某4 000TEU 集裝箱船軸帶發電機配置方案

周 燕，徐 建

（天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612）

1 前言

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

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

2 軸帶發電機的型式

軸帶發電機按轉速可分為低速發電機和高速發電機兩種型式：高速發電機轉速高、外型尺寸較小、重量輕；而低速發電機轉速低、外型尺寸較大、重量重。低速發電機如用于轉速相匹配的中/低速柴油機，則不需要配置增速齒輪箱；而高速發電機如用于中/低速柴油機，則需要設置增速齒輪箱。

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

2.1 轉速控制

目前較為先進且常用的轉速控制形式，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），在主機變轉速的工況下， 通過機械-液壓轉速控制使主機在70%～105%的轉速范圍內保證發電機的轉速/頻率不變，因此采用RCF 后無需額外配備變頻器[4]；

（2）無刷雙反饋發電機形式

采用通過控制繞組來改變電機內磁場轉速的方式，使轉子與磁場保持恒定的相對轉速，從而實現頻率的恒定不變。控制繞組需要配置變頻器單元來實現調節功能，但其容量相比于完全頻率轉換的變頻器要小很多[5]。相比以往的有刷技術，減少了電刷和滑環降低了故障發生率，故使用更加普遍。

2.2 頻率轉換

頻率轉換的方法是將軸帶發電機發出的頻率/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，通常達到軸帶發電機容量的雙倍。

3 某4 000TEU 集裝箱船軸帶發電機布置方案

該船主機采用低速柴油機MAN B&W 6G60ME -C9.5，配置定距槳直接推進，主機前端設有角度編碼器。由上可知，頻率轉換法軸帶發電機為了保證過載能力，一般要求變頻器容量加大，通常為軸帶發電機容量的雙倍。如果采用抱軸式發電機，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，因此該兩種發電機型式往往不作為首選；對于轉速控制發電機，因RCF 是RENK 公司的專利技術，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。經過綜合分析對比，該船最終選擇國產的無刷雙反饋軸帶發電機、配置增速齒輪箱的方案。

無刷雙反饋軸帶發電機作為轉速控制的一種，采用電網電源和變頻電源同時饋電的方式，具有可調的功率因數、優良的四象限運行能力，可靠性高且運行時不要求變頻器提供全功率，而只要求提供轉差功率，這樣不僅變頻器容量小，也可采用較低電壓等級，省去同步調相機、電刷和滑環，大大降低了整個系統的成本及發電機故障率，使系統運行更加穩定可靠。

此型軸帶發電機為高速發電機，尺寸較小，因此其布置位置靈活多樣，可布置在主機自由端或主機輸出端，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電機布置在主機的自由端

見圖1。

圖1 主機自由端軸帶發電機布置方案

由圖1 可見：主機自由端曲軸設有一個輸出法蘭，輸出法蘭與高彈及齒輪箱連接，齒輪箱再與軸帶發電機相連。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，在輸入軸上設置定位軸承。

此布置方案主要優點是：軸帶發電機周邊空間比較充裕、齒輪箱和軸帶發電機易拆卸及維修；不足之處是：軸帶發電機的布置占用了主機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2 m 左右處，對角度編碼器的精確性產生一定影響；另外，整個推進裝置尺寸較長。

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

3.2 方案Ⅱ：增速齒輪箱和軸帶發電機布置在主機的輸出端

見圖2。

圖2 主機輸出端軸帶發電機布置方案

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

基于對主機角度編碼器準確性影響的考慮，經核實機艙尾部寬度空間，決定該型船采用方案Ⅱ，即齒輪箱和軸帶發電機布置在主機輸出端方案。

4 某4 000TEU 集裝箱船的機槳匹配性分析

配置軸帶發電機除考慮其布置外，還應對其機槳匹配性進行分析論證。通常船舶的運行工況不同，主機將出現不同的轉速和功率點，因而需要系統地考慮軸帶發電機的功率、螺旋槳的功率及主機功率的匹配性。下面以4 000 TEU集裝箱船為例，簡要介紹機槳匹配分析方法。

4.1 主機不帶軸帶發電機功率/轉速關系圖

柴油機廠家應提供主機帶或不帶軸帶發電機的功率/轉速特性曲線圖。圖3 為該主機不帶軸帶發電機的主機功率/轉速關系圖[6]。

圖3 主機不帶軸帶發電機的功率轉速關系圖

說明：1.通過優化點的推進特性曲線；2.推進螺旋槳重載運行曲線；3.持續運行最大轉速；4.曲軸扭矩/轉速限制線；5.平均有效壓力限制線；6.新造船螺旋槳推薦曲線；7.持續運行功率限制線。

主機不帶軸帶發電機的船舶，依照圖3 進行機槳匹配設計。圖中：④、⑤、⑦線所圍成的區域是主機可運行的區間；①、②線與虛線⑥之間的差值為設計裕度（轉速裕度為3%-7%）。

圖4 主機帶軸帶發電機的功率/轉速關系圖

4.2 主機帶軸帶發電機的功率/轉速關系圖

與圖3 相比，圖4 增加的區域為軸帶發電機吸收主機功率的范圍。在主機選型時，主機功率應考慮軸帶發電機所吸收的功率余度。④、⑤、⑦線所圍成的區域改變，主機帶軸帶發電機時的常規運行功率點應位于其限制線以下的區域內；線①為軸帶發電機工作時螺旋槳的重載運行和風浪下的主機運行線；線②為軸帶發電機不工作時螺旋槳的重載運行線；虛線⑥為軸帶發電機不工作時螺旋槳的輕載運行線；SG 線表示主機給軸帶發電機的輸入功率。

在確定主機功率時，需要考慮螺旋槳功率并增加軸帶發電機功率。該船根據船東要求，其軸帶發電機僅在風平浪靜時使用，故軸帶發電機功率不宜超過該船的風浪功率儲備值，其功率/轉速關系曲線需特別考慮。

該船主發電機配置三臺800 kW 的發電機組，正常航行時由一臺發電機供電。正常航行時采用軸帶發電機，要求在主機額定轉速超過70%的工況軸帶發電機可以發出額定功率，保證船舶正常航行。該船正常航行時的電力負荷不超過800 kW，為此其軸帶發電機額定功率定為800 kW。

主機功率還需考慮船舶污底及惡劣海況柴油機安全運行等問題。根據性能計算，最終確定主機所需最大功率為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電機使用，完全滿足全船用電負荷和主機安全運行要求。

圖5 某4 000TEU 集裝箱船功率/轉速關系圖

圖5 為該船功率/轉速關系圖。圖中：最底部虛線為螺旋槳新船設計曲線；細線為船舶污底和海況惡劣情況下的螺旋槳重載曲線；粗線為主機持續功率的限制線；最頂部虛線為主機功率超負荷線。

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

由于低速柴油機通常比中速柴油機油耗低，采用低速柴油機主機軸帶發電機供電方式，比采用中高速柴油發電機組省油，可節省營運和維護費用，因此船舶正常航行采用軸帶發電機替代主柴油發電機模式可達到節能減排的目的。

5 結語

某4 000TEU 集裝箱船采用主機輸出端配帶軸帶發電機方案，在常規氣候條件下航行時推進及主電源均由主機提供動力，可節省燃油消耗；而在惡劣天氣下航行時，軸帶發電機將脫開主機改由發電機組供電，主機的額定功率將完全用于推進軸系，以保證船舶在大風浪時安全航行。該設計方案，運行可靠，可作為類似船型配置參考。