軸帶發電機在2沖程低速柴油機上的應用

崔大鵬

上海福凱船舶設計有限公司，中國·上海 200000

1 引言

在1982年MAN 公司推出MC 系列低速柴油主機以后，MAN 公司就對使用低速機驅動軸發的可行性進行了研究，以便能夠在船舶航行時通過軸發獲得電力并取代一部分四沖程柴油發電機機組的功能[1]。

驅動進行軸發研究的原因是基于不斷上漲的燃料價格及IMO 對EEDI 指數的嚴格要求。當時，大多數四沖程的發電機機組只能使用昂貴的船用柴油機油作為主要的燃料。相比較而言，低速柴油主機能夠使用價格相對便宜的劣質重油，因此海運行業更希望使用主機軸帶發電機以降低每年的運營成本。在這種需示背景的刺激下，許多廠商相繼開發出能夠長時間可靠運行的軸帶發電機。由于其能夠長時間平穩地運行，并且與主機具有幾乎相同的維修周期，因此，使得軸發在船舶中的應用逐漸廣泛起來[2]。

與此同時，許多船東或船運公司更傾向于為集裝箱船、成品油輪以及穿梭油輪等船型安裝軸發[3]。這可能是歸因于這樣一個事實：軸發電機和低速主機常常被認為是高度可靠的，并能夠長時間用于取代四沖程發電機為船舶提供穩定的電力供應。近些年來由于變頻技術的發展，使軸發可以在各種轉數下為主電網提供穩定的電源，并使軸發的應用不局限在發電這一功能，其PTI，PTO 功能可以為船舶提供額外的推進動力，這意味著，如果選擇合適的設計方案，在船舶的正常航行過程中，穩定的電力完全可以通過軸發獲得，而在特殊情況下軸發又可以為整個船舶提供冗余的動力。

2 軸發使用的三種模式分類

從表1中我們可以算出，PTI 與PTH 是兩個不同的工作模式，許多設計人員在剛剛接觸軸發時可能存在概念的混淆，將兩者混為一談。實際上，兩者最主要的區別是主機是否參與推進。PTH 模式，是當主機失效時，為保證船舶的運行安全，僅僅由主發提供電力通過軸發驅動螺旋槳用于推進，保證船舶能夠最終到港，此種模式下，在主機飛輪的輸出端必須安裝有一個離合器，以將主機脫開。PTH 模式我們有時也稱為“安全返港模式”；而PTI 模式，則是指在主機正常推進時，額外再由主發提供一部分推進功率，因此，PTI 模式也有時也可稱為“聯合推進模式”。

表1 軸發使用的三種模式分類

根據不同的功能需要，軸發分成以下三個組別：

PTO/GCR (power take-off/gear constant ratio)，由高彈聯軸節，增速齒輪箱及發電機組成。

PTO/RCF (power take-off/RENK constant frequency)，由高彈聯軸節，增速齒輪箱，剛性聯軸節，RCF 單元及發電機組成。

PTO/CFE (power take-off/constant frequency electrical)，由低速發電機及相關的電氣控制設備組成。

PTO/RCF 和PTO/CFE 安裝了穩頻控制系統（注意：不一定是變頻器），以保證發電機在不同的主機轉速下能夠提供一個頻率穩定的電力供應。

為了區別不同的軸發的安裝位置，一般使用BW Ⅰ，BW Ⅱ，BW Ⅲ，BW Ⅳ，DMG 和SMG 來進行區分。

3 安裝軸發的利弊分析

3.1 PTO 的優點分析

船舶正常航行時，由主機軸帶發電機供電，于是輔助柴油機運行時間大大縮短，僅保證在進出港口等少數情況下工作即可，其滑油耗量減少，磨損減少，運行維護費用因此降低。主機配備軸帶發電機，船舶正常航行時由軸帶發電機供電，不必使用輔助柴油機，因此可以省去副機動力系統的功耗，而主機輔助系統功耗基本不變。主機配備軸帶發電機后，可以長期在較高負荷下運行，油耗率得以降低。另外，主機效率一般比輔助柴油機的中速柴油機要高，且主柴油機一般燃用劣質燃油，從而進一步降低了燃料費用，提高了綜合經濟性。船舶副機的排煙余熱一般沒有得到利用，而四沖程的輔助柴油機較二沖程的主柴油機排煙溫度高，因此浪費了大量排氣余熱。如果設置主機軸帶發電機，輔助柴油機因運行時間少，其排氣余熱浪費減少，而主機的排氣余熱可以得到更為有效利用[6]。

3.2 安裝空間要求低

如前面的圖表所示，BWIII 類的軸發布置在主機的側方，BWVI 類的軸發布置在軸線的一側，因此在考慮軸發的布置的時候，只需要對機艙底部的布局做一些輕微的調整即可滿足軸發的布置要求；對于DMG/CFE 類的軸發，需要布置在主機的自由端，相對來說對空間的要求要高一些；對于SMG/CFE 類的軸發，需要考慮安裝軸發以后對軸系布置的影響。另外，也需要考慮軸發的輔助設備（如變頻器，控制箱等）的布置空間要求。

3.3 前期投資成本低

從前期投資成本來講，PTO/GCR 類軸發的價格相對較低，而PTO/RCF 和PTO/CFE 類軸發由于包含有變頻控制系統，因此價格會相對較高一些。

在多數情況下，對于軸發的安裝，只需要在結構上提供一個簡單的基座即可，同時，軸發不需要額外增加排煙系統，而輔助的系統也相對簡單，因此與四沖程柴發相比，總體上所需要的安裝時間會更少一些。

3.4 可靠性高

在船舶正常航行過程中，軸發能夠為船舶提供穩定的電力供應，船舶在boost 模式時，軸發可以為主機提供補充動力。在主機故障時，軸發可以當作推進馬達，時船舶平安靠港。

3.5 維護成本低

在設備運行的第一年里，軸發只需要進行例行的維護保養即可，包括常規的設備檢查，滑油的更換等。

3.6 備件成本低

由于可靠性高及例行維護周期中更換的備件少，因此相對四沖程發電機組其備件成本要更低一些。

3.7 更長的設備使用壽命

對軸發而言，較低的部件磨損率意味著更長的設備使用壽命。

但是也需要注意，對于軸承、滑油泵以及摩擦式離合器等，需要進行定期的檢查及更換，以保證設備的正常運行。

3.8 延長主柴發的運行周期

在船舶正常運營過程中，軸發可以為船舶提供100%的電力輸出，這意味著在設計時，可以在船上減少一臺柴發機組，同時，另兩臺柴發的運行時間也相對很少，因此，我們可以考慮適當減少另外兩臺柴發的功率并使用高速柴油發電機的安裝方案，這樣，可以降低船東的初始投資，并優化機艙內的布置方案。

3.9 降低機艙噪聲

根據使用的經驗來看，軸發的噪聲水平要低于柴發的噪聲水平，這樣可以改善船員的機艙工作環境。

4 PTO 的缺點分析

4.1 增加了備件成本

相對而言，柴發的備件數量較多，因此，在安裝軸發的情況下，除非減少了一臺柴發的安裝，否則如果僅是單純地增加了一臺軸發，無疑是又增加了軸發的備件成本。

4.2 在港口條件下無法實現電力輸出

軸發一般在港口停泊狀態下不提供電力輸出，除非在PTO 與螺旋槳軸間增加離合器。這種設計一般常見于穿梭油輪的設計案例。對于穿梭油輪，在停泊狀態下通過離合器將槳軸脫開，這樣軸發就能繼續工作并提供額外的電力完成貨油的操作。

4.3 主機負荷增加

當軸發處于工作狀態時，主機會運行在較高在負荷狀態下，根據主機的性能曲線，這可能會導致主機的燃油消耗和汽缸油的消耗有一定的增加。

4.4 低航速時會導致調距槳推進效率降低

在低負荷主機運行工況下，PTO/GCR 類軸發會影響推進的效率。

4.5 更加復雜的軸系布置方案

當二沖程柴油機僅用作推進系統中時，應避免齒輪箱和高彈聯軸節的使用，因為這些部件所產生的轉運慣量會對軸系的布置及軸系扭振計算產生非常大有影響。

5 結語

與傳統的柴油發電機相比，安裝軸發會增加一定的費用，與此同時相應的價值也將有所體現。從近些年新造船市場的反應來看，五年前的北歐船東，到三年前的西歐船東，到如今的國內船東，已有越來越多的船東傾向于采用安裝軸發的方案。國際航運界對軸帶發電機的認可程度，應該引起我們充分重視。從市場上已經安裝軸發的船舶運營情況來看，該增加的成本的回收平均周期為3年左右。回收周期的長短，往往會受到燃油價格、運輸條件、運營狀況等因素的影響。國際航運界對此類軸帶發電機系統產品的逐漸認可程度隨著IMO 的EEDI 和EEXI 標準實施，節能減排成為硬性要求，在新造船市場中，安裝軸帶發電機已逐步成為船舶制造的主流。