船舶主机轴带发电机装置现状分析

陈猷亮

摘要：随着国家经济不断的发展，节能环保越来越重要。船方从节约运输成本的目的出发，主机轴带发电机设备也在实船上得到了广泛的使用。鉴于此，本文是对船舶主机轴带发电机的现状进行分析，仅供参考。

关键词：船舶；轴带发电机；现状

引言：近10年来，作者参加了近100多艘船舶的审图和检验工作，对船上安装的主机轴带发电机有一定的了解。目前，大部分船舶的主机轴带发电机虽然在节能环保方面起到了一定的作用，但离国家目前的法律法规的仍有较大的差距，即主机轴带发电机的可靠性有待进一步研究。本文通过国家法律法规对主机轴带发电机的要求以及实际的情况进行分析探讨。

一、主机轴带发电机装置的组成及优缺点

故名思议，主机轴带发电机系统是由船舶主机驱动发电机发电的系统。船舶主机轴带发电机装置一般由驱动发电机的船舶主机、变速装置、发电机、恒压装置组成。其主要优点有：（1）由于船舶主机采用价格低廉的燃油作为燃料，其热效率高，因而经济性好；（2）船舶航行时，机舱内只有主机运行，故降低了机舱的温度和噪音，改善了机舱的环境；（3）轴带发电机组的维修工作量少，维修费用降低。该系统也存在一些缺点：（1）轴带发电机只能在船舶定速航行，且转速在80%-105%的额定转速范围内使用；（2）对于中低速柴油机，为保证电压及其频率的恒定，轴带发电机的控制系统变得比较复杂；（3）前期投资费用较高。

二、主机轴带发电机的主要形式

船舶轴带发电机可分为直流和交流两种，船舶主机系统分为变螺距和定螺距的主机，本文根据目前船舶大多数的使用情况，主要讨论定螺距桨的主机轴带交流发电机。主要有一下5种形式：

1、采用变流机组稳定供电频率。将轴带发电机发出的频率可变的交流电，经可控整流后向直流电动机供电，由直流电动机拖动另一台三相交流同步发电机发电，经自动电压调节器调节后，向电网提供电压、频率恒定的交流电。

2、采用行星齿轮传动装置。该装置的输入轴与主机相联，在液压控制系统的作用下，通过对行星齿轮的附加转动，使与发电机相联的输出轴的转速维持恒定，从而保证交流发电机的电压、频率不受主机转速变化的影响。

3、采用整流-逆变作中间环节的系统。轴带发电机发出的非恒定的交流电经整流器整流后，供给晶闸管三相逆变器，变换为频率恒定的三相交流电。同时，使用同步补偿机提供负载所需的无功功率。

4、采用轴带异步发电机系统。轴带发电机采用绕线式异步发电机，其转子转速正常情况下应保持略高于同步转速，转子绕组产生的电能通过整流器供给直流电动机，直流电动机再以同步转速驱动同步发电机。电压和频率取决于直流电动机的转速，与主机无关。电网电压有同步发电机的自动电压调节器调节，频率通过调节直流电动机的电压或励磁来维持恒定。

5、采用电磁滑差离合器恒速轴带发电机系统。电磁滑差离合器有两个盘，从动盘接发电机的转子，主动盘经增速齿轮与主机主轴相联。党主动盘的转速变化是，只要控制从动盘磁极的励磁电流，就可保持从动盘以恒速运转，从而保证输出恒频率的交流电。

无论采用何种模式，归根结底都是通过某种方式，使非恒速运转的主机所驱动的发电机能够发出恒定频率和电压的三相交流电，接入船舶电网后，共用电设备正常使用。

三、目前船舶安装主机轴带发电机的形式及优缺点分析

笔者通过近10年的船舶电气方面的检验工作发现，目前船舶所使用的轴带发电机的形式非常简单。3000吨以上船舶，主要使用主机自由端连接普通变速齿轮箱，再连接三相同步发电机组成；1000吨左右船舶，采用主机自由端直接通过皮带传动三相同步发电机组成。三相交流电的电压通过一个恒压装置来调节。上述系统的主要优点是：（1）结构简单，（2）初期安装费用较低，（3）维护方便快捷。主要缺点是：（1）轴带发电机的使用范围受到较大的限制，（2）轴带发电机并入船舶电网后，须考虑与其他发电设备的连锁及转换，（3）电气设备易受损坏。

采用这样的形式，很大程度地限制了船舶主机轴带发电机的使用范围。根据公式：f=nP/60可知，三相交流电的频率与发电机的转速n和极对数P成正比，在极对数固定的情况下，频率与转速n成正比。在不考虑滑动损失等情况下，皮带传动的轴带发电机频率：f1=NP/60（N为主机转速），变速齿轮箱传动的轴带发电机频率：f2==NiP/60（N为主机转速，i为变速齿轮箱的传动比）。从以上两式可知，主机轴带发电机的频率曲线与主机的转速曲线一致。当主机在航行过程中波动时，轴带发电机发出的三相交流电的频率随之波动。

下面，我们以船舶法规对船舶发电机组三相交流电频率的要求范围为标准，以目前5000吨船舶，中速主机轴带发电机为例，对船舶轴带发电机进行分析。

主机额定转速为525r/min，轴带发电机齿轮箱减速比为3：1，发电机额定转速1500r/min，极对数为2，额定电压400v，额定频率50Hz。

目前法律法规允许的稳态频率波动范围为：50Hz±5%，也即47.5Hz-52.5Hz，根据公式：f2==NiP/60，可以计算出，主机转速的范围为：475-525r/min。也即是说，主机转速在475-525r/min范围波动时，主机轴带发电机所发出的三相交流电的频率才能满足法规要求。当主机转速低于475r/min时，轴带发电机的可靠性是无法保障的。对于瞬态频率波动，更难确保，主机的主要用途是用于船舶推进服务的，航行过程中的情况瞬息万变，为了处理紧急情况，紧急减速停车的情况也时有发生，此时主机转速可能低至200r/min左右。此时发电机发出的三相交流电频率为30Hz，对主机轴带发电机供电的所有设备带来不良影响，特别是重要设备可能停机，导致安全事故。

四、船舶安装轴带发电机的几点建议

根据《国内航行海船建造规范》（2015）第4篇第2章2.1.2.2的要求（船长20m及以上船舶），主推进装置驱动的发电机和/或发电机系统，不作为主电源的组成部分，如满足下列条件，则可用来向船舶航行时正常操作和起居条件所需的电气设备供电。（1）设有足够的容量的备用电源；（2）频率变化超过（稳态频率±5.5%，瞬态频率波动±11%（5s））时，应按规定自动启动至少一台发电机组；（3）电压、频率波动符合相关法规要求；（4）发电机或发电机系统的短路电流足以使发电机断路器脱扣；（5）自动卸载因符合相关法规要求；（6）在设有驾驶室遥控推进装置的船舶上，应提供措施或程序，以确保在操纵工况下向重要设备供电，从而避免船舶失电。根据《沿海小型船舶检验技术规则》（2016）第5章5.2.1.4的要求（船长小于20m船舶），对于正常航行其全船动力设备不依靠电力供电的船舶，可设置主机轴带发电机和蓄电池作为电源，轴带发电机的容量应能向船舶所需的所有电气设备供电，蓄电池组的容量应在与整个航程相适应的时间（最低不小于3h）内，保证对船舶的照明、通信和信号设备等维持船舶安全航行所必需的用电设备供电。

根据法规要求和实际情况，船舶要正常使用轴带发电机，建议如下：（1）20m及以上船舶主机轴带发电机不能作为船舶的主电源的组成部分，在《电力负荷计算书》中不能用主机轴带发电机的容量来代替任何航行需要使用的发电机组；（2）船舶匀速航行使用轴带发电机供电时，必须保证断路器脱扣后、频率超过极限值时自动启动其他发电机组的可靠性，以确保船舶不存在失电的风险；（3）应在船舶操作手册或电气图纸中增加轴带发电机的使用要求和使用范围；（4）小于20m的船舶使用主机轴带发电机作为主电源时，一定要确保蓄电池的容量能够满足法规的要求。

五、结束语

综上所述，船舶主机轴带发电机在船舶营运过程中起到了很好的经济、节能、环保作用，但其可靠性、实用性和安全性，以及使用的时机和范围值得我们进一步去研究和探索。船舶使用人员、检验人员以及法规编写人员都应引起高度重视，不断总结经验教训，提高船舶主机轴带发电机的使用效率。

参考文献：

[1]《船舶电气设备及系统》（大连海事大学出版社（1998））

[2]《国内航行海船建造规范》（2015）

[3]《沿海小型船舶检验技术规则》（2016）

[4]《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）

[5]《船舶设计实用手册》（电气分册）