ES2266849T3

ES2266849T3 - Sistema de equipamiento de buques tipo marinos (militares) para la propulsion electrica de buques marinos (militares) de diferentes tamaños y potencias de propulsion.

Info

Publication number: ES2266849T3
Application number: ES03750349T
Authority: ES
Inventors: Matthias Schulze; Wolfgang Rzadki; Karl-Otto Sadler; Hannes Schulze Horn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-14
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: DE50306439D1; US7353764B2; EP1537018B1; US20060166568A1; EP1537017B1; AU2003266927A1; EP1537018A2; DE10393752D2; WO2004026685A3; DE50306326D1; EP1537016A1; WO2004026683A1; WO2004026684A1; US7335072B2; US20060135006A1; KR20050042820A; ATE330842T1; DE20214297U1; DE10393747D2; AU2003269707A1

Abstract

Sistema de equipamiento tipo buque marino para buques marinos eléctricamente propulsados de diferentes tamaños y potencias de propulsión, en el que los buques marinos, por ejemplo, fragatas, corbetas, lanchas patrulla rápidas, lanchas de combate no tripuladas, o buques de abastecimiento, a designar como buques de sistema de equipamiento, presentan segmentos de equipamiento estándar para la propulsión y accionamiento del buque y donde los tipos individuales de buques marinos tienen cascos de buque, diseñados sobre una base función del tipo, es decir sobre una base específica según el tamaño y la función, mientras que los segmentos de equipamiento para la propulsión, como hélices timón y turbinas hidrojet y accionamiento del buque eléctricos, incluyendo la generación de energía, la distribución de energía y automatización se diseñan independientemente del tipo y se pueden combinar según la potencia de propulsión y la función de los buques marinos individuales, donde los segmentos de equipamiento se diseñan de forma que se puedan instalar de forma prefabricada en diferentes emplazamientos en el casco del buque.

Description

Sistema de equipamiento de buques tipo marinos (militares) para la propulsión eléctrica de buques marinos (militares) de diferentes tamaños y potencias de propulsión.

La presente invención se relaciona con un sistema de equipamiento tipo buque marino para buques marinos (militares) propulsados eléctricamente de diferentes tamaños y potencias de propulsión, donde los buques marinos (militares), por ejemplo, fragatas, corbetas, lanchas patrulla rápidas, lanchas de combate no tripuladas o buques de abastecimiento (buques con sistema de equipamiento) presentan segmentos de equipamiento estándar para la propulsión y accionamiento del buque incluyendo la generación de energía, la distribución de energía y automatización.

Gracias a la WO 02/057132 Al se conoce un buque de superficie militar rápido, que cumple las exigencias modernas sobre pobreza de las emisiones y alta capacidad de supervivencia en caso de impacto. Es objeto de la invención, explicar un sistema de equipamiento de tipo buque, construido con la técnica del buque de superficie militar rápido conocido y que además permite, particularmente para nuevos buques tipo con sistema de equipamiento, una reducción deseable de costes. Por otra parte debería también reducirse el tiempo de adiestramiento del personal técnico en estos buques tipo con sistema de equipamiento hasta un mínimo y simplificarse la logística.

El objeto se resuelve esencialmente de forma que los buques acordes a la invención se extienden más allá de los tipos de sistema de equipamiento "fragata" y "corbeta" a buques tipos menores de sistema de equipamiento, donde los tipos individuales de buques marinos tienen cascos de buque, diseñados sobre una base función del tipo, es decir sobre una base específica según el tamaño y la función, mientras que los segmentos de equipamiento para la propulsión, incluyendo la generación de energía, la distribución de energía y automatización se diseñan, en principio, independientemente del tipo y se pueden combinar según la potencia de propulsión y la función de los buques marinos (militares) individuales, diseñándose los segmentos de equipamiento de forma que se puedan instalar de forma prefabricada en diferentes emplazamientos en el casco del buque, posiblemente adaptado al tipo especial de buque mediante simplificación o reducción. Así es posible emplear en mayor cantidad segmentos de equipamiento fabricados, más modernos, para nuevos tipos diferentes de buque. Las series en la elaboración aumentan proporcionalmente, la proporción de costes de desarrollo se reducen y también el mantenimiento, la existencia de piezas de recambio, la preparación de segmentos de equipamiento de repuesto, etc., son proporcionalmente más económicos. Esto se facilita mediante la formación y combinabilidad independientes del tipo conforme a la invención de los segmentos individuales de equipamiento, para proporcionar el rendimiento global de propulsión necesario para la marcha hasta la velocidad de marcha y para la obtención de la velocidad de combate y/o la velocidad máxima.

Resulta particularmente beneficioso para los conceptos de sistema, que, en comparación con su potencia, los segmentos de equipamiento se diseñen pequeños y ligeros y presenten para ello dispositivos eléctricos con técnica de superconducción de alta temperatura. Estos dispositivos pueden ser tanto motores como generadores o limitadores de corriente para la red de abastecimiento energético necesaria en el buque. Mediante el muy beneficioso empleo de componentes, diseñados en técnica HTS, se reducen ampliamente los pesos y la necesidad de espacio de los segmentos individuales de equipamiento para la generación de energía y la propulsión, así como para los dispositivos de conmutación necesarios para un abastecimiento energético seguro de forma que, para los efectos, es posible cualquier combinabilidad en el buque y una instalación en el posiblemente mejor lugar en el buque. Es además beneficiosamente posible proveer cada área de protección del buque formada tanto con dispositivos de propulsión que operan con autonomía, como con dispositivos de generación de energía adecuados a tal efecto, de forma que se producen buques tipo con sistema de equipamiento, que también tras los impactos y los fallos originados por ello en un área de protección del buque, también crujías o popas, mediante misiles mayores o mediante torpedos, aún son reactivos y se pueden al menos extraer del lugar de absorción del impacto.

Mientras que para las piezas del sistema de armas y el equipamiento de navegación de buques marinos (Militares) ya es habitual desde hace tiempo, emplear segmentos de equipamiento independientes del tipo de buque (por ejemplo, (DREGER W: TENDENCIAS DE DESARROLLO EN LA CONSTRUCCIÓN DE FUTUROS BUQUES CORBETAS Y FRAGATAS Y PUERTOS, PUERTOS MARÍTIMOS-EDITORIAL ERIK BLUMENFELD. HAMBURGO, DE, Vol. 53, Nº 4, Abril 2001 (2001-04), Páginas 47-52, ISSN: 0938-1 643)) contaba esto hasta ahora como imposible para los segmentos de equipamiento de propulsión y los segmentos de equipamiento para el accionamiento del buque así como para la generación de energía, la distribución de energía y en parte también para la automatización. Estos segmentos se formaban hasta ahora de forma que se seleccionaban especialmente para cada tamaño de buque y que el respectivo buque se dimensionaba sobre estos segmentos. De lo contrario, no se afinaban la diferencia de calados, el mantenimiento de maniobra y el mantenimiento general marítimo, etc.. Sin embargo, con los segmentos de equipamiento modernos, nuevos, pequeños y combinables acorde a la invención se ha puesto sorprendentemente de manifiesto, que también los buques de guerra construidos alargados con su alta necesidad de espacio bajo cubierta se pueden equipar beneficiosamente y con aumento de la protección con segmentos estándares de equipamiento para la propulsión y accionamiento del buque incluyendo la generación de energía, la distribución de energía y automatización, sin que deban hacerse deducciones en referencia a la capacidad para navegar, la maniobrabilidad, la aplicabilidad, etc.. Así, resulta particularmente determinante la ejecución de los correspondientes segmentos de equipamiento en la técnica HTS, que - como se ha mostrado en el examen preciso de los buques provistos - posibilitan un equipamiento de buques marinos (militares) con segmentos estándares de equipamiento también para diferentes tamaños de buque, para diferentes funciones, etc..

Acorde a la presente invención se obtiene la provisión de segmentos eléctricos de equipamiento para propulsión y accionamiento del buque incluyendo la generación de energía, su distribución y la automatización, como por ejemplo, instalaciones de células de combustible, baterías de generadores con turbina de gas, baterías de generadores con motor diesel, sistemas de accionamiento de hélices timón, sistemas de accionamiento de turbinas hidrojet, sistemas de accionamiento a bordo, sistemas de distribución de energía en ejecución AC- y/o DC- de media y/o baja tensión así como de sistemas de automatización, están constituidos por módulos y, además, se pueden combinar, para poderlos integrar en un sistema de equipamiento tipo buque para buques de diferentes tamaños y potencias y con ello posibilitan una óptima configuración de los buques marinos de superficie (militares) de diversas Armadas nacionales. Estos segmentos de equipamiento se pueden emplear también para buques civiles, obteniéndose una particular adecuación en particular para buques con funciones soberanas o para superyates.

En acondicionamiento de la invención se prevé que los segmentos de equipamiento, en comparación con su potencia, incluyan segmentos de equipamiento de propulsión pequeños y ligeros, que presenten motores eléctricos con tecnología de superconducción de alta temperatura (HTS), en particular motores, que presenten arrollamientos rotóricos enfriados directa o indirectamente con neón líquido o nitrógeno líquido. Mediante el empleo de motores con tecnología de superconducción de alta temperatura (HTS) se pueden resolver elegantemente los deseables problemas de peso y volumen que aparecen en las propulsiones de buques. Así, por ejemplo, es posible desarrollar hélices timón eléctricas en el intervalo de potencias entre 5 y 8 MW con menos de una tercera parte del peso de los motores convencionales y/o de las hélices timón completas. Al mismo tiempo pueden obtenerse mejores electromagnetismo y ruidosidad. Esto significa que los buques de sistema de equipamiento, tan pronto como se equipan con hélices timón impulsadas eléctricamente (PODS), se detectan peor por parte de los submarinos como buques marinos (militares) con accionamientos
convencionales.

En otro acondicionamiento de la presente invención se prevé que los segmentos de equipamiento, en comparación con su potencia, presenten unidades pequeñas y ligeras de generación de energía, que se diseñan como baterías de generadores de motores de combustión interna sobre bases estándar, estando las baterías de generadores de motores de combustión interna provistas de generadores de tecnología HTS, que, en particular, presentan arrollamientos enfriados directa o indirectamente con neón líquido o nitrógeno líquido. Las baterías de generadores de motores de combustión interna se usan en los buques de sistema de equipamiento, en particular, para el accionamiento de turbinas hidrojet o también para motores de a bordo. También aquí resulta efectivo, que la necesidad de espacio y los pesos sean especialmente pequeños de forma que se pueda disponer, por ejemplo, un accionamiento de turbina hidrojet en el doble fondo directamente delante de los turbinas hidrojet. Al mismo tiempo resulta también aquí efectivo, que se reduzca la detectabilidad frente a máquinas eléctricas
convencionales.

En un acondicionamiento de la presente invención se prevé, en adelante, que los motores y generadores resistentes al choque se diseñen con una amortiguación al choque externa y una interna, consistiendo la amortiguación externa al choque en que los motores y generadores se instalan elásticamente, en particular sobre bases estándar y, además, presentan un sistema estator-rotor unido elásticamente con la carcasa de la máquina, que puede moverse independientemente de la carcasa, es decir, forma una unidad que puede moverse en independientemente la carcasa con sus propios elementos de amortiguación al choque. Mediante esta formación de un sistema de amortiguación al choque para los componentes eléctricos rotatorios de los buques de sistema de equipamiento se obtiene un considerable aumento de la resistencia al choque frente a máquinas eléctricas instaladas sólo sobre bases de amortiguación de choques. En particular, el sistema estator-rotor, que puede moverse independientemente de la carcasa, aumenta la resistencia al choque muy considerablemente. Tampoco se lleva más a cabo un rebote de las partes rotatorias en las partes fijas en caso de impacto en directa proximidad, de forma que las máquinas eléctricas puedan también seguir funcionando intactas tras un impacto de proximidad. La resistencia al choque se eleva también así ampliamente de forma que, acorde a la invención, se prevé, que los estátores de los motores y generadores presenten bobinados del entrehierro. Los bobinados del entrehierro permiten entrehierros muy grandes de hasta 50 mm, de forma que aquí puede preverse una zona de seguridad adicional entre las partes rotatorias y fijas de los motores y generadores eléctricos. Por ello resulta posible con especial ventaja, colocar la carcasa de un criostato en el gran entrehierro formado, de manera que se obtenga así la posibilidad acorde a la invención, de colocar un rotor con tecnología de superconducción de alta temperatura de choque amortiguado. Ya que los bobinados del entrehierro permiten formar el estator y rotor sin dientes de hierro aún en caso de buen grado de arrollamiento, se mejoran también al mismo tiempo el comportamiento electromagnético y la ruidosidad de las máquinas eléctricas. En total se obtiene, por consiguiente, una ejecución especialmente apropiada, beneficiosa de los motores eléctricos o de los generadores para los buques con sistema de equipamiento.

En otro acondicionamiento de la invención se prevé que los cascos de buque presenten un sistema de conductos para neón líquido o nitrógeno líquido, al que se pueden conectar componentes HTS, como motores, generadores y limitadores de corriente, en particular a través acoplamientos rápidos, y que en el casco del buque se dispone al menos una unidad de descomposición del aire para la elaboración de nitrógeno líquido o una unidad de acumulación para neón líquido, que se conecta a través de conducciones con los componentes HTS individuales en el casco del buque. Así es posible compensar las pérdidas de refrigerante en o sobre los componentes HTS individuales y mantener los componentes HTS individuales capaces de trabajar seguro. El empleo de acoplamientos rápidos permite además un rápido recambio de los componentes afectados por el impacto por unidades de reserva. El recambio en alta mar hasta ahora sólo malamente posible resulta ahora posible, sin la menor dificultad, gracias a las pequeñas y ligeras ejecuciones de los componentes HTS. Esto resulta también efectivo, cuando se selecciona una alimentación descentralizada de refrigerante.

En otro acondicionamiento de la invención se prevé que los buques tipo individuales que operan con bajas emisiones, instalables descentralizados, presentan unidades de generación de energía eléctrica, previéndose particularmente que los buques individuales con sistema de equipamiento presenten motores de combustión interna con una introducción de los gases de escape en el agua que rodea a los cascos de los buques. Así se obtiene una ejecución que opera con emisiones totalmente bajas de un sistema de equipamiento de buques, integrándose ventajosamente también corrientes de gases de escape adicionales, fácilmente detectables, como el aire caliente de las instalaciones de climatización o los gases de escape de los reformadores para la elaboración de hidrógeno en los sistemas de introducción de los gases de escape para gases de escape en el agua que rodea el casco del buque.

En adelante se prevé que los buques tipo con sistema de equipamiento presenten unidades de abastecimiento energético que operan sin emisiones, en particular en forma de células de combustible por aspiración de aire, que alimentan preferentemente su energía en una red DC. Mediante el empleo de células de combustible por aspiración de aire se evita la conducción conjunta de oxígeno puro para la operación de las células de combustible, de forma que se obtiene una deseable simplificación en el abastecimiento de las células de combustible con gases de reacción. A bordo de los buques con sistema de equipamiento deben estar presentes únicamente los depósitos de hidrógeno o reformadores, que generan hidrógeno a partir de un hidrocarburo líquido. Ya que se conocen reformadores adicionales en diversos acondicionamientos, se dispone en total de un sistema de propulsión que opera sin emisiones para los buques tipo con sistema de equipamiento, que se emplea sin la menor dificultad. Mientras que en el caso de los componentes de propulsión, como motores y generadores, existen hasta ahora predominantemente prototipos que tienen ya también a sus espaldas largos periodos de prueba; en el caso de las unidades de abastecimiento energético que operan sin emisiones se trata de una técnica ya probada, que se emplea, por ejemplo, en el ámbito de los submarinos.

En acondicionamiento de la invención se prevé, además, que las células de combustible se diseñen en forma de células de combustible PEM o en forma de células de combustible directas de metanol (MDFC) o células de combustible de carbonato fundido (MCFC). Con todo esto, resulta especialmente beneficioso por motivos técnicos y de costes, cuando las células PEM y células de combustible con mayor temperatura de operación forman un sistema de energía y calor, en el que generan energía según las necesidades correspondientes a sus diferentes dinámicas. Se prevé además, por ejemplo, que las células PEM absorban la proporción altamente dinámica del consumo de energía y las células de combustible con mayor temperatura el funcionamiento en carga mínima. Así se producen deseables ventajas en los costes, ya que las células de combustible PEM resultan muy caras debido a su alta proporción de catalizador y sus asimismo costosas membranas y los componentes individuales así unidos. Esto no es aplicable a las células de combustible con mayor temperatura, de forma que se puede formar un sistema globalmente más económico y que ocupa sólo relativamente más peso y área. Acorde a la invención, la mayor temperatura por el funcionamiento de las células de combustible y/o los gases de escape emergentes de los reformadores diesel se mezclan con el agua que rodea el casco del buque. Mediante detectores infrarrojos se detectan no sólo los conectores de gases de escape, sino también corrientes de gases de escape libres de hollín, debido a las diferencias de temperatura que aparecen. Mediante la introducción de todas las corrientes térmicas en el agua circundante se dificulta considerablemente su detectabilidad, y/o no resulta ya posible horizontalmente. Únicamente resulta posible una localización del agua caliente de popa de un buque tipo con sistema de equipamiento acorde a la invención mediante satélites altamente sensibles. Su periodo de rotación no es sin embargo tan pequeño, que no pueda haberse llevado a cabo entre una detección y la siguiente una deseable modificación del emplazamiento del buque. El lugar en que se encuentra un buque con sistema, se puede averiguar, por eso, sólo muy esporádicamente mediante detectores infrarrojos.

En otro acondicionamiento de la conformación sin palas de timón de los buques con sistema de equipamiento se prevé, que presenten turbinas hidrojet controlables independientemente unos de otros, en particular turbinas hidrojet en parejas. Así también resulta aún posible una variación del rumbo de los buques con sistema de equipamiento, cuando increíblemente por una vez deberían fallar tanto los propulsores como las hélices timón. Los buques con sistema de equipamiento son, por consiguiente, incluso maniobrables, cuando dos de las tres zonas de seguridad del buque (proa, popa y nave central) se encuentran afectadas por el impacto. Equivalentemente se distribuyen también los agregados individuales de generación de energía en el buque, para que los posibles componentes de propulsión y gobierno aún en condiciones de funcionamiento se puedan abastecer con energía.

En otro acondicionamiento de la invención se prevé, que los buques con sistema de equipamiento presenten elementos de red AC y DC para la conexión de las unidades individuales de generación y consumo de energía. Mediante la conexión de los elementos de red AC y DC en los buques con sistema de equipamiento resulta factible, ajustar las diferentes generaciones y consumos de energía presentes a bordo de los buques de sistema de equipamiento posiblemente a la demanda, y, por tanto, unirlas eléctricamente de forma óptima. Se prevé además beneficiosamente que entre los elementos de red se coloquen convertidores que unan los elementos de red. Así, los elementos de red pueden presentar diferentes tensiones y, en caso de elementos de red AC, también diferentes frecuencias. Además, es posible dimensionarlos para las diferentes corrientes que deben circular por ellos hacia los consumidores.

En un acondicionamiento especial se prevé además que entre las células de combustible y las hélices timón eléctricas se provea una red DC, equipada con un limitador de corriente HTS. Las hélices timón eléctricas son, acorde a la invención, el consumidor principal de energía DC, las células de combustible los generadores principales de energía para el funcionamiento normal. Con un limitador de corriente HTS se pueden controlar de forma segura cortocircuitos, por ejemplo, provocados por un impacto, aunque también por un defecto en el aislamiento, sin que se produzca un arco voltaico en el buque, que sólo se puede desconectar con un gran conmutador. En el caso de empleo de interruptores DC mecánicos resulta perjudicial que precisen una zona de expulsión, de la que salgan gases tóxicos en caso de accionamiento. Esto puede conllevar un considerable daño para la salud de las personas cercanas y se evita con seguridad mediante el empleo de limitadores de corriente HTS. Los limitadores de corriente HTS están asimismo, como los motores y generadores HTS, en un estado avanzado de desarrollo y ya se pueden producir y emplear.

Los limitadores de corriente HTS se emplean también ventajosamente entre los elementos individuales de red, en particular entre elementos de red DC, para facilitar una separación sin problemas de las redes individuales. Resulta especialmente beneficioso, con todo esto, que los limitadores de corriente HTS estén ya disponibles en una ejecución con enfriamiento por nitrógeno líquido, no recurriéndose aquí, por consiguiente, tampoco ahora al neón líquido más caro e introducido en depósitos. Mediante el empleo de limitadores de corriente HTS puede formarse ventajosamente un sistema de generación de energía para buques tipo con sistema de equipamiento acorde a la invención, que se puede diseñar de forma segura y, sin embargo, variable, de manera hasta ahora
desconocida.

En una ejecución particular de la invención se prevé disponer entre el generador, especialmente impulsado por una turbina de gas, y los turbinas hidrojet un elemento de red de mayor frecuencia, por ejemplo, hasta 400 Hz. Mediante el empleo de un elemento de red de alta frecuencia para el abastecimiento de los turbinas hidrojet con energía eléctrica se pueden emplear muy ventajosamente pequeños generadores como los habituales hasta ahora, siendo también posibles menores mecanismos entre los generadores y las turbinas de gas de alta velocidad. En total se obtiene con la mayor frecuencia un elemento de red de abastecimiento de turbinas hidrojet, que la unidad generadora de la turbina de gas para el abastecimiento de los turbinas hidrojet con energía eléctrica también del orden de MW se puede desarrollar tan pequeña que puede instalarse en el doble fondo de un buque con sistema. El empleo de elementos de red de alta frecuencia en pequeños buques resulta de particular ventaja, ya que aquí el problema del peso y del espacio sigue siendo un agravante mayor que en unidades mayores. También aquí se opera, por consiguiente, beneficiosamente con elementos de red de diferentes tensiones y frecuencias.

En otro acondicionamiento de la invención se prevé, que los buques tipo presenten un sistema de automatización, que presente una central de automatización, que se conecta con las zonas individuales del buque, en particular, a través de un sistema redundante de buses, especialmente a través de buses de fibra óptica. El bus de sistema se forma ventajosamente, acorde a la invención, como red segmentada, con lo que el bus por sí mismo tiene preferentemente un diseño redundante y la red segmentada conecta las zonas individuales de protección del buque de forma redundante con la central. Así se obtiene un máximo de seguridad de transferencia, que la central incluso permite también tras un duro impacto agarrar las individuales zonas de seguridad del buque.

La central misma se diseña beneficiosamente con operación total o parcialmente automática y se construye de forma que en ella se pueden incluir también decisiones controladas por el sistema. La central facilita convencionalmente únicamente las informaciones de gobierno del buque para sus decisiones. En el caso de impactos en la central u otras graves averías del accionamiento del buque resulta a veces sin embargo necesario, que el buque siga funcionando inmediatamente de forma automática, sin decisiones humanas. Esto está previsto acorde a la invención.

Para el funcionamiento habitual se prevé, que la central presente un sistema de asesoramiento, que se diseña como superior nivel para la automatización y permite la indicación de todos los valores medidos, la representación de las estadísticas de la instalación y de las constelaciones de circuito. Así se garantiza que convencionalmente se disponga de una decisión tomada por un operador humano, lo que resulta especialmente importante en caso de combate, ya que incluso el mejor sistema experto no puede prever todas las posiciones de combate. El caso habitual es, por consiguiente, el gobierno del buque dirigido por el operador, con lo que el sistema de automatización brinda ayudas a la toma de decisiones sobre las propuestas de maniobra.

Los buques con sistema de equipamiento se equipan además beneficiosamente con un sistema de gestión del ciclo de vida y sistema de monitorización del estado para el control de la logística. Así puede hacerse un uso especialmente oportuno del concepto de sistema. Mediante la uniformidad de los componentes individuales disponibles en el buque resulta posible prever un rápido recambio de componentes, que han llegado al final de su ciclo de vida o que presentan una avería. Los componentes elaborados en mayor número y alojados centralizados o incluso descentralizados se pueden llevar entonces rápidamente al buque con sistema de equipamiento y cambiarse allí.

En otro acondicionamiento de la invención se prevé, que los buques con sistema de equipamiento presenten un sistema de control estándar de daños en combate, incorporado al sistema de automatización y que permite también una representación de todas las áreas internas y sus estados al menos en un monitor. Así puede verificarse ventajosamente un funcionamiento de los buques con sistema de equipamiento con considerablemente reducida tripulación, ya que están sustancialmente de sobra las cuadrillas de localización de fugas o averías. El sistema de control estándar de daños en combate es capaz de dar aviso de todas las averías al y en el buque y representarlas en el puente. Se pueden provocar contramedidas automáticamente o según instrucciones. También en este contexto emplearse beneficiosamente un sistema experto.

Los buques con sistema de equipamiento acordes a la invención son capaces, acorde a la invención, de formular decisiones o bien automáticamente controladas por el sistema, cuando lo requiere la situación de seguridad, o al menos explicar al servidor los modelos de decisión, que este puede tomar o desestimar. La automatización como base para las decisiones establece determinados valores de datos de proceso, estadísticas de la instalación, constelaciones de circuito y puede representarlos y un sistema de apoyo a la toma de decisiones/sistema experto desarrolla a partir de esta cantidad de datos de proceso una propuesta de decisión, que presenta al operador la situación tratada, de forma que este pueda decidir sobre la base del actual estado del buque. El operador puede aceptar además los modelos de decisión del sistema o desestimarlos, por ejemplo, debido a la situación táctica. Así puede en caso extremo por ejemplo, aceptarse una pérdida de refrigerante en los componentes HTS, incluso cuando se esperan graves daños tras un periodo.

En el contexto del sistema de control de daños en combate se representan de forma elaborada los estados de las áreas internas y también la situación sobre la cubierta superior y se distribuyen también por diferentes canales de entrada en el buque, de forma que quien toma las decisiones no tiene que estar presente en el puente de mando. Puede conectarse, acorde a la invención, en diferentes posiciones del buque sistematizado a los sistemas de automatización o de control de daños en combate y gobernar también el buque, por ejemplo, desde popa.

Para los buques con sistema de equipamiento se prevén segmentos de generación de energía y de equipamiento de propulsión de diferentes potencias; por ejemplo, hélices timón de peso ligero de 7 MW con motores HTS, así como turbinas hidrojet de 7 MW con motor de accionamiento HTS para un empleo en fragatas, corbetas y una lancha rápida, así como un turbina hidrojet ligeramente estrangulado con motor de accionamiento HTS para el empleo en una lancha de combate no tripulada. Pertenecen a este grupo, por ejemplo, las turbinas de gas/ agregados de generación HTS de energía en el buque con motor diesel de diferentes potencias y con fundamentos para diferentes lugares de empleo en los buques con sistema de equipamiento con potencias de 1 MW, 2 MW, 4 MW y 16 MW. Estos segmentos de equipamiento se pueden emplear tanto en fragatas como en corbetas, lanchas patrulla rápidas y en lanchas de combate no tripuladas. Los módulos de células de combustible para las instalaciones de células de combustible pueden tener diferentes tamaños, debido en principio a su modularidad, de forma que únicamente los módulos individuales, por ejemplo, de 30 a 40 KW o de 120 a 150 KW, están estandarizados. Además, se emplean segmentos estandarizados de distribución de energía y de alimentación de corriente a bordo, son iguales en sus piezas fundamentales para fragatas, corbetas, lanchas patrulla rápidas y lanchas de combate. Únicamente sus longitudes de línea, etc., son diferentes. La automatización para los buques con sistema de equipamiento es, en principio, igual para todos los buques, entendiéndose sin embargo que acorde a los objetivos se puedan seleccionar otros conjunto de sensoreses y emplear otras representaciones.

La presente invención se explica a fondo mediante los dibujos, de los que se deducen, del mismo modo que de las subreivindicaciones, especificaciones adicionales, también de ingeniosa naturaleza.

Individualmente muestran:

Figura 1: buques tipo de sistema de equipamiento de diferentes tamaños y ejecuciones;

Figura 2: una comparación de tamaño entre un generador convencional y un generador HTS;

Figura 3: una comparación de distribución entre un turbina hidrojet con motor HTS y un motor convencional;

Figura 4 una sección esquemática de un limitador de corrientes HTS con agregados auxiliares para una producción descentralizada de refrigerante;

Figura 5 la construcción principal de una instalación de células de combustible por aspiración de aire;

Figura 6 la construcción principal de una red de propulsión de buque con sistema de equipamiento;

Figura 7 la construcción principal de un sistema de automatización para una fragata;

Figura 8 la construcción principal de un sistema de automatización para una corbeta;

Figura 9 la construcción principal de un sistema de automatización para una lancha rápida;

Figura 10 la principal construcción de un sistema de automatización para una gran lancha de combate no tripulada y

Figura 11 la principal construcción de un sistema de automatización para una pequeña lancha de combate no tripulada.

En la Figura 1 designa 1 una fragata en ejecución de buque con sistema de equipamiento. Otra fragata tiene por ejemplo un desplazamiento tipo de 5000 a 6000 t, su velocidad es mayor que 30 kn y posee como accionamiento dos hélices timón eléctricas de 7 MW y dos hélices gemelas (cada una de 14 MW), además de posiblemente un propulsor en proa. La energía eléctrica se genera por ejemplo mediante dos generadores de 16 MW y cuatro instalaciones de células de combustible de 4,5 MW.

Con 2 se representa una corbeta como buque con sistema de equipamiento. Esta tiene por ejemplo un desplazamiento tipo de aproximadamente 2000 t, su velocidad es mayor que 36 kn. Es impulsada, por ejemplo, por una hélice timón eléctrica de 7 MW y dos hélices gemelas de 14 MW. Tiene dos generadores de 16 MW así como una instalación de células de combustible de dos veces 4,5 MW.

3 designa una lancha rápida como buque con sistema de equipamiento. Esta tiene un desplazamiento de agua de aproximadamente 400 t, su velocidad es mayor que 40 kn. Posee, por ejemplo, un propulsor timón de 0,25 MW y dos hélices gemelas de 14 MW. La potencia del generador asciende a 16 MW. La potencia de la instalación de células de combustible asciende a dos veces 0,5 MW.

Con 4 se designa una lancha de combate no tripulada, que presenta un desplazamiento tipo entre 75 y 200 t y cuya velocidad es mayor que la velocidad de la lancha patrulla rápida. Posee, por ejemplo, en popa un pumpjet como propulsor timón y presenta un turbina hidrojet de una potencia entre 5 y 10 MW. La potencia del generador asciende a entre 4 y 8 MW. La instalación de células de combustible produce entre 2 y 4 MW. Estas lanchas de combate no tripuladas influenciarán más y más la estrategia del futuro, ya que pueden dirigir ofensivas tanto con misiles como con torpedos, sin que se deban temer las propias pérdidas de vidas humanas. Ya que no tienen tripulación, pueden servir como observador manteniéndose también mayor tiempo ocultas, volviéndose activas sólo cuando se vislumbra una situación de peligro. En conjunto se obtiene con los nuevos buques con sistema de equipamiento la posibilidad de una claramente mejor y más moderna (que hasta ahora) estrategia naval.

En la Figura 2, 5 designa el tamaño de un generador convencional con una potencia de 16 MW y 3600 rpm. Con 6 se designa el tamaño de un generador HTS de la misma potencia y mismo número de revoluciones. En la Figura 2 se muestran además las medidas exteriores de los respectivos agregados. Como se deduce, es posible construir el generador HTS considerablemente menor y más ligero que el generador convencional. Los correspondientes generadores están presentes en el ensayo a largo plazo.

En la Figura 3, 7 designa un turbina hidrojet y 8 un motor HTS, que se emplea como impulso directo. En comparación, 9 designa el tamaño de un motor convencional como impulso directo y 10 un motor convencional con un reductor necesariamente regular. Con 11 se designa el forro exterior del buque y como se deduce, es posible, con el motor HTS de pequeña construcción, aproximarlo considerablemente más cerca del turbina hidrojet, de forma que se obtenga también un corto eje de accionamiento. En conjunto, la unidad motor - turbina hidrojet se reconstruye considerablemente menor, de forma que se posibilite la colocación en el doble fondo de una fragata o corbeta. Esto ofrece completamente nuevas y ventajosas posibilidades para la construcción de la parte central de una fragata o corbeta.

En la Figura 4 se representa un sistema de limitadores de corriente HTS 12, construido como sistema autónomo. El sistema de limitadores de corriente 12 contiene como componentes esenciales al criostato 13 con los módulos limitadores de corriente encajados en el criostato 13, sobre los que se colocan por regla general conductores HTS como conductores planos en forma de meandro. Las barras colectoras 16, posiblemente unidas a los elementos de red, conducen a los módulos limitadores de corriente formados por este medio. El enfriamiento del fluido en el criostato, por ejemplo, nitrógeno líquido, se lleva a cabo a través de la cabeza fría 15, que se abastece de refrigerante desde el condensador 17. 18 designa una unidad con dispositivos de evaluación, de los que parten también señales hacia un conmutador, que separa definitivamente los circuitos eléctricos individuales tras la reacción del limitador de corriente. En el condensador, un conducto de agua conduce a la refrigeración de retorno. En lugar del condensador puede conectarse la cabeza fría también a una tubería colectora. Entonces no se trata ya de un dispositivo autónomo, sino de un dispositivo integrado en un circuito de refrigerante.

Al igual que los módulos limitadores de corriente en el criostato, los transformadores operan en principio también con arrollamientos HTS, que se pueden emplear entre redes AC de diferentes tensión a bordo de los buques con sistema de equipamiento y presentan pérdidas especialmente escasas. En conjunto, se obtiene una considerable reducción de los componentes de una determinada potencia a instalar, mediante el empleo de componentes HTS, como motores y generadores así como posiblemente transformadores. Otra ventaja esencial además de la reducción del peso y del espacio gracias a los segmentos de equipamiento HTS!

En la Figura 5 se designan con 19 los bloque de células de combustible. Consisten en módulos individuales indicados gráficamente, conectados en serie. El hidrógeno se introduce en los módulos sin consumo de energía, mientras los motores del condensador precisen de energía de accionamiento para el aire oxidante, se trata acorde a la invención de células de combustible por aspiración de aire, que se designan con 20. Los motores del condensador presentan un convertidor DC/AC. Se abastecen de energía de las células de combustible a través de una red DC. La red DC se lleva a través de un módulo convertidor DC/DC hasta 3 kV, la red habitual DC de tensión a bordo para los buques con sistema de equipamiento. Ya que las células de combustible precisan de una energía externa inicial, esta se introduce 23 y se transforma a través de un convertidor AC/DC. La instalación de células de combustible presenta también una unidad para la técnica de control con conexiones a los componentes técnicos de procedimiento de la instalación, como por ejemplo, con la alimentación o depósito de hidrógeno.

En la Figura 6, que muestra los principios de una red de a bordo para los buques con sistema de equipamiento, se simboliza mediante 25 la generación de energía con instalaciones de células de combustible. 26 simboliza la generación de energía con generadores de turbina de gas y 27 designa la red de las células de combustible. 28 designa la red de propulsión del generador de turbina de gas y 29 el impulso en régimen de marcha. 30 se refiere al impulso en régimen máximo (turbina hidrojet) y 31 a un impulso auxiliar, por ejemplo, un propulsor. 32 simboliza el abastecimiento energético del sistema de armas y 33 las unidades para la distribución de baja tensión, sus instalaciones de distribución, etc., (central eléctrica). Las unidades individuales se sitúan en diferentes zonas de seguridad del buque, simbolizadas mediante SSB1, SSB2, SSB3 y SSB4. Pueden corresponder incluso a otras zonas de seguridad del buque. En conjunto, se obtiene una red de propulsión y de a bordo, que se orienta hacia un considerable incremento del valor estratégico frente las ejecuciones anteriores y permite también dominar el buque tras fuertes impactos, por ejemplo, por un proyectil aéreo, y da la posibilidad de sacarlo del campo de batalla.

Las Figuras 7 a 11, en las que se representan las centrales de automatización de los buques con sistema de equipamiento, se explican mediante los símbolos empleados y los propios dibujos. También aquí se obtiene la división en zonas de seguridad del buque conforme a la invención y su conexión a través del bus de sistema, que puede posiblemente completarse incluso con conexiones punto a punto con sitios especialmente importante. La conexiones punto a punto forman entonces una red de cubierta, obteniéndose una redundancia adicional. Tanto para el bus de sistema como para la red de cubierta se emplean cables de fibra óptica. El bus de sistema posee diversos puntos de conexión, de los que se pueden extraer representaciones, que de lo contrario aparecerían en el monitor del puente de mando, y dictar instrucciones de control, incluso a través de un ordenador portátil. Ya que el bus de sistema se conecta también con los componentes de accionamiento, puede verificarse así un control auxiliar del buque. El bus de sistema se une beneficiosamente también con, por ejemplo, una Intranet Marina propia o con Internet. Así se pueden realizar a través de él los objetivos logísticos, por ejemplo, la supervisión de todos los componentes de accionamiento, aparatos de distribución, etc.

A través de un bus terminal se conectan los monitores individuales y las unidades de cálculo en el puente de mando. Aquí se lleva a cabo la selección de la representación y aquí se generan las funciones auxiliares, por ejemplo, para la toma de decisiones del personal del puente de mando. En conjunto, se obtiene para los buques con sistema de equipamiento una ayuda hasta ahora desconocida de representación y decisión, que permite el gobierno del buque, para controlar de manera rápida y sencilla la supervisión de las unidades descentralizadas de accionamiento, de las unidades de generación de energía eléctrica, del sistema de armas, aunque también del sistema para la supervisión de todas las demás funciones de a bordo. Esto es de especial importancia en el buque con sistema de equipamiento debido a la supresión de una sala central de máquinas y de otras partes centrales, para que el gobierno del buque conserve siempre los controles sobre el buque.

Se entiende que los segmentos de equipamiento, ya que no son específicamente marinos (militares), se pueden emplear también para buques civiles o para buques que desempeñen funciones soberanas. Sus ventajas específicas se conservan por ello.

Claims

1. Sistema de equipamiento tipo buque marino para buques marinos eléctricamente propulsados de diferentes tamaños y potencias de propulsión, en el que los buques marinos, por ejemplo, fragatas, corbetas, lanchas patrulla rápidas, lanchas de combate no tripuladas, o buques de abastecimiento, a designar como buques de sistema de equipamiento, presentan segmentos de equipamiento estándar para la propulsión y accionamiento del buque y donde los tipos individuales de buques marinos tienen cascos de buque, diseñados sobre una base función del tipo, es decir sobre una base específica según el tamaño y la función, mientras que los segmentos de equipamiento para la propulsión, como hélices timón y turbinas hidrojet y accionamiento del buque eléctricos, incluyendo la generación de energía, la distribución de energía y automatización se diseñan independientemente del tipo y se pueden combinar según la potencia de propulsión y la función de los buques marinos individuales, donde los segmentos de equipamiento se diseñan de forma que se puedan instalar de forma prefabricada en diferentes emplazamientos en el casco del buque.

2. Sistema de equipamiento tipo buque marino según la Reivindicación 1, caracterizado porque, en comparación con su potencia, los segmentos de equipamiento incluyen segmentos de equipamiento de propulsión pequeños y ligeros, que presentan motores eléctricos con superconducción de alta temperatura, abreviado, tecnología HTS, en particular motores, que presentan arrollamientos rotóricos enfriados directa o indirectamente con neón líquido o nitrógeno líquido.

3. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, en comparación con su potencia, los segmentos de equipamiento presentan unidades pequeñas y ligeras de generación de energía, que se diseñan como baterías de generadores de motores de combustión interna sobre bases estándar.

4. Sistema de equipamiento tipo buque marino según la Reivindicación 3, caracterizado porque las baterías de generadores de motores de combustión interna están provistos de generadores de tecnología HTS, que, en particular, presentan arrollamientos enfriados directa o indirectamente con neón líquido o nitrógeno líquido.

5. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 2, 3 ó 4, caracterizado porque los motores y generadores se diseñan resistentes al choque con una amortiguación al choque externa y una interna.

6. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 5, caracterizado porque los motores y generadores se instalan elásticamente, en particular sobre bases estándar y, además, presentan un sistema estator-rotor unido elásticamente con la carcasa de la máquina, que puede moverse independientemente de la carcasa, es decir, forma una unidad que puede moverse en independientemente la carcasa con sus propios elementos de amortiguación al
choque.

7. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 1, 2, 3, 4, 5 ó 6, caracterizado porque los estátores de los motores y generadores presentan bobinados de entrehierro.

8. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los cascos de buque presentan un sistema de conductos para nitrógeno líquido o para neón líquido, al que se pueden conectar componentes HTS, como motores, generadores y posiblemente limitadores de corriente, en particular mediante acoplamientos rápidos,.

9. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque en el casco del buque se dispone al menos una unidad de descomposición de aire para la producción de nitrógeno líquido, que se conecta con los componentes HTS individuales en el casco del buque a través de conducciones.

10. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los buques tipo individuales con sistema de equipamiento que operan con bajas emisiones, y se pueden instalar descentralizados, presentan unidades de generación de energía eléctrica.

11. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 10, caracterizado porque los buques individuales con sistema de equipamiento presentan motores de combustión interna con una introducción de los gases de escape en el agua que rodea a los cascos de los buques.

12. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los buques tipo presentan unidades de abastecimiento energético que operan sin emisiones, en particular en forma de células de combustible por aspiración de aire, que preferentemente alimentan su energía a una red DC.

13. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 12, caracterizado porque las células de combustible se diseñan en forma de células de combustible de membranas poliméricas de electrólisis, abreviadas PEM.

14. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 12, caracterizado porque las células de combustible se diseñan en forma de células de combustible directas de metanol, abreviadas MDFC, o células de combustible de carbonato fundido, abreviadas MCFC.

15. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 12, 13 ó 14, caracterizado porque las células de combustible PEM y las MDFC o MCFC, así como posiblemente otras células de combustible con mayor temperatura de operación como las células de combustible PEM, forman un sistema de energía y calor, en el que generan energía según las necesidades correspondiente a sus diferentes
dinámicas.

16. Sistema de equipamiento tipo buque marino conforme a la Reivindicación 12, 13 ó 15, caracterizado porque las células de combustible se abastecen desde depósitos de hidrógeno, rellenos mediante reformadores diesel.

17. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las Reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque los gases de escape emergentes producidos por la operación de los reformadores MLFC o MDFC y/o diesel se mezclan con el agua que rodea los cascos de los buques.

18. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los buques de sistema de equipamiento se diseñan sin palas del timón.

19. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 18, caracterizado porque los buques de sistema de equipamiento presentan hélices timón y/o hélices laterales para el control.

20. Sistema de equipamiento tipo buque marino conforme a la Reivindicación 18 ó 19, caracterizado porque los buques de sistema de equipamiento presentan turbinas hidrojet controlables independientemente unos de otros, particularmente en parejas, que pueden producir variación del rumbo de los buques.

21. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los buques de sistema de equipamiento presentan elementos de red AC y DC para la conexión de las unidades individuales de generación y consumo de energía.

22. Sistema de equipamiento tipo buque marino según la Reivindicación 21, caracterizado porque entre los elementos de red se colocan convertidores, que conectan los elementos de red.

23. Sistema de equipamiento tipo buque marino conforme a la Reivindicación 21 ó 22, caracterizado porque el sistema eléctrico de red se diseña de forma que presenta elementos de red DC con diferentes tensiones y/o elementos de red AC con diferentes frecuencias y tensiones.

24. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 21 ó 22, caracterizado porque entre las células de combustible y las hélices timón eléctricas se provee una red DC, equipada con un limitador de corriente HTS.

25. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 21, 22, 23 ó 24, caracterizado porque la red de a bordo se subdivide en elementos de red conectados unos a otros, cuyas conexiones presentan limitadores de corriente HTS y/o interruptores semiconductores de alta velocidad.

26. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 25, caracterizado porque en la red de a bordo se disponen interruptores semiconductores de alta velocidad dispuesto, con los que se pueden conmutar rápidamente elementos individuales de red o segmentos individuales de equipamiento en caso de impacto en la red de abastecimiento a un abastecimiento mediante elementos de la red de abastecimiento no afectados por el impacto, de forma que no aparece ninguna avería eléctrica en los componentes o segmentos de equipamiento.

27. Sistema de equipamiento tipo buque marino conforme a la Reivindicación 21, 22, 23, 24, 25 ó 26, caracterizado porque entre el generador impulsado por turbina de gas y los turbinas hidrojet se dispone un elemento de red de alta frecuencia, por ejemplo, un elemento de red con hasta 400 Hz.

28. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque los buques tipo de sistema de equipamiento presentan un sistema de automatización, que tiene una central de automatización unida con las áreas individuales del buque, particularmente a través de un bus de sistema redundante, en particular a través de buses de fibra óptica.

29. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 28, caracterizado porque el bus de sistema accede a una red segmentada, donde el bus tiene preferentemente un diseño redundante y la red segmentada conecta las zonas individuales de protección del buque con la central de automatización.

30. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a la Reivindicación 28 ó 29, caracterizado porque la central de automatización toma automáticamente decisiones controladas por el sistema, cuando las medidas obligatorias de protección del buque así lo requieren.

31. Sistema de equipamiento tipo buque marino conforme a la Reivindicación 28, 29 ó 30, caracterizado porque la central de automatización presenta un sistema experto, formado a nivel superior que la automatización y que permite la indicación de todos los valores medidos, la representación de las estadísticas de la instalación y las constelaciones de circuito de forma resumida, clara con propuestas de decisión.

32. Sistema de equipamiento tipo buque marino según la Reivindicación 29, 30 y 31, caracterizado porque los buques de sistema de equipamiento presentan un sistema de gestión del ciclo de vida y sistema de monitorización del estado para el control de la logística para los buques de sistema de equipamiento.

33. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las Reivindicaciones 28 a 32, caracterizado por presentar un sistema de control de daño en combate, que se incorpora en los sistemas de automatización y permite una representación de todas las áreas internas y sus estados en al menos un
monitor.

34. Sistema de equipamiento tipo buque marino acorde a una o varias de las anteriores Reivindicaciones 1 a 32, caracterizado porque los segmentos de equipamiento para la propulsión y accionamiento del buque y los componentes unidos a ellos se diseñan de forma que puedan emplearse en buques de la Armada mercante, lanchas de vigilancia costera, lanchas de aduanas, etc., y en yates de alta mar.