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(qū)動軸發(fā)的可行性進行了研究，以便能夠在船舶航行時通過軸發(fā)獲得電力并取代一部分四沖程柴油發(fā)電機機組的功能[1]。

驅(qū)動進行軸發(fā)研究的原因是基于不斷上漲的燃料價格及IMO 對EEDI 指數(shù)的嚴格要求。當時，大多數(shù)四沖程的發(fā)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(zhì)重油，因此海運行業(yè)更希望使用主機軸帶發(fā)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(fā)出能夠長時間可靠運行的軸帶發(fā)電機。由于其能夠長時間平穩(wěn)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(fā)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(fā)[3]。這可能是歸因于這樣一個事實：軸發(fā)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(fā)電機為船舶提供穩(wěn)定的電力供應。近些年來由于變頻技術的發(fā)展，使軸發(fā)可以在各種轉(zhuǎn)數(shù)下為主電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源，并使軸發(fā)的應用不局限在發(fā)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(wěn)定的電力完全可以通過軸發(fā)獲得，而在特殊情況下軸發(fā)又可以為整個船舶提供冗余的動力。

2 軸發(fā)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(fā)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(qū)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(fā)提供電力通過軸發(fā)驅(qū)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(fā)提供一部分推進功率，因此，PTI 模式也有時也可稱為“聯(lián)合推進模式”。

表1 軸發(fā)使用的三種模式分類

根據(jù)不同的功能需要，軸發(fā)分成以下三個組別：

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

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

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

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

為了區(qū)別不同的軸發(fā)的安裝位置，一般使用BW Ⅰ，BW Ⅱ，BW Ⅲ，BW Ⅳ，DMG 和SMG 來進行區(qū)分。

3 安裝軸發(fā)的利弊分析

3.1 PTO 的優(yōu)點分析

船舶正常航行時，由主機軸帶發(fā)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(shù)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(fā)電機，船舶正常航行時由軸帶發(fā)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(tǒng)的功耗，而主機輔助系統(tǒng)功耗基本不變。主機配備軸帶發(fā)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(zhì)燃油，從而進一步降低了燃料費用，提高了綜合經(jīng)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(fā)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(fā)布置在主機的側方，BWVI 類的軸發(fā)布置在軸線的一側，因此在考慮軸發(fā)的布置的時候，只需要對機艙底部的布局做一些輕微的調(diào)整即可滿足軸發(fā)的布置要求；對于DMG/CFE 類的軸發(fā)，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(fā)，需要考慮安裝軸發(fā)以后對軸系布置的影響。另外，也需要考慮軸發(fā)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(fā)的價格相對較低，而PTO/RCF 和PTO/CFE 類軸發(fā)由于包含有變頻控制系統(tǒng)，因此價格會相對較高一些。

在多數(shù)情況下，對于軸發(fā)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(fā)不需要額外增加排煙系統(tǒng)，而輔助的系統(tǒng)也相對簡單，因此與四沖程柴發(fā)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(fā)能夠為船舶提供穩(wěn)定的電力供應，船舶在boost 模式時，軸發(fā)可以為主機提供補充動力。在主機故障時，軸發(fā)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(fā)只需要進行例行的維護保養(yǎng)即可，包括常規(guī)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(fā)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(fā)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(fā)的運行周期

在船舶正常運營過程中，軸發(fā)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(fā)機組，同時，另兩臺柴發(fā)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(fā)的功率并使用高速柴油發(fā)電機的安裝方案，這樣，可以降低船東的初始投資，并優(yōu)化機艙內(nèi)的布置方案。

3.9 降低機艙噪聲

根據(jù)使用的經(jīng)驗來看，軸發(fā)的噪聲水平要低于柴發(fā)的噪聲水平，這樣可以改善船員的機艙工作環(huán)境。

4 PTO 的缺點分析

4.1 增加了備件成本

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

4.2 在港口條件下無法實現(xiàn)電力輸出

軸發(fā)一般在港口停泊狀態(tài)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(tài)下通過離合器將槳軸脫開，這樣軸發(fā)就能繼續(xù)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(fā)處于工作狀態(tài)時，主機會運行在較高在負荷狀態(tài)下，根據(jù)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(diào)距槳推進效率降低

在低負荷主機運行工況下，PTO/GCR 類軸發(fā)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(tǒng)中時，應避免齒輪箱和高彈聯(lián)軸節(jié)的使用，因為這些部件所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)運慣量會對軸系的布置及軸系扭振計算產(chǎn)生非常大有影響。

5 結語

與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機相比，安裝軸發(fā)會增加一定的費用，與此同時相應的價值也將有所體現(xiàn)。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(nèi)船東，已有越來越多的船東傾向于采用安裝軸發(fā)的方案。國際航運界對軸帶發(fā)電機的認可程度，應該引起我們充分重視。從市場上已經(jīng)安裝軸發(fā)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?；厥罩芷诘拈L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(fā)電機系統(tǒng)產(chǎn)品的逐漸認可程度隨著IMO 的EEDI 和EEXI 標準實施，節(jié)能減排成為硬性要求，在新造船市場中，安裝軸帶發(fā)電機已逐步成為船舶制造的主流。