一种主机恒转速船舶油电混合推进系统的制作方法

1.本实用新型属于船舶技术领域，涉及一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，具体的说是涉及一种具有主机恒转速恒功率最高效率运行功能的船舶混合动力推进系统。


背景技术：

2.船舶推进系统一般由主机通过机械传动驱动螺旋桨，机桨匹配是按额定转速下的额定功率进行的，若船舶出现轻载或重载工况，螺旋桨的推进特性曲线发生移动，因推进主机输出转速受螺旋桨转速约束，使得推进主机不能在额定转速、额定功率下或最佳效率区运行，造成推进主机单位功率油耗增加，运行工况恶化；当船舶低速航行时，因螺旋桨推进特性曲线比推进主机外特性曲线要陡，推进主机在低于额定转速的某个转速运行时，因其转速受螺旋桨转速限制，不但不能实现在最高效率转速时的最高效率，也不能发出在此转速下的最佳效率的功率，导致主机单位功率油耗增大，造成浪费。
3.而船舶实际运行工况不可能与船舶设计机桨匹配工况完全相同，特别是内河运行船舶，绝大多数运行工况都与设计工况存在偏差，船舶的实际运行航速往往大大低于设计航速，主机的实际单位功率油耗率可达最小油耗率的两倍甚至更高。
4.由主发电机组提供电能电机驱动螺旋桨的船舶推进系统，其使用能源由化学能转为电能，再由电能转为机械能进行了两次能源转换，比由主机通过机械传动驱动螺旋桨的从化学能直接到机械能的一次性能源转换效率要低。因由主发电机组提供电能电机驱动螺旋桨的船舶推进系统转换效率低，且造价高昂，因此在注重成本和效率的货运船舶上运用很少。而由纯电池作为电力源的船舶推进系统，虽然其环保且电能价格比化学能源价格相对低，但其电池能量密度小导致船舶续航能力差，电池成本高昂，目前在船舶上运用尤其是在货运船舶上运用的难度很大。而风电、光伏清洁能源在船舶上可以生产少量电能，因其产生电能数量有限，因此在推进功率大、航程长的船舶上不能作为主能量源。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是针对目前由主发电机组提供电能电机驱动螺旋桨的船舶推进系统转换效率低且造价高昂，由纯电池作为电力源的船舶推进系统，电池能量密度小导致船舶续航能力差等不足，提出一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，通过无级变速装置改变传动比使轴系输出的转速和扭矩与螺旋桨需要的转速和扭矩与形成完全匹配，通过推进发电机和电池组“削峰填谷”，可使主机在最高效率下恒转速恒功率运行，从而降低主机单位功率油耗；通过电池组、风力发电机和光伏太阳能，形成对全系统能源提供的补充，从而进一步降低船舶的燃料消耗。
6.本实用新型的技术方案：一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，包括主机和螺旋桨；其特征在于：所述推进系统由离合器、推进发电机、齿轮箱、无级变速装置、传动轴、公共母排、电池组、风力发电机、光伏太阳能、岸电箱和日用负载组成；所述主机、离合器、推进发电机、齿轮箱、无级变速装置、螺旋桨通过所述传动轴依次传动连接，所述推进发电机通
过推进发电转换器与所述公共母排电力电路连接，所述岸电箱通过岸电转换器与所述公共母排电力电路连接，所述风力发电机通过风电转换器与所述公共母排电力电路连接，所述电池组通过电池转换器与所述公共母排电力电路连接，所述光伏太阳能通过光伏转换器与所述公共母排电力电路连接，所述日用负载通过负载转换器与所述公共母排电力电路连接。
7.所述主机为内燃发动机，离合器为单向离合器。
8.所述推进发电机为双轴伸电机，既可以由主机驱动作为发电机发电，也可以通过公共母排从电池组获取电能作为电动机驱动螺旋桨。
9.所述齿轮箱内设有离合结构和减速传动机构或离合结构和加速传动机构。
10.所述无级变速装置由外壳、双行星传动机构和输出轴传动机构构成，双行星传动机构由输入轴、输入中心轮、输入行星轮、行星轮轴、输出行星轮、输出中心轮、输出轴和行星架构成；输入轴与输入中心轮的中心连接固定，输入中心轮与输入行星轮形成外啮合传动连接，输出中心轮与输出行星轮形成外啮合传动连接，输出轴与输出中心轮连接固定，输入行星轮通过行星轮轴与输出行星轮同轴连接固定；输出轴传动机构由行星架啮合轮、中间传动齿轮一、中间传动齿轮轴一、中间传动齿轮二、中间传动齿轮三、中间传动齿轮轴二、输出轴啮合中心轮、输出轴和行星架构成；行星架啮合轮同轴固定在行星架上，行星架啮合轮与中间传动齿轮一形成外啮合传动连接，中间传动齿轮一通过传动齿轮轴一与中间传动齿轮二同轴连接固定，中间传动齿轮二与中间传动齿轮三形成外啮合传动连接，中间传动齿轮轴二连接固定在中间传动齿轮三的中心，输出轴啮合中心轮与中间传动齿轮三形成外啮合传动连接；双行星传动机构和输出轴传动机构共用行星轮轴、行星架和输出轴；输入轴、输出轴和行星架回转中心同轴设置，行星架的中心固定设有行星架轴承，输出轴穿过行星架轴承后，一端与输出中心轮连接固定，另一端与输出轴啮合中心轮连接固定，行星架的周向上固定设有行星轮轴承，行星轮轴与行星轮轴承的内圈连接固定，输入轴、输出轴、中间传动齿轮轴一、中间传动齿轮轴二与设置在外壳上的轴承形成转动连接，输入行星轮、输出行星轮在自转运动的同时，并与行星架构成整体后绕行星架的中心进行公转。当输出轴传动机构总传动比i
b
大于等于1时，双行星传动机构总传动比i
a
与输出轴传动机构(b)总传动比i
b
的关系是i
a
=1/(1+i
b
)，当输出轴传动机构(b)总传动比i
b
小于1时，双行星传动机构(a)总传动比i
a
与输出轴传动机构(b)总传动比i
b
的关系是i
a
=1/(1+1/i
b
)。
11.本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，整个推进系统由主机、离合器、推进发电机、齿轮箱、无级变速装置、螺旋桨、传动轴、公共母排、岸电箱、电池组、风力发电机、光伏太阳能和日用负载组成，本实用新型同时设置主机和推进发电机，主机和推进发电机相加的总功率满足最高航速功率要求，从而降低主机配置功率，减少了配置成本；在低速航行时由推进发电机纯电力驱动，效率高；通过推进发电机和电池组对主机输出能量“削峰填谷”，通过无级变速装置改变传动比，主机运行除了船舶超加速或倒车都在最高效率下恒转速恒功率运行，从而大大降低主机单位功率油耗；通过设置岸电系统、风力发电机和光伏太阳能作为全系统能源辅助补充，利用清洁能源进一步降低了船舶燃油消耗；电池组代替了发电机组，节省了船舶发电机的配置成本。
附图说明
12.图1 为本实用新型推进系统整体结构示意图。
13.图2 为本实用新型中无级变速装置结构示意图。
14.图中：主机1、单向离合器2、推进发电机3、齿轮箱4、无级变速装置5、螺旋桨6、传动轴7、公共母排8、推进发电转换器9、电池转换器10、电池组11、风电转换器12、风力发电机13、光伏转换器14、光伏太阳能15、岸电转换器16、岸电箱17、负载转换器18、日用负载19、输入轴20、输入中心轮21、输入行星轮22、行星轮轴23、输出行星轮24、输出中心轮25、行星架啮合轮26、中间传动齿轮一27、中间传动齿轮轴一28、中间传动齿轮二29、中间传动齿轮三30、中间传动齿轮轴二31、输出轴啮合中心轮32、输出轴33、行星架轴承34、行星轮轴承35、行星架36、外壳37。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
16.如图1所示，一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，油电混合推进系统由主机1、离合器2、推进发电机3、齿轮箱4、无级变速装置5、螺旋桨6、传动轴7、公共母排8、推进发电转换器9、电池转换器10、电池组11、风电转换器12、风力发电机13、光伏转换器14、光伏太阳能15、岸电转换器16、岸电箱17、负载转换器18和日用负载19组成。主机1、单向离合器2、推进发电机3、齿轮箱4、无级变速装置5、螺旋桨6通过传动轴7从左到右依次连接；推进发电机3、电池组11、风力发电机13、光伏太阳能15、岸电箱17、日用负载19分别通过推进发电转换器9、电池转换器10、风电转换器12、光伏转换器14、岸电转换器16、日用负载转换器18与公共母排8形成电力电路连接。
17.如图2所示，无级变速装置5由外壳37、双行星传动机构a和输出轴传动机构b构成，双行星传动机构a由输入轴20、输入中心轮21、输入行星轮22、行星轮轴23、输出行星轮24、输出中心轮25、输出轴33和行星架36构成；输入轴20与输入中心轮21的中心连接固定，输入中心轮21与输入行星轮22形成外啮合传动连接，输出中心轮25与输出行星轮24形成外啮合传动连接，输出轴33与输出中心轮25连接固定，输入行星轮22通过行星轮轴23与输出行星轮24同轴连接固定；输出轴传动机构b由行星架啮合轮26、中间传动齿轮一27、中间传动齿轮轴一28、中间传动齿轮二29、中间传动齿轮三30、中间传动齿轮轴二31、输出轴啮合中心轮32、输出轴33和行星架36构成；行星架啮合轮26同轴固定在行星架36上，行星架啮合轮26与中间传动齿轮一27形成外啮合传动连接，中间传动齿轮一27通过传动齿轮轴一28与中间传动齿轮二29同轴连接固定，中间传动齿轮二29与中间传动齿轮三30形成外啮合传动连接，中间传动齿轮轴二31连接固定在中间传动齿轮三30的中心，输出轴啮合中心轮32与中间传动齿轮三30形成外啮合传动连接；双行星传动机构a和输出轴传动机构b共用行星轮轴23、行星架36和输出轴33；输入轴20、输出轴33和行星架36回转中心同轴设置，行星架36的中心固定设有行星架轴承34，输出轴33穿过行星架轴承34后，一端与输出中心轮25连接固定，另一端与输出轴啮合中心轮32连接固定，行星架36的周向上固定设有行星轮轴承35，行星轮轴23与行星轮轴承35的内圈连接固定，输入轴20、输出轴33、中间传动齿轮轴一28、中间传动齿轮轴二31与设置在外壳37上的轴承形成转动连接，输入行星轮22、输出行星轮24在自转运动的同时，并与行星架36构成整体后绕行星架36的中心进行公转。双行星传动机
构(a)的总传动比i
a
与输出轴传动机构(b)总传动比i
b
是2，双行星传动机构(a)的总传动比i
a
=1/(1+i
b
)，i
a
是1/3。
18.如图1所示，一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，主机1为内燃发动机；离合器2为单向离合器，作用是在系统纯电力驱动时避免推进发电机3反向拖动主机1；推进发电机3为双轴伸发电机，既可以由主机1驱动作为发电机发电，也可以通过公共母排8从电池组11获取电能作为电动机驱动螺旋桨6；齿轮箱4内设有离合结构和减速传动机构或离合结构和加速传动机构。
19.如图1所示，一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，配置具有电能、信息、控制的载体和通道功能的公共母排8和兼具储电和供电功能的电池组11。
20.如图1所示，一种主机恒转速船舶油电混合推进系统，配置岸电箱17、风力发电机13、光伏太阳能15作为系统辅助/补充电能，在船舶靠港或在锚泊时可由辅助/补充电能为船舶提供电力，这些辅助/补充电能除用于船舶日用负载这外，多余部分存入电池组11由整个系统统一调配使用。
21.如图2所示，无级变速装置5输入轴20当有齿轮箱4传来的功率输入时，输入扭矩通过双行星传动机构a分作两股，第一股经输入轴20、输入中心轮21、输入行星轮22、行星轮轴23、输出行星轮24、输出中心轮25驱动输出轴33旋转，第二股经输入轴20、输入中心轮21、输入行星轮22、行星轮轴23驱动行星架36作与输出轴33方向相反的旋转。行星架36作与输出轴33方向相反的旋转又通过输出轴传动机构b，经行星架啮合轮26、中间传动齿轮一27、中间传动齿轮二29、中间传动齿轮三30、输出轴啮合中心轮32驱动输出轴33旋转，且驱动方向与输出中心轮25驱动方向相同。因输出轴传动机构b强制行星架36、输出轴33按传动比2同时作相反方向的旋转，第一股扭矩和第二股扭矩同时通过输出中心轮25、输出轴啮合中心轮32汇合到输出轴33上形成输出扭矩。此输出扭矩会与螺旋桨6负载扭矩进行比较，若输出轴33输出扭矩小于螺旋桨6负载扭矩，则不能驱动螺旋桨6；若输出轴33输出扭矩大于螺旋桨6负载扭矩，因行星架36反向公转除摩擦力外没有阻力，多余的扭矩会在输入轴20转速不变的情况下驱动螺旋桨6加速，因螺旋桨6负载扭矩随转速增加而增加，螺旋桨6转速增加导致螺旋桨6负载扭矩也增加，与此同时螺旋桨6转速增加即是输出轮33转速增加，输出轮33转速增加根据能量守恒定律，输出轮33输出扭矩会减少。随着螺旋桨6负载扭矩不断增加和输出轮33输出扭矩不断减少，当螺旋桨6负载扭矩和输出轮33输出扭矩相等时，推进系统就达到了稳定运行状态，此时齿轮箱4输出功率等于螺旋桨6输入功率。在达到系统稳定运行状态以后，若齿轮箱4输出即无级变速装置5输入转速不变，输入扭矩增加而使输入功率增加时，与前述原理一样，增加的扭矩在输入轴20输入转速不变的情况下会增加螺旋桨6的转速，最终使螺旋桨6输入功率等于齿轮箱4输出功率，推进系统达到新的稳定状态。在达到稳定运行状态以后，若齿轮箱4输出即无级变速装置5输入转速不变，输入扭矩减少而使输入功率减少，反之亦然。由此可知：无级变速装置5可在输入转速不变，因输入扭矩改变而输入功率变化的情况下，自动改变输出转速自适应螺旋桨6特性曲线，使螺旋桨6输入功率等于齿轮箱4输出功率。
22.如图1所示，主机1可恒转速恒功率运行，并与推进发电机3联合输出不同总功率。当推进发电机3处于发电状态时，主机1恒转速恒功率运行，总输出功率等于主机1输出功率减去推进发电机3发电功率，改变推进发电机3发电功率在主机1输出功率不变的情况就可
以改变总输出功率，与此同时无级变速装置5在输入转速不变的情况下，根据输入功率的大小调整输出转速，自适应螺旋桨6特性曲线，使螺旋桨6输入功率等于齿轮箱4输出功率；当推进发电机3处于电动状态时，主机1恒转速恒功率运行，总输出功率等于主机1输出功率加上推进发电机3电动功率，改变推进发电机3电动功率在主机1输出功率不变的情况就可以改变总输出功率，与此同时无级变速装置5在输入转速不变的情况下，根据输入功率的大小调整输出转速，自适应螺旋桨特性曲线，使螺旋桨6输入功率等于齿轮箱4输出功率。如此，可使主机始终恒转速恒功率工作在最高效率点，从而使单位功率油耗达到最低。
23.如图1所示，本实施方式具有下述八个运行工况：
24.工况一：纯电推进，当螺旋桨6需要功率小于等于推进发电机3额定功率且电池组11电量充足时由推进发电机3进行纯电推驱动船舶。
25.工况二：主机1推进同时推进发电机3发电工况；当螺旋桨6需求功率小于主机1最高效率点功率时，和电池组11剩余电量不足时，主机1投入工作并在最高效率点恒转速恒功率运行，发生功率优先用于驱动螺旋桨6，余下部分驱动推进发电机3发电并储存到在电池组11。
26.工况三：纯主机1推进，当螺旋桨6需求功率等于主机1最高效率点功率或最高效率区域功率时，进入纯主机1驱动工况，主机1输出功率全部用于驱动螺旋桨6。
27.工况四：主机1、推进发电机3联合推进工况，当螺旋桨6需求功率大于主机1最高效率点功率小于等于主机1最高效率点功率与推进发电机3额定功率之和时，主机1与推进发电机3联合驱动螺旋桨6，主机1在最高效率点恒转速恒功率运行，螺旋桨6所需功率与主机1最高效率点功率的差额由推进发电机3提供。
28.工况五：超加速工况，当螺旋桨6需求功率大于主机1最高效率点功率与推进发电机3额定功率之和时，推进发电机3输出全部推进功率，主机1则输出高于最高效率点功率直至主机1额定功率110%，以进一步提高船舶航速。
29.工况六：船舶滑行能量回收工况，当船舶减速惯性滑时，主机1停止工作，由推进发电机3发电回收推进系统旋转惯性能量和螺旋桨6水轮机状态回传的能量。
30.工况七：船舶倒车工况，船舶倒车时，先由推进发电机3进行制动并发电，再经齿轮箱4换向后，由推进发电机3反向驱动螺旋桨6，如需更大的反向驱动功率，则主机1投入工作直至110%额定功率输出。
31.工况八：当船舶靠港或在锚地停泊时，主机1不运行，由岸电箱17、风力发电机13、光伏太阳能15为日用负载19提供电能并为电池组11充电；风力发电机13、光伏太阳能15任何时候产生的电能除用于日用负载19使用外，多余部分存入电池组11由整个系统统一调配使用。
32.综上，船舶配置本实用新型，在低速航行可使用纯电力驱动，效率高；主机1运行除了船舶超加速或倒车工况都以恒转速恒功率在最高效率点运行，在船舶减速惯性滑行时可回收能量，节能效果显著，船舶燃料消耗节省的同时相应做到了船舶减排；取消发电机组，主机配置功率可以减少，降低了船舶初始投入；配置电池组可以使用岸电、风电和光伏提供的电能，进一步节省船舶运营成本。