勞斯萊斯軸帶電機(jī)的應(yīng)用及其優(yōu)越性

鄭文軍，聶延生

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勞斯萊斯軸帶電機(jī)的應(yīng)用及其優(yōu)越性

鄭文軍，聶延生

（大連海事大學(xué)，大連 116026）

本文首先對船舶軸帶發(fā)電機(jī)的定義和類型進(jìn)行了簡述。在此基礎(chǔ)上，主要介紹了勞斯萊斯軸帶電機(jī)（Hybrid Shaft Generator，HSG）的概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作模式和優(yōu)越性。最后對該類型軸帶電機(jī)的適用范圍、經(jīng)濟(jì)效益等方面的問題進(jìn)行了探討和研究。

軸帶發(fā)電機(jī) 軸帶電機(jī) 效率最大化 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

0 引言

由船舶主機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)稱為船舶軸帶發(fā)電機(jī)。軸帶發(fā)電機(jī)是從汽車發(fā)電機(jī)移植過來的，早就在小船和快艇上使用。自70年代初，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開始裝船，至今已近40年的發(fā)展歷史。為了充分利用船舶主機(jī)10-15%的功率儲備裕量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的，軸帶發(fā)電機(jī)在船舶上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于大、中型集裝箱船上。

船舶軸帶發(fā)電機(jī)主要分為兩種類型：其一，變螺距螺旋槳（CPP）船舶的軸帶發(fā)電機(jī)。船舶航行在不同海況下時(shí)，通過調(diào)節(jié)螺旋槳螺距，可以保證主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變。此時(shí)主機(jī)經(jīng)過齒輪變速機(jī)構(gòu)與軸帶發(fā)電機(jī)相連，驅(qū)動軸帶發(fā)電機(jī)。其效果同普通柴油發(fā)電機(jī)一樣。其二，定螺距螺旋槳（FPP）船舶的軸帶發(fā)電機(jī)。船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速按航行或作業(yè)的需要隨時(shí)變化。此時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓和頻率將隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，這種電能是無法直接供給電網(wǎng)使用的，必須通過中間環(huán)節(jié)（變頻裝置），把變化的頻率轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的頻率才能供給船舶使用。

隨著電力電子與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，勞斯萊斯公司生產(chǎn)出帶有軸帶電機(jī)變頻器（HSG drive）的軸帶發(fā)電機(jī)，可以稱之為軸帶電機(jī)。與傳統(tǒng)軸帶發(fā)電機(jī)不同的是，勞斯萊斯軸帶電機(jī)是一個(gè)先進(jìn)的兩用系統(tǒng)，具有發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩種基本的工作方式。一方面，既可以由主機(jī)驅(qū)動發(fā)電，部分或全部替代船舶柴油發(fā)電機(jī)，另一方面可作為電動機(jī)從主配電板吸收能量驅(qū)動螺旋槳。

1 勞斯萊斯軸帶電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

如圖1所示，與傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機(jī)相比，勞斯萊斯軸帶電機(jī)具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。采用軸帶電機(jī)變頻器，無需同步補(bǔ)償器，整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊;采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）,從而實(shí)現(xiàn)能量雙向?qū)ǎS帶電機(jī)既可以按發(fā)電機(jī)工作方式工作，電力輸出，又可以按電動機(jī)工作方式工作，動力輸出。

通過改變軸帶電機(jī)的工作方式，軸帶電機(jī)能夠在五種不同模式之間快速地切換。在此過程中，不同的模式可以確保船舶主推進(jìn)柴油機(jī)和螺旋槳效率保持最大化。

1) 助推模式（boost mode）

該模式充分利用了船舶上的所有能源，包括船舶發(fā)電機(jī)組提供的部分電能。在助推模式下，軸帶電機(jī)按電動機(jī)工作方式與船舶主機(jī)并聯(lián)工作，一同為螺旋槳提供動力。這種模式是為了船舶達(dá)到最高航速而設(shè)置的。它主要用在以下幾種情況:由于某種原因，需要增加船舶的推進(jìn)功率，改善船舶的機(jī)動性和操縱性，例如惡劣氣候和海況，避臺風(fēng)，趕航期等;船舶主推進(jìn)柴油機(jī)由于某種原因，輸出功率不足。

目前，采用減速齒輪箱傳動的軸帶電機(jī)系統(tǒng)，幾乎都具有這一功能。

2) 柴電模式（diesel electric mode）

柴電模式又稱PTI模式（power take in mode）。在柴電模式下，船舶主推進(jìn)柴油機(jī)通過離合器與減速齒輪箱斷開。軸帶電機(jī)吸收船舶柴油發(fā)電機(jī)組提供的電能，按電動機(jī)工作方式工作，從而單獨(dú)驅(qū)動螺旋槳。

這種模式，基于傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，無需更多的投入，成本低，附加設(shè)備少，操作方便，較大幅度地提高了船舶(尤其是單變距槳船舶)的可靠性、安全性和機(jī)動性。主要體現(xiàn)在保證船舶始終可以處于航行或立即投入航行狀態(tài)。比方說，當(dāng)船舶航行中船舶主推進(jìn)柴油機(jī)發(fā)生故障時(shí)，仍然可以保證船舶航行，進(jìn)行PTH（power take home），迅速尋找附近港口搶修，避免漂航可能遇到的危險(xiǎn)。當(dāng)船舶裝卸貨尤其是裝卸危險(xiǎn)貨物出現(xiàn)緊急情況，碼頭管理當(dāng)局要求船舶立即離開碼頭時(shí)，如果船舶主機(jī)正在維修而無法立即使用，可以保證立即執(zhí)行碼頭當(dāng)局的要求。對于長時(shí)間等待靠港的、船舶主推進(jìn)柴油機(jī)一直工作在低負(fù)荷情況下的船舶，柴電模式是一種經(jīng)濟(jì)的工作模式。

3) 航行模式（transit mode）

航行模式又稱PTO模式（power take out），也就是傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機(jī)工作模式。它常用于使螺旋槳效率最大化。具有縮減燃油、潤滑油及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，增強(qiáng)電力供應(yīng)能力，減少管理人員數(shù)量，降低發(fā)電噪音等優(yōu)點(diǎn)。此處不再贅述。

4) 并聯(lián)模式（parallel mode）

因?yàn)椴痪邆淞己玫恼{(diào)速特性，傳統(tǒng)的軸帶發(fā)電機(jī)不能與船舶電網(wǎng)上的柴油發(fā)電機(jī)長時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行，只能短時(shí)換機(jī)時(shí)使用。然而勞斯萊斯軸帶電機(jī)通過軸帶電機(jī)變頻器，能夠突破此項(xiàng)限制。該模式下只需運(yùn)行船舶主推進(jìn)柴油機(jī)和一臺柴油發(fā)電機(jī)。軸帶電機(jī)按發(fā)電機(jī)工作方式與一臺柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，共同為全船提供電力。同時(shí)，主機(jī)的轉(zhuǎn)速可以按航行或作業(yè)的需要不斷的變化，以使螺旋槳效率達(dá)到最大化。這是一種高效率的工作模式。

5) 岸電模式（shore connection mode）

顧名思義，岸電模式是指在船舶靠港，接入岸電時(shí)使用。眾所周知，在不同的國家，港口提供的岸電頻率不同，發(fā)達(dá)國家常用60 HZ,如美國、英國和日本。其他國家常用50 HZ。與此同時(shí)，不同的船舶，由于建造的地點(diǎn)不同，常用的電網(wǎng)頻率也各不一樣。故岸電頻率與船舶電網(wǎng)頻率不匹配的情況時(shí)常發(fā)生。

勞斯萊斯軸帶電機(jī)通過軸帶電機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)換功能，可以避免此類限制。比如在我國，港口提供的岸電頻率是50 HZ，有些國外建造的船舶無法直接使用。那么通過軸帶電機(jī)變頻器，可將岸電頻率轉(zhuǎn)換為60 HZ。值得一提的是，在切換的過程中，軸帶電機(jī)變頻器還具有避免全船失電的功能。此功能無異于對駕駛臺電羅經(jīng)的使用有很大幫助。駕駛臺電羅經(jīng)斷電后起動需要很長時(shí)間，若在港口失電，無論對駕駛?cè)藛T還是船東均會帶來很大影響。因此，船舶不必開啟任何一臺柴油發(fā)電機(jī)。勞斯萊斯軸帶電機(jī)右下述優(yōu)點(diǎn)：

1) 靈活多變的工作模式；軸帶電機(jī)具有兩種基本工作方式，五種工作模式。當(dāng)按電動機(jī)方式工作時(shí)，既可以在緊急情況下單獨(dú)驅(qū)動螺旋槳工作，又可以與船舶主機(jī)并聯(lián)工作，為船舶提供更大的動力。

當(dāng)按發(fā)電機(jī)方式工作時(shí)，它不但可以單獨(dú)供電，還可以通過軸帶電機(jī)變頻器，與船舶柴油發(fā)電機(jī)長時(shí)間并聯(lián)工作，為全船提供電力。

2) 減少燃油的消耗；

3) 延長船舶柴油機(jī)的使用壽命和平均無故障工作時(shí)間；

2 結(jié)束語

安裝勞斯萊斯軸帶電機(jī)后，船舶的可操作性大幅增加，生命力得到強(qiáng)化。船舶冗余度得到改善，安全性整體提高對于經(jīng)常待命、錨機(jī)間歇性工作以及需要輔助推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，特別是近海船舶，如穿梭油輪、打撈救助船舶等，安裝軸帶電機(jī)是明智的選擇。

[1] 李亮. 船舶軸帶發(fā)電機(jī)的發(fā)展與新方法的研究，船電技術(shù)，2005, (5).

[2] 聶延生. 船舶軸帶電機(jī)及其PTO_PTI工作方式的原理和應(yīng)用，航海技術(shù)，2006, (4).

Application and Advantages of Rolls-Royce Hybrid Shaft Generator

Zheng Wenjun, Nie Yansheng

(Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

TM761

A

1003-4862（2013）01-0053-02

2012-04-25

鄭文軍（1987-），男，碩士。研究方向：輪機(jī)自動化。