Гребная электрическая установка (варианты)

Изобретение относится к судовым двигательно-движительным установкам. Электрическая гребная установка содержит источник электропитания постоянного тока, гребной электродвигатель, редуктор, три управляемые разъединительные муфты, систему управления. Источник электропитания 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 системы управления подключен к задатчику частоты вращения вала гребного винта, а ее выходы подключены к статическому преобразователю параметров электроэнергии и к управляемым разъединительным муфтам. Во втором варианте исполнения в качестве гребного электродвигателя применен электродвигатель постоянного тока. Достигается снижение массогабаритных характеристик электроэнергетического оборудования гребной электрической установки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

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 источник электроэнергии, питающий через преобразователь параметров электроэнергии 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, источник электроэнергии, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, по изобретению в нее введены три управляемые разъединительные муфты, система управления, задатчик частоты вращения гребного электродвигателя, выполненного в виде электродвигателя переменного тока, причем источник электроэнергии выполнен в виде источника электроэнергии постоянного тока (аккумулятор или топливный элемент), 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 системы управления подключены к входу статического преобразователя параметров электроэнергии и трем управляемым разъединительным муфтам, вход системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к источнику постоянного тока через статический преобразователь параметров электроэнергии.

Во втором варианте исполнения устройство отличается тем, что в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, а источник электроэнергии выполнен в виде источника электроэнергии постоянного тока, так же введены три управляемые разъединительные муфты, 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 системы управления подключены к трем управляемым разъединительным муфтам и к входу статического преобразователя параметров электроэнергии, выполненного в виде статического преобразователя постоянно - постоянного тока; вход системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к источнику постоянного тока через статический преобразователь постоянно - постоянного тока.

Введение разъединительных муфт и 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 электроэнергии.

Во втором режиме редуктор включен, однако в диапазоне хода от экономического до полного повышенная вибрация от редуктора не является определяющей, так как в этом диапазоне главным источником вибрации является гребной винт.

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

Сущность изобретения поясняется чертежом (см. Фиг.1), на котором приведена блок-схема предлагаемой электрической гребной установки по первому варианту исполнения.

Установка 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 источнику электропитания постоянного тока 9 через статический преобразователь параметров электроэнергии, выполненный в виде преобразователя постоянно - переменного тока 10 (например, автономный инвертор).

Включение либо муфты 5, либо одновременно двух муфт 6 и 8 производится системой управления 11, в зависимости от положения задатчика частоты вращения 12, подключенного к входу системы управления 11. Необходимая частота вращения ГЭД устанавливается с помощью статического преобразователя постоянно - переменного тока 10.

Входы трех управляемых разъединительных муфт 5, 6, 8 подключены к выходам системы управления 11.

Установка 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. М.Э. Копылова, 1980, стр.6), определяется равенством

где Р - мощность ГЭД 1,

n - частота вращения вала 2, 6 ГЭД 1.

Из условий (1) и

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

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 примененном ГЭД как переменного, так и постоянного тока, в связи с тем, что зависимости (1) - (3) справедливы и в том, и в другом случаях.

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.

Регулирование частоты вращения ГЭД 1 (и гребного вала 3) во всех режимах осуществляется посредством статического преобразователя постоянно - переменного тока 10, который рассчитывается на полную мощность.

При положении задатчика частоты вращения 12 гребного винта от минимального n_мин до n_ЭХ с помощью системы управления 11 включаются муфта 5 и выключаются муфты 6 и 8. Система управления 11, изменяя выходную частоту статического преобразователя постоянно - переменного тока 10, 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 системы управления 11 включаются муфты 6, 8 (муфта 5 отключается). В этом режиме момент от гребного электродвигателя 1 на гребной винт 4 передается через понижающий редуктор 7. Скорость вращения гребного электродвигателя резко возрастает, что ведет к повышению его мощности на валу при сохранении тех же массогабаритных характеристик.

Вариант 2 отличается от первого варианта гребной электрической установки тем, что в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, а преобразователь параметров электроэнергии выполнен в виде преобразователя постоянно - постоянного тока. В этом случае блок-схема предлагаемой электрической гребной установки представлена на Фиг.2.

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 источнику постоянного тока 9 через преобразователь параметров электроэнергии, выполненный в виде преобразователя постоянно - постоянного тока 10.

Включение либо муфты 5, либо одновременно двух муфт 6 и 8 производится системой управления 11, в зависимости от положения задатчика частоты вращения 12, подключенного к входу системы управления 11. Необходимая частота вращения ГЭД устанавливается с помощью преобразователя постоянно - постоянного тока 10. Входы трех управляемых разъединительных муфт 5, 6, 8 подключены к выходам системы управления 11.

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

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.

Таким образом, в предлагаемом изобретении впервые 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.

1. Гребная электрическая установка, содержащая гребной электродвигатель, вал которого соединен с валом гребного винта через редуктор, источник электропитания, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, отличающаяся тем, что источник электропитания выполнен в виде источника постоянного тока, в установку введены три управляемые разъединительные муфты, 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 системы управления подключены к трем управляемым разъединительным муфтам и к входу статического преобразователя параметров электроэнергии, выполненного как статический преобразователь постоянно-переменного тока, а вход системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к источнику электропитания постоянного тока через статический преобразователь постоянно-переменного тока.

2. Гребная электрическая установка, содержащая гребной электродвигатель, вал которого соединен с валом гребного винта через редуктор, источник электропитания, соединенный с гребным электродвигателем через статический преобразователь параметров электроэнергии, отличающаяся тем, что источник электропитания выполнен в виде источника постоянного тока, в качестве гребного электродвигателя используется электродвигатель постоянного тока, при этом в нее введены три управляемые разъединительные муфты, 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, выходы системы управления подключены к трем управляемым разъединительным муфтам и к входу статического преобразователя параметров электроэнергии, выполненного в виде статического преобразователя постоянно-постоянного тока, вход системы управления подключен к задатчику частоты вращения гребного электродвигателя, при этом гребной электродвигатель подключен к источнику постоянного тока через статический преобразователь постоянно-постоянного тока.