Sistema de propulsión de buque con dispositivos de refrigeración para el estator y el rotor de su motor sincrónico.

Sistema de propulsión de buque con un motor sincrónico (6) que comprende:

a) un rotor (7) con un devanado del rotor a refrigerar a baja temperatura, particularmente multipolar ysuperconductor, que se encuentra acoplado de manera térmica directa o indirectamente a un dispositivo derefrigeración del 5 rotor, así como

b) un estator que rodea el rotor (7) conformando una lámina de entrehierro (16), que presenta

* un devanado del estator (11) a refrigerar, que presenta una conductividad normal,

* una estructura de soporte (14) que aloja, al menos, parcialmente el devanado del estator (11), que presenta uncuerpo exterior (13) esencialmente con forma de cilindro hueco, conformado por material magnético blando,

* una carcasa exterior (15) con una pieza de carcasa (15a) con forma de cilindro hueco, que encierra directamente elcuerpo exterior (13), y

un dispositivo de refrigeración del estator para la evacuación del calor (W) generado por el devanado del estator (11)hacia el agua como un medio refrigerante (K), en donde se realiza un enfriamiento de la pieza de carcasa (15a), almenos, en las zonas parciales mediante un intercambio térmico con el medio refrigerante (K) en o sobre la pieza decarcasa (15a),

caracterizado porque,

- se realiza un acoplamiento térmico del devanado del estator (11) con el medio refrigerante (K) a través de laestructura de soporte (14) y de la pieza de carcasa (15a),

- la estructura de soporte (14) comprende dientes de soporte (21i) con forma de resaltes, que se extienden demanera axial y radial en el lado interior del cuerpo exterior (13) con forma de cilindro hueco, entre los cuales seencuentran dispuestas, al menos, partes del devanado del estator (11),

- la evacuación del calor generado por el devanado del estator (11) se realiza prácticamente de manera completamediante la conducción térmica en los dientes de soporte (21i),

- los dientes de soporte (21i) están conformados por un material que presenta una conductividad térmica mayor a 60W/(K·m).

Sistema de propulsión de buque con dispositivos de refrigeración para el estator y el rotor de su motor sincrónico La presente invención hace referencia a un sistema de propulsión de buque con un motor sincrónico, que comprende:

a) un rotor con un devanado de rotor a refrigerar a baja temperatura, particularmente multipolar y superconductor, que se encuentra acoplado de manera térmica directa o indirectamente a un dispositivo de refrigeración del rotor, así como b) un estator que rodea el rotor, que presenta:

• un devanado del estator a refrigerar, que presenta una conductividad normal,

• una estructura de soporte que aloja, al menos, parcialmente el devanado del estator, que presenta un cuerpo exterior esencialmente con forma de cilindro hueco, conformado por material magnético blando,

• una carcasa exterior con una pieza de carcasa con forma de cilindro hueco, que encierra el cuerpo exterior, y

• un dispositivo de refrigeración del estator para la evacuación del calor generado por el devanado del estator hacia el agua como un medio refrigerante,

en donde se realiza un enfriamiento de la pieza de carcasa, al menos, en zonas parciales mediante un intercambio térmico con el medio refrigerante en o sobre la pieza de carcasa.

Un sistema de propulsión de buque correspondiente con un motor sincrónico se conoce de la patente WO 03/019759 A2.

El motor sincrónico del sistema de propulsión de buque conocido, comprende un rotor con un devanado del rotor multipolar, conformado por conductores compuestos de un material superconductor de alta temperatura crítica. Además, el devanado se encuentra en un criostato aislado mediante vacío, que aloja un medio refrigerante criogénico, en donde se debe mantener a una temperatura de funcionamiento de entre 15K y 77K. El devanado del estator de un motor sincrónico puede estar conformado de acuerdo con la patente US20010035692A1, como el así denominado devanado con lámina de entrehierro entre los dientes de soporte no magnéticos. Para garantizar una refrigeración efectiva de las partes del devanado, de acuerdo con la patente EP1251624A2, se pueden proporcionar conductos de refrigeración que se extienden de manera radial, axial y/o en el sentido circunferencial, en los cuales circula agua refrigerante como medio refrigerante. Para una refrigeración efectiva suficiente del devanado del estator del motor conocido, se requiere de una extensión comparativamente extensa de los dientes de soporte en el sentido radial, para el alojamiento de dichos conductos o bien, para la disposición de una sección transversal para el medio refrigerante que sea lo suficientemente extensa.

Sin embargo, en el caso de algunas clases de motores dicha extensión radial se encuentra limitada. En el caso de las clases de motores correspondientes con diámetros exteriores comparativamente reducidos, de ningún modo se puede realizar una evacuación efectiva del calor generado por el devanado del estator, hacia un medio refrigerante líquido mediante un dispositivo de refrigeración del estator de esta clase. Las clases de motores correspondientes se reivindican particularmente para propulsores de hélice y a chorro, en equipos flotantes, como por ejemplo, embarcaciones.

En la patente US6485339 se revela un motor de accionamiento para un sistema de propulsión de buque, que presenta un dispositivo de refrigeración para el motor de accionamiento. Se describen cuerpos refrigerantes que conducen el calor generado hacia el agua circundante. Además, la carcasa del motor se fabrica particularmente con un material conductor térmico. En este caso, la refrigeración del devanado del estator se realiza mediante la evacuación del calor a través de cabezas de devanado hacia la pieza de carcasa que rodea.

Las propiedades óptimas para el mar de un buque de superficie marino, se caracterizan por una velocidad elevada y una maniobrabilidad óptima. Se requiere una velocidad de crucero permanente elevada para lograr una movilidad considerable en espacios marítimos extensos. Las velocidades máximas elevadas y la movilidad se recomiendan, en algunos casos, sólo por un periodo de tiempo reducido. La velocidad de crucero permanente se encuentra en el rango de los 20 nudos, y la velocidad máxima asciende a 30 nudos.

Una propiedad importante consiste en la permanencia en el mar que depende tanto de la reserva de combustible, así como del agua y de los víveres, así como de la fiabilidad operacional de las instalaciones, y de la capacidad

operativa de la tripulación. Actualmente, la velocidad permanente elevada ante un oleaje determinado, combinada con comportamientos óptimos en el mar, se ha convertido en un requerimiento importante para atravesar espacios marítimos extensos. Las embarcaciones se deben poder utilizar en todo el mundo.

Los sistemas y componentes de las redes de navegación y de a bordo, deben presentar una disponibilidad funcional elevada con el fin de mejorar las propiedades en el mar. Se debe realizar de manera que, en el caso de un daño provocado siempre por esta clase de circunstancias, se detecte el daño de los componentes y de su conexión en red mediante sistemas de sensores correspondientes, y se separen los sistemas dañados de la red de navegación y de a bordo, de manera que la red intacta pueda continuar operando en lo posible sin interrupción alguna.

A continuación, se explican algunos puntos de vista a considerar para el diseño del propulsor de un buque:

I. Sistema de propulsión de hélice En la actualidad, los buques de superficie se accionan generalmente con hélices de tornillo. En el interior del buque se encuentran dispuestos motores diesel o turbinas de gas que transmiten su energía mecánica a la hélice a través de las instalaciones de ejes/engranajes. Para los propulsores marinos se establecen exigencias particularmente estrictas a partir de las experiencias en el funcionamiento de hasta el momento, que consisten en:

• una disposición para el arranque rápido,

• potencias máximas elevadas por un tiempo reducido en el caso de sobrecarga,

• peso reducido,

• opciones de mantenimiento óptimas, así como accesos para el montaje y desmontaje,

• consumo reducido de combustible,

• fiabilidad operacional elevada.

De esta manera, se ha comprobado que el motor diesel es un propulsor ideal para buques marinos de tamaño reducido, debido a su disposición relativamente rápida para el funcionamiento, a su modo constructivo y funcional que economiza espacio y personal, y debido al consumo de combustible específico y reducido.

II. Sistema de propulsión a chorro de agua Los sistemas de accionamiento correspondientes se proporcionan particularmente para buques marítimos rápidos. Dichos sistemas comprenden una propulsión mediante, al menos, un chorro de agua, el denominado “Waterjet”, que se genera en un grupo de bomba con toberas de salida. Además, se puede proporcionar una rueda de álabes en el extremo de un eje de la bomba, que se encuentra conectado con un motor, como por ejemplo, un motor eléctrico que presenta, por ejemplo, superconductores de alta temperatura crítica, o con un motor diesel o una turbina de gas (comp. por ejemplo, también con la patente WO 03/101820 A1) .

III. Buque completamente eléctrico (VES)

La red eléctrica de a bordo de los buques actuales, está conformada por los siguientes componentes y sistemas:

• sistema de producción de energía eléctrica,

• sistema de distribución de energía eléctrica, y

• dispositivo consumidor de energía eléctrica.

Desde hace algunos años se investiga la viabilidad de los buques marinos de superficie completamente eléctricos. El buque completamente eléctrico (VES) comprende la utilización de generadores de energía eléctrica económicos, para el sistema de propulsión del buque mediante motores eléctricos (red de navegación) y para la alimentación de la red de a bordo.

Desde hace algunos años se encuentran funcionando pequeños prototipos, y otros se encuentran actualmente en construcción. Las redes eléctricas de navegación y de a bordo se realizan generalmente con baja tensión.

Como sistema generador de energía eléctrica se consideran las siguientes futuras tecnologías:

• tecnología de pilas de combustible

• segmentos de generador con turbina de gas

• segmentos de generador con motor diesel

La potencia necesaria de los grupos generadores de energía eléctrica, en los buques futuros se encuentra en el rango de 20 - 50 MW según las exigencias de la red de a bordo y de la velocidad... [Seguir leyendo]

1. Sistema de propulsión de buque con un motor sincrónico (6) que comprende:

a) un rotor (7) con un devanado del rotor a refrigerar a baja temperatura, particularmente multipolar y superconductor, que se encuentra acoplado de manera térmica directa o indirectamente a un dispositivo de refrigeración del rotor, así como b) un estator que rodea el rotor (7) conformando una lámina de entrehierro (16) , que presenta

• un devanado del estator (11) a refrigerar, que presenta una conductividad normal,

• una estructura de soporte (14) que aloja, al menos, parcialmente el devanado del estator (11) , que presenta un cuerpo exterior (13) esencialmente con forma de cilindro hueco, conformado por material magnético blando,

• una carcasa exterior (15) con una pieza de carcasa (15a) con forma de cilindro hueco, que encierra directamente el cuerpo exterior (13) , y

un dispositivo de refrigeración del estator para la evacuación del calor (W) generado por el devanado del estator (11) hacia el agua como un medio refrigerante (K) , en donde se realiza un enfriamiento de la pieza de carcasa (15a) , al menos, en las zonas parciales mediante un intercambio térmico con el medio refrigerante (K) en o sobre la pieza de carcasa (15a) ,

caracterizado porque,

- se realiza un acoplamiento térmico del devanado del estator (11) con el medio refrigerante (K) a través de la estructura de soporte (14) y de la pieza de carcasa (15a) ,

- la estructura de soporte (14) comprende dientes de soporte (21i) con forma de resaltes, que se extienden de manera axial y radial en el lado interior del cuerpo exterior (13) con forma de cilindro hueco, entre los cuales se encuentran dispuestas, al menos, partes del devanado del estator (11) ,

- la evacuación del calor generado por el devanado del estator (11) se realiza prácticamente de manera completa mediante la conducción térmica en los dientes de soporte (21i) ,

- los dientes de soporte (21i) están conformados por un material que presenta una conductividad térmica mayor a 60 W/ (K·m) .

2. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por una refrigeración de la pieza de carcasa (15a) desde su lado exterior.

3. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se prevé una refrigeración mediante un baño de refrigeración.

4. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por una circulación forzada del medio refrigerante (K) agua, o de otro medio refrigerante acoplado de manera térmica con el medio refrigerante agua.

5. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la circulación se prevé en conductos de refrigeración.

6. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque a la pieza de carcasa (15a) se conecta otro medio refrigerante que se encuentra en un sistema de refrigeración propio.

7. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque para el medio refrigerante agua se proporciona un circuito de refrigeración adicional.

8. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio refrigerante agua consiste en agua que lleva consigo el buque o agua extraída del mar.

9. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una temperatura inicial del medio refrigerante agua de entre 275K y 310K, preferentemente de entre 275K y 295K.

10. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una refrigeración del devanado del estator (11) mediante el dispositivo de refrigeración del estator, a una temperatura de funcionamiento de entre 275K y 525K, preferentemente de entre 275K y 455K.

11. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque 5 el devanado del rotor se fabrica con superconductores de alta temperatura crítica.

12. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por una refrigeración del devanado del rotor mediante el dispositivo de refrigeración del rotor, a una temperatura de funcionamiento de entre 4K y 120K, preferentemente de entre 25k y 77K, particularmente entre 25K y 35K.

13. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque

el dispositivo de refrigeración del rotor se acopla de manera térmica al medio refrigerante agua del dispositivo de refrigeración del estator.

14. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por

• un primer circuito de refrigeración del dispositivo de refrigeración del estator,

• un segundo circuito de refrigeración del dispositivo de refrigeración del rotor, y

• un tercer circuito de refrigeración con el medio refrigerante agua, que se encuentra acoplado de manera térmica directa o indirectamente con el primer y el segundo circuito de refrigeración.

15. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el estator presenta una extensión axial de la parte activa de su devanado del estator (11) , que asciende, al menos, al doble de su diámetro exterior, preferentemente, al menos, al cuádruple, particularmente, al menos, al séxtuple de dicho diámetro.

16. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los dientes de soporte (21i) están conformados, al menos, parcialmente por una aleación de metales, o una cerámica o un material compuesto.

17. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque

la pieza de carcasa (15a) está conformada, al menos, parcialmente por un material con una conductividad térmica A mayor a la conductividad térmica del hierro.

18. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la pieza de carcasa (15a) está conformada por un material que presenta una conductividad térmica A mayor a 60 W/ (K·m) .

19. Sistema de propulsión de buque de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque como material se proporciona una aleación de metales, o una cerámica o un material compuesto.