ITMI971962A1 - Modulo di propulsione e governo di mezzi navali - Google Patents

Description

D E S C R I Z IO N E

La presente invenzione è relativa ad un modulo di propulsione e governo di mezzi navali, in particolare di mezzi navali di superficie.

L'utilizzo di moduli aventi contemporaneamente le funzioni di unità di propulsione principale e unità di governo principale di mezzi navali di superficie è ampiamente noto nell'arte. Si veda ad esempio il brevetto CA 1.311.657.

Tali moduli sono generalmente costituiti da un bulbo sommerso in grado di ruotare rispetto all’asse longitudinale del mezzo navale, contenente al suo interno un motore elettrico sincrono di tipo convenzionale sul cui albero è montata almeno un'elica di propulsione principale. Il raffreddamento viene effettuato per mezzo di un sistema ad aria forzata che viene fatta circolare all'interno del bulbo. Tra i vantaggi offerti da questa soluzione rispetto ai sistemi di propulsione diretta, sia diesel che diesel/elettrica, ci sono: miglior efficienza idrodinamica; migliorata manovrabilità anche a basse velocità ed alto angolo di virata; riduzione degli spazi occupati all'interno dello scafo; eliminazione dei timoni e dei relativi organi di comando; eliminazione delle eliche di manovra poppiere; riduzione del rumore e delle vibrazioni.

I brevetti U.S.A. 5.417.597 e 5.632.658 descrivono mezzi navali da combattimento in cui la propulsione principale è affidata a moduli di questo tipo. In particolare, U.S.P. 5.417.597 descrive un cacciatorpediniere (naval destroyer) con costruzione modulare in cui la propulsione principale e governo sono affidati ad un modulo che contiene al suo interno un motore elettrico sincrono di tipo convenzionale raffreddato a liquido; il modo con cui il raffreddamento viene condotto non è specificato. U.S.P. 5.632.658 descrive un mezzo navale di superficie caratterizzato dal fatto che la propulsione avviene per mezzo di un modulo su cui sono montate eliche operanti in trazione (tractor podded); il motore elettrico installato nel bulbo e suo sistema di raffreddamento sono di tipo convenzionale .

Il modello di utilità DE 29619385 descrive un modulo di propulsione caratterizzato dall'avere un sistema a doppia elica azionato da un motore elettrico e due alette stabilizzatrici posizionate sul bulbo per migliorare l'efficienza idrodinamica. Non viene specificato il sistema di raffreddamento del motore.

EP 590867 descrive un'unità di propulsione in cui un motore sincrono a più avvolgimenti è sistemato in un bulbo sommerso e raffreddato per mezzo di aria circolata all'interno del bulbo da apposite condotte. I ventilatori e gli scambiatori di calore necessari per il raffreddamento sono sistemati all'interno dello scafo.

La pubblicazione tecnica "New Type of permanent filed machines for diesel electric propulsion systems" (P.Andersen, U-Gragen - AES '97 -Parigi, 13,14 marzo 1997) descrive un motore sincrono a magneti permanenti da utilizzare nell'unità di propulsione descritta in DE 29619385. Secondo quanto descritto nell'articolo il raffreddamento del motore è affidato allo scambio termico a parete tra involucro del bulbo e acqua di mare. Tale sistema non garantisce il raffreddamento completo del motore, in particolare nella sua parte superiore, dato che la parte superiore dell'involucro non è a contatto con l'acqua ma è vincolata al gambo del bulbo.

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un modulo di propulsione e governo di mezzi navali in cui il raffreddamento del motore avvenga senza contatto con le parti attive del motore stesso e sia migliorato rispetto ai sistemi di raffreddamento convenzionali.

Nell'ambito di questo compito uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un modulo di propulsione e governo di meezzi navali in cui si possano eliminare le condotte di ventilazione per il raffreddamento dell'elettronica di potenza e controllo aumentando quindi lo spazio libero entro lo scafo del mezzo navale.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un modulo di propulsione e governo di mezzi navaali in cui il numero di conduttori per la trasmissione dell'energia elettrica al motore sia fortemente ridotto rispetto al caso in cui il ciclocconvertitore sia alloggiato all'interno dello scafo.

Questo compito, nonché questi e altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da un modulo di propulsione e governo di mezzi navali caratterizzato da un sistema di raffreddamento innovativo in cui ii liquido di raffreddamento circola nella carcassa interna del motore senza essere a contatto con le parti attive del motore stesso. Il raffreddamento del liquido avviene per mezzo di almeno uno scambiatore di calore montato in almeno una delle estremità del modulo sommerso.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione è dato dal fatto che l'involucro esterno della parte centrale del bulbo costituisce anche la carcassa esterna del motore, realizzando quindi un modulo di propulsione molto compatto e di facile assemblaggio.

Un ulteriore aspetto è costituito dal fatto che il motore elettrico è un motore multielettronico a magneti permanenti.

Ancora un aspetto della presente invenzione è dato dal fatto che l'elettronica di potenza e controllo (inverter) del motore è ospitata nel gambo del modulo, in quanto il sistema di raffreddamento a liquido consente di eliminare le ingombranti condotte di ventilazione e apparecchiature ausiliarie, liberando ulteriore spazio all'interno dello scafo. Come ulteriore vantaggio, il fatto di avere gli inverter all'interno del gambo consente di avere due soli conduttori (DC bus) per la trasmissione dell'energia elettrica, invece di un numero da cinque a otto normalmente necessario per l'alimentazione del motore con il cicloconvertitore ospitato all’interno dello scafo.

Ancora un ulteriore aspettò della presente invenzione è dato dal fato che i cuscinetti di sostegno e reggispinta dell'albero motore sono raffreddati dallo stesso sistema di raffreddamento a liquido del motore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcune forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del modulo di propulsione e governo di mezzi navali secondo l'invenzione, illustrate a titolo indicativo e non limitativo con l'ausilio degli uniti disegni, in cui:

la figura 1 rappresenta una vista in sezione longitudinale del modulo di propulsione e governo secondo l'invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista in sezione longitudinale della parte centrale del bulbo costituita dal motore elettrico la cui carcassa esterna definisce la superficie esterna del bulbo stesso;

la figura 3 rappresenta una vista in sezione longitudinale del circuito di raffreddamento del motore;

la figura 4 rappresenta una vista in sezione trasversale della carcassa del motore elettrico con i collettori di entrata e uscita del liquido di raffreddamento;

la figura 5 rappresenta una vista in sezione trasversale dello scambiatore di calore.

Con riferimento alle figure citate, il modulo di propulsione e governo di mezzi navali dell'invenzione comprende: un bulbo sommerso 1 a tenuta stagna contenente un motore elettrico 11 sul cui albero 12 è montata almeno un'elica 13; un supporto sostanzialmente verticale 4 la cui parte inferiore è vincolata a detto bulbo 1 e la cui parte superiore è collegata con lo scafo di detto mezzo navale in modo tale da poter ruotare rispetto all'asse longitudinale dello scafo. Detto bulbo 1 comprende: una parte centrale 14 comprendente un motore elettrico 11, detto motore elettrico 11 essendo raffreddato a liquido; due parti terminali 2 e 3, su almeno una delle quali è montata almeno un'elica 13 e in almeno una delle quali è montato uno scambiatore di calore 21 in cui circola il liquido di raffreddamento del motore 11. La circolazione del liquido di raffreddamento avviene ad esempio per mezzo di una pompa 6 ospitata all'interno del bulbo. E' possibile prevedere, per ragioni di sicurezza, l'utilizzo di due o più pompe di circolazione che si suddividono il carico, in modo che in caso di guasto di una delle pompe sia garantita una circolazione minima di liquido. A basse velocità (fino al 35% della velocità massima) il raffreddamento del motore può comunque avvenire anche indipendentemente dal funzionamento della pompa 6.

Convenientemente la carcassa esterna del motore elettrico 11 definisce la superficie esterna del bulbo 1. In questo caso, e con riferimento alla figura 2, detta parte centrale 14 comprende un involucro esterno 15 costituito dalla carcassa esterna di detto motore elettrico 11, una carcassa interna 16 di detto motore 11 nella quale έ ricavato un circuito di raffreddamento a liquido, uno statore 17, un rotore 18, un albero di trasmissione 12 associati al quale ci sono almeno un cuscinetto di supporto 120 ed almeno un cuscinetto reggispinta 121, e mezzi 19 per assicurare la tenuta stagna. In questo modo, dal momento che la carcassa del motore costituisce l'involucro del bulbo stesso, questo può essere montato direttamente sul gambo riducendo i tempi e le difficoltà di assemblaggio e installazione. Nei sistemi di tipo convenzionale infatti, statore, rotore e, in genere tutte le parti del motore, devono essere assemblati all'interno del bulbo.

Convenientemente lo statore 17 è montato su una sospensione elastica 170 che permette di attutire le vibrazioni generate dal motore; si è infatti visto che utilizzando sospensioni elastiche per il supporto dello statore le vibrazioni generate dal motore e trasmesse allo scafo sono inferiori alle normative più severe.

Al fine di garantire l'ispezione dell'interno del bulbo, nell'involucro esterno 15 sono ricavate delle aperture 150 che mettono in comunicazione l'interno del bulbo 1 con l'interno del supporto 4. Questa caratteristica rappresenta un notevole vantaggio rispetto ai sistemi dell'arte nota in quanto consente l'acceso al bulbo, con le opportune precauzioni, anche durante la navigazione, cosa non possibile nei sistemi dell'arte nota per via delle masse d'aria convogliate dal sistema di raffreddamento a ventilazione forzata.

Preferibilmente il motore elettrico è un motore multielettronico a magneti permanenti. In questo caso, la parte centrale 14 del bulbo 1 comprende un involucro esterno 15 costituito dalla carcassa esterna di detto motore elettrico 11, una carcassa interna 16 di detto motore 11 nella quale è ricavato un circuito di raffreddamento a liquido e sulla quale sono montate le unità magnetiche di statore 17, un rotore 18 comprendente una corona polare rotorica 180 a magneti permanenti. Un motore multielettronico a magneti permanenti, da adattare a seconda delle esigenze, è descritto nella pubblicazione "Novel technologies with PM-machines for ship propulsion" (M.Radaelli, L.Sozzi, P. Ehrhart - AES '97 - Parigi, 13,14 marzo 1997). Questo tipo di motore ha il notevole vantaggio di permettere la messa fuori-servizio di singole unità di piccola potenza, relativamente alla potenza totale del motore, mantenendo operative le altre unità. Ciò garantisce il funzionamento del motore anche in caso di guasti locali con perdite relativamente basse della potenza erogata. Viene quindi sempre garantita una buona andatura del mezzo navale. Inoltre, per eventuali riparazioni di una o più unità, è possibile operare dall'interno del bulbo senza doverlo smontare. La costruzione modulare permette di ottenere elevati rendimenti (dell'ordine del 90-95%) anche a basse andature, ottimizzando l'utilizzo dei moduli.

Lo scambiatore può essere montato, come mostrato in figure 1 e 3, nella parte prodiera del bulbo; tuttavia può essere montato anche nella parte poppiera o in entrambe le parti terminali 2 e 3. Lo stesso vale per l'elica, che può essere montata sulla parte terminale 3 lavorando in spinta, oppure nella parte terminale 2 lavorando in trazione o in entrambe.

Lo scambiatore di calore 21 può essere ad esempio costituito da uno o più tubi a contatto con la parete interna di detta parte terminale 2 o 3, e/o da uno o più semitubi saldati sulla parete interna di detta parte terminale 2 o 3. Con riferimento alle figure 3-5 lo scambiatore di calore è costituito da un tubo avvolto a spirale o semitubi saldati sulla superficie interna della parte terminale 2; la circolazione avviene per mezzo della pompa 6 che invia il liquido freddo attraverso la linea 40 al collettore 100 che distribuisce il liquido freddo nei canali ricavati nella carcassa interna 16; il collettore 200 raccoglie il liquido caldo in uscita che viene inviato tramite la linea 50 alla pompa 6 che lo invia poi allo scambiatore 21.

Come ulteriore aspetto preferenziale della presente invenzione, l'elettronica di potenza e controllo (inverter) del motore è ospitata all'interno del gambo 4. Questo è possibile in quanto nel gambo 4 non sono presenti gli ingombranti condotti di ventilazione necessari nei moduli di propulsione di tipo convenzionale. Convenientemente, l'elettronica può essere raffreddata dal liquido di raffreddamento che utilizza lo scambiatore 21, prima che il liquido venga immesso nel motore stesso.

Se necessario, un ulteriore scambiatore, dedicato al raffreddamento dell'elettronica, può essere montato sulla superficie interna del gambo. Può essere infatti conveniente mantenere separati i due circuiti di raffreddamento data la maggior sensibilità dei componenti elettronici alla temperatura. Come ulteriore vantaggio, la sistemazione dell'elettronica nel gambo consente di liberare ulteriori spazi all'interno della nave. In questo caso infatti all'interno dello' "scafo viene installato solo il raddrizzatore AC/DC. Inoltre diventa possibile avere solo due conduttori (DC bus) tra la parte fissa (scafo) e la parte rotante (bulbo e gambo) per la trasmissione dell'energia elettrica rispetto ai cinque o otto necessari per i motori sincroni di tipo convenzionale e rispetto ai sei necessari per i motori a magneti permanenti di di tipo convenzionale con l'elettronica sistemata all'interno dello scafo.

Il circuito di raffreddamento può essere utilizzato anche per raffreddare uno o più cuscinetti di supporto o reggispinta. Nel caso in cui l'elettronica abbia un circuito di raffreddamento dedicato, i cuscineti sono convenientemente raffreddati dal circuito di raffreddamento del motore.

Come liquido di raffreddamento si può utilizzare convenientemente comune acqua demineralizzata in quanto la stessa non è a contatto con parti elettricamente attive, sia nel motore che nell'elettronica.

Utilizzando un motore multielettronico a magneti permanenti della potenza di 8 MW a 150 rpm, con un rendimento del 95%, il bulbo ha un diametro massime esterno di circa 2 m e una lunghezza di circa 8 m. Le dimensioni, in termini di area superficiale, della parte terminale 2 sono sufficienti, dimensionando opportunamente il sistema di tubi dello scambiatore, a raffreddare il motore elettrico anche con temperature dell'acqua di mare 30°C.

Il modulo di propulsione e governo di mezzi navali così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (15)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Modulo di propulsione e governo di mezzi navali comprendente: un bulbo sommerso (1) a tenuta stagna contenente un motore elettrico (11) sul cui albero (12) è montata almeno un'elica (13); un supporto sostanzialmente verticale (4) la cui parte inferiore è vincolata a detto bulbo (1) e la cui parte superiore è collegata con lo scafo di detto mezzo navale in modo tale da poter ruotare rispetto all'asse longitudinale dello scafo; caratterizzato dal fatto che detto bulbo (1) comprende: una parte centrale (14) comprendente un motore elettrico (11), detto motore elettrico (11) essendo raffreddato a liquido; due parti terminali (2, 3), su almeno una delle ouali è montata almeno un'elica (13) e in almeno una delle quali è montato uno scambiatore di calore (21) in cui circola il liquido di raffreddamento del motore (11).
2. 2. Modulo di propulsione e governo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la carcassa esterna di detto motore elettrico (11) definisce la superficie esterna del bulbo (1).
3. 3. Modulo di propulsione e governo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta parte centrale (14) comprende un involucro esterno (15) costituito dalla carcassa esterna di detto motore elettrico (11), una carcassa interna (16) di detto motore (11) nella quale è ricavato un circuito di raffreddamento a liquido, uno statore (17), un rotore (18), un albero di trasmissione (12) associati al quale ci sono almeno un cuscinetto di supporto (120) ed almeno un cuscinetto reggispinta (121), e mezzi (19) per assicurare la tenuta stagna.
4. 4. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (21) è collegato al circuito di raffreddamento ricavato nella carcassa interna (16) per mezzo di una pompa (6), collettori (100,1200) e condotti (40, 50).
5. 5. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che lo statore (17) è montato su una sospensione elastica (170).
6. 6. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che in detto involucro esterno (15) sono ricavate delle aperture (150) che mettono in comunicazione l'interno del bulbo (1) con l'interno del supporto (4).
7. 7. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto motore elettrico (11) è del tipo multielettronico a magneti permanenti.
8. 8. Modulo di propulsione e governo secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che la parte centrale (14) del bulbo (1) comprende un involucro esterno (15) costituito dalla carcassa esterna di detto motore elettrico (11), una carcassa interna (16) di detto motore (11) nella quale è ricavato un circuito di raffreddamento a liquido e sulla quale sono montate le unità magnetiche di statore (17), e un rotore (18) comprendente una corona polare rotorica (180) a magneti permanenti.
9. 9. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (21) è situato nella parte terminale prodiera (2) del bulbo (1).
10. 10. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (21) è costituito da uno o più tubi a contatto con la parete interna di detta parte terminale (2) o (3).
11. 11. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9 caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (21) è costituito da uno o più semitubi saldati sulla parete interna di detta parte terminale (2) o (3).
12. 12. Modulo di propulsione o governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che l'elettronica necessaria per l'azionamento del motore elettrico (11) è situata all'interno del supporto (4) ed è raffreddata dal circuito di raffreddamento a liquido che utilizza lo scambiatore di calore (21).
13. 13. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti cuscinetti di supporto o reggispinta è raffreddato dal circuito di raffreddamento a liquido che utilizza lo scambiatore di calore (21).
14. 14. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere due circuiti di raffreddamento, di cui uno per i cuscinetti e uno per il motore/elettronica.
15. 15. Modulo di propulsione e governo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche descritte e/o illustrate.