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.中國船級社 上海規(guī)范研究所,上海 200135)

IMO關于EEDI強制性要求第3階段將從2025年1月1日開始[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)品將會是未來5年新船訂單的發(fā)展方向。

近年來,提高EEDI第三階段指數(shù)的已實施或探索中的解決措施主要有采用清潔燃料(液化天然氣)、氣體潤滑減阻技術、風帆風筒太陽能技術、加裝軸帶發(fā)電機等[2]。對于上述技術,除采用液化天然氣燃料和加裝軸帶發(fā)電機方案略微成熟外,其余技術均處于起步或小范圍應用階段,且技術大都掌握在國外廠家手中。國內應用,技術和成本方面都面臨著極大的挑戰(zhàn)。同時,這些技術涉及船級社法規(guī)在此領域還處于空白窗口期,應用效果缺乏有效評估手段。軸帶發(fā)電機技術,在船舶產(chǎn)品的應用時間更早,相比于采用液化天然氣燃料,技術更為成熟。加裝軸帶發(fā)電機,對結構改動較小,實現(xiàn)難度低。同時軸帶發(fā)電機作為一種成熟產(chǎn)品,廠家選擇余地大,利于成本控制。從實施角度考慮,該方案可行性更高。

選取20萬t級散貨船作為目標船型,分析整體布置、結構修改、周圍設備及舾裝件布置影響、軸系設計等,論證軸帶發(fā)電機在大型船舶上的實施可行性。

1 軸帶發(fā)電機主要型式及選型

1.1 船用軸帶發(fā)電機主要型式

船用軸帶發(fā)電機總體上可分為兩大類:齒輪箱驅動型和直接驅動型[3]。

1)齒輪箱驅動型。

主機通過齒輪箱驅動發(fā)電機,常見齒輪箱有恒頻率齒輪箱和增速齒輪箱[4]。

恒頻率齒輪箱:在主機變轉速的工況下通過機械-液壓轉速控制使主機在70%～105%的轉速范圍內保證發(fā)電機的頻率不變。

增速齒輪箱:要求主機能夠恒轉速運行,因此只適用于低速機帶可調螺旋槳的貨船,常見于多用途船和冰區(qū)航行的貨船,對于固定螺旋槳的常規(guī)貨船一般不會采用。

2)直接驅動型。

由主機通過中間軸或曲軸直接驅動發(fā)電機發(fā)電由變頻器控制其電力輸出。曲軸驅動時,發(fā)電機與主機前端法蘭直接相連。中間軸直接驅動時,中間軸需穿過電機,即電機為抱軸式。

1.2 適用于目標船型的軸帶發(fā)電機型式

軸帶發(fā)電機型式選用依據(jù)機艙底層空間、結構型式、設備及舾裝件布置、冷卻方式等因素綜合考慮而定。

通常情況下,機艙底層布置非常擁擠,尤其是主機首部和兩側可調空間非常小?；谏鲜鰴C型特點,齒輪箱驅動型全系列,以及直接驅動型的曲軸驅動機型對主機側面或首部空間需求非常大,故無法在現(xiàn)有各類大型船舶上進行布置。

綜合考慮,選取直接驅動型的抱軸式機型作為目標船型的適配機型,同時考慮到電機冷卻方案設計簡便性,選用水冷方式。

1.3 軸帶發(fā)電機功率選擇

加裝軸帶發(fā)電機后,原則上可以考慮取消1臺主柴油發(fā)電機。對于常規(guī)燃料,根據(jù)電力負荷計算書,此系列船型一般配備1臺900 kW、2臺1 100 kW主柴油發(fā)電機或3臺1 100 kW主柴油發(fā)電機,航行工況下由一臺發(fā)電機工作。根據(jù)計算結果及主要供應商產(chǎn)品功率級別,軸帶發(fā)電機輸出功率選擇:1 100 kW,AC450 V,60 Hz。

2 軸帶發(fā)電機布置

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

2.1 軸帶發(fā)電機布置

大型船舶,大排量主滑油泵以深井泵為最佳選擇,且以布置在主機后方、中間軸兩側為主。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個肋位間距用以布置主滑油管路。

軸帶發(fā)電機布置有兩個選擇,布置在主機與主滑油泵之間或是布置在主滑油泵與中間軸承之間,兩種布置方案對比見表1。

表1 軸帶發(fā)電機布置方案對比

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

圖1 軸帶發(fā)電機整體布置型式

為實現(xiàn)軸帶發(fā)電機、主滑油泵、中間軸承緊湊布置,軸向空間利用最大化,需調整主滑油泵出口朝向,見圖2。

圖2 調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)電機基座布置。管路從基座前方、軸下方穿過,與右舷管路合并。

當前船舶尾部線型瘦窄,機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)電機兩側各類設備及舾裝件布置情況,在對現(xiàn)有線型和結構不進行大修改前提下,軸帶發(fā)電機長寬尺寸不應超過3 m。

2.2 結構及周圍舾裝件修改

2.2.1 結構修改

主機前移1個肋位,主機凹坑相應調整。同時,凹坑尾部邊界盡可能前移,縮小與主機飛輪間距離,滿足軸帶發(fā)電機基座布置需求。主滑油泵后移2個肋位,滑油循環(huán)艙相應修改,尾部艙室配合主機滑油循環(huán)艙延伸進行適當調整。

2.2.2 周圍舾裝件修改

軸帶發(fā)電機布置以后,會擠占較多的管路布置空間。主滑油管路繞軸帶發(fā)電機基座布置,會讓該處的管路布置更為擁擠。舷側管束為規(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供給泵單元位置有重疊,滑油分油機位置需要調整,或是取消單元,兩臺泵獨立布置。尾部艙室調整后,平臺至底層人孔的直梯通道也需相應調整。

3 軸系設計

考慮到建造中軸帶發(fā)電機轉子軸的后期安裝,以及投入運營后塢修時軸的拆裝問題,將主機曲軸法蘭與螺旋槳軸之間的中間聯(lián)接軸設計成轉子軸與中間軸兩段,且轉子軸應盡量做短。初步的軸段直徑設計中,中間軸保持目標船型的原有設計不變。因需裝配電極組件,轉子軸對應軸段直徑應按軸帶發(fā)電機型號選取,轉子軸其他軸段直徑暫同中間軸直徑,初步軸設計見圖3。

圖3 中間軸、轉子軸初步設計

與目標船型原有軸設計對比可知,差異主要在轉子軸處。因轉子軸的部分軸段直徑增大且需安裝電極組件,轉子軸的實際重量與轉動慣量均會大幅增加。這就不可避免影響到工作中軸系各軸段內的扭應力以及靜態(tài)對中時軸系各軸段內的彎曲應力,因此需通過扭振計算、校中計算對相關影響進行評估。

3.1 扭振評估

基于初步的軸系設計,結合主機資料,建立推進軸系的質量—彈性當量模型,見圖4。扭振計算中通過調整主機側的扭振配置(即重飛輪、調頻輪規(guī)格),進而得到相關計算結果,見圖5～8。

圖4 質量-彈性當量模型

圖5 主機曲軸內扭應力

圖6 轉子軸內扭應力

圖7 中間軸內扭應力

圖8 螺旋槳軸內扭應力

分析圖5～8可知,各軸段內的扭應力均滿足規(guī)范要求及主機的相關約束。通過主機側配置適當規(guī)格的重飛輪與調頻輪,可無需配置扭振減振器。因此,從扭振計算的角度看,目標船型加裝軸帶發(fā)電機的初步軸系設計是可行。

3.2 校中評估

校中計算主要是通過調整艉管軸承、中間軸承以及柴油機主軸承之間的垂向相對偏移,并綜合考慮在不同吃水、螺旋槳動/靜態(tài)、主機冷/熱態(tài)下等因素影響下的軸承負荷變化趨勢,得到給定條件下合理的靜態(tài)軸承負荷分布,并為動態(tài)運行工況下各軸承負荷的變化預留充分的裕度,同時控制各軸段內的彎曲應力等在規(guī)范以及主機要求范圍內[6]。然后,通過艉管斜鏜孔或艉管后軸承斜率設計來控制艉管后軸承處的對中,不對中不超過3×10-4rad。

對于加裝軸帶發(fā)電機后的初步軸系設計,經(jīng)軸承相對偏移調整及計算,得到的最優(yōu)對中方案,見圖9,各軸段內彎曲應力情況見圖10。

圖9 校中后各軸承垂向相對偏移及軸承負荷分布

圖10 各軸段內彎曲應力

分析圖9、10數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)存在兩個問題。

1)按初步設計的中間軸直徑,對應規(guī)格的中間軸承額定負荷317.4 kN,當前中間軸承實際負荷為280.115 kN,約為其額定負荷的88.25%,與校中時中間軸承負荷不得超其額定負荷80%的船級社要求不符,即中間軸承的負荷裕度不足。

2)轉子軸上直徑最小的兩軸段(即初步設計中同中間軸直徑的軸段)最大彎曲應力約28 MPa,如圖10中彎曲應力曲線框注部分,即超過部分船級社軸段內附加彎曲應力20 MPa的限值。

對于上述問題,在分析的基礎上尋求相關解決方案。

針對中間軸承負荷裕度不足問題,因中間軸承的額定負荷與其軸徑、軸瓦長度及其設計比壓均成正比,故理論上主要有3種解決途徑。

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

2)在保持現(xiàn)軸徑、設計比壓不變的情況下,廠家提供軸瓦加長且長度大于508 mm的中間軸承。

3)在保持現(xiàn)設計比壓不變的情況下,中間軸直徑增大約7%,對應中間軸承規(guī)格升一檔,軸瓦長度相應加長,但仍可選用廠家標準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個方案,中間軸直徑增大7%。

針對轉子軸部分軸段內彎曲應力過大問題,因軸段內的彎曲應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%,軸段內彎曲應力可降低約33%。對于給定對中方案,由于各軸段承受的彎矩是定值,要降低轉子軸相關軸段內的彎曲應力,直接增大軸徑即可高效應對。故結合圖中彎曲應力超規(guī)范限值的幅度,將轉子軸直徑最小軸段的直徑增大約10%,可有效降低彎曲應力,滿足相關要求。

3.3 設計優(yōu)化評估

通過上述對初步軸系設計的扭振、校中評估,可得到經(jīng)過優(yōu)化后的軸系設計。實際項目設計中,對優(yōu)化的軸系設計進行再次評估,驗證相關優(yōu)化的可行性。

首先,對于扭振計算而言,中間軸與轉子軸部分軸段直徑有約7%、10%的增加,這會帶來對應軸段轉動慣量的增加、軸段柔性降低等影響。但由于中間軸與轉子軸本身轉動慣量相對較小,其變動對扭振影響也相對較小,共振頻率右移及應力裕度下降幅度在可接受范圍內。由于軸段內的扭應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的扭應力降低趨勢占主導地位,更有利于降低中間軸、轉子軸的扭應力,提高扭應力裕度。其次,同上文校中評估分析,軸段直徑增大帶來軸段內彎曲應力的降低也占絕對主導地位,有利于大幅降低對應軸段內的彎曲應力。通過再評估可知,優(yōu)化后的軸系設計可以滿足規(guī)范及主機廠要求。

綜合扭振、校中評估與分析,從軸系設計的角度考慮,在目標船型上加裝抱軸式軸帶發(fā)電機可行,其所帶來軸系修改可控。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初始成本

新增成本主要包括四大部分。

1)設備差價:取消發(fā)電機(含SCR)、新增軸帶發(fā)電機及配套設備的差價,約57萬美元。

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3.3萬美元。

3)船體結構及舾裝:艙室調整引起構件增加、設備基座、周圍舾裝件新增等,約0.7萬美元。

4)設計人工成本:約2萬美元。

加裝軸帶發(fā)電機綜合成本約為63萬美元。

4.2 成本回收測算

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

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)電機功率,1 100 kW;L為航行工況下發(fā)電機負荷系數(shù),通常取0.85;SFC為節(jié)省單位油耗,發(fā)電機單位油耗與主機增加單位油耗差值,42.4 g/(kW·h);

(加裝軸帶發(fā)電機前,主機NCR平均油耗:156.1 g/(kW·h);增加軸帶發(fā)電機后,NCR功率點會適當上調,平均油耗增加約1 g/(kW·h);發(fā)電機平均油耗:190 g/(kW·h)+5%);η為軸帶發(fā)電機發(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。

(燃油價格:5 000元/t;人民幣、美元匯率取值0.154;油價及匯率為文章撰寫時數(shù)據(jù),存在波動性)

收回成本時間=630 000÷854.7≈737 d。

船舶實際運行時間每年約270 d,同時考慮船舶靠港停車、進出港主機低速運行等情況,軸帶發(fā)電機有效工作時間約為230 d。

理論收回成本時間=737÷230≈3.2年。

在船舶實際運營過程中,從經(jīng)濟性考慮,絕大多數(shù)船舶會選擇主機降功率航行,一般輕載狀態(tài)選擇50%SMCR,滿載狀態(tài)選擇55%SMCR。同時綜合考慮各種未知因素,以及油價、匯率的變動,加裝軸帶發(fā)電機實際收回成本時間會更長,一般4～5年更為合理。成本回收周期在船東可接受范圍內。

5 結論

1)技術方案具備實施可行性。抱軸式軸帶發(fā)電機加裝設計方案可適應現(xiàn)有尾部瘦窄線型船舶,可在不改變線型前提下實現(xiàn)軸帶發(fā)電機布置,且相關修改可控。

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

3)當前方案仍具有局限性,以下兩方面是未來新船開發(fā)設計優(yōu)化重點。

(1)對船體尾部線型進行局部優(yōu)化,適當擴大軸帶發(fā)電機安裝區(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)化機艙前部海水箱、海水管路和各類泵的位置及布置。主機適當前移,確保中間軸承盡可能靠近軸帶發(fā)電機布置,降低軸系設計難度。