ABB Dynafin — это первая в отрасли концепция электродвижения, которая открывает новые горизонты для эффективности судов.
Технология, основанная на циклоидальном гребном винте, предлагает проектировщикам судов беспрецедентные возможности для инноваций и вносит вклад в достижение цели судоходной отрасли по сокращению выбросов парниковых газов.
Решение ABB Dynafin включает циклоидальный гребной винт с индивидуально управляемыми вертикальными лопастями. Его основные элементы состоят из главного электродвигателя, который приводит в действие большое колесо, вращающееся со средней скоростью 30–80 оборотов в минуту. Оно оснащено несколькими вертикальными лопастями, каждая из которых регулируется отдельным двигателем и системой управления. Лопасти колеблются, имитируя высокоэффективное движение хвоста кита.
Конфигурация ABB Dynafin имеет небольшую высоту, что позволяет проектировщикам оптимизировать компоновку судна. Концепция обеспечивает беспрецедентную эффективность пропульсии до 85 процентов на открытой воде.
По сравнению с обычным винтом Dynafin обеспечивает повышение эффективности до 22 процентов.
Благодаря умеренной рабочей скорости, режиму действия и низким импульсам давления ABB Dynafin генерирует низкие вибрации и шум, повышая комфорт и сводя к минимуму воздействие подводного излучаемого шума (URN).
Силы пропульсии и рулевого управления генерируются одновременно, предлагая немедленное и бесступенчатое/безредукторное изменение тяги и ее направления.
Первоначально концепция ABB Dynafin будет доступна в диапазоне мощности 1-4 МВт на единицу и нацелена на средние и малые суда, включая паромы для пассажиров и транспортных средств, оффшорные вспомогательные суда и яхты.
Революция гребного винта
Судовые движители мало изменились с момента изобретения гребного винта. Новая концепция движителя циклоидального типа ABB Dynafin, вдохновлена движением хвоста кита.
Dynafin предвещает огромный рост эффективности и перспективу значительного сокращения выбросов в морской отрасли.
Международная морская организация приняла резолюции о существенном сокращении выбросов парниковых газов (ПГ) в ближайшие десятилетия. Достичь этой цели будет сложно без значительных технологических достижений в области топливных и движительных технологий и более широкого внедрения альтернативных источников энергии, таких как батареи и топливные элементы.
Последняя инновация ABB, которая решает эту быстро меняющуюся картину соответствия экологическим нормам, — это ABB Dynafin — движитель циклоидального типа, который отвечает насущной потребности в более высокой эффективности и сокращении выбросов.
Как работает ABB Dynafin
Концепция ABB Dynafin по сути представляет собой циклоидальный пропеллер с индивидуально управляемыми лопастями. Принцип работы позволяет устройству использовать трохоидальную траекторию лопасти (Трохоидой называется кривая, образованная точкой на радиусе окружности, когда окружность катится по фиксированной прямой линии).
Трохоидальные пропеллеры изучались и раньше, но до сих пор технологические ограничения не позволяли им быть коммерциализированными и представленными на рынке.
ABB Dynafin создает тягу с помощью профилированных лопастей, которые выступают из днища судна.
Каждая лопасть может вращаться как вокруг глобальной оси главного колеса, так и вокруг своей собственной локальной оси, которая действует как точка поворота для обеспечения заданного движения тангажа.
Траектории толкающих лопастей напоминают траектории хвостов китов и дельфинов. Такой тип движения тангажа приводит к очень высокой пропульсивной эффективности.
Движитель также может почти мгновенно менять направление тяги, увеличивая маневренность судна. Напротив, азимутальный подруливающий двигатель, в котором обычный винт вращается вокруг вертикальной оси для направления своей тяги, медленнее и, следовательно, менее эффективен для маневрирования судна.
Несколько ключевых факторов обуславливают высокую эффективность ABB Dynafin
Большая пропульсивная площадь
Большая пропульсивная площадь, охватываемая ABB Dynafin, снижает нагрузку на винт, обеспечивая самый низкий коэффициент тяговой нагрузки. Чем ниже этот коэффициент, тем выше идеальная эффективность движителя на открытой воде. Кроме того, геометрия Dynafin делает его идеальным для мелководных судов, поскольку он не выступает так сильно, как эквивалентный винтовой винт.
Высокое удлинение и отсутствие вращательного компонента
Высокое удлинение лопасти (в основном, длина лопасти, деленная на ширину) значительно увеличивает отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению каждой лопасти, поэтому оно намного выше, чем у обычного винтового винта. Кроме того, винтовые винты с осями вращения, параллельными входящему потоку, вызывают вращательные потери в своем следе; этого избегают в циклоидальном движителе, поскольку в потоке следа нет основных вращательных компонентов.
Индивидуальное управление лопастями
Каждая лопасть индивидуально управляется электродвигателем, преобразователем частоты (для управления крутящим моментом и оборотами) и логикой управления. Это позволяет имитировать высокоэффективные движения хвоста кита и регулировать движение лопасти (эксцентриситет, передаточное отношение и угол атаки) в зависимости от различных эксплуатационных ситуаций судна, максимизируя эффективность и тягу как в транзитном, так и в динамическом режиме позиционирования (DP).
Главное отличие от типичного винта фиксированного шага, оптимизированного для одной рабочей точки, заключается в том, что ABB Dynafin может непрерывно регулировать движение лопастей для достижения оптимальной производительности в широком диапазоне скоростей и различных полях кильватерного следа.
Технология управления и программного обеспечения устройства открывает возможность непрерывного улучшения и оптимизации производительности судна на протяжении всего срока его службы, создавая концепцию «цифрового винта».
ABB Dynafin также может работать в «режиме руля», что означает, что все лопасти управляются как обычные рули. Эта функция может не только принести пользу двухконечным и парусным судам, но и повысить избыточность в ситуациях отказа, обеспечивая частичную возможность рулевого управления.
Минимальные выступающие части корпуса
Винты с традиционной линией вала требуют руля и стоек для вала, которые вызывают дополнительное сопротивление.
Для циклоидального движителя нет необходимости в руле, и единственными выступающими из корпуса частями являются лопасти. Таким образом, добавленное сопротивление минимально, что улучшает гидродинамические характеристики судна.
Более того, высокая эффективность ABB Dynafin означает, что можно использовать меньшие силовые установки, что приводит к более гибкой общей компоновке, большему пространству для груза и пассажиров и более низким затратам на техническое обслуживание. Кроме того, маневренность повышается за счет объединения движителя с интеллектуальной системой управления, что также приводит к более эффективным и безопасным операциям судна.
Точное управление движителем
Вращательное движение главного колеса производится электрическим двигателем с прямым приводом.
Главное колесо вращается с относительно низкой скоростью 40–80 об/мин и имеет от четырех до шести идентичных модулей лопастей.
Направление вращения остается неизменным во всех рабочих ситуациях, а величина и направление тяги определяются комбинацией оборотов главного колеса и регулировки лопастей.
Модели и моделирование
Разработке ABB Dynafin в значительной степени способствовало использование моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) (для оценки гидродинамических характеристик) и испытаний масштабной модели на открытой воде →03-04.
Движители были модернизированы на корпусе судна поддержки платформы (PSV) для получения прямого сравнения с существующими блоками Azipod в том же диапазоне мощности.
После успешного моделирования и испытаний в масштабе модели компания ABB провела продуктивные обсуждения с несколькими конструкторскими бюро, верфями, судовладельцами и операторами судов для подтверждения осуществимости концепции. Концепция ABB Dynafin была представлена рынку в середине 2023 года.
Сокращение подводного шумового загрязнения
Помимо выбросов парниковых газов, подводный излучаемый шум (URN) все чаще признается серьезной проблемой из-за его потенциального влияния на водные экосистемы. Ограничения на URN ожидаются в ближайшем будущем.
ABB Dynafin минимизирует электромагнитный шум, размещая электродвигатели внутри корпуса судна. Низкие импульсы давления и скорости кончиков лопастей создают меньшую кавитацию и турбулентность, что приводит к низкому гидродинамическому шуму. Кроме того, индивидуальное управление лопастями позволяет оптимизировать траектории для минимизации гидродинамического шума в различных эксплуатационных ситуациях.
Широкое применение
Изначально ABB сосредоточилась на разработке блоков ABB Dynafin в диапазоне мощности от 1 до 4 МВт на движитель. При установке четырех блоков можно охватить приложения мощностью до 16 МВт.
Помимо наличия прямой электрической силовой передачи как для главного колеса, так и для модулей лопастей, может использоваться механическая коническая передача, позволяющая подключаться к главному двигателю и распространяющая преимущества на сегменты судна, где электрические силовые передачи обычно не используются.
Продвижение судоходства в будущее
Более высокая общая эффективность ABB Dynafin по сравнению с существующими силовыми установками приводит к прямой экономии затрат на топливо и позволяет уменьшить размер силовой установки судна. Этот последний аспект особенно выгоден для гибридных или полностью аккумуляторных судов, поскольку размер дорогостоящих батарейных блоков может быть минимизирован.
Более низкий расход топлива, позволяющий использовать меньшие топливные баки и меньшую площадь силовой передачи, обеспечивает большую гибкость в общих компоновках и больше места для пассажиров и груза. Эти косвенные сбережения могут иметь существенное положительное финансовое влияние.
Помимо высокой эффективности, ABB Dynafin обеспечивает превосходную маневренность судна, снижение затрат и повышение безопасности.
Опыт ABB в области гидродинамики, механических систем, электрификации судов, автоматизации и управления дает компании уникальную возможность для дальнейшего совершенствования гениального ABB Dynafin.
ABB Dynafin добавит новый уровень адаптивности и интеллекта в основу производительности пропульсивной установки и изменит то, как судоходная отрасль думает о пропульсивных системах.
ABB Dynafin улучшает многие аспекты производительности судна, от эффективности через надежность до комфорта экипажа и пассажиров:
Преимущества для клиентов
Высокая эффективность
• Эффективность на открытой воде до 85 процентов.
• Значительная экономия топлива, что приводит к предотвращению выбросов.
• Меньшая установленная мощность, что поддерживает электрификацию судов и использование более экологичного топлива.
Отличная маневренность
• Мгновенное управление тягой и ее направлением, что поддерживает эксплуатационную безопасность, гибкость и возможности DP.
• Пригодность для сложных операций и морских условий.
Высокая надежность и простота обслуживания
• Комбинированный движитель и рулевое управление, а также прямая электрическая силовая передача для главного колеса и модулей лопастей позволяют уменьшить количество компонентов.
• Отсутствие чувствительных к износу шестерен и умеренная скорость вращения главного колеса от 40 до 80 об/мин сводят к минимуму износ компонентов.
• Легкий доступ к главному колесу, позволяющий проводить осмотр и замену многих компонентов изнутри судна, улучшая возможность контроля компонентов, увеличивая готовность судна и сокращая время стоянки в сухом доке.
• Модульная структура устройства и более высокая степень стандартизации упрощают управление запасными частями.
Высокий уровень комфорта на борту и устойчивая эксплуатация
• Низкая скорость вращения сводит к минимуму кавитацию, импульсы давления, шум и вибрацию.
• Низкий подводный шум, позволяющий работать в уязвимых морских районах.
Видеоролик с объяснением Dynafin «Представляем революционный ABB Dynafin™ — новейшую инновационную пропульсивную систему от ABB» (размещено на Youtube) — https://www.youtube.com/watch?v=LaPC4ryL31U
Источник информации — компания ABB.
