Главная энергетическая установка речного судна Российский патент 2025 года по МПК B63H21/20 F01K23/06 

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано судостроительными проектными организациями для разработки судовых энергетических установок для маломерных судов с использованием паровой турбины, рабочим телом которой используется низкокипящее вещество (НВ).

Известна статья «Павленко И.В. Разработка электроэнергетической установки маломерного судна с электродвижением / И.В. Павленко, В.А. Никитенко, Б.А. Авдеев // Образование, наука и молодежь - 2018: Сборник трудов по материалам научно-практических конференций ФГБОУ ВО «КГМТУ» 2018 г. - Керчь: ФГБОУ ВО «КГМТУ», 2018. - С. 156-160» [1].

В статье разработана электроэнергетическая установка маломерного судна с электродвижением. В качестве источников электроэнергии установлены аккумуляторные батареи, для них выбраны инвертор и частотный преобразователь. Приводятся расчеты для выбранных элементов и краткие теоретические сведения.

Основным недостатком данного проекта является то, что предлагаемая энергетическая установка маломерного судна работает только от берегового источника электроэнергии, зарядка аккумуляторных батарей от дизель - генератора отсутствует, что создает неудобства в эксплуатации.

Известен также патент №214993 МПК. Устройство энергетической установки речного трамвая с электродвижением / Тимофеев В.Н., Салахов И.Р., Харисова Н.Р., Кутепова Л.М., Каюмова Г.Г., Юнусова А.Р., Тимербулатова И.Р., Гиззатов А.А. / Опубл. 23.11.2022. Бюл. №33 [2].

В патенте предложена энергетическая установка речного трамвая с электродвижением, которая включает в себя гребной вал с движителем, электродвигатель постоянного тока, аккумуляторные батареи, главный распределительный щит, зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ), инвертор, и электрические источника питания: дизель-генератор (ДГ), термоэлектрический генератор (ТЭГ) и береговой источник энергии (БИЭ). ТЭГ установлен на выхлопном трубопровода дизель-генератора.

В патенте предлагается электродвигатель постоянного тока марки 100 МВО - 3СР 100 кВт, который является очень маневренным приводом, простым регулированием электрических параметров позволяют получать малые скорости хода судна, осуществлять удобное регулирование скорости хода и автоматическое регулирование мощности.

Аккумуляторные батареи обеспечивают работу электродвигателя. На судне могут быть использованы аккумуляторы на основе титаната лития. При этом LTO аккумуляторы имеют меньшую плотность хранения энергии, но заряжаются быстрее, служат дольше и выдерживают более низкие температуры.

Зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ) с выходами постоянного напряжения, предназначенное для питания электродвигателя, который формирует постоянное напряжение для содержания аккумуляторной батареи в режиме автоматического постоянного подзаряда и питания нагрузки.

Береговой источник энергии в два и более раз дешевле чем производимая энергия на судне, по этой причине при длительных стоянках ее использование экономически выгодно.

Энергетической установка речного трамвая с электродвижением работает следующим образом.

1. Энергетическая установка работает от ДГ. Тогда заводится дизель-генератор, который начинает вырабатывать электрическую энергию, которая подается в ЗПУ, начинает заряжать аккумуляторы и подает электроэнергию на электродвигатель. Одновременно начинает работать ТЭГ. При этом на горячих спаях ТЭГ происходит поглощение теплоты от ОГ, а с холодной стороны отводится теплота охлаждающей водой за вычетом электроэнергии, полученной на внешней нагрузке. На внешней нагрузке ТЭГ создает напряжение, равное э.д.с, за вычетом падения напряжения и внутреннего сопротивления, электроэнергия через инвертор подается в ЗПУ и начинается совместная работа с электроэнергией, полученной от ДГ.

2. Энергетическая установка работает от БИЭ 12. В этом случае энергетическая установка подключается к БИЭ и электрическая энергия поступает в ЗПУ, который через ГРЩ начинает заряжать аккумуляторы и подает электроэнергию на электродвигатель.

Таким образом, предложенное устройство позволяет создать энергетическую установку речного трамвая с электродвижением, работающей на электрической тяге, при этом электрической энергией энергетическая установка может обеспечивать дизель-генератор ТЭГ или от берегового источника электрической энергии.

Основным недостатком этого патента является то, что дизель - генератор сначала вырабатывает электрическую энергию, потом происходит зарядка аккумуляторов, затем электрическая энергия превращается в механическую энергию и тем самым СЭУ имеет низкий КПД, Кроме того, ТЭГ имеет низкий КПД, а подключиться к БИЭ не всегда становится возможным.

Заявляемое изобретение решает задачу создания главной энергетической установки речного судна на основе органического цикла Ренкина.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является создание главной энергетической установки с использованием паровой турбины и винта регулируемого шага.

Технический результат достигается тем, что главная энергетическая установка речного судна, содержащая тепловой насос, дизель-генератор, органический цикл Ренкина, винт регулируемого шага (ВРШ), включающего в себя: механизм изменения шага, гребной винт, гребной вал, блок управления дополнительно содержит паровую турбину, вход которой подключен к испарителю ОЦР, выход через редуктор и гребной вал связана с ВРШ. Кроме того, главная энергетическая установка речного судна содержит теплообменник, установленный на выхлопном трубопроводе дизель-генератора, вход которого через трубопровод связан с отработавшими газами, выход через теплоноситель подключен к испарителю органического цикла Ренкина.

На фигуре представлена принципиальная схема главной энергетической установки на основе теплового насоса (ТН) и органического цикла Ренкина (ОЦР), которая содержит дизель-генератор 1-2 (ДГ1-2); высокотемпературный двухступенчатый компрессор 3 (ВДК3); испаритель 4 ТН (И4ТН); конденсатор - теплообменник 5 ТН, ОЦР (КТ5ТНОЦР), испаритель 6 ОЦР (И60ЦР); конденсатор 7 ОЦР (К70ЦР), регенератор 8 ОЦР (Р80ЦР); потребитель тепловой энергии 9 (ПТЭ9); выхлопной трубопровод 10; теплообменник 11; дополнительный теплообменник 12 (ДТ12); кран четырехходовой 13 (ЧК13); кран трехходовой 14 (КТ14); вентиль запорный 15 (ВЗ15); вентиль трехходовой электрический 16 (ВТЭ16); насосы электрические 17, 18, 19, 20 (НЭП, НЭ18, НЭ19, НЭ20); ящик кингстонный 21; паровую турбину 22; редуктор 23; блок винта регулируемого шага 24 (БВРШ24), в котором представлен механизм изменения шага 25 (МИШ25), винт гребной 26 (ВГ26), вал гребной 27 (ВГ27); корпус переключателя 28; переключатель 29 ДГ1-2 (П29ДГ1-2); переключатель 30 ВДКЗ (П30 ВДК3); блок питания 31 (БП31); выключатель 32; невозвратный клапан 33; каналы забортной воды 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47; каналы низкокипящего вещества ТН 48, 49, 50, 51; каналы термального масла 52, 53, 54; каналы низкокипящего вещества ОЦР 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62; каналы электрической энергии 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75; канал управления 76, пост управления 77, блок управления 78 (БУ78).

Тепловой насос (ТН) представляет собой замкнутый цикл, в котором циркулирует низкокипящее вещество (НВ) и содержит ВДК3, канал 48, КТ5ТНОЦР, канал 49, ЭН20, канал 50, И4ТН, канал 51. В И4ТН происходит теплообмен между НВ и забортной водой. КТ5ТН0ЦР служит для конденсации полученного пара НВ в ВДК3ТН и подогрева забортной воды до температуры 95°С, которая будет использоваться как теплоноситель в КТ5ТНОЦР. Таким образом, КТ5ТНОЦР выполняет для ТН функцию конденсатора, а для ОЦР - функцию тепловой энергии. При выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства; не токсичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); условий северных регионов. ТН позволяет переносить тепло от более холодного тела к более горячему посредством испарения и конденсации, использовать эту теплоту. БДК3 в процессе его эксплуатации поддерживает температуру рабочего вещества в пределах 95-110°С.

Органический цикл Ренкина является разновидностью цикла Ренкина, в котором используется органическая рабочая жидкость с фазовым переходом жидкость-пар или температурой кипения при более низких температурах, чем фазовый переход от воды к пару. Использование органической жидкости позволяет рекуперировать тепло из источников СЭУ с более низкой температурой. Низкотемпературное тепло в конечном итоге преобразуется в полезную работу, которая, в свою очередь в данной работе может быть преобразована в энергию для вращения судового гребного винта.

ОЦР представляет собой замкнутый цикл, в котором циркулирует низкокипящее вещество и содержит И60ЦР, канал 55, ЭТВ16, канал 56, канал 57, турбину 22, канал 58, регенератор 8, канал 59, конденсатор 7, канал 60, ЭТВ19, канал 61, регенератор 8, канал 62 и цикл замыкается. В регенераторе 8 рабочее тело не достигает двухфазного состояния в конце расширения, его температура в этот момент выше, чем температура конденсации, поэтому температуру рабочего тела используем для предварительного нагрева жидкости перед тем, как она попадает в И60ЦР.

Процесс ОЦР аналогичен основному циклу Ренкина, но вместо воды в низкотемпературном И60ЦР в качестве промежуточной жидкости используется органическая жидкость. Рабочая температура составляет от 70°С до 300°С. Благодаря физическим свойствам органической жидкости расширение насыщенного пара не приводит к зоне влажного пара, а остается в зоне перегретого пара. Для повышения эффективности между турбиной 22 и конденсатором 7 на схеме (фигура) использован регенератор 8 для предварительного нагрева рабочего тела.

Замкнутый контур ОЦР заправляется низкокипящим веществом (НВ). Выбор рабочей жидкости имеет ключевое значение в низкотемпературных циклах Ренкина. Эта неэффективность очень сильно зависит от термодинамических характеристик жидкости и условий эксплуатации. При выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства; не токсичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Турбина 22 связана через редуктор 23 с гребным валом 27, на котором установлен винт регулируемого шага 26 (ВРШ26).

ВРШ26 расположен в блоке БВРШ24, основными элементами которого являются механизм изменения шага 25, винт регулируемого шага 26, гребной вал 27, канал управления 76, пост управления 77.

У ВРШ26 лопасти с помощью приводного механизма могут поворачиваться, т.е. изменять величину своего шага по ходу судна от положения, соответствующего полному переднему ходу (положительный упор винта), до положения, отвечающему заднему ходу (отрицательный упор). Турбина 22 с редуктором 23 может быть нереверсивной, так как гребной вал 27 все время вращается в одном направлении.

Изменение скорости судна с ВРШ26 осуществляется не изменением частоты вращения турбины 22, а изменением шага винта посредством поворота лопастей. При необходимости лопасти могут быть развернуты на такой угол, при котором действительный шаг винта станет нулю и, несмотря на работу турбины 22 и вращение гребного вала 27, судно будет стоять на месте.

В работе также предусмотрен дизель-генератор 1-2, электроэнергия служит для запуска ВДК3 ТН и обслуживания судовых потребителей. Кроме того, для повышения мощности ОЦР используется тепловая энергия отработавших газов ДГ 1-2.

Температура отработавших газов ДГ1-2 колеблется от 450°С и выше, поэтому теплообмен напрямую отработавших газов с низкокипящим веществом невозможен из-за высоких температур, так как в этом случае предлагаемая конструкция изделия может привести к пожару или возможен взрыв. Поэтому на выхлопном трубопроводе 10ДГ1-2 предусмотрен теплообменник 11, а за пределами - дополнительный теплообменник 12, по которым циркулирует термальное масло и создает замкнутый контур: теплообменник 11, канал 52, дополнительный теплообменник 12, канал 53, ЭН18, канал 54. Одновременно в теплообменник 12 по каналу 43 поступает забортная вода, где в результате теплообмена с термальным маслом повышается температура забортной воды и в виде теплоносителя по каналу 44 подается в канал 42, где происходит смешение с теплоносителем, выходящим из КТ5ТН и подогретый поток теплоносителя подается в испаритель И60ЦР.

Для повышения мощности установки следует увеличить массовый расход органической жидкости, что приводит к увеличению мощности потребляемой насосом.

Для определения мощности может быть использовано приведенное выражение, которое использовано из источника [3]:

где D_р.т - расход рабочего тела, кг/с; h₁ - энтальпия пара на входе в турбину, кДж/кг; h₂ - энтальпия пара на выходе из турбины, кДж/кг; L_н - работа насоса, кДж/кг.

Главная энергетическая установка речного судна работает следующим образом.

Открывается запорный вентиль 15. Включается выключатель 32, при этом блок питания 31 по каналам 63, 64 подает электроэнергию в БУ78. Нажатием на переключатели 29, 30 запускаются ДГ1-2, ТН, при этом ДП-2 начинает вырабатывать электрическую энергию, которая подается по каналу 64 в БУ78; подачей по каналу 67 электроэнергии начинает работать ВДК3; БУ78 подачей электроэнергии приводит в рабочее положение ЭН17, ЭН18, ЭН19, ЭН20, ЭТВ16. Забортная вода из кингстонного ящика 21 через канал 34, запорный вентиль 15, канал 35, ЭН17, канал 36, третий патрубок ТК14, канал 46, И4ТН, канал 47, канал 40, далее сливается за борт; через второй патрубок ТК14, второй патрубок 4ХК13, канал 41, КТ5ТНОЦР, канал 42; третий патрубок 4ХК13, канал 38, К70ЦР, канал 39; четвертый патрубок 4ХК13, канал 43, ДТП, канал 44, канал 42, где смешивается с потоком теплоносителя, выходящим из КТ5ТНОЦР, далее И60ЦР, канал 45, канал 39, где смешивается с теплоносителем, выходящим из К70ЦР, далее ПТЭ9, канал 40, затем сливается за борт.

Одновременно из ВДК3 в КТ5ТНОЦР по каналу 48 поступает пар НВ с температурой 95-110°С, где в результате теплообмена пар НВ с забортной водой, поступающей по каналу 41 превращается в жидкость и через канал 49, ЭН20, канал 50, И4ТН, где в результате теплообменас забортной водой НВ превращается в пар, затем по каналу 51 вновь поступает в ВДК3 и цикл повторяется; забортная вода в КТ5ТНОЦР в результате теплообмена с паром НВ повышает свою температуру до 95°С и в виде теплоносителя поступает в канал 42, затем проходит невозвратный клапан 33.

Начинается работа ОЦР. ДГ1-2 выходит на рабочий режим, выхлопной трубопровод 10 займет рабочее положение, ЭН18 по каналу 54 подает термальное масло в теплообменник 11, где в результате теплообмена с отработавшими газами происходит его повышение температуры и по каналу 52 подается в дополнительный теплообменник 12, куда одновременно по каналу 43 подается забортная вода, которая в результате теплообмена с термалным маслом повышает свою температуру и в виде теплоносителя с высокой температурой по каналу 44 подает в канал 42, а термальное масло по каналу 54 возвращается обратно в теплообменник 11 и цикл повторяется.

В канале 42 происходит смешивание теплоносителя, поступающего из И5ТНОЦР с теплоносителем, поступающим по каналу 44 из дополнительного теплообменника 12, в результате чего образуется теплоноситель с повышенной температурой, который поступает в И60ЦР.

Одновременно ЭН19 передает энергию сжатия через регенератор 8 при неизменной энтропии рабочее тело в И60ЦР, где в результате теплообмена теплоносителя с рабочим телом происходит парообразование; этот процесс происходит при постоянной температуре и давлении, при добавлении дополнительного тепла в испаритель И60ЦР при постоянном давлении достигается состояния перегретого пара; далее полученный пар по каналу 55 через ЭТВ16 и канал 56 поступает в турбину 22, где путем адиабатического расширения приводит в действие через редуктор 17 ВРШ26, который преобразует механическую работу в энергию движения. После турбины 22 рабочее тело через канал 58 поступает в регенератор 8, где тепловая энергия отработанного пара используется для подогрева охлажденного рабочего тела в жидком состоянии. Этот процесс происходит при постоянном давлении. Далее рабочее тело по каналу 59 поступает в К70ЦР, где проходит изобарический и изотермический отвод тепла. Влажность повышается, тело переходит из состояния влажного пара в насыщенную жидкость.

Поскольку турбомашина, работающая на базе ОЦР является тепловой машиной, ее эффективность определяется разностью температур теплового и холодного контуров. На теплой стороне температура зависит от входной температуры рабочего тела: таким образом, чем ниже температура на входе, тем меньше эффективность машины. При более высоких температурах в зависимости от размера машины КПД может достигать 16% и выше, которая приводится в рабочее положение.

При необходимости ЭТВ16 путем изменения степени открытия-закрытия своего клапана осуществляет регулирование частоты вращения турбины 22, путем перепуска рабочего пара по каналу 57 в канал 58 и с отработавшим паром возвращается обратно в И27РЦ.

Частоту вращения для совершения маневровых работ судна лопасти ВРШ20 с помощью приводного механизма могут поворачиваться, т.е. изменять величину своего шага на ходу судна от положения, соответствующего полному переднему ходу (положительный упор винта), до положения, отвечающему заднему ходу (отрицательный упор). Паровая турбина 22 в этом случае может быть нереверсивным, так как гребной вал 27 все время вращается в одном направлении.

Изменение скорости судна с ВРШ26 осуществляется изменением шага винта посредством поворота лопастей. При необходимости лопасти могут быть развернуты на такой угол, при котором действительный шаг винта станет равным нулю и, несмотря на работу турбины, судно будет стоять на месте. При этом, управление ВРШ26 производится пользователем из штурманской рубки через пост управления 77 и канал управления 76.

Таким образом, предложенное устройство позволяет создать главную энергетическую установку на основе органического цикла Ренкина близкого к классической схеме парового цикла, но работает в меньшем диапазоне температур, обладает низкой частотой вращения, позволяющей применить прямой привод гребного винта, обладает простотой обслуживания, уменьшает износ ее лопастей, что способствует длительному сроку службы. Предложенная главная энергетическая установка может быть использована на маломерных судах.

Источник информации

1. Павленко И.В., Никитенко В.А., Авдеев Б.А. // Образование, наука и молодежь - 2018: Сборник трудов по материалам научно-практических конференций ФГБОУ ВО «КГМТУ» 2018 г. - Керчь: ФГБОУ ВО «КГМТУ», 2018. - С. 156-160».

2. Патент №214993 МПК. Устройство энергетической установки речного трамвая с электродвижением / Тимофеев В.Н., Салахов И.Р., Харисова Н.Р., Кутепова Л.М., Каюмова Г.Г., Юнусова А.Р., Тимербулатова И.Р., Гиззатов А.А. / Опубл. 23.11.2022. Бюл. №.33.

3. Григорьев В.А., Зорин В.М. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент, под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.

Главная энергетическая установка речного судна содержит тепловой насос, дизель-генератор, органический цикл Ренкина, винт регулируемого шага, включающего в себя механизм изменения шага, гребной винт, гребной вал, блок управления, паровую турбину, вход которой подключен к испарителю органического цикла Ренкина, выход через редуктор и гребной вал связаны с винтом регулируемого шага. Обеспечивается повышение срока службы работы энергетической установки за счет уменьшения температурного режима, понижения частоты вращения винтов, позволяющей применить прямой привод гребного винта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Главная энергетическая установка речного судна, содержащая тепловой насос, дизель-генератор, органический цикл Ренкина, винт регулируемого шага (ВРШ), включающего в себя механизм изменения шага, гребной винт, гребной вал, блок управления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит паровую турбину, вход которой подключен к испарителю органического цикла Ренкина, выход через редуктор и гребной вал связаны с винтом регулируемого шага.

2. Главная энергетическая установка речного судна по п. 1, отличающаяся тем, что главная энергетическая установка речного судна содержит теплообменник, установленный на выхлопном трубопроводе дизель-генератора, вход которого через трубопровод связан с отработавшими газами, выход через теплоноситель подключен к испарителю органического цикла Ренкина.