электрический гондольный привод для судна

Формула изобретения

1. Электрический гондольный привод для судна, который содержит водообтекаемый, выполненный удобообтекаемым, подогнанный к приводной гондоле электродвигатель, причем приводная гондола установлена на днище судна посредством полого ствола, при этом выделяемое электродвигателем тепло отдается в большей степени через поверхность приводной гондолы, а также в меньшей степени через поверхность части ствола, граничащей с приводной гондолой, обтекающей воде, отличающийся тем, что электродвигатель (10) содержит лобовые части обмотки (22) с теплоотводящими мостами (21) к внешней стенке приводной гондолы, а на переходе от ствола к приводной гондоле (17, 23) предусмотрены обтекаемые водой каналы охлаждения (15).

2. Электрический гондольный привод по п. 1, отличающийся тем, что средством для улучшения теплопроводности является использование материала с теплопроводностью более высокой чем у стали.

3. Электрический гондольный привод по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере материал приводной гондолы (17, 23) состоит из сплава на основе цветного металла.

4. Электрический гондольный привод по п. 2 или 3, отличающийся тем, что материал является бронзовым сплавом, в частности, Сu Аl 10 Ni.

5. Электрический гондольный привод по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что теплоотводящие мосты (21) выполнены из теплопроводящей пластмассы.

6. Электрический гондольный привод по п. 5, отличающийся тем, что теплопроводящая пластмасса для улучшения теплопроводности содержит наполнители.

7. Электрический гондольный привод по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что внешняя область двигателя и/или переходная область двигатель-ствол выполнены по меньшей мере частично с двойными стенками, причем пространство между обеими стенками выполнено с возможностью протекания через него охлаждающего средства, в частности, воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическому гондольному приводу для судна, который содержит электродвигатель, подогнанный к обтекаемой водой, выполненной удобообтекаемой приводной гондоле, причем приводная гондола через полый ствол расположена на нижней стороне судна и причем производимое электродвигателем тепло через поверхность приводной гондолы отдается обтекающей воде.

Электрический гондольный привод для судна, соответствующий вышеназванному, следует из публикации заявителя, название: Siemens-Schottel-Propulsor (SSP) "Электрический гондольный привод с двигателем с возбуждением постоянными магнитами", представленный на AES 97 - All Electric Ship (Полностью электрическое судно) 13 - 14.03.97, Париж. Публикация о Siemens-Schottel-Propulsor (SSP) показывает электрический гондольный привод для судна с просто поверхностноохлаждаемым двигателем в виде синхронного двигателя с возбуждением постоянными магнитами. Этот двигатель, детали которого можно видеть на фиг.1 публикации, является полностью герметичным и не требует обслуживания.

Задачей изобретения является указание решения, которое позволяет иметь надежное охлаждение двигателя также при использовании электрического гондольного привода в тропических водах с высокими температурами воды при перегрузке. Кроме того, должна быть понижена рабочая температура электрического двигателя и достигнуто выравнивание температуры отдельных компонентов двигателя, например лобовых частей обмотки.

Задача решается в принципе за счет того, что тепло через теплоотдающие поверхности отдается в воде как от приводной гондолы, так также через ствол, причем применяются средства для улучшения теплопроводности и теплоотдачи. За счет вовлечения ствола в теплоотдачу двигателя очень предпочтительно достигается то, что охлаждение двигателя не остается ограниченным только поверхностью приводной гондолы. Это может происходить согласно изобретению предпочтительно без отхода от простого поверхностного охлаждения в качестве принципа охлаждения.

В форме выполнения изобретения предусмотрено, что средством для улучшения теплоотдачи является увеличение эффективной теплоотдающей поверхности. В известном из уровня техники электрическом гондольном приводе в качестве эффективной теплоотдающей поверхности предусмотрена только внешняя стенка приводной гондолы в области обмотки электродвигателя. Здесь имеет место прямая теплоотдача от усаженной внутренней части к внешней стенке. За счет соответствующего изобретению мероприятия эта эффективная теплоотдающая поверхность значительно увеличивается. Следствием являются предпочтительно лучшие термические характеристики гондольного привода.

В другой форме выполнения изобретения предусмотрено, что средством для улучшения теплоотдачи является повышение температуры эффективной теплоотдающей поверхности. За счет повышения температуры эффективной теплоотдающей поверхности предпочтительно повышается разница температур относительно окружающей морской воды и также при использовании привода в тропических водах с температурами воды от 30 до 35^oC обеспечено удовлетворительное охлаждение привода. Это является существенным, в частности, для круизных судов, которые, например, пересекают Красное море.

Для улучшения теплопроводности, в частности для улучшения теплопроводности из области обмотки электродвигателя, предусмотрено, что применяется материал с более высокой теплопроводностью, чем сталь. Для этого особенно предпочтительным является материал из хорошо теплопроводящего сплава на основе цветного металла. В частности, содержащие медь сплавы на основе цветного металла имеют более высокую теплопроводность, чем сталь. При применении специальных медных бронз при этом получается еще существенное преимущество, что не происходит обрастания поверхности морскими организмами. Так можно отказаться от применения подводной защитной краски на поверхности гондолы и перехода гондола-ствол. Этот отказ от покраски приводит к ненезначительному повышению поверхностной температуры теплоотдающей поверхности, так как подводные защитные краски имеют более низкую на более, чем одну десятичную степень теплопроводность, чем металлы. Они действуют таким образом в качестве изолирующего слоя и ухудшают соответственно теплоотдачу. За счет применения специальной медной бронзы, здесь рекомендуется так называемая бронза для гребных винтов G-Cu А1 10 Ni, получается неожиданное преимущество: улучшается не только теплопроводность, так как подобные материалы являются лучшими теплопроводниками по сравнению со сталью, но и достигается также значительно повышенная температура теплоотдачи.

В электрическом гондольном приводе, кроме того, предусмотрено, что приводная гондола в части, указывающей в ствол, имеет толщину стенки, уменьшенную по сравнению с толщиной стенки, имеющейся в выполненной удобообтекаемой части. Таким образом получается предпочтительно особенно хорошая теплоотдача от не охлаждаемой непосредственно морской водой части поверхности гондолы в ствол. Толщина стенки в части приводной гондолы, указывающей в ствол, может быть уменьшена настолько, насколько это допускает техника литья. Так в этой области получается значительно более высокая температура поверхности, чем в остальной средней области гондолы двигателя, которая должна быть выполнена удобообтекаемой и поэтому имеет относительно большую толщину стенки в середине.

Далее предусмотрено, что приводная гондола на части, указывающей в ствол, имеет увеличенную поверхность, например поверхность, увеличенную за счет ребер, рельефной формовки или сотообразного листа. За счет этого предпочтительно достигается, что теплоотдающая поверхность значительно увеличивается так, что в этой области может иметь место повышенная теплоотдача.

Отданное тепло конвективно распределяется за счет находящегося в полом стволе воздуха и попадает таким образом через большую поверхность ствола в морскую воду.

В форме выполнения изобретения предусмотрено, что компоненты увеличенной поверхности содержат теплопроводящие устройства (тепловые каналы), которые находятся в соединении с внутренним пространством электродвигателя. Таким образом может увеличиваться температура увеличенной поверхности и тем самым еще больше повышаться теплоотдача к циркулирующему внутри ствола воздуху. При этом не происходит отхода от соответствующего изобретению принципа простого охлаждения.

Дополнительно иди альтернативно ствол может содержать нижнюю часть, которая по меньшей мере частично выполнена с двойными стенками, причем внутреннее пространство части с двойными стенками содержит теплопроводящее средство, как воздух или воду. В стволе располагаются, при необходимости, также устройства для перекачивания шахтного воздуха, например вентиляторы, которые используются для поддержания стабильной циркуляции. Так отдаваемое гондолой в ствол тепло может хорошо направляться к стенке ствола и вдоль нее и отдаваться через нее морской воде.

Вышеуказанные устройства находятся предпочтительно только в нижней части ствола, которая всегда омывается морской водой. Переход ствол-судно находится выше ватерлинии и это означает, что верхняя часть ствола только частично омывается морской водой.

За счет расположения устройств для повышения теплоотвода в нижней части ствола достигается надежный теплоотвод. В случае если гондольный привод, что также предусмотрено, расположен на коротком стволе, который переходит ниже ватерлинии в судно, соответствующие устройства находятся, естественно, во всем стволе. Так как расположение перехода ствол-судно на ватерлинии принципиально не предусмотрено, для расположения теплоотдающих компонентов в шахте обсуждаются только эти две альтернативы.

Дополнительно или альтернативно предусмотрено, что приводная гондола имеет устройства, которые содержат теплоноситель (тепловые каналы), за счет этого тепло может отводиться предпочтительно непосредственно так, что получается особенно хорошо действующее, экономичное и простое решение. В развитие этого принципа далее предусмотрено, что электродвигатель содержит открытый с обеих сторон полый вал, который выполнен с возможностью протекания через него морской воды и, при необходимости, коническим. Таким образом охлаждение электродвигателя происходит также изнутри.

В другой форме выполнения предусмотрено, что в валу электродвигателя расположен конвективный контур охлаждения, который транспортирует тепло от середины электродвигателя к холодным концам. Таким образом предпочтительно также поверхность втулки и даже часть поверхности гребного винта может использоваться для отведения тепла.

Далее предусмотрено, что лобовые части обмотки электродвигателя содержат конвективно работающие тепловые каналы к холодным внешним концам, к боковым стабилизаторам или внутрь нижней части ствола. Лобовые части обмотки не находятся в прямом контакте с внешней стенкой приводной гондолы, однако вследствие текущих в них токов выделяют значительное количество тепла, в некоторых случаях поэтому требуется дополнительное охлаждение лобовых частей обмотки, это может производиться особенно просто с вышеописанными тепловыми каналами. При этом особенно выгодно используется поверхность холодных внешних концов, боковых стабилизаторов или нижней части ствола.

Для прямого отведения выделяемого лобовыми частями обмотки тепла они предпочтительно снабжаются также тепловыми мостами к внешней стенке приводной гондолы. Для меньших приводов тогда даже тепловые каналы и другие компоненты охлаждения могут отпадать. Тогда является достаточным охлаждение внешней стенки гондольного привода.

Эти теплоотводящие мосты выполнены предпочтительно из теплопроводящей пластмассы с наполнителем из особенно хорошо теплопроводящего материала. В качестве пластмассы является подходящей, например, эпоксидная смола, в то время как в качестве наполнителей могут использоваться минералы. Теплоотводящие мосты могут при этом быть больше, чем размеры лобовых частей обмотки, и быть выполненными, например, в виде теплоотводящих колец, которые имеют предпочтительно стыки между отдельными отрезками лобовых частей обмотки. Таким образом получается форма выполнения теплоотводящих мостов с особенно большим объемом с хорошим теплоотводом из лобовых частей обмотки к внешней стенке приводной гондолы.

Далее предусмотрено, что приводная гондола и/или нижняя часть ствола содержат для улучшения охлаждения увеличивающие поверхность элементы, например внешние ребра или внешнюю рельефную формовку. За счет этого также достигается улучшенный теплоотвод из двигателя в морскую воду, причем особенно предпочтительно эти внешние ребра или внешняя рельефная формовка могут брать на себя также направляющие поток функции, которые поддерживают действие стабилизаторов.

На переходе от ствола к приводной гондоле предусмотрены, при необходимости, обтекаемые водой против засорения плавающим материалом конически выполненные каналы охлаждения, таким образом для этой области получается особенно хорошее охлаждение. На каналах охлаждения могут заканчиваться тепловые каналы, которые выведены из внутреннего пространства приводного двигателя.

Далее предусмотрено, что, при необходимости, внешняя область двигателя и/или переходная область двигатель-ствол выполнены по меньшей мере частично с двойными стенками, причем пространство между обеими стенками выполнено с возможностью протекания через него охлаждающего средства, в частности воды. В подобных пространствах с двойными стенками за счет односторонне подводимого тепла получается циркуляция так, что эти области с двойными стенками могут использоваться в качестве областей хорошей теплоотдачи. Кроме того, они имеют преимущество, что они могут усиливать, например, нижнюю часть ствола или что они могут способствовать образованию особенно удобообтекаемой формы. Здесь может достигаться таким образом комбинационное действие.

Теплопроводящие устройства выполнены так же, как и электродвигатель не требующими обслуживания. Так как они работают без циркуляционных насосов, это является возможным без особых проблем. Они могут поэтому быть выполненными в виде узла, образующего с гондольным приводным двигателем один блок, который не требует в технической эксплуатации обслуживания или даже ремонта. Так как теплопроводные и теплоотдающие устройства полностью находятся в нижней части ствола, они не мешают демонтажу нижней части ствола, которая производится водолазами, если гондольный привод заменяется для ремонта при остающемся в воде судне. По сравнению с известными теплообменными решениями с теплообменниками в судне или на палубе таким образом получаются значительные преимущества по обслуживанию и расходам.

Изобретение поясняется более подробно с помощью изображений, которые показывают предпочтительные примеры выполнения и из которых так же, как из зависимых пунктов формулы изобретения и описания можно понять дальнейшие детали изобретения.

При этом, в частности, показывают:

Фиг. 1 - гондольный привод в соответствии с уровнем техники (публикация AES 97).

Фиг. 2 - охлаждаемый согласно изобретению гондольный привод в схематическом представлении в разрезе.

Фиг.3 - расположение охлаждающих поверхностей согласно фиг. 2 в схематическом представлении.

Фиг. 4 - обтекаемые водой каналы охлаждения на переходе приводная гондола-ствол.

Фиг.5 - расположение внутренней двойной стенки в нижней части ствола.

Фиг.6 - более детальное сечение через сторону приводной гондолы с тепловыми мостами в области лобовых частей обмотки.

На фиг.1, которая показывает уровень техники, из которого исходит изобретение, позиция 1 обозначает электрический приводной двигатель 1. Позиция 2 обозначает приводимый в действие электрическим приводным двигателем 1 гребной винт. 3 обозначает внешнюю стенку гондолы, контур которой сохранен также в части, указывающей в направлении ствола. 4 обозначает фланцевый переход между гондольным приводом и нижней частью ствола и 5 обозначает фланец в середине ствола. Через ствол насквозь проходит вниз кабельная стренга 6 для токоснабжения электрического двигателя 1. В самом стволе расположена лестница 7, с которой инспектор получает легкий доступ к нижней части ствола. Так как гондольный провод выполнен не требующим обслуживания и не доступным, инспектору надлежит только контроль фланцевых соединений 4 и 5. Так как они рассчитаны на большой срок службы, при более новых формах исполнения, то есть также в форме исполнения согласно изобретению, отпадает нижняя часть лестницы 7. Нижняя часть ствола таким образом является свободной для встроенного оборудования; также для встроенного оборудования, которое делает невозможным доступ к внешней стенке электрического двигателя.

В верхней части ствола размещены не представленные более подробно вспомогательные устройства, например трюмные насосы, снабжение сжатым воздухом уплотнения на переходе от ствола к судну и т.д.

Фиг. 2 показывает схематическое изображение приводной гондолы с электрическим двигателем 10, который соединен через не представленные тепловые каналы с одним или множеством охлаждающих элементов 11 в нижней части ствола, в частности, на стенках нижней части ствола. Для дальнейшего охлаждения показанный гондольный привод содержит полый вал, через который протекает вода. Канал течения в полом валу обозначен позицией 12 и стрелки указывают направление протекания воды. Не показанные тепловые каналы предпочтительно выполнены точно так же, как и канал течения, без встроенного оборудования.

На фиг.3 также схематически, показаны расположенные в нижней части ствола охлаждающие элементы 13 и 14. Так же как и в схематически показанной на фиг. 2 форме выполнения охлаждающего элемента, здесь могут быть использованы все известные из техники охлаждения охлаждающие элементы. Расположение охлаждающих элементов является произвольным, возможными являются также дополнительные охлаждающие элементы в свободном пространстве полого ствола. Дело в том, что не требуется, чтобы электрический двигатель 10 был доступным.

На фиг.4 показаны трубы охлаждающего средства 15 на переходе ствола 16 к гондольному приводу 17. Они проходят так же вдоль, как и показанный на фиг.2 полый вал. Также и внешние стороны труб охлаждающего средства 15 могут находиться через тепловые каналы в соединении с внутренним пространством приводного двигателя. Трубы охлаждающего средства 15 могут, однако, служить также для особенно интенсивного охлаждения обращенной к ним части внешней стенки гондолы.

Фиг. 5 показывает форму выполнения с двойной стенкой нижней части ствола с внешней стенкой 18 и вставленной внутренней стенкой 19, причем в промежуточное пространство между внешней стенкой 18 и внутренней частью 19 входят тепловые каналы 20, которые в форме выполнения здесь исполнены для протекания воды. Поперечное сечение потока для охлаждающего средства в случае применения воды является предпочтительно круглым, если применяются тепловые каналы для воздуха, предпочтительно предусмотрены шлицы для втекания.

На фиг.6, которая показывает более подробное сечение через конец корпуса приводной гондолы, позиция 21 обозначает тепловой мост для лобовых частей обмотки 22 обмоток статора 24. Обмотки статора 24 находятся в середине в самом корпусе гондолы 23, который предпочтительно выполнен из такого же материала, что и гребной винт 29, то есть из специальной бронзы для гребных винтов. Между обмоткой ротора 25 и статора 24 находится воздушный зазор 30. Ротор 25 расположен на внутренней трубе 26, которая в свою очередь закреплена на валу 27. Крепление происходит через муфту сцепления 31. На стороне ствола корпус гондолы 23 содержит еще камеры охлаждения 28, которые могут служить в качестве выхода для тепловых каналов в ствол. Тогда здесь можно отказаться от увеличения поверхности за счет ребер или т.п. Муфта сцепления, установка вала на опоры и т.д. не относятся к изобретению и поэтому больше не поясняются.

Во втулке еще находится полое пространство 33, которое, при необходимости, находится в соединении через показанное штрихованной линией большое центральное отверстие 32 в валу 27 с подверженной тепловой нагрузке средней частью гондольного привода. Таким образом, является возможным с теплотехнической точки зрения хорошее использование холодных концов гондольного привода.

Соответствующие изобретению охлаждающие элементы допускают согласно изобретению множество комбинаций. Отдельные мероприятия выбираются в зависимости от области плавания судна и величины двигателя. Общим для них является отказ от длинных путей охлаждающего средства и от агрегатов по перекачке охлаждающего средства. Таким образом получается значительное улучшение также по сравнению с показанным в патентах США 5403216 и 2714866 уровнем техники.