Электроэнергетическая установка судна

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов. Электроэнергетическая установка судна содержит главный первичный тепловой двигатель, редуктор, разобщительную муфту, гребную электрическую машину, гребной винт, электрический преобразователь, главный распределительный щит, коммутационные элементы, вспомогательный дизель-генератор, статический источник постоянного тока и потребители собственных нужд. Выходной вал первичного теплового двигателя через редуктор и первую разобщительную муфту соединен с валом гребной электрической машины. Вспомогательный дизель-генератор через первый коммутационный элемент подключен к шинам главного распределительного щита, с которым связаны потребители собственных нужд. Силовой канал электроэнергетической установки выполнен с использованием электрических машин постоянного тока. Электрический преобразователь состоит из активного выпрямителя напряжения и обратимого преобразователя постоянного напряжения. Якорные цепи гребных электрических машин постоянного тока электрически соединены между собой по системе генератор-двигатель. Достигается высокая надежность и улучшение эксплуатационных характеристик системы, повышение энергетической эффективности и улучшение виброшумовых характеристик. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов гражданского и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта на малых скоростях движения судна.

Известна конструкция энергетической установки кораблей (МПК B63H 23/12, патент RU 2186708 C1, Заявка: 2000133016/28, 28.12.2000, Бройдо М.Д., Колтун Л.З., Ленденский A.M., Шляхтенко А.В. Корабельная энергетическая установка), содержащая тепловой первичный двигатель, электрический генератор, две разобщительные муфты, редуктор, гребной электродвигатель и электрический преобразователь. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение экономичности энергетической установки. Недостатком известного устройства является недостаточно высокий коэффициент использования электрического генератора и гребного электродвигателя, которые не участвуют в процессе преобразования энергии на полном ходу судна. К недостаткам известной энергетической установки также можно отнести отсутствие процесса выработки электроэнергии для потребителей собственных нужд, то есть необходимо создание еще одной энергетической системы для питания вспомогательного оборудования судна.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство электроэнергетической установки (МПК B63H 23/12, B63H 23/24, патент RU 2498926 C1, Заявка: 2012113758/11, 06.04.2012, Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Самосейко В.Ф., Лазаревский Н.А., Гагаринов И.В., Электроэнергетическая установка судна большой мощности), содержащая главный первичный тепловой двигатель, редуктор, разобщительную муфту, гребную электрическую машину, гребной винт, электрический преобразователь, главный распределительный щит, коммутационные элементы, вспомогательный дизель-генератор, статический источник постоянного тока и потребители собственных нужд. Достоинствами известного устройства являются: возможность работы электрической машины в качестве валогенератора; обеспечение большого диапазона регулирования; улучшение массогабаритных характеристик, улучшение виброшумовых характеристик; повышение экономичности энергоустановки и коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей. Недостатком известного устройства является необходимость отключения главного теплового двигателя и включения вспомогательного дизель-генератора для обеспечения режимов малого хода в долевых режимах работы электроэнергетической установки, а также значительное ограничение мощности нагрузки потребителей собственных нужд в этом режиме. К недостаткам известной структуры также можно отнести невозможность работы главного теплового двигателя и электрической машины в качестве генераторного агрегата без движения судна (например, при кратковременной остановке).

Предлагаемая электроэнергетическая установка позволяет осуществлять глубокое регулирование частоты вращения вала гребного винта без включения вспомогательного дизель-генератора и ограничения мощности нагрузки потребителей собственных нужд. К достоинствам предлагаемой структуры можно отнести высокую надежность и живучесть электроэнергетической системы, а также большое число комбинаций соединений элементов и схем структуры для оптимальной работы системы по различным показателям качества.

Описанные преимущества достигаются тем, что в структуру введены новые элементы системы и для различных режимов работы энергетической установки используются различные варианты соединения этих элементов, тем самым появляются новые функциональные возможности работы электроэнергетической системы.

Электроэнергетическая установка судна, структурная схема которой представлена на фиг. 1, состоит из главного первичного теплового двигателя 1, редуктора 2, разобщительной муфты 3, гребной электрической машины 4, гребного винта 5, электрического преобразователя 6, главного распределительного щита 7, коммутационных элементов 8, 9, 10, 11, вспомогательного дизель-генератора 12, статического источника постоянного тока 13 и потребителей собственных нужд 14. Выходной вал первичного теплового двигателя 1 через редуктор 2 и первую разобщительную муфту 3 соединен с валом гребной электрической машины 4. Вспомогательный дизель-генератор 12 через первый коммутационный элемент 10 подключен к шинам главного распределительного щита 7, с которым связаны потребители собственных нужд 14. Силовой канал электроэнергетической установки выполнен с использованием электрических машин постоянного тока и снабжен дополнительными разобщительными муфтами 15 и 16, второй гребной электрической машиной 17, преобразователями постоянного напряжения 18 и 19 для питания обмоток возбуждения 20, 21. Электрический преобразователь 6 состоит из активного выпрямителя напряжения 22 и обратимого преобразователя постоянного напряжения 23. Вал первой гребной электрической машины 4 через вторую разобщительную муфту 15, вторую гребную электрическую машину 17 и третью разобщительную муфту 16 связан с валом гребного винта 5. Якорные цепи гребных электрических машин постоянного тока 4 и 17 электрически соединены между собой по системе генератор-двигатель. В одном из полюсов якорной цепи установлены два последовательно соединенных коммутационных элемента 8 и 9. Точка разрыва этих коммутационных элементов 8, 9 и другой полюс якорной цепи подключены к выходной части обратимого преобразователя постоянного напряжения 23, входная часть которого подключена к шинам постоянного тока электрического преобразователя 6. К шинам постоянного тока электрического преобразователя 6 подключены входные части преобразователей постоянного напряжения 18, 19 для питания обмоток возбуждения 20, 21, и выходы статического источника постоянного тока 13 и активного выпрямителя напряжения 22, вход которого через коммутационный элемент 11 подключен к шинам главного распределительного щита 7.

Статический источник постоянного тока 13, структурная схема которого представлена на фиг. 2, содержит аккумуляторную батарею 24, энергоустановку на топливных элементах 25, два диода 26, 27, и два коммутационных элемента 28, 29, и распределительный щит постоянного тока 30. Выход статического источника постоянного тока 13 подключен к шинам распределительного щита постоянного тока 30, к которому также подключены через пятый коммутационный элемент 28 и первый диод 26 аккумуляторная батарея 24 и через шестой коммутационный элемент 29 и второй диод 27 энергоустановка на топливных элементах 25.

В схеме электроэнергетической установки судна, представленной на фиг. 3, механический редуктор 2 может быть установлен между третьей разобщительной муфтой 16 и валом гребного винта 5.

Предлагаемая электроэнергетическая установка работает следующим образом. Данная структура обеспечивает пять режимов работы электроэнергетической установки, отличающихся способом передачи энергии от источников 1, 12, 13 к потребителям энергии, а именно к движителю - винту 5 и потребителям собственных нужд 14:

- режим полного хода (фиг. 4);

- экономичный режим работы (фиг. 5);

- малошумный режим работы (фиг. 6);

- аварийный режим работы (фиг. 7);

- режим отбора мощности на питание потребителей собственных нужд или внешних потребителей электроэнергии (фиг. 8).

На фиг. 4-8 представлены набранные структуры и потоки энергии предлагаемой электроэнергетической установки для различных технологических режимов работы. Зависимости мощностей на входах и выходах элементов энергосистемы приведены без учета потерь в самих элементах.

Режим полного хода может быть реализован с питанием потребителей собственных нужд (ПСН) 14, либо от вспомогательного дизель-генератора 12, либо от главного теплового двигателя 1.

Режим полного хода с питанием ПСН 14 от вспомогательного дизель-генератора 12 характеризуется передачей энергии от главного теплового двигателя 1 на гребной винт 5 при необходимости движения судна и передачей энергии от вспомогательного дизель-генератора 12 для питания ПСН 14, независимо от работы главного теплового двигателя 1. В этом режиме гребные электрические машины 4 и 17 вращаются как болванки. Режим полного хода с питанием ПСН 14 от главного теплового двигателя 1 характеризуется снабжением ПСН 14 от вспомогательных гребных электрических машин 4, 17, вращающихся от главного теплового двигателя 1, выступающего в роли источника энергии. При этом энергия от главного теплового двигателя 1 через редуктор 2, разобщительные муфты 3, 15, 16, гребные электрические машины 4, 17 передается на движитель, в роли которого выступает винт 5, а вспомогательные гребные электрические машины 4 и 17 (либо одна из них), получая механическую энергию, работают в роли валогенераторов, снабжая, через электрический преобразователь 6 электроэнергией НСН 14, подключенные к главному распределительному щиту 7. В данном режиме дизель-генератор 12 и статический источник постоянного тока 13, не работают коммутационный элемент 10 разомкнут, а 11, 8, 9 (либо 8, либо 9) замкнуты. При этом обратимый преобразователь постоянного напряжения 23 обеспечивает требуемый уровень напряжения на шинах постоянного тока электрического преобразователя 6 для питания активного выпрямителя напряжения 22, который работает в режиме инвертора напряжения, обеспечивая требуемые показатели качества выходного напряжения на шинах главного распределительного щита 7.

Экономичный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении движителя - гребного винта 5 и ПСН 14 энергией от главного теплового двигателя 1, при этом дизель-генератор не работает 12. Экономичный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и, как следствие, малым потреблением энергии со стороны винта 5. В данном режиме работы разобщительная муфта 15 должна быть рассоединена, а энергия от главного теплового двигателя 1 передается на гребной винт 5 посредствам электрической передачи через гребные электрические машины 4, 17, работающие по системе генератор-двигатель. Мощность гребной электрической машины 17 должна составлять порядка 10% от номинальной мощности на гребном винте 5. При этом диапазон частот вращения гребного винта будет находиться в пределах от 0 до 0,46 от номинальной. Мощность гребной электрической машины 4 должна составлять порядка 10% от номинальной мощности на гребном винте 5 плюс требуемая мощность для обеспечения питания ПСН 14. В этом режиме обеспечивается глубокий диапазона регулирования частоты вращения гребной электрической машины 17 и соответственно винта 5. При этом электрическая энергия от главного теплового двигателя 1 через гребную электрическую машину 4, электрический преобразователь 6, коммутационный элемент 11 поступает на шины главного распределительного щита 7. Выработанная электроэнергия расходуется на потребители собственных нужд 14.

Малошумный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от статического источника постоянного тока 13. Малошумный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и исключением элементов, создающих посторонние шумы, - главного теплового двигателя 1 и дизель-генераторной установки 12. В данном режиме также обеспечивается глубокий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта 5. При этом электрическая энергия от статического источника постоянного тока 13 через активный выпрямитель напряжения 22 и коммутационный элемент 11 поступает на шины главного распределительного щита 7 для питания потребителей собственных нужд 14, а через обратимый преобразователь постоянного напряжения 23 для питания гребной электрической машины 4, или 17, или и 4, и 17. Обратимый преобразователь постоянного напряжения 23 осуществляет регулирование выходных параметров для управления частотой вращения гребных электрических машин 4 и 17 и, как следствие, гребного винта 5. В данном режиме работы главный тепловой двигатель 1 и дизель-генератор 12 не работают. Статический источник постоянного тока 13 может использовать энергию двух независимых источников аккумуляторной батареи 24 или энергоустановки на топливных элементах 25, при этом они могут работать как независимо с применением коммутационных элементов 28, 29 или параллельно с использованием разделительных диодов 26, 27, при этом электрическая энергия будет отбираться от источника с большим уровнем напряжения.

Аварийный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от вспомогательной дизель-генераторной установки 12. Аварийный режим может быть использован в случае выхода из строя главного теплового двигателя 1 и статического источника постоянного тока 13. Данный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и незначительным потреблением электроэнергии для питания ПСН 14. При этом электрическая энергия от вспомогательной дизель-генераторной установки 12 через коммутационный элемент 10 поступает на шины главного распределительного щита 7 для питания потребителей собственных нужд 14. Через коммутационный элемент 11 электроэнергия поступает для питания электрического преобразователя 6, осуществляющего регулирование выходного напряжения для управления частотой вращения гребных электрических машин 4 и 17 и, как следствие, гребного винта 5.

Режим отбора мощности для питания ПСН 14 характеризуется передачей энергии от главного теплового двигателя 1 через вспомогательные электрические гребные машины 4 и 17 (4 или 17), работающие в генераторном режиме, электрический преобразователь 6 - на шины главного распределительного щита 7 для питания потребителей собственных нужд 14 или питания внешних потребителей.

Преимуществом данной электроэнергетической системы является высокая надежность и живучесть, а также большое число возможных вариантов структурных схем для оптимальной работы системы по различным показателям качества. К достоинствам предлагаемой системы также следует отнести улучшение эксплуатационных характеристик электроэнергетической системы, повышение энергетической эффективности и увеличения коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки, повышение ресурса элементов системы, улучшение виброшумовых характеристик.

1. Электроэнергетическая установка судна, содержащая главный первичный тепловой двигатель, редуктор, разобщительную муфту, гребную электрическую машину, гребной винт, электрический преобразователь, главный распределительный щит, коммутационные элементы, вспомогательный дизель-генератор, статический источник постоянного тока и потребители собственных нужд, причем выходной вал первичного теплового двигателя через редуктор и первую разобщительную муфту соединен с валом гребной электрической машины, вспомогательный дизель-генератор через первый коммутационный элемент подключен к шинам главного распределительного щита, с которым связаны потребители собственных нужд, отличающаяся тем, что силовой канал электроэнергетической установки выполнен с использованием электрических машин постоянного тока и снабжен дополнительными разобщительными муфтами, второй гребной электрической машиной, преобразователями постоянного напряжения для питания обмоток возбуждения, а электрический преобразователь состоит из активного выпрямителя напряжения и обратимого преобразователя постоянного напряжения, причем вал первой гребной электрической машины через вторую разобщительную муфту, вторую гребную электрическую машину и третью разобщительную муфту связан с валом гребного винта, якорные цепи гребных электрических машин постоянного тока электрически соединены между собой по системе генератор-двигатель, а в одном из полюсов якорной цепи установлены два последовательно соединенных коммутационных элемента, точка разрыва этих коммутационных элементов и другой полюс якорной цепи подключены к выходной части обратимого преобразователя постоянного напряжения, входная часть которого подключена к шинам постоянного тока электрического преобразователя, к которым подключены входные части преобразователей постоянного напряжения для питания обмоток возбуждения, и выходы статического источника постоянного тока и активного выпрямителя напряжения, вход которого через коммутационный элемент подключен к шинам главного распределительного щита.

2. Электроэнергетическая установка судна по п.1, отличающаяся тем, что статический источник постоянного тока содержит аккумуляторную батарею, энергоустановку на топливных элементах, два диода и два коммутационных элемента, распределительный щит постоянного тока, причем выход статического источника постоянного тока подключен к шинам распределительного щита постоянного тока, к которому также подключены через пятый коммутационный элемент и первый диод аккумуляторная батарея и через шестой коммутационный элемент и второй диод - энергоустановка на топливных элементах.

3. Электроэнергетическая установка судна по п.1, отличающаяся тем, что механический редуктор установлен между третьей разобщительной муфтой и валом гребного винта.