|
|
|
ЦЕНТР ИССЛЕДОВАНИЙ СИЛОВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК |
ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА |
КОРАБЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКАсерии КГСУ7
Техническое предложение АННОТАЦИЯ
В техническом предложении содержится краткая информация о корабельной гибридной силовой установке серии КГСУ7. Она предназначена для привода водных винтов на катерах, малоразмерных яхтах и прогулочных подводных лодках в классе мощностей до 1 МВт. По совокупности, примененных в ней технических решений КГСУ7 относится к изделиям 6-го поколения по антропоцентрической классификации. ВВЕДЕНИЕ
Постепенное исчерпание запасов ископаемых топлив и тотальное загрязнение окружающей среды несет человеческой цивилизации серьезные вызовы и угрозы. Одним из основных путей компенсации этих угроз является разработка и внедрение всеядных энергосберегающих и экологически чистых силовых установок для всех транспортных средств. При реализации этой тенденции не является исключением и водный транспорт. Основными недостатками, обусловленными потребительскими свойствами современных стационарных и подвесных моторов, катеров и малоразмерных яхт являются: 1) повышенный расход топлива; 2) высокие удельные выбросы токсичных и загрязняющих веществ; 3) большая масса двигателя и значительное загромождение им внутреннего пространства; 4) наличие сложной механической трансмиссии для передачи крутящего момента на винт; 5) недостаточная маневренность на малых и максимальных скоростях движения; 6) недостаточная энергооснащенность. Исключить эти недостатки призвана предлагаемая сверхкомпактная энерго-сберегающая и экологически чистая корабельная гибридная силовая установка серии КГСУ7. Этот проек т создается на основе новых уникальных технических решений, разработанных в процессе ряда фундаментальных и прикладных исследований, осуществляемых Научно-исследовательской лабораторией двигателестроения (НИЛД) и Исследовательским центром силовых и энергетических установок (ИЦСЭУ) в г. Рыбинске в течение последних 15 лет. Примененные в ней энергосберегающие экологически чистые технологии позволяют доступными по цене средствами реализовать, высоко эффективное и экологически чистое превращение химической энергии жидкого топлива в механическую энергию вращающихся валов отбора мощности. При разработке КГСУ7 учтены наиболее перспективные тенденции, исследования которых ведутся другими разработчиками. В частности учтена технология "Variable surface drive". Она представляет собой систему вращающихся в противоположном направлении винтов, которые под управлением компьютера могут приспосабливаться к любым условиям, что позволяет судну быстрее набирать скорость, лучше маневрировать и экономить топливо. 1 КОРАБЕЛЬНАЯ ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА 1.1 Назначение и уровень проекта
1.2 Состав и схемное решение силовой
установки
Корабельная гибридная силовая установка серии КГСУ7 состоит из нескольких модулей соединенных между собой кабелями и/или трубопроводами. В ее состав входят: 1)мотор-генераторый модуль (МГМ); 2)блок выпрямителя силового (БВС); 3)блок управления стартер-генератором (БУСГ); 4)блоки электронные силовые (БЭС); 5)тяговые электродвигатели (ТЭД); 6)блок управления модуль-двигателем (БУМД); 7)блок управления электроплазменным воспламенителем (БУЭПВ); 8)электроприводной пневмокомпрессор (ЭППК); 9)электроприводной топливный насос высокого давления (ЭТНВД); 10)электроприводной модуль наддува (ЭПМН); 11)влагоотделитель (ВО); 12)модуль подготовки воды (МПВо); 13)комплект силовых и управляющих кабелей; 14)комплект газовых и топливных трубопроводов; 15)комплект эксплуатационной документации. Принципиальная схема корабельной гибридной силовой установки серии КГСУ7 в сочетании с обслуживающими корабельными компонентами показана на рисунке 1.  Рисунок 1 - принципиальная схема
корабельной
гибридной силовой установки серии КГСУ7 1 - корабельная гибридная силовая установка КГСУ7; 2 - мотор-генераторный
модуль; 3 - модуль-двигатель;
4 - полисетевой стартер-генератор; 5 - блок выпрямителя силового; 6 - блок управления стартер-генератором; 7 - блок электронный силовой; 8 - тяговый электродвигатель; 9 - муфта; 10 - водный винт; 11 - электроприводной модуль наддува; 12-влагоотделитель; 13 - модуль подготовки воды; 14 - форсунка впрыска воды; 15 - блок управления модуль-двигателем; 16 - блок управления электроплазменным воспламенителем; 17 - электроплазменный воспламенитель; 18 - топливная форсунка; 19 - штуцер отбора воздуха из камеры сгорания; 20 - электроприводной пневокомпрессор; 21 - электроприводной топливный насос высокого давления; 22 - подкачивающий топливный насос; 23 - топливный бак; 24 - пульт управления; 25 - блок аккумуляторных батарей; 26 - ключ питания; 27 - щит распределительный 12 В сети; 28 - щит распределительный 42 В сети; A - подвод воздуха из атмосферы; B - сброс продуктов сгорания Работа корабельной гибридной силовой установки на всех основных режимах рассматривается в Главе 3. Наличие двух водных винтов требуется для обеспечения надежного и легкого маневрирования на высоких и низких скоростях движения, и в том числе для разворота на месте. Их наличие позволяет исключить все выступающие за пределы корпуса части, что позволяет повысить пропульсивный КПД корпуса. Поворот влево-вправо осуществляется изменением частоты вращения одного из винтов. Для поворота влево частота вращения правого винта должна превышать частоту левого и наоборот.Движение назад осуществляется одновременным программным инвертированием кода, задающего последовательность коммутации фаз на тяговом электродвигателе. Разворот на месте осуществляется вращением одного из винтов в прямом направлении, а второго в обратном с равной частотой вращения. За счет двух винтовой схемы и сверхкомпактности приводящих их тяговых электродвигателей, КГСУ7 пригодна для создания судов нового поколения с активным подавлением волнообразования, за счет взаимодействия потоков от винтов со структурой образуемых волн. Потенциально это позволяет существенно повысить пропульсивный КПД и скорость движения судов. Выбор напряжения силовой сети 300 В обусловлен выбором для коммутации относительно недорогих 600 В IGBT-модулей и требуемым запасом по напряжению. Выбор напряжения вспомогательной сети 42 В обусловлен желанием унифицировать оборудование перспективных судов с 42 В электрооборудованием перспективных автомобилей. Такое напряжение, оставаясь в безопасных пределах, позволяет снизить величину токов и за счет этого стоимость электронного оборудования. Для возможности использования традиционных электрических компонентов сохранен выход 14 В сети. КГСУ7 относится к ремонтопригодным изделиям. Для снижения стоимости и времени ремонтных работ, а также сервисного обслуживания, этот процесс организован по модульному принципу. Поврежденные модули или блоки заменяются новыми непосредственно на судне и впоследствии утилизируются на заводе производителе. Для снижения стоимости наиболее дорогие модули (мотор-генераторный модуль, тяговые электродвигатели и т.д.) сами стоят из отдельных взаимозаменяемых модулей. Они заменяются не полностью, а только их поврежденные части. 1.3 Технические характеристики Основные технические характеристики корабельной гибридной силовой установки в исполнении мощностью 500 кВт (КГСУ7-500) и ее основных компонентов приведены в таблице 1. Корабельная гибридная силовая установка: КГСУ7-500 № Параметр Условное обозначение Значение Размерность 1.1 Мощность максимальная Na 500 кВт 1.2 Удельный расход топлива Судa 0,163 кг/(кВт ч) 1.3 Часовой расход топлива на максимальном режиме Сamax 95 л/час 1.3 Масса, не более Мa 700 кг 1.4 Эффективный КПД: двигателя hд трансмиссии hт общий ha 52,7 % 1.5 Ресурс La 30 000 моточасы 1.6 Топливо: основное Дизельное, Л заменяющее смеси жидких топлив 1.7 Конкурентоспособная цена 85 000евро Двигатель: МДК21-5,5 № Параметр Условное обозначение Значение Размерность 2.1 Мощность максимальная NД 580 кВт 2.2 Удельный расход топлива СудД 0,138 кг/(кВт ч) 2.3 Масса, не более Мд 200 кг 2.4 Габаритные размеры L х H х S 600x600x600 мм 2.5 Частота вращения, max nд 8000 об/мин 2.6 Количество на комплект KД 1 шт Генератор: ПБВГ12-550 № Параметр Условное обозначение Значение Размерность 3.1 Мощность максимальная NГ 550 кВт 3.2 Эффективный КПД Г 95 % 3.3 Масса, не более Мг 150 кг 3.4 Габаритные размеры L х H х S 200x800x800 мм 3.5 Частота вращения, max nг 8000 об/мин 3.6 Напряжение (выпрямленное): силовой сети Uсс 300 В вспомогательной сети Uвс 42 В 3.7 Сила тока: силовой сети Iсс 1800 A вспомогательной сети Iвс 200 A 3.8 Частота тока, max fГ 800 Гц 3.9 Количество фаз: силовой сети mсс 6 шт вспомогательной сети mвс 3 шт 3.10 Количество на комплект KГ 1 шт Тяговый электродвигатель: ТЭД18-250 № Параметр Условное обозначение Значение Размерность 4.1 Мощность максимальная NТЭД 250 кВт 4.2 Эффективный КПД ТЭД 92 % 4.3 Масса, не более МТЭД 125 кг 4.4 Габаритные размеры L х H х S 300x600x600 мм 4.5 Частота вращения: nТЭД минимальная 0 об/мин полной мощности 1500 об/мин максимальная 4000 об/мин 4.6 Направление вращения вала правое, левое 4.7 Количество фаз mТЭД 6 шт 4.8 Количество на комплект KТЭД 2 шт Электронный блок управления ТЭД: БЭС18-250 № Параметр Условное обозначение Значение Размерность 5.1 Мощность максимальная NБЭС 250 кВт 5.2 Эффективный КПД БЭС 98 % 5.3 Масса, не более МБЭС 20 кг 5.4 Габаритные размеры L х H х S 600x300x300 мм 5.5 Количество фаз mБЭС 6 шт 5.6 Количество на комплект KБЭС 2 шт № Название этапа Объем контрольной партии, Допустимый недобор заявленных параметров не более, шт Слабо зависящих от Сильно зависящих от технологии изготовления технологии изготовления 1 Создание действующего 1 Обеспечивается только Обеспечивается только . . образца работоспособность работоспособность 2 Создание опытных образцов 10 20 % 50 % 3 Изготовление установочной партии 100 10 % 25 % 4 Серийное производство 1000 3 % 5 %
К слабо зависящим от технологии изготовления относятся такие параметры,
как: масса, габаритные размеры, мощность, удельный расход топлива и т.д. К
сильно зависящим от технологии изготовления относятся такие параметры,
как: ресурс, надежность и т.д.
Первые два этапа, указанные в таблице 2, выполняются в процессе разработки силовой установки, а оставшиеся два осуществляются в рамках сопровождения серийного производства. 1.4 Сравнение основных
показателей
Сравнение по массе КГСУ7-500 с популярными лодочными моторами Volvo Penta с поворотно-откидными колонками по данным источника [4] показано на рисунке 2.  Рисунок 2 - зависимость массы лодочных
моторов Volvo Penta
с поворотно-откидными колонками от мощности За счет сверхкомпактности компонентов, КГСУ7-500 при равной мощности на 10% легче карбюраторных и инжекторных моторов с поворотно-откидными колонками и 2 раза легче дизельных. Сравнение по удельному расходу топлива показано на рисунке 3.  Рисунок 3 - удельный расход топлива для различных типов двигателей для водных судов Из сравнения видно, что удельный расход топлива по отношению к КГСУ7-500 у дизельных моторов с ПОК выше на 37% (средний уровень 0,223 кг/кВт ч). У подвесных лодочных моторов удельный расход топлива выше чем у КГСУ7: для четырехтактных в 1,95 раза (средний уровень 0,318 кг/кВт ч), а для двухтактных в 2,3 раза (средний уровень 0,375 кг/кВт ч). Следует учесть, что значительно более высокая экономичность гибридной силовой установки достигается при более низком значении КПД трансмиссии. КПД электрической трансмиссии КГСУ7-500 составляет значение 85,6%, а механической трансмиссии, примененной в поворотно-откидных колонках от 93 до 96% в зависимости от мощности. Вместе с тем, потеря 10% мощности в электрической трансмиссии КГСУ7-500 оправдана, повышением пропульсивного КПД корпуса судна при применении двух винтовой схемы организации движителя. Особенно, значительный выигрыш реализуется при обеспечении активного подавления волновой структуры струями от винтов при специальном проектировании обводов корпуса. Цена продаж популярных лодочных моторов Volvo Penta с поворотно-откидными колонками показана на рисунке 4.  Рисунок 4 - зависимость цены лодочных моторов Volvo Penta с поворотно-откидными колонками Важной характеристикой, особенно для России, является цена. Как показано на рисунке 4, сложившийся рыночный уровень цен на экономичные судовые силовые установки (дизельные) определяет конкурентоспособную цену на КГСУ7-500 в районе 85000 евро. Однако она при дооснащении преобразователем способна выполнять функцию плавучей электростанции для аварийных и временных схем электроснабжения. В этом качестве ее конкурентоспособная цена составляет 330 евро за 1 кВт [5] или 165 000 евро за всю установку. Поскольку стоимость вспомогательной функции почти в два раза выше основной появляются предпосылки на увеличение справедливой цены КГСУ7 сразу же после начала продаж. Таким образом, при начале продаж на КГСУ7-500 следует устанавливать цену в районе 85 000 евро, а окончательное ее значение под действием рыночных механизмов установится в промежутке от 85 до 165 тысяч евро. 2 ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ИХ
ПРОТОТИПЫ
К настоящему моменту все основные компоненты, примененные в КГСУ7, были теоретически и экспериментально проработаны в НИЛД и в ИЦСЭУ. Для каждого компонента был создан один или несколько прототипов, на которых проводились экспериментальные исследования и отрабатывались методы и приемы проектирования, а также оптимизации конструкции. 2.1 Модуль-двигатель
2.1.1 Описание компонента Модуль-двигатели серии МДК21 - это сверхкомпактные экологически чистые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) универсального применения, обладающие качествами топливной всеядности и повышенной экономичности, выполненные по типовому проекту. Внешний вид модуль-двигателя серии МДК21 показан на рисунке  Сверхкомпактность модуль-двигателей во многом обеспечивается уникальным кинематическим механизмом. Для модуль-двигателей серии МДК21, реализуемых в двух исполнениях, были специально разработаны два новых кинематических механизма. Один поршневой, основанный на паре трения поршень-цилиндр, с роторным приводом поршней, а второй пластинчатый с роторным приводом пластин. Оба новых кинематических механизма являются усовершенствованными вариантами Роторной машины Курочкина [6]. Поршневой вариант позволяет заимствовать отработанную технологию изготовления, а пластинчатый дополнительно снизить массу и габаритные размеры модуль-двигателя. Зависимость массы модуль-двигателей МДК21 в поршневом исполнении от мощности показана на рисунке 5.  Рисунок 5 - зависимость массы М
модуль-двигателей серии МДК21 от мощности Ne
Зависимость эффективного КПД модуль-двигателей серии МДК21 от мощности показана на рисунке 6.  Рисунок 6 - зависимость эффективного
КПД e
модуль-двигателей серии МДК21 от мощности Ne Модуль-двигатели серии МДК21 способны работать по простому и комбинированному термодинамическому циклу. При работе по простому циклу реализуется в зависимости от режима работы или цикл "Отто" с горением при постоянном объеме, или смешанный цикл, характерный для дизельных двигателей. При работе по комбинированному циклу к циклу "Отто" добавляется цикл паровой машины. Идеальный термодинамический цикл, по которому работает двигатель в составе корабельной гибридной силовой установки серии КГСУ7, показан на рисунке 7.  Рисунок 7 - идеальный термодинамический цикл силовых установок серии МТСУ22 0-1 - сжатие; 1-2 - подвод тепла; 2-3 - подвод массы; 3-4 (2-5) - расширение; 4-5-6 - выхлоп; 6-0 - отвод тепла и массы q - подвод или отвод тепла; m - подвод или отвод массы 0-1-2-5-6-0 - простой цикл; 0-1-2-3-4-6-0 - комбинированный цикл Непрерывный процесс сгорания при постоянном объеме реализуется в камере сгорания фиксированного объема, на вход которой подается воздух от компрессора объемного типа. Отношение эквивалентной объемной производительности турбины и компрессора определяют тип термодинамического цикла. При их равенстве единице реализуется цикл "Отто", характерный для бензиновых двигателей. При отношении свыше единицы реализуется "смешанный цикл", характерный для дизельных двигателей. Комбинированный термодинамический цикл реализуется впрыском воды в камеру сгорания после зоны интенсивного горения топлива. При этом давление в цикле повышается до величины, при которой массовая производительность турбины равна суммарной производительности по продуктам сгорания и водяному пару. Впрыск воды в камеру сгорания постоянного объема в сочетании с компрессором и турбиной объемного типа дает существенное увеличение полезной работы цикла. При этом его КПД увеличивается от 10 до 20% в зависимости от количества впрыскиваемой воды. Использование комбинированного цикла, совмещенного в одной машине, позволяет получать высокие значения КПД (до 65%) и за счет этого экономить топливо, а также пропорционально снижать вредные и токсичные выбросы, в том числе CO2. Участие в цикле воды позволяет при ее конденсации улавливать токсичные водорастворимые окислы, такие как: NOx, SO2, CO, и доступными по цене средствами нейтрализовать их в водном растворе до безопасных солей. Это позволяет при работе двигателя снизить эмиссию токсичных веществ в окружающую среду практически до нуля. 2.1.2 Прототипы разработки
Первым и наиболее известным прототипом модуль-двигателей серии МДК21 является модуль-двигатель МД15-70 [7, 8]. Результаты его исследований опубликованы в отчете [9],а внешний вид показан на рисунке Более поздней версией является модуль-двигатель МД17-85. Результаты его исследований опубликованы в отчете [9],а внешний вид показан на рисунке 2.2 Полисетевой бесконтактный стартер-генератор Для применения в КГСУ7 в целях сокращения стоимости и массы из конструкции модуль-двигателя МДК21-5,5 исключен штатный стартер-генератор. Его функции выполняет силовой генератор ПБСГ12-550. Его обозначение расшифровывается как Полисетевой бесконтактный стартер-генератор 12 серии с активной мощностью в генераторном режиме 550 кВт. В качестве генератора он обслуживает две сети постоянного тока: силовую с напряжением 300 В и вспомогательную с напряжением 42 В. Дополнительно к этому по вспомогательной сети он имеет возможность осуществлять функция стартера для запуска модуль-двигателя. Конструктивно ПБСГ12-550 состоит из двух частей: сверхлегкого ротора, который крепится непосредственно на вылете вала модуль-двигателя без дополнительных опор и статорного модуля, который крепится к корпусу модуль-двигателя. Внутри статорного модуля располагаются обмотки, магнитопроводы и датчик положения ротора. Обмотки имеют непосредственное жидкостное охлаждение трансформаторным маслом. С точки зрения примененных в ПБСГ12-550 технических решений, он является дальнейшим развитием бесконтактной электрической машины по патенту РФ №2170487 [10] и полисетевого бесконтактного автомобильного генератора по патенту РФ №2194351 [11]. Бесконтактная электрическая машина была реализована в нескольких конструкциях генераторов и электродвигателей. Наиболее известные разработки в области генераторов - это автомобильный бесконтактный генератор изд. 208 НИЛД, (опытный образец - награжден серебряной медалью I-го Московского Международного салона инноваций и инвестиций в 2001 году), и генератор сварочного тока изд. 303 НИЛД, показанный на рисунке Полисетевой генератор был впервые реализован в полисетевом бесконтактном автомобильном генераторе изд. 204 НИЛД, который показан на рисунке
2.3 Тяговый электродвигатель В качестве непосредственного привода водных винтов в КГСУ7 используются сверхкомпактные бесконтактные тяговые электродвигатели. Их разработка была начата под шифром изд. 411 НИЛД для проекта автомобиля на топливных элементах "Лада АНТЭЛ-2" [13] и была завершена под шифром изд. 414Е НИЛД. Внешний вид тягового электродвигателя показан на рисунке Конструктивно ТЭД18-250 состоит из трех частей: корпуса, сверхлегкого ротора, который крепится на валу в подшипниковых опорах и статорного модуля, который крепится к корпусу. Внутри статорного модуля располагаются обмотки, магнитопроводы и датчик положения ротора. Обмотки имеют непосредственное жидкостное охлаждение трансформаторным маслом. Для ограничения величины силового напряжения обмотки ТЭД18-250 выполнены шестифазным. 2.4 Электронные компоненты
Прототипом блока электронного силового ТЭД18-250 является изд.614Е НИЛД. Его внешний вид показан на рисунке 2.5 Алгоритмы и диагностическое
программное обеспечение
Основной алгоритм КГСУ7 предполагает раздельное управление мотор-генераторным модулем и электродвигателями. Управление мотор-генераторным модулем осуществляется автоматически по закону стабилизации напряжения силовой сети. Частота вращения модуль-двигателя изменяется по закону стабилизации тока в обмотке возбуждения ПБСГ на уровне 75% от максимального значения вплоть до достижения максимальной частоты вращения. Управление тяговыми электродвигателями осуществляется в ручном режиме. Подаваемое на обмотки напряжение определяется пропорционально положению управляющего органа (джостика, ручки и т.д). Основные алгоритмы управления и самодиагностики блока электронного силового БЭС18-250 для обеспечения преемственности заимствованы от изд.614Е НИЛД. Для управления и диагностирования в реальном времени двигателя, стартер-генератора и тяговых электродвигателей предусмотрена возможность подключения персонального компьютера. Для осуществления этого требуется специальное программное обеспечение, разработка которого была освоена в рамках программы создания тяговых электродвигателей изд. 414Е НИЛД и блоков электронных силовых изд.614Е НИЛД. Внешний вид прототипа такой диагностирующей программы показан на рисунке 2.6 Технология изготовления
По технологии производства все компоненты КГСУ7 можно разделить на несколько специализированных групп. В укрупненном виде требуемая технологическая специализация указана в таблице 2. № Тип производства Модуль Детали и узлы 1 Общее машиностроение ПБСГ Ротор, магнитопроводы обмотки возбуждения, сборка ТЭД Корпус, ротор, магнитопроводы обмотки возбуждения, сборка ВО Газоводный радиатор, сборка МД Масловодный радиатор 2 Электротехническое производство ПБСГ Статор, обмотка статора, обмотка возбуждения, сборка статорного модуля ТЭД Статор, обмотка статора, обмотка возбуждения, сборка статор. модуля ЭППК Электропривод ЭТНВД Электропривод ЭПМН Электропривод МПВо Электропривод БВС Диодный мост, сборка 3 Автомобильное двигателестроение МД Моторная группа, сборка 4 Авиационное двигателестроение МД Узел камеры сгорания 5 Агрегатное производство ЭППК Пневмокомпрессор, сборка ЭТНВД Топливный насос высокого давления, сборка ЭПМН Вентилятор, сборка МПВо Водяной насос высокого давления, сборка МД Маслонасос 6 Приборостроение БУСГ Блок полностью БУМД Блок полностью БУЭПВ Блок полностью БЭС Блок полностью Как видно из таблицы 2 для производства КГСУ7 потребуется 6 различных по производственной специализации производств. 3 ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ 3.1 Режим автономного плавания Режим автономного плавания используется как вспомогательный в начале и в конце каждого плавания для точного маневрирования при причаливании и удалении от причала, а также как основной при туристических осмотрах местных достопримечательностей. Для подводных лодок этот режим используется как основной при плавании в подводном положении. Основное назначение режима автономного плавания исключить работу двигателя на холостых оборотах и режимах малого газа, т.е. в условиях наихудшей экономичности и максимальной эмиссии токсичных и загрязняющих веществ. Основная отличительная особенность режима - это неработающий мотор-генераторый модуль и питание электроприводов водных винтов от блока аккумуляторных батарей. Этот режим реализуется при нахождении ручки управления мощностью в пределах сектора малого хода. Функционирует КГСУ7 на этом режиме следующим образом. После перевода ключа питания 26 во включенное положение происходит включение электронных блоков и пульта управления 24. В течение 1 секунды происходит автоматическое тестирование систем КГСУ7 и после подтверждения исправности пульт управления 24 активируется для использования. При перемещении ручки управления пульт 24 формирует управляющие сигналы электронным блокам и электроток от блока аккумуляторных батарей 25 через блок управления стартер-генератором 6 подается на блоки электронные силовые 7. В зависимости от положения ручки управления они формируют переменный ток требуемой частоты и напряжения, который приводит тяговые электродвигатели 8 во вращение. Они в свою очередь через муфты 9 приводят во вращение водные винты 10. Индивидуально меняя направление и частоту вращения винтов 10, осуществляется движение вперед-назад и вправо-влево. Из-за функционирования в режиме автономного плавания на более низком напряжении (42В вместо 300 В) развиваемая мощность составляет не более 20 кВт, а частота вращения винтов не более 300 об/мин. Скорость движения при этом может достигать значений 5…10 км/час в зависимости от характеристик корпуса судна. С одной стороны, этой скорости достаточно для данного режима, а с другой стороны, не требуется чрезмерного увеличения массы аккумуляторных батарей. 3.2 Маршевый режим плавания
Маршевый режим используется как основной для движения со средней, крейсерской и максимальной скоростями. Для подводных лодок он используется для движения в надводном положении или на перископной глубине. Основная отличительная особенность режима - это работа мотор-генераторного модуля с мощностью от 25 до 100 % максимальной мощности. Маршевый режим реализуется при переводе ручки управления мощностью из сектора малого хода. При этом от пульта управления 24 подается сигнал на БУМД 15 о запуске модуль-двигателя 3. Он в свою очередь формирует управляющие сигналы на БУСГ 6, БУЭПВ 16, ЭППК 20, ЭТНВД 21, ЭПМН 11 и МПВо 13. ПВСГ 4 переводится в режим стартера и, получая энергию от БАБ 25, раскручивает вал модуль-двигателя 3. Включается электроприводной модуль наддува 11, модуль подготовки воды 13, пневмокомпрессор 20 и электроплазменный воспламенитель 17. Воздух по каналу А забирается из атмосферы, сжимается в модуле наддува 11 и под небольшим избыточным давлением подается на вход модуль-двигателя 3. После этого включаются подкачивающий насос 22, находящийся в топливном баке 23, и топливный насос высокого давления 21. Топливо под давлением впрыскивается в камеру сгорания модуль-двигателя 3 через форсунку 18, воспламеняется там и формирует собственный стационарный факел зажигания. После этого электроплазменный воспламенитель 17 отключается. Сжигаемое в камере сгорания топливо повышает потенциальную энергию рабочего тела и через срабатывание в турбине объемного действия превращается в механическую энергию вращающегося вала, который в свою очередь вращает ротор стартер-генератора 4. В его силовой обмотке наводится электродвижущая сила (ЭДС). Выхлопные газы из модуль-двигателя 3 направляются во влагоотделитель 12, в котором они охлаждаются до температуры конденсации водяных паров, и далее сбрасываются в окружающую среду по каналу В. Конденсирующаяся во влагоотделителе 12 вода направляется в модуль подготовки воды 13, где она очищается химическим путем и сжимается в насосе высокого давления. Далее вода под давлением впрыскивается в камеру сгорания модуль-двигателя 3 через форсунку 14. Таким образом, вода, как часть рабочего тела, самостоятельно воспроизводится в рабочем цикле и иметь ее запас на борту судна не требуется. Электроприводной пневмокомпрессор 20 выполняет вспомогательную функцию. Он забирает воздух под давлением из камеры сгорания через штуцер 19 и дополнительно сжимает его. Далее под избыточным давлением воздух направляется в топливную форсунку 18 для нагрева и распыла топлива и в электроплазменный воспламенитель 17 для создания факела плазмы при запуске модуль-двигателя 3. При достижении определенного уровня напряжения в силовой сети функция стартера отключается, и стартер-генератор 4 начинает работать как полисетевой генератор, снабжающий электроэнергией две сети: силовую и вспомогательную. Посредством силовой сети осуществляется питание тяговых электродвигателей 8, а посредством вспомогательной заряжается блок аккумуляторных батарей 25 и питаются потребители бортовой 42 В сети. При возвращении ручки управления мощностью в сектор малого хода мотор-генераторный модуль 2 продолжает свою работу до момента полной зарядки аккумуляторных батарей 25, после чего автоматически отключается. 3.3 Маневрирование
Маневрирование судна с КГСУ7 осуществляется за счет перераспределения мощности, подаваемой к водным винтам. За счет этого они создают различные значения реактивной тяги, которая из-за разнесения винтов на некоторое расстояние создает пару сил или крутящий момент, направленный на поворот судна. Пропорционально разности реактивной тяги на винтах изменяется величина крутящего момента, разворачивающего судно. Такая система двух водных винтов с электроприводом дает наивысшие возможности для маневрирования, вплоть до разворота на месте. Режим разворота на месте реализуется в том случае, когда на оба винта передается одинаковая мощность, для одного направленная вперед, а для другого назад. При движении вперед поворот вправо осуществляется при подаче большей мощности на левый винт, а поворот влево при подаче большей мощности на правый винт. При движении назад условие поворота меняется на противоположное. Требование встречного вращения винтов необходимо для взаимной компенсации Кориолисовых сил, действующих при повороте на ротора электроприводов и реактивные струи воды после винтов. При этом судно ведет себя одинаково при повороте в любую сторону, что повышает безопасность при маневрировании на высоких скоростях. 3.4 Режим заднего хода
Режим заднего хода реализуется при перемещении ручки управления мощностью в отрицательную зону (сектор заднего хода). При этом происходит программное инвертирование исходного кода, задающего последовательность коммутации фаз. Оба электропривода меняют направление вращения и, соответственно, реактивные струи от винтов толкают судно назад. Частота вращения винтов и потребляемая ими мощность зависит от положения ручки управления мощностью. При движении назад мощность тяговых электродвигателей ограничивается программными средствами, для исключения чрезмерного волнообразования, создающего угрозу для безопасного плавания. Движение назад осуществляется вне зависимости от того, работает или нет мотор-генераторный модуль. При этом ограничение мощности при движении назад реализуется только при работающем мотор-генераторном модуле. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая для катеров, малоразмерных яхт и прогулочных подводных лодок корабельная гибридная силовая установка серии КГСУ7 мощностью до 1 МВт, является наилучшим решением для современных и перспективных судов. На основе энергосберегающих экологически чистых технологий, разработанных ИЦСЭУ, и реализованных в КГСУ7, появляется возможность установки на судах высокоэффективной гибкой энергосиловой установки, составленной из сверхкомпактных модулей, которые могут размещаться в любых удобных местах корпуса. Это позволяет в прежних габаритах судна увеличивать жилое пространство, и делать его более эргономичным. Высокая экономичность КГСУ7 позволяет снизить расход топлива по отношению к двухтактным подвесным моторам в 2,3 раза, к карбюраторным моторам с поворотно-откидными колонками в 1,95 раза и к дизельным моторам на 37 %. При этом за счет сверхкомпактности компонентов, КГСУ7-500 при равной мощности на 10% легче карбюраторных и инжекторных моторов с поворотно-откидными колонками и 2 раза легче дизельных. За счет экологичности двигателя серии МДК21 эмиссия токсичных веществ КГСУ7 снижена практически до нуля. Всеядность этих двигателей позволяет эффективно работать не только на дизельном топливе, но и на более дешевых не сортовых жидких топливах, например на смесях в произвольных пропорциях различных углеводородных топлив, отработанного масла и т.д. Использование КГСУ7 позволяет повысить скоростные и динамические качества, а также маневренность судов. Она дает возможность разработки и внедрения прогрессивных методов активного подавления волнообразования и, за счет этого, революционного снижения силы сопротивления. Реализованная в КГСУ7-500, как опция, функция энергоустановки позволяет при дооснащении электронным преобразователем использовать ее как плавучую электростанцию мощностью 500 кВт для аварийных и временных схем электроснабжения. Проект корабельной гибридной силовой установки серии КГСУ7 рекомендуется для реализации в новых проектах катеров, малоразмерных яхт и прогулочных подводных лодок, а после освоения в серийном производстве для модернизации и реконструкции существующих судов аналогичного назначения. ЛИТЕРАТУРА
1. Курочкин А.Г. Концепция НИЛД построения гибридо- и электромобилей в России // Автотракторное электрооборудование №5-6, 2002 - С. 30-36. 2. Курочкин А.Г. Основные аспекты программы создания технических средств персонального энергообеспечения // Не опубликовано, июнь 2007, 50 с. 3. Курочкин А.Г. Энергосберегающие "всеядные" двигатели внутреннего сгорания // Не опубликовано, апрель 2007, 21 с. 4. Юбилей угловой колонки // Катера и яхты №2 (165), 1998, С. 31-35. 5. Горшков А., Умом Россию не понять…(аршин для измерения отечественного рынка ГТУ) // Каталог газотурбинного оборудования, 2006, С. 2-7. 6. Пат. №2082903 РФ, МПК F 01 C 1/344. Роторная машина Курочкина // Курочкин А.Г., 94028922/06; Заявлено 01.09.1994; Опубл. 27.06.1997. Бюл. 18. Приоритет 01.09.1994. 7. Тимченко А. Маленький двигатель с большим будущим // Моделист-конструктор №11-12, 1998 - С. 2-4. 8. Нужен ли России двигатель Курочкина? // Кулибин №1, 1999 - С. 2-11. 9. Разработка методологии проектирования вновь создаваемых двигателей внутреннего сгорания на основе математической имитационной модели: Отчет о НИР (заключительный) // РГАТА; Руководитель Б. Н. Леонов. - № 01.9.70 009954. - Рыбинск, 2000. - 173 с., ил., табл. - Отв. исполн. А. Г. Курочкин; Соисполн.: Е.Н. Богомолов, В. П. Добродеев, Н. Н. Новиков. 10. Пат. №2170487 РФ, МПК H 02 K 19/22, 19/16. Бесщеточная электрическая машина // Курочкин А.Г., Лебедев М.В., Новиков Н.А., 2000106225/09; Заявлено 13.03.2000; Опубл. 10.07.2001. Бюл. 17. Приоритет 13.03.2000. 11. Пат. №2194351 РФ, МПК H 02 K 19/34, 19/16, 21/48. Полисетевая генераторная установка // Курочкин А.Г., Лебедев М.В., 2000113710/09; Заявлено 26.05.2000; Опубл. 10.12.2002. Бюл. 34. Приоритет 26.05.2000. 12. Курочкин А.Г. Полисетевая (14В/80А; 42В/20А) бесконтактная генераторная установка для автомобилей ВАЗ // Автотракторное электрооборудование №3-4, 2001.- С. 24-26. 13. Мишин С. Ни дыма ни огня. Автомобиль на топливных элементах // За рулем № 8, 2003. - С. 68-70. |
