CN118302361A - 船舶推进系统 - Google Patents
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Abstract
一种推进系统(1)包括发电单元(2)、由所述发电单元(2)供电的总线线路(8)和推动线路(9)，其中所述发电单元(2)包括至少一个运动发生器(4)以及由所述运动发生器(4)驱动的发电机(G)，至少一个运动发生器(4)例如是奥托或狄塞尔循环内燃机或燃气轮机；所述发电机包括定子和第一转子(5)，所述定子包括用于为所述总线线路(8)供电的至少第一电枢(G1)、用于为所述推动线路(9)供电的至少第二电枢(G2)，所述第一转子(5)由所述运动发生器(4)驱动，是所述第一电枢(G1)和所述第二电枢(G2)公共的；所述推进系统(1)包括推进单元(3)，所述推进单元(3)包括推动系统(6)和用于驱动所述推动系统(6)的至少一个电动马达(M)；所述电动马达(M)包括定子，所述定子具备能够由所述总线线路(8)供电的至少第一绕组(M1)和能够由所述推动线路(9)供电的至少第二绕组(M2)；所述电动马达(M)包括第二转子(7)，所述第二转子(7)能够由所述第一绕组(M1)和所述第二绕组(M2)驱动，并且所述推动线路(9)与所述总线线路(8)不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶推进系统，并且特别是一种混合船舶推进系统。
背景技术
在船舶工程领域中采用的现有技术推进系统可以大致分为传统的(柴油)机械驱动、电动驱动和混合驱动，混合驱动以不同的方式组合由不同的推进技术(即：柴油、电动、氢气等)提供的机会。
简而言之，与柴油驱动相比，电动驱动允许改善船舶布局，降低噪声和振动，增强可操作性和操作灵活性，提高效率(在一些情况下)并降低维护成本，并且允许通过使用蓄能器(诸如电池等)来提供替代或组合的电力系统。
相比之下，电动驱动系统更昂贵，主要是因为相同的推进功率经受更大数量的转换。
因此，电动推进被推荐用于水上船舶，其可以在其工作寿命期间利用电动驱动的大部分优点，从而在更高的初始投资上获得更好的回报。
特别地，它被广泛用于客船和渡船(尤其是由于更好的布局和更低的维护成本)、破冰机和拖船(尤其是由于更大的可操作性和操作灵活性)以及豪华游艇，这可以产生上面列出的最多所有优点。
混合推进系统包括所谓的并联混合系统和串联混合系统。
一种通过称为“耦合器”的部件将内燃机的机械驱动与电机进行组合的系统被定义为并联混合。
并联混合推进系统主要用于游艇，从巡洋舰到巨型和超大型游艇，因为在选择用于船舶的推进配置时的微小技术调整足以将机械驱动的优点与电动驱动的优点相结合，如果与能量积聚系统相关联，则电动驱动完全无噪声地既可以用作助推器(以达到最高速度)又可以用作稳定状态的推进系统(用于以持续速度巡航)。
一般而言，并联系统的电动驱动马达是相对低功率的马达，因为仅在某些情况下才需要以持续速度驱动，例如离开/进入港口、在受保护区域中巡航、船载电池充电。
并联混合系统不允许仅在电动驱动上高速巡航，因为额定用于上述情况的电池组将经受过大的压力，从而降低电池的健康状态(SOH)，并且因此缩短其工作寿命。
一种替代方案可以是增加电池组的尺寸，但是这将意味着增加船舶的重量并提高建造成本(购买更多电池)。
并联混合系统必然涉及使用柴油发电机来产生用于辅助系统的能量。
机房必须不可避免地位于船舶的船尾，使得柴油机可以连接到推进系统，但是这意味着排除了船舶布局的重大改变。
在并联混合系统中，难以减小振动，因为由于发动机和推进轴需要完美地对准而不可能安装有效的振动阻尼系统。
噪声水平也是高的，因为需要为传动轴留下通道意味着柴油推进发动机不能被完全封装。
最后，低速下的能量消耗在并联混合系统中比在电动推进系统中更高。这尤其是由于内燃机在低操作状态下的低效利用，尤其是在固定螺距推动器的情况下。
如果我们选择仅使用直接连接到螺杆或其他类型的推动器的电动马达来提供用于移动船舶的推力并且用于此的电力由任何类型的内燃机(奥托/狄塞尔循环发动机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机等)产生的系统，那么我们可以说是串联混合推进系统。
通常，在串联混合推进系统中，动力由直接安装到柴油发动机的电机(交流发电机)产生。
电机产生能量，该能量然后通过一个或多个逆变器转换并馈送到所有其他产生/吸收/积聚部件公共的母线。
任何部件所需的动力(通常为直流电)从公共的母线“汲取”，并且如果需要，在使用前重新转换为交流电。
利用这种类型的推进，在有效地使用动力之前，需要多次转换，以效率并且因此以消耗为代价。
例如，采用涉及发电机(Gen)、第一AC/DC转换(Inv.AC->DC)、第二DC/AC转换(Inv.DC->AC)和马达(Mot)的配置并且对于每个电机和转换器的效率为0.97，串联混合系统的总效率约为：
0.97(Gen.)·0.97(Inv.AC→DC)·0.97(Inv.DC→AC)·0.97(Mot.)＝88.5％
该系统与传统系统或并联混合系统相比的更高生产成本构成另一个缺点。
由于电力从产生电力的地方转换到使用电力的地方的次数相当多，因此消耗通常比在传统推进系统中更高。
串联混合系统需要不仅用于容纳转换/适配用于不同用途的电力所需的所有部件的电气控制面板而且用于电池的更多空间。
在船舶工程领域中，因此需要一种相对经济且安静并且允许更大的自由度来限定船舶的布局的推进系统。
在此背景下，我们的目的是提出一种能够克服现有技术的至少一些缺点并满足上述需要的船舶推进系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种相对经济且安静并且允许更大的自由度来限定船舶的布局的船舶推进系统。
本发明的一个目的是提出一种(用于游艇和商用船舶的)船舶推进系统，与常规混合推进系统相比，该船舶推进系统适于增加系统的总体能量效率，在通常由航运公司承担的操作成本方面具有有形的优点。
该目的通过一种船舶推进系统来实现，该船舶推进系统包括在一个或多个所附权利要求中描述的技术特征。从属权利要求对应于本发明的可能的不同实施例。
附图说明
船舶推进系统的其他特征和优点在船舶推进系统的优选实施例的以下示例性因此非限制性描述中更加明显。
下面参考附图阐述该描述，附图仅出于说明的目的而提供，而不限制本发明的范围，并且在附图中：
图1示出了表示根据本公开的船舶推进系统的框图；
图2示出了表示根据本公开的具有公共的总线线路的两个船舶推进系统的框图。
具体实施方式
根据本公开的船舶推进系统整体上由附图标记1表示；下面描述的系统的组件表示它们需要实现的功能，并且可以用能够实现相同功能的其他组件或其他组件的组合来代替。
一般而言，取决于基本的船舶设计，船舶可以包括一个或多个下述种类的推进系统。
例如，图2示出了两个推进系统的示意图，其中总线线路是公共的，并且为了更清楚起见，移除了其他部分。
优选地，该船舶包括用于管理和控制船载设备的系统，特别是用于管理用于驱动船载设备的电力并且其在下文中可以由首字母缩略词PMS表示、代表电力管理系统的系统。在申请BO2015A000101中描述了这种管理系统的示例，其通过引用并入本文。
推进系统1包括用于产生电力的发电单元2和用于将电力转换成推进推力的推进单元3。
发电单元2包括发电机G和用于驱动发电机G的运动发生器4。
运动发生器4可以包括例如基于奥托(Otto)、狄塞尔(Diesel)、阿特金森(Atkinson)、汪克尔(Wankel)、斯特林(Stirling)、兰金(Rankine)、布莱顿-焦耳(Bryton-Joule)循环或已知类型的任何其他解决方案的内燃机或燃气涡轮发动机。
发电机G基本上包括定子和转子5，转子5由运动发生器4驱动以用于激励定子。
定子至少包括第一电枢绕组或电枢G1和第二电枢绕组或电枢G2。
电枢绕组或电枢基本上是指定子绕组，其可以包括两相或更多相，优选三相，其中发生由转子5(电感器)引起的电磁感应现象。
在所图示的示例中，发电机G是所谓的具有双绕组G1、G2的发电机。
发电机G包括两个绕组G1、G2，这两个绕组G1、G2位于单个壳体内并且彼此不同，并且实际上与转子5一起限定了具有公共的转子5的两个不同的发电机G1、G2。
仅考虑绕组G1，发电机G优选地产生从50kW至1MW的最大功率和/或从100Nm至10,000Nm的最大扭矩。
仅考虑绕组G2，发电机G优选地产生从50kW至1MW的最大功率和/或从100Nm至10,000Nm的最大扭矩。
在下文中，绕组G1和绕组G2也被称为两个发电机G1、G2。
在替代实施例中，基于应用，发电机G包括更多绕组。
在实施例中，发电机G是异步电机。
在实施例中，发电机G是同步电机，例如永磁电机。
推进单元3包括推动系统6和用于驱动推动系统6的至少一个电动马达M。
推动系统6包括例如水面推动器和/或方位足和/或船尾足和/或喷射器和/或IPS和/或其他推动系统。
电动马达M包括定子，该定子具备至少第一绕组M1和第二绕组M2；第一绕组M1和第二绕组M2是独立的，并且可以彼此独立地被供电。
电动马达M包括两个绕组M1、M2公共的用于驱动推动系统6的转子7。
绕组M1、M2是指定子绕组，其也可以包括两个或更多个导体和/或相，优选三个，其被供电以产生使转子7旋转的电磁场。
在所图示的示例中，电动马达M是所谓的具有双绕组M1、M2的马达。
在替代实施例中，基于应用，电动马达M包括更多绕组。
电动马达M包括两个绕组M1、M2，这两个绕组M1、M2位于单个壳体内并且是不同且独立的，并且与转子7一起限定了具有公共的转子7的两个马达M1、M2。
在下文中，绕组M1和M2也被明确地称为两个电动马达M1、M2。
仅考虑绕组M1，电动马达M优选地产生从50kW至1MW的最大功率和/或从100Nm至10,000Nm的最大扭矩。
仅考虑绕组M2，电动马达M优选地产生从50kW至1MW的最大功率和/或从100Nm至10,000Nm的最大扭矩。
在下文中，为了方便起见，参考两个电动马达M1、M2。
在一个实施例中，电动马达M是异步电机。
在一个实施例中，电动马达M是同步电机，例如永磁电机。
推进系统1包括总线线路8和推动线路9，两者都由发电单元2供电。
在所图示的示例中，推进系统1包括用于为推动线路9和总线线路8供电的单个发电单元2。
在实施例中，如果需要，推进系统1包括用于为总线线路8供电的第二发电单元。
总线线路8和推动线路9可以为电动马达M供电。
总线线路8和推动线路9可以彼此独立地分别为马达M1和马达M2供电。
更具体地，如图所示，总线线路8由发电机G1供电，推动线路由发电机G2供电。
总线线路8为电动马达M1供电，并且推动线路9为电动马达M2供电。
在实践中，推进线路9是将能量产生系统直接连接到推进单元3的推进系统1的部分。
推进系统1包括沿着推动线路9安装以断开或闭合线路本身的开关10。
开关10例如由用于管理和控制船舶上的船载设备的PMS进行驱动。
开关10例示了用于断开和闭合推动线路9以便将所产生的能量直接馈送到推进单元3(也就是说，基本上不转换由发电机G2产生的能量)的系统。
例如，开关10包括接触器或电力中断器。
参考所图示的示例，由发电单元2产生的电能被认为是以交流电产生的；可以针对以直流电流产生的能量进行类似的考虑，除了使用不同种类的转换器的情况。
推进系统1包括用于转换来自发电机G(特别是来自发电机G1)的电能以便以直流为总线线路8供电的AC/DC转换器11。
推进系统1包括用于为马达M供电并且位于总线线路8和马达之间的DC/AC转换器12。
更具体地，DC/AC转换器12可操作地介于总线线路8和马达M1之间，使得马达M1可以由总线线路8本身供电。
在通过示例的方式图示的实施例中，推进系统1包括与总线线路8连通的积聚系统13，优选地在AC/DC转换器11的下游。
蓄积系统13被提供为蓄积由发电机G产生的电能，特别是由发电机G1产生的电能。
蓄积系统13可包括例如电容器和/或超级电容器和/或电池。
电池可以是例如锂离子电池、锂聚合物电池、钠镍电池、镍-金属氢化物(铅)电池、AGM(凝胶)电池、机械电池、石墨烯电池、固态电池或其他类型的电池。
如示意性地图示的，推进系统1包括在总线线路8和蓄能系统13之间的DC/DC转换器14，以允许总线线路8和蓄能系统13之间的能量交换。
在所图示的示例中，推进单元3包括由总线线路8供电的至少一个电动推进器15，例如操纵推动器或隧道推动器。
电动推进器15包括由总线线路8供电的电动马达M3和由电动马达M3驱动的推进装置16(例如推动器)。
推进系统1包括用于为马达M3供电并且位于总线线路8和马达之间的DC/AC转换器17。
所图示的示例示出了用于将总线线路8连接到(例如，端口中的)外部电源的AC/DC转换器18。
所图示的示例示出了用于从总线线路8为船舶上的电力用户U(例如酒店)供电的DC/AC转换器19；优选地，能量变换器系统T被提供在DC/AC转换器19的下游。
如上所述，一般而言，取决于基本的船舶设计，船舶可以包括本文描述的种类的一个或多个推进系统。例如，船舶可以包括两个推进系统1，优选地是相同的，如图1所示具有公共的总线线路8。
下面示出了具有以下特征的半排水量游艇中的推进系统1的操作的两个实际示例：
| 长度： | 50米 |
| 船幅 | 8.45米 |
| 吃水(全排水量) | 2.30米 |
| 总吨位 | <500GT |
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下面的图示出了被选择为运动发生器4的已知柴油发动机模型的等消耗曲线、以及发动机必须沿着其输送电力的曲线。
基于上述示意图，已经选择了被标记为P1和P2的两个操作点。
P1位于1400rpm，具有1,700Nm的阻力矩，因此能够产生250kW的功率；另一方面，第二点P2位于2,000rpm(与推进系统的最大输入速度一致的旋转速度)，具有2400nm的阻力扭矩和500kW的总产生功率。
上述功率由推动线路隔开，因此减半(2×500kW)。
示例1-船舶以9节行进
例如，存在用于以9节行进的两种策略：
1)仅使用一个发电单元2
推进系统1中的一个的运动发生器4被带到操作位置P1，以恒定的rpm运行并且以205g/kWh的单位功率消耗输送恒定的250kW。
由发电机4驱动的发电机G1产生的所有能量被传递到总线线路8并且用于推进，从而为两个推进系统1的马达M1提供电力。
实际上，单个发电单元2可以穷尽地为两个马达M1供电，因为功率需求是220kW而不是可用的250kW。
2)使用两个发电单元2
两个推进系统1的运动发生器4都被带到操作位置P1，以恒定的rpm运行并且以205g/kWh的单位功率消耗输送恒定的250kW。
对于每个推进系统1，发电机G1输送250kW，250kW中的110kW用于为相应的马达M1供电，而来自每个发电单元2的140kW到达蓄能系统13。
有利地，在产生能量一小时之后，将有足够的能量供船舶以9节完全无噪声地行进一个整小时，因为将蓄积可用于该时间长度的能量的量(140kW+140kW冗余)。
在策略编号1的情况下，发电机G1以1,400rpm输送250kW，而与G1集成在同一电机中并且因此也以1,400rpm运行的发电机G2不使发动机M2处于负载下，因为它与发动机M2断开连接(直到达到1400rpm，点P1)。
类似地，对于策略编号2，发电机G1以1,400rpm输送250kW，而各自与相应的G1集成在相同的电机中并且因此也以1,400rpm运行的发电机G2不使相应的发动机M2处于负载下，因为它们与相应的发动机M2断开连接(直到达到1400rpm，点P1)。
示例2-船舶以最大速度行进
当船舶的速度增加到最大速度时，达到上述点P2。
一旦超过1,400RPM阈值，安装在每个推进系统1的交流发电机G2和电动马达M2之间的接触器10就被电力管理系统关闭。
运动发电机4(例如柴油发电机)以双重方式运行，也就是说：
-交流发电机G1达到多达2000rpm，同时产生250kW的相同输出功率，该输出功率被输送到相应的M1；
-以rpm>1400运行的交流发电机G2沿着从P1到P2的高达2000RPM的路径将电力直接输送到相应的推进马达M2。
柴油发电机4达到的rpm越高，直接输送到对应推进电动马达M2的功率越高。这意味着从1,400rpm到2,000rpm，柴油发电机4好像直接安装到相应的马达M2，因此好像船舶由传统的推进系统驱动。
可以在涉及单个推进系统1的下曲线图中快速识别以上内容：
x轴示出了发电机G1和发电机G2的rpm，而y轴示出了由发电机G1和G2输送的以kW为单位的电力。
深色虚线表示由交流发电机G1产生的电力，中等深色虚线表示由交流发电机G2产生的电力，而浅色虚线表示由发电单元2产生并且完全发送到两个推进电动马达M1、M2的总电力。
交流发电机处的总阻力扭矩和所输送的总最大功率由交流发电机处的单个值的总和给出:
1.700Nm(G1)+700Nm(G2)＝2.400Nm(G1+G2)
250kW(G1)+250kW(G2)＝500kW(G1+G2)
对于第一个250kW，考虑到总效率(两个电机和两个转换)，到推动系统6的轴的有功功率为：
G1:250·88,5％＝221kW
对于第二个250kW，考虑到总效率(两个电机)，到推动系统6的轴的有功功率为：
G2:250·94％＝235kW
对于每个推进系统1，可用功率由P1和P2的总和给出，也就是说：
Ptot＝221kW+235kW＝456kW
如果已经使用了如引言中描述的串联混合系统，则结果将是：
Ptot＝2·P1＝2·221kW＝442kW
对应于推进系统1的总效率低3％。
所描述的解决方案带来了重要的优点。
推进系统包括互连的主要部件的组件，所述互连的主要部件能够使用由热力机产生的运动或从另一来源得到的运动来产生能量。该能量在总线线路和直接推动线路之间进行分配。前者(即总线线路)用于与电池(如果提供的话)一起为辅助服务提供功率，并且还可以同时用于为推动系统供电，而后者(即直接推动线路)直接连接到电动推进马达。
运动产生系统连接到具有多个绕组的同步或异步发电机，所述多个绕组具有公共的转子。
总线线路负责对于从源获得并且旨在用于所有不同的能量用户系统(辅助设备、电池(如果提供的话)和推进)的电能进行转换。能量通过一系列转换器、变压器和逆变器进行转换，该一系列转换器、变压器和逆变器能够将电流的状态从交流改变为直流并且反之亦然使得它能够被相关系统直接使用。
直接推动线路使能量产生系统与推动系统直接连接。沿着直接推动线路，可以存在任何种类的电力中断器，例如接触器。
电动推动马达负责将来自总线线路、来自直接推动线路和来自电池(如果提供的话)的能量转换成机械推动运动。电动马达是同步的或异步的，并且可以直接安装到所选择的推进系统。
推进系统允许优化总体效率，降低造船厂的生产成本，降低了船舶功率消耗，并且减少了与船舶推进相关的部件所占据的空间。
因为不需要内燃机和推动系统之间的直接机械连接，所以船舶布局更灵活。
发电单元可以安装在具有相对低的邵氏硬度(Shore)的振动阻尼支撑件上，从而减少振动，因为没有机械公差要观察。
发电单元可以封装在吸音/隔音板中，从而减少空气传播的噪声。
可以使用单个能量源用于推进和需要它的用户系统，例如与酒店连接的用户系统。
通过结合电池使用仔细管理热机，可以在显著低于传统推进系统的消耗速率的消耗速率的情况下以节能速度产生用于推进的能量。
推进机器可以安装在减小的空间中，因为对于所输送的相同量的电力，电动马达比内燃机小得多且轻得多，并且不需要任何辅助部件来确保其正确操作(例如，排气)。
总线线路的输入可以是以任何电压和频率的电力。
如果具备能量累积系统，则船舶可以在零排放的情况下以全电动驱动巡航。
Claims (9)
1.一种船舶推进系统，包括发电单元(2)、由所述发电单元(2)供电的总线线路(8)和推动线路(9)，其中所述发电单元(2)包括至少一个运动发生器(4)以及由所述运动发生器(4)驱动的发电机(G)，所述至少一个运动发生器(4)例如是奥托或狄塞尔循环内燃机或燃气轮机，所述发电机包括：
定子，所述定子包括：用于为所述总线线路(8)供电的至少第一电枢(G1)、用于为所述推动线路(9)供电的至少第二电枢(G2)，
第一转子(5)，所述第一转子(5)由所述运动发生器(4)驱动并且是所述第一电枢(G1)和所述第二电枢(G2)公共的，
所述推进系统包括推进单元(3)，所述推进单元(3)包括推动系统(6)和用于驱动所述推动系统(6)的至少一个电动马达(M)，所述电动马达(M)包括定子，所述定子具备能够由所述总线线路(8)供电的至少第一绕组(M1)和能够由所述推动线路(9)供电的至少第二绕组(M2)，所述电动马达(M)包括第二转子(7)，所述第二转子(7)能够由所述第一绕组(M1)和所述第二绕组(M2)驱动，所述推动线路(9)与所述总线线路(8)不同。
2.根据权利要求1所述的推进系统，包括沿着所述推动线路(9)安装以断开或闭合所述推动线路(9)的开关(10)。
3.根据权利要求1或2所述的推进系统，包括在所述第一电枢(G1)和所述总线线路(8)之间的第一转换器，例如AC/DC转换器(11)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，包括在所述总线线路(8)和所述第一绕组(M1)之间的第二转换器，例如DC/AC转换器(12)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，包括：与所述总线线路(8)连通的蓄积系统(13)。
6.根据权利要求5所述的推进系统，包括在所述总线线路(8)和所述蓄能系统(13)之间的第三转换器，例如DC/DC转换器(14)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其中所述推进单元(3)包括由所述总线线路(8)供电的至少一个电动推进器(15)。
8.根据权利要求7所述的推进系统，包括在所述总线线路(8)和所述电动推进器(15)之间的第四转换器，例如DC/AC转换器(17)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，包括用于为所述推进线路(9)和所述总线线路(8)供电的单个发电单元(4)。
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