本发明涉及用于将推进功率供应至航海船舶中的对转推进器(CRP)推进系统的组件，该组件包括由旋转功率单元驱动的第一推进器和由交流马达驱动的第二推进器。
背景技术：
大型舰艇或航海船舶的推进功率由旋转功率单元产生，旋转功率单元的能源为石油、天然气、核能。旋转功率单元可以是柴油发动机、燃气涡轮或核动力反应堆旋转的涡轮。机械输出轴直接地或经由齿轮联接到驱动发电机的推进器或旋转功率单元的轴上，发电机供应电功率至舰艇的推进器马达。此外，已经使用用于驱动推进器的这两种主要方式的几种不同的组合。
航海船舶的功率和能量效率需要在不同的操作模式下尽可能经济地产生推进功率。因此应优化总能耗。这意味着必须使用可用的机载的最经济的功率发生系统产生电能，并且在将电能供应至使用该电能的装置和马达时尽可能有效地使用电能。
如本领域所熟知的，推进装置消耗航海船舶中使用的大部分能量。此外，同时使用不同种类的发动机或马达来产生推进力或推力。因此，重要的是这些装置配合，使得当产生所需推进功率和转向时，它们的总能耗尽可能地低。同时，总能耗和电力的产生必须尽可能高效。必要的是，船舶的总能量有效地产生，并且在不同的操作情形中电功率有效地被供应和用于所有用电装置。
公开WO 02/072418提出一种CRP推进器组件，其中一个推进器由主发动机驱动，而另一个推进器由电动马达驱动。第一和第二推进器的轴为同轴的，并且第一推进器的轴布置在第二推进器的中空轴中。主发动机驱动联接到主发动机的轴上的第一推进器，并且布置到主发动机的轴上的发电机向驱动第二推进器的马达供应电功率。此外，存在使向马达供应功率的发电机旋转的其它发动机。
公开DE 3207398公开了一种CRP组件，其中主发动机在枕在舰船的船体上的推进器上旋转，并且另一推进器布置到船舵单元上。另一推进器由马达旋转，马达由主发动机驱动的发电机供电。马达直接或经由变频器连接到发电机上。备选地，马达经由主配电板从另一个主发动机驱动的另一个发电机供电。
技术实现要素：
本发明的目的是形成用于在舰船或航海船舶中供应电功率的新的低成本组件。
用于将推进功率供应至航海船舶中的对转推进器(CRP)推进系统的组件包括由旋转功率单元驱动的第一推进器和由交流马达驱动的第二推进器，其中第二推进器在与第一推进器相反的方向上旋转，其中交流发电机由旋转功率单元驱动，并且交流发电机电连接到交流马达上。第二推进器的旋转速度介于第一推进器的旋转速度的95%和150%之间，交流马达和交流发电机具有相同的电频率，交流发电机的极数为2至40，并且交流马达的极数为2至40，使得交流马达和交流发电机的极数的比率为0.05至20。极数值为偶数。
根据本发明的一个优选实施例，第二推进器的直径小于第一推进器的直径。
根据本发明的一个优选实施例，第一推进器和第二推进器之间的距离小于第一推进器的直径的两倍。
根据本发明的一个优选实施例，第一推进器和第二推进器的功率比例在50:50和80:20之间的范围内。
根据本发明的一个优选实施例，交流马达由第二电功率源供电，第二电功率源与交流发电机并联地电连接。
根据本发明的一个优选实施例，交流发电机向第二用电设备供应电功率，第二用电设备电连接到交流发电机上。
根据本发明的一个优选实施例，第二电功率源包括变频器，并且第二电功率源经由开关电连接到交流马达上。
根据本发明的一个优选实施例，当改变第一推进器和第二推进器之间的功率分配时，第二电功率源对于交流马达和/或交流发电机是可切换的。
根据本发明的一个优选实施例，在交流马达和交流发电机之间的电功率连接件包括断路器，并且交流发电机和第二电功率源在操纵船舶时对于交流马达是可交替地切换的。
当使用本发明的组件时，相比例如机械推进，在舰船的总体布置和船体设计方面存在更大的自由。发电机可以更有利的方式定位，并且船舶的水动力效率因此而提高。
在不同的操作情形下并且在实现船舶的不同的功率需求时以最高效的方式产生能量。因此，航海船舶的电力损耗相比常规的电推进系统也减到最小。
本发明的组件使得能够构造根据船舶的要求以合理的方式使用主要能源的功率发生设备和发动机。这为选择多个多功率设备构型中的最合适的提供了自由，并且因此使得能够进行能量高效的舰船操作。
类似柴油发动机的能量产生机器和类似电动马达或驱动主推进器的柴油机的推进式功率产生马达分布在船舶中，并且它们能连接和断开。因此，推进单元或其子单元等的冗余度可以增加。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出本发明的第一优选实施例；
图2示出本发明的第二优选实施例；
图3示出本发明的第二优选实施例的操作模式；
图4示出本发明的第二优选实施例的第二操作模式；
图5示出本发明的第二优选实施例的第三操作模式；
图6示出本发明的第二优选实施例的第四操作模式；
图7示出本发明的第二实施例的第五操作模式；
图8示出本发明的第二优选实施例；以及
图9示出本发明的第三优选实施例。
具体实施方式
图1示出本发明的第二实施例的示意图。诸如两冲程柴油发动机的主旋转功率单元2驱动推进交流发电机4，推进交流发电机4的转子紧固到旋转功率单元2的一个输出轴上。船舶的主推进器6紧固到旋转功率单元2的另一个输出轴10上。虽然在图1所示实施例中交流发电机4和推进器6在旋转功率单元2的相对侧上，但发电机也可以与推进器6在旋转功率单元2的同侧上。与主推进器6相对地布置着由交流马达8驱动的第二推进器12。主推进器或前推进器6利用轴承装配到船舶的船体上。第二推进器或后推进器12利用交流马达8支撑到船舶的船体或支撑到船舶的船舵组件上。前推进器6和后推进器12布置成以本领域的技术人员熟知的对转推进器(CRP)模式操作。交流发电机4由电功率连接件14连接到交流马达8上。交流马达8和交流发电机4具有相同频率。它们的旋转速度与后推进器和前推进器的旋转速度受频率影响。
旋转功率单元2的功率PME为几十MW，例如60至100MW或以上，具体取决于航海船舶的推进功率需求。交流发电机4的功率PG和交流马达8的功率PM在PME的20%至50%的范围内。因此，前推进器和后推进器的功率比例在50:50至20:80之间变化。交流发电机4的极数和交流马达8的极数的值选择成在CRP组件中提供最佳推进效果。第二推进器的旋转速度介于第一推进器的旋转速度的95%和150%之间。交流发电机4的极数可具有在2至40之间的值，并且交流马达8的极数可具有在2至40之间的值，其中极数的值为偶数。交流马达和交流发电机的极数的比率为0.05至20。
数值在设计整个CRP驱动器的尺寸和影响其的若干因素时由不同的情况限定。可存在介于旋转功率单元和交流发电机之间的齿轮、介于前推进器和旋转功率单元之间的齿轮以及介于后推进器和交流马达之间的齿轮。推进器的直径比例和推进器之间的距离也影响后推进器与前推进器的所需旋转速度比例。通过选择交流发电机的极数和交流马达的极数，实现了后推进器与前推进器的旋转速度的所需比例，因为交流马达与交流发电机相互的速度由它们的极数限定。
作为示例：旋转功率单元的旋转速度为100rpm，并且交流发电机和前推进器直接连接到旋转功率单元的轴上。所要求的是，直接连接到交流马达的轴上的后推进器的旋转速度应为120rpm。因此，通过将交流发电机的极数选择为等于12并将交流马达的极数选择为等于10，将实现推进器的旋转速度的所需比例，因为交流发电机和交流马达由电功率连接件直接连接，并且它们具有相同频率。
作为另一示例：旋转功率单元的旋转速度为100rpm，并且前推进器直接连接到旋转功率单元的轴上。交流发电机经由齿轮箱连接到旋转功率单元的轴。齿轮的传动比等于3，并且交流发电机的旋转速度等于300rpm。所要求的是，直接连接到交流马达的轴上的后推进器的旋转速度应为120rpm。因此，通过将交流发电机的极数选择为等于4并将交流马达的极数选择为等于10，将实现推进器的旋转速度的所需比例，因为交流发电机和交流马达由电功率连接件直接连接，并且它们具有相同频率。
图2示出本发明的第二实施例的示意图。诸如两冲程柴油发动机的主旋转功率单元40驱动推进交流发电机42，推进交流发电机42的转子紧固到旋转功率单元40的一个输出轴上。船舶的主推进器44紧固到旋转功率单元40的另一个输出轴46上。虽然在图2所示实施例中发电机42和推进器44在旋转功率单元40的相对侧上，但发电机也可以与推进器44在旋转功率单元40的同侧上。与主推进器44相对地布置着由交流马达50驱动的第二推进器48。主推进器或前推进器44利用轴承装配到船舶的船体上。第二推进器或后推进器48利用交流马达50支撑到船舶的船体或支撑到船舶的船舵组件上。前推进器44和后推进器48布置成以本领域的技术人员熟知的对转推进(CRP)模式操作。推进交流发电机42由电功率连接件52连接到交流马达50上。断路器54布置在电功率连接件52上，交流马达50和推进交流发电机42之间的连接可通过电功率连接件52接通和断开。当断路器54接通时，交流马达50和推进交流发电机42具有相同频率。它们的旋转速度与后推进器和前推进器的旋转速度受频率影响。
两个辅助旋转功率单元56和58联接到两个发电机60和62上，发电机60和62经由电功率连接件连接到舰船的主配电板或主母线64上。配电板64连接到船舶的配电干线上，并且发电机60和62向用电设备供应电功率。辅助旋转功率单元56和58优选地为具有比旋转功率单元40更低的功率的四冲程柴油发动机。辅助旋转功率单元56和58可位于船舶的船体中的合适的空间内，并且它们不需要定位到船舶的推进器44或48附近或其它用电设备附近。变频器66分别经由电功率连接件70和电功率连接件72联接在主配电板64和电功率连接件52的接头68之间。存在介于主配电板64和变频器66之间的第二断路器74以及介于变频器66和接头68之间的第三断路器76。
图2所示推进系统可根据操作模式而以多种方式操作和控制。参看图3至图6，将澄清多种操作模式。在适用时，在图3至图7中将使用与图2中相同的附图标记。
图3示出处于操纵模式的本发明的第二实施例，其中推进功率由辅助旋转功率单元56和58产生，而主旋转功率单元不工作。如箭头82所示，推进功率由后推进器48产生，并且前推进器处于停止状态。因此，交流发电机42也不产生电功率，并且断路器54断开。断路器74和76接通，并且电功率经由变频器66和主配电板从发电机60和62供应至交流马达50。电功率的流动由箭头80示出。向交流马达50供应电能的功率和频率由变频器66控制。后推进器的推进功率受限于交流发电机60和62的容量，并且实际上受限于变频器66的容量。
图4示出处于第一启动模式的本发明的第二实施例，其中推进功率由辅助旋转功率单元56和58及主旋转功率单元40产生。后推进器48和前推进器44在CRP模式下工作，如由箭头82和84所示。虽然主旋转功率单元在工作，但交流发电机42不产生电功率，并且断路器54断开。断路器74和76接通，并且电功率经由变频器66和主配电板从发电机60和62供应至交流马达50。电功率的流动由箭头80示出。向交流马达50供应电能的功率和频率由变频器66控制。在该模式下，后推进器48的速度可独立于前推进器44的速度而被控制。主旋转功率单元在例如其标称功率的25%的降低的功率水平下工作，并且前推进器的推进功率为其总功率的约25%。后推进器的推进功率受限于交流发电机60和62的容量，并且实际上受限于变频器66的容量。
图5示出处于第二启动模式的本发明的第二实施例，其中推进功率由辅助旋转功率单元56和58及主旋转功率单元40产生。交流马达经由变频器66由交流发电机50和62供电并经由电功率连接件52由交流发电机42供电。后推进器48和前推进器44在CRP模式下工作，如由箭头82和84所示。主旋转功率单元在工作，并且交流发电机42产生电功率，且断路器54接通。断路器74和76接通，并且电功率经由变频器66和主配电板从发电机60和62供应至交流马达50。来自交流发电机60和62的电功率的流动由箭头80示出，来自交流发电机42的电功率的流动由箭头86示出，并且到交流马达50的电功率的流动由箭头88示出。向交流马达50供应电能的功率和频率由变频器66控制。在该模式下，到交流马达50的功率供应通过调整交流发电机42的输出功率和相应地控制变频器而从交流发电机60和62逐渐地移动至交流发电机42。主旋转功率单元以例如其标称功率的25%的降低的功率水平工作，并且前推进器的推进功率为其总功率的约25%，以便将前推进器和后推进器的推进功率水平保持在容许的极限内。后推进器的推进功率受限于交流发电机60和62的容量，并且实际上受限于变频器66的容量，适当的CRP功能需要前推进器和后推进器的推进功率具有优选地在20:80和50:50之间的正确的比例。
图6示出处于第三启动模式的本发明的第二实施例，其中推进功率由主旋转功率单元40产生。该图还示出满速度和满功率推进，其中两个推进器均通过主旋转功率单元40的功率来工作，而交流发电机42直接连接到交流马达50上。断路器54接通，而断路器74和76断开，并且交流马达50完全由交流发电机42经由电功率连接件52供电。后推进器48和前推进器44在CRP模式下工作，如由箭头82和84所示。到交流马达50的电功率的流动由箭头90示出。在第三启动模式期间，主旋转功率单元的功率从例如25%的降低的水平朝其标称功率增加。为了具有高效的CRP功能，前推进器和后推进器的推进功率具有优选地在20:80和50:50之间的正确的比例。由于交流发电机42经由电功率连接件52直接连接到交流马达50上，交流发电机42和交流马达具有相同频率。当它们两者为同步电机时，它们的旋转速度基于电机的极数而彼此不同。相应地，后推进器和前推进器的旋转速度以它们紧固到电机的轴上的相同方式不同。
图7示出处于第四模式的本发明的第二实施例，其中推进功率由主旋转功率单元40产生。主旋转功率单元40以满功率工作，而交流发电机42直接连接到交流马达50上。断路器54接通，断路器74和76也接通，并且变频器66连接在主配电板64和线路52的接头68之间。交流马达50完全由交流发电机42经由电功率连接件52供电。此外，交流发电机42也向由变频器66控制的主配电板64供应功率。到交流马达50的电功率的流动由箭头94示出，来自交流发电机42的电功率的流动由箭头92示出，并且到主配电板64的电功率的流动由箭头96示出。推进功率被降低供应至主配电板64的量。在其它方面，CRP如结合图6所解释那样工作。
图8示出本发明的第三实施例的示意图。诸如两冲程柴油发动机的主旋转功率单元2经由齿轮20驱动推进交流发电机4，齿轮20联接到旋转功率单元2的第一输出轴22上。第二齿轮24联接到旋转功率单元2的第二输出轴26上。推进器6连接到齿轮24的第二轴28上。与主推进器6相对地布置着由交流马达8驱动的第二推进器12。主推进器或前推进器6利用轴承装配到船舶的船体上。第二推进器或后推进器12利用交流马达8支撑到船舶的船体或支撑到船舶的船舵组件上。前推进器6和后推进器12布置成以本领域的技术人员熟知的对转推进器(CRP)模式操作。交流发电机4由电功率连接件14连接到交流马达8上。交流马达8和交流发电机4具有相同频率。交流发电机4和交流马达8的极数被限定为使得第二推进器12的旋转速度在第一推进器6的旋转速度的95%和150%之间。
图9示出本发明的第四实施例的示意图。诸如两冲程柴油发动机的主旋转功率单元2驱动连接到其输出轴10上的第一推进器6。另一个旋转功率单元30旋转联接到旋转功率单元30的输出轴33上的交流发电机32。旋转功率单元30可与主旋转功率单元2分离，或者它可以是利用主旋转功率单元的排气的涡轮增压器。与主推进器6相对地布置着由交流马达8驱动的第二推进器12。主推进器或前推进器6利用轴承装配到船舶的船体上。第二推进器或后推进器12利用交流马达8支撑到船舶的船体或支撑到船舶的船舵组件上。前推进器6和后推进器12布置成以本领域的技术人员熟知的对转推进器(CRP)模式操作。交流发电机4由电功率连接件34连接到交流马达8上。交流马达8和交流发电机4具有相同频率。交流发电机4和交流马达8的极数以及主旋转功率单元2和另一旋转功率单元30的旋转速度被限定为使得第二推进器12的旋转速度在第一推进器6的旋转速度的95%和150%之间。
根据本发明的组件可具有许多实施例。此处作为示例提及这些实施例中的一些。交流马达和/或交流发电机具有可如本领域已知那样利用的一个或多个独立的绕组。交流马达和交流发电机以及电功率连接件包括三个或更多个电相。
第一推进器和第二推进器在CRP组件中同轴地对齐。推进器也可以略微错开，以使得它们不严格地在同一条线上或者使得它们略微倾斜。
交流发电机可包括一个或多个单独的发电机。如果不存在足够大的发电机，则可以使用两个或多个并联联接且由旋转功率单元旋转的发电机。发电机可根据功率需求而连接和断开。
交流发电机可以仅与第一推进器由相同的旋转功率源驱动。也可以将主旋转功率单元分成更小的单元，其中这些单元中的一个旋转第一推进器，而另一个旋转连接到第二推进器的交流马达上的交流发电机。较小的旋转功率单元可以更自由地定位在船舶中，并且将更优化地使用空间。较小的动力单元可以是燃气涡轮，从而可以调整推进器的旋转速度的比例。
第二推进器可以固定到船舶的船体或船舵上。第二推进器可以是吊舱型推进器。它也可以是方位(azimuth)型，该推进器可用于使船舶转向。
不同类型的交流电机对于交流马达和交流发电机两者是可能的。交流电机可以是感应电机或同步电机。同步电机可由电控磁体或永久磁体激励。
当使用感应电机时，感应式马达的滑差在调整同步式发电机的激励时改变。通过这种方式，功率可以相对于速度略微调整。在发电机为感应型滑环发电机的情况中，其中转子电路包括外部可控的电阻器或变频器能够控制转子和定子的相对速度，可以进一步调整发电机的滑差。通过这种方法，滑差可以调整大约± 20%。该发电机于是可以驱动具有可调频率的感应或同步马达。通过这两个方法，旋转功率单元的负载可以被调整至例如对于旋转功率单元的燃料消耗来说更佳。
第一推进器和第二推进器均可具有固定的桨距或可控的桨距。