劳斯莱斯轴带电机的应用及其优越性

郑文军，聂延生



劳斯莱斯轴带电机的应用及其优越性

郑文军，聂延生

（大连海事大学，大连 116026）

本文首先对船舶轴带发电机的定义和类型进行了简述。在此基础上，主要介绍了劳斯莱斯轴带电机（Hybrid Shaft Generator，HSG）的概念、结构特点、工作模式和优越性。最后对该类型轴带电机的适用范围、经济效益等方面的问题进行了探讨和研究。

轴带发电机 轴带电机 效率最大化 经济节能

0 引言

由船舶主机驱动的发电机称为船舶轴带发电机。轴带发电机是从汽车发电机移植过来的，早就在小船和快艇上使用。自70年代初，轴带发电机系统开始装船，至今已近40年的发展历史。为了充分利用船舶主机10-15%的功率储备裕量，达到经济节能的目的，轴带发电机在船舶上得到了越来越广泛的应用，主要应用于大、中型集装箱船上。

船舶轴带发电机主要分为两种类型：其一，变螺距螺旋桨（CPP）船舶的轴带发电机。船舶航行在不同海况下时，通过调节螺旋桨螺距，可以保证主机转速恒定不变。此时主机经过齿轮变速机构与轴带发电机相连，驱动轴带发电机。其效果同普通柴油发电机一样。其二，定螺距螺旋桨（FPP）船舶的轴带发电机。船舶主机转速按航行或作业的需要随时变化。此时轴带发电机发出的电压和频率将随着转速的变化而变化，这种电能是无法直接供给电网使用的，必须通过中间环节（变频装置），把变化的频率转变成稳定的频率才能供给船舶使用。

随着电力电子与控制技术的飞速发展，劳斯莱斯公司生产出带有轴带电机变频器（HSG drive）的轴带发电机，可以称之为轴带电机。与传统轴带发电机不同的是，劳斯莱斯轴带电机是一个先进的两用系统，具有发电机和电动机两种基本的工作方式。一方面，既可以由主机驱动发电，部分或全部替代船舶柴油发电机，另一方面可作为电动机从主配电板吸收能量驱动螺旋桨。

1 劳斯莱斯轴带电机技术现状

如图1所示，与传统的轴带发电机相比，劳斯莱斯轴带电机具有以下结构特点。采用轴带电机变频器，无需同步补偿器，整体结构简单紧凑;采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）,从而实现能量双向导通，轴带电机既可以按发电机工作方式工作，电力输出，又可以按电动机工作方式工作，动力输出。

通过改变轴带电机的工作方式，轴带电机能够在五种不同模式之间快速地切换。在此过程中，不同的模式可以确保船舶主推进柴油机和螺旋桨效率保持最大化。

1) 助推模式（boost mode）

该模式充分利用了船舶上的所有能源，包括船舶发电机组提供的部分电能。在助推模式下，轴带电机按电动机工作方式与船舶主机并联工作，一同为螺旋桨提供动力。这种模式是为了船舶达到最高航速而设置的。它主要用在以下几种情况:由于某种原因，需要增加船舶的推进功率，改善船舶的机动性和操纵性，例如恶劣气候和海况，避台风，赶航期等;船舶主推进柴油机由于某种原因，输出功率不足。

目前，采用减速齿轮箱传动的轴带电机系统，几乎都具有这一功能。

2) 柴电模式（diesel electric mode）

柴电模式又称PTI模式（power take in mode）。在柴电模式下，船舶主推进柴油机通过离合器与减速齿轮箱断开。轴带电机吸收船舶柴油发电机组提供的电能，按电动机工作方式工作，从而单独驱动螺旋桨。

这种模式，基于传统的轴带发电机系统，无需更多的投入，成本低，附加设备少，操作方便，较大幅度地提高了船舶(尤其是单变距桨船舶)的可靠性、安全性和机动性。主要体现在保证船舶始终可以处于航行或立即投入航行状态。比方说，当船舶航行中船舶主推进柴油机发生故障时，仍然可以保证船舶航行，进行PTH（power take home），迅速寻找附近港口抢修，避免漂航可能遇到的危险。当船舶装卸货尤其是装卸危险货物出现紧急情况，码头管理当局要求船舶立即离开码头时，如果船舶主机正在维修而无法立即使用，可以保证立即执行码头当局的要求。对于长时间等待靠港的、船舶主推进柴油机一直工作在低负荷情况下的船舶，柴电模式是一种经济的工作模式。

3) 航行模式（transit mode）

航行模式又称PTO模式（power take out），也就是传统的轴带发电机工作模式。它常用于使螺旋桨效率最大化。具有缩减燃油、润滑油及维护保养费用，增强电力供应能力，减少管理人员数量，降低发电噪音等优点。此处不再赘述。

4) 并联模式（parallel mode）

因为不具备良好的调速特性，传统的轴带发电机不能与船舶电网上的柴油发电机长时间并联运行，只能短时换机时使用。然而劳斯莱斯轴带电机通过轴带电机变频器，能够突破此项限制。该模式下只需运行船舶主推进柴油机和一台柴油发电机。轴带电机按发电机工作方式与一台柴油发电机并联工作，共同为全船提供电力。同时，主机的转速可以按航行或作业的需要不断的变化，以使螺旋桨效率达到最大化。这是一种高效率的工作模式。

5) 岸电模式（shore connection mode）

顾名思义，岸电模式是指在船舶靠港，接入岸电时使用。众所周知，在不同的国家，港口提供的岸电频率不同，发达国家常用60 HZ,如美国、英国和日本。其他国家常用50 HZ。与此同时，不同的船舶，由于建造的地点不同，常用的电网频率也各不一样。故岸电频率与船舶电网频率不匹配的情况时常发生。

劳斯莱斯轴带电机通过轴带电机变频器的转换功能，可以避免此类限制。比如在我国，港口提供的岸电频率是50 HZ，有些国外建造的船舶无法直接使用。那么通过轴带电机变频器，可将岸电频率转换为60 HZ。值得一提的是，在切换的过程中，轴带电机变频器还具有避免全船失电的功能。此功能无异于对驾驶台电罗经的使用有很大帮助。驾驶台电罗经断电后起动需要很长时间，若在港口失电，无论对驾驶人员还是船东均会带来很大影响。因此，船舶不必开启任何一台柴油发电机。劳斯莱斯轴带电机右下述优点：

1) 灵活多变的工作模式；轴带电机具有两种基本工作方式，五种工作模式。当按电动机方式工作时，既可以在紧急情况下单独驱动螺旋桨工作，又可以与船舶主机并联工作，为船舶提供更大的动力。

当按发电机方式工作时，它不但可以单独供电，还可以通过轴带电机变频器，与船舶柴油发电机长时间并联工作，为全船提供电力。

2) 减少燃油的消耗；

3) 延长船舶柴油机的使用寿命和平均无故障工作时间；

2 结束语

安装劳斯莱斯轴带电机后，船舶的可操作性大幅增加，生命力得到强化。船舶冗余度得到改善，安全性整体提高对于经常待命、锚机间歇性工作以及需要辅助推进系统的船舶，特别是近海船舶，如穿梭油轮、打捞救助船舶等，安装轴带电机是明智的选择。

[1] 李亮. 船舶轴带发电机的发展与新方法的研究，船电技术，2005, (5).

[2] 聂延生. 船舶轴带电机及其PTO_PTI工作方式的原理和应用，航海技术，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

郑文军（1987-），男，硕士。研究方向：轮机自动化。