大型船舶軸帶發(fā)電機(jī)加裝設(shè)計(jì)

王彥,房向前,王怡,李欣,周熲

(1.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所,上海 200135)

IMO關(guān)于EEDI強(qiáng)制性要求第3階段將從2025年1月1日開(kāi)始[1]。目前在建或交付的船舶以滿足第二階段為主,這意味著滿足EEDI第三階段的“綠色、環(huán)保、節(jié)能”型新一代船舶產(chǎn)品將會(huì)是未來(lái)5年新船訂單的發(fā)展方向。

近年來(lái),提高EEDI第三階段指數(shù)的已實(shí)施或探索中的解決措施主要有采用清潔燃料(液化天然氣)、氣體潤(rùn)滑減阻技術(shù)、風(fēng)帆風(fēng)筒太陽(yáng)能技術(shù)、加裝軸帶發(fā)電機(jī)等[2]。對(duì)于上述技術(shù),除采用液化天然氣燃料和加裝軸帶發(fā)電機(jī)方案略微成熟外,其余技術(shù)均處于起步或小范圍應(yīng)用階段,且技術(shù)大都掌握在國(guó)外廠家手中。國(guó)內(nèi)應(yīng)用,技術(shù)和成本方面都面臨著極大的挑戰(zhàn)。同時(shí),這些技術(shù)涉及船級(jí)社法規(guī)在此領(lǐng)域還處于空白窗口期,應(yīng)用效果缺乏有效評(píng)估手段。軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù),在船舶產(chǎn)品的應(yīng)用時(shí)間更早,相比于采用液化天然氣燃料,技術(shù)更為成熟。加裝軸帶發(fā)電機(jī),對(duì)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小,實(shí)現(xiàn)難度低。同時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)作為一種成熟產(chǎn)品,廠家選擇余地大,利于成本控制。從實(shí)施角度考慮,該方案可行性更高。

選取20萬(wàn)t級(jí)散貨船作為目標(biāo)船型,分析整體布置、結(jié)構(gòu)修改、周圍設(shè)備及舾裝件布置影響、軸系設(shè)計(jì)等,論證軸帶發(fā)電機(jī)在大型船舶上的實(shí)施可行性。

1 軸帶發(fā)電機(jī)主要型式及選型

1.1 船用軸帶發(fā)電機(jī)主要型式

船用軸帶發(fā)電機(jī)總體上可分為兩大類:齒輪箱驅(qū)動(dòng)型和直接驅(qū)動(dòng)型[3]。

1)齒輪箱驅(qū)動(dòng)型。

主機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),常見(jiàn)齒輪箱有恒頻率齒輪箱和增速齒輪箱[4]。

恒頻率齒輪箱:在主機(jī)變轉(zhuǎn)速的工況下通過(guò)機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)速控制使主機(jī)在70%～105%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)的頻率不變。

增速齒輪箱:要求主機(jī)能夠恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行,因此只適用于低速機(jī)帶可調(diào)螺旋槳的貨船,常見(jiàn)于多用途船和冰區(qū)航行的貨船,對(duì)于固定螺旋槳的常規(guī)貨船一般不會(huì)采用。

2)直接驅(qū)動(dòng)型。

由主機(jī)通過(guò)中間軸或曲軸直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電由變頻器控制其電力輸出。曲軸驅(qū)動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)與主機(jī)前端法蘭直接相連。中間軸直接驅(qū)動(dòng)時(shí),中間軸需穿過(guò)電機(jī),即電機(jī)為抱軸式。

1.2 適用于目標(biāo)船型的軸帶發(fā)電機(jī)型式

軸帶發(fā)電機(jī)型式選用依據(jù)機(jī)艙底層空間、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)備及舾裝件布置、冷卻方式等因素綜合考慮而定。

通常情況下,機(jī)艙底層布置非常擁擠,尤其是主機(jī)首部和兩側(cè)可調(diào)空間非常小?；谏鲜鰴C(jī)型特點(diǎn),齒輪箱驅(qū)動(dòng)型全系列,以及直接驅(qū)動(dòng)型的曲軸驅(qū)動(dòng)機(jī)型對(duì)主機(jī)側(cè)面或首部空間需求非常大,故無(wú)法在現(xiàn)有各類大型船舶上進(jìn)行布置。

綜合考慮,選取直接驅(qū)動(dòng)型的抱軸式機(jī)型作為目標(biāo)船型的適配機(jī)型,同時(shí)考慮到電機(jī)冷卻方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便性,選用水冷方式。

1.3 軸帶發(fā)電機(jī)功率選擇

加裝軸帶發(fā)電機(jī)后,原則上可以考慮取消1臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)。對(duì)于常規(guī)燃料,根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū),此系列船型一般配備1臺(tái)900 kW、2臺(tái)1 100 kW主柴油發(fā)電機(jī)或3臺(tái)1 100 kW主柴油發(fā)電機(jī),航行工況下由一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及主要供應(yīng)商產(chǎn)品功率級(jí)別,軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率選擇:1 100 kW,AC450 V,60 Hz。

2 軸帶發(fā)電機(jī)布置

配置軸帶發(fā)電機(jī),尤其是抱軸式軸帶發(fā)電機(jī),在考慮設(shè)備布置方案時(shí)需同步考慮塢修抽軸問(wèn)題[5]。按抽軸型式不同,可分為外抽軸與內(nèi)抽軸兩種。外抽軸指螺旋槳軸自艉軸管艉端向船外抽出,軸聯(lián)接設(shè)計(jì)需采用液壓聯(lián)軸節(jié),抽軸時(shí)需拆舵。內(nèi)抽軸指螺旋槳軸自艉軸管艏端向機(jī)艙內(nèi)抽出,通過(guò)外板工藝孔吊出船外,軸聯(lián)接設(shè)計(jì)采用整鍛法蘭,但機(jī)艙內(nèi)應(yīng)有滿足抽軸的必要空間?？紤]后期塢修時(shí)作業(yè)物量、周期及成本等因素,大型船舶采用內(nèi)抽軸設(shè)計(jì)具有較大優(yōu)勢(shì)。所有分析以加裝水冷型抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)及塢修內(nèi)抽軸為前提。

2.1 軸帶發(fā)電機(jī)布置

大型船舶,大排量主滑油泵以深井泵為最佳選擇,且以布置在主機(jī)后方、中間軸兩側(cè)為主。常規(guī)情況下,主滑油泵在前、中間軸承在后。主滑油出口朝向尾部,與中間軸承基座之間留有2個(gè)肋位間距用以布置主滑油管路。

軸帶發(fā)電機(jī)布置有兩個(gè)選擇,布置在主機(jī)與主滑油泵之間或是布置在主滑油泵與中間軸承之間,兩種布置方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 軸帶發(fā)電機(jī)布置方案對(duì)比

綜上所述,方案一更符合船廠需求。按方案一思路,主機(jī)前移一個(gè)肋位,將首部空間最大化利用。主滑油泵往尾部移2個(gè)肋位,中間軸承維持原位置,整體布置型式見(jiàn)圖1。

圖1 軸帶發(fā)電機(jī)整體布置型式

為實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)、主滑油泵、中間軸承緊湊布置,軸向空間利用最大化,需調(diào)整主滑油泵出口朝向,見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)整后的主滑油管路最優(yōu)布置方案

主滑油泵出口管路圍繞軸帶發(fā)電機(jī)基座布置。管路從基座前方、軸下方穿過(guò),與右舷管路合并。

當(dāng)前船舶尾部線型瘦窄,機(jī)艙底層尾部空間狹窄,綜合飛輪后方空間、通道空間、軸帶發(fā)電機(jī)兩側(cè)各類設(shè)備及舾裝件布置情況,在對(duì)現(xiàn)有線型和結(jié)構(gòu)不進(jìn)行大修改前提下,軸帶發(fā)電機(jī)長(zhǎng)寬尺寸不應(yīng)超過(guò)3 m。

2.2 結(jié)構(gòu)及周圍舾裝件修改

2.2.1 結(jié)構(gòu)修改

主機(jī)前移1個(gè)肋位,主機(jī)凹坑相應(yīng)調(diào)整。同時(shí),凹坑尾部邊界盡可能前移,縮小與主機(jī)飛輪間距離,滿足軸帶發(fā)電機(jī)基座布置需求。主滑油泵后移2個(gè)肋位,滑油循環(huán)艙相應(yīng)修改,尾部艙室配合主機(jī)滑油循環(huán)艙延伸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2.2 周圍舾裝件修改

軸帶發(fā)電機(jī)布置以后,會(huì)擠占較多的管路布置空間。主滑油管路繞軸帶發(fā)電機(jī)基座布置,會(huì)讓該處的管路布置更為擁擠。舷側(cè)管束為規(guī)避主滑油管路,需改向或整體抬高,布置難度提升。主滑油泵后移后,高度方向與滑油分油機(jī)供給泵單元位置有重疊,滑油分油機(jī)位置需要調(diào)整,或是取消單元,兩臺(tái)泵獨(dú)立布置。尾部艙室調(diào)整后,平臺(tái)至底層人孔的直梯通道也需相應(yīng)調(diào)整。

3 軸系設(shè)計(jì)

考慮到建造中軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的后期安裝,以及投入運(yùn)營(yíng)后塢修時(shí)軸的拆裝問(wèn)題,將主機(jī)曲軸法蘭與螺旋槳軸之間的中間聯(lián)接軸設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)子軸與中間軸兩段,且轉(zhuǎn)子軸應(yīng)盡量做短。初步的軸段直徑設(shè)計(jì)中,中間軸保持目標(biāo)船型的原有設(shè)計(jì)不變。因需裝配電極組件,轉(zhuǎn)子軸對(duì)應(yīng)軸段直徑應(yīng)按軸帶發(fā)電機(jī)型號(hào)選取,轉(zhuǎn)子軸其他軸段直徑暫同中間軸直徑,初步軸設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 中間軸、轉(zhuǎn)子軸初步設(shè)計(jì)

與目標(biāo)船型原有軸設(shè)計(jì)對(duì)比可知,差異主要在轉(zhuǎn)子軸處。因轉(zhuǎn)子軸的部分軸段直徑增大且需安裝電極組件,轉(zhuǎn)子軸的實(shí)際重量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均會(huì)大幅增加。這就不可避免影響到工作中軸系各軸段內(nèi)的扭應(yīng)力以及靜態(tài)對(duì)中時(shí)軸系各軸段內(nèi)的彎曲應(yīng)力,因此需通過(guò)扭振計(jì)算、校中計(jì)算對(duì)相關(guān)影響進(jìn)行評(píng)估。

3.1 扭振評(píng)估

基于初步的軸系設(shè)計(jì),結(jié)合主機(jī)資料,建立推進(jìn)軸系的質(zhì)量—彈性當(dāng)量模型,見(jiàn)圖4。扭振計(jì)算中通過(guò)調(diào)整主機(jī)側(cè)的扭振配置(即重飛輪、調(diào)頻輪規(guī)格),進(jìn)而得到相關(guān)計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)圖5～8。

圖4 質(zhì)量-彈性當(dāng)量模型

圖5 主機(jī)曲軸內(nèi)扭應(yīng)力

圖6 轉(zhuǎn)子軸內(nèi)扭應(yīng)力

圖7 中間軸內(nèi)扭應(yīng)力

圖8 螺旋槳軸內(nèi)扭應(yīng)力

分析圖5～8可知,各軸段內(nèi)的扭應(yīng)力均滿足規(guī)范要求及主機(jī)的相關(guān)約束。通過(guò)主機(jī)側(cè)配置適當(dāng)規(guī)格的重飛輪與調(diào)頻輪,可無(wú)需配置扭振減振器。因此,從扭振計(jì)算的角度看,目標(biāo)船型加裝軸帶發(fā)電機(jī)的初步軸系設(shè)計(jì)是可行。

3.2 校中評(píng)估

校中計(jì)算主要是通過(guò)調(diào)整艉管軸承、中間軸承以及柴油機(jī)主軸承之間的垂向相對(duì)偏移,并綜合考慮在不同吃水、螺旋槳?jiǎng)?靜態(tài)、主機(jī)冷/熱態(tài)下等因素影響下的軸承負(fù)荷變化趨勢(shì),得到給定條件下合理的靜態(tài)軸承負(fù)荷分布,并為動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下各軸承負(fù)荷的變化預(yù)留充分的裕度,同時(shí)控制各軸段內(nèi)的彎曲應(yīng)力等在規(guī)范以及主機(jī)要求范圍內(nèi)[6]。然后,通過(guò)艉管斜鏜孔或艉管后軸承斜率設(shè)計(jì)來(lái)控制艉管后軸承處的對(duì)中,不對(duì)中不超過(guò)3×10-4rad。

對(duì)于加裝軸帶發(fā)電機(jī)后的初步軸系設(shè)計(jì),經(jīng)軸承相對(duì)偏移調(diào)整及計(jì)算,得到的最優(yōu)對(duì)中方案,見(jiàn)圖9,各軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力情況見(jiàn)圖10。

圖9 校中后各軸承垂向相對(duì)偏移及軸承負(fù)荷分布

圖10 各軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力

分析圖9、10數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問(wèn)題。

1)按初步設(shè)計(jì)的中間軸直徑,對(duì)應(yīng)規(guī)格的中間軸承額定負(fù)荷317.4 kN,當(dāng)前中間軸承實(shí)際負(fù)荷為280.115 kN,約為其額定負(fù)荷的88.25%,與校中時(shí)中間軸承負(fù)荷不得超其額定負(fù)荷80%的船級(jí)社要求不符,即中間軸承的負(fù)荷裕度不足。

2)轉(zhuǎn)子軸上直徑最小的兩軸段(即初步設(shè)計(jì)中同中間軸直徑的軸段)最大彎曲應(yīng)力約28 MPa,如圖10中彎曲應(yīng)力曲線框注部分,即超過(guò)部分船級(jí)社軸段內(nèi)附加彎曲應(yīng)力20 MPa的限值。

對(duì)于上述問(wèn)題,在分析的基礎(chǔ)上尋求相關(guān)解決方案。

針對(duì)中間軸承負(fù)荷裕度不足問(wèn)題,因中間軸承的額定負(fù)荷與其軸徑、軸瓦長(zhǎng)度及其設(shè)計(jì)比壓均成正比,故理論上主要有3種解決途徑。

1)在保持現(xiàn)軸徑、軸瓦長(zhǎng)度不變的情況下,廠家提供設(shè)計(jì)比壓高于1.35 MPa的中間軸承。

2)在保持現(xiàn)軸徑、設(shè)計(jì)比壓不變的情況下,廠家提供軸瓦加長(zhǎng)且長(zhǎng)度大于508 mm的中間軸承。

3)在保持現(xiàn)設(shè)計(jì)比壓不變的情況下,中間軸直徑增大約7%,對(duì)應(yīng)中間軸承規(guī)格升一檔,軸瓦長(zhǎng)度相應(yīng)加長(zhǎng),但仍可選用廠家標(biāo)準(zhǔn)系列中的中間軸承產(chǎn)品。

綜合考慮上述方案的可行性及成本因素,首選第3個(gè)方案,中間軸直徑增大7%。

針對(duì)轉(zhuǎn)子軸部分軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題,因軸段內(nèi)的彎曲應(yīng)力與其抗彎截面模量,即與軸段直徑的三次方成反比,故在彎矩保持不變情況下,軸徑增大10%,軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力可降低約33%。對(duì)于給定對(duì)中方案,由于各軸段承受的彎矩是定值,要降低轉(zhuǎn)子軸相關(guān)軸段內(nèi)的彎曲應(yīng)力,直接增大軸徑即可高效應(yīng)對(duì)。故結(jié)合圖中彎曲應(yīng)力超規(guī)范限值的幅度,將轉(zhuǎn)子軸直徑最小軸段的直徑增大約10%,可有效降低彎曲應(yīng)力,滿足相關(guān)要求。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化評(píng)估

通過(guò)上述對(duì)初步軸系設(shè)計(jì)的扭振、校中評(píng)估,可得到經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的軸系設(shè)計(jì)。實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,對(duì)優(yōu)化的軸系設(shè)計(jì)進(jìn)行再次評(píng)估,驗(yàn)證相關(guān)優(yōu)化的可行性。

首先,對(duì)于扭振計(jì)算而言,中間軸與轉(zhuǎn)子軸部分軸段直徑有約7%、10%的增加,這會(huì)帶來(lái)對(duì)應(yīng)軸段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加、軸段柔性降低等影響。但由于中間軸與轉(zhuǎn)子軸本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較小,其變動(dòng)對(duì)扭振影響也相對(duì)較小,共振頻率右移及應(yīng)力裕度下降幅度在可接受范圍內(nèi)。由于軸段內(nèi)的扭應(yīng)力與其抗扭截面模量,即與軸段直徑的四次方成反比,優(yōu)化后軸段直徑增大所帶來(lái)的扭應(yīng)力降低趨勢(shì)占主導(dǎo)地位,更有利于降低中間軸、轉(zhuǎn)子軸的扭應(yīng)力,提高扭應(yīng)力裕度。其次,同上文校中評(píng)估分析,軸段直徑增大帶來(lái)軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力的降低也占絕對(duì)主導(dǎo)地位,有利于大幅降低對(duì)應(yīng)軸段內(nèi)的彎曲應(yīng)力。通過(guò)再評(píng)估可知,優(yōu)化后的軸系設(shè)計(jì)可以滿足規(guī)范及主機(jī)廠要求。

綜合扭振、校中評(píng)估與分析,從軸系設(shè)計(jì)的角度考慮,在目標(biāo)船型上加裝抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)可行,其所帶來(lái)軸系修改可控。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初始成本

新增成本主要包括四大部分。

1)設(shè)備差價(jià):取消發(fā)電機(jī)(含SCR)、新增軸帶發(fā)電機(jī)及配套設(shè)備的差價(jià),約57萬(wàn)美元。

2)軸系變更:中間軸型式、尺寸變化引起的重量增加,中間軸承規(guī)格升檔成本,約3.3萬(wàn)美元。

3)船體結(jié)構(gòu)及舾裝:艙室調(diào)整引起構(gòu)件增加、設(shè)備基座、周圍舾裝件新增等,約0.7萬(wàn)美元。

4)設(shè)計(jì)人工成本:約2萬(wàn)美元。

加裝軸帶發(fā)電機(jī)綜合成本約為63萬(wàn)美元。

4.2 成本回收測(cè)算

軸帶發(fā)電機(jī)本身無(wú)滑油消耗,增加軸帶發(fā)電機(jī)后,主機(jī)滑油耗量增加,增加的滑油耗量與取消的主柴油發(fā)電機(jī)耗量大致相當(dāng),故滑油油耗成本可忽略不計(jì)。軸帶發(fā)電機(jī)維護(hù)成本約為2 000美元/20 000 h,也可忽略不計(jì)。因此成本回收主要考慮燃油經(jīng)濟(jì)性。

燃油單日成本估算:

日節(jié)省油量=P×L÷η×SFC×24÷106≈1.11 t/d

式中:P為軸帶發(fā)電機(jī)功率,1 100 kW;L為航行工況下發(fā)電機(jī)負(fù)荷系數(shù),通常取0.85;SFC為節(jié)省單位油耗,發(fā)電機(jī)單位油耗與主機(jī)增加單位油耗差值,42.4 g/(kW·h);

(加裝軸帶發(fā)電機(jī)前,主機(jī)NCR平均油耗:156.1 g/(kW·h);增加軸帶發(fā)電機(jī)后,NCR功率點(diǎn)會(huì)適當(dāng)上調(diào),平均油耗增加約1 g/(kW·h);發(fā)電機(jī)平均油耗:190 g/(kW·h)+5%);η為軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電效率,通常取0.86;日節(jié)省成本=5 000×1.11×0.154≈854.7美元/d。

(燃油價(jià)格:5 000元/t;人民幣、美元匯率取值0.154;油價(jià)及匯率為文章撰寫(xiě)時(shí)數(shù)據(jù),存在波動(dòng)性)

收回成本時(shí)間=630 000÷854.7≈737 d。

船舶實(shí)際運(yùn)行時(shí)間每年約270 d,同時(shí)考慮船舶靠港停車、進(jìn)出港主機(jī)低速運(yùn)行等情況,軸帶發(fā)電機(jī)有效工作時(shí)間約為230 d。

理論收回成本時(shí)間=737÷230≈3.2年。

在船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,從經(jīng)濟(jì)性考慮,絕大多數(shù)船舶會(huì)選擇主機(jī)降功率航行,一般輕載狀態(tài)選擇50%SMCR,滿載狀態(tài)選擇55%SMCR。同時(shí)綜合考慮各種未知因素,以及油價(jià)、匯率的變動(dòng),加裝軸帶發(fā)電機(jī)實(shí)際收回成本時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),一般4～5年更為合理。成本回收周期在船東可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)技術(shù)方案具備實(shí)施可行性。抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)加裝設(shè)計(jì)方案可適應(yīng)現(xiàn)有尾部瘦窄線型船舶,可在不改變線型前提下實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)布置,且相關(guān)修改可控。

2)方案經(jīng)濟(jì)性在可接受范圍內(nèi)。投入成本和成本回收周期均處于合理范圍內(nèi)。

3)當(dāng)前方案仍具有局限性,以下兩方面是未來(lái)新船開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)。

(1)對(duì)船體尾部線型進(jìn)行局部?jī)?yōu)化,適當(dāng)擴(kuò)大軸帶發(fā)電機(jī)安裝區(qū)域的空間。一方面可匹配更多廠家的產(chǎn)品,便于成本控制;另一方面改善軸系的拆裝、檢修施工環(huán)境。

(2)優(yōu)化機(jī)艙前部海水箱、海水管路和各類泵的位置及布置。主機(jī)適當(dāng)前移,確保中間軸承盡可能靠近軸帶發(fā)電機(jī)布置,降低軸系設(shè)計(jì)難度。