某4 000TEU 集装箱船轴带发电机配置方案

周 燕，徐 建

（天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612）

1 前言

主机的油耗率通常比发电机组的油耗率低，因此由轴带发电机供电的模式得到较广泛的应用。对于集装箱船，由于其货舱区受风面积非常大，为应对恶劣天气下船舶的安全航行，主机选型时往往功率储备较多，因此在小风浪航行工况下，主机会有大量的储备功率无法发挥。为了能充分发挥主机储备功率，使主机运行始终位于设计的最佳工况点附近，越来越多的集装箱船采用了轴带发电机航行供电模式[1]。

为了保证轴带发电机供电稳定性，目前较多采用柴油机配置齿轮箱及可调桨的型式，该型式可使轴带发电机转速/频率保持稳定[2]。但大中型货船通常是采用低速柴油机+定距桨的直接推进方式，无减速齿轮箱，主机转速会根据使用工况不同不断变化，因此如何保证所配置的轴带发电机的工作稳定性和机桨匹配性将是关注的焦点。本文以我司设计的4 000TEU集装箱船为例，简要介绍低速柴油机轴带发电机的配置情况。

2 轴带发电机的型式

轴带发电机按转速可分为低速发电机和高速发电机两种型式：高速发电机转速高、外型尺寸较小、重量轻；而低速发电机转速低、外型尺寸较大、重量重。低速发电机如用于转速相匹配的中/低速柴油机，则不需要配置增速齿轮箱；而高速发电机如用于中/低速柴油机，则需要设置增速齿轮箱。

对于定距桨的船舶，主机的转速因工况不同会不断的变化，所以需要采用相关措施来确保发出的电压及频率恒定，目前主要有转速控制和频率转换两种形式。轴带发电机的布置位置，既可以布置在主机的输出端，也可以布置在主机的自由端。

2.1 转速控制

目前较为先进且常用的转速控制形式，主要有下列两种：

（1）齿轮箱恒频率形式

如厂商RENK 拥有的齿轮单元（RCF），在主机变转速的工况下， 通过机械-液压转速控制使主机在70%～105%的转速范围内保证发电机的转速/频率不变，因此采用RCF 后无需额外配备变频器[4]；

（2）无刷双反馈发电机形式

采用通过控制绕组来改变电机内磁场转速的方式，使转子与磁场保持恒定的相对转速，从而实现频率的恒定不变。控制绕组需要配置变频器单元来实现调节功能，但其容量相比于完全频率转换的变频器要小很多[5]。相比以往的有刷技术，减少了电刷和滑环降低了故障发生率，故使用更加普遍。

2.2 频率转换

频率转换的方法是将轴带发电机发出的频率/电压变化的交流电，通过整流变成直流电，再由逆变器转变成恒频恒压的交流电输入到配电板供用户使用。为了满足过载能力要求，逆变器容量一般都比较大，通常达到轴带发电机容量的双倍。

3 某4 000TEU 集装箱船轴带发电机布置方案

该船主机采用低速柴油机MAN B&W 6G60ME -C9.5，配置定距桨直接推进，主机前端设有角度编码器。由上可知，频率转换法轴带发电机为了保证过载能力，一般要求变频器容量加大，通常为轴带发电机容量的双倍。如果采用抱轴式发电机，因安装在中间轴上，则中间轴处的体积大、重量重，并会对轴系振动和校中计算带来不确定性，因此该两种发电机型式往往不作为首选；对于转速控制发电机，因RCF 是RENK 公司的专利技术，其价格昂贵，除非船东指定该品牌，否则出于成本考虑亦不作选取。经过综合分析对比，该船最终选择国产的无刷双反馈轴带发电机、配置增速齿轮箱的方案。

无刷双反馈轴带发电机作为转速控制的一种，采用电网电源和变频电源同时馈电的方式，具有可调的功率因数、优良的四象限运行能力，可靠性高且运行时不要求变频器提供全功率，而只要求提供转差功率，这样不仅变频器容量小，也可采用较低电压等级，省去同步调相机、电刷和滑环，大大降低了整个系统的成本及发电机故障率，使系统运行更加稳定可靠。

此型轴带发电机为高速发电机，尺寸较小，因此其布置位置灵活多样，可布置在主机自由端或主机输出端，同时配置增速齿轮箱。下面分析其两种布置方案的可行性。

3.1 方案Ⅰ：增速齿轮箱和轴带发电机布置在主机的自由端

见图1。

图1 主机自由端轴带发电机布置方案

由图1 可见：主机自由端曲轴设有一个输出法兰，输出法兰与高弹及齿轮箱连接，齿轮箱再与轴带发电机相连。齿轮箱为单输入双输出式，输入轴需从齿轮箱本体中穿出以连接主机的角度编码器。为了保证角度编码器的精确性，在输入轴上设置定位轴承。

此布置方案主要优点是：轴带发电机周边空间比较充裕、齿轮箱和轴带发电机易拆卸及维修；不足之处是：轴带发电机的布置占用了主机的角度编码器布置空间，需要将角度编码器用轴引出布置到距离主机2 m 左右处，对角度编码器的精确性产生一定影响；另外，整个推进装置尺寸较长。

根据该船最初总布置图，机舱前端空间有限且泵站布置空间已经相当紧凑，如需再布置齿轮箱和轴带发电机将非常困难，为此需要考虑将机舱下平台以下的双层底部分向货舱区延伸，从而增大机舱的前端空间用于轴带发电机及机舱海水总管和其它泵站的布置，但是这样调整后会使货舱容积减少。

3.2 方案Ⅱ：增速齿轮箱和轴带发电机布置在主机的输出端

见图2。

图2 主机输出端轴带发电机布置方案

如图2 所示：主机输出端与齿轮箱输入端连接，齿轮箱设有两个输出端。其中一端与推进轴连接，另一端通过高弹和轴带发电机输入端相连。对于此布置方案，同样有利有弊：优点是轴带发电机安装位置不会与主机角度编码器冲突、推进装置全长尺寸较小；缺点是要求机舱尾部空间较宽。

基于对主机角度编码器准确性影响的考虑，经核实机舱尾部宽度空间，决定该型船采用方案Ⅱ，即齿轮箱和轴带发电机布置在主机输出端方案。

4 某4 000TEU 集装箱船的机桨匹配性分析

配置轴带发电机除考虑其布置外，还应对其机桨匹配性进行分析论证。通常船舶的运行工况不同，主机将出现不同的转速和功率点，因而需要系统地考虑轴带发电机的功率、螺旋桨的功率及主机功率的匹配性。下面以4 000 TEU集装箱船为例，简要介绍机桨匹配分析方法。

4.1 主机不带轴带发电机功率/转速关系图

柴油机厂家应提供主机带或不带轴带发电机的功率/转速特性曲线图。图3 为该主机不带轴带发电机的主机功率/转速关系图[6]。

图3 主机不带轴带发电机的功率转速关系图

说明：1.通过优化点的推进特性曲线；2.推进螺旋桨重载运行曲线；3.持续运行最大转速；4.曲轴扭矩/转速限制线；5.平均有效压力限制线；6.新造船螺旋桨推荐曲线；7.持续运行功率限制线。

主机不带轴带发电机的船舶，依照图3 进行机桨匹配设计。图中：④、⑤、⑦线所围成的区域是主机可运行的区间；①、②线与虚线⑥之间的差值为设计裕度（转速裕度为3%-7%）。

图4 主机带轴带发电机的功率/转速关系图

4.2 主机带轴带发电机的功率/转速关系图

与图3 相比，图4 增加的区域为轴带发电机吸收主机功率的范围。在主机选型时，主机功率应考虑轴带发电机所吸收的功率余度。④、⑤、⑦线所围成的区域改变，主机带轴带发电机时的常规运行功率点应位于其限制线以下的区域内；线①为轴带发电机工作时螺旋桨的重载运行和风浪下的主机运行线；线②为轴带发电机不工作时螺旋桨的重载运行线；虚线⑥为轴带发电机不工作时螺旋桨的轻载运行线；SG 线表示主机给轴带发电机的输入功率。

在确定主机功率时，需要考虑螺旋桨功率并增加轴带发电机功率。该船根据船东要求，其轴带发电机仅在风平浪静时使用，故轴带发电机功率不宜超过该船的风浪功率储备值，其功率/转速关系曲线需特别考虑。

该船主发电机配置三台800 kW 的发电机组，正常航行时由一台发电机供电。正常航行时采用轴带发电机，要求在主机额定转速超过70%的工况轴带发电机可以发出额定功率，保证船舶正常航行。该船正常航行时的电力负荷不超过800 kW，为此其轴带发电机额定功率定为800 kW。

主机功率还需考虑船舶污底及恶劣海况柴油机安全运行等问题。根据性能计算，最终确定主机所需最大功率为11 810 kW x83.5 r/min；常用功率储备约为最大功率的10%～15%。因此本船约有1 100～1 700 kW 的储备功率可供轴带发电机使用，完全满足全船用电负荷和主机安全运行要求。

图5 某4 000TEU 集装箱船功率/转速关系图

图5 为该船功率/转速关系图。图中：最底部虚线为螺旋桨新船设计曲线；细线为船舶污底和海况恶劣情况下的螺旋桨重载曲线；粗线为主机持续功率的限制线；最顶部虚线为主机功率超负荷线。

从图5 可以看出：主机只能在转速60 r/min（即最大转速的72%）及以上且没有大风浪的情况下，可以使用800 kW 的轴带发电机，服务于全船供电，此时螺旋桨设计曲线加上轴带发电机功率并没有超过螺旋桨设计功率限制特性曲线，既能保证主机正常航行，又使得主机风浪储备功率得以利用。

由于低速柴油机通常比中速柴油机油耗低，采用低速柴油机主机轴带发电机供电方式，比采用中高速柴油发电机组省油，可节省营运和维护费用，因此船舶正常航行采用轴带发电机替代主柴油发电机模式可达到节能减排的目的。

5 结语

某4 000TEU 集装箱船采用主机输出端配带轴带发电机方案，在常规气候条件下航行时推进及主电源均由主机提供动力，可节省燃油消耗；而在恶劣天气下航行时，轴带发电机将脱开主机改由发电机组供电，主机的额定功率将完全用于推进轴系，以保证船舶在大风浪时安全航行。该设计方案，运行可靠，可作为类似船型配置参考。