SISTEMA DE PROPULSIÓN Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA BUQUES.

Sistema de propulsión y generación de energía eléctrica para buques,

que comprende una máquina eléctrica (5) instalada en el eje (4) propulsor del buque, que actúa como motor o generador eléctrico, en función de las necesidades de propulsión o generación del buque, mediante un sistema de control central y de una unidad de accionamiento y conversión de potencia.

Sistema de propulsión y generación de energía eléctrica para buques. Campo de la invención

La presente invención se refiere a un novedoso sistema compacto de propulsión y generación para buques. La invención presenta una máquina eléctrica de diseño compacto, ligero y sumergible, la cual intercalada en la línea propulsora del buque, mejora la eficiencia energética de la instalación. La máquina eléctrica utilizada como motor auxiliar, mejora la respuesta del motor diésel o le sustituye cuando la demanda de potencia propulsora es baja, asimismo puede emplearse como generador acoplado a la planta eléctrica del buque.

La invención se encuadra en el sector técnico de los sistemas propulsores y de generación eléctrica en buques. Estado de la técnica La gran mayoría de los buques actualmente en servicio, están propulsados por un motor diésel el cual acciona una hélice a través de un eje que atraviesa el casco en la zona de popa. La unión entre el motor diésel y el eje puede realizarse directamente o bien mediante un reductor de velocidad para adecuar la velocidad de giro del motor a la velocidad de giro requerida por la hélice.

Los buques disponen de su propia planta de generación eléctrica, la cual consta normalmente de una serie de generadores accionados por motores diésel

o turbinas independientes del sistema propulsor. Otra configuración de planta eléctrica dispone de uno o varios generadores accionados a través de tomas de fuerza instaladas en el reductor de velocidad o en el propio eje de cola. De esta forma se aprovecha parte de la potencia de la planta propulsora para generar la potencia eléctrica necesaria para los consumidores del buque. En este caso, dicha toma de fuerza debe disponer de una adecuada relación de transmisión para adecuar las velocidades de giro de accionamiento y generador.

Es posible instalar un motor eléctrico de reducida potencia como sistema auxiliar de propulsión para ser utilizado en aquellos casos en los que la potencia requerida para la propulsión sea reducida, como puede ser durante las maniobras a baja velocidad. Otra aplicación sería como dispositivo de propulsión de emergencia o “vuelta a casa” en caso de fallo del accionamiento principal.

Recientemente se han desarrollado múltiples sistemas de control de frecuencia para propulsión y generación. Estos sistemas transforman y modulan la corriente eléctrica de la red del buque para adecuarla a la máquina que se pretende accionar variando su tensión y frecuencia. Al mismo tiempo, estos sistemas permiten modificar las características de tensión y frecuencia de la corriente producida por un generador para acoplarlo a una red de tensión y frecuencia diferentes. Esta tecnología permite la utilización de una máquina eléctrica rotativa como motor o generador, dependiendo de las necesidades del buque.

En el documento US 2005/0106953A1 se propone un sistema de generador intercalado en el eje propulsor de un buque, siendo el generador mostrado del tipo convencional.

-La patente US 2007/0184728 Al, presenta un sistema de generador de imanes permanentes integrado en el eje del motor, aplicable a embarcaciones de recreo. Este sistema consta de un generador de imanes permanentes instalado entre la salida del eje del cigüeñal del motor y la reductora, el cual funciona únicamente como generador para pequeñas potencias. Este sistema no es adecuado para su instalación en buques existentes.

La demanda de potencia propulsora en buques varia mucho según el tipo de buque y su perfil operativo.

Existe una configuración de planta propulsora muy habitual en la cual un motor diésel acciona una hélice de paso fijo a través de un eje propulsor. El rendimiento del motor diésel en ese tipo de instalaciones depende mucho del perfil de operación del buque. En la operación a baja carga o con fluctuaciones de velocidad, el rendimiento es muy bajo pues estos motores se optimizan para funcionamiento en cargas elevadas (80-90%) y en regímenes de velocidad con pocas fluctuaciones.

-Existe un gran número de buques que operan de esta forma con motores de gran potencia, esto conlleva un bajo rendimiento del sistema propulsor y por lo tanto un elevado desgaste y consumo de combustible. La respuesta del sistema propulsor es asimismo muy lenta, pues las maniobras de inversión de marcha requieren mucho tiempo para vencer las inercias del tren propulsor (motor, acoplamientos, engranajes, eje propulsor, hélice y agua arrastrada por la hélice) y realizar la inversión del giro del sistema.

Gran parte de la flota actual propulsada por una hélice de paso fijo accionada por motor diésel, no tiene la posibilidad de instalar un generador de cola para alimentar su planta eléctrica, esto es debido a que dicha solución no se contempló en el proyecto del buque y la implementación de la misma en un buque existente resultaría técnicamente muy complicada y económicamente poco rentable dado que exigirla realizar importantes cambios en el tren propulsor para incorporar por ejemplo una toma de fuerza en la reductora, o una multiplicador en el eje de cola. Estas mismas dificultades nos las encontramos cuando en lugar de un generador de cola nos referimos a un motor eléctrico de propulsión auxiliar.

La utilización de tomas de fuerza en los reductores o multiplicadores, implica la introducción de elementos intermedios de transmisión de potencia, tales como pueden ser engranajes, los cuales tienen unas pérdidas mecánicas que disminuyen la eficiencia de la transmisión.

-Otro problema técnico actual en lo que respecta a la seguridad, es la posible avería del motor principal, lo que dejaría al buque sin propulsión.

Por otra parte, si se produce una vía de agua en cámara de máquinas, dejaría probablemente inutilizada una parte de los sistemas auxiliares de una propulsión convencional, afectando sobretodo a los sistemas eléctricos, quedando estos dañados permanentemente impidiendo la utilización del motor propulsor, incluso después de que se haya contenido la inundación. Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto un sistema de propulsión y generación de energía eléctrica para buques, constituido de modo que elimine los problemas antes señalados, siendo dicho sistema adecuado para ser instalado tanto en buques nuevos como en buques ya existentes.

El sistema de la invención puede ser instalado tanto en buques nuevos como en buques existentes, y permite su utilización como generador en las condiciones de navegación normal o ruta, como motor de propulsión auxiliar mejorando la eficiencia energética y respuesta del motor diésel y como motor de emergencia en caso de fallo del motor principal. El sistema puede operar incluso en condiciones adversas tales como una inundación de la cámara de máquinas.

El sistema de propulsión y generación de la invención es del tipo que incluyen una máquina eléctrica rotativa instalada en el eje propulsor del buque, intercalada en dicho eje, a continuación de la reductora.

En el sistema de la invención la máquina eléctrica rotativa actúa como motor o generador eléctrico, en función de las necesidades de propulsión o generación del buque, mediante un sistema de control central y una unidad de accionamiento y conversión de potencia.

El sistema de control central decide, a partir de señales recibidas de una serie de sensores instalados en componentes del sistema propulsor y generador de energía propios del buque, el funcionamiento de la máquina eléctrica como motor o generador de energía. El sistema de control central puede decidir el funcionamiento de la máquina eléctrica como motor o generador, por ejemplo en función de las señales recibidas de un sensor de par y revoluciones por minuto instalado en el eje de cola, de un sensor del ángulo de giro del timón, de un muro de carga de motor principal, de sensores de carga e generadores auxiliares, etc.

En cuanto a la unidad de accionamiento y conversión de potencia está intercalada entre el cuadro eléctrico principal del buque y la máquina eléctrica rotativa. Cuando dicha máquina eléctrica rotativa actúa como motor, rectifica y modula la corriente eléctrica de la planta eléctrica del buque a la tensión y frecuencias necesarias para que el sistema gire a la velocidad deseada. La misma unidad de accionamiento y conversión de potencia, cuando la máquina eléctrica rotativa actúa como generador, convierte la corriente de salida de dicha máquina eléctrica, que estará a una tensión y frecuencia variables en función de la velocidad de giro del propulsor, en una tensión y frecuencia fijas para su volcado en la red eléctrica del buque.

Preferentemente la máquina...

1. Sistema de propulsión y generación de energía eléctrica para buques, mediante la instalación de una máquina eléctrica rotativa (5) en el eje (4) propulsor del buque, intercalada en dicho eje, a continuación de la reductora (3) , caracterizado porque la máquina eléctrica (5) citada actúa como motor o generador eléctrico, en función de las necesidades de propulsión o generación del buque, mediante un sistema de control central (22) y de una unidad de accionamiento y conversión de potencia (28) ; cuyo sistema de control central (22) decide, a partir de la señales recibidas de una serie de sensores instalados en componentes del sistema propulsor y generador de energía propios del buque, el funcionamiento de la máquina eléctrica como motor o generador de energía; y cuya unidad de accionamiento y conversión de potencia (28) esta intercalada entre el cuadro eléctrico principal (30) del buque y la máquina eléctrica (1) , y cuando dicha máquina eléctrica actúa como motor rectifica y manda la corriente eléctrica a la planta eléctrica del buque, a la tensión y frecuencias necesarias para que el sistema gire a la velocidad deseada, mientras que cuando la máquina eléctrica actúa como generador, convierte la corriente de salida de dicha máquina eléctrica, que está a una tensión y frecuencia variables en función de la velocidad de giro del tren propulsor, en una tensión y frecuencia fijas para su volcado en la red eléctrica del buque.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque la máquina eléctrica rotatoria (1) es de imanes (20) permanentes, los cuales van montados en el rotor, mientras que los bobinados (17) van montados en el estator, estando dicho rotor soportado por el eje (4) del buque, solidarizado al mismo, mientras que el estator queda soportado por la estructura del buque.

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque tanto el estator como el rotor disponen de un encapsulado (18-31) de material impermeable, encargado de proporcionar el aislamiento de estos componentes al agua y humedad.

4. Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque el rotor comprende un cuerpo cilíndrico ferromagnético (19) sobre el que van fijados los imanes (20) , cuyo cuerpo esta soportado por una llanta cilíndrica coaxial que va relacionada con un acoplamiento interno (14) sobre el eje a través de brazos radiales (13) .

5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el acoplamiento interno (4) del rotor sobre el eje es de tipo hidráulico, con camisa cónica (21) y transmisión de par por interferencia.