2024年6月1日发(作者：)

GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2020年第3期（总第172期） 设计与研究

某4 000TEU集装箱船轴带发电机配置方案

周 燕，徐 建

（天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612）

摘 要：为了船舶正常航行时能使主机充分发挥储备功率，400TEU集装箱船采用主机输出端配置轴

带发电机方案。在常规气候下航行时，推进及主电源均由主机提供动力，以节省燃油消耗；而在恶劣天

气下航行时，轴带发电机将脱开主机改由发电机组临时供电，主机的额定功率将完全用于推进轴系，以

保证船舶在大风浪时安全航行。本文简要介绍某4000TEU集装箱船轴带发电机的配置方案并分析其可行

性。

关键词：定距桨；轴带发电机；匹配性；储备功率

中图分类号：U665.1 　　 　 文献标识码：A

Shaft Generator of 4 000TEU Container Vessel

ZHOU Yan, XU Jian

( Bestway Marine & Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201612 )

Abstract: The 4 000TEU container vessel is equipped with a shaft generator at the putout end of the main

engine to make effective use of the reserve power of the main engine during normal navigation of the vessel. The

main engine provides power for propulsion and main power supply when sailing in the normal climate to save

fuel consumption, while sailing in bad weather, the shaft generator will be disconnected from the main engine

and replaced by main generator for temporary power supply. The rated power of the main engine is fully used for

propulsion to ensure the safe navigation of the vessel in the rough sea. This paper briefly introduces the configuration

scheme of the shaft generator for 4 000TEU container vessel and analyzes its feasibility.

Key words: Fixed pitch propeller; Shaft generator; Matching; Reserve power

1 前言

主机的油耗率通常比发电机组的油耗率低，因此

由轴带发电机供电的模式得到较广泛的应用。对于集

装箱船，由于其货舱区受风面积非常大，为应对恶劣

天气下船舶的安全航行，主机选型时往往功率储备较

多，因此在小风浪航行工况下，主机会有大量的储备

功率无法发挥。为了能充分发挥主机储备功率，使主

机运行始终位于设计的最佳工况点附近，越来越多的

集装箱船采用了轴带发电机航行供电模式

[1]

。

为了保证轴带发电机供电稳定性，目前较多采用

柴油机配置齿轮箱及可调桨的型式，该型式可使轴带

发电机转速/频率保持稳定

[2]

。但大中型货船通常是

采用低速柴油机+定距桨的直接推进方式，无减速齿

轮箱，主机转速会根据使用工况不同不断变化，因此

如何保证所配置的轴带发电机的工作稳定性和机桨匹

配性将是关注的焦点。本文以我司设计的4 000TEU

集装箱船为例，简要介绍低速柴油机轴带发电机的配

置情况。

2 轴带发电机的型式

轴带发电机按转速可分为低速发电机和高速发电

机两种型式：高速发电机转速高、外型尺寸较小、重

量轻；而低速发电机转速低、外型尺寸较大、重量重。

低速发电机如用于转速相匹配的中/低速柴油机，则

不需要配置增速齿轮箱；而高速发电机如用于中/低

速柴油机，则需要设置增速齿轮箱。

对于定距桨的船舶，主机的转速因工况不同会不

断的变化，所以需要采用相关措施来确保发出的电压

及频率恒定，目前主要有转速控制和频率转换两种形

式。轴带发电机的布置位置，既可以布置在主机的输

作者简介：周 燕（1982-），女，工程师。主要从事船舶轮机设计工作。

徐 建（1985-），男，工程师。主要从事船舶轮机设计工作。

收稿日期：2019-05-27

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广东造船2020年第3期（总第172期）

出端，也可以布置在主机的自由端。

2.1 转速控制

目前较为先进且常用的转速控制形式，主要有下

列两种：

（1）齿轮箱恒频率形式

如厂商RENK拥有的齿轮单元（RCF），在主机

变转速的工况下， 通过机械-液压转速控制使主机在

70%~105%的转速范围内保证发电机的转速/频率不

变，因此采用RCF 后无需额外配备变频器

[4]

；

（2）无刷双反馈发电机形式

采用通过控制绕组来改变电机内磁场转速的方式，

使转子与磁场保持恒定的相对转速，从而实现频率的

恒定不变。控制绕组需要配置变频器单元来实现调节

功能，但其容量相比于完全频率转换的变频器要小很

多

[5]

。相比以往的有刷技术，减少了电刷和滑环降低

了故障发生率，故使用更加普遍。

2.2 频率转换

频率转换的方法是将轴带发电机发出的频率/电

压变化的交流电，通过整流变成直流电，再由逆变器

转变成恒频恒压的交流电输入到配电板供用户使用。

为了满足过载能力要求，逆变器容量一般都比较大，

通常达到轴带发电机容量的双倍。

3 某4 000TEU集装箱船轴带发电机布置方案

该船主机采用低速柴油机MAN B&W 6G60ME

-C9.5，配置定距桨直接推进，主机前端设有角度编

码器。由上可知，频率转换法轴带发电机为了保证过

载能力，一般要求变频器容量加大，通常为轴带发电

机容量的双倍。如果采用抱轴式发电机，因安装在中

间轴上，则中间轴处的体积大、重量重，并会对轴系

振动和校中计算带来不确定性，因此该两种发电机型

式往往不作为首选；对于转速控制发电机，因RCF是

RENK公司的专利技术，其价格昂贵，除非船东指定

该品牌，否则出于成本考虑亦不作选取。经过综合分

析对比，该船最终选择国产的无刷双反馈轴带发电机、

配置增速齿轮箱的方案。

无刷双反馈轴带发电机作为转速控制的一种，采

用电网电源和变频电源同时馈电的方式，具有可调的

功率因数、优良的四象限运行能力，可靠性高且运行

时不要求变频器提供全功率，而只要求提供转差功率，

这样不仅变频器容量小，也可采用较低电压等级，省

去同步调相机、电刷和滑环，大大降低了整个系统的

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成本及发电机故障率，使系统运行更加稳定可靠。

此型轴带发电机为高速发电机，尺寸较小，因此

其布置位置灵活多样，可布置在主机自由端或主机输

出端，同时配置增速齿轮箱。下面分析其两种布置方

案的可行性。

3.1 方案Ⅰ：增速齿轮箱和轴带发电机布置在主机的

自由端

见图1。

图1 主机自由端轴带发电机布置方案

由图1可见：主机自由端曲轴设有一个输出法兰，

输出法兰与高弹及齿轮箱连接，齿轮箱再与轴带发电

机相连。齿轮箱为单输入双输出式，输入轴需从齿轮

箱本体中穿出以连接主机的角度编码器。为了保证角

度编码器的精确性，在输入轴上设置定位轴承。

此布置方案主要优点是：轴带发电机周边空间比

较充裕、齿轮箱和轴带发电机易拆卸及维修；不足之

处是：轴带发电机的布置占用了主机的角度编码器布

置空间，需要将角度编码器用轴引出布置到距离主机

2m左右处，对角度编码器的精确性产生一定影响；另

外，整个推进装置尺寸较长。

根据该船最初总布置图，机舱前端空间有限且泵

站布置空间已经相当紧凑，如需再布置齿轮箱和轴带

发电机将非常困难，为此需要考虑将机舱下平台以下

的双层底部分向货舱区延伸，从而增大机舱的前端空

间用于轴带发电机及机舱海水总管和其它泵站的布置，

但是这样调整后会使货舱容积减少。

3.2 方案Ⅱ：增速齿轮箱和轴带发电机布置在主机的

输出端

见图2。

GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2020年第3期（总第172期） 设计与研究

图2 主机输出端轴带发电机布置方案

如图2所示：主机输出端与齿轮箱输入端连接，

齿轮箱设有两个输出端。其中一端与推进轴连接，另

一端通过高弹和轴带发电机输入端相连。对于此布置

方案，同样有利有弊：优点是轴带发电机安装位置不

会与主机角度编码器冲突、推进装置全长尺寸较小；

缺点是要求机舱尾部空间较宽。

基于对主机角度编码器准确性影响的考虑，经核

实机舱尾部宽度空间，决定该型船采用方案Ⅱ，即齿

轮箱和轴带发电机布置在主机输出端方案。

4 某4 000TEU集装箱船的机桨匹配性分析

配置轴带发电机除考虑其布置外，还应对其机桨匹

配性进行分析论证。通常船舶的运行工况不同，主机将

出现不同的转速和功率点，因而需要系统地考虑轴带发

电机的功率、螺旋桨的功率及主机功率的匹配性。下面

以4000 TEU集装箱船为例，简要介绍机桨匹配分析方法。

4.1 主机不带轴带发电机功率/转速关系图

柴油机厂家应提供主机带或不带轴带发电机的功

率/转速特性曲线图。图3为该主机不带轴带发电机

的主机功率/转速关系图

[6]

。

图3 主机不带轴带发电机的功率转速关系图

说明：1.通过优化点的推进特性曲线；2.推进螺

旋桨重载运行曲线；3.持续运行最大转速；4.曲轴扭

矩/转速限制线；5.平均有效压力限制线；6.新造船螺

旋桨推荐曲线；7.持续运行功率限制线。

主机不带轴带发电机的船舶，依照图3进行机桨

匹配设计。图中：④、⑤、⑦线所围成的区域是主机

可运行的区间；①、②线与虚线⑥之间的差值为设计

裕度（转速裕度为3%-7%）。

图4 主机带轴带发电机的功率/转速关系图

4.2 主机带轴带发电机的功率/转速关系图

与图3相比，图4增加的区域为轴带发电机吸收

主机功率的范围。在主机选型时，主机功率应考虑轴

带发电机所吸收的功率余度。④、⑤、⑦线所围成的

区域改变，主机带轴带发电机时的常规运行功率点应

位于其限制线以下的区域内；线①为轴带发电机工作

时螺旋桨的重载运行和风浪下的主机运行线；线②为

轴带发电机不工作时螺旋桨的重载运行线；虚线⑥为

轴带发电机不工作时螺旋桨的轻载运行线；SG线表示

主机给轴带发电机的输入功率。

在确定主机功率时，需要考虑螺旋桨功率并增加轴

带发电机功率。该船根据船东要求，其轴带发电机仅在

风平浪静时使用，故轴带发电机功率不宜超过该船的风

浪功率储备值，其功率/转速关系曲线需特别考虑。

该船主发电机配置三台800 kW的发电机组，正常

航行时由一台发电机供电。正常航行时采用轴带发电

机，要求在主机额定转速超过70%的工况轴带发电机

可以发出额定功率，保证船舶正常航行。该船正常航

行时的电力负荷不超过800 kW，为此其轴带发电机额

定功率定为800 kW。

主机功率还需考虑船舶污底及恶劣海况柴油机安

全运行等问题。根据性能计算，最终确定主机所需最

大功率为11 810 kWx83.5 r/min；常用功率储备约为最

大功率的10%~15%。因此本船约有1100~1700 kW的

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图5传统算法的仿真波形图

广东造船2020年第3期（总第172期）

储备功率可供轴带发电机使用，完全满足全船用电负

荷和主机安全运行要求。

低速柴油机主机轴带发电机供电方式，比采用中高速

柴油发电机组省油，可节省营运和维护费用，因此船

舶正常航行采用轴带发电机替代主柴油发电机模式可

达到节能减排的目的。

5 结语

某4 000TEU集装箱船采用主机输出端配带轴带发

电机方案，在常规气候条件下航行时推进及主电源均

由主机提供动力，可节省燃油消耗；而在恶劣天气下

航行时，轴带发电机将脱开主机改由发电机组供电，

主机的额定功率将完全用于推进轴系，以保证船舶在

图5 某4 000TEU集装箱船功率/转速关系图

图6粒子群算法的Simulink建模

被控对象模型

模型性质

图5为该船功率/转速关系图。图中：最底部虚

线为螺旋桨新船设计曲线；细线为船舶污底和海况恶

劣情况下的螺旋桨重载曲线；粗线为主机持续功率的

大风浪时安全航行。该设计方案，运行可靠，可作为

类似船型配置参考。

参考文献

[1]王炳义.船舶轴带发电机的应用及发展[J].船舶电气与通信，2015（3）：

109-114.

[2]陈可越. 船舶设计实用手册（轮机分册、电气分册）[M].北京: 中国

交通科技出版社, 2013.

[3]王乐, 唐石青. 基于PWM 逆变的新型船用轴带发电系统研究[J]. 船电

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[4]李俊，王文中.轴带发电机在船用低速主机上的应用[J].船舶机电.2014

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[5]李亮，刘以建，喻多祥. 船舶轴带发电机的发展与新方法的研究[J].

船电技术.2009（5）：5-9.

[6] MAN Diesel &Turbo Basic Principles of Ship Propulsion.

一阶模型

二阶模型

三阶模型

限制线；最顶部虚线为主机功率超负荷线。

从图5可以看出：主机只能在转速60 r/min（即最

大转速的72%）及以上且没有大风浪的情况下，可以

使用800 kW的轴带发电机，服务于全船供电，此时螺

旋桨设计曲线加上轴带发电机功率并没有超过螺旋桨

设计功率限制特性曲线，既能保证主机正常航行，又

使得主机风浪储备功率得以利用。

由于低速柴油机通常比中速柴油机油耗低，采用

（上接第37页）仿真结果，如图7所示。子群算法，阶跃响应曲线大约在12 s时才趋于稳定，

也远大于粒子群算法。

+2

6 小结

本文主要研究了船舶中央空调温度自动控制的数

学模型，采用Simulink建立中央空调控制系统的仿真

模型，利用改进的PID控制器应用在中央空调温度控

制上面。从仿真得出的波形图的对比可以看出：传统

的控制系统在控制过程中存在延迟时间长、波形震荡

幅度大，而改进的粒子群优化算法可以更准确的反应

控制系统的特点，在处理实际的工程问题时将有更大

的应用价值，可以实现对船舶中央空调温度的良好控制。

图7 粒子群算法的仿真波形图

（3）仿真结果对比分析

7粒子群算法的仿真波形图

由图7可知：新型PID控制器对控制系统的仿真

结果在经过3 s的调整后，信号震荡幅度减小、5 s后

阶跃响应曲线已经处于稳定状态；但利用传统的控制

器参数整定方法，其阶跃响应的振荡幅度要远高于粒

参考文献

[1.] 刘道.基于改进粒子群优化算法的PID参数整定研究.南华大学，2012.

[2]. 吴伟，颜文俊.基于交替混沌粒子群算法的恒温箱PID控制[J]. 控制

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