RU2498926C1

RU2498926C1 - High tonnage ship electric plant

Info

Publication number: RU2498926C1
Application number: RU2012113758/11A
Authority: RU
Inventors: Фёдор Андреевич Гельвер; Валентин Алексеевич Хомяк; Вениамин Францевич Самосейко; Николай Алексеевич Лазаревский; Иван Владимирович Гагаринов
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2013-11-20
Also published as: RU2012113758A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to ship building, particularly, to high-tonnage civil and naval ship electric plants. Proposed electric plant comprises power distribution unit connected via switching devices with electric power using hardware which requires broad band of screw propeller rpm adjustment at ship low speed and high power efficiency in control over power flow in power drive channel.

EFFECT: higher efficiency, use factor of separate elements, integration of power generation processes.

2 cl, 4 dwg

Description

Предложение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов большой мощности как гражданского так и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта на малых скоростях движения судна.The proposal relates to shipbuilding, in particular to the power plants of high-power vessels of both civilian and navy, for which it is necessary to provide a wide range of speed control of the propeller at low speeds.

Известна конструкция электрической пропульсивной системы для судов (МПК B63H 23/24, B63H 21/17, патент CN 101857082 (A), номер заявки CN 20101162739 20100401, 13.10.2010, MASANORIITO; HIROSHI SATO, Electric propultion system for ships), содержащая тепловой двигатель, синхронный генератор, к обмотке которого подсоединен электрический преобразователь, работающий на гребной электродвигатель, с которым механически соединен гребной винт. Недостатком известной электрической передачи является то, что все элементы данной последовательной структуры, во-первых, должны быть выполнены на полную мощность энергетической установки, а во-вторых, каждый из этих элементов имеет свой КПД, в результате чего общий КПД всей системы будет определяться как произведение КПД отдельных элементов рассматриваемой структуры. Также следует отметить низкую экономичность такой энергетической установки на полном ходу судна.A known construction of an electric propulsion system for ships (IPC B63H 23/24, B63H 21/17, patent CN 101857082 (A), application number CN 20101162739 20100401, 10/13/2010, MASANORIITO; HIROSHI SATO, Electric propultion system for ships) containing thermal an engine, a synchronous generator, to the winding of which an electric converter running on a propeller motor is connected, to which a propeller is mechanically connected. A disadvantage of the known electric transmission is that all elements of a given serial structure, firstly, must be performed at the full power of the power plant, and secondly, each of these elements has its own efficiency, as a result of which the overall efficiency of the entire system will be determined as the product of the efficiency of the individual elements of the structure under consideration. It should also be noted the low efficiency of such a power plant at full speed.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство энергетической установки кораблей (МПК B63H 23/12, патент RU 2186708 C1, заявка: 2000133016/28, 28.12.2000, Бройдо М.Д., Колтун Л.З., Лейденский 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.The closest in technical essence to the claimed device is the device selected for the prototype of the power plant of ships (IPC B63H 23/12, patent RU 2186708 C1, application: 2000133016/28, 12.28.2000, Broydo M.D., Koltun L.Z. , Leiden AM, Shlyakhtenko A.V., Ship power plant) containing a thermal prime mover, an electric generator, two disconnect couplings, a gearbox, a propeller motor and an electric converter. The technical result of this design provides increased efficiency of the power plant.

Недостатком известного устройства является сложная кинематическая схема энергетической установки, содержащая две разобщительные муфты, а также 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.A disadvantage of the known device is the complex kinematic diagram of the power plant, containing two disconnect couplings, as well as an insufficiently high coefficient of utilization of the electric generator and the propeller motor, which are not involved in the process of energy conversion at full speed of the vessel. The disadvantages of the known power plant can also be attributed to the lack of an electric power generation process for consumers of their own needs, that is, it is necessary to create another energy system to power the auxiliary equipment of the vessel.

Предлагаемая электроэнергетическая система помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет:The proposed electric power system, in addition to meeting operational requirements, allows you to:

- обеспечивать потребители собственных нужд электроэнергией от главного теплового двигателя в режимах полного хода судна, используя гребную электрическую машину в качестве валогенератора;- to provide consumers with their own needs with electricity from the main heat engine in full speed modes of the vessel, using a rowing electric machine as a shaft generator;

- обеспечивать регулировку частоты вращения гребного винта от вспомогательного теплового двигателя либо от статического источника постоянного тока, при сохранении питания потребителей собственных нужд;- provide adjustment of the rotational speed of the propeller from the auxiliary heat engine or from a static source of direct current, while maintaining the power of consumers of their own needs;

- обеспечивать большой диапазон регулирования частоты вращения гребного винта на малых частотах вращения без использования главного теплового двигателя;- provide a large range of regulation of the rotational speed of the propeller at low speeds without the use of the main heat engine;

- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и живучесть энергетической установки;- improve weight and size characteristics, as well as increase the reliability and survivability of the power plant;

- улучшить виброшумовые характеристики электроэнергетической установки для режима работы при питании от статического источника тока и, как следствие, осуществить снижение шума, излучаемого в воду при движении судна;- to improve the vibration and noise characteristics of the electric power plant for the operation mode when powered by a static current source and, as a result, to reduce the noise emitted into the water when the vessel is moving;

- повысить экономичность энергоустановки и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации.- increase the efficiency of the power plant and the load factor of primary heat engines, thereby increasing their service life.

Описанные преимущества достигаются тем, что для различных режимов работы энергетической установки используются различные варианты соединения элементов структуры таким образом, чтобы помимо выполнения требований технологического процесса между источником энергии и исполнительным агрегатом было минимальное число элементов, а используемый источник энергии загружался под номинальное значение и не работал вхолостую.The described advantages are achieved in that for various operating conditions of a power plant, various options for connecting structural elements are used in such a way that, in addition to meeting the requirements of the technological process, there are a minimum number of elements between the energy source and the actuating unit, and the used energy source is loaded at a nominal value and does not work idle .

Электроэнергетическая установка судов большой мощности, 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, дизель-генератора 6, статического источника постоянного тока 7, главного распределительного щита 8, двух обратимых электрических преобразователей 9, 10, четырех коммутационных элементов 11, 12, 13, 14 и потребителей собственных нужд 15. Гребная электрическая машина 4 подсоединена к гребному винту 5 и через разобщительную муфту 3 к выходному валу редуктора 2. Обмотки машины 4 подключены к первому входу-выходу первого обратимого электрического преобразователя 9. Дизель-генератор 6 через первый коммутационный элемент 11 подключен к шинам главного распределительного щита 8, с которым связаны потребители собственных нужд 15. Через второй коммутационный элемент 12 к шинам главного распределительного щита 8 подключен второй вход-выход первого обратимого электрического преобразователя 9. Выход статического источника постоянного тока 7 подключен к первому входу-выходу второго обратимого электрического преобразователя 10 и через третий коммутационный элемент 13 - ко второму входу-выходу первого обратимого электрического преобразователя 9. Второй вход-выход второго обратимого электрического преобразователя 10 через четвертый коммутационный элемент 14 подключен к шинам главного распределительного щита 8. Входной вал редуктора 2 подсоединен к главному первичному двигателю 1.The power plant of high-power vessels, the structural diagram of which is shown in Fig. 1, consists of the main primary heat engine 1, gearbox 2, disconnect clutch 3, electric propeller 4, propeller 5, diesel generator 6, static direct current source 7, the main switchboard 8, two reversible electrical converters 9, 10, four switching elements 11, 12, 13, 14 and auxiliary consumers 15. The rowing electric machine 4 is connected to the propeller 5 and through isolation coupling 3 to the output shaft of the gear 2. The windings of the machine 4 are connected to the first input-output of the first reversible electrical converter 9. The diesel generator 6 is connected through the first switching element 11 to the buses of the main switchboard 8, to which auxiliary consumers are connected 15. Through the second switching element 12 to the buses of the main switchboard 8 is connected to the second input-output of the first reversible electrical Converter 9. The output of the static DC source 7 is connected to the first the input-output of the second reversible electrical converter 10 and through the third switching element 13 to the second input-output of the first reversible electrical converter 9. The second input-output of the second reversible electrical converter 10 through the fourth switching element 14 is connected to the buses of the main switchboard 8. Input gearbox shaft 2 is connected to the main prime mover 1.

Статический источник постоянного тока 7, структурная схема которого представлена на фиг.2, содержит аккумуляторную батарею 16, энергоустановку на топливных элементах 17, два коммутационных элемента 18, 19 и распределительный щит постоянного тока 20. Выход статического источника постоянного тока 7 подключен к шинам распределительного щита постоянного тока 20, к которому также подключены через пятый коммутационный элемент 18 аккумуляторная батарея 16 и через шестой коммутационный элемент 19 энергоустановка на топливных элементах 17.A static DC source 7, the structural diagram of which is shown in FIG. 2, contains a battery 16, an energy installation on fuel cells 17, two switching elements 18, 19 and a DC distribution board 20. The output of the static DC source 7 is connected to the buses of the distribution panel DC 20, which is also connected through the fifth switching element 18 of the battery 16 and through the sixth switching element 19 power plant on the fuel cells 17.

Предлагаемая электроэнергетическая установка работает следующим образом. Предлагаемая структура обеспечивает три режима работы электроэнергетической установки, отличающихся способом передачи энергии от источников 1, 6, 7 к движителю - винту 5:The proposed electric installation works as follows. The proposed structure provides three modes of operation of the electric power installation, differing in the way of transferring energy from sources 1, 6, 7 to the mover - screw 5:

- режим полного хода;- full speed mode;

- экономичный режим работы;- economical mode of operation;

- малошумный режим работы.- low noise operation.

Режим полного хода характеризуется снабжением потребителей судна от главного теплового двигателя, выступающего в роли источника энергии. При этом энергия от главного теплового двигателя 1 через редуктор 2, разобщительную муфту 3 передается на движитель, в роли которого выступает винт 5, а гребная электрическая машина 4, получая механическую энергию, работает в роли валогенератора, снабжая (через первый обратимый электрический преобразователь 9) электроэнергией потребителей, подключенных к главному распределительному щиту 8. В данном режиме дизель-генератор 6 и статический источник постоянного тока 7 не работают, коммутационные элементы 11, 13 и 14 разомкнуты, а 12 замкнут. Первый обратимый электрический преобразователь 9 стабилизирует параметры напряжения на втором входе-выходе, обеспечивая потребителей электроэнергией со стабильными параметрами качества.Full speed mode is characterized by supplying the ship's consumers from the main heat engine, which acts as an energy source. In this case, the energy from the main heat engine 1 through the gearbox 2, the uncoupling clutch 3 is transferred to the mover, in the role of which is the screw 5, and the rowing electric machine 4, receiving mechanical energy, works as a shaft generator, supplying (through the first reversible electric converter 9) electricity consumers connected to the main switchboard 8. In this mode, the diesel generator 6 and the static DC source 7 do not work, the switching elements 11, 13 and 14 are open, and 12 is closed. The first reversible electrical converter 9 stabilizes the voltage parameters at the second input-output, providing consumers with electricity with stable quality parameters.

Экономичный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от дизель-генераторного агрегата 6. Экономичный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и, как следствие, малым потреблением энергии со стороны винта 5. При этом режиме обеспечивается глубокий диапазон регулирования частоты вращения гребной электрической машины 4 и, соответственно, винта 5. При этом электрическая энергия от дизель-генераторного агрегата 6 через коммутационный элемент 1 поступает на шины главного распределительного щита 8. Выработанная электроэнергия расходуется на потребителей собственных нужд 15 и через второй коммутационный элемент 12 и первый обратимый электрический преобразователь 9 - для питания гребной электрической машины 4, работающей в двигательном режиме и приводящей в движение гребной винт 5. В данном режиме работы главный тепловой двигатель 1 и статический источник постоянного тока 7 не работают, разобщительная муфта 3 отключена, коммутационные элементы 13 и 14 отключены. Первый обратимый электрический преобразователь 9 регулирует параметры электроэнергии на первом входе-выходе таким образом, чтобы обеспечивать заданную частоту вращения гребной электрической машины 4 и, соответственно, гребного винта 5.The economical mode of operation of the electric power plant is to supply consumers with energy from the diesel generator unit 6. The economical mode of operation is characterized by low rotational speeds of the propeller 5 and, as a result, low energy consumption from the side of the rotor 5. This mode provides a deep range of regulation of the rotational speed of the propeller electric machine 4 and, accordingly, screw 5. In this case, electric energy from the diesel generator unit 6 through the switching element 1 is supplied to the bus main switchboard 8. The generated electricity is consumed by consumers of their own needs 15 and through the second switching element 12 and the first reversible electric converter 9 to power the rowing electric machine 4, operating in a motor mode and driving the propeller 5. In this mode of operation, the main the heat engine 1 and the static DC source 7 do not work, the isolation clutch 3 is disconnected, the switching elements 13 and 14 are disconnected. The first reversible electrical converter 9 controls the parameters of the electric power at the first input-output in such a way as to provide a predetermined rotation frequency of the rowing electric machine 4 and, accordingly, the propeller 5.

Малошумный режим работы электроэнергетической установки заключается в снабжении потребителей энергией от статического источника постоянного тока 7. Малошумный режим работы отличается небольшими частотами вращения гребного винта 5 и исключением элементов, создающих посторонние шумы, - главного теплового двигателя 1 и дизель-генераторной установки 6. В данном режиме также обеспечивается глубокий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта 5. При этом электрическая энергия от статического источника постоянного тока 7 через второй обратимый электрический преобразователь 10 и коммутационный элемент 14 поступает на шины главного распределительного щита 8 для питания потребителей собственных нужд 15, а через коммутационный элемент 13 и первый обратимый электрический преобразователь 9 - для питания гребной электрической машины 4. Первый обратимый электрический преобразователь 9 осуществляет регулирование выходных параметров для регулирования частоты вращения гребной электрической машины 4 и гребного винта 5. В данном режиме работы главный тепловой двигатель 1 и дизель-генератор 6 не работают, разобщительная муфта 3 отключена, и коммутационные элементы 11 и 12 отключены. Статический источник постоянного тока 7 может использовать энергию двух независимых источников аккумуляторной батареи 16 или энергоустановки на топливных элементах 17.The low-noise mode of operation of the electric power plant consists in supplying consumers with energy from a static direct current source 7. The low-noise mode of operation is characterized by low rotational speeds of the propeller 5 and the exclusion of extraneous noise elements — the main heat engine 1 and diesel generator set 6. In this mode also provides a deep control range of the rotational speed of the propeller 5. The electrical energy from a static DC source 7 through W The second reversible electric converter 10 and the switching element 14 are fed to the buses of the main switchboard 8 for supplying consumers with their own needs 15, and through the switching element 13 and the first reversible electric converter 9 to power the rowing electric machine 4. The first reversible electric converter 9 controls the output parameters for controlling the rotational speed of the rowing electric machine 4 and the propeller 5. In this operating mode, the main heat engine 1 and spruce generator 6 do not work, razobschitelnaya coupling 3 off, and switching elements 11 and 12 are turned OFF. A static direct current source 7 can use the energy of two independent sources of the battery 16 or power plants on fuel cells 17.

Следует отметить, что экономичный и малошумный режимы работы характеризуются незначительной мощностью на винте, составляющей порядка 10% от номинальной. При этом диапазон частот вращения гребного винта находится в пределах от 0 до 0,46 от номинальной. Мощность потребителей собственных нужд составляют также около 10% от мощности основного движителя для судов большой мощности. На фиг.3 представлены набранные структуры и потоки энергии в электроэнергетической установке для различных технологических режимов работы судна. Зависимости мощностей на входах и выходах элементов энергосистемы приведены без учета потерь в самих элементах. На фиг.4 представлена нагрузочная характеристика гребного винта и отмечены диапазоны работы электроэнергетической установки в различных технологических режимах работы судна.It should be noted that the economical and low-noise operating modes are characterized by low power on the screw, which is about 10% of the nominal. In this case, the range of rotational speed of the propeller is in the range from 0 to 0.46 of the nominal. The power of consumers of their own needs also make up about 10% of the power of the main mover for high-power vessels. Figure 3 presents the accumulated structures and energy flows in an electric power installation for various technological modes of operation of the vessel. The dependences of the capacities at the inputs and outputs of the elements of the power system are given without taking into account losses in the elements themselves. Figure 4 presents the load characteristic of the propeller and marked the ranges of the electric power plant in various technological modes of operation of the vessel.

Преимуществом данной электроэнергетической системы является повышение энергетической эффективности и увеличения коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки и, как следствие, экономия топлива, а также повышение ресурса элементов системы. К достоинствам предлагаемой системы также следует отнести улучшение массогабаритных и виброшумовых характеристик, а также повышение надежности и живучести электроэнергетической установки.The advantage of this electric power system is to increase energy efficiency and increase the load factor of the primary heat engines of the electric power plant and, as a result, fuel economy, as well as increase the resource of system elements. The advantages of the proposed system should also include the improvement of overall dimensions and vibration and noise characteristics, as well as increased reliability and survivability of the electric power plant.

Claims

1. Электроэнергетическая установка судна, содержащая главный первичный тепловой двигатель, редуктор, разобщительную муфту, гребную электрическую машину, гребной винт и электрический преобразователь, вал гребной электрической машины с одной стороны подсоединен к гребному винту, с другой стороны - к выходному валу редуктора через разобщительную муфту, а к обмоткам электрической машины подключен первый вход-выход первого обратимого электрического преобразователя, отличающаяся тем, что электроэнергетическая установка снабжена главным распределительным щитом, четырьмя коммутационными элементами, дизель-генератором, статическим источником постоянного тока и вторым обратимым электрическим преобразователем, причем дизель-генератор через первый коммутационный элемент подключен к шинам главного распределительного щита, с которым связаны потребители собственных нужд и через второй коммутационный элемент подключен второй вход-выход первого обратимого электрического преобразователя, выход статического источника постоянного тока подключен к первому входу-выходу второго обратимого электрического преобразователя и через третий коммутационный элемент ко второму входу-выходу первого обратимого электрического преобразователя, второй вход-выход второго обратимого электрического преобразователя через четвертый коммутационный элемент подключен к шинам главного распределительного щита, а входной вал редуктора подсоединен к главному первичному двигателю.1. The ship’s electric power plant, comprising the main primary heat engine, gearbox, disconnect clutch, electric propeller, propeller and electric converter, the shaft of the propeller electric machine is connected to the propeller on the one hand and to the gearbox output shaft through the disconnect clutch on the other hand and the first input-output of the first reversible electric converter is connected to the windings of the electric machine, characterized in that the electric installation is equipped with a main a distribution board, four switching elements, a diesel generator, a static direct current source and a second reversible electric converter, the diesel generator through the first switching element being connected to the buses of the main distribution panel, to which the auxiliary consumers are connected and the second input is connected through the second switching element - the output of the first reversible electrical converter, the output of the static DC source is connected to the first input-output of the second a reversible electric converter and via a third switching element to the second input-output of the first reversible electric converter, a second input-output of the second reversible electric drive via a fourth switching element connected to the buses of the main switchboard, and the gearbox input shaft is connected to the main prime mover.

2. Электроэнергетическая установка судна по п.1, отличающаяся тем, что статический источник постоянного тока содержит аккумуляторную батарею, энергоустановку на топливных элементах, два коммутационных элемента и 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 аккумуляторная батарея и через шестой коммутационный элемент энергоустановка на топливных элементах. 2. The ship’s electric power plant according to claim 1, characterized in that the static direct current source comprises a storage battery, a fuel cell power installation, two switching elements and a direct current distribution panel, the output of the static direct current source being connected to the buses of the direct current distribution panel, to which the battery is also connected through the fifth switching element and through the sixth switching element the fuel cell power plant.