一种三机双桨式柴气电混合船舶动力系统的制作方法

本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。

背景技术：

随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少co2、sox、nox及pm排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。

混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种三机双桨式柴气电混合船舶动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种三机双桨式柴气电混合船舶动力系统，其特征是：包括第一气体机、第二气体机、第一齿轮箱、第二齿轮箱、可逆电机、电动机、lng储液罐、柴油机，所述第一齿轮箱包括第一-第三齿轮，所述第二齿轮箱包括第四-第七齿轮，第二齿轮分别于第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第六齿轮和第七齿轮啮合，第一气体机通过第一离合器连接第四齿轮，第五齿轮通过第二离合器连接第六齿轮，可逆电机通过第三离合器连接第七齿轮，柴油机通过第四离合器连接第七齿轮，第二气体机通过第五离合器连接第一齿轮，电动机通过第六离合器连接第二齿轮，第一螺旋桨连接第三齿轮，第二螺旋桨连接第四齿轮，lng储液罐通过气化换热器分别连接第一气体机、第二气体机，蓄电池和可逆电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

本发明还可以包括：

1、采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机+柴油机推进模式、气体机辅助发电推进模式、气体机+柴油机辅助发电推进模式；

气体机推进模式：第一气体机、第二气体机处于工作模式，第一离合器、第五离合器闭合，其它离合器全部断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨的动力全部由第一气体机、第二气体机提供；

气体机+柴油机推进模式：第二离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其它离合器全部断开，第二螺旋桨动力由柴油机提供，第一螺旋桨动力由第二气体机提供；或者第一离合器、第二离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其它离合器全部断开，第二螺旋桨的动力全部由第一气体机和柴油机提供，第一螺旋桨的动力全部由第二气体机提供；

气体机辅助发电推进模式：第一离合器、第二离合器、第三离合器、第五离合器闭合，其它离合器全部断开，可逆电机处于发电机模式，第一气体机发出的功率一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第二气体机所发出的功率全部用来驱动第一螺旋桨；

气体机+柴油机辅助发电推进模式：可逆电机处于发电模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其它离合器断开，柴油机发出的功率一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第二气体机所发出的功率全部用来驱动第一螺旋桨；或者，可逆电机处于发电机模式，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器离合器闭合，第六离合器断开，第一气体机和柴油机所发出的功率一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第二气体机所发出的功率全部用来驱动第一螺旋桨。

2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：可逆电机处于发电动机模式，第二离合器、第三离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由电动机、可逆电机提供动力，电动机、可逆电机所需电能由蓄电池通过船舶电网提供；

岸电充电模式：船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、柴油机+电动机推进模式、气体机+柴油机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式、柴油机+电动机辅助发电推进模式、气体机+柴油机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第二螺旋桨由第一气体机提供动力，第一螺旋桨由电动机提供动力，电动机所需动力由船舶电网获得；或者，第一离合器、第五离合器、第六离合器闭合，第一螺旋桨所需动力由第一气体机提供，第一螺旋桨动力由第二气体机和电动机提供，电动机所需电能由船舶电网提供；或者，可逆电机处于电动机模式，第二离合器、第三离合器、第五离合器闭合，其它离合器全部断开，第二螺旋桨由可逆电机提供动力，所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨由第二气体机提供动力；或者，可逆电机处于电动机模式，第二离合器、第三离合器、第五离合器、第六离合器闭合，其它离合器全部断开，第二螺旋桨由可逆电机提供动力，所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨由第二气体机和电动机提供动力，电动机所需电力由船舶电网提供；或者，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第五离合器、第六离合器闭合，第四离合器断开，可逆电机工作在电动机模式，第二螺旋桨由第一气体机和可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨由第二气体机和电动机提供，电动机所需电力由船舶电网提供；

柴油机+电动机推进模式：第二离合器、第四离合器、第六离合器闭合，其他离合器断开，第二螺旋桨所需电力由柴油机提供，第一螺旋桨所需电力由电动机提供，电动机所需电能由船舶电网提供；或者，可逆电机工作在电动机模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第二螺旋桨由柴油机和可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨由电动机提供动力，其所需电能由船舶电网提供；

气体机+柴油机+电动机推进模式；第一离合器、第二离合器、第四离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第二螺旋桨由第一气体机和柴油机提供动力，第一螺旋桨由电动机提供动力，电动机所需电力由船舶电网提供；或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其它离合器断开，可逆电机工作在电动机模式，第二螺旋桨由柴油机和可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨所需电力由第二气体机提供；或者，第二离合器、第四离合器、第五离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第二螺旋桨所需电力由柴油机提供，第一螺旋桨所需动力由第二气体机和电动机提供，电动机所需动力由船舶电网提供；或者，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第六离合器断开，可逆电机处于电动机工作模式，第二螺旋桨所需动力由第一气体机和可逆电机提供，可逆电机所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨由第二气体机提供；或者，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器闭合，第五离合器断开，可逆电机处于电动机工作模式，第二螺旋桨所需电力由第二气体机和可逆电机提供，所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨所需动力由电动机提供，其所需电力由船舶电网提供；或者，全部离合器闭合，可逆电机处于电动机模式，第二螺旋桨所需动力由第一气体机、柴油机和可逆电机提供，其所需电力由船舶电网提供，第一螺旋桨的动力由第二气体机和电动机提供，其所需电力由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：可逆电机处于发动机工作模式，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一气体机发出功率的一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，发出的电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由电动机驱动，其所需电能由蓄电池和可逆电机共同或单独提供；或者，可逆电机处于发动机工作模式，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第五离合器、第六离合器闭合，第四离合器断开，第一气体机所发出的功率一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由第二气体机和电动机共同驱动，电动机所需电能由可逆电机和蓄电池共同或单独通过船舶电网提供；

柴油机+电动机辅助发电推进模式：可逆电机处于发电机工作模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器闭合，其他离合器断开，柴油机发出的功率一部分驱动第二螺旋桨，另一部分带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由电动机驱动，其所需电能由可逆电机和蓄电池通过船舶电网大度或共同提供；

气体机+柴油机+电动机辅助发电推进模式：可逆电机处于发电机模式，第一离合器、第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器闭合，第五离合器断开，柴油机和第一气体机所发出的功率一部分用于驱动第二螺旋桨另一部分用于带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由电动机驱动，其所需电能由蓄电池和可逆电机共同或单独通过船舶电网提供；或者，可逆电机处于发电机模式，第一离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器闭合，其它离合器断开，第一气体机所发出的功率用于驱动第二螺旋桨，柴油机带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由电动机驱动，其所需电能由蓄电池和可逆电机共同或单独通过船舶电网提供；或者，全部离合器闭合，可逆电机处于发电机模式，柴油机和第一气体机发出的功率一部分用来驱动第二螺旋桨，另一部分用来带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由第二气体机和电动机驱动，电动机所需电能由蓄电池和可逆电机共同或单独通过船舶电网提供；或者，第二离合器断开，其他离合器闭合，可逆电机处于发电机模式，第一气体机发出的功率用来驱动第二螺旋桨，柴油机用来带动可逆电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨由第二气体机和电动机驱动，电动机所需电能由蓄电池和可逆电机共同或单独通过船舶电网提供。

本发明的优势在于：

1.本发明提出了一种三机双桨式柴气电混合船舶动力系统，设置有气体机、柴油机和电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机、柴油机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。

2.采用大小功率不同的气体机，并搭配柴油机，高效工作区范围大，功率范围广且输出稳定，满足船舶在不同工况、不同速度下的长时间巡航，避免船舶低速续航时排放性能差，电力推进时易发生船舶电网电力紧张的情况。

3.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，最大限度地提高船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

4.电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应，减少了系统维护。

5.柴油机和可逆电机可以通过离合器闭合与断开实现单独工作，可以实现柴油发电机组的功能。在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种三机双桨式柴气电混合船舶动力系统，包括lng罐1、气化换热器2、船舶电网3、岸电装置4、船舶负载5、蓄电池6、蓄电池变电装置7、电动机8、螺旋桨9a、9b齿轮箱10a、10b、柴油机11、离合器12a、12b、12、c12、12d、12e、12f气体机13a、13b可逆电机14、可逆电机变电装置15。其连接关系为：气体机13a输出端通过离合器12a、12d与齿轮箱10b的输入端相连，可逆电机14与齿轮箱10b通过离合器12c相连，螺旋桨9b与齿轮箱10b输出端相连；气体机13b、电动机8与齿轮箱10a输入端相连，螺旋桨与齿轮箱10a输出端相连。lng罐1通过气化换热器2与气体机13a、13b相连。蓄电池6和可逆电机14分别通过变电装置7、15与船舶电网3相连，岸电装置4、船舶负载5与船舶电网3相连。

本实施例中，气体机13a、13b优选纯天然气发动机或双燃料发动机，可逆电机14、电动机8优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池8优选功率密度高、体积重量小的锂离子电池，气化换热器2优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：气体机推进模式、气体机+柴油机推进模式、气体机辅助发电推进模式、气体机+柴油机辅助发电推进模式。

1)气体机推进模式：在该种工作模式下，气体机13a、13b处于工作模式，离合器12a、12e闭合，其它离合器全部断开，螺旋桨9a、9b的动力全部由气体机13b、13a提供。

2)气体机+柴油机推进模式：在该种工作模式下，离合器12b、12d、12e闭合，其它离合器全部断开，螺旋桨9b动力由柴油机11提供，螺旋桨9a动力由气体机13b提供；或者离合器12a、12b、12d、12e闭合，其它离合器全部断开，螺旋桨9b的动力全部由气体机13a和柴油机11提供，螺旋桨9a的动力全部由气体机13b提供。

3)气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，离合器12a、12b、12c、12e闭合，其它离合器全部断开，可逆电机14处于发电机模式，气体机13a发出的功率一部分驱动螺旋桨9b，另一部分带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，气体机13b所发出的功率全部用来驱动螺旋桨9a。

4)气体机+柴油机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，可逆电机处于发电模式，离合器12b、12c、12d、12e闭合，其它离合器断开，柴油机11发出的功率一部分驱动螺旋桨9b，另一部分带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网，气体机13b所发出的功率全部用来驱动螺旋桨9a；或者，可逆电机14处于发电机模式，离合器12a、12b、12c、12d、12e全部闭合，其它离合器断开，气体机13a和柴油机11所发出的功率一部分驱动螺旋桨9b另一部分带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，气体机13b所发出的功率全部用来驱动螺旋桨9a。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，可逆电机14处于发电动机模式。离合器12b、12c、12f闭合，其它离合器断开，螺旋桨9a、9b分别由电机8、14提供动力，电机所需电能由蓄电池通过船舶电网3提供。

2)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电装置4外接电源为蓄电池6充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+电动机推进模式、柴油机+电动机推进模式、气体机+柴油机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式、柴油机+电动机辅助发电推进模式、气体机+柴油机+电动机辅助发电推进模式。

1)气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，离合器12a、12f闭合，其它离合器断开，螺旋桨9b由气体机13a提供动力，螺旋桨9a由电动机8提供动力，电动机8所需动力由船舶电网3获得；或者，离合器12a、12e、12f闭合，螺旋桨9a所需动力由气体机13a提供，螺旋桨9a动力由气体机13b和电动机8提供，电动机8所需电能由船舶电网3提供；或者，可逆电机14处于电动机模式，离合器12b、12c、12e闭合，其它离合器全部断开，螺旋桨9b由可逆电机14提供动力，所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a由气体机13b提供动力；或者，可逆电机14处于电动机模式，离合器12b、12c、12e、12f闭合，其它离合器全部断开，螺旋桨9b由可逆电机14提供动力，所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a由气体机13b和电动机8提供动力，电动机8所需电力由船舶电网3提供；或者，离合器12a、12b、12c、12e、12f闭合，其它离合器断开，可逆电机14工作在电动机模式，螺旋桨9b由气体机13a和可逆电机14提供动力，可逆电机14所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a由气体机13b和电动机8提供，电动机8所需电力由船舶电网3提供。

2)柴油机+电动机推进模式：在该种工作模式下，离合器12b、12d、12f闭合，其他离合器断开，螺旋桨9b所需电力由柴油机11提供，螺旋桨9a所需电力由电动机8提供，电动机8所需电能由船舶电网提供；或者，可逆电机14工作在电动机模式，离合器12b、12c、12d、12f闭合，其它离合器断开，螺旋桨9b由柴油机11和可逆电机14提供动力，可逆电机14所需电力由船舶电网提供，螺旋桨9a由电动机8提供动力，其所需电能由船舶电网3提供。

3)气体机+柴油机+电动机推进模式；在该种工作模式下，离合器12a、12b、12d、12f闭合，其它离合器断开，螺旋桨9b由气体机13a和柴油机11提供动力，螺旋桨9a由电动机8提供动力，电动机8所需电力由船舶电网3提供；或者，离合器12b、12c、12d、12e闭合，其它离合器断开，可逆电机14工作在电动机模式，螺旋桨9b由柴油机11和可逆电机14提供动力，可逆电机14所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a所需电力由气体机13b提供；或者，离合器12b、12d、12e、12f闭合，其它离合器断开，螺旋桨9b所需电力由柴油机11提供，螺旋桨9a所需动力由气体机13b和电动机8提供，电动机8所需动力由船舶电网3提供；或者，离合器12a、12b、12c、12d、12e闭合，其它离合器断开，可逆电机14处于电动机工作模式，螺旋桨9b所需动力由气体机13a和可逆电机14提供，可逆电机14所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a由气体机13b提供；或者，离合器12a、12b、12c、12d、12f闭合，其它离合器断开，可逆电机14处于电动机工作模式，螺旋桨9b所需电力由气体机13b和可逆电机14提供，所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a所需动力由电动机8提供，其所需电力由船舶电网3提供；或者，全部离合器闭合，可逆电机14处于电动机模式，螺旋桨9b所需动力由气体机13a、柴油机11和可逆电机14提供，其所需电力由船舶电网3提供，螺旋桨9a的动力由气体机13b和电动机8提供，其所需电力由船舶电网3提供。

4)气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，可逆电机14处于发动机工作模式，离合器12a、12b、12c、12e闭合，其他离合器断开，气体机13a发出功率的一部分驱动螺旋桨9b，另一部分带动可逆电机14发电，发出的电能汇入船舶电网3，螺旋桨9a由电动机8驱动，其所需电能由蓄电池6和可逆电机14共同或单独提供；或者，可逆电机14处于发动机工作模式，离合器12a、12b、12c、12e、12f闭合，其他离合器断开，气体机13a所发出的功率一部分驱动螺旋桨9b另一部分带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，螺旋桨9a由气体机13b和电动机8共同驱动，电动机8所需电能由可逆电机14和蓄电池共同或单独通过船舶电网3提供。

5)柴油机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，可逆电机14处于发电机工作模式，离合器12b、12d、12c、12f闭合，其他离合器断开，柴油机11发出的功率一部分驱动螺旋桨9b，另一部分带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，螺旋桨9a由电动机8驱动，其所需电能由可逆电机14和蓄电池6通过船舶电网大度或共同提供。

6)气体机+柴油机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，可逆电机14处于发电机模式，离合器12a、12b、12c、12d、12f闭合，其它离合器断开，柴油机11和气体机13a所发出的功率一部分用于驱动螺旋桨9b另一部分用于带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨9a由电动机8驱动，其所需电能由蓄电池6和可逆电机14共同或单独通过船舶电网3提供；或者，可逆电机14处于发电机模式，离合器12a、12c、12d、12f闭合，其它离合器断开，气体机13a所发出的功率用于驱动螺旋桨9b，柴油机11带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨9a由电动机8驱动，其所需电能由蓄电池6和可逆电机14共同或单独通过船舶电网3提供；或者，全部离合器闭合，可逆电机14处于发电机模式，柴油机11和气体机13a发出的功率一部分用来驱动螺旋桨9b另一部分用来带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，螺旋桨9a由气体机13b和电动机8驱动，电动机8所需电能由蓄电池6和可逆电机14共同或单独通过船舶电网3提供；或者，离合器12b断开，其他离合器闭合，可逆电机14处于发电机模式，气体机13a发出的功率用来驱动螺旋桨9b，柴油机11用来带动可逆电机14发电，所发电能汇入船舶电网3，螺旋桨9a由气体机13b和电动机8驱动，电动机8所需电能由蓄电池6和可逆电机14共同或单独通过船舶电网3提供。

上述模式中：机械推进模式适用于船舶运行工况稳定的长时间巡航，或者对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶靠岸或者离港时的低功率需求的情况，或者是航行在对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率有一定需求时。

采用本发明提供的船舶混合动力系统可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载5所需要的电力由蓄电池6提供，若可逆电机14运行在发电模式时则优先使用其发出的电能，船舶负载3用电的优先级是：可逆电机发电14大于蓄电池6。