大型船舶轴带发电机加装设计.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.大型船舶轴带发电机加装设计王彦房向前王怡李欣周熲(.上海外高桥造船有限公司上海.中国船级社 上海规范研究所上海)摘 要:针对轴带发电机技术在大型船舶应用可行性问题以当前接单数量较高的某吨位级别船型为载体从船型线型、结构特点、轴带发电机型式、布置要求、轴系设计、经济性等方面进行综合分析评估结果表明在不进行大修改前提下抱轴式轴带发电机能很好地适应现有船舶条件现有轴系设计经过可控修改即可满足加装轴带发电机后的技术需求经济性方面成本回收期限在船东可接受范围内轴带发电机技术在大型船舶应用具有较高可行性所提出的解决方案适用于多数船型关键词:轴带发电机机舱布置轴系设计经济性中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:王彦()男学士高级工程师研究方向:船舶轮机设计 关于 强制性要求第 阶段将从 年 月 日开始 目前在建或交付的船舶以满足第二阶段为主这意味着满足 第三阶段的“绿色、环保、节能”型新一代船舶产品将会是未来 年新船订单的发展方向近年来提高 第三阶段指数的已实施或探索中的解决措施主要有采用清洁燃料(液化天然气)、气体润滑减阻技术、风帆风筒太阳能技术、加装轴带发电机等 对于上述技术除采用液化天然气燃料和加装轴带发电机方案略微成熟外其余技术均处于起步或小范围应用阶段且技术大都掌握在国外厂家手中 国内应用技术和成本方面都面临着极大的挑战 同时这些技术涉及船级社法规在此领域还处于空白窗口期应用效果缺乏有效评估手段 轴带发电机技术在船舶产品的应用时间更早相比于采用液化天然气燃料技术更为成熟 加装轴带发电机对结构改动较小实现难度低 同时轴带发电机作为一种成熟产品厂家选择余地大利于成本控制从实施角度考虑该方案可行性更高选取 万 级散货船作为目标船型分析整体布置、结构修改、周围设备及舾装件布置影响、轴系设计等论证轴带发电机在大型船舶上的实施可行性 轴带发电机主要型式及选型.船用轴带发电机主要型式船用轴带发电机总体上可分为两大类:齿轮箱驱动型和直接驱动型)齿轮箱驱动型主机通过齿轮箱驱动发电机常见齿轮箱有恒频率齿轮箱和增速齿轮箱恒频率齿轮箱:在主机变转速的工况下通过机械液压转速控制使主机在 的转速范围内保证发电机的频率不变增速齿轮箱:要求主机能够恒转速运行因此只适用于低速机带可调螺旋桨的货船常见于多用途船和冰区航行的货船对于固定螺旋桨的常规货船一般不会采用)直接驱动型由主机通过中间轴或曲轴直接驱动发电机发电由变频器控制其电力输出 曲轴驱动时发电机与主机前端法兰直接相连 中间轴直接驱动时中间轴需穿过电机即电机为抱轴式.适用于目标船型的轴带发电机型式轴带发电机型式选用依据机舱底层空间、结构型式、设备及舾装件布置、冷却方式等因素综合考虑而定通常情况下机舱底层布置非常拥挤尤其是主机首部和两侧可调空间非常小 基于上述机型特点齿轮箱驱动型全系列以及直接驱动型的曲轴驱动机型对主机侧面或首部空间需求非常大故无法在现有各类大型船舶上进行布置 年第 期王彦等:大型船舶轴带发电机加装设计船海工程第 卷综合考虑选取直接驱动型的抱轴式机型作为目标船型的适配机型同时考虑到电机冷却方案设计简便性选用水冷方式.轴带发电机功率选择加装轴带发电机后原则上可以考虑取消 台主柴油发电机 对于常规燃料根据电力负荷计算书此系列船型一般配备 台 、台 主柴油发电机或 台 主柴油发电机航行工况下由一台发电机工作 根据计算结果及主要供应商产品功率级别轴带发电机输出功率选择:轴带发电机布置配置轴带发电机尤其是抱轴式轴带发电机在考虑设备布置方案时需同步考虑坞修抽轴问题 按抽轴型式不同可分为外抽轴与内抽轴两种 外抽轴指螺旋桨轴自艉轴管艉端向船外抽出轴联接设计需采用液压联轴节抽轴时需拆舵 内抽轴指螺旋桨轴自艉轴管艏端向机舱内抽出通过外板工艺孔吊出船外轴联接设计采用整锻法兰但机舱内应有满足抽轴的必要空间 考虑后期坞修时作业物量、周期及成本等因素大型船舶采用内抽轴设计具有较大优势 所有分析以加装水冷型抱轴式轴带发电机及坞修内抽轴为前提.轴带发电机布置大型船舶大排量主滑油泵以深井泵为最佳选择且以布置在主机后方、中间轴两侧为主 常规情况下主滑油泵在前、中间轴承在后 主滑油出口朝向尾部与中间轴承基座之间留有 个肋位间距用以布置主滑油管路轴带发电机布置有两个选择布置在主机与主滑油泵之间或是布置在主滑油泵与中间轴承之间两种布置方案对比见表 表 轴带发电机布置方案对比类型位置优点缺点方案一 主机与主滑油泵之间 充分利用飞轮后方主机凹坑空间实现空间利用最大化 中间轴承位置无需调整或少调整有利于轴系设计 中间轴承两侧设备、舾装件及下方舱室无需调整或少调整 滑油循环舱需往尾部延伸 个肋位舱容扩大滑油加注量增加方案二 主滑油泵与中间轴承之间 主滑油泵维持原设计滑油循环舱舱容不变主滑油泵与主机飞轮间空间无法充分利用中间轴承需往后移 个肋位轴系设计难度大轴带发电机两侧为强框结构设备与结构间空间有限轴带发电机下方舱室需要较大调整原中间轴承两侧设备需要大幅调整 综上所述方案一更符合船厂需求 按方案一思路主机前移一个肋位将首部空间最大化利用 主滑油泵往尾部移 个肋位中间轴承维持原位置整体布置型式见图 图 轴带发电机整体布置型式为实现轴带发电机、主滑油泵、中间轴承紧凑布置轴向空间利用最大化需调整主滑油泵出口朝向见图 图 调整后的主滑油管路最优布置方案主滑油泵出口管路围绕轴带发电机基座布置 管路从基座前方、轴下方穿过与右舷管路合并当前船舶尾部线型瘦窄机舱底层尾部空间狭窄综合飞轮后方空间、通道空间、轴带发电机两侧各类设备及舾装件布置情况在对现有线型和结构不进行大修改前提下轴带发电机长宽尺 年第 期王彦等:大型船舶轴带发电机加装设计船海工程第 卷寸不应超过 .结构及周围舾装件修改.结构修改主机前移 个肋位主机凹坑相应调整 同时凹坑尾部边界尽可能前移缩小与主机飞轮间距离满足轴带发电机基座布置需求 主滑油泵后移 个肋位滑油循环舱相应修改尾部舱室配合主机滑油循环舱延伸进行适当调整.周围舾装件修改轴带发电机布置以后会挤占较多的管路布置空间 主滑油管路绕轴带发电机基座布置会让该处的管路布置更为拥挤 舷侧管束为规避主滑油管路需改向或整体抬高布置难度提升 主滑油泵后移后高度方向与滑油分油机供给泵单元位置有重叠滑油分油机位置需要调整或是取消单元两台泵独立布置 尾部舱室调整后平台至底层人孔的直梯通道也需相应调整 轴系设计考虑到建造中轴带发电机转子轴的后期安装以及投入运营后坞修时轴的拆装问题将主机曲轴法兰与螺旋桨轴之间的中间联接轴设计成转子轴与中间轴两段且转子轴应尽量做短初步的轴段直径设计中中间轴保持目标船型的原有设计不变 因需装配电极组件转子轴对应轴段直径应按轴带发电机型号选取转子轴其他轴段直径暂同中间轴直径初步轴设计见图 图 中间轴、转子轴初步设计与目标船型原有轴设计对比可知差异主要在转子轴处 因转子轴的部分轴段直径增大且需安装电极组件转子轴的实际重量与转动惯量均会大幅增加 这就不可避免影响到工作中轴系各轴段内的扭应力以及静态对中时轴系各轴段内的弯曲应力因此需通过扭振计算、校中计算对相关影响进行评估.扭振评估基于初步的轴系设计结合主机资料建立推进轴系的质量弹性当量模型见图 扭振计算中通过调整主机侧的扭振配置(即重飞轮、调频轮规格)进而得到相关计算结果见图 分析图 可知各轴段内的扭应力均满足规范要求及主机的相关约束 通过主机侧配置适当规格的重飞轮与调频轮可无需配置扭振减振图 质量弹性当量模型图 主机曲轴内扭应力图 转子轴内扭应力 年第 期王彦等:大型船舶轴带发电机加装设计船海工程第 卷图 中间轴内扭应力图 螺旋桨轴内扭应力器 因此从扭振计算的角度看目标船型加装轴带发电机的初步轴系设计是可行.校中评估校中计算主要是通过调整艉管轴承、中间轴承以及柴油机主轴承之间的垂向相对偏移并综合考虑在不同吃水、螺旋桨动/静态、主机冷/热态下等因素影响下的轴承负荷变化趋势得到给定条件下合理的静态轴承负荷分布并为动态运行工况下各轴承负荷的变化预留充分的裕度同时控制各轴段内的弯曲应力等在规范以及主机要求范围内 然后通过艉管斜镗孔或艉管后轴承斜率设计来控制艉管后轴承处的对中不对中不超过 对于加装轴带发电机后的初步轴系设计经轴承相对偏移调整及计算得到的最优对中方案见图 各轴段内弯曲应力情况见图 分析图、数据发现存在两个问题)按初步设计的中间轴直径对应规格的中间轴承额定负荷.当前中间轴承实际负荷为.约为其额定负荷的.与校中时中间轴承负荷不得超其额定负荷 的船级社要求不符即中间轴承的负荷裕度不足)转子轴上直径最小的两轴段(即初步设计图 校中后各轴承垂向相对偏移及轴承负荷分布图 各轴段内弯曲应力中同 中 间 轴 直 径 的 轴 段)最 大 弯 曲 应 力 约 如图 中弯曲应力曲线框注部分即超过部分船级社轴段内附加弯曲应力 的限值对于上述问题在分析的基础上寻求相关解决方案针对中间轴承负荷裕度不足问题因中间轴承的额定负荷与其轴径、轴瓦长度及其设计比压均成正比故理论上主要有 种解决途径)在保持现轴径、轴瓦长度不变的情况下厂家提供设计比压高于.的中间轴承)在保持现轴径、设计比压不变的情况下厂家提供轴瓦加长且长度大于 的中间轴承)在保持现设计比压不变的情况下中间轴直径增大约 对应中间轴承规格升一档轴瓦长度相应加长但仍可选用厂家标准系列中的中间轴承产品综合考虑上述方案的可行性及成本因素首选第 个方案中间轴直径增大 针对转子轴部分轴段内弯曲应力过大问题因轴段内的弯曲应力与其抗弯截面模量即与轴段直径的三次方成反比故在弯矩保持不变情况下轴径增大 轴段内弯曲应力可降低约 对于给定对中方案由于各轴段承受的弯 年第 期王彦等:大型船舶轴带发电机加装设计船海工程第 卷矩是定值要降低转子轴相关轴段内的弯曲应力直接增大轴径即可高效应对 故结合图中弯曲应力超规范限值的幅度将转子轴直径最小轴段的直径增大约 可有效降低弯曲应力满足相关要求.设计优化评估通过上述对初步轴系设计的扭振、校中评估可得到经过优化后的轴系设计 实际项目设计中对优化的轴系设计进行再次评估验证相关优化的可行性首先对于扭振计算而言中间轴与转子轴部分轴段直径有约、的增加这会带来对应轴段转动惯量的增加、轴段柔性降低等影响 但由于中间轴与转子轴本身转动惯量相对较小其变动对扭振影响也相对较小共振频率右移及应力裕度下降幅度在可接受范围内 由于轴段内的扭应力与其抗扭截面模量即与轴段直径的四次方成反比优化后轴段直径增大所带来的扭应力降低趋势占主导地位更有利于降低中间轴、转子轴的扭应力提高扭应力裕度 其次同上文校中评估分析轴段直径增大带来轴段内弯曲应力的降低也占绝对主导地位有利于大幅降低对应轴段内的弯曲应力 通过再评估可知优化后的轴系设计可以满足规范及主机厂要求综合扭振、校中评估与分析从轴系设计的角度考虑在目标船型上加装抱轴式轴带发电机可行其所带来轴系修改可控 经济性分析.初始成本新增成本主要包括四大部分)设备差价:取消发电机(含)、新增轴带发电机及配套设备的差价约 万美元)轴系变更:中间轴型式、尺寸变化引起的重量增加中间轴承规格升档成本约.万美元)船体结构及舾装:舱室调整引起构件增加、设备基座、周围舾装件新增等约.万美元)设计人工成本:约 万美元加装轴带发电机综合成本约为 万美元.成本回收测算轴带发电机本身无滑油消耗增加轴带发电机后主机滑油耗量增加增加的滑油耗量与取消的主柴油发电机耗量大致相当故滑油油耗成本可忽略不计 轴带发电机维护成本约为 美元/也可忽略不计 因此成本回收主要考虑燃油经济性燃油单日成本估算:日节省油量 ./式中:为轴带发电机功率 为航行工况下发电机负荷系数通常取.为节省单位油耗发电机单位油耗与主机增加单位油耗差值./()(加装轴带发电机前主机 平均油耗:./()增加轴带发电机后 功率点会适当上调平均油耗增加约 /()发电机平均油耗:/()为轴带发电机发电效率通常取.日节省成本 .美元/(燃油价格:元/人民币、美元汇率取值.油价及汇率为文章撰写时数据存在波动性)收回成本时间 .船