емкость с низким давлением и утилизации испаряющегося в процессе транспортировки сжиженного природного газа.
Известны энергетические установки для надводных и подводных судов. Это главные двигатели, обеспечивающие движение судна и вспомогательные судовые двигатели для привода электрогенераторов, насосов, вентиляторов.
Самый распространенный вариант судового двигателя - внутреннее сгорание топлива. Для маломерных судов это в основном бензиновый двигатель, а для крупнотоннажных - дизель. Для маломерных судов чаще применяется забортный (подвесной) мотор, а для подводных и крупнотоннажных надводных плавательных средств используются только стационарные энергетические установки внутри судна: дизель-генераторные агрегаты, газотурбинные двигатели, атомные реакторы.
Основными недостатками известных забортных моторов являются: их применение только для маломерных судов, высокий расход топлива, большая удельная масса, Z-образная передача, вибрация, экологические и шумовые параметры.
Основными недостатками известных стационарных судовых двигателей являются: большой объем, необходимый для размещения тяжелых энергетических установок внутри корпуса, высокий расход топлива, ограниченное количество гребных винтов и, соответственно, их большие габариты, что усложняет ремонт и замену особенно в походных условиях, сложность реверсирования, а для газовозов к тому же чрезвычайная капиталоемкость.
Применение только испаряющегося газа как топлива в известных главных двигателях для газовозов невозможно из-за неравномерного его испарения, зависящего от многих факторов: эффективности теплоизоляции, формы, объема, конструкции и степени заполнения грузовых танков, характеристик устойчивости и качки судна, погодных условий. Поэтому для равномерной подачи газа в ДВС необходимо сбрасывать в атмосферу лишний газообразный метан или его недостаток восполнять обычным нефтяным топливом. В связи с этим энергетические установки современных метановозов приспосабливаются для работы на двух видах топлив. К числу таких установок, которые наиболее просто могут быть переоборудованы для работы на природном газе и жидком топливе, относятся газодизели (RU 2413854) с системой регулирования топливоподачи, имеющие вышеописанные недостатки, присущие стационарным энергетическим установкам, располагающимся внутри корпуса судна.
Известна также расширительная машина (RU 2319840), содержащая корпус высокого давления (КВД) с впускным патрубком для подачи газа высокого давления и корпус низкого давления (КНД) с выпускным патрубком для выхода отработанного газа низкого давления, ведущий и ведомый роторы, параллельно установленные в попарно размещенных в КВД и КНД подшипниках, связанные между собой при помощи синхронизирующих шестерен. Основным недостатком расширительной машины является сложность конструкции, обусловленная винтовыми зубьями, разгрузочными поршнями, соосными центрирующими поясками.
Известны также пропульсивные установки с расположенными в воде электродвигателями с движительно-рулевым комплексом и поворотными устройствами Патенты: RU 2267441, RU №2270782, RU 2544250.
Основными недостатками являются: расположение главного двигателя внутри корпуса, соответственно, и низкий КПД, связанный с потерями на передачу энергии по кабелям, и повышенный в сравнении с тихоходными дизелями расход топлива средне- и высокооборотных, ограниченное количество гребных винтов, достаточно объемная гондола, соединенная с корпусом только в кормовой части судна, а если электродвигатель расположен не в гондоле, а встроен в вертикальную поворотную колонну и приводит винт через короткий вал и угловую передачу, то это усложняет конструкцию.
Для устранения указанных недостатков и перспективных технических решений в основу роторной энергетической судовой установки положен роторный двигатель, получивший приоритет по Международной системе PCT. Патент Германии №212009000072.8, патент Чехии № CZ 22533U1 - прототип. Патентообладатель Панченко Владимир Митрофанович является и автором предлагаемого изобретения. Принцип работы прототипа на http://www.dvijitelipanchenko.ru/.
Основными недостатками этого двигателя являются: затруднения с запуском двигателя, нестабильность работы односекционного двигателя и процесс обеспечения синхронности вращения валов в противоположных направлениях шестеренной парой. Для запуска двигателя, преодоления мертвых точек и равномерности вращения роторов требуется маховик, а для синхронизации вращения валов требуются две шестерни с диаметрами, равными диаметрам роторов, что создает определенные трудности при больших габаритах забортного судового двигателя.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании главного судового двигателя с высоким КПД и большой удельной мощностью с улучшенными массогабаритными показателями при расположении ее в воде за пределами корпуса, что позволяет:
- использовать освободившийся объем внутренних помещений для перевозки грузов,
- уменьшить себестоимость энергетической установки при повышении ее надежности в эксплуатации за счет простоты конструкции, сведения к минимуму количества движущихся элементов,
- упростить систему охлаждения, так как корпус главного двигателя будет охлаждаться обтекающей его водой,
- увеличить количество гребных винтов при уменьшении их габаритов,
- улучшить экологические характеристики, связанные с переходом на газ, его полной утилизацией и более продолжительным временем сгорания топлива при внешней подаче рабочего тела,
- ускорить процесс торможения судна и включения заднего хода:
переключением с помощью коллектора на противоположные направления каналов подачи и выхода рабочего тела, изменяющих на противоположное направление вращения роторов соответственно валов и гребных винтов, а также подключением соосных роторных секций, вращающих гребные винты в противоположных направлениях, отключенных на время движения вперед прекращением подачи рабочего тела через запорно-регулировочные устройства и погружением в воду резервной пропульсивной установки 34 на Фиг. 6,
- увеличить маневренность с помощью выключения пропульсивных установок с одного борта при увеличении количества оборотов с другого борта,
- осуществлять удифферентовку и облегчить снятие с мели с помощью изменения углов наклона пропульсивной установки,
- ускорить аварийные ремонтные работы, особенно связанные с гребными винтами при подъеме пропульсивной установки из воды,
- сократить удельный расход топлива за счет увеличения рабочего хода ротора по сравнению с поршнем по меньшей мере в три раза, уменьшения количества движущихся элементов и приводных устройств, утилизации испаряющегося газа в процессе транспортировки, использования давления газа при переходе из емкости с большим давлением в емкость с низким давлением, возможности использования ветровой энергии,
- и в конечном счете уменьшить удельную стоимость грузоперевозок, снизить капиталоемкость.
Предлагаемая забортная энергетическая установка легко поддается автоматизации, обусловленной простотой конструкции с минимумом движущихся деталей.
Технический результат достигается за счет:
- размещения главного двигателя в качестве пропульсивной установки за пределами корпуса судна с возможностью подъема из воды, изменения глубины погружения и угла наклона относительно корпуса в походных условиях известными способами: с помощью манипуляторов, домкратов, гидравлических машин, реечных механизмов, редукторов. Учитывая многообразие известных способов, чертежи не приводятся и в патентную форму не включаются. На фиг. 6 показаны предпочтительные варианты.
- использования перехода давления из емкости с высоким давлением в емкость с низким давлением для вращения роторов,
- полной утилизации газа, испаряющегося в процессе транспортировки сжиженного газа;
- аккумуляции энергии ветра в емкостях, освобождающихся от газа.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества предлагаемого изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного устройства с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид системы работы роторной энергетической судовой установки.
Фиг. 2 - роторная секция при давлении рабочего тела на выступы.
Фиг. 3 - переход рабочего тела в следующую секцию в момент мертвой точки в первой секции.
Фиг. 4 - переход рабочего тела в следующую секцию в момент мертвой точки в первой секции с гребными винтами.
Фиг. 5 - роторная секция при давлении рабочего тела на выступы с гребными винтами.
Фиг. 6 - предпочтительные способы крепления, подъема из воды и изменения углов наклона.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - емкость высокого давления; 2 - запорно-регулировочная арматура; 3 - фланцы; 4 - канал подачи рабочего тела; 5 - корпус; 6 - ротор; 7 - вал; 8 - канал выхода отработавших газов; 9 - рабочая камера; 10 - выступы (элементы, образующие рабочую камеру); 11 - впадины; 12 - вал; 13 - канал перехода рабочего тела из одной секции в другую; 14 - емкость для накопления испаряющегося газа; 15 - запорно-регулировочное устройство; 16 - емкость низкого давления; 17 - запорно-регулировочное устройство с редуктором; 18 - камера внешнего сгорания; 19 - сопло; 20, 21, 23 - запорно-регулировочное устройство; 22 - канал для перехода рабочего тела; 24, 25 - гребные винты, 26 - крепления с каналами подачи рабочего тела, 27, 29, 31, 34 - главный роторный двигатель-пропульсивная установка, 28 - корпус плавсредства, 30 - механизм подъема двигателя (редукторы); 32 - место крепления двигателя манипулятором, 33 - манипулятор.
Раскрытие изобретения
Устройство работает следующим образом
На Фиг. 1 газ из емкости 1 с высоким давлением через запорно-регулировочную арматуру 2 и трубопровод между фланцами 3 направляется по каналу 4 корпуса 5 в рабочую камеру 9 первичной секции. Под давлением на рабочие элементы 10 вращаются роторы 6 и 24 в противоположных направлениях, а соответственно, и валы 7 и 12, на которых смонтированы роторы. Валы являются приводами для генераторов, компрессоров, вентиляторов.
Рабочими элементами являются выступы. В процессе вращения они входят в углубления (впадины) 11 другого ротора соответствующей конфигурации, обеспечивая беспрепятственное вращение роторов. В момент совмещения выступов и впадин газ из емкости 1 направляется в следующую роторную секцию, в которой выступы и впадины находятся со смещением по оси вращения на угол, обеспечивающий равномерность вращения валов в зависимости от количества секций.
Выступ желательно выполнять в форме эвольвентного зуба. Под каналами подразумеваются трубы, гибкие шланги, а также пустоты в корпусе, перегородках, креплениях, стойках. Как правило, каналы имеют цилиндрическую форму.
Таким образом, газ вращает выступы до совмещения с выемками (Фиг. 3, Фиг. 4) и переходит в следующую секцию, где выступы воспринимают его давление, обеспечивая вращение роторов (Фиг. 2, Фиг. 5). При совмещении выступов и впадин во второй секции газ переходит в емкость 16. В емкость 16 поступает также испаряющийся газ из резервуаров со сжиженным газом.
3
3
Испарение составляет до 0,2 процента в сутки от объема перевозимого сжиженного газа. Типовой СПГ-танкер (метановоз) может перевозить 145-155 тыс. м сжиженного газа, из чего может быть получено порядка 89-95 млн. м природного газа в результате регазификации. Таким образом, испаряющийся газ является основным источником энергии для предлагаемого устройства при транспортировке сжиженного газа.
С помощью известных запорно-регулировочных устройств (обратных клапанов, редукторов) 15 и 21 уравновешивается давление в емкости 16. Из емкости 16 через запорно-регулировочное устройство 17 газ поступает в камеру внешнего сгорания 18 или паровой котел (на чертеже не показан).
Регулирование частоты вращения и искрообразование осуществляет известная система управления газовым двигателем. Данная система осуществляет функции аварийно-предупредительной сигнализации газового двигателя, открывает и закрывает в нужный момент электромагнитный топливный клапан при пуске и остановке двигателя. Сайт ООО "ЭНЕРГОГАЗТЕХНОЛОГИЯ".
При недостатке давления в емкости 1 для вращения ротора в первичной секции рабочее тело из камеры внешнего сгорания 18 или парового котла через запорно-регулировочные устройства 20 и 21 по каналам направляется в первичную роторную секцию.
Необходимое давление с переключением на источники поступления газа через каналы обеспечивается известными способами через запорно-регулировочные устройства в автоматическом или электронном режимах с возможностью механического воздействия. Обратные клапаны регулируют направление движения рабочего тела по каналам. Под каналом понимаются известные выточки, трубы, шланги с отводами и разветвлениями из материалов, выдерживающих соответствующее давление и температуру. Запорно-регулировочные устройства включают редукторы, задвижки, вентиля, манометры, обратные клапаны.
Вышеописанная вспомогательная энергетическая установка и система внешней подачи рабочего тела находится в корпусе судна.
Из камеры внешнего сгорания газ или из парового котла пар направляется в секции главного двигателя (пропульсивную установку), находящиеся в воде за пределами корпуса, где процесс соответствует рабочему циклу, описанному при поступлении давления из емкости 1. При этом валы вращают гребные винты 24, 25.
Отработавшее рабочее тело через сопло 19 можно использовать в качестве дополнительной толкательной силы существенной для маломерных судов.
Роторная энергетическая судовая установка состоит из вспомогательного двигателя, размещенного внутри корпуса, и, по меньшей мере, из двух главных роторных двигателей, расположенных за пределами корпуса плавсредства.
Каждая роторная секция как основной элемент главного и вспомогательного двигателя содержит корпус с двумя внутренними смежными цилиндрическими расточками, в которых два ротора от давления рабочего тела на их выступы обеспечивают вращение валов, на которых они смонтированы.
При сближении выступов с впадинами давление на их стенки прекращается (мертвая точка) и рабочее тело свободно выходит из рабочей камеры. В целях преодоления мертвой точки без маховика и увеличения КПД рабочее тело по каналу направляется в другую секцию, расположенную через перегородку, в которой выступы и впадины роторов воспринимают давление рабочего тела, т.к. смещены по оси вращения.
Угол смещения рассчитывается с учетом максимального использования рабочего тела при прохождении мертвой точки с учетом количества проектируемых последовательных секций. При двух секциях смещение диаметрально противоположное, при трех секциях смещение на одну треть окружности. Для каждой группы секций рабочее тело поступает по обособленному каналу. Регулирование направления и объема подачи рабочего тела в секции производится известными способами с помощью коллектора или задвижек, вентилей, клапанов, шиберов.
Сгруппированные роторные секции могут содержаться в одном корпусе на параллельных валах через перегородки или в нескольких корпусах с соосным расположением валов, последовательно соединяемых и разъединяемых механическим, электромагнитным и другими известными способами с помощью муфт, храповиков, фрикционов, сателлитов, дифференциалов, обеспечивающими быстрое и надежное соединение и разъединение в походных условиях. Учитывая многообразие известных способов соосных соединений, чертежи не приводятся и в патентную формулу не включаются.
При количестве роторных секций больше шести, при соответствующем расчете модуля и параметра эвольвентного зуба ротора отпадает необходимость процесса синхронизации вращения валов в противоположных направлениях. Выход пар зубьев одной роторной секции будет компенсироваться зацепом пар зубьев другой секции для плавного и надежного зацепления, и т.д. по принципу цилиндрического зубчатого колеса.
Не исключается и параллельное расположение секций, вращение валов которых синхронизируется с помощью шестерен, цепей, шкивов и другими известными способами. Учитывая многообразие известных способов параллельных соединений, чертежи также не приводятся и в патентную формулу не включаются.
При размещении сгруппированных роторных секций в одном корпусе 27, 31, 34 уменьшается удельная металлоемкость и габариты, исключается вибрация. А при многокорпусном соосном варианте 29 облегчается запуск двигателя и синхронизации режимов работы силовой установки, увеличивается маневренность, облегчается процесс изменения положения пропульсивной установки относительно корпуса судна с учетом подъема из воды для осуществления ремонтных работ и замены секций в походных условиях.
Соединение и разъединение роторных секций осуществляется с помощью манипуляторов 33 (Фиг. 6). Монтаж главного двигателя 27, 29 к корпусу судна 28 на подготовленные соединения 32 с каналами подачи рабочего тела 26 с учетом глубины погружения, изменение углов наклона, соединение и разъединение роторных секций производится также манипулятором 33, который используется для выполнения погрузочных и разгрузочных работ.
Возможно размещение главного двигателя за пределами корпуса с изменением его положения в походных условиях и другими способами. В частности, с применением гидромоторов по аналогии с известными пропульсивными установками, домкратов, реечных механизмов, полиспастов, редукторов. Учитывая многообразие известных вариантов подъема и изменения углов наклона, они в патентную формулу не включаются, а на Фиг. 6 показаны предпочтительные способы 30 подъема из воды и изменения углов наклона главного двигателя 31, 34. В частности, резервная пропульсивная установка 34 с гребными винтами, обеспечивающими противоположное движение, может опускаться в воду только в случаях необходимости включения заднего хода, торможения, снятия с мели, в ледовой обстановке и в других экстренных ситуациях.
Секция роторной энергетической судовой установки может выполнять функции насоса-компрессора. Для преобразования роторной секции двигателя в насос-компрессор достаточно отключить систему подачи рабочего тела с помощью запорно-регулировочного устройства и обеспечить свободное поступление воды или воздуха в роторную секцию, подключив гибкий шланг к месту выхода отработавшего рабочего тела. С помощью гибкого шланга вода или воздух соответственно подается к месту потребления. Другие роторные секции в соосном исполнении являются приводом насоса. Привод осуществляется непосредственно с помощью разъемных муфт, шестерен, шкивов или через редукторы.
Предлагаемая роторная энергетическая судовая установка предназначена для коренного изменения традиционной системы функционирования энергетических установок надводных и подводных судов, в частности газовозов.
Основным источником энергии для роторной энергетической судовой установки является газ, но установка может работать от внешнего сгорания иного топлива, в частности традиционного дизельного или мазута, в камере внешнего сгорания или топке парового котла, а также от преобразования ветровой энергии с аккумуляцией сжатого воздуха в ресиверах и емкостях, освободившихся от газа. Для этого требуется дополнительное оборудование. В частности, для использования энергии ветра требуется ветряная установка. Ветряная установка, являясь генератором электрической энергии, одновременно закачивает воздух в емкости, освобождающиеся от газа с последующим использованием сжатого воздуха в безветренную погоду. Таким образом, экономится газ и частично уравновешивается балансировка груза.
На валах различной длины спереди и сзади забортной силовой установки монтируются гребные винты соответственно правостороннего и левостороннего вращения. При этом на коротком валу монтируются гребные винты, диаметр которых меньше расстояния между валами, а на длинном валу монтируются гребные винты с расчетным диаметром, обеспечивающим необходимое скоростное движение конкретного плавсредства. Разная длина валов обеспечивает беспрепятственное вращение гребных винтов без синхронизации с возможностью редуцирования.
Главный двигатель-пропульсивная установка для всех известных судов располагается за кормой и (или) вдоль бортов, под килем, в носовой части с возможностью изменения места расположения, глубины погружения, изменения горизонтального и вертикального положения, а также подъема из воды в походных условиях, что очень важно в ледовой обстановке, при шлюзовании, для снятия с мели.
Первоначальный монтаж пропульсивной установки производится при строительстве судов с учетом мест и способов крепления, системы подачи рабочего тела, методов изменения положения главного двигателя относительно корпуса судна.
Расчетное количество роторных секций энергетической установки определяется с учетом назначения судна, водоизмещения и скоростного режима.
Возможность подъема роторного судового двигателя над поверхностью воды позволяет изменять габариты плавсредства, быстро производить ремонт и замену как гребных винтов, так и роторных секций. Учитывая многообразие известных вариантов компоновки и способов закрепления, чертежи и схемы не прилагаются, а показан только процесс работы роторных секций.
Роторную энергетическую судовую установку можно изготовить в любом промышленном предприятии, располагающем соответствующим оборудованием, а монтаж на плавательные средства производить на судостроительных и судоремонтных предприятиях.
При этом роторный судовой двигатель в забортном варианте на первоначальном этапе апробации целесообразно устанавливать на существующих судах с последующим демонтажем стационарной энергетической установки. На вновь строящихся судах главные роторные судовые двигатели устанавливаются за пределами корпуса с использованием одного или нескольких вариантов возможного изменения их положения относительно корпуса. Вспомогательная роторная энергетическая установка размещается внутри корпуса с учетом использования имеющихся мест крепления в качестве приводного устройства для запроектированного оборудования.
Изготовлены два прототипа РОТОРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СУДОВОЙ УСТАНОВКИ http://dvijitelipanchenko.ru