PL400858A1 - Statek morski napędzany silnikiem elektrycznym - Google Patents

Abstract

Statek morski napędzany silnikiem elektrycznym charakteryzuje się tym, że przekładnia planetarna ma płytę siłową górną zębatą dociskaną przez płytę naporową górną, do części zębatych wałów (5) zewnętrznych mocy turbin wewnętrznych i ma płytę siłową dolną dociskaną płytą naporową dolną do części zębatych wałów wewnętrznych mocy turbin zewnętrznych i obraca w jednym kierunku wał przekazu mocy na pośredni wał mocy oraz ma płyty warstwicowe stabilizujące integralność zespołu przekładniowego.

Description

400858 y

Statek morski napędzany silnikiem elektrycznym

Postęp technologiczny w żegludze morskiej ma wieloaspektowy charakter. Jednym z wyraźnych zmian technicznych jest coraz bardziej wydajna konstrukcja pędnika, który z postaci kół płetwowodnych, poprzez śruby okrętowe rozwinął się do konstrukcji pędnika strumieniowego opisanego w patencie 199901 Rzeczypospolitej Polskiej. Natychmiastowa reakcja linii żeglugowych i szybka wymiana śrub okrętowych na mocowane w ich miejsce pędniki strumieniowe zaabsorbowała znaczną część tonażu w stoczniach i spowodowała w latach 2005 i 2006 gwałtowny wzrost stawek frachtowych. Stały się one źródłem przejściowych korzyści mniej gospodarnych i niezbyt przedsiębiorczych armatorów morskich. Pędnik strumieniowy wprowadził do żeglugi mniejsze i bardziej ekonomiczne silniki maszyny głównej statków morskich. To zaś oznacza możliwość substytuowania części mocy maszyny głównej przez silniki elektryczne statku morskiego. Tym właśnie celom służy wynalazek turbozespołu elektrycznego związanego z wynalazkiem Elektrowni atmosferycznej Rzeczypospolitej Polskiej. Turbozespoły elektryczne w inny sposób wykorzystują energię wiatru w porównaniu do tradycyjnych żagli dużych statków żeglugowych. Zaabsorbowany w żegludze morskiej w latach 70. powrót do tradycyjnych postaci ożaglowań nie sprawdził się i tym samym nie został przyjęty przez linie żeglugowe. Natomiast każdy turbozespół jest ekwiwalentem 3-4 grotmasztów tak, iż zbiornikowiec o wyporności 100 000 DWT uzyskuje dowartościowanie mocy siłowni głównej w proporcji sięgającej 12. grotmasztów. Historia żeglugi morskiej nie zna żaglowców o takiej skali ożaglowania. Do największych statków żaglowych należą amerykańskie zbiornikowce Navahoe (9250 DWT) i Thomas W.Lawson (5218 BRT) oraz niemiecki Andromeda, którego zbiorniki mieściły 3 tysiące ton ropy naftowej.

Wynalazek statku morskiego napędzanego silnikiem elektrycznym jest przedstawiony na rysunku technicznym w postaci figury 1 obrazującej turbozespół elektryczny zamocowany do pokładu statku, figury 2 przedstawiającej schemat przekładni planetarnej, figury 3 ilustrującej schemat wzdłużny łoża przekładni planetarnej i wsporniki wałów poboru mocy, figury 4 prezentującej zamocowanie turbozespołu elektrycznego do pokładu statku, zaś figura 5 przedstawia rozmieszczenie turbozespołów elektrycznych na dużym statku morskim.

Statek morski napędzany silnikiem elektrycznym jest tym znamienny, że przekładnia planetarna ma płytę siłową górną zębatą dociskaną przez płytę naporową górną do części zębatych wałów zewnętrznych mocy turbin wewnętrznych i ma płytę siłową dolną dociskaną płytą naporową dolną do części zębatych wałów wewnętrznych mocy turbin zewnętrznych i obraca w jednym kierunku wał przekazu mocy na pośredni wał mocy oraz ma płyty warstwicowe stabilizujące integralność zespołu przekładniowego. Poza tym statek morski napędzany silnikiem elektrycznym jest znamienny tym, że przekładnia planetarna zespołu turbinowego obraca pośredni wał mocy poprzez tuleje wału znajdującego się w płycie pokładowej i w płytach osadnicowej i nośnej z zamocowaną nad pokładem wieżą kratownicową a pod pokładem kontenerem generatorów prądu. Statek morski napędzany silnikiem elektrycznym jest także znamienny tym, że ma łoże przekładni planetarnej na wspornikach zamocowanych do płyty podstawowej i położonych na zespole dźwigarowym dźwigara centralnego z otworami na zespoły wałowe turbozespołu elektrycznego. Turbozespół elektryczny jest także usytuowany w koszu kontenera generatorów prądu i ustateczniony na występie bukszprytu rufowego.

Turbozespół 1 elektryczny statku morskiego składa się z dwu części systemowych mocowanych do pokładu 2 okrętowego i jest przedstawiony na figurze 1. Pierwszą część stanowi konstrukcja ponadpokładowa złożona z czterech przeciwbieżnych turbin 3,4 atmosferycznych, zewnętrznych i wewnętrznych, obracających się na wałach 5,6 -1- -2- przekazu mocy, zewnętrznych i wewnętrznych, w przekładni 7 planetarnej położonej na łożu 8, którego płyta 9 podstawy jest zamocowana do wieży 10 kratownicowej. Część podpokładowa jest złożona z zespołu warstwie płyty lla pokładowej z kontenerem llb jednostek prądotwórczych z podsystemami regulacji i sprzęgłami elektromagnetycznymi. Turbiny 3 zewnętrzne i przeciwbieżne turbiny 4 wewnętrzne różnią się od turbin elektrowni atmosferycznej jedynie powiększona pojemnością wiatrową na skutek wyprowadzenia skrzydeł 12,13,14,15, pobocznych i nośnych, obu przeciwbieżnych par turbinowych o około 20 procent poza obręcze zewnętrzne i obręcze ponadtulejowe. Poza tym każda turbina 3 zewnętrzna i przeciwbieżna do niej turbina 4 wewnętrzna mają ten sam układ konstrukcji teowych zaczerpniętych z technologii lotniczych. Duża wytrzymałość siłowa kojarzy się w tej sytuacji z podobnie dużą lekkością budowy zogniskowanej na tulejach 16,17 turbinowych, zewnętrznej i wewnętrznej. Wszystkie skrzydła 12,13,14,15 turbin, zewnętrzne i wewnętrzne, mają owe 20. procentowe wypusty pozaobręczowe jedynie od stron zewnętrznych i stałe jednolite nachylenie turbin 3 odbioru siły wiatru 45. Tuleje 16 zewnętrznych turbin 3 są blokowane wewnętrznym sprzęgłem 26 elektromagnetycznym Stromag, zaś tuleja 17 wewnętrznej turbiny 4 przeciwbieżnej ma budowę sprzęgła 23 umieszczoną na zewnątrz wału 5 przekazu mocy.

Przekładnia 7 planetarna, którą przedstawia figura 2, integruje obroty ośmiu pierścieni 18 zębatych o różnych kierunkach obrotów w jednokierunkowy obrót wału 19 przekazu mocy pobieranej z płyty 20 siłowej górnej i z płyty 21 siłowej dolnej. Wał 19 przekazu mocy jest mocowany do obu płyt 20,21 siłowych za pośrednictwem pierścieni 22a zwornych. Górna płyta 20 siłowa pobiera moc obrotową z zewnętrznych wałów 5 turbin 4 wewnętrznych i jest dociskana płytą 22b naporową od dołu. Płyta 22b naporowa jest od dołu planetarnym elementem wolnobieżnym i ma za zadanie jedynie ustatecznienie zębatek wałów 19 przekazu mocy. Sprzęgła 23 elektromagnetyczne wypełniają funkcje hermetycznego zamykania przekładni 7 planetarnej i jednoczesnego blokowania pierścieni 18 zębatych w stanie roboczym. Dolna płyta 21 siłowa jest ustateczniona przez górną płytę 24 naporową i zapewnia stabilną pracę wewnętrznego wału 6 przekazu mocy z turbin 3 zewnętrznych. Płyty 20,21 siłowe, górna i dolna, obracają się na łożyskach 39 płaskich. Obręcze 25 zębate na wałach 6 wewnętrznych są w przekładni 7 planetarnej blokowane w stanie roboczym przez wewnętrzne sprzęgła 26 elektromagnetyczne. Wszystkie płyty 20,21 siłowe i płyty 22b, 24 naporowe są dociskane od góry i od dołu płytami 27 warstwicowymi złączonymi wzajemnie przez podłużne sworznie przeprowadzone wokół przekładni 7 przez otwory 28 okołoplanetarne. Płyty 22b,24 wykonują swobodne obroty na łożyskach 39 płaskich w wyfrezowanych krawędziach kołowych płyt 27 warstwicowych. Wały 5,6 przekazu mocy z turbin 3,4, zewnętrznych i wewnętrznych, są ustatecznione przez łożyska 29 wałeczkowe. W konsekwencji siły oporu pochodzące z tarcia o siebie elementów składowych są sprowadzone do minimum wielkości oporowych. Całość tak zbudowanej warstwowo przekładni 7 planetarnej jest umieszczona w obudowie 30, która mieści w środku zbiornik 31 olejowy z pompą 32 obiegu oleju w przekładni 7 planetarnej.

Figura 3 ilustruje układ łoża 8 przekładni 7 planetarnej zamocowanego do płyty 9 podstawy nośnej całego turbozespołu 1 elektrycznego. Łoże 8 przekładni 7 planetarnej ma kształt wklęsły z otworem 54 na wał 19 przekazu mocy i jest zamocowane na wspornikach 51 łoża 8 do płyty 9 całej podstawy układu przekładniowego. Otwór 54 w łożu 8 jest usytuowany nad otworem 55 w płycie 9 podstawy i nad otworem 56 wykonanym w dźwigarze 50 centralnym. Do dźwigara 50 centralnego są zamocowane bezpośrednio środkowe wsporniki 52 wałów 5,6 zewnętrznych i wewnętrznych turbin. Obroty wałów 5 zewnętrznych mocy są stabilizowane przez łożyska 53 zewnętrzne wałów 5 mocy turbin 4 wewnętrznych. Dźwigar 50 centralny przekładni 7 planetarnej jest wzmocniony równoległymi dźwigarami nośnymi pobocznie płytą 9 podstawy łoża 8 układu przekładniowego. Na tych dźwigarach nośnych pobocznie są w założeniu oparte ukośne wsporniki skośne względem wspornika 52 centralnego, usytuowanego pionowo z zamontowanymi łożyskami 53 zewnętrznymi. Dźwigar 50 centralny łączy się z dźwigarami pobocznymi pośrednimi złączami z otworami ulżeniowymi. Całość konstrukcji dźwigarowej jest pokryta płytami aluminiowymi tworząc zamknięty układ fundamentów dla wsporników 52 zewnętrznych wałów 4 turbinowych i wsporników 51 łoża 8 oraz służy w tej postaci do stabilnych zamocowań na wieży 10 kratownicowej.

Figura 4 przedstawia mocowanie wieży 10 kratownicowej turbozespołu 1 w pokładzie 2 statku morskiego. Zamocowanie turbozespołu 1 polega na uprzednim wykonaniu okrągłego wykroju o średnicy około 1,5 m i umocowaniu pokładu 2 w pierwszej kolejności okrężnicą 33 teową, po czym pokład 2 zostaje wzmocniony dennikami 34 -3- teowymi z otworami ulżeniowymi. Wieża 10 kratownicowa ma lekką konstrukcję z tej przyczyny, iż miejsce zespołów prądotwórczych w elektrowni atmosferycznej zajmuje obecnie niewielka przekładnia 7 planetarna, którą na figurze 1 przedstawiono w relatywnie mniejszej skali aniżeli różnobieżne turbiny. Środek ciężkości całego turbozespołu 1 elektrycznego został przemieszczony pod pokład 2 statku morskiego. Mimo tego wieża 10 kratownicowa może być wzmocniona przez wanty stalowe naciągane ściągaczami wantowymi. Ustatecznienie ruchu obrotowego wału 35 pośredniego dokonuje się przy tym za pośrednictwem stateczników 36 z układami łożyskowymi. Łożyska modulują także wejście wału 35 pośredniego do zespołu mocowań pokładowych. Wieża 10 kratownicowa jest zamocowana na stałe do osadnicy 37 płytowej umiejscowionej w uchwycie 38 płyty lla pokładowej. Jej obroty wyróżniają się wodoszczelnością i dokonują się na łożyskach 39 płaskich w płycie lla pokładowej. W środku osadnicy 37 płytowej znajduje się okrągły otwór, w który jest wprowadzona tuleja 40 wału przekazu mocy z przekładni 7 planetarnej na układy maszyn prądu elektrycznego. Tuleja 40 pośredniego układu 35 mocy jest od góry uszczelniona i zamocowana pierścieniem 41 nakrętowym. Takim samym pierścieniem 41 nakrętowym tuleja 40 pośredniego wału 35 przekazu mocy jest uszczelniona i mocowana od dołu, po czym ten wał 35 przechodzi przez sprzęgło 42 elektromagnetyczne na wielostopniową przekładnię 43 zębatą układów prądotwórczych. Podstawowym elementem siłowym w mocowaniu turbozespołu 1 elektrycznego jest płyta lla pokładowa, którą instaluje się hermetycznie do pokładu 2 statku za pomocą sworzni skrętnych przechodzących przez wszystkie przystosowane do tego celu dźwigary 34 dennikowe pokładu 2 statku morskiego. Kontener 44 z zespołami prądotwórczymi jest zamocowany do dolnej płyty 45 nośnej i znajduje się w jarzmie okrężnym, w którym tarcie w ruchu obrotowym całego turbozespołu 1 elektrycznego jest zminimalizowane przez łożyska 39 obiegające wokoło całą płytę lla pokładową na średnicy równej wielkości dolnej płyty 45 nośnej. Jarzma dolne płyty lla pokładowej mają jednolity pierścień 46 zębatki obrotu całej wieży 10 kratownicowej przez silniki 47a elektryczne sterowane komputerowo odpowiednio do kierunku wiatru. Silniki 47a elektryczne zapewniają obrót turbozespołu 1 elektrycznego o 360 i to wielokrotnie. Kontener 44 pomieszcza na wspólnym wale 47b generatorów 48,49 prądu (40MW i 60MW), przy czym przełączenia między obu układami prądowymi zależą od siły wiatru i mogą być eksploatowane łącznie. Umożliwia to sprzęgło 42 elektromagnetyczne, zaś zębatki dołowe ustateczniają pracę całego zespołu prądotwórczego w kontenerze 44 przekładniowym statku morskiego. Wielostopniowa przekładnia 43 zębata, jako jedyny układ regulacji obrotów generatorów 48,49 prądu, ma podwyższone standardy wytrzymałości oraz zwiększony stopień przełożeń automatycznych. Niskie położenie zespołów prądotwórczych chroni je przed uszkodzeniem wieży 10 kratownicowej.

Figura 5 przedstawia położenie turbozespołu 1 elektrycznego na dużym statku 62 morskim, dla ilustracji czego przyjęto proporcje tankowca o wyporności 100 000 DWT. Statek morski z założenia przeznaczony jest do montażu jednego turbozespołu 1 elektrycznego na dziobie okrętu. Instalacja identycznego turbozespołu 1 na występie 63 rufowym w klasie statków o tonażu 10 000 - 15 000 DWT jest już wyrazem pogoni za zyskami i ulegania konkurencji panującej na rynku frachtowym. Kosz 61 kontenera 44 jest zamocowany ponad rufą. Przyjęto tutaj tonaż typowy dla dużych zbiornikowców ,aby podkreślić możliwość instalowania turbozespołów 1 elektrycznych na śródokręciu statku morskiego. Aktualnie proporcje turbin są zbieżne do zalecanych relacji w odniesieniu do wielkości statku i pomyślane z założenia o współdziałaniu silnika 57 elektrycznego z silnikiem 58 spalającym ciężkie frakcje ropy naftowej (mazut) i obracających razem nie śrubę okrętową, lecz pędnik 59 strumieniowy za pośrednictwem zintegrowanej przekładni mocy całkowitej maszyny. Przyjmuje się zatem tezę o „ turbodoładowaniu „ maszyny głównej przez siłownię elektryczną. Im większy jest pobór energii elektrycznej z turbozespołów 1 elektrycznych statku tym mniejsze może być zużycie paliwa przez wolniej pracujący silnik 58 główny statku. Kiedy zatem substytucja mocy sięga na wale 60 napędowym 80-95 procent, eksploatacja silnika 58 spalinowego jest nie wskazana. Statek podczas sztormowej pogody (heavy weather) przy 7 - 8 w skali Beuforta popłynie napędzany silnikiem 57 elektrycznym. Dowartościowanie mocy siłowni starego typu z napędem śrubą okrętową jest bezspornie mniej odczuwalnym zjawiskiem w zakresie kosztów zmiennych eksploatacji statku morskiego. -4-

Wszystkie ustawienia turbin 3,4, zewnętrznych i wewnętrznych, są oprogramowane względem zmienności siły i kierunku wiatru, efektu „ żagla" i stopnia wykorzystania mocy maszyny głównej. Turbozespoły 1 elektryczne mają zdolność generowania energii netto kiedy statek morski płynie bejdewindem, tzn. ostro pod wiatr. Nie musi przy tym halsować, o ile nie zaleca tego rachunek kosztów nawigacji i czas rejsu. Największe efekty są osiągane podczas płynięcia półwiatrem. Składowa siły w ruchu postępowym jest wówczas bardzo duża, przy całkowitym braku oddziaływań przeciwnych do kierunku rejsu statku morskiego. Równie duże moce energii elektrycznej są wygenerowanie przez turbozespoły 1 podczas płynięcia fordewindem, a więc kiedy statek płynie z wiatrem. Im bardziej odchyla się płynięcie fordewindem od linii kursu rejsowego w kierunku półwiatru, tym większe są przyrosty energii pochodzącej z turbozespołów 1 elektrycznych. I tym razem podczas pogody sztormowej i stałego dowartościowania mocy maszyny głównej w stopniu 80-95 procent, dalsze eksploatowanie silnika 58 spalinowego jest przeciwwskazane. Żaden statek nigdy nie jest szybszy od wiatru. Kiedy na morzu panuje pogoda bezwietrzna, sprzęgła 42 elektromagnetyczne w turbinach 3 zewnętrznych i przeciwbieżnych turbinach 4 wewnętrznych muszą być przełączone w stopniu zapewniającym wolne obroty.

Podpis

Dr Marian Kujawa

Claims (4)

1. -1- 400858 Μ Zastrzeżenia patentowe 1. Wynalazek statku morskiego napędzanego silnikiem elektrycznym znamienny tym, że przekładnia 7 planetarna ma płytę 20 siłową górną zębatą dociskaną przez płytę 24 naporową górną do części zębatych wałów 5 zewnętrznych mocy turbin 6 wewnętrznych i ma płytę 21 siłową dolną dociskaną płytą 22b naporową dolną do części zębatych wałów 6 wewnętrznych mocy turbin 5 zewnętrznych i obraca w jednym kierunku wał 19 przekazu mocy na pośredni wał 35 mocy oraz ma płyty 27 warstwicowe stabilizujące integralność zespołu przekładniowego.
2. 2. Wynalazek statku morskiego napędzanego silnikiem elektrycznym według zastrz.l znamienny tym, że przekładnia 7 planetarna zespołu turbinowego obraca pośredni wał 35 mocy poprzez tuleję 40 wału znajdującego się w płycie lla pokładowej i w płytach 37,45 - osadnicowej i nośnej - z zamocowanymi nad pokładem 2 wieżą 10 kratownicową a pod pokładem kontenerem 44 generatorów 48,49 prądu.
3. 3. Wynalazek statku morskiego napędzanego silnikiem elektrycznym według zastrz.l znamienny tym, że ma łoże 8 przekładni planetarnej na wspornikach 51 zamocowanych do płyty 9 podstawy i położonych na zespole dźwigarowym dźwigara 50 centralnego z otworami 54,55,56 na zespoły wałowe turbozespołu 1 elektrycznego.
4. 4. Wynalazek statku morskiego napędzanego silnikiem elektrycznym według zastrz.l znamienny tym, że turbozespół 1 elektryczny jest usytuowany na rufie statku w koszu 61 kontenera 44 generatorów 48,49 prądu i ustateczniony na występie 63 bukszprytu rufowego.

   Dr Marian Kujawa