Результат интеллектуальной деятельности: СУДОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНО-ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области судостроения, а конкретно - к двигательно-движительным агрегатам судовых систем электродвижения.

Известна гребная электрическая установка [патент РФ №2392180, опубл. 20.06.2010], состоящая из гребного электродвигателя, присоединенного к гребному винту через редуктор и разъединительные муфты. Гребной электродвигатель подключен к источнику электроэнергии, через статический преобразователь частоты. В структуре также имеется задатчик частоты вращения гребного винта, который соединен с системой управления, выходы последней подключены к входам управления преобразователя частоты и разъединительных муфт. К недостаткам этой установки относятся значительная масса, габариты и повышенные уровни электромагнитных помех и гармонических составляющих в токе, потребляемом из судовой сети электрическими элементами трансмиссии. Кроме того, передача энергии от теплового двигателя к гребному электродвигателю и гребному винту производится через тракт преобразования, рассчитанный на полную мощность, в том числе - электрогенератор, статический преобразователь частоты, редуктор и разъединительные муфты, что снижает надежность и увеличивает потери.

Известна судовая движительно-двигательная установка типа «поворотная колонка» [патент РФ №2119875, опубл. 10.10.1998 г.], принятая за прототип. Установка содержит заключенный в обтекаемый кожух гребной биротативный электродвигатель и два гребных винта, вращающихся в противоположных направлениях, а именно, контрпропеллер, установленный на валу ротора биротативного двигателя, и гребной винт, установленный на полом валу вращающегося статора, коаксиальном валу ротора.

Кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. Для специалиста очевидно, хотя об этом в описании прямо не сказано, что гребной электродвигатель установки подключен к статическому преобразователю частоты, который, в свою очередь, подключен к энергосистеме и к электрогенератору, приводимому во вращение тепловым двигателем.

В данной гребной установке передача механической энергии от теплового двигателя к гребным винтам осуществляется через тракт преобразования, рассчитанный на полную мощность, (в том числе - электрогенератор, статический преобразователь частоты). Это снижает надежность, увеличивает массу, габариты, уровни электромагнитных помех и гармонических составляющих при преобразовании электроэнергии.

Задача, решаемая изобретением - расширение арсенала средств и создание новой, надежной судовой двигательно-движительной установки с улучшенными эксплуатационными характеристиками, за счет исключения применения нелинейных широтно-импульсных преобразователей энергии.

Достигаемый технический результат заключается:

- в повышении надежности и снижении потерь судовой двигательно-движительной установки;

- в снижении массы, габаритов;

- в снижении уровня электромагнитных помех и гармонических составляющих при преобразовании энергии;

- в возможности установки оси выходного вала вариатора с гребным винтом под произвольным углом и в произвольно ориентированной плоскости по отношению к входному валу.

Поставленные задачи решаются изменением конструкции установки.

Судовая двигательно-движительная установка содержит тепловой двигатель, снабженный блоком управления скоростью вращения и соединенный первым валом с электродинамическим вариатором, который вторым валом соединен с гребным винтом. Валы механически не связаны между собой и на них установлены, соответственно, первый и второй датчики скорости вращения. Установка также содержит систему управления, при этом вариатор содержит униполярный генератор, установленный на первом валу и электрически соединенный с униполярным двигателем, установленным на втором валу. При этом система управления соединена с блоком управления скоростью вращения теплового двигателя, с датчиками скорости вращения и с обмотками возбуждения униполярного двигателя и униполярного генератора.

Возможна реализация, при которой первый и второй валы расположены под углом друг к другу, а также в разных плоскостях.

В установке может быть применен тепловой двигатель вертикального исполнения, размещенный вместе с системой управления в корпусе судна, а вариатор размещен в поворотной гондоле.

Судовая двигательно-движительная установка может дополнительно иметь второй гребной винт, соединенный третьим валом с вариатором, который при этом содержит дополнительный униполярный двигатель, электрически соединенный с униполярным генератором, все валы механически не связаны между собой. При этом на третьем валу установлен третий датчик скорости вращения, соединенный с системой управления, которая также соединена с обмоткой возбуждения дополнительного униполярного двигателя.

По меньшей мере, два вала могут быть расположены в разных плоскостях.

Изобретение иллюстрируется Фигурами, на которых представлено - Фиг.1 - принципиальная схема установки, Фиг.2 - размещение части оборудования установки по схеме, представленной на Фиг.1 в гондоле «поворотной колонки» и при применении теплового двигателя вертикального исполнения. Фиг.3 - аналогично Фиг.2, но с двумя двигателями и гребными винтами.

Заявляемая установка содержит тепловой двигатель 1 (например, турбина), который первым валом 2 механически соединен с вариатором 3, а конкретно, с униполярным генератором 4, входящим в состав вариатора. Таким образом, тепловой двигатель 1 и униполярный генератор вариатора установлены на одном первом валу 2. В состав вариатора также входит униполярный двигатель 5, установленный на втором валу 6, на котором также остановлен гребной винт 7 фиксированного шага. На валах 2 и 6 установлены первый и второй датчики скорости вращения - 8 и 9, соответственно. Валы 2 и 6 механически не связаны между собой и могут находиться по одной геометрической оси и в одной плоскости, как показано на Фиг.1, или под заданным углом (Фиг.2, при применении вертикальной турбины) и тоже - в одной или разных плоскостях. Униполярные машины 4 и 5 электрически соединены между собой шинами 10, а их обмотки возбуждения 11 соединены с системой управления 12 (расположенной в корпусе судна и на Фиг.2 и 3 не показана), которая своими другими входами соединена с датчиками скорости вращения 8, 9, а также с блоком управления 13 скоростью вращения теплового двигателя 1. Как показано на Фиг.2, вариатор 3 (со своими униполярными машинами 4 и 5 и датчиками 8 и 9) может быть размещен в гондоле 14 поворотной колонки.

В отдельных случаях в вариаторе могут содержаться два униполярных двигателя (Фиг.3), а соответственно, два гребных винта. Дополнительный униполярный двигатель 15 соединен третьим валом 16 со вторым гребным винтом 17. На третьем валу 16 также установлен датчик скорости вращения (третий датчик скорости вращения). Дополнительный униполярный двигатель 15 соединен с униполярным генератором 4, а его обмотка возбуждения, как и третий датчик вращения (на Фигуре не показан), установленный на третьем валу 16, соединена с системой управления 12.

В конструкции, имеющей три вала (первый: тепловой двигатель - униполярный генератор, второй: униполярный генератор - гребной винт; третий: дополнительный униполярный генератор - второй гребной винт), все валы механически не связаны между собой. Они могут располагаться в одной плоскости, как показано на Фиг.3: валы второй и третий - на одной оси, перпендикулярной оси первого вала. Возможно расположение всех валов под заданным углом друг к другу. Возможны реализации, когда, например, первый вал лежит в другой плоскости, чем второй и третий, или первый и второй валы в одной плоскости, а третий - в другой, или все три в разных плоскостях. «Развязка» системы по валам позволяет реализовать любую требуемую комбинацию по углам ориентации валов, а также по плоскостям расположения валов (гребных винтов).

На Фиг.2 и 3 представлены конструкции с движителем типа «поворотная колонка» в ее составе. В гондоле 14 располагается вариатор 3 с одним или двумя униполярными двигателями. При этом тепловой двигатель и система управления могут быть размещены в корпусе судна.

Предлагаемая судовая двигательно-движительная установка с одним гребным винтом работает следующим образом.

По сигналам извне (система управления верхнего уровня), поступающим на систему управления 12, через блок управления 13 скоростью вращения теплового двигателя задается скорость вращения теплового двигателя 1, которая контролируется с помощью первого датчика скорости вращения 8.

После разгона теплового двигателя 1, на обмотки возбуждения 11 униполярного генератора 4 и униполярного двигателя 5 подается ток возбуждения, величина и полярность которого задается системой управления 12. Униполярный генератор 4 генерирует ток, передаваемый по шинам 11 на вход униполярного двигателя 5, который приводится во вращение со скоростью, заданной системой управления 12, которая контролируется датчиком 8. Двигатель 5 приводит во вращение гребной винт 7. Изменение величины тока возбуждения униполярных машин изменяет величину мощности на выходных зажимах генератора 4 и на втором валу 6. Изменение направления тока возбуждения униполярных машин изменяет направление их вращения. При работе установки на малых скоростях вращения гребного винта 7, по сигналу системы управления 12 в блок управления 13, скорость вращения теплового двигателя 1 может быть понижена.

Работа установки со вторым гребным винтом 17 происходит аналогично. Его приводит во вращение дополнительный униполярный двигатель 16, а скорость вращения фиксируется третьим датчиком скорости вращения.

Таким образом, применение в изобретении электродинамического вариатора на базе униполярных электрических машин для передачи энергии с вала теплового двигателя на гребной винт (гребные винты) позволяет исключить применение широтно-импульсных нелинейных преобразователей частоты, рассчитываемых на полную мощность, что позволяет повысить надежность и снизить потери судовой двигательно-движительной установки, снизить массу, габариты, снизить уровень электромагнитных помех и гармонических составляющих в энергосистеме судна при преобразовании энергии. Кроме того, это позволяет обеспечить возможность установки оси вала вариатора с гребным винтом под произвольным углом по отношению к входному валу и в произвольной плоскости, а также применять в конструкциях с двумя гребными винтами, в том числе, с различной пространственной ориентацией.