ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГРЕБНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК B63H23/24 

Предлагаемое изобретение относится к судовым малогабаритным гребным электрическим установкам, обеспечивающим экономичные режимы движения. Установка может быть применена на любых типах кораблей, судов и подводных аппаратов.

Известна гребная энергетическая установка (ГЭУ) (например, построенного в 2007 г. фрегата типа 45, ВМС Великобритании см. www.onr.navy.mil/t45), содержащая электростанцию с главным турбогенераторным агрегатом, питающим через преобразователь частоты напряжения гребной электродвигатель (ГЭД) большой мощности, вал которого соединен непосредственно с гребным валом, на котором закреплен гребной винт, обеспечивающая движение судна во всем диапазоне скоростей (так называемая ГЭУ с полным электродвижением). Максимальная частота вращения гребных винтов лежит обычно в диапазоне 100-250 об/мин, поэтому гребной электродвигатель должен быть низкооборотным и развивать большой момент.

Недостатком такой установки является большая масса и объем электроэнергетического оборудования, особенно ГЭД. Так, ГЭД мощностью 40 МВт, при частоте вращения линии вала 150 об/мин имеет массу около 400 т и габариты: длина 10 м при диаметре около 7 м. Преобразователь частоты напряжения на полную мощность также имеет довольно большую массу и объем (например, преобразователь мощностью 20000 кВт состоит из линейки электрошкафов высотой 2 м, глубиной 0,8 м и общей длиной 14 м). Массогабаритные характеристики оборудования ГЭУ в 1,5-2 раза хуже, чем у традиционной энергетической установки с механической передачей энергии от первичного двигателя (турбины, дизеля) на гребной вал через главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА).

Известна также ГЭУ с полным электродвижением (прототип) - гребная установка буксира-толкателя «Клермонт», ВМС США (см. «Гребные электрические установки». Л., «Судостроение», 1985 г.), где ГЭД приводит во вращение гребной винт через постоянно включенный понижающий редуктор. Высокооборотный гребной электродвигатель с редуктором имеет существенно лучшие массогабаритные характеристики, чем прямодействующий низкооборотный ГЭД той же мощности. Однако постоянно включенный редуктор снижает КПД энергетической установки и увеличивает ее виброактивность.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение энергетических характеристик гребной электрической установки, уменьшение массы и снижение ее виброактивности на частичных режимах работы.

Это достигается тем, что в известную гребную электрическую установку, содержащую гребной электродвигатель, вал которого соединен с валом гребного винта через редуктор, турбогенератор (дизельгенератор), имеющий систему управления частотой и напряжением, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, по изобретению введены три управляемые разъединительные муфты, два автоматических выключателя с системами дистанционного управления, вторая система управления, задатчик частоты вращения гребного электродвигателя, причем вал гребного электродвигателя соединен с валом гребного винта через первую управляемую разъединительную муфту, редуктор и вторую управляемую разъединительную муфту, при этом вал гребного винта проходит через вторую управляемую разъединительную муфту, полый выходной вал редуктора, полый входной вал редуктора и соединен с валом электродвигателя через третью управляемую разъединительную муфту, выходы второй системы управления подключены к системе управления частотой и напряжением турбогенератора, к входу статического преобразователя параметров электроэнергии, выполненного в виде преобразователя частоты (и напряжения), к трем управляемым разъединительным муфтам и к дистанционному управлению первого и второго автоматических выключателей, вход второй системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к турбогенератору через первый автоматический выключатель, а второй автоматический выключатель включен между гребным электродвигателем и статическим преобразователем частоты (и напряжения).

Во втором варианте исполнения устройство отличается тем, что в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, а статический преобразователь параметров электроэнергии выполнен в виде управляемого выпрямителя, подключенного к гребному электродвигателю на всех режимах работы, при этом в устройство введены три управляемые разъединительные муфты, вторая система управления и задатчик частоты вращения гребного электродвигателя, причем вал гребного электродвигателя соединен с валом гребного винта через первую управляемую разъединительную муфту, редуктор и вторую управляемую разъединительную муфту, а вал гребного винта проходит через вторую управляемую разъединительную муфту, полый выходной вал редуктора, полый входной вал редуктора и соединен с валом электродвигателя через третью управляемую разъединительную муфту, выходы второй системы управления подключены к входу управляемого выпрямителя и к трем управляемым разъединительным муфтам, вход второй системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к турбогенератору через управляемый выпрямитель.

Введение разъединительных муфт и второй системы управления позволяет разделить диапазон управления частотой вращения гребного винта на два поддиапазона:

- режим экономического хода (название условное), где частота вращения гребного винта выбирается в диапазоне от минимальной до частоты вращения, соответствующей экономическому (крейсерскому) ходу;

- режим полного хода (ПХ), где частота вращения гребного винта выбирается в диапазоне от экономического до полного хода судна.

В первом режиме гребной электродвигатель с помощью муфты напрямую соединяется с гребным валом без использования понижающего редуктора, что увеличивает коэффициент полезного действия ГЭУ и снижает вибрацию силовой установки. Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется с помощью преобразователя параметров (в первом варианте - частоты и величины напряжения), ограниченной мощности и, следовательно, небольших размеров и массы.

Во втором режиме редуктор включен, но электроэнергия от турбогенератора (дизельгенератора) передается к ГЭД без промежуточного статического преобразователя параметров электроэнергии, так как высокооборотный ГЭД и турбогенератор (дизельгенератор) могут быть выполнены с одинаковой номинальной частотой вращения, что также ведет к повышению коэффициента полезного действия ГЭУ в целом.

Гребной электродвигатель может быть электродвигателем переменного или постоянного тока. В зависимости от этого могут быть 2 варианта исполнения блок-схемы электрической гребной установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 приведена блок-схема предлагаемой электрической гребной установки по первому варианту исполнения, а на Фиг.2 - по второму варианту исполнения.

Установка по первому варианту исполнения (см. Фиг.1) содержит гребной электродвигатель 1 переменного тока с валом 2, который соединен с линией вала 3 гребного винта 4 через разъединительную муфту 5. Гребной вал 3 через вторую разъединительную муфту 6, редуктор 7 и третью разъединительную муфту 8 соединен с валом 2 гребного электродвигателя 1. Гребной электродвигатель 1 подключен к турбогенератору, содержащему турбину 9 и генератор 10 (мощность которого рассчитана на обеспечение максимальной скорости судна), через две параллельные цепи: через первый автоматический выключатель 11, а также через второй автоматический выключатель 12 и статический преобразователь параметров электроэнергии, выполненный в виде преобразователя частоты (и напряжения) 13, мощность которого определена из условия обеспечения частот вращения гребного винта 4 для движения судна со скоростью, близкой к экономическому ходу.

Включение либо муфты 5, либо одновременно двух муфт 6 и 8 производится второй системой управления 14, в зависимости от положения задатчика частоты вращения 15, подключенного к входу второй системы управления 14. Необходимая частота вращения ГЭД устанавливается либо с помощью статического преобразователя частоты (и напряжения) 13, либо с помощью первой системы управления 16, управляющей частотой вращения турбины 9 и величиной напряжения генератора 10.

Входы первой системы управления 16, трех управляемых разъединительных муфт 5, 6, 8 и системы дистанционного управления первого 11 и второго 12 автоматических выключателей подключены к выходам второй системы управления 14.

Электрическая гребная установка по второму варианту исполнения (Фиг.2) отличается от первого варианта тем, что в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, а статический преобразователь параметров электроэнергии выполнен в виде управляемого выпрямителя, подключенного к гребному электродвигателю на всех режимах работы.

В этом случае установка содержит гребной электродвигатель 1 постоянного тока с валом 2, который соединен с линией вала 3 гребного винта 4 через разъединительную муфту 5. Гребной вал 3 через вторую разъединительную муфту 6, редуктор 7 и третью разъединительную муфту 8 соединен с валом 2 гребного электродвигателя 1. Гребной электродвигатель 1 подключен к турбогенератору, содержащему турбину 9, генератор 10 и систему управления 11, через преобразователь параметров электроэнергии переменно-постоянного тока, выполненный в виде управляемого выпрямителя 12. Включение либо муфты 5, либо одновременно двух муфт 6 и 8 производится второй системой управления 13, в зависимости от положения задатчика частоты вращения 14, подключенного к входу второй системы управления 13. Необходимая частота вращения ГЭД устанавливается с помощью управляемого выпрямителя 12. Входы трех управляемых разъединительных муфт 5, 6, 8 подключены к выходам второй системы управления 13.

Установка в обоих вариантах исполнения может работать в двух режимах: экономического (ЭХ) и полного хода (ПХ). В экономическом режиме муфта 5 включена, а муфты 6 и 8 отключены.

ГЭД 1 должен быть рассчитан на мощность, достаточную для непосредственного, без редуктора привода гребного вала 3 при скорости движения судна, близкой к экономическому ходу. Расчеты показывают, что в этом режиме мощность ГЭД 1 составляет примерно 10-13% от полной мощности. Это следует из кубической зависимости, связывающей мощность силовой установки и частоту вращения гребного винта. Масса и габариты ГЭД 1 в этом режиме в 2-3 раза меньше, чем у гребного двигателя, рассчитанного на движение судна полным ходом (при безредукторном подсоединении к линии гребного вала).

В режиме полного хода муфта 5 отключена, а муфты 6 и 8 включены. В этом режиме ГЭД 1 должен развивать максимальную мощность, хотя габариты и объем его остаются неизменными. Это достигается повышением частоты его вращения и обусловливается использованием следующих обстоятельств.

Активный объем D² _iL_i (D_i - диаметр, L_i - длина активного железа) ГЭД 1 выбирается из условия обеспечения мощности, необходимой для обеспечения экономического хода (ЭХ).

В режиме ПХ, благодаря применению редуктора, момент на валу ГЭД 1 (М_{ГЭД ПХ}) не изменяется и остается равным моменту в режиме ЭХ (М_{ГЭД ЭХ}), то есть

Коэффициент использования активного объема электрической машины, как известно ("Проектирование электрических машин" под ред. Копылова М.Э., 1980, стр.6) определяется равенством

где Р - мощность ГЭД 1,

n - частота вращения вала 2, ГЭД 1.

Из условий (1) и

следует, что мощность ГЭД 1 линейно связана с частотой вращения при неизменном активном объеме электрической машины.

Таким образом, активный объем ГЭД 1, определяемый из условия обеспечения необходимой мощности в режиме ЭХ, не изменяется и в режиме ПХ (мощность увеличивается при соответствующем повышении частоты вращения n вала ГЭД). Это предопределяет возможность создания главной энергетической установки с одним двигателем при значительно меньшей массе и габаритах (в отличие от прототипа в системе полного электродвижения).

Гребная установка может быть выполнена с применением ГЭД как переменного, так и постоянного тока, в связи с тем, что зависимости (1), (2), (3) справедливы и в том, и в другом случае.

Передаточное отношение редуктора 7 выбирается из условия непрерывного перекрытия всего диапазона частот вращения гребного вала 3. Обычно частота вращения гребного винта 4 в режиме ПХ примерно в 2 раза выше максимальной частоты вращения гребного винта 4 (и вала 2 ГЭД) в режиме ЭХ

где - диапазон изменения частоты вращения ГЭД 1.

В связи с кубической зависимостью мощности от частоты вращения мощность ГЭД в режиме ПХ может быть определена

Так как мощность и частота вращения ГЭД при неизменном моменте на валу связаны линейно, максимальная частота вращения ГЭД в режиме ПХ должна быть

Учитывая, что частота вращения гребного вала при этом возрастает в 2 раза, передаточное число редуктора 7 должно быть i=4. Это легко выполняется в случае использования простого одноступенчатого редуктора.

Турбогенератор выгодно выполнять с повышенной частотой вращения, например 6000 об/мин и с повышенной частотой выходного напряжения, например 150-400 Гц (уменьшаются его массогабаритные характеристики). Регулирование частоты вращения ГЭД 1 в режиме полного хода от n_ПХ до n_ЭХ (частота вращения гребного винта 4 при этом изменяется в два раза), осуществляется изменением частоты вращения турбины 9.

Регулирование частоты вращения ГЭД 1 (и гребного вала 3) в режиме ЭХ осуществляется в диапазоне n_ЭХ - n_мин, посредством статического преобразователя частоты (и напряжения) 13, который рассчитывается на номинальную мощность, составляющую приблизительно 10-13% от номинальной мощности прототипа, поскольку должен обеспечить движение судна только до экономического хода. Это позволяет существенно уменьшить массогабаритные характеристики статического преобразователя.

При положении задатчика частоты вращения 15 гребного винта от минимального n_мин до n_ЭХ, с помощью первой системы управления 14 включаются муфта 5 и автоматический выключатель 12. Первая система управления 14, изменяя выходную частоту статического преобразователя частоты напряжения 13, обеспечивает необходимые параметры частоты и напряжения на его выходе. В этом режиме редуктор 7 не участвует в передаче крутящего момента от ГЭД 1 к гребному винту 4, что повышает экономичность силовой установки и снижает ее виброактивность.

При повышении заданных частот вращения гребного винта от n_ЭХ до n_ПХ с помощью первой системы управления 14 включаются муфты 6, 8 (муфта 5 отключается) и автоматический выключатель 11 (автоматический выключатель 12 отключается). С помощью первой системы управления 16 устанавливаются необходимые частоты вращения турбины и параметры напряжения на выходе турбогенератора 10. В этом режиме из цепи передачи электроэнергии исключается статический преобразователь частоты (и напряжения), что повышает экономичность силовой установки в режиме движения судна с повышенными скоростями по сравнению с прототипом.

Предлагаемая электрическая гребная установка по функциональным параметрам аналогична системе с полным электродвижением, обеспечивает все режимы скоростей хода судна от минимальной до ПХ с использованием единого электродвигателя.

Но при этом, в отличие от прототипа, как показала проработка вариантов ГЭУ судна, вес гребного электродвигателя снижен, примерно в 2,5-3 раза, снижены масса и габариты статического преобразователя частоты (и напряжения).

Таким образом, в предлагаемом изобретении показана возможность создания энергетической установки с полным электродвижением (то есть с единым главным электродвигателем), у которой масса и габариты значительно, в 2,5-3 раза меньше, чем у известных установок с системой полного электродвижения.

Изобретение относится к судовым двигательно-движительным установкам. Электрическая гребная установка содержит турбогенератор с системой управления частотой и напряжением, гребной электродвигатель переменного тока, редуктор, три управляемые разъединительные муфты, вторую систему управления. Турбогенератор соединен с гребным электродвигателем переменного тока через статический преобразователь параметров электроэнергии. В режиме экономичного хода вал гребного электродвигателя напрямую соединен с валом гребного винта, для чего включают первую муфту и выключают вторую и третью муфты. Для реализации режима полного хода вал гребного электродвигателя соединяют с валом гребного винта через редуктор, для этого выключают первую муфту и включают вторую и третью. Вход второй системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного винта, а ее выходы подключены к системе управления частотой и напряжением турбогенератора, к статическому преобразователю параметров электроэнергии, к управляемым разъединительным муфтам. Во втором варианте исполнения в качестве гребного электродвигателя применен электродвигатель постоянного тока, при этом статический преобразователь параметров электроэнергии выполнен в виде управляемого выпрямителя. Достигается снижение массогабаритных характеристик электроэнергетического оборудования гребной электрической установки, а также повышается ее экономичность. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая гребная установка, содержащая гребной электродвигатель, вал которого соединен с валом гребного винта через редуктор, турбогенератор, имеющий систему управления частотой и напряжением, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, отличающаяся тем, что в нее введены три управляемые разъединительные муфты, два автоматических выключателя с системами дистанционного управления, вторая система управления, задатчик частоты вращения гребного электродвигателя, выполненного в виде электродвигателя переменного тока, причем вал гребного электродвигателя соединен с валом гребного винта через первую управляемую разъединительную муфту, редуктор и вторую управляемую разъединительную муфту, при этом вал гребного винта проходит через вторую управляемую разъединительную муфту, полый выходной вал редуктора, полый входной вал редуктора и соединен с валом электродвигателя через третью управляемую разъединительную муфту, причем выходы второй системы управления подключены к системе управления частотой и напряжением турбогенератора, к входу статического преобразователя параметров электроэнергии, выполненного в виде статического преобразователя частоты и напряжения, к трем управляемым разъединительным муфтам и к дистанционному управлению первого и второго автоматических выключателей, а вход второй системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к турбогенератору через первый автоматический выключатель, а второй автоматический выключатель включен между гребным электродвигателем и статическим преобразователем частоты и напряжения.

2. Электрическая гребная установка, содержащая гребной электродвигатель, вал которого соединен с валом гребного винта через редуктор, турбогенератор, имеющий систему управления частотой и напряжением, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, отличающаяся тем, что в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, а статический преобразователь параметров электроэнергии выполнен в виде управляемого выпрямителя, при этом в нее введены три управляемые разъединительные муфты, вторая система управления и задатчик частоты вращения гребного электродвигателя, причем вал гребного электродвигателя соединен с валом гребного винта через первую управляемую разъединительную муфту, редуктор и вторую управляемую разъединительную муфту, вал гребного винта проходит через вторую управляемую разъединительную муфту, полый выходной вал редуктора, полый входной вал редуктора и соединен с валом электродвигателя через третью управляемую разъединительную муфту, при этом выходы второй системы управления подключены к входу управляемого выпрямителя и к трем управляемым разъединительным муфтам, а вход второй системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, причем гребной электродвигатель подключен к турбогенератору через управляемый выпрямитель.