Амфибийная дежурная шлюпка Российский патент 2024 года по МПК B63C9/02 B60F5/00 B62D31/02 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к амфибийным шлюпкам для эвакуации и спасения персонала (экипажа), а также буксировки коллективных спасательных средств морских нефтегазовых сооружений и судов в Арктике и других замерзающих морях с использованием амфибийной техники на роторно-винтовых (шнековых) движителях, способных перемещаться как по поверхности льда, так и по слабонесущим грунтам.

Условия выхода на лед и движение в условиях ледовой крошки требуют соблюдения мер ледовой прочности, что приводит к утяжелению конструкции шлюпки, поэтому вопросы энерговооруженности шлюпки и привода роторно-винтовых движителей для обеспечения необходимых скоростей движения, реализации сдвига роторно-винтовых движителей вдоль оси в кормовом направлении и изменения их угла наклона к горизонту с учетом их массы для условий ледовой прочности является сложно реализуемой задачей.

Традиционные технические решения с прямой передачей вращения от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с учетом ограничения по массогабаритным характеристикам дежурной шлюпки требуют создания сложной механической трансмиссии для обеспечения вращения роторно-винтовых движителей, способных работать в условиях арктического климата в ледово-водных условиях и экономически не оправданы (патенты RU 130553, RU 188457, RU 2700240).

Известна самоходная машина с электрической системой привода (патент RU №2715820), содержащая бортовой источник электрической энергии, выполненный в виде ДВС, механически соединенного с генератором, и/или аккумуляторной батареей, два или более электродвигателя, по меньшей мере, один из которых приспособлен для привода ее ведущих колес или гусениц, которая может рассматриваться как аналог предлагаемого изобретения с точки зрения реализации электромеханической трансмиссии для роторно-винтовых движителей. Недостатком данного изобретения является существенная масса ДВС для обеспечения требуемой мощности при движении на максимальных скоростях.

В качестве прототипа заявляемого технического решения принята спасательная шлюпка закрытого типа для эвакуации и спасания персонала морских нефтегазовых платформ, транспортных и технологических судов в ледовых условиях (патент RU №2630871), имеющая корпус для размещения спасаемого персонала, движительный комплекс из побортно установленных роторно-винтовых движителей (РВД), обеспечивающих движение шлюпки по водной поверхности с обломками льда, выход шлюпки из воды с обломками льда на ледовую поверхность и движения по ней.

Общим недостатком вышеуказанных амфибийных спасательных средств с РВД является недостаточная энерговооруженность для осуществления возможности перемещения, как по поверхности льда, так и по слабонесущим грунтам.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик амфибийной дежурной шлюпки (АДШ) с роторно-винтовым движителем, а именно обеспечение необходимой энерговооруженности с улучшенными массогабаритными характеристиками и облегчение самостоятельного выхода из воды на лед.

Для решения данной задачи у амфибийной дежурной шлюпки, имеющей корпус (закрытого типа) для размещения спасаемого персонала, движительный комплекс с побортно установленными (двумя) роторно-винтовыми движителями и энергетической установкой, согласно изобретению, энергетическая установка выполнена в виде газотурбинной силовой установки, включающей газотурбинный двигатель, (обеспечивающий автоматическую аварийную остановку при критических углах крена и дифферента, в случае опрокидывания обеспечивая выбег (отключение) газотурбинного двигателя), механически соединенного с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов, обеспечивающей защиту от попадания воды в систему использованием захлопки (перекрытием) подачи воздуха, один вход захлопки соединен с наружной атмосферой, выход соединен с выходом (баллистического) воздухоочистителя, который соединен с захлопкой контура рециркуляции (перенаправления), вход которого подключен к выхлопному ресиверу, выход которого соединен с входом захлопки газовыхлопа, выход захлопки газовыхлопа (механически) соединен с наружной атмосферой, при этом при критических наклонах шлюпки обеспечивается автоматическое срабатывание захлопок, перекрывающих выход в наружную атмосферу, и обеспечение выбега газотурбинного двигателя.

Для вращения роторно-винтовых движителей используется электромеханическая трансмиссия, встроенная в корпус движителя и содержащая высокооборотный электродвигатель на постоянных магнитах с системой управления скоростью вращения и момента на валу, ротор электродвигателя через переключаемый планетарный редуктор обеспечивает передачу вращающего момента на движитель, ступичный узел, встроенный в редуктор, передает все нагрузки от движителя на корпус, синхронизация скорости вращения обоих роторно-винтовых движителей обеспечивается встроенными в электродвигатели датчиками положения ротора, что обеспечивает дополнительную тягу при выходе на ледовую поверхность шлюпки.

Выход шлюпки на ледовую поверхность обеспечивается дополнительно к упору роторно-винтовых движителей дополнительным устройством гусеничного движителя, устанавливаемого вдоль носовой части АДШ.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых показано:

Фиг. 1 - внешний вид АДШ закрытого типа;

Фиг.2 - кинематическая схема газотурбинной силовой установки с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов;

Фиг. 3 - конструкция газотурбинной силовой установки с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов;

Фиг. 4 - конструкция электромеханической трансмиссии;

Фиг. 5 - вид гусеничного движителя;

На фигурах обозначены: 1 - корпус, 2 - роторно-винтовой движитель, 3 - газотурбинный двигатель, 4 - высокооборотный синхронный турбогенератор, 5 - гусеничный движитель, 6 - машинной отделение, 7 - тяговый электродвигатель, 8 - электродвигатель гусеничного движителя, 9 - преобразователь частоты, 10 - входной патрубок; 11 - захлопка забора воздуха; 12 - первичная камера воздухозаборного устройства; 13 - разгонный корпус (спрофилированный канал); 14 - корпус сепаратора; 15 - трубопровод; 16 - выхлопной патрубок; 17 - канал; 18 - выхлопной диффузор; 19 - сильфонный компенсатор; 20 - камера ресивера; 21 - блок управления; 22 - линия управления; 23 - захлопка газовыхлопа; 24 - корпус патрубка; 25 - захлопка рециркуляции; 26 - амортизаторы; 27 - тарелка; 28 - планетарный редуктор; 29 - фланец опоры РВД; 30 - вал переключения ступени; 31 - статор электродвигателя; 32 - ротор электродвигателя; 33 - подшипник качения электродвигателя; 34 - полюса ротора; 35 - вал ротора; 36 - остов ротора; 37 - корпус электродвигателя; 38 - защитная обечайка ротора; 39 - корпус статора; 40 - фланец ступицы; 41 - подшипники ступичного узла; 42 - герметичный корпус гусеничного движителя; 43 - ведомые звезды; 44 - механизм натяжения; 45 - тяговая цепь; 46 - траки с грунтозацепами; 47 - ведущие звезды; 48 - кронштейны.

Амфибийная дежурная шлюпка (фиг.1) имеет корпус 1, движительный комплекс с побортно установленными роторно-винтовыми движителями (РВД) 2 и энергетической установкой, выполненной в виде газотурбинной силовой установки, включающей газотурбинный двигатель 3, механически соединенный с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов, и высокооборотного синхронного турбогенератора 4. Для вращения роторно-винтовых движителей 2 используется электромеханическая трансмиссия, встроенная в корпус движителя 2. Выход шлюпки на ледовую поверхность обеспечивается дополнительно к упору роторно-винтовых движителей 2 устройством гусеничного движителя 5, который располагается в носовой части амфибийной дежурной шлюпки под углом и крепится к корпусу шлюпки через кронштейны. В машинном отделении 6 установлена энергетическая установка на базе газотурбинного двигателя с высокооборотным генератором. Для передачи энергии от энергетической установки и управления этой энергией на АДШ применена система электродвижения, включающая в себя два тяговых электродвигателя 7 и электродвигатель гусеничного движителя 8, расположенного в гусеничном движителе 5. Питание и управление моментом и частотой вращения тяговых электродвигателей 7 и электродвигателя гусеничного движителя 8 осуществляются с помощью преобразователей частоты 9.

Система подачи воздуха (фиг.2) спроектирована по принципу баллистического (инерционного) воздухоочистителя, предназначенного для подвода и очистки воздуха на вход двигателя 3, и реализованного следующим образом. Входной патрубок 10 обеспечивает соединение с захлопкой забора воздуха 11. В первичной камере 12 воздухозаборного устройства происходит сепарация крупнокапельной влаги и крупных частиц за счет гравитационных сил. В разгонном корпусе 13 (в спрофилированном канале) происходит разгон воздушной массы до высокой скорости, затем в сепараторе 14 (в спрофилированном канале) за счет инерционных сил влага и другие частицы отделяются от основного потока воздуха, непосредственно направленного через трубопровод 15 в компрессор газотурбинного двигателя 3, а отделенные (эжектируемые) потоком выхлопных газов частицы удаляются в выхлопной патрубок 16 по каналу 17.

Система выхлопа обеспечивает отвод выхлопных газов и снижение уровня шума. Выхлопной диффузор 18 соединен с выходным патрубком газотурбинного двигателя 3. В выхлопном диффузоре 18 за счет увеличения сечения происходит снижение скорости выхлопных газов с минимальными гидравлическими потерями. Сильфонный компенсатор 19 через фланцевое соединение герметично пристыковывается к камере ресивера 20, из которой выхлопные газы совершают поворот на 90 градусов по оси изделия и поступают в выхлопной патрубок 16. При получении от блока управления 21 сигнала, проходящего по линиям управления 22, о критических углах крена объекта в газотурбинный двигатель 3, прекращается подача топлива и одновременно с этим срабатывает быстродействующая захлопка забора воздуха 11, которая перекрывает вход в систему воздухоочистителя двигателя 3 и захлопка газовыхлопа 23, перекрывающая выхлопной патрубок 16, при этом в перепускном патрубке 24, соединяющим между собой выхлопной ресивер 20 и первичную камеру 12 воздухоочистителя, открывается захлопка рециркуляции 25, что обеспечивает перепуск выхлопных газов на вход изделия. Охлаждение выхлопных газов происходит за счет их смешения с воздухом, находящимся на момент перекрытия захлопок 11 и 23 в системе воздухоочистителя и перепускном патрубке 24, а также за счет движения по длинному пути к входу в газотурбинный двигатель 3, предназначенного для привода высокооборотного синхронного турбогенератора 4, включающего в себя синхронную электрическую машину с постоянными магнитами на роторе и выпрямительно-коммутационное устройство.

Газотурбинная силовая установка (фиг.3) состоит из газотурбинного двигателя 3, соединенного с турбогенератором 4, а также систем и агрегатов, обеспечивающих его функционирование. Амортизаторы 26 обеспечивают развязку силовой схемы газотурбинной силовой установки от корпуса шнекохода (РВД), позволяют демпфировать ударные нагрузки, возникающие при преодолении снежных торосов и большом волнении. Система подачи воздуха и отвода выхлопных газов предназначена для обеспечения воздухом, отвода выхлопных газов на всех режимах работы газотурбинной силовой установки, а также для недопущения попадания воды в газотурбинный двигатель 3 при перевороте амфибийной дежурной шлюпки за счет использования быстродействующих захлопок забора воздуха 11, газовыхлопа 23. Срабатывание захлопок осуществляется путем поворота положения тарелки 27 из открытого в закрытое состояние. Перемещение тарелки осуществляется мотор-редуктором.

Конструкция электромеханической трансмиссии привода РВД (фиг.4) представляет собой комплекс электродвигателя и планетарного редуктора. Электродвигатель выполнен высокооборотным с целью уменьшения габаритов и увеличения КПД. Планетарный редуктор с возможностью отключения-включения одной из ступеней понижает частоту вращения и увеличивает момент на роторно-винтовых движителях, обеспечивая движение амфибийной дежурной шлюпки во всех эксплуатационных режимах. К кормовому фланцу РВД 2 крепится подвижная часть планетарного редуктора 28, неподвижная часть (ступица планетарного редуктора 28) крепится к фланцу 29 опоры РВД. Электродвигатель 7 установлен на неподвижный фланец планетарного редуктора и размещается в опоре РВД. Вращающий момент от ротора передается планетарному редуктору через вал переключения ступени 30. При включенной ступени достигается максимальный момент на РВД, обеспечивая преодоление амфибийной дежурной шлюпкой сложных участков. Электродвигатель 7 состоит из статора 31 с креплением к корпусу электродвигателя 37, ротора 32, подшипников качения 33, датчика положения ротора. Статор 31 выполнен с сосредоточенной обмоткой, собранной из многовитковых катушек. Катушки объединены в три магнитонезависимые секции, что позволяет увеличить количество витков в катушке с возможностью различной перекоммутации секций. Внутренняя поверхность статора защищена от воздействия окружающей среды стеклопластиковой обечайкой. Внутренние части корпуса с закрытиями лобовых частей и обечайкой статора образуют герметичные полости, предназначенные для прокачки охлаждающей полиметилсилоксановой жидкости. Герметизация полости осуществляется резиновыми кольцами. Ротор 32 концентрично расположен во внутренней расточке статора 31 и представляет собой сборную конструкцию, состоящую из вала 35, остова ротора 36, полюсов 34 и защитной обечайки 38. Остов ротора представляет собой сварную конструкцию, состоящую из втулки, диска и цилиндра (корпуса магнитов). Полюса имеют специальную форму намагничивания с внутренним замыканием магнитного потока. Магнитный слой собран в радиальном направлении из магнитов с различным направлением намагничивания, образуя сплошной магнитный слой без немагнитных вставок между полюсами. Магниты отсортированы по магнитной индукции, склеены между собой и приклеены к цилиндру остова ротора. Положение магнитов в корпусе магнитов фиксируется в радиальном направлении шпонками, в осевом направлении ограничивается кольцами. Магнитный слой ротора герметичен, по внешней поверхности защищен обечайкой из стали, сваренной с кольцами ротора. Ротор 32 консольно установлен на валу, зафиксирован в радиальном направлении шпонками, в осевом направлении упирается в выступ вала и фиксируется гайкой. Во внутреннем отверстии вала ротора 32 установлен переключатель ступени редуктора 30 - подвижный в осевом направлении вал, момент на переключатель ступени передается подвижным шлицевым соединением.

Корпус статора 39 состоит из двух сварных частей - цилиндра и закрытия. Цилиндр - сварной, состоит из обечайки и фланца. В обечайке установлен статор. Закрытие ограничивает свободный объем лобовых частей и служит опорой для установки стеклопластиковой обечайки статора. Коробка выводов расположена вне корпуса двигателя. Планетарный редуктор 28 трехступенчатый с возможностью подключения-отключения первой ступени. Редуктор выполняет функцию ступичного узла РВД. Конструкция ступицы 40 с установленным сферическим подшипником позволяет разгрузить подшипники ступичного узла 41 и подшипники 33 электродвигателя от воздействия изгибных моментов, возникающих при неточностях установки роторно-винтового движителя и эксплуатационных нагрузках. Подвижный вал-переключатель ступени редуктора перемещается либо в зацепление с солнечной шестерней первой ступени, либо с водилом первой ступени.

Первая ступень установлена на неподвижной части ступицы. Водило первой ступени, и солнечная шестерня первой ступени опираются на собственные подшипники. Вращающий момент передается от водила первой ступени к солнечной шестерни второй ступени через шлицевое соединение. Шлицы солнечной шестерни второй ступени имеют эвольвентный профиль и допускают определенный перекос между первой ступенью и второй ступенью.

Переключение режимов работы редуктора 28 допускается «на ходу». Вал-переключатель передачи редуктора имеет два рабочих положения: включение двух или трех ступеней планетарного редуктора и одно промежуточное, необходимое для выравнивания скорости вращения ротора двигателя и солнечной шестерни или водила первой ступени, частоты вращения которых определяются датчиками скорости этих узлов. Включение и выключение производится в «безмоментную паузу» работы агрегата которая искусственно создается управлением работы двигателя.

Вспомогательный гусеничный движитель (фиг.5) предназначен для повышения возможности амфибийной дежурной шлюпки по выходу из воды на лед. Это обеспечивается за счет создания дополнительного упора грунтозацепов на ледовую кромку при выходе из воды на лед. Центральная часть гусеничного движителя представляет собой водоизмещаемый герметичный корпус 42. В носовой части корпуса устанавливаются ведомые звезды 43 с механизмом натяжения 44 тяговой цепи 45. Тяговые цепи 45 соединены между собой траками с грунтозацепами 46. В кормовой части корпуса устанавливаются ведущие звезды 47, между звездами располагается электродвигатель гусеничного движителя 8. По бокам центральной части корпуса 42 гусеничного движителя расположены кронштейны 48 для крепления к лодке. Также в центральной части корпуса гусеничного движителя имеются беговые дорожки, по которым двигаются ролики тяговой цепи 45.

Выход из воды на лед осуществляется перпендикулярно ледовой кромке посредством задействования гусеничного движителя. Перемещения траков гусеничного движителя синхронизовано со скоростью движения амфибийной дежурной шлюпки. Реализация прижима (сцепления) гусеничного движителя с ледовой кромкой на начальной фазе обеспечивается водителем за счет увеличения оборотов роторно-винтового движителя, для создания дополнительной тяги. При большом числе оборотов роторно-винтового движителя в момент начала зацепа носовых витков роторно-винтового движителя с ледовой кромкой частота вращения роторно-винтового движителя автоматически снижается по показаниям угла дифферента и величины нагрузки на тяговый электродвигатель, за счет чего обеспечивается плавный выход амфибийной дежурной шлюпки на лед.

Таким образом, заявляемое техническое решение АДШ обеспечивает автоматическую аварийную остановку двигателя при критических углах крена и дифферента, в случае опрокидывания (шлюпки) обеспечивая выбег газотурбинного двигателя, механически соединенного с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов, обеспечивающей защиту от попадания воды в систему за счет использования захлопки подачи воздуха.

Электромеханическая трансмиссия на базе высокооборотного электродвигателя на постоянных магнитах с планетарным редуктором и дополнительным к РВД гусеничным движителем обеспечивает дополнительную тягу при выходе на ледовую поверхность.

Эффективность технических решений амфибийной дежурной (спасательной) шлюпки подтверждена испытаниями самоходной масштабной модели АДШ.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к амфибийным шлюпкам для эвакуации и спасения персонала (экипажа), а также буксировки коллективных спасательных средств морских нефтегазовых сооружений и судов в Арктике и других замерзающих морях. Амфибийная дежурная шлюпка имеет корпус для размещения спасаемого персонала, движительный комплекс с побортно установленными роторно-винтовыми движителями и энергетической установкой. Энергетическая установка выполнена в виде газотурбинной силовой установки, включающей газотурбинный двигатель, механически соединенный с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов, обеспечивающей защиту от попадания воды в систему использованием захлопки подачи воздуха. Один вход захлопки соединен с наружной атмосферой, а выход соединен с выходом воздухоочистителя, который соединен с захлопкой контура рециркуляции, вход которого подключен к выхлопному ресиверу, выход которого соединен с входом захлопки газовыхлопа. Выход захлопки газовыхлопа соединен наружной с атмосферой, при этом при критических наклонах шлюпки обеспечивается автоматическое срабатывание захлопок, перекрывающих выход в наружную атмосферу, и обеспечение выбега газотурбинного двигателя. Достигается обеспечение необходимой энерговооруженности амфибийной шлюпки с улучшенными массогабаритными характеристиками и облегчение самостоятельного выхода шлюпки из воды на лед. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Амфибийная дежурная шлюпка, имеющая корпус для размещения спасаемого персонала, движительный комплекс с побортно установленными роторно-винтовыми движителями и энергетической установкой, отличающаяся тем, что энергетическая установка выполнена в виде газотурбинной силовой установки, включающей газотурбинный двигатель, механически соединенный с системой подачи воздуха и отвода выхлопных газов, обеспечивающей защиту от попадания воды в систему с использованием захлопки подачи воздуха, один вход захлопки соединен с наружной атмосферой, выход соединен с выходом воздухоочистителя, который соединен с захлопкой контура рециркуляции, вход которого подключен к выхлопному ресиверу, выход которого соединен с входом захлопки газовыхлопа, выход захлопки газовыхлопа соединен с наружной атмосферой, при этом при критических наклонах шлюпки обеспечивается автоматическое срабатывание захлопок, перекрывающих выход в наружную атмосферу и обеспечение выбега газотурбинного двигателя.

2. Амфибийная дежурная шлюпка по п.1, отличающаяся тем, что для вращения роторно-винтовых движителей используется электромеханическая трансмиссия, встроенная в корпус движителя и содержащая высокооборотный электродвигатель на постоянных магнитах с системой управления скорости вращения и момента на валу, ротор электродвигателя через переключаемый планетарный редуктор выполнен с возможностью передачи вращающего момента на движитель, ступичный узел, встроенный в редуктор, который выполнен с возможностью передачи всех нагрузок от движителя на корпус через опоры, синхронизация скорости вращения обоих роторно-винтовых движителей обеспечивается встроенными в электродвигатели датчиками положения ротора.

3. Амфибийная дежурная шлюпка по п.1, отличающаяся тем, что выход шлюпки на ледовую поверхность обеспечивается дополнительно к упору роторно-винтовых движителей дополнительным устройством гусеничного привода, устанавливаемого вдоль носовой части амфибийной дежурной шлюпки.