PL202962B1 - Urządzenie do tłumienia hałasu i pochłaniania wibracji wytwarzanych przez umieszczony w gondoli napędowej statku silnik elektryczny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do tłumienia hałasu i pochłaniania wibracji wytwarzanych przez umieszczony w gondoli napędowej statku silnik elektryczny.

Napęd statków poruszających się po powierzchniach akwenów może mieć różne postacie, z których warto wspomnieć nastę pujące:

- napęd mechaniczny lub elektryczny zwany klasycznym, składający się z co najmniej jednego, umieszczonego wewnątrz kadłuba wału z co najmniej jedną, osadzoną na jego końcu, śrubą oraz z co najmniej jednym sterem, niezależnym fizycznie od systemu napędowego,

- zestaw kilka silników elektrycznych, połączonych z co najmniej jednym wałem, umieszczony w stałej lub obracanej gondoli na zewnątrz kadłuba statku; gondola stanowi w ten sposób ster aktywny, dzięki możliwości obracania się w stosunku do kadłuba.

Pierwsze modele produkcyjne takiego systemu napędowego z gondolą elektryczną zostały opracowane bardzo niedawno, bo około 10 lat temu. System ten, powszechnie określany przez specjalistów angielskim słowem „POD”, stanowi ważny przełom w napędach statków pasażerskich, lodołamaczy lub innych statków. Budzi on wielkie zainteresowanie zarówno floty handlowej jak i wojennej, dotyczące zarówno zastosowań napędu elektrycznego, jak i rozwiązań zastępczych w miejsce niektórych zastosowań napędów mechanicznych. Silnik w systemie, umieszczony wewnątrz zanurzonej gondoli, z możliwością obrotu o 360°, jest połączony bezpośrednio z bardzo krótkim wałem śruby i dysponuje mocą 25 MW, zaś cały napęd wyróżnia się doskonałymi właściwościami manewrowymi i dynamicznymi.

W tej dziedzinie techniki powstało już wiele rozwiązań.

Znane są systemy napędowe statków typu POD, składające się z obrotowej gondoli, w której umieszczony jest silnik elektryczny, napędzający za pośrednictwem wału jedną lub kilkoma śrubami.

W znanych aktualnie napę dach typu POD, silnik elektryczny mocowany jest w gondoli na sztywno, przez obręczowanie i zaciskanie, przy czym, takie sposoby montażu umożliwiają odprowadzenie części ciepła wytwarzanego przez silnik elektryczny, dzięki przewodnictwu korpusu gondoli i wody morskiej. Silnik jest takż e chłodzony przez obwód chłodzący i/lub przez wentylację, co zostało przedstawione np. w opisach patentowych PCT nr WO 97/49605, WO 99/05023 i WO 99/36312.

Jednakże, powyższe mocowanie silnika elektrycznego w gondoli ma poważną wadę, ponieważ połączona z silnikiem elektrycznym gondola przenosi hałas do otaczającej wody i wibracje na kadłub statku.

W rzeczywistości, wszystkie dostępne aktualnie na rynku silniki elektryczne umieszczane w gondolach, są zainstalowane s ą na sztywno, celem polepszenia wymiany ciepł a z otaczają c ą , wodą, co ogranicza potrzeby stosowania innych systemów chłodzenia.

Przewiduje się aktualnie liczne projekty dużych okrętów wojennych drugiej linii, wyposażonych w gondole napędowe. Główne marynarki wojenne świata również badają możliwości wyposażenia fregat w taki system napędowy.

Szczególne i bardzo interesujące zastosowanie gondoli napędowych na okrętach wojennych narzuca konieczność zapewnienia im dyskrecji akustycznej, której nie posiadają istniejące gondole, głównie z uwagi na sposób montażu silnika elektrycznego w gondoli, spotykanego powszechnie w tych systemach napę dowych.

Z drugiej strony prospekty handlowe producentów gondoli podkreś lają cichą prace systemów napędowych tego typu. Argument ten zasługuje na wyjaśnienie. Jedną z ważnych cech gondoli napędowych jest możliwość umieszczenia śruby przed gondolą, a zatem jako śruby ciągnącej, pracującej w mał o zakł óconych strugach wody, gdyż przed ś rubą me ma ż adnej przeszkody zakł ócają cej przepływ, podczas gdy klasyczna śruba pchająca, umieszczona za wałem wychodzącym z tyłu kadłuba statku, otrzymuje strugi mocno zakłócone. Dzięki tak korzystnemu umieszczeniu śruby, fluktuacje ciśnienia na płatach śruby są minimalne, a w konsekwencji nie wytwarzają drgań części kadłuba statku znajdujących się w pobliżu śruby. Drgania takie są przyczyną hałasu, a zatem gondola napędowa jest ze swej natury rozwiązaniem korzystnym z punktu widzenia ograniczania hałasu pochodzenia hydrodynamicznego, słyszanego wewnątrz statku.

W znanej z opisu patentowego nr EP 1010614 gondoli napędowej, silnik elektryczny jest chłodzony cieczą przepływającą w obwodzie połączonym z wymiennikiem ciepła umieszczonym na jednym z końców gondoli. Stojan silnika jest zamontowany na elemencie elastycznym, celem tłumienia drgań wytwarzanych przez silnik.

PL 202 962 B1

Jednakże, wymiennik ciepła wraz z obwodem chłodzącym biegnącym dookoła silnika, zajmują znaczną przestrzeń wewnątrz gondoli, nie umożliwiając obiegu powietrza wokół silnika. Ponadto, nie ma żadnego precyzyjnego opisu elementu elastycznego, który byłby połączony jedynie ze stojanem silnika.

W opisie patentowym nr US 6116179 został przedstawiony montaż maszynerii wewnątrz statku, za pomocą urządzeń do lewitacji, składających się z płytek elektromagnetycznych, umieszczonych pomiędzy maszynerią a kadłubem statku. Zmieniając siły elektromagnetyczne uzyskuje się pozycjonowanie i trzymanie, bez kontaktu maszynerii z kadłubem. Siły te są również wzbudzane celem redukcji hałasu emitowanego przez kadłub.

Montaż ten wymaga odizolowania elekromagnetycznego płytek od zakłóceń wytwarzanych przez maszynerię, a więc osłony stanowiącej puszkę Faradaya, która nie umożliwia wystarczającej cyrkulacji powietrza pomiędzy maszynerią a kadłubem. Ponadto, utrzymywanie maszynerii za pomocą płytek elektromagnetycznych bez kontaktu jest technologią skomplikowaną i słabo opanowaną.

Znany z opisu patentowego nr EP 0533359 dyskoidalny silnik elektryczny o stałych magnesach, z wieloma małymi przetwornicami umieszczonymi na tylnej i przedniej płaszczyźnie silnika, z elastycznym sprzęgłem sprzężonym z rotorem i układem sterowania przetwornicami połączonymi z wewnętrzną, architekturą silnika, celem redukcji generowanego hałasu. Silnik jest zamocowany na klockach pochłaniających hałas, za pośrednictwem łap zamocowanych do zewnętrznej powierzchni obudowy silnika. Chłodzenie silnika jest uzyskane przez przepływ cieczy w stojanie. Przetwornice umieszczone na tylnej i przedniej płaszczyźnie silnika są chłodzone płytkami z obiegiem wody.

Ograniczenia technologiczne w produkcji silników dyskoidalnych nie pozwalają na wykonanie otworów w obudowie silnika, umożliwiających przepływ powietrza zapewniający jego dobre chłodzenie.

Celem prezentowanego wynalazku jest zaradzenie wymienionym wyżej niedogodnościom, przez zaproponowanie urządzenia zdolnego do wytłumienia w wystarczającym stopniu wibracji pochodzących od silnika elektrycznego, celem zapewnienia wymaganej dyskrecji akustycznej (hałas rozchodzący się w wodzie) statku i jego systemu napędowego, narzucanej okrętom wojennym, jak również podniesienia komfortu akustycznego na pokładach tych okrętów, a także innych statków.

Innym celem tego wynalazku jest zapewnienie stabilnego, fizycznego mocowania silnika w gondoli, nie stanowiącego przeszkody dla obiegu powietrza chłodzącego silnik.

Kolejnym celem jest ograniczeniu transmisji hałasu z silnika na gondolę, bez zwiększania jej średnicy, co wpłynęłoby niekorzystnie na skuteczność i hałas śruby.

Wynalazek ma więc na celu ograniczenie poziomu hałasu wytwarzanego przez silniki elektryczne w gondolach, odbieranego zarówno wewnątrz statku, jak i przez otoczenie.

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że ma pozycjonująco-blokujące klocki rozprzęgające, które są usytuowane pomiędzy wewnętrzną ścianką gondoli a połączonym z wałem napędowym, korzystnie za pośrednictwem sprzęgła elastycznego, silnikiem elektrycznym.

Korzystnym jest gdy każdy z klocków rozprzęgających ma dwustronne mocowanie łączące go z jednej strony z silnikiem, a z drugiej ze ś cianką wewnętrzną gondoli.

Korzystnym jest także gdy klocki rozprzęgające są wyposażone w elementy aktywne i/lub pasywne w stosunku do wibracji silnika.

Następnie korzystnym jest gdy klocki rozprzęgające są ustawione w dwóch prostopadłych kierunkach.

Dalej korzystnym jest gdy klocki rozprzęgające są rozmieszczone symetrycznie i promieniście w stosunku do osi silnika.

Z kolei korzystnym jest gdy pierwsze mocowanie klocka rozprzę gają cego z silnikiem ma postać łapy mocującej lub wzmocnienia.

Również korzystnym jest gdy klocek rozprzęgający jest przymocowany bezpośrednio do obudowy silnika.

Ponadto korzystnym jest gdy łączące klocek rozprzęgający z wewnętrzną ścianką gondoli mocowanie składa się z łapy mocującej lub ze wzmocnienia.

Urządzenie to ma tę zaletę, że pozwala na szczególnie cichą pracę gondoli napędowej z silnikiem elektrycznym, o formie zewnętrznej i osiągach takich jak systemy istniejące.

Inna zaleta polega na stabilności silnika wewnątrz gondoli, połączonej z wydajniejszym przepływem powietrza chłodzącego na wszystkich różnorakich płaszczyznach silnika.

W przypadku niektórych statków ważne jest obniżenie poziomu hałasu i wibracji na pokładzie, celem zapewnienia komfortu pasażerów i załogi, jak również dla ułatwienia pracy na pokładzie. Równie

PL 202 962 B1 ważne staje się ograniczenie poziomu hałasu przekazywanego otoczeniu. Dotyczy to przenoszenia hałasu przez powietrze, uciążliwego dla mieszkańców otoczenia portów i kanałów, jak również hałasu rozchodzącego się w środowisku morskim. Hałas emitowany przez statek może się w morzu rozchodzić na duże odległości. Zdradza on położenie okrętu wojennego, może zakłócić pomiary dokonywane przez statki badawcze oceanograficzne, geofizyczne, może być również niebezpieczny dla wielu gatunków zwierząt morskich, interferując z odbieranymi i emitowanymi przez nie sygnałami dźwiękowymi.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

- Fig. 1 prezentuje podłużny przekrój gondoli wyposaż onej w urządzenie zgodne z prezentowanym wynalazkiem,

- Fig. 2 to widok jak z Fig. 1, pokazują cy pierwszy wariant realizacji wynalazku, z klockami skierowanymi wzdłuż dwóch różnych kierunków, Fig. 2A pokazuje przekrój poprzeczny wzdłuż AA z Fig. 2,

- Fig. 3 to widok jak z Fig. 1, pokazujący drugi wariant realizacji wynalazku, z klockami rozmieszczonymi promieniście,

- Fig. 3A pokazuje przekrój poprzeczny wzdłuż AA z Fig. 3,

- Fig. 4 to widok jak z Fig. 1, pokazujący trzeci wariant realizacji wynalazku, z klockami umieszczonymi na mocowaniach rozmieszczonych wewnątrz gondoli,

- Fig. 4A pokazuje przekrój poprzeczny wzdłuż AA z Fig. 4,

- Fig. 5 to widok jak z Fig. 1, pokazujący czwarty wariant realizacji wynalazku, z klockami integralnymi z pośrednim elementem podpierającym,

- Fig. 5A pokazuje przekrój poprzeczny wzdłuż AA z Fig. 5.

Na Fig. 1 do 5 widać umieszczony w opływowej gondoli 1 silnik elektryczny 2, współosiowy z gondolą i napędzający śrubę 3 za pośrednictwem wału transmisyjnego 4. Funkcje centralnego pozycjonowania i trzymania wału w gondoli, jak również przenoszenia nacisku śruby na gondole są spełniane przez jeden lub kilka elementów mechanicznych (dławicę, łożysko, łożysko oporowe), znanego typu, oznaczone przez 5. Gondola jest zawieszona ogólnie pod kadłubem napędzanego statku, za pomocą ramienia łączącego 6, umieszczonego w górnej części gondoli, w którym biegną różne obwody niezbędne do funkcjonowania napędu. Chodzi tu o kable zasilające 10 silnika, wentylacji gondoli, oraz połączenia H ciekłe lub elektryczne niezbędne do pracy lub do sterowania silnikiem, pracy i kontroli urządzeń w gondoli jak również dla zapewnienia bezpieczeństwa.

Urządzenia wentylujące (nie pokazane na rysunku) wytwarzają strumień powietrza, kanalizowany przez ramię 6 do wnętrza gondoli 1. Ten strumień powietrza, oznaczony strzałkami na Fig. 1, opływa tylną i przednią płaszczyznę silnika, przepływa między rotorem a stojanem i wewnątrz stojana, wychodząc promieniście przez jego cylindryczną, zewnętrzną powierzchnię. To promieniste rozchodzenie się strumienia powietrza chłodzącego silnik, jest bardzo korzystne w porównaniu do zwykłego osiowego wentylowania silnika, podczas którego powietrze wchodzi jednym końcem silnika, przepływa między rotorem a stojanem i wypływa drugim końcem silnika. Cyrkulacja promienista zapewnia równomierny rozkład temperatur, eliminuje przegrzewanie elementów, co pozwala na zwiększenie mocy silnika i jego żywotności.

Silnik 2 jest zamontowany w gondoli 1 za pośrednictwem klocków rozprzęgających 7, zamocowanych do obudowy silnika, oraz do struktury ochronnej gondoli, w przygotowanych punktach. Klocki te mogą być zamocowane bezpośrednio, lub za pośrednictwem łączących elementów mechanicznych 8, 12, 13, 14, 15, 16 i 17. Połączenie z wałem napędowym śruby stanowi sprzęgło elastyczne 9 znanego typu. Zasilające silnik przewody elektryczne 10 mają swobodny przebieg. Inne, elektryczne i ciekłe połączenia 11 z silnikiem są również elastyczne (swobodny przebieg dla kabli elektrycznych, elastyczne przewody lub węże dla cieczy).

Strumienie powietrza wentylującego: wchodzący i wychodzący są odseparowane przez elementy stałe (nie pokazane rysunku) znanego typu, takie jak kanały w ramieniu łączącym 6 i elastyczne mieszki umieszczone pomiędzy kadłubem silnika, przewodami i wewnętrzną ścianką gondoli.

Gondola 1 jest podwieszona ogólnie pod kadłubem statku za pomocą ramienia łączącego 6 na stałe, lub w sposób umożliwiający obracanie. Może ona być również zintegrowana ze stępką statku. Gondola może być także wyposażona w dwie śruby 3, po jednej na każdym końcu. Obie śruby mogą być napędzane przez ten sam silnik 2, który musiałby być w tym celu połączony obydwoma końcami swojego wału, za pośrednictwem elastycznych sprzęgieł 9, z wałami napędowymi 4 śrub. Obie śruby mogą również być napędzane dwoma oddzielnymi silnikami 2, zamocowanymi każdy w sposób analogiczny, z możliwością obrotu w tym samym lub w przeciwnych kierunkach.

PL 202 962 B1

Najprostszym sposobem zamocowania klocków, jest zamocowanie ich bezpośrednio do płaszcza silnika 2 i do struktury gondoli 1, co wymaga jedynie niewielkich modyfikacji wzmocnień 12, 13, 14 i 15 łap mocujących 8 i 17 lub mocowań niewielkich rozmiarów, przyspawanych lub zamocowanych mechanicznie.

Rozmieszczenie takie może skutkować zbyt dużymi rozmiarami (każde zwiększenie średnicy gondoli jest szczególnie szkodliwe dla parametrów hydrodynamicznych) lub powodować problemy geometryczne w realizacji połączeń między elementami silnika 2 i gondoli 1, zapewniających wystarczającą wytrzymałość strukturalną. W tym przypadku korzystniej jest stosować dodatkowe, połączone z obudową silnika elementy podpierające 13, 15 i 16, do których łatwiej jest zamocować klocki rozprzęgające 7. Korzystnie, można umieścić te pośrednie elementy podpierające na przedniej i tylnej płaszczyźnie silnika, kształtując je w taki sposób, by nie stanowiły przeszkody dla przepływu powietrza chłodzącego silnik (np. konstrukcja zbudowana z pasów blachy, zespawanych ze sobą). Te elementy podpierające mocuje się na „sztywno” do obudowy silnika 2 albo bezpośrednio do ścianek bocznych 16 albo do kołnierza, jeżeli taki jest, albo łączy się ze ściankami 16 za pomocą kotew 20 lub płaskowników, co jednocześnie umożliwia wygospodarowanie przestrzeni niezbędnej do cyrkulacji powietrza.

Rozmieszczenie klocków rozprzęgających 7 w kierunku podłużnym, celem zrównoważenia i kontroli naprężeń, wykonuje się w kilku płaszczyznach prostopadłych do osi podłużnej. Najprostsze rozmieszczenie polega na stworzeniu dwóch płaszczyzn, bliskich dwóm skrajnym płaszczyznom silnika 2.

Poniżej opisano dwa warianty z rozmieszczeniem klocków rozprzęgających 7 w płaszczyznach poprzecznych, co pozwala, zapewniając funkcję rozprzęgania, kontrolować pozycję silnika 2, o kształcie ogólnie cylindrycznym, wewnątrz gondoli 1, o kształcie cylindrycznym lub wrzecionowatym, współosiowej z silnikiem 2.

Pierwszy wariant polega na rozmieszczeniu klocków rozprzęgających 7 wzdłuż co najmniej dwóch kierunków (jeżeli kierunki są dwa, kąt pomiędzy nimi powinien być duży, możliwie 90), celem zapewnienia dobrej skuteczności przenoszenia naprężeń i tłumienia wibracji na całej płaszczyźnie poprzecznej. Najprostsze rozmieszczenie klocków rozprzęgających 7 realizuje się wzdłuż dwóch kierunków: wertykalnego i horyzontalnego, przy czym klocki rozmieszczone pionowo będą dodatkowo przenosiły w sposób ciągły ciężar silnika 2 (Fig. 2).

Drugi wariant to rozmieszczenie klocków rozprzęgających 7 promieniście w stosunku do osi silnika 2. Symetria takiego montażu pozwala skutecznie tłumić wibracje w każdym kierunku. Klocki rozprzęgające 7 w dolnej części będą dodatkowo przenosiły w sposób ciągły ciężar silnika 2 (Fig. 3).

Takie rozmieszczenie mocowań i połączeń silnika elektrycznego w gondoli sprawia, że:

- ogranicza rozchodzenie się wibracji i hałasu silnika do otaczających struktur: gondoli, ramienia łączącego, śruby, kadłuba statku,

- zapewnia precyzyjne pozycjonowanie silnika w stosunku do gondoli, ograniczając odchylenia, także wału silnika od linii wału śruby, w każdych warunkach pracy, niezależnie od ruchów i przyspieszeń statku (w szczególności na wzburzonym morzu, na skutek eksplozji, zmian prędkości lub mocy silników,...).

Klocki rozprzęgające 7 zapewniają więc jednocześnie trzymanie, pozycjonowanie i filtrowanie drgań silnika, przy możliwie najmniejszym ograniczeniu przepływu powietrza chłodzącego silnik 2.

Różne rozmieszczenia klocków rozprzęgających 7 opisane powyżej nie stanowią przeszkody dla przepływu powietrza chłodzącego. W efekcie, klocki rozmieszczone w ten sposób pozostawiają całkowicie wolne kanały wejścia i wyjścia powietrza, co w konsekwencji umożliwia dobre chłodzenie wszystkich elementów składowych silnika elektrycznego.

Optymalizacja rozprzęgania, w funkcji charakterystyk silnika i częstotliwości wzbudzenia, może się odwoływać jednocześnie:

- do typu klocków, pasywnych elastycznych lub lepko sprężystych (kauczuk, metalo-kauczuk, sprężyny, amortyzatory,...), lub o działaniu aktywnym (cylinder wibrujący dostosowany do zachowania silnika,...); cylindry cechują się w szczególności swoimi współczynnikami sztywności, amortyzacji, charakterystyką kierunkową lub wielokierunkową...,

- do liczby, pozycji i ułożenia klocków,

- do zróżnicowania kloców od strony gondoli i od strony silnika (wypusty łączące,...).

Claims (8)

1. Urządzenie do tłumienia hałasu i pochłaniania wibracji wytwarzanych przez umieszczony w gondoli napędowej statku silnik elektryczny, przy czym ten chłodzony przepływającym przez gondolę promienistym strumieniem powietrza silnik napędza, za pośrednictwem wału napędowego, co najmniej jedną śrubę, znamienne tym, że ma pozycjonująco-blokujące klocki rozprzęgające (7), które są usytuowane pomiędzy wewnętrzną ścianką gondoli (1) a połączonym z wałem napędowym (4), korzystnie za pośrednictwem sprzęgła elastycznego (9), silnikiem (2).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każdy z klocków rozprzęgających (7) ma dwustronne mocowanie (13, 15, 16) oraz (8, 12, 14, 17), łączące go z jednej strony silnikiem (2), a z drugiej ze ścianką wewnętrzną gondoli (1).

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że klocki rozprzęgające (7) są wyposażone w elementy aktywne i/lub pasywne w stosunku do wibracji silnika (2).

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że klocki rozprzęgające (7) są ustawione w dwóch prostopadłych kierunkach.

5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że klocki rozprzęgające (7) są rozmieszczone symetrycznie i promieniście w stosunku do osi silnika (2).

6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że pierwsze mocowanie, łączące klocek rozprzęgający (7) z silnikiem (2), ma postać łapy mocującej (13) lub wzmocnienia (15).

7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że klocek rozprzęgający (7) jest przymocowany bezpośrednio do obudowy silnika. (2).

8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że drugie mocowanie, łączące klocek rozprzęgający (7) z wewnętrzną ścianką gondoli (1), ma postać łapy mocującej (8, 11) lub ze wzmocnienia (12, 14).