某4 000TEU 集裝箱船軸帶發(fā)電機(jī)配置方案

周 燕，徐 建

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

1 前言

主機(jī)的油耗率通常比發(fā)電機(jī)組的油耗率低，因此由軸帶發(fā)電機(jī)供電的模式得到較廣泛的應(yīng)用。對于集裝箱船，由于其貨艙區(qū)受風(fēng)面積非常大，為應(yīng)對惡劣天氣下船舶的安全航行，主機(jī)選型時往往功率儲備較多，因此在小風(fēng)浪航行工況下，主機(jī)會有大量的儲備功率無法發(fā)揮。為了能充分發(fā)揮主機(jī)儲備功率，使主機(jī)運(yùn)行始終位于設(shè)計的最佳工況點附近，越來越多的集裝箱船采用了軸帶發(fā)電機(jī)航行供電模式[1]。

為了保證軸帶發(fā)電機(jī)供電穩(wěn)定性，目前較多采用柴油機(jī)配置齒輪箱及可調(diào)槳的型式，該型式可使軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速/頻率保持穩(wěn)定[2]。但大中型貨船通常是采用低速柴油機(jī)+定距槳的直接推進(jìn)方式，無減速齒輪箱，主機(jī)轉(zhuǎn)速會根據(jù)使用工況不同不斷變化，因此如何保證所配置的軸帶發(fā)電機(jī)的工作穩(wěn)定性和機(jī)槳匹配性將是關(guān)注的焦點。本文以我司設(shè)計的4 000TEU集裝箱船為例，簡要介紹低速柴油機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)的配置情況。

2 軸帶發(fā)電機(jī)的型式

軸帶發(fā)電機(jī)按轉(zhuǎn)速可分為低速發(fā)電機(jī)和高速發(fā)電機(jī)兩種型式：高速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高、外型尺寸較小、重量輕；而低速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、外型尺寸較大、重量重。低速發(fā)電機(jī)如用于轉(zhuǎn)速相匹配的中/低速柴油機(jī)，則不需要配置增速齒輪箱；而高速發(fā)電機(jī)如用于中/低速柴油機(jī)，則需要設(shè)置增速齒輪箱。

對于定距槳的船舶，主機(jī)的轉(zhuǎn)速因工況不同會不斷的變化，所以需要采用相關(guān)措施來確保發(fā)出的電壓及頻率恒定，目前主要有轉(zhuǎn)速控制和頻率轉(zhuǎn)換兩種形式。軸帶發(fā)電機(jī)的布置位置，既可以布置在主機(jī)的輸出端，也可以布置在主機(jī)的自由端。

2.1 轉(zhuǎn)速控制

目前較為先進(jìn)且常用的轉(zhuǎn)速控制形式，主要有下列兩種：

（1）齒輪箱恒頻率形式

如廠商RENK 擁有的齒輪單元（RCF），在主機(jī)變轉(zhuǎn)速的工況下， 通過機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)速控制使主機(jī)在70%～105%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速/頻率不變，因此采用RCF 后無需額外配備變頻器[4]；

（2）無刷雙反饋發(fā)電機(jī)形式

采用通過控制繞組來改變電機(jī)內(nèi)磁場轉(zhuǎn)速的方式，使轉(zhuǎn)子與磁場保持恒定的相對轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)頻率的恒定不變?？刂评@組需要配置變頻器單元來實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，但其容量相比于完全頻率轉(zhuǎn)換的變頻器要小很多[5]。相比以往的有刷技術(shù)，減少了電刷和滑環(huán)降低了故障發(fā)生率，故使用更加普遍。

2.2 頻率轉(zhuǎn)換

頻率轉(zhuǎn)換的方法是將軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率/電壓變化的交流電，通過整流變成直流電，再由逆變器轉(zhuǎn)變成恒頻恒壓的交流電輸入到配電板供用戶使用。為了滿足過載能力要求，逆變器容量一般都比較大，通常達(dá)到軸帶發(fā)電機(jī)容量的雙倍。

3 某4 000TEU 集裝箱船軸帶發(fā)電機(jī)布置方案

該船主機(jī)采用低速柴油機(jī)MAN B&W 6G60ME -C9.5，配置定距槳直接推進(jìn)，主機(jī)前端設(shè)有角度編碼器。由上可知，頻率轉(zhuǎn)換法軸帶發(fā)電機(jī)為了保證過載能力，一般要求變頻器容量加大，通常為軸帶發(fā)電機(jī)容量的雙倍。如果采用抱軸式發(fā)電機(jī)，因安裝在中間軸上，則中間軸處的體積大、重量重，并會對軸系振動和校中計算帶來不確定性，因此該兩種發(fā)電機(jī)型式往往不作為首選；對于轉(zhuǎn)速控制發(fā)電機(jī)，因RCF 是RENK 公司的專利技術(shù)，其價格昂貴，除非船東指定該品牌，否則出于成本考慮亦不作選取。經(jīng)過綜合分析對比，該船最終選擇國產(chǎn)的無刷雙反饋軸帶發(fā)電機(jī)、配置增速齒輪箱的方案。

無刷雙反饋軸帶發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速控制的一種，采用電網(wǎng)電源和變頻電源同時饋電的方式，具有可調(diào)的功率因數(shù)、優(yōu)良的四象限運(yùn)行能力，可靠性高且運(yùn)行時不要求變頻器提供全功率，而只要求提供轉(zhuǎn)差功率，這樣不僅變頻器容量小，也可采用較低電壓等級，省去同步調(diào)相機(jī)、電刷和滑環(huán)，大大降低了整個系統(tǒng)的成本及發(fā)電機(jī)故障率，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

此型軸帶發(fā)電機(jī)為高速發(fā)電機(jī)，尺寸較小，因此其布置位置靈活多樣，可布置在主機(jī)自由端或主機(jī)輸出端，同時配置增速齒輪箱。下面分析其兩種布置方案的可行性。

3.1 方案Ⅰ：增速齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)布置在主機(jī)的自由端

見圖1。

圖1 主機(jī)自由端軸帶發(fā)電機(jī)布置方案

由圖1 可見：主機(jī)自由端曲軸設(shè)有一個輸出法蘭，輸出法蘭與高彈及齒輪箱連接，齒輪箱再與軸帶發(fā)電機(jī)相連。齒輪箱為單輸入雙輸出式，輸入軸需從齒輪箱本體中穿出以連接主機(jī)的角度編碼器。為了保證角度編碼器的精確性，在輸入軸上設(shè)置定位軸承。

此布置方案主要優(yōu)點是：軸帶發(fā)電機(jī)周邊空間比較充裕、齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)易拆卸及維修；不足之處是：軸帶發(fā)電機(jī)的布置占用了主機(jī)的角度編碼器布置空間，需要將角度編碼器用軸引出布置到距離主機(jī)2 m 左右處，對角度編碼器的精確性產(chǎn)生一定影響；另外，整個推進(jìn)裝置尺寸較長。

根據(jù)該船最初總布置圖，機(jī)艙前端空間有限且泵站布置空間已經(jīng)相當(dāng)緊湊，如需再布置齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)將非常困難，為此需要考慮將機(jī)艙下平臺以下的雙層底部分向貨艙區(qū)延伸，從而增大機(jī)艙的前端空間用于軸帶發(fā)電機(jī)及機(jī)艙海水總管和其它泵站的布置，但是這樣調(diào)整后會使貨艙容積減少。

3.2 方案Ⅱ：增速齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)布置在主機(jī)的輸出端

見圖2。

圖2 主機(jī)輸出端軸帶發(fā)電機(jī)布置方案

如圖2 所示：主機(jī)輸出端與齒輪箱輸入端連接，齒輪箱設(shè)有兩個輸出端。其中一端與推進(jìn)軸連接，另一端通過高彈和軸帶發(fā)電機(jī)輸入端相連。對于此布置方案，同樣有利有弊：優(yōu)點是軸帶發(fā)電機(jī)安裝位置不會與主機(jī)角度編碼器沖突、推進(jìn)裝置全長尺寸較??；缺點是要求機(jī)艙尾部空間較寬。

基于對主機(jī)角度編碼器準(zhǔn)確性影響的考慮，經(jīng)核實機(jī)艙尾部寬度空間，決定該型船采用方案Ⅱ，即齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)布置在主機(jī)輸出端方案。

4 某4 000TEU 集裝箱船的機(jī)槳匹配性分析

配置軸帶發(fā)電機(jī)除考慮其布置外，還應(yīng)對其機(jī)槳匹配性進(jìn)行分析論證。通常船舶的運(yùn)行工況不同，主機(jī)將出現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和功率點，因而需要系統(tǒng)地考慮軸帶發(fā)電機(jī)的功率、螺旋槳的功率及主機(jī)功率的匹配性。下面以4 000 TEU集裝箱船為例，簡要介紹機(jī)槳匹配分析方法。

4.1 主機(jī)不帶軸帶發(fā)電機(jī)功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

柴油機(jī)廠家應(yīng)提供主機(jī)帶或不帶軸帶發(fā)電機(jī)的功率/轉(zhuǎn)速特性曲線圖。圖3 為該主機(jī)不帶軸帶發(fā)電機(jī)的主機(jī)功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖[6]。

圖3 主機(jī)不帶軸帶發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

說明：1.通過優(yōu)化點的推進(jìn)特性曲線；2.推進(jìn)螺旋槳重載運(yùn)行曲線；3.持續(xù)運(yùn)行最大轉(zhuǎn)速；4.曲軸扭矩/轉(zhuǎn)速限制線；5.平均有效壓力限制線；6.新造船螺旋槳推薦曲線；7.持續(xù)運(yùn)行功率限制線。

主機(jī)不帶軸帶發(fā)電機(jī)的船舶，依照圖3 進(jìn)行機(jī)槳匹配設(shè)計。圖中：④、⑤、⑦線所圍成的區(qū)域是主機(jī)可運(yùn)行的區(qū)間；①、②線與虛線⑥之間的差值為設(shè)計裕度（轉(zhuǎn)速裕度為3%-7%）。

圖4 主機(jī)帶軸帶發(fā)電機(jī)的功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

4.2 主機(jī)帶軸帶發(fā)電機(jī)的功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

與圖3 相比，圖4 增加的區(qū)域為軸帶發(fā)電機(jī)吸收主機(jī)功率的范圍。在主機(jī)選型時，主機(jī)功率應(yīng)考慮軸帶發(fā)電機(jī)所吸收的功率余度。④、⑤、⑦線所圍成的區(qū)域改變，主機(jī)帶軸帶發(fā)電機(jī)時的常規(guī)運(yùn)行功率點應(yīng)位于其限制線以下的區(qū)域內(nèi)；線①為軸帶發(fā)電機(jī)工作時螺旋槳的重載運(yùn)行和風(fēng)浪下的主機(jī)運(yùn)行線；線②為軸帶發(fā)電機(jī)不工作時螺旋槳的重載運(yùn)行線；虛線⑥為軸帶發(fā)電機(jī)不工作時螺旋槳的輕載運(yùn)行線；SG 線表示主機(jī)給軸帶發(fā)電機(jī)的輸入功率。

在確定主機(jī)功率時，需要考慮螺旋槳功率并增加軸帶發(fā)電機(jī)功率。該船根據(jù)船東要求，其軸帶發(fā)電機(jī)僅在風(fēng)平浪靜時使用，故軸帶發(fā)電機(jī)功率不宜超過該船的風(fēng)浪功率儲備值，其功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線需特別考慮。

該船主發(fā)電機(jī)配置三臺800 kW 的發(fā)電機(jī)組，正常航行時由一臺發(fā)電機(jī)供電。正常航行時采用軸帶發(fā)電機(jī)，要求在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速超過70%的工況軸帶發(fā)電機(jī)可以發(fā)出額定功率，保證船舶正常航行。該船正常航行時的電力負(fù)荷不超過800 kW，為此其軸帶發(fā)電機(jī)額定功率定為800 kW。

主機(jī)功率還需考慮船舶污底及惡劣海況柴油機(jī)安全運(yùn)行等問題。根據(jù)性能計算，最終確定主機(jī)所需最大功率為11 810 kW x83.5 r/min；常用功率儲備約為最大功率的10%～15%。因此本船約有1 100～1 700 kW 的儲備功率可供軸帶發(fā)電機(jī)使用，完全滿足全船用電負(fù)荷和主機(jī)安全運(yùn)行要求。

圖5 某4 000TEU 集裝箱船功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖5 為該船功率/轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。圖中：最底部虛線為螺旋槳新船設(shè)計曲線；細(xì)線為船舶污底和海況惡劣情況下的螺旋槳重載曲線；粗線為主機(jī)持續(xù)功率的限制線；最頂部虛線為主機(jī)功率超負(fù)荷線。

從圖5 可以看出：主機(jī)只能在轉(zhuǎn)速60 r/min（即最大轉(zhuǎn)速的72%）及以上且沒有大風(fēng)浪的情況下，可以使用800 kW 的軸帶發(fā)電機(jī)，服務(wù)于全船供電，此時螺旋槳設(shè)計曲線加上軸帶發(fā)電機(jī)功率并沒有超過螺旋槳設(shè)計功率限制特性曲線，既能保證主機(jī)正常航行，又使得主機(jī)風(fēng)浪儲備功率得以利用。

由于低速柴油機(jī)通常比中速柴油機(jī)油耗低，采用低速柴油機(jī)主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)供電方式，比采用中高速柴油發(fā)電機(jī)組省油，可節(jié)省營運(yùn)和維護(hù)費用，因此船舶正常航行采用軸帶發(fā)電機(jī)替代主柴油發(fā)電機(jī)模式可達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)語

某4 000TEU 集裝箱船采用主機(jī)輸出端配帶軸帶發(fā)電機(jī)方案，在常規(guī)氣候條件下航行時推進(jìn)及主電源均由主機(jī)提供動力，可節(jié)省燃油消耗；而在惡劣天氣下航行時，軸帶發(fā)電機(jī)將脫開主機(jī)改由發(fā)電機(jī)組供電，主機(jī)的額定功率將完全用于推進(jìn)軸系，以保證船舶在大風(fēng)浪時安全航行。該設(shè)計方案，運(yùn)行可靠，可作為類似船型配置參考。