RU2724197C1 - Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation - Google Patents
Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724197C1 RU2724197C1 RU2019145189A RU2019145189A RU2724197C1 RU 2724197 C1 RU2724197 C1 RU 2724197C1 RU 2019145189 A RU2019145189 A RU 2019145189A RU 2019145189 A RU2019145189 A RU 2019145189A RU 2724197 C1 RU2724197 C1 RU 2724197C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- underwater vehicle
- synchronous machine
- energy
- power
- semiconductor converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
- B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
- B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники и может быть использована в электроэнергетических системах подводных аппаратов с большой автономностью и дальностью плавания.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electric power systems of underwater vehicles with great autonomy and range.
Известен контактный (проводной) способ энергообеспечения подводных аппаратов, реализованный в полезной модели «Система электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя» (Патент РФ №46611 опубл. 10.07.2005 г., Б.И. №19) с помощью устройства, содержащего входной преобразователь, вход которого соединен с судовой электрической сетью, инверторное устройство, силовой трансформатор, кабель-трос, питающий конец которого соединен с согласующим трансформатором первого подводного блока системы, установленного на заглубителе. Второй подводный блок, установленный на подводном аппарате, включает второй согласующий трансформатор, первичными обмотками связанный с плавучим кабелем, передающим питание и сигналы телеуправления к аппаратуре подводного аппарата, а вторичными обмотками - с первым и вторым блоками управляемых выпрямителей, выходы которых подключены к клеммам питания аппаратуры подводного аппарата, второй выход одного из указанных блоков управляемых выпрямителей соединен с конвертором постоянного тока, выход которого также подключен к клеммам питания аппаратуры подводного аппарата.Known contact (wired) method of energy supply of underwater vehicles, implemented in the utility model "Power supply system of a remote-controlled underwater vehicle from a carrier vessel" (RF Patent No. 4666 publ. 10.07.2005, B.I. No. 19) using a device containing an input converter, the input of which is connected to the ship's electrical network, an inverter device, a power transformer, a cable cable, the supply end of which is connected to a matching transformer of the first underwater unit of the system installed on the depth of field. The second underwater unit mounted on the underwater vehicle includes a second matching transformer, the primary windings connected to the floating cable that transfers power and remote control signals to the equipment of the underwater vehicle, and the secondary windings to the first and second blocks of controlled rectifiers, the outputs of which are connected to the power supply terminals of the equipment underwater vehicle, the second output of one of these blocks of controlled rectifiers is connected to a DC converter, the output of which is also connected to the power terminals of the equipment of the underwater vehicle.
При реализации контактного (проводного) способа энергообеспечения НПА передачи электрической энергии с судна - носителя на борт подводного аппарата осуществляется по электрическому кабелю и имеет следующие недостатки: ограничены глубина погружения, автономность и дальность плавания подводного аппарата, ограничена также и величина электрической энергии, передаваемой на борт подводного аппарата по электрическому кабелю.When implementing the contact (wire) method of power supply, the transmission of electric energy from the carrier vessel to the underwater vehicle is carried out by electric cable and has the following disadvantages: the depth of immersion, autonomy and range of the underwater vehicle are limited, and the amount of electric energy transmitted on board is also limited underwater vehicle by electric cable.
Известен бесконтактный (беспроводной) способ энергообеспечения подводных аппаратов без электрического кабеля между судном - носителем и подводным аппаратом, реализованный с помощью «Устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект» (Патент РФ №2502170, опубл. 20.12.2013 Б.И. №35), которое содержит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты, блок управления этим инвертором, входной конденсатор и первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а также расположенные на подводном объекте в блоке выпрямителя вторичную обмотку трансформатора, однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, сглаживающий реактор и выходной конденсатор, при этом обмотки трансформатора повышенной частоты снабжены в первом варианте плоскими магнитными экранами, а во втором - чашечными сердечниками и центральными стержнями.Known non-contact (wireless) method of power supply of underwater vehicles without an electric cable between the carrier vessel and the underwater vehicle, implemented using the "Device for contactless transmission of electricity to an underwater object" (RF Patent No. 2502170, publ. 12/20/2013 B.I. No. 35 ), which contains a single-phase autonomous inverter of increased frequency voltage, a control unit for this inverter, an input capacitor and a primary winding of a high-frequency transformer, as well as a secondary transformer winding, a single-phase bridge uncontrolled rectifier, a smoothing reactor, and an output capacitor located at an underwater object in the rectifier unit In this case, the windings of the transformer of increased frequency are equipped in the first embodiment with flat magnetic screens, and in the second with cup cores and central rods.
При реализации бесконтактного (беспроводного) способа энергообеспечения передача электрической энергии на борт подводного аппарата осуществляется через немагнитный зазор ферромагнитного сердечника трансформатора при механическом контакте сопрягаемых частей стыковочного узла, одна часть которого размещена на судне носителе, а другая - на подводном аппарате.When implementing a non-contact (wireless) method of energy supply, electric energy is transferred to the board of the underwater vehicle through the non-magnetic gap of the ferromagnetic core of the transformer with mechanical contact of the mating parts of the docking unit, one part of which is located on the carrier vessel and the other on the underwater vehicle.
Бесконтактный способ энергообеспечения и устройство для его реализации имеют следующие недостатки: ухудшение энергетических характеристик и понижение надежности энергообеспечения подводных аппаратов в процессе работы из-за увеличение тока намагничивания трансформатора, увеличение потерь мощности, вызванных появлением на сопрягаемых поверхностях стыковочного узла посторонних объектов - ракушек, водорослей и т.п. Недостатком является также ограничение автономности и дальности плавания подводного аппарата из-за необходимости нахождения судна носителя в районе работы подводного аппарата для периодического пополнения энергии подводного аппарата.The non-contact method of energy supply and the device for its implementation have the following disadvantages: deterioration of energy characteristics and lower reliability of energy supply of underwater vehicles during operation due to an increase in the magnetization current of the transformer, increased power losses caused by the appearance of foreign objects on the mating surfaces of the docking unit - shells, algae and etc. The disadvantage is the limitation of the autonomy and range of navigation of the underwater vehicle due to the need to find the carrier vessel in the area of operation of the underwater vehicle to periodically replenish the energy of the underwater vehicle.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу энергообеспечения подводного аппарата и устройству для его реализации является способ энергообеспечения подводных аппаратов от источника энергии, размещенном на борту подводного аппарата, реализованный в «Электроэнергетической системе подводной лодки с электрохимическим генератором» (Патент РФ №2167783, опубл. 27.05.2001), которая содержит аккумуляторную батарею, гребной электродвигатель, потребители электроэнергии и электрохимический генератор из нескольких энергоблоков, причем электрохимический генератор подключен к аккумуляторной батарее через согласующий преобразователь, разделенный по числу энергоблоков, включенных параллельно, на модули, снабженные датчиками тока энергоблоков и общим блоком управления. При способе, приятом за прототип, энергообеспечение подводного аппарата осуществляется от электрохимического генератора, размещенного на борту подводного аппарата и преобразующего химическую энергию водорода и кислорода в электрическую энергию. Энергоносители энергии (водород и кислород) закачены в баллоны под высоким давлением и размещены также на борту подводного аппарата.The closest in technical essence to the proposed method of energy supply of the underwater vehicle and the device for its implementation is a method of power supply of underwater vehicles from an energy source located on board the underwater vehicle, implemented in the "Electric power system of a submarine with an electrochemical generator" (RF Patent No. 2167783, publ. May 27, 2001), which contains a storage battery, a propeller motor, electric consumers, and an electrochemical generator from several power units, the electrochemical generator being connected to the battery through a matching converter divided by the number of power units connected in parallel into modules equipped with power unit current sensors and a common control unit. With the method, which is pleasant for the prototype, the underwater vehicle is powered by an electrochemical generator located on board the underwater vehicle and converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into electrical energy. Energy carriers (hydrogen and oxygen) are pumped into cylinders under high pressure and are also placed on board the underwater vehicle.
Известный способ энергообеспечения подводного аппарата и устройство для его реализации имеет недостатки:The known method of energy supply of the underwater vehicle and a device for its implementation has the disadvantages of:
- ограничены автономность и дальность плавания подводного аппарата из-за ограниченного объема и ресурса энергоносителей и электрохимического генератора в целом.- limited autonomy and range of navigation of the underwater vehicle due to the limited volume and resource of energy and the electrochemical generator as a whole.
Задачей изобретения является увеличение автономности и дальности плавания подводного аппарата путем использования в качестве источника энергии морское течение, обладающее огромным запасом механической энергии.The objective of the invention is to increase the autonomy and range of navigation of the underwater vehicle by using the sea current as an energy source, which has a huge supply of mechanical energy.
Техническим результатом изобретения является увеличение автономности и дальности плавания подводного аппарата за счет преобразования предлагаемым устройством механической энергии встречного по отношению к неподвижному корпусу подводного аппарата потока воды морского течения в электрическую энергию.The technical result of the invention is to increase the autonomy and cruising range of the underwater vehicle by converting the mechanical energy proposed by the device to the flow of sea current that is counter to the stationary body of the underwater vehicle into electrical energy.
Решение задачи достигается тем, что в способе энергообеспечения подводного аппарата, электроэнергетическая система которого содержит источник энергии, аккумуляторную батарею, полупроводниковый преобразователь, электрическую машину, на валу которой установлен гребной винт, при котором энергия источника преобразуется в электрическую энергию постоянного тока и пополняет запас электрической энергии аккумуляторной батареи, имеются следующие отличия: в качестве источника энергии используется морское течение, механическая энергия которого при прохождении потока воды через лопасти винта при фиксированном положении корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну, преобразуется в электрическую энергию.The solution to the problem is achieved by the fact that in the method of energy supply of the underwater vehicle, the electric power system of which contains a power source, a battery, a semiconductor converter, an electric machine with a propeller installed on its shaft, in which the source energy is converted into direct current electric energy and replenishes the electric energy reserve the battery, there are the following differences: the sea current is used as the energy source, the mechanical energy of which, when the water flow passes through the propeller blades with a fixed position of the underwater vehicle body, is opposite the direction of the water flow and is stationary with respect to the seabed, is converted into electrical energy.
А также, подводный аппарат закреплен на корпусе движущегося базового судна.And also, the underwater vehicle is mounted on the hull of a moving base vessel.
Кроме того, решение задачи достигается тем, что в устройстве для реализации способа содержащем аккумуляторную батарею, полупроводниковый преобразователь, синхронную машину с магнитоэлектрическим возбуждением, ротор которой механически соединен с винтом, а обмотка статора подключена к цепи переменного тока полупроводникового преобразователя, цепь постоянного тока которого подключена к аккумуляторной батареи, имеются следующие отличия: дополнительно введены устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну, а обмотка статора синхронной машины выполнена многофазной из N трехфазных обмоток, полупроводниковый преобразователь выполнен обратимым по модульной схеме из N однотипных полупроводниковых модулей, мощность каждого из которых равна 1/N мощности синхронной машины, причем цепи постоянного тока N полупроводниковых модулей обратимого полупроводникового преобразователя при работе синхронной машины в двигательном режиме соединены параллельно, а при работе синхронной машины в генераторном режиме соединены последовательно,In addition, the problem is achieved by the fact that in the device for implementing the method comprising a storage battery, a semiconductor converter, a synchronous machine with magnetoelectric excitation, the rotor of which is mechanically connected to the screw, and the stator winding is connected to an alternating current circuit of the semiconductor converter, the DC circuit of which is connected to the battery, there are the following differences: in addition, a device for monitoring the position of the longitudinal axis of the underwater vehicle’s hull and its control and a device for fixing the position of the longitudinal axis of the underwater vehicle’s hull opposite the direction of water flow and motionless with respect to the seafloor are introduced, and the stator winding of the synchronous machine is multiphase of N three-phase windings, the semiconductor converter is made modularly reversible from N of the same type of semiconductor modules, the power of each of which is equal to 1 / N of the power of the synchronous machine, and the DC circuit N the semiconductor modules of a reversible semiconductor converter when the synchronous machine is in the motor mode are connected in parallel, and when the synchronous machine in the generator mode are connected in series,
Таким образом, в способе энергообеспечения подводного аппарата, в качестве источника энергии используется морское течение, механическая энергия которого при прохождении потока воды через лопасти винта при фиксированном положении продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну, преобразуется в электрическую энергию.Thus, in the method of energy supply of the underwater vehicle, the sea current is used as the energy source, the mechanical energy of which, when the water flow passes through the propeller blades at a fixed position of the longitudinal axis of the body of the underwater vehicle, is opposite to the direction of the water flow and is stationary relative to the seabed, is converted into electric energy.
В устройство, реализующее этот способ дополнительно введены устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну, а обмотка статора синхронной машины выполнена многофазной из N трехфазных обмоток, полупроводниковый преобразователь выполнен обратимым по модульной схеме из N однотипных полупроводниковых модулей, мощность каждого из которых равна 1/N мощности синхронной машины, причем цепи постоянного тока N полупроводниковых модулей обратимого полупроводникового преобразователя при работе синхронной машины в двигательном режиме соединены параллельно, а при работе синхронной машины в генераторном режиме соединены последовательно.The device that implements this method additionally includes a device for controlling the position of the longitudinal axis of the body of the underwater vehicle and a device for fixing the position of the longitudinal axis of the body of the underwater vehicle in the direction opposite to the direction of the water flow and motionless with respect to the seabed, and the stator winding of the synchronous machine is made of multiphase N three-phase windings, the semiconductor converter is made modularly reversible from N of the same type of semiconductor modules, the power of each of which is 1 / N of the power of the synchronous machine, and the DC circuits of the N semiconductor modules of the reversible semiconductor converter are connected in parallel when the synchronous machine is in motor mode, and when the operation of the synchronous machine in the generator mode are connected in series.
Преобразование механической энергии встречного потока воды в электрическую энергия, передаваемую для заряда аккумуляторной батареи, осуществляется синхронной машиной, ротор которой механически связан с лопастями гребного винта. При этом синхронная машина работает генератором, а обратимый полупроводниковый преобразователь работает в режиме активного выпрямителя.The conversion of the mechanical energy of the oncoming water stream into the electrical energy transmitted to charge the battery is carried out by a synchronous machine, the rotor of which is mechanically connected with the propeller blades. In this case, the synchronous machine operates as a generator, and the reversible semiconductor converter operates in the active rectifier mode.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:Significant differences that allow to realize the technical result:
- энергоносителем системы энергообеспечения подводного аппарата является морское течение со скоростью перемещения потока воды достаточной для эффективной работы электроэнергетической системы в режиме заряда аккумуляторной батареи подводного аппарата;- the energy carrier of the energy supply system of the underwater vehicle is the sea current with a speed of movement of the water flow sufficient for the efficient operation of the electric power system in the charge mode of the battery of the underwater vehicle;
- подводный аппарат оснащен устройством для контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройством для фиксации положения продольной корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну;- the underwater vehicle is equipped with a device for monitoring the position of the longitudinal axis of the hull of the underwater vehicle and controlling it and a device for fixing the position of the longitudinal body of the underwater vehicle in the direction opposite to the direction of water flow and motionless with respect to the seabed;
- обмотка статора синхронной машины выполнена многофазной из N трехфазных обмоток;- the stator winding of the synchronous machine is made of multiphase from N three-phase windings;
- полупроводниковый преобразователь выполнен обратимым по модульной схеме из N однотипных полупроводниковых модулей, мощность каждого из которых равна 1/N мощности синхронной машины;- the semiconductor converter is made reversible in a modular fashion from N of the same type of semiconductor modules, the power of each of which is equal to 1 / N of the power of the synchronous machine;
- цепи постоянного тока N полупроводниковых модулей обратимого полупроводникового преобразователя при работе синхронной машины в двигательном режиме соединены параллельно, а при работе синхронной машины в генераторном режиме соединены последовательно.- DC circuits N of the semiconductor modules of a reversible semiconductor converter when the synchronous machine is in the motor mode are connected in parallel, and when the synchronous machine is in the generator mode, they are connected in series.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема электроэнергетической системы и введены следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 is a functional diagram of the electric power system and the following notation is introduced:
1 - аккумуляторные батареи;1 - rechargeable batteries;
2 - обратимый полупроводниковый преобразователь;2 - reversible semiconductor converter;
3 - синхронная машина с магнитоэлектрическим возбуждением;3 - synchronous machine with magnetoelectric excitation;
4 - гребной винт;4 - propeller;
5 - устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им;5 - a device for controlling the position of the longitudinal axis of the hull of the underwater vehicle and controlling it;
6 - устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну.6 - a device for fixing the position of the longitudinal axis of the hull of the underwater vehicle counter to the direction of flow of water and motionless with respect to the seabed.
Электроэнергетическая система подводного аппарата содержит аккумуляторную батарею 1, обратимый полупроводниковый преобразователь 2, синхронную машину 3, гребной винт 4, устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им 5, устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну 6. Обмотка статора синхронной машины 3 выполнена многофазной из N трехфазных обмоток, а обратимый полупроводниковый преобразователь 2 выполнен по модульной схеме из N однотипных полупроводниковых модулей, мощность каждого из которых равна 1/N мощности синхронной машины. При режиме заряда аккумуляторной батареи 1 корпус подводного аппарата устанавливается с помощью устройства 5 так, чтобы его продольная ось была направлена встречно направлению потока воды, и с помощью устройства 6 была зафиксирована неподвижно по отношению к морскому дну. Поток воды, проходя через лопасти гребного винта 4, работающего в режиме турбины, приводит его во вращение. Механическая энергия потока воды преобразуется в механическую энергию вращения гребного винта 4. Механическая энергия вращения гребного винта 4 приводит во вращение ротор синхронной машины 3. Вращающийся магнитный поток, созданный магнитоэлектрической системой возбуждения, размещенной на роторе синхронной машины 3, наводит в проводниках обмотки статора ЭДС. Синхронная машина 3 работает в генераторном режиме, вырабатывает электрическую энергию переменного тока и передает ее обратимому полупроводниковому преобразователю 2. Обратимый полупроводниковый преобразователь 2 работает в режиме активного выпрямителя, преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока и заряжает аккумуляторную батарею 1. При заряде аккумуляторной батареи 1 для согласования величины выходного напряжения обратимого полупроводникового преобразователя 2 с напряжением аккумуляторной батареи 1 цепи постоянного тока N модулей обратимого полупроводникового преобразователя 2 соединены последовательно и подключены к аккумуляторной батарее 1. Точное согласование величины выходного напряжения обратимого полупроводникового преобразователя, с напряжением аккумуляторной батареи осуществляется путем изменения величины коэффициента модуляции μ напряжения цепи переменного тока обратимого полупроводникового преобразователя 2. Диапазон регулирования коэффициента μ: 0<μ<1. Напряжение цепи постоянного тока одного модуля обратимого полупроводникового преобразователя Ud1 при работе в режиме активного выпрямителя обратно пропорционально коэффициенту модуляцииThe underwater vehicle’s electric system contains a
Ud1=1,41Uл.с.м,/μ;U d1 = 1.41 U hp.m , / μ;
где Uл.с.м - действующее значение линейного напряжения синхронной машины при генераторном режиме работы.where U hp.m is the effective value of the linear voltage of the synchronous machine during the generator operating mode.
Рассмотрим пример реализации изобретения.Consider an example implementation of the invention.
По методике расчета параметров гребного винта, приведенной в источнике (1), определяются основные параметры гребного винта и синхронной машины для подводного аппарата с заданными параметрами.By the method of calculating the parameters of the propeller given in the source (1), the main parameters of the propeller and synchronous machine for the underwater vehicle with the specified parameters are determined.
Маршевая скорость движения подводного аппарата υ a Marching speed of the underwater vehicle υ a
υ a =20 узлов=10,285 м/с;υ a = 20 knots = 10.285 m / s;
Диаметр винта D=1,3 м.Screw diameter D = 1.3 m.
Приняв отношение шага винта h к диаметру лопастей винта DTaking the ratio of the pitch of the screw h to the diameter of the blades of the screw D
h/D=1,1;h / D = 1.1;
можно определить величину шага винтаcan determine the pitch of the screw
h=(h/D)⋅D=1,1⋅1,3=1,43 м;h = (h / D) ⋅ D = 1.1⋅1.3 = 1.43 m;
Произведение шага винта h на скорость вращения винта n представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль продольной оси подводного аппарата.The product of the pitch of the screw h by the rotational speed of the screw n represents the theoretical speed of movement of the screw along the longitudinal axis of the underwater vehicle.
Из соотношения h⋅nN=υ a /(1-s);From the relation h⋅n N = υ a / (1-s);
определяется значение номинальной скорости nN вращения винта:determines the value of the nominal speed n N of rotation of the screw:
nN=υ a /[h⋅(1-s)];n N = υ a / [h⋅ (1-s)];
Значение скольжения s принимаем равным 0,137The value of slip s is taken equal to 0.137
nN=10,285/(1,43⋅0,863)=8,33 об/с=500 об/мин=8,33 об/с;n N = 10.285 / (1.43⋅0.863) = 8.33 rpm = 500 rpm = 8.33 rpm;
Окружная скорость вращения винта υr, т.е. скорость перемещения лопасти винта в плоскости, перпендикулярной оси винтаThe peripheral speed of rotation of the screw υ r , i.e. propeller blade speed in a plane perpendicular to the propeller axis
υr=π⋅D⋅nN=3,14⋅1,3⋅8,33=34 м/с;υ r = π⋅D⋅n N = 3.14⋅1.3⋅8.33 = 34 m / s;
Мощность электрического двигателя Рд, необходимая для работы винта с заданными параметрами, определяется в первом приближении (без учета потерь) по формуле, приведенной в источнике (1):The power of the electric motor R d necessary for the screw to work with the given parameters is determined in a first approximation (excluding losses) according to the formula given in the source (1):
Рд=D4⋅102⋅υ a ⋅n2/44 л.с;P d = D 4 ⋅102⋅υ a ⋅n 2/4 HP 4;
Размерности величин: υ a - м/с; а n - об/с;Dimension of quantities: υ a - m / s; and n is rpm;
При значении параметров винта D=1,3 м; nN =8,33 об/с; υ a =10,285 м/с; мощность двигателя Рд должна быть не менееWhen the value of the screw parameters D = 1.3 m; n N = 8.33 rpm; υ a = 10.285 m / s; engine power R d must be at least
Рд=1,34⋅102⋅10,285⋅8,332/44=812,1 л.с;P d = 1.3 ⋅102⋅10,285⋅8,33 4 2/4 4 = 812.1 HP;
или при пересчете на Ватты:or when converted to watts:
Рд=812,1⋅736=597705 Вт=597,7 кВт;P d = 812.1⋅736 = 597705 W = 597.7 kW;
При зарядке аккумуляторной батареи гребной винт работает в режиме турбины, а синхронной машины - в режиме генератора.When charging the battery, the propeller operates in turbine mode and the synchronous machine in generator mode.
Мощность Рг, генерируемая синхронной машиной, определяется с учетом эффективности работы генератора и турбины (2):The power P g generated by the synchronous machine is determined taking into account the efficiency of the generator and turbine (2):
Рг=ηг⋅ηт⋅Рп,P g = η g ⋅η t ⋅P p ,
где Рп - мощность потока воды, поступающего на лопасти винта, Вт;where R p - power flow of water entering the rotor blades, W;
ηг - КПД генератора, значение ηг=0,85-0,95;η g - the efficiency of the generator, the value of η g = 0.85-0.95;
ηт - КПД турбины, значение ηт=0,5-0,7;η t - turbine efficiency, value η t = 0.5-0.7;
Рп=ρ⋅g⋅Q⋅H Вт;P p = ρ⋅g⋅Q⋅H W;
где ρ - плотность воды, равна 1000 кг/м3;where ρ is the density of water, equal to 1000 kg / m 3 ;
g - ускорение свободного падения, равно 9,81 м/с2;g - acceleration of gravity, equal to 9.81 m / s 2 ;
Q - расход воды, м3/с;Q is the flow rate of water, m 3 / s;
Н - скоростной напор потока воды, мN - high-pressure water flow, m
Q=Sт⋅υn Q = S t ⋅υ n
где Sт - площадь сечения, через которое проходит поток воды на лопасти винта, м2;where S t is the cross-sectional area through which the flow of water passes on the rotor blades, m 2 ;
Скоростной напор потока воды H можно определить по формулеThe velocity head of the water flow H can be determined by the formula
Н=υп 2/2g;H = υ p 2 / 2g;
С учетом значений параметров, приведенных выше, мощность потока можно определить по формулеGiven the values of the parameters above, the flow rate can be determined by the formula
Рп=0,5⋅ρ⋅Sт⋅υп 3; Вт;P p = 0.5⋅ρ⋅S t ⋅υ p 3 ; Tue
При принятых в примере расчета параметрах:With the parameters adopted in the calculation example:
- размер диаметра лопастей винта D=1,3 м (площадь Sт=π⋅D2/4=1,327 м2);- diameter screw blades size D = 1,3 m (the area S t = π⋅D 2/4 = 1.327 m 2);
- скорость потока υп=3,084 м/с;- flow rate υ p = 3.084 m / s;
- плотность воды ρ=1000 кг/м3 - water density ρ = 1000 kg / m 3
мощность потока можно определить по формуле:flow rate can be determined by the formula:
Рп=663⋅υп 3; ВтP p = 663⋅υ p 3 ; Tue
Значение мощности Рп является по сути предельным значением мощности, которую можно получить от синхронного генератора без учета потерь в генераторе и турбине при заданном значении скорости потока и размерах винта. Мощность, генерируемая синхронной машиной с учетом минимально возможных значений КПД генератора ηг=0,9 и турбины (винта) ηт=0,5:The power value R p is essentially the limit value of power that can be obtained from a synchronous generator without taking into account losses in the generator and turbine at a given value of the flow velocity and screw dimensions. The power generated by the synchronous machine, taking into account the minimum possible values of the generator efficiency η g = 0.9 and the turbine (screw) η t = 0.5:
Рг=0,9⋅0,5⋅663⋅υп 3Вт=298,35⋅υп 3Вт=0,29835⋅υп 3; кВтP g = 0.9⋅0.5⋅663⋅υ n 3 W = 298.35⋅υ n 3 W = 0.29835⋅υ n 3 ; kW
Скорость вращения винта, а значит и скорость вращения ротора синхронной машины, можно определить по формуле, приведенной в (2):The rotational speed of the screw, and hence the rotational speed of the rotor of the synchronous machine, can be determined by the formula given in (2):
n=υп/h; об/с;n = υ p / h; rev / s;
В таблице 1 приведены результаты расчета основных параметров, характеризующих работу винта в режиме турбины и синхронной машины в режиме генератора, включая и величину электрической энергии, передаваемой на заряд аккумуляторной батареи в течение одних суток, Wз.АБ; кВт⋅час.Table 1 shows the calculation results of the main parameters characterizing the operation of the propeller in turbine mode and the synchronous machine in generator mode, including the amount of electrical energy transmitted to charge the battery for one day, Wz. AB kWh.
Результаты расчета показывают, что уже при скорости потока равной 1,542 м/с = 3 узла можно производить дозаряд аккумуляторной батареи. С увеличением скорости потока эффективность заряда аккумуляторной батареи существенно повышается.The calculation results show that even at a flow velocity of 1.542 m / s = 3 knots, it is possible to recharge the battery. As the flow rate increases, the battery charge efficiency increases significantly.
В предпоследней строке таблицы 1 приведены отношения действующих значений линейного напряжения одной трехфазной обмотки при текущем значении скорости потока, Uл.д.з, к номинальному значению этого напряжения Uл.д.зN, которое будет при номинальном значении скорости вращения ротора синхронной машины, т.е. при nN=8,33 об/с=500 об/мин,The penultimate row of table 1 shows the ratio of the effective values of the linear voltage of one three-phase winding at the current value of the flow velocity, U l.d.z. , to the nominal value of this voltage U l.d.zN , which will be at the nominal value of the rotational speed of the rotor of the synchronous machine, those. at n N = 8.33 r / s = 500 r / min,
Uл.д.з,/Uл.д.зN=n/nN.;U l.d.z., / U l.d.z.N = n / n N .;
Из приведенных расчетов видно, что при низких значениях скорости потока воды напряжение одной трехфазной обмотки синхронной машины недостаточно для заряда аккумуляторной батареи. Поэтому требуемый для заряда аккумуляторной батареи уровень напряжения достигается суммированием выпрямленных напряжений N однотипных полупроводниковых модулей, на входы которых подано трехфазное напряжение от N трехфазных обмоток статора синхронной машины, и регулированием коэффициента модуляции напряжения цепи переменного тока активного выпрямителя. В последней строке таблицы 1 приведены значение требуемого для заряда аккумуляторной батареи коэффициента увеличения напряжения Кн для каждого значения скорости потока воды.It can be seen from the above calculations that at low values of the water flow rate, the voltage of one three-phase winding of a synchronous machine is not enough to charge the battery. Therefore, the voltage level required for charging the battery is achieved by summing the rectified voltages N of the same type of semiconductor modules, the inputs of which are supplied with a three-phase voltage from N three-phase stator windings of a synchronous machine, and by controlling the modulation coefficient of the voltage of the AC circuit of the active rectifier. The last row of table 1 shows the value of the voltage increase coefficient K n required for the battery charge for each value of the water flow rate.
Значения скорости морских течений в различных акваториях мирового океана указаны в Атласах океанов и проливов, например, в (3) и (4), а также приведены в монографиях. Например, в монографии известного ученого гидрографа Евгенова Н.И. (5) на стр. 20 указано, что «… Скорость течений в отдельных наиболее суженных участках проливов нередко достигает 6-7 миль в час и даже больше. Из районов с очень сильными приливными течениями можно, например, отметить вход в Пенжинскую губу, в которой наблюдаются приливы, достигающие наибольшей высоты в Советском Союзе (свыше 13 м). Весьма сильны течения в узких проливах среди островов Алеутской гряды и у побережья Аляски, где они местами достигают исключительной скорости - до 10 и даже больше узлов (миль в час). Такие районы далеко не единичны. В 1934 г., идя на ледоколе «Красин» из Европы через Панамский канал в Берингов пролив, мы наблюдали как наш мощный корабль, проходя одной из узкостей между островом Ванкувер и тихоокеанским берегом Канады, встретил сильное приливное течение. Несмотря на то, что проход этого района по расчету не совпадал с максимальной скоростью приливного течения, ледокол некоторое время с трудом продвигался вперед. Вода местами бурлила и стремительно неслась между берегами навстречу кораблю». Из приведенной информации следует, что в мировом океане достаточно много течений, энергия которых может быть использована для эффективной зарядки аккумуляторных батарей подводного аппарата.The values of the velocity of sea currents in various water areas of the oceans are indicated in the Atlases of the oceans and straits, for example, in (3) and (4), and are also given in monographs. For example, in the monograph of the famous scientist hydrograph Evgenov N.I. (5) on p. 20 it is stated that “... The speed of currents in some of the narrowest sections of the straits often reaches 6-7 miles per hour and even more. Among areas with very strong tidal currents, for example, one can note the entrance to the Penzhinskaya Bay, in which tides are observed that reach the highest altitude in the Soviet Union (over 13 m). Currents are very strong in narrow straits among the islands of the Aleutian ridge and off the coast of Alaska, where in places they reach an exceptional speed - up to 10 and even more knots (miles per hour). Such areas are far from single. In 1934, going on the Krasin icebreaker from Europe through the Panama Canal to the Bering Strait, we watched as our powerful ship, passing one of the narrownesses between Vancouver Island and the Pacific coast of Canada, met a strong tidal current. Despite the fact that the passage of this region did not, by calculation, coincide with the maximum speed of the tidal current, the icebreaker for some time moved forward with difficulty. Water boiled in places and swiftly rushed between the banks towards the ship. " From the above information it follows that in the oceans there are a lot of currents, the energy of which can be used to effectively charge the batteries of the underwater vehicle.
В том случае, когда скорость течения в заданной акватории мирового океана недостаточна для эффективного заряда аккумуляторной батареи и требуется передислокация подводного аппарата на значительное расстояние, подводный аппарат может быть закреплен на корпусе базового судна. При этом подводный аппарат находится под водой и не имеет электрической связи с электроэнергетической системой базового судна. При движении базового судна с закрепленным на корпусе подводным аппаратом встречный поток воды проходит через лопасти винта и приводит его во вращение. Скорость потока воды в этом случае определяется скоростью движения базового судна и может быть достаточно высокой, что обеспечит быстрый заряд аккумуляторной батареи без подъема подводного аппарата на борт базового судна.In the case when the current velocity in a given area of the oceans is insufficient for the effective charge of the battery and the redeployment of the underwater vehicle over a considerable distance is required, the underwater vehicle can be mounted on the hull of the base vessel. In this case, the underwater vehicle is under water and has no electrical connection with the power system of the base vessel. When the base vessel moves with an underwater vehicle fixed to the hull, the oncoming water stream passes through the propeller blades and rotates it. The water flow rate in this case is determined by the speed of the base vessel and can be high enough to ensure a fast charge of the battery without lifting the underwater vehicle aboard the base vessel.
Таким образом, в предложенном способе энергообеспечения подводного аппарата и устройстве для его реализации за счет того что в качестве источника энергии используется морское течение, механическая энергия которого преобразуется в электрическую энергию, а также, в устройство дополнительно введены устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата, достигается значительное увеличение автономности и дальности плавания подводного аппарата, что выгодно отличает предложенное изобретение от прототипа.Thus, in the proposed method of energy supply of the underwater vehicle and the device for its implementation due to the fact that the sea current is used as an energy source, the mechanical energy of which is converted into electrical energy, and the device for controlling the position of the longitudinal axis of the body of the underwater vehicle is additionally introduced into the device and control it and a device for fixing the position of the longitudinal axis of the body of the underwater vehicle, a significant increase in autonomy and range of navigation of the underwater vehicle is achieved, which distinguishes the proposed invention from the prototype.
Использованная литература:References:
1. Новак Г.М. Справочник по катерам, лодкам и моторам. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л. Судостроение, 1982. - 352 с.: илл.1. Novak G.M. Directory of boats, boats and motors. - 2nd ed. reslave. and add. - L. Shipbuilding, 1982. - 352 p.: Ill.
2. Кусков А.И. Разработка и исследование мобильной гидротурбинной установки для энергообеспечения и водоснабжения сельскохозяйственных объектов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.20.02. Москва. 2015 г.2. Kuskov A.I. Development and research of a mobile hydroturbine unit for energy supply and water supply of agricultural facilities. The dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Specialty 05.20.02. Moscow. 2015 year
3. Атлас океанов. Тихий океан. М.: Главное управление навигации и океанографии. Министерство обороны СССР., 1974 - 288 с.3. Atlas of the oceans. Pacific Ocean. M .: Main Directorate of Navigation and Oceanography. The Ministry of Defense of the USSR., 1974 - 288 p.
4. Атлас океанов. Проливы мирового океана. М. ВМФ. 1993. - 392 с.4. Atlas of the oceans. Straits of the oceans. M. Navy. 1993 .-- 392 p.
5. Евгенов Н.И. Морские течения. Изд. 2-е. Л. Гидрометеоиздат. 1957 - 108 с.5. Evgenov N.I. Sea currents. Ed. 2nd. L. Hydrometeoizdat. 1957 - 108 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145189A RU2724197C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145189A RU2724197C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2724197C1 true RU2724197C1 (en) | 2020-06-22 |
Family
ID=71136157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019145189A RU2724197C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2724197C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2750396C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-06-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Underwater vehicle power supply system |
| RU2775329C1 (en) * | 2021-08-30 | 2022-06-29 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device for energy supply of an underwater energy storage facility |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1223616A (en) * | 1915-11-08 | 1917-04-24 | Otto A W Riecks | Boat and its propeller. |
| US4571192A (en) * | 1983-11-09 | 1986-02-18 | Allied Corporation | Self propelled spherical vehicle |
| RU2167783C1 (en) * | 1999-12-16 | 2001-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" | Submarine electric power system with electrochemical generator |
| RU132773U1 (en) * | 2013-01-15 | 2013-09-27 | Курское открытое акционерное общество "Прибор" | OUTDOOR ROBOT WITH EXTERNAL MOTORS |
-
2019
- 2019-12-25 RU RU2019145189A patent/RU2724197C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1223616A (en) * | 1915-11-08 | 1917-04-24 | Otto A W Riecks | Boat and its propeller. |
| US4571192A (en) * | 1983-11-09 | 1986-02-18 | Allied Corporation | Self propelled spherical vehicle |
| RU2167783C1 (en) * | 1999-12-16 | 2001-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" | Submarine electric power system with electrochemical generator |
| RU132773U1 (en) * | 2013-01-15 | 2013-09-27 | Курское открытое акционерное общество "Прибор" | OUTDOOR ROBOT WITH EXTERNAL MOTORS |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2750396C1 (en) * | 2020-12-28 | 2021-06-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Underwater vehicle power supply system |
| EA039882B1 (en) * | 2020-12-28 | 2022-03-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Underwater vehicle power supply system |
| RU2775329C1 (en) * | 2021-08-30 | 2022-06-29 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device for energy supply of an underwater energy storage facility |
| RU2775329C9 (en) * | 2021-08-30 | 2022-08-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device for energy supply of an underwater energy storage facility |
| RU2778080C1 (en) * | 2021-10-01 | 2022-08-15 | Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") | Control system of the underwater mining complex |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101707464B1 (en) | A distributed electrical generation system | |
| CN106887895A (en) | A kind of wave-energy power generation formula underwater robot | |
| US20120038210A1 (en) | Apparatus and method for electric floating storage and offloading | |
| RU2724197C1 (en) | Method for power supply of underwater vehicle and device for its implementation | |
| US11371481B2 (en) | Hydrokinetic energy device | |
| CN110391690A (en) | A kind of autonomous submariner device contactless charging system and its charging method | |
| Son et al. | DC power system for fishing boat | |
| AU2013204537B2 (en) | Electricity generating appparatus | |
| KR102653031B1 (en) | Wireless charging system of electric ship | |
| Belkhayat | Ship electrification: DC versus ac and the rise of digital power [technology leaders] | |
| RU2750396C1 (en) | Underwater vehicle power supply system | |
| RU2775329C1 (en) | Device for energy supply of an underwater energy storage facility | |
| RU2775329C9 (en) | Device for energy supply of an underwater energy storage facility | |
| KR102087997B1 (en) | Floating type power generation device | |
| Thome et al. | Integration of electromagnetic technologies into shipboard applications | |
| Ross et al. | Maritime superconductivity perspectives | |
| US20220325688A1 (en) | Hydrokinetic energy device | |
| Zhao et al. | MHD wave energy underwater recharging platforms for AUVs | |
| Raschepkin et al. | Energy Indicators Of A Cylindrical Magneto-Electric Sea Wave Energy Converter | |
| KR102458431B1 (en) | The power generation device of triple sphere structure including eccentric sphere and It's application to the wave power generation system | |
| Jian et al. | Design And Power Generation Performance Analysis of A Rim-Driven Wave Energy Generator | |
| US20220213863A1 (en) | Hydrokinetic energy based power generation system | |
| CN203835605U (en) | Floating plate type sea wave generator | |
| RU2713227C2 (en) | Marine wave power plant | |
| Martynov et al. | Power supply of the underwater dock station from the inverted float wave power plant |