Procedimiento y dispositivo para hacer funcionar un sistema de propulsión híbrida para barcos.

Procedimiento para hacer funcionar un sistema de propulsión híbrida (1) de un barco,

en especial de un barco de la marina, con al menos un motor eléctrico (2) y al menos un motor de combustión interna (3), en especial una turbina de gas, como unidades de propulsión que, según cada necesidad, por ejemplo la velocidad del barco, accionan individualmente o ensamblados al menos una unidad de empuje (4), por ejemplo una hélice (4b), del barco, en donde las unidades de propulsión están controladas en cuanto a su respectiva entrega de potencia (PE o PG) a la al menos una unidad de empuje (4) mediante una instalación de control (15) en función de un valor nominal prefijable (S), por ejemplo un valor nominal para el número de revoluciones de la hélice o la velocidad del barco, y de un modo de funcionamiento prefijable (B), de tal modo que mediante la suma de estas entregas de potencia (PE o PG) se entrega a la al menos una unidad de empuje (4) un potencia total (PS) en función del valor nominal (S), en donde la distribución de esta entrega de potencia total entre las entregas de potencia (PE o PG) de las diferentes unidades de propulsión (2, 3) se realiza en función del valor nominal (S) y del modo de funcionamiento (B), caracterizado porque la entrega de potencia total y/o la distribución de la entrega de potencia total entre las diferentes unidades de propulsión (2, 3) se controla teniendo en cuenta valores límite para su variación en el tiempo, y/o porque la distribución de la entrega de potencia total se controla adicionalmente en función de una variación en el tiempo del valor nominal (S).

Procedimiento y dispositivo para hacer funcionar un sistema de propulsión híbrida para barcos

La invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un sistema de propulsión híbrida para barcos conforme al preámbulo de la reivindicación 1; un sistema de propulsión híbrida para barcos de este tipo se conoce por ejemplo a través del documento DE 11 11 91 A1. La invención se refiere asimismo a un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento.

Del documento WO2/47974 A1 se conoce un sistema de propulsión híbrida para barcos con una hélice de paso variable como unidad de empuje, y un motor principal de gasoil y un motor eléctrico como unidades de propulsión para la unidad de empuje. El motor eléctrico está conectado permanentemente y es responsable, en unión a la hélice de paso variable, de mantener el motor principal de gasoil en un punto de funcionamiento favorable. Además de esto, en el caso de una velocidad dada del barco sin aceleración el motor eléctrico y la hélice se regulan de tal manera, que se minimiza la necesidad total de carburante para el motor principal de gasoil y una instalación de generador de gasoil para generar energía eléctrica para el motor eléctrico. Ambas unidades de propulsión están de este modo acopladas mecánicamente, de forma constante, a la unidad de empuje y también accionan la misma conjuntamente.

El documento DE 11 11 91 A1 hace patente una instalación de propulsión para barcos con dos hélices dispuestas consecutivamente y en contrasentido como unidades de empuje, y un motor de gasoil y un motor eléctrico como unidades de propulsión, en donde la hélice trasera es accionada por un motor de gasoil y la hélice delantera por un motor eléctrico. Cada una de las unidades de propulsión está acoplada o puede acoplarse mecánicamente de este modo sólo exactamente a una unidad de empuje, para accionar la misma.

Del documento DE 1 63 338 B4 se conoce un sistema de propulsión híbrida para barcos con un motor eléctrico y un motor de combustión Interna como configurado como turbina de gas como unidades de propulsión, que accionan Individualmente o ensambladas la hélice de un barco según el requisito, por ejemplo la velocidad del barco. El motor de combustión Interna acciona aquí a velocidades altas la hélice, y el motor eléctrico a velocidades bajas. Para esto las dos unidades de propulsión pueden acoplarse al menos temporalmente a la hélice.

El documento JP 5246386 A hace patente un sistema de propulsión híbrida para barcos con un motor de combustión interna y un motor eléctrico como unidades de propulsión que, en función de la velocidad del barco o de la potencia de propulsión total derivada de ésta, accionan una hélice individualmente o ensambladas.

El documento DE 434747 C1 hace patente una instalación de propulsión para barcos con dos hélices dispuestas consecutivamente y en contrasentido, en donde la primera hélice es accionada mecánicamente por un motor de combustión interna y la segunda hélice mecánicamente por un motor de accionamiento eléctrico.

El documento JP 24255972 A hace patente un sistema de propulsión híbrida para barcos, en el que un motor eléctrico y una máquina accionan individualmente o ensamblados una hélice.

El documento DE 355815 A1 hace patente una instalación de propulsión para barcos con al menos una máquina de accionamiento principal que trabaja sobre un árbol de hélice y al menos una máquina auxiliar que puede accionarse mediante la o las máquina(s) principal(es).

E documento DE 4432483 A1 hace patente una propulsión suplementaria para un buque de altura, en donde un motor de gasoil como motor principal acciona una hélice a través de una instalación de árboles y un motor diesel reequipable con un generador, para hacer funcionar un motor eléctrico, puede acoplarse a la instalación de árboles para aumentar la potencia de propulsión del motor principal.

El documento EP 1894835 A2 hace patente un barco con al menos un motor eléctrico como motor principal para propulsar el barco, en donde el motor eléctrico acciona una instalación de árboles que está acoplada a una hélice del barco y también puede funcionar como generador, y al menos un motor de combustión interna acoplable a la instalación de árboles como propulsión suplementaria para alcanzar la velocidad máxima del barco.

Los sistemas de propulsión híbrida de este tipo o similares por ejemplo con dos motores eléctricos, una turbina de gas y dos hélices está previsto que se apliquen en el futuro en especial en barcos de la marina, como por ejemplo fragatas y corbetas, así como en superyates. Estos barcos deben hacer posible por un lado, de forma flexible, un funcionamiento optimizado para una situación operacional determinada. Por ejemplo puede requerirse un funcionamiento del barco con las menores emisiones posibles para reducir la posibilidad de que el barco sea detectado, un funcionamiento con máxima capacidad de aceleración en caso de combate o un funcionamiento con el menor consumo de carburante posible.

Por otro lado estos barcos se pretende que funcionen con una tripulación relativamente reducida. Esto es posible casi siempre sin problemas, si la tripulación no recibe influencias externas, como por ejemplo premura de tiempo. Bajo una carga física y/o psíquica, por ejemplo en caso de combate, esto puede conducir a errores y de este modo a ajustes de estados de funcionamiento en el sistema de propulsión híbrida, que no son óptimos para el caso operacional presente en ese momento.

Por ello la tarea de la presente invención consiste en indicar un procedimiento, con el que pueda asegurarse un funcionamiento del sistema de propulsión híbrida óptimo para una situación operacional existente, en especial en el caso de una tripulación tan solo reducida del barco. Aparte de esto la tarea de la presente Invención consiste en indicar un dispositivo especialmente apropiado para llevar a cabo el procedimiento.

La solución de la tarea basada en el procedimiento se consigue conforme a la invención mediante un procedimiento conforme a la reivindicación 1. Un dispositivo especialmente apropiado para llevar a cabo el procedimiento es objeto de la reivindicación 17. Configuraciones ventajosas son en cada caso objeto de las reivindicaciones subordinadas.

El procedimiento conforme a la invención prevé que las unidades de propulsión estén controladas en cuanto a su respectiva entrega de potencia a la al menos una unidad de empuje mediante una instalación de control en función de un valor nominal prefijable, por ejemplo un valor nominal para el número de revoluciones de la hélice o la velocidad del barco, y de un modo de funcionamiento prefijable, de tal modo que mediante la suma de estas entregas de potencia se entregue a la al menos una unidad de empuje un potencia total en función del valor nominal, en donde la distribución de esta entrega de potencia total entre las entregas de potencia de las diferentes unidades de propulsión se realice en función del valor nominal y del modo de funcionamiento.

A través de la distribución de la potencia total entre las unidades de propulsión puede influirse en los puntos de funcionamiento de las diferentes unidades de propulsión y, de este modo, ajustarse un punto de funcionamiento del sistema de propulsión híbrida óptimo para el modo de funcionamiento prefijado. Los puntos de funcionamiento de las propias diferentes unidades de propulsión no es aquí imprescindible que sean óptimos. Es fundamental el punto de funcionamiento del sistema total, es decir de todo el sistema de propulsión híbrida, de forma preferida incluyendo los motores de combustión interna para generar energía eléctrica para el al menos un motor eléctrico.

La al menos una o cada unidad de empuje está acoplada para esto fijamente o al menos es acoplable mecánicamente, durante el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida, de forma preferida en cada caso al menos a un motor eléctrico y al menos a un motor de combustión interna. La al menos una o cada unidad de empuje puede ser propulsada después por sólo una de las unidades de propulsión o, en el caso de un funcionamiento ensamblado, simultáneamente por las al menos dos unidades de propulsión. Después pueden aprovecharse especialmente bien diferentes características de funcionamiento de las unidades de propulsión, como las que existen en especial entre un motor de combustión interna y un motor eléctrico, para ajustar un punto de funcionamiento óptimo de todo el sistema.

De forma preferida el al menos un motor de combustión interna, preferiblemente también el al menos un motor eléctrico, no están acoplados mecánica y fijamente a una unidad de empuje a accionar,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para hacer funcionar un sistema de propulsión híbrida (1) de un barco, en especial de un barco de la marina, con al menos un motor eléctrico (2) y al menos un motor de combustión interna (3), en especial una turbina de gas, como unidades de propulsión que, según cada necesidad, por ejemplo la velocidad del barco, accionan individualmente o ensamblados al menos una unidad de empuje (4), por ejemplo una hélice (4b), del barco, en donde las unidades de propulsión están controladas en cuanto a su respectiva entrega de potencia (Pe o Pg) a la al menos una unidad de empuje (4) mediante una instalación de control (15) en función de un valor nominal prefijable (S), por ejemplo un valor nominal para el número de revoluciones de la hélice o la velocidad del barco, y de un modo de funcionamiento prefijable (B), de tal modo que mediante la suma de estas entregas de potencia (Pe o Pg) se entrega a la al menos una unidad de empuje (4) un potencia total (Ps) en función del valor nominal (S), en donde la distribución de esta entrega de potencia total entre las entregas de potencia (Pe o Pg) de las diferentes unidades de propulsión (2, 3) se realiza en función del valor nominal (S) y del modo de funcionamiento (B), caracterizado porque la entrega de potencia total y/o la distribución de la entrega de potencia total entre las diferentes unidades de propulsión (2, 3) se controla teniendo en cuenta valores límite para su variación en el tiempo, y/o porque la distribución de la entrega de potencia total se controla adicionalmente en función de una variación en el tiempo del valor nominal (S).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque durante el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida (1) la al menos una o cada unidad de empuje (4) está aquí acoplada mecánicamente de forma fija o al menos puede acoplarse, en cada caso al menos a dos unidades de propulsión (2, 3), de forma preferida en cada caso al menos a un motor eléctrico y al menos a un motor de combustión interna.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque durante el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida (1), en función de cada necesidad, el al menos un motor de combustión interna (2), de forma preferida también el al menos un motor eléctrico (3), se acoplan mecánicamente a y se desacoplan de la unidad de empuje (4) a accionar.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, a través del control de la distribución de potencia, también se realiza la conexión o desconexión de las unidades de propulsión (2, 3) a o de la al menos una unidad de empuje (4), de forma preferida incluyendo un acoplamiento o desacoplamiento mecánico de unidades de propulsión (2, 3), en especial del al menos un motor de combustión interna, a o de la al menos una unidad de empuje (4).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el modo de funcionamiento prefijable (B) es un modo de funcionamiento en el que son mínimas las emisiones de gases de escape y/o las emisiones acústicas y/o las emisiones térmicas del sistema de propulsión híbrida (1), de forma preferida incluyendo motores de combustión interna (12) para la generación de la energía eléctrica para el al menos un motor eléctrico

(2).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el modo de funcionamiento prefijable (B) es un modo de funcionamiento en el que es mínimo el consumo de carburante total del sistema de propulsión híbrida (1), de forma preferida incluyendo motores de combustión interna (12) para la generación de la energía eléctrica para el al menos un motor eléctrico (2).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la entrega de potencia total y la distribución de la entrega de potencia total entre las unidades de propulsión (2, 3) pueden controlarse, con base en datos característicos y/o curvas características (21, 23) del ensamblaje entre las unidades de propulsión (2, 3).

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque están archivados en la instalación de control (15) para diferentes modos de funcionamiento en cada caso diferentes datos característicos y/o curvas características (21, 23), en donde los datos característicos y/o las curvas características (21, 23) relevantes para el control de la distribución de potencia en el caso de un modo de funcionamiento prefijable se seleccionan en función del modo de funcionamiento prefijable (B).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el valor nominal (S) se prefija mediante una palanca de maniobra (41) manejable manualmente o mediante un sistema de piloto automático.

1. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la conexión o la desconexión de una entrega de potencia de una unidad de propulsión (2, 3) se realiza a o desde una unidad de empuje (4) sin impulsos momentáneos.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada una de las unidades de propulsión (2, 3) puede entregar una potencia máxima, que es menor que la potencia máxima total necesaria para el empuje del barco.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un motor eléctrico (2) puede entregar un par motor continuamente por debajo de su curva característica límite (2), en un margen de número de revoluciones desde cero a un número de revoluciones máximo (nmax) de la(s) unldad(es) de empuje (4).

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante el control de las entregas de potencia (Pe, Pg) de las unidades de propulsión (2, 3) se suprimen las slnusoldades causadas por oscilaciones de par motor de las unidades de empuje (4) en los valores reales (I) correspondientes al valor nominal (S), por ejemplo en valores reales detectados por sensores del número de revoluciones para el número de revoluciones de un árbol de hélice.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un motor eléctrico (2) se utiliza como propulsión principal para propulsar el barco, para un margen de velocidades Inferior del barco, y el al menos un motor de combustión interna (3), solo o ensamblado con el al menos uno motor eléctrico (2), como propulsión principal para un margen de velocidades superior del barco hasta la velocidad máxima.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un motor eléctrico

(2) , en el margen de velocidades inferior, y el al menos un motor de combustión Interna (3), en el margen de velocidades superior, asumen la dirección del número de revoluciones de la(s) unidad(es) de empuje (4), en donde en funcionamiento ensamblado del al menos un motor eléctrico (2) con el al menos un motor de combustión interna

(3) el motor de combustión interna (3) asume el control del número de revoluciones de la(s) unidad(es) de empuje

(4) y el motor eléctrico (2) es dirigido en su número de revoluciones por la unidad de empuje (4), respectivamente por el motor de combustión interna (3) y, determinado por la prefijación de valores nominales, entrega un par motor a la(s) unldad(es) de empuje, de tal modo que los pares motor entregados en cada caso por el motor de combustión interna (3) y el motor eléctrico (2) se suman en la(s) unldad(es) de empuje (4).

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza en un sistema de propulsión híbrida (1) que presenta exactamente dos motores eléctricos (2) y exactamente una turbina de gas (3) como unidades de propulsión, y exactamente dos árboles de hélice (4a) en cada caso con una hélice (4b) como unidades de empuje (4), en donde los árboles de hélice (4a) son dirigidos por un engranaje (6), a través del cual pueden acoplarse los árboles de hélice (4a) a la turbina de gas (3) y en donde cada uno de los árboles de hélice (4a), en su extremo alejado de la hélice (4b), puede acoplarse sin un engranaje conectado de forma intermedia, en cada caso a uno de los motores eléctricos (2).

17. Dispositivo (5) para llevar a cabo el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores en un sistema de propulsión híbrida (1) de un barco, en especial de un barco de la marina, con al menos un motor eléctrico (2) y al menos un motor de combustión Interna (3), en especial una turbina de gas, como unidades de propulsión que, según cada necesidad, por ejemplo la velocidad del barco, accionan Individualmente o ensamblados al menos una unidad de empuje (4), por ejemplo una hélice (4b), del barco, en donde el dispositivo (5) comprende un transmisor de valor nominal (41) para prefijar un valor nominal (S), por ejemplo un valor nominal para el número de revoluciones de una hélice (4b) o para la velocidad del barco, un transmisor de modo de funcionamiento (44) para prefijar un modo de funcionamiento (B) y una Instalación de control (15), que esta diseñada para controlar las unidades de propulsión (2, 3) en cuanto a su respectiva entrega de potencia (PE o Pg) a la al menos una unidad de empuje (4), de tal modo que mediante la suma de estas entregas de potencia (PE o Pg) puede entregarse a la al menos una unidad de empuje (4) un potencia total (Ps) en función del valor nominal (S), y con ello la distribución de esta entrega de potencia total entre las entregas de potencia (PE o PG) de las diferentes unidades de propulsión (2, 3) se realiza en función del valor nominal (S) y del modo de funcionamiento (B), caracterizado porque la Instalación de control (15) comprende medios limitadores (51) para limitar variaciones en el tiempo de la entrega de potencia total y/o la distribución de la entrega de potencia total entre las diferentes unidades de propulsión (2, 3), y/o porque la instalación de control (15) controla la distribución de la entrega de potencia total entre las diferentes unidades de propulsión (2, 3), adicionalmente en función de la variación en el tiempo del valor nominal (S).

18. Dispositivo (5) según la reivindicación 17, caracterizado porque durante el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida (1) la al menos una o cada unidad de empuje (4) está acoplada mecánicamente de forma fija o al menos puede acoplarse, en cada caso al menos a dos unidades de propulsión (2, 3), de forma preferida en cada caso al menos a un motor eléctrico y al menos a un motor de combustión interna.

19. Dispositivo (5) según la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque durante el funcionamiento del sistema de propulsión híbrida (1), en función de cada necesidad, el al menos un motor de combustión interna (2), de forma preferida también el al menos un motor eléctrico (3), puede(n) acoplarse mecánicamente a y desacoplarse de la unidad de empuje (4) a accionar.

2. Dispositivo según una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque la instalación de control (15) está diseñada para, a través del control de la distribución de potencia, controlar también la conexión o desconexión de las unidades de propulsión (2, 3) a o de la al menos una unidad de empuje (4), de forma preferida Incluyendo un acoplamiento o desacoplamlento mecánico de unidades de propulsión (2, 3), en especial del al menos un motor de combustión interna, a o de la al menos una unidad de empuje (4).

21. Dispositivo (5) según una de las reivindicaciones 17 a 2, caracterizado porque el transmisor de valor nominal es una palanca de maniobra (41) manejable manualmente o un sistema de piloto automático.

22. Dispositivo (5) según una de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado por los controles de accionamiento (32) asociados a las diferentes unidades de propulsión (2, 3) para controlar su respectiva entrega de potencia (PE o PG), en donde la instalación de control (15) controla la entrega de potencia (Pe o Pg) de las unidades de accionamiento (2, 3) mediante la prefijación de valores nominales de número de revoluciones o valores nominales de par motor en los controles de accionamiento (32).

23. Dispositivo (5) según una de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque se han archivado en la instalación de control (15) datos característicos y/o curvas características (21, 23) del ensamblaje de las unidades de propulsión (2, 3) para el control de la entrega de potencia total y/o de la distribución de la entrega de potencia total entre las entregas de potencia (Pe, Pg) de las diferentes unidades de propulsión (2, 3).

24. Dispositivo (5) según una de las reivindicaciones 17 a 23, caracterizado porque para el control de la entrega de potencia (PE o PG) de las unidades de propulsión (2, 3) comprende sensores (52) para detectar al menos un valor real (I) correspondiente al al menos un valor nominal (S), por ejemplo un valor real para el número de revoluciones de un árbol de hélice, y medios de filtrado (53) para suprimir sinusoldades en los valores reales (I) causadas por oscilaciones de par motor de las unidades de empuje (4).

25. Dispositivo (5) según una de las reivindicaciones 17 a 24, caracterizado porque la instalación de control (15) está disponible de forma redundante, en especial al menos una vez sobre el puente y una vez en un panel de control de emergencia, por ejemplo a popa del barco.