СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
SHIP ENGINE, PRIMARILY, ELECTRIC MOTOR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области судостроения, в частности, к системам водяного охлаждения судовых энергетических установок.
Известна полезная модель «Устройство охлаждения судового дизельного двигателя» по патенту РФ №152215 с приоритетом от 06.10.2014 г., МПК В63Н 21/14, 21/38, F01P 5/10, опубликовано 10.05.2015 г.
Указанное устройство охлаждения судового дизельного двигателя содержит открытый контур забортной воды и замкнутый контур охлаждения наддувочного воздуха и масла.
Открытый контур забортной воды в свою очередь содержит насос забортной воды самовсасывающего типа, трубопроводы подачи и слива забортной воды, теплообменник забортной воды, а замкнутый контур охлаждения наддувочного воздуха и масла содержит теплообменник. Устройство охлаждения также содержит расширительный бак, разделенный перегородкой на две изолированные полости: одна полость предназначена для соединения с замкнутым контуром охлаждения дизельного двигателя, другая - для соединения с замкнутым контуром охлаждения наддувочного воздуха и масла. Насос забортной воды через трубопровод подает забортную воду в теплообменник забортной воды. Теплообменник забортной воды выполнен разделенным на четыре изолированных отсека. Крайние отсеки соединены входом - выходом при помощи трубопроводов с соответствующими замкнутыми контурами, а два отсека, находящиеся между ними, соединены с трубопроводами подачи и слива забортной воды. Забортной водой, находящейся в теплообменнике, отводят тепло от охлаждающей жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре охлаждения дизельного двигателя, и замкнутом контуре охлаждения наддувочного воздуха и масла, а затем сливают за борт по трубопроводу. Если охлаждающая жидкость контуров не превышает заданную температуру и не требует охлаждения, то поступает в дизельный двигатель, теплообменники через термостаты, минуя теплообменник. В расширительном баке происходит компенсация давления охлаждающей жидкости при ее нагревании или охлаждении в замкнутых контурах охлаждения дизельного двигателя и наддувочного воздуха и масла.
Помимо систем охлаждения дизельных энергетических установок, используемых в судостроении, известны также решения, характеризующие охлаждение электрических машин посредством охлаждающих жидкостей, циркулирующих по трубопроводам, введенным в конструкцию электромашин.
Например, известна полезная модель «Рубашка охлаждения статора электромашины», описанная в патенте РФ №169095 с приоритетом от 30.09.2016 г., МПК Н02К 9/16, опубликовано 03.03.2017 г.
Рубашка охлаждения статора электромашины выполнена в виде спирального трубчатого элемента с патрубками входа и выхода охлаждающей жидкости и установлена между статором и корпусом электромашины. Спиральный трубчатый элемент выполнен таким образом, что между витками одной спиральной ветви с входным патрубком размещены витки второй ветви с выходным патрубком, при этом обе ветви гидравлически соединены между собой с противоположного патрубкам торца. В рубашке охлаждения статора электромашины посредством входного патрубка и выходного патрубка создается проток теплоносителя. В качестве теплоносителя используется, например, вода с добавлением антикоррозионных агентов. По мере движения по трубчатой рубашке теплоноситель забирает тепло статора электрической машины и нагревается. При этом за счет встречного расположения звеньев ветвей, средняя температура теплообменника стремится по всей длине к равновесному значению, чем обеспечивается равномерное понижение температуры по всей длине статора.
Известен патент РФ №2631677 на изобретение «Система и способ охлаждения электродвигателя» с приоритетом от 10.04.2012 г., МПК Н02К 9/19, Н02К 19/06, Н02К 5/20, опубликовано 26.09.2017 г.
Согласно изобретению корпус электродвигателя снабжен наружной и внутренней оболочками, между которыми расположен канал для охлаждающей жидкости, который имеет впускное и выпускное отверстия. Внутренняя оболочка корпуса имеет отверстие для обеспечения возможности прохода воздуха из воздушного канала в роторе электродвигателя вдоль второго воздушного канала, который проходит между внутренней и наружной оболочками корпуса, поперечно каналу для охлаждающей жидкости, каждое из которых проходит через наружную оболочку и второй воздушный канал.
Известен патент РФ №2369519 на изобретение «Электрическое моторное судно с охлаждением окружающей водой» с приоритетом от 07.10.2005 г., МПК В63В 35/74, В63Н 21/17, Н01М 10/50, опубликовано 10.10.2009 г.
Изобретение касается моторного судна, с проходящим в корпусе судна проточным каналом, с гребным винтом, приводимым в движение электромотором. Проточный канал начинается входным отверстием в области носа корпуса судна и заканчивается выходным отверстием в области кормы корпуса судна, при этом подводный приводной блок установлен в проточном канале в виде толкающего и всасывающего устройства. Электромотор, батареи, прибор управления электромотором и гребной винт размещены в проточном канале. Батареи установлены в водонепроницаемом кожухе и на отдельных участках находятся в теплопроводном контакте с кожухом, причем кожух частично состоит из теплопроводного материала и находится в контакте с протекающей водой. Эффективному охлаждению способствует большой объемный поток охлаждающей воды.
Описанные системы охлаждения двигателей сложны конструктивно. Кроме того, в них отсутствует возможность регулирования теплового состояния судового двигателя.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является полезная модель «Система охлаждения судового двигателя», описанная в патенте РФ №183697 с приоритетом от 10.11.2017 г., МПК B63J 2/12, F01P7/16, опубликовано 01.10.2018 г. (прототип).
Система охлаждения судового двигателя содержит внутренний контур пресной воды для непосредственного охлаждения судового двигателя и внешний контур забортной воды, поддерживающий с помощью холодильника (теплообменника) необходимую температуру пресной воды во внутреннем контуре. При этом во внутренний контур включен циркуляционный насос пресной воды, датчик температуры на выходе судового двигателя и расширительный бак. Внешний контур содержит соединенные последовательно приемные и сливные трубопроводы, навешенный циркуляционный насос забортной воды, установленный на крепежной раме и связанный механическим приводом с валом судового двигателя посредством муфты скольжения, которая установлена на раме между навешенным насосом забортной воды и судовым двигателем, управляется электронным блоком управления и соединена с валом судового двигателя и с валом насоса забортной воды фланцевыми соединениями. Датчик температуры установлен во внутренний контур пресной воды и подключен к электронному блоку управления, который на основании сигналов от датчика температуры, регулирует частоту вращения навешенного циркуляционного насоса забортной воды. Управляемая муфта скольжения автоматически поддерживает необходимую температуру пресной воды на выходе из двигателя за счет изменения скорости прохождения забортной холодной воды навешенным насосом забортной воды через теплообменник при постоянной частоте вращения вала судового двигателя.
Если блок управления не подает сигнал на управляемую муфту скольжения, она полностью включена и рабочее колесо навешенного циркуляционного насоса забортной воды вращается с частотой вращения вала судового двигателя. При максимальной температуре пресной воды 85°С на выходе из судового двигателя управляемая муфта работает с минимальным скольжением. При падении температуры двигателя и, соответственно, температуры пресной воды во внутреннем контуре ниже 70°С управляемая муфта работает с максимальным скольжением.
В данной системе охлаждения регулирование теплового состояния судового двигателя производится с помощью изменения скорости подачи забортной воды путем изменения частоты вращения навешенного насоса при неизменной частоте вращения коленчатого вала судового двигателя. Регулирование температуры осуществляется механически с помощью управляемой муфты скольжения, определяющей интенсивность циркуляции в контуре охлаждения. Управляемая муфта начинает работать с минимальным скольжением при максимальной температуре пресной воды 85°С на выходе из судового двигателя. Минимальная температура пресной воды на выходе из двигателя 70°С. При падении температуры двигателя ниже 70°С управляемая муфта работает с максимальным скольжением. Такой режим работы характерен для двигателей внутреннего сгорания, на КПД которых оказывает влияние тепловой режим работы двигателя в зависимости от характеристик используемого топлива, стабильности тепловых зазоров и т.д. Поддержание температуры двигателя в диапазоне от 70°С до 85°С сопровождается постоянным отбором мощности на систему охлаждения, что способствует износу двигателя.
С появлением новых типов высокоэффективных электрических машин встает вопрос их охлаждения в целях повышения КПД.
Известны способы охлаждения электрических машин с помощью охлаждающих жидкостей, циркулирующих по трубопроводам, внедренным в конструкцию электромашин. При этом отбор тепла охлаждающей жидкости осуществляется с помощью воздушного радиатора-теплообменника, в свою очередь охлаждаемого набегающим потоком воздуха, либо с помощью принудительного вентилятора. Как правило, подобные системы способны охладить обмотки статора только до температуры +80°С.
Задачей заявляемого технического решения является создание системы охлаждения судового двигателя, преимущественно электрического, позволяющей понизить температуру двигателя до уровня температуры забортной воды, которая редко превышает +25°, что позволяет улучшить его тепловой баланс, повысить эффективную мощность и обеспечить надежную работу двигателя в течение длительного времени.
Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения судового двигателя, которая содержит внутренний охлаждающий контур пресной воды для непосредственного охлаждения судового двигателя, внешний контур забортной воды, датчик температуры судового двигателя и блок управления, при этом внутренний контур содержит трубопровод пресной воды, циркуляционный насос пресной воды и расширительный бак; а внешний контур содержит соединенные последовательно приемные и сливные трубопроводы, циркуляционный насос забортной воды, теплообменник, причем датчик температуры двигателя соединен с блоком управления, согласно изобретению датчик температуры двигателя через блок управления соединен с циркуляционным насосом пресной воды внутреннего контура и насосом забортной воды внешнего контура, а теплообменник выполнен водоводяным.
Во внутреннем контуре с помощью циркуляционного насоса совершается замкнутый оборот пресной воды, непосредственно охлаждающей судовой двигатель. Расширительный бак служит для компенсации перепадов давления за счет теплового расширения пресной воды во внутреннем контуре.
В заявляемой системе использован водоводяной теплообменник, представляющий собой емкость, внутри которой проходит часть трубопровода внутреннего контура (например, в виде змеевика или спирали), причем емкость выполнена с возможностью прокачки через нее забортной воды, омывающей часть трубопровода внутреннего контура, погруженного в емкость теплообменника.
Во внешнем контуре с помощью другого циркуляционного насоса, приемных и сливных трубопроводов, снабженных фитингами на днище судна ниже ватерлинии, через емкость водоводяного теплообменника прокачивается забортная вода.
Датчик температуры установлен не во внутреннем контуре, как в прототипе, для измерения температуры пресной воды, а установлен внутри судового двигателя, например, для электродвигателя - внутри статора рядом с обмоткой, для измерения температуры самого двигателя.
В случае, когда судовой двигатель абсолютно холодный (при малой мощности) циркуляционный насос пресной воды внутреннего контура и циркуляционный насос забортной воды внешнего контура не работают. При увеличении мощности двигателя и, соответственно, повышении его температуры, сигнал с датчика температуры поступает на блок управления, по команде с которого включается циркуляционный насос внутреннего контура и начинается охлаждение двигателя за счет теплоемкости циркулирующей в нем пресной воды. Если температура судового двигателя продолжает повышаться, блок управления подключает циркуляционный насос забортной воды внешнего контура. При этом более холодная забортная вода, циркулирующая во внешнем контуре через емкость теплообменника, охлаждает пресную воду, циркулирующую во внутреннем контуре, охлаждающую непосредственно судовой двигатель.
Блок управления в зависимости от температуры двигателя регулирует интенсивность работы обоих циркуляционных насосов, что снижает общее время их работы и повышается ресурс всей системы охлаждения.
В заявляемой системе охлаждения отсутствуют механические связи между циркуляционными насосами и судовым двигателем, что позволяет располагать насосы в любых удобных местах, образуя компактную систему.
Заявляемая система охлаждения, в отличие от прототипа, не поддерживает стабильную температуру двигателя, а обеспечивает температуру его работы на уровне температуры забортной воды, которая редко превышает +25°С, что особенно важно для судовых электродвигателей.
В частном случае выполнения система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, дополнительно содержит во внешнем контуре на входе приемного трубопровода датчик температуры забортной воды, соединенный с блоком управления. В зависимости от показаний этого датчика, блок управления меняет интенсивность работы насоса забортной воды: чем холоднее забортная вода, тем меньше работает насос.
В частном случае выполнения система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, позволяет все элементы внешнего контура забортной воды расположить внутри судна, что положительно влияет на надежную работу двигателя.
Таким образом, заявляемая система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, характеризующаяся совокупностью указанных существенных признаков, позволяет понизить температуру двигателя до уровня температуры забортной воды, что позволяет повысить эффективную мощность и обеспечить надежную работу двигателя в течение длительного времени.
Заявляемое изобретение иллюстрируется представленной на чертеже (фиг.) схемой системы охлаждения судового двигателя.
Система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, в общем случае выполнения содержит внутренний контур для непосредственного охлаждения судового двигателя 1, включающий трубопровод 2 пресной воды, циркуляционный насос 3 пресной воды и расширительный бак 4; содержит датчик температуры 5 двигателя 1, содержит внешний контур, включающий соединенные последовательно приемные и сливные трубопроводы 6, 7 с фитингами на входе и выходе, водоводяной теплообменник 8 и циркуляционный насос 9 забортной воды; а также - блок управления 10, причем датчик температуры 5 через блок управления 10 соединен с насосом 3 пресной воды внутреннего контура и с насосом 9 забортной воды внешнего контура.
В частном случае выполнения система охлаждения двигателя имеет те же элементы, что и в общем случае, и дополнительно содержит на входе приемного трубопровода 6, перед насосом 9 внешнего контура, датчик 11 температуры забортной воды, соединенный с блоком управления 10.
При этом, в частности, все элементы внешнего контура забортной воды могут быть установлены внутри судна.
Заявляемая система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, работает следующим образом.
В тех случаях, когда судовой двигатель 1 холодный (при малой мощности) циркуляционный насос 3 пресной воды внутреннего контура и циркуляционный насос 9 забортной воды внешнего контура не работают. При увеличении мощности двигателя 1 и, соответственно, повышении его температуры, сигнал с датчика температуры 5 поступает на блок управления 10, по команде с которого включается насос 3 внутреннего контура, пресная вода начинает циркулировать по трубопроводам 2 замкнутого внутреннего контура и охлаждает двигатель 1 за счет своей теплоемкости.
При этом в расширительном баке 4 происходит компенсация перепадов давления, вызванная тепловым расширением пресной воды во внутреннем контуре.
При дальнейшем повышении температуры судового двигателя 1, блок управления 10 подключает насос 9 забортной воды, с помощью которого осуществляется циркуляция забортной воды во внешнем контуре по соединенным последовательно приемным и сливным трубопроводам 6, 7 с фитингами на входе и выходе. При этом забортная вода по приемному трубопроводу 6 поступает в емкость водоводяного теплообменника 8, омывает погруженную в нее часть трубопровода 2 внутреннего контура, например, в виде змеевика или спирали, с циркулирующей в нем с помощью насоса 3 пресной водой, затем выходит из теплообменника 8 и по сливному трубопроводу 7 сливается за борт.
В результате более холодная забортная вода, циркулирующая во внешнем контуре через емкость теплообменника 8, охлаждает пресную воду, циркулирующую во внутреннем контуре, охлаждающую непосредственно судовой двигатель 1.
В частном случае выполнения, когда система охлаждения дополнительно содержит датчик 11 температуры забортной воды на входе приемного трубопровода 6, перед насосом 9 внешнего контура, который соединен с блоком управления 10, система работает также, как и в общем случае, за исключением того, что в зависимости от показаний этого датчика 11, блок управления 10 меняет интенсивность работы насоса 9 забортной воды: чем холоднее забортная вода, тем меньше работает насос 9.
Таким образом блок управления 10 по мере необходимости регулирует интенсивность работы обоих циркуляционных насосов 3 и 9 по выбранным алгоритмам в зависимости от температуры двигателя 1 и температуры забортной воды.
При этом, в частности, все элементы внешнего контура забортной воды, включая насос 9 и датчик 11, могут быть установлены внутри судна.
Заявляемая система охлаждения судового двигателя, преимущественно электродвигателя, может быть изготовлена и собрана из готовых составных частей, блоков, узлов с использованием известных материалов, крепежа и технологий.
Так, для судового электродвигателя 1 типа ДВИТ 300 система охлаждения может быть собрана, например, из следующих блоков и частей.
В качестве трубопроводов 2 охлаждающей жидкости могут быть использованы, например, трубы медные с внутренним диаметром 10 мм.
В качестве циркуляционного насоса 3 охлаждающей жидкости может быть использован, например, насос типа Jabsco V-FLO 5.0.
В качестве расширительного бака 4 может быть использован, например, любой автомобильный расширительный бачок с объемом не менее 5 литров.
В качестве датчика температуры 5 на судовом двигателе может быть использован, например, датчик STP-1X 1/8''-27NPT или Autonics TW-V.
В качестве приемных и сливных трубопроводов 6, 7 забортной воды могут быть использованы, например, трубы медные или ПНД с внутренним диаметром не менее 1''.
В качестве циркуляционного насоса 9 забортной воды может быть использован, например, насос типа Jabsco V-FLO 5.0.
В качестве водоводяного теплообменника 8 может быть использован, например, холодильник VOLVO-PENTA D4/D6.
В качестве датчика 11 температуры забортной воды, может быть использован, например, датчик STP-1X 1/8''-27NPT или Autonics TW-V.
В качестве блока управления 10 может быть использован, например, термоконтроллер типа Autonics T4WM.