Elektryczne napędy główne

statków

Rodzaje napędu elektrycznego

Pierwsze próbne napędy elektryczne były

stosowane już w XIX wieku. Źródłem
zasilającym silnik elektryczny były
akumulatory. Przy stosowaniu tego rodzaju
napędu do większych jednostek zaczęto
stosować inne rozwiązania:

• Napęd elektryczny z zasilaniem mieszanym, z

akumulatorów oraz z zespołów
prądotwórczych,

• Napęd spalinowo-elektryczny,
• Napęd turboelektryczny,
• Napęd dodatkowy,

Zaczęto stosować też różne

układy zasilania

• Prądnica prądu stałego zasila silnik prądu

stałego w układzie Ward-Leonarda lub w
układzie stałoprądowym

• Prądnica prądu przemiennego (synchroniczna)

zasila silnik synchroniczny napędzający śrubę
stałą albo synchroniczny albo asynchroniczny
klatkowy napędzający śrubę nastawną

• Prądnica prądu przemiennego zasila silnik

prądu stałego napięciem stałym poprzez
przekształtniki

Zestawienia zespołów

prądotwórczych:

• Turbina-prądnica prądu przemiennego,

sprzężone przy dużych mocach bezpośrednio,

• Turbina-prądnica prądu przemiennego,

sprzężone przy mniejszych mocach poprzez
przekładnię,

• Silnik spalinowy-prądnica prądu stałego lub

przemiennego, sprzężone bezpośrednio,

• Wyjątkowo turbina-prądnica prądu stałego (NS

Lenin)

Porównanie cech napędów

elektrycznych i mechanicznych

• Napęd elektryczny jest bardziej niezawodny od

mechanicznego,

• Większa łatwość manewrowa,
• Koszty eksploatacyjne są zależne od warunków pracy

statków na których pracują obydwa napędy

• Łatwiejsza konserwacja napędu elektrycznego,
• Koszt inwestycji jest mniejszy dla napędów

mechanicznych,

• Wyższy komfort podróży statku z napędem

elektrycznym

• Szersze możliwości rozmieszczenia elementów napędu

elektrycznego.
Przy wyborze napędu statku przeprowadza się

dokładną analizę umożliwiającą wybór optymalnego

rozwiązania.

Warunki pracy elektrycznych napędów

głównych

Całkowity opór ruchu statku

jest sumą oporu stawianego
przez wodę(o. tarcia),
tworzenia się fal(o. falowy)
oraz z oporu powietrza(o.
dodatkowy).

Przybliżone określenie mocy

P potrzebnej do napędu
statku podaje wzór
admiralicji

P= V

2/3

v2/Cw

V- wyporność statku
V- prędkość statku
Cw – stała admiralicji
Moc określa się podobnie jak

dla napędu mechanicznego.

Przebiegi obciążeń spotkane w pracy napędu

głównego

W czasie pływania po spokojnym morzu ze stałą prędkością obciążenie silników

napędowych jest stałe, w miarę pogarszania się stanu morza wahania obciążenia
zmieniają się szybko w czasie. Wyjątkowo ciężkie warunki pracy mają lodołamacze
podczas łamania lodu.

Napędy główne w układach prądu

stałego

• Napędy elektryczne zasilane z akumulatorów

• Napędy elektryczne o zasilaniu mieszanym

• Napędy spalinowo-elektryczne prądu stałego

• Napędy główne w układzie Ward-Leonarda

• Układy napędowe pracujące w pętli

stałoprądowej

Napędy elektryczne zasilane z

akumulatorów

• Napędy spotyka się na małych jednostkach o

niewielkim zasięgu pływania, do których należą
jednostki portowe lub przybrzeżne. Ma to związek z
dużym ciężarem baterii akumulatorów oraz
koniecznością ładownia ich z lądu. Mimo dużych
kosztów i wyżej wymienionych ograniczeń stosuje
się je ze względu na cichą i bez wstrząsową prace
układu napędowego. Przy wykorzystaniu ulgowych
taryf ładownie jest dość opłacalne. Jako silniki
napędowe
w takich układach służą silniki prądu stałego o
mocy 4-15 kW i prędkości obrotowej 1500-2000
obr/min. Regulacja prędkości obr. Jest
przeprowadzana przez zmianę rezystancji w
obwodzie twornika lub zmianę wzbudzenia.

Napędy elektryczne o zasilaniu

mieszanym

• Można rozróżnić dwa rozwiązania:

-silnik śruby stale zasilany z akumulatorów,
zespół prądnicowy pracuje przy stałej
prędkości obrotowej doładowując akumulatory,

Silniki Diesla

na HMS Ocelot

• Drugim rozwiązaniem jest sytuacja gdy silnik

spalinowy i maszyna elektryczna pracują na wale
wspólnym za śrubą okrętową. Przy małych
prędkościach statku silnik spalinowy napędza
śrubę i maszynę elektryczną, która ładuje
akumulatory. Przy większych prędkościach
statku maszyna elektryczna pracuje jako silnik
zasilany z akumulatorów. W razie potrzeby napęd
może odbywać się bez silnika spalinowego, tylko
z silnikiem elektrycznym. Napędy takiego
rodzaju były i są od dawna stosowane na
okrętach podwodnych. Na powierzchni śruba
napędzana jest przez silnik spalinowy, pod wodą
wyłącznie przez silnik elektryczny zasilany z
akumulatorów. Do manewrów i ruchu wstecz
służy silnik elektryczny.

Napędy spalinowo-elektryczne prądu

stałego

• Napędy te przez długi czas stanowiły najbardziej

rozpowszechniony rodzaj napędu elektrycznego
śruby okrętowej. Najczęściej spotykane na
jednostkach specjalnych takich jak: holowniki,
trawlery, pogłębiarki, promy, lodołamacze,pogłębiarki
statki ppoż. dźwigi pływające. W tych jednostkach
poza napędem śruby istniały inne napędy o bardzo
dużej mocy lub jednostki o specjalnych wymaganiach
manewrowych.

• Podstawowymi zaletami

układów z silnikiem prądu
stałego do napędu śruby są
możliwość całkowitego
płynnego wykorzystania mocy
zespołów sterownia
prędkością obrotową śruby
oraz pełnego wykorzystania
mocy zespołów w różnych
warunkach pracy napędu.
Przy układzie zawierającym
kilka zespołów
prądotwórczych istnieje
możliwość pełnego
wykorzystania mocy silników
spalinowych niezależnie od
liczby pracujących zespołów.
Korzyści jakie można osiągnąć
przedstawia wykres obok.

• Moc napędów głównych z silnikami prądu

stałego jest ograniczona przez możliwość
wykonania taki silników na bardzo duże moce.
Im mniejsza prędkość obrotowa i wyższe
napięcie wirnika, tym łatwiej można zbudować
silnik na większą moc. Przy prędkości 120
obr/min i max możliwym napięciu wirnika 1500
V teoretyczne jest wykonanie silnika DC o mocy
do ok. 15 MW. W praktyce moce pojedynczych
silników nie przekraczały 7MW. Moc
wykonywanych napędów głównych z silnikami
prądu stałego ograniczały także względy
ekonomiczne. Napędy te były wykonywane w
układach elektromaszynowych, obecnie
zmienione na układy tyrystorowe zasilanymi z
prądnic prądu przemiennego.

Napędy główne w układzie Ward-

Leonarda

• Regulacja prędkości

obrotowej silnika prądu
stałego napędzającego
śrubę okrętową w układach
W-L odbywa się poprzez
regulację napięcia prądnicy
zasilającej silnik albo przez
regulację wzbudzenia
silnika. W układzie W-L
przebieg manewrów jest
bardzo korzystny ze
względu na możliwy do
uzyskania przebieg
charakterystyk
mechanicznych.

• Przy przestawieniu dźwigni

manewrowej do położenia „cała

naprzód” uzyskuje się od razu

charakterystykę mech. taką jak

krzywa e dzięki małym stałej

czasowym układu elektrycznego.

Występują tu znaczne momenty

dynamiczne, a śruba dochodzi do

prędkości ustalonej w punkcie b. Po

zwiększeniu prędkości statku

moment oporowy zaczyna maleć i

punkt pracy przesuwa się

stopniowo z B do A. Przy zmianie z

„cała naprzód” na „cała wstecz”

punkt pracy przesuwa się z A do C.

W miarę zmniejszania się prędkości

statku płynącego ciągle do przodu

moment oporowy na śrubie maleje.

Charakterystyka momentu

oporowego przechodzi z krzywej c

przez krzywe pośrednie d do

krzywej b’, gdy statek się

zatrzymuje.

•

Punkt pracy układu przesuwa się więc powoli po

krzywej e’ od punktu C poprzez D do punktu E a gdy

statek ruszy wstecz, w kierunku punktu F.

•

Prędkość śruby i prędkość silnika spalinowego są od

siebie niezależne, dlatego też zwiększanie prędkości

śruby w kierunku wstecznym odbywa się cały czas

przy pełnym wykorzystaniu mocy silnika spalinowego.

Czas nawrotu śruby, to znaczy zmniejszenia prędkości

od nA do n=0 i zmiany kierunku jej wirowania,

powinien być możliwie krótki, gdyż ma poważny

wpływ na drogę zatrzymania się statku. Poza tym

szybkie przejście do prędkości śruby n=0 oznacza

krótki czas pracy śruby jak turbiny, powodując tylko

niewielki wzrost prędkości obrotowej silnika

spalinowego. Przy napędzie śruby w układzie W-L

można uzyskać bardzo krótkie czasy nawrotu śruby za

względu na korzystny przebieg charakterystyki

mechanicznej układu.

Układy napędowe pracujące w pętli

stałoprądowej

• Przy pracy w układach W-L na każdy silnik

potrzebna jest co najmniej jedna prądnica. W
normalnych warunkach pracy nie stanowiło to
żadnego ograniczenia, ponieważ w układach napędu
głównego liczba prądnic z reguły była większa od
liczby silników. Jeżeli jednak prądnice zasilają silniki
śrub oraz niektóre silniki napędów pomocniczych
dużych mocy, korzystne jest zastosowanie układu o
stałym natężeniu prądu, w którym liczba prądnic i
silników jest od siebie nie zależna. Układy
stałoprądowe pozwalają na pełne wykorzystanie
mocy, podobnie jak układy W-L. Można wykorzystać
pełną moc sumaryczną wszystkich zespołów
prądnicowych, co nie jest możliwe w układach W-L.

Napędy główne w układach prądu

przemiennego

• Prąd przemienny nadaje się przede wszystkim

do elektryfikacji napędów głównych
lodołamaczy, zbiornikowców, statków
pasażerskich, promów, czyli w razie
występowania potrzeby przenoszenia dużych
mocy. W stosunku do napędu prądu stałego
napęd pradu przemiennego szczególnie przy
zastosowaniu silników synchornicznych,
wykazuje lepszą sprawność i daje możliwość
stosowania wyższych napięć. Silnik
synchroniczne o mocach 12-15 MW ważą
połowę tego co silniki prądu stałego.

• Maszyny prądu przemiennego są bezkomutatorowe,

dlatego też można w nich stosować wyższe napięcia.

Różne instytucje klasyfikacyjne dopuszczają napięcia

o wartościach do 6-7,4 kV. Zastosowanie średniego

napięcia daje wraz z ekonomiczniejszą budową

maszyn elektrycznych również znaczne oszczędności

w ciężarze kabil i aparatury układu napędowego. Do

napędu elektrycznego śrub nie nastawnych w

układach prądu przemiennego także obecnie stosuje

się prawie wyłącznie silniki synchroniczne. Ogromną

zaletą tych silników jest możliwość uzyskania

współczynnika mocy równego 1. W silnikach

asynchronicznych jest to nie możliwe. Obok większej

sprawności silniki synchroniczne posiadają też

większą szczelinę niż asynchroniczne. Co w

warunkach napędu okrętowego stanowi ważną

zaletę, chroni przed mechanicznymi uszkodzeniami

silnika przy ruchach fundamentów w warunkach

sztormowych.

Okrętowy napęd elektryczny typu

Azipod

• Najnowszym osiągnięciem w dziedzinie

elektrycznych napędów statków jest skonstruowany

przez firmę ABB napęd, w którym śruby łącznie z

napędzającymi je silnikami zamocowane są na rufie

na zewnątrz statku. Zespół śruba-silnik

zamocowany jest na wale ułożyskowanym na rufie i

może się obracać poziomo w zakresie 360

o

. Silnik

napędzający śrubę zasilany jest poprzez pierścienie

umieszczone na wale. Obrót wału dokonuje się

przez napęd hydrauliczny.

Przyszłość elektrycznych napędów

głównych

• Elektryczne napędy statków znajdują coraz

szersze zastosowanie. Już teraz statki pasażerskie
są przeważnie wyposażane w napęd elektryczny.
Napędy z silnikami synchronicznymi, regulowane
napięciem o zmiennej częstotliwości
napędzającymi śrubę o stałym skoku osiągnęły
praktycznie szczyt swoich możliwości. Badania nad
nowymi napędami będą w innym kierunku.
Przykładem tego jest napęd Azipod. Można
przewidzieć rozwój napędów z zastosowaniem
urzadzeń nadprzewodzących. Badania takie są
prowadzone w Japonii wykorzystując zasadę
megnetohydrodynamiczną. Zbudowany jest już
statek z prototypowym napędem
elektromagnetycznym „Yamato 1”

• Prototypowy statek z napędem

elektromagnetycznym „Yamato 1”

Literatura i zdjęcia:

• ELEKTROTECHNIKA OKRĘTOWA

Napędy elektryczne J, W
Wyszkowski

• www.abb.pl
• www.port.gdynia.pl
• www.wikipedia.pl