極地船舶吊艙推進(jìn)器的功率匹配研究

黃焱，鄭安賓，劉愛(ài)兵，蔣瀚鋒，田育豐*

1 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072

2 天津大學(xué) 港口與海洋工程天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072

3 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031

0 引 言

隨著北極油氣儲(chǔ)量評(píng)估工作的不斷深入，北極正逐漸展現(xiàn)出巨大的油氣資源價(jià)值[1]。同時(shí)，由于北極海冰總體覆蓋范圍和多年冰范圍的不斷減少，極區(qū)航道已成為世界各國(guó)的關(guān)注焦點(diǎn)[2]。吊艙推進(jìn)器作為新一代成熟的推進(jìn)系統(tǒng)，起源于上世紀(jì)80 年代末芬蘭海事局對(duì)提高破冰船破冰效率的探索：當(dāng)時(shí)在波羅的海冰區(qū)水域航行時(shí)，發(fā)現(xiàn)與直接使用船艏破冰相比，使用船艉突破冰脊、開(kāi)辟航道的效率更高。然而，軸槳推進(jìn)器在艉向航行時(shí)受到的諸多限制導(dǎo)致這種優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此，研發(fā)一種能夠?qū)⑼屏χ赶蛉我夥较虻耐七M(jìn)器，將成為冰區(qū)船舶推進(jìn)系統(tǒng)更為理想的解決方案[3]。自1990 年第1 臺(tái)吊艙推進(jìn)器問(wèn)世以來(lái)，其在船舶設(shè)計(jì)、航行性能和環(huán)境適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢(shì)日趨明顯[4-5]。隨著吊艙推進(jìn)器各方面技術(shù)的不斷成熟，其在冰區(qū)船舶領(lǐng)域的應(yīng)用必將愈加廣泛[6]，但北極地處終年寒冷的高緯度區(qū)域，復(fù)雜的冰條件帶來(lái)了極大的航行阻礙，這對(duì)吊艙推進(jìn)器的適用性提出了極大挑戰(zhàn)。

針對(duì)吊艙推進(jìn)器的適用性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作。王迎暉等[7]從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度出發(fā)，針對(duì)吊艙推進(jìn)器在極地的破冰作業(yè)狀態(tài)，提出了一套適用于吊艙結(jié)構(gòu)冰載荷分析的計(jì)算方法。吳文翔[8]根據(jù)吊艙推進(jìn)破冰船的作業(yè)特點(diǎn)和吊艙推進(jìn)器的布置需求，分析了該類船舶的艉部型線特征，并通過(guò)實(shí)例闡述了吊艙推進(jìn)器在此類船舶上的適用性特點(diǎn)。Islam 等[9]在工作原理方面，研究了吊艙螺旋槳碎冰、清冰、沖洗產(chǎn)生的湍流和速度分布規(guī)律，并基于數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了吊艙推進(jìn)器在特定范圍內(nèi)清冰的適用性。Dobrodeev等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)確定了Icebreaker 7 冰區(qū)船舶在不同冰情和轉(zhuǎn)向角度下吊艙推進(jìn)器的冰載荷分布。由此可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吊艙推進(jìn)器的適用性研究主要集中在結(jié)構(gòu)載荷、水動(dòng)力性能以及與船體線型的適配關(guān)系方面，這些研究成果對(duì)了解吊艙推進(jìn)器在冰區(qū)環(huán)境下的實(shí)際表現(xiàn)性能具有重要的支撐作用，可以為吊艙推進(jìn)冰區(qū)船舶的設(shè)計(jì)方案提供新思路、新方法。然而，關(guān)于吊艙推進(jìn)器對(duì)不同環(huán)境和不同船型的適用性研究還相對(duì)較少，其中極地船舶吊艙推進(jìn)器功率匹配這一關(guān)鍵問(wèn)題，尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

功率匹配是吊艙推進(jìn)器適用性分析的關(guān)鍵問(wèn)題，也是其設(shè)計(jì)選型的核心工作，其中極地船舶的可航范圍和船型參數(shù)是設(shè)計(jì)中需考慮的主要因素。為此，首先，本文擬根據(jù)不同的極地規(guī)范來(lái)細(xì)化冰級(jí)（polar class，PC）的冰厚劃分條件，從而明確北極海域四季對(duì)應(yīng)的可航范圍，用以掌握船舶可能遭遇的冰情；然后，綜合考慮船型參數(shù)和相應(yīng)冰情條件下的冰阻力，并基于3 艘極地典型船舶的分析結(jié)果估算平均推進(jìn)效率，從而建立吊艙推進(jìn)器的初步選型方法；最后，應(yīng)用該方法對(duì)5 艘不同類型的典型極地船舶進(jìn)行吊艙選型，結(jié)合目前吊艙推進(jìn)器的布置型式和單機(jī)功率，在市場(chǎng)上較成熟的吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品中進(jìn)行選型，得到對(duì)應(yīng)吊艙推進(jìn)器的功率匹配結(jié)果，從而為吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 可航范圍劃分

目前，針對(duì)冰區(qū)航行船舶制定的冰級(jí)規(guī)范主要分為3 類，芬蘭?瑞典冰級(jí)規(guī)范（Finnish-Swedish ice class rules）、國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)極地船級(jí)規(guī)范（international association of classification societies for polar class rules，IACS PC rules）以及來(lái)自俄羅斯船級(jí)社（Russian maritime register of shipping，RMRS）、中國(guó)船級(jí)社（China classification society，CCS）、挪威船級(jí)社（Det Norske veritas，DNV）等各船級(jí)社制定的冰級(jí)規(guī)范。其中，IACS PC 規(guī)范是目前較為主流的船舶冰級(jí)規(guī)范，自施行以來(lái)，被很多船級(jí)社采納并將其作為自身相關(guān)規(guī)范的一部分，或以其為基礎(chǔ)編寫(xiě)極地規(guī)范[11]。然而，該規(guī)范缺乏對(duì)極地船舶遭遇平整冰條件的描述，其重要性在于連續(xù)破除平整冰的航行能力是近年來(lái)船舶冰試驗(yàn)尤為關(guān)注的關(guān)鍵特性，此特性反映了船舶不依靠專業(yè)破冰船獨(dú)立航行于極地的能力。因此，為探求不同PC 冰級(jí)船舶的可航范圍，以確定冰區(qū)可能遭遇的冰條件，進(jìn)而估算船舶順利通航的功率需求，還應(yīng)進(jìn)一步明確PC 冰級(jí)對(duì)應(yīng)的具體冰條件。

1.1 船級(jí)規(guī)范的冰級(jí)分析

1.1.1 國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)極地船級(jí)（IACS PC）規(guī)范

IACS PC 規(guī)范將極地船舶劃分為7 個(gè)等級(jí)（PC 1～PC 5 為極地全年航行冰級(jí)，PC 6～PC 7 為極地夏/秋航行冰級(jí)[12]），并給出了各冰級(jí)的冰情描述，但未明確定義各冰級(jí)在平整冰環(huán)境下連續(xù)破冰航行的冰厚條件，如表1 所示。該規(guī)范對(duì)冰情的描述源于世界氣象組織（world meteorological organization，WMO）頒布的《海冰術(shù)語(yǔ)規(guī)則》，具體定義為：薄當(dāng)年冰為冰厚度小于0.7 m 的海冰；中等厚度當(dāng)年冰為冰厚度在0.7～1.2 m 的海冰；厚當(dāng)年冰為冰厚度大于1.2 m 的海冰；2 年冰為冰厚度大于2.0 m 的海冰；多年冰為冰厚度大于3.0 m 的海冰[13]。

表1 中描述了不同PC 冰級(jí)所對(duì)應(yīng)的海冰冰齡，通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，Timco 等[14]認(rèn)為冬季多年冰的彎曲強(qiáng)度一般為800～1 100 kPa，故本文近似取中值，即950 kPa；對(duì)于當(dāng)年冰，根據(jù)我國(guó)歷次極地科考數(shù)據(jù)，并參考國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)當(dāng)年冰強(qiáng)度的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，取為500 kPa；由于目前鮮有針對(duì)2 年冰性質(zhì)的研究成果，因此本文近似取當(dāng)年冰與冬季多年冰彎曲強(qiáng)度的中值，即725 kPa。

表1 國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)的極地船級(jí)規(guī)范要求Table 1 Requirements of IACS rules for polar class ships

1.1.2 俄羅斯船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范

作為環(huán)北極國(guó)家之一，俄羅斯針對(duì)極地船舶開(kāi)展了大量研究工作，積累了豐富的設(shè)計(jì)、建造和航行經(jīng)驗(yàn)。目前，俄羅斯擁有世界上規(guī)模最大、能力最強(qiáng)的破冰船隊(duì)，在極地船舶技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。俄羅斯船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范（Russian maritime register of shipping ice rules，RMRS IR）源于前蘇聯(lián)俄羅斯船舶登記局對(duì)北極海域航行船舶指導(dǎo)設(shè)計(jì)、建造和分類的一套冰級(jí)規(guī)范。在對(duì)Icebreaker 冰級(jí)的描述中，詳細(xì)規(guī)定了各冰級(jí)連續(xù)破除平整冰的能力及最低軸輸出功率要求，如表2所示。

表2 俄羅斯船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范中冰級(jí)描述Table 2 Description of ice class in RMRS IR

1.2 冰級(jí)船舶破冰能力分析

為了進(jìn)一步確定各PC 冰級(jí)對(duì)應(yīng)的平整冰連續(xù)破冰條件，需調(diào)研現(xiàn)役和在建PC 冰級(jí)船舶的破冰能力以作為參考。經(jīng)調(diào)研，選擇了覆蓋5 個(gè)PC 冰級(jí)（PC 1～PC 5）的18 艘極地船舶信息。由于PC 6～PC 7 是2 個(gè)相對(duì)較弱的冰級(jí)，其對(duì)應(yīng)的海冰條件多為碎冰環(huán)境[15]，因此未列入本次調(diào)研范圍。本次調(diào)研的船舶參數(shù)主要包括冰級(jí)、船型、總長(zhǎng)、總寬、總功率以及破冰能力，其中破冰能力以航速/平整冰厚度表示，具體如表3 所示。

由表3 可知，大部分在役冰區(qū)船舶的冰級(jí)為PC 3～PC 5，其中PC 3 冰級(jí)中各船的連續(xù)破冰能力設(shè)計(jì)值一般為1.5 m，只有Kronprins Haakon 為1.0 m。與OB 破冰船相比，Kronprins Haakon 的船型尺度偏大而總功率偏低，其原因可能源自船東對(duì)設(shè)計(jì)航行范圍的選擇結(jié)果。同樣的原因，Nuyina的破冰能力略高于其他PC 3 冰級(jí)船。值得一提的是，由廣船國(guó)際設(shè)計(jì)和建造的2 艘極地重載甲板運(yùn)輸船Audax 和Pugnax，其設(shè)計(jì)初衷是不依賴破冰船而獨(dú)立航行。因此，可將PC 3 冰級(jí)對(duì)平整冰的破冰能力設(shè)定為：以3 kn 航速穿越1.5 m 厚度的平整冰區(qū)域。

PC 4 冰級(jí)中各船的連續(xù)破冰能力差距較大。Nunavik 和Polaris 的主尺度和總功率接近甚至超過(guò)了PC 3 冰級(jí)船舶，可能應(yīng)船東要求對(duì)其破冰能力進(jìn)行了額外加強(qiáng)。由于PC 4 冰級(jí)船舶破冰能力的離散性，為直接確定平整冰的破冰厚度帶來(lái)了一定困難。因此，本文通過(guò)對(duì)PC 3 和PC 5冰級(jí)的破冰能力進(jìn)行插值，從而得到PC 4 冰級(jí)對(duì)應(yīng)的冰條件，即以3 kn 航速穿越1.3 m 厚度的平整冰區(qū)域。

PC 5 冰級(jí)是目前高冰級(jí)郵輪的主要定級(jí)對(duì)象，由于難以獲取郵輪尺度，所以未在本文調(diào)研結(jié)果中予以體現(xiàn)。雖然PC 5 冰級(jí)所調(diào)研的4 艘船舶的破冰航速不同，但其對(duì)1.0 m 冰厚的破冰要求一致，因此，可將PC 5 冰級(jí)對(duì)平整冰的破冰能力設(shè)定為，以3 kn 航速穿越1.0 m 厚度的平整冰區(qū)域。

表3 PC 冰級(jí)船舶的調(diào)研結(jié)果Table 3 Surveying results for polar class ships

按照PC 1～PC 2 冰級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的船舶較少，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，明確按照PC 1 冰級(jí)所設(shè)計(jì)的僅有Aurora Borealis 這1 艘破冰船。該船是在歐洲科學(xué)基金會(huì)的支持下，由歐洲極地委員會(huì)主導(dǎo)建造，該船已完成概念設(shè)計(jì)，但其建造計(jì)劃夭折于資金不足。根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案，該船在81 MW的總功率下，能夠以3 kn 的速度航行于平整冰厚超過(guò)2.5 m 的海域。PC 2 冰級(jí)中有2 艘船舶在建——Le Commandant Charcot 和John G. Diefenbaker，分別為由法國(guó)和加拿大主導(dǎo)建造的極地探險(xiǎn)郵輪和破冰船。這2 艘船的船型尺度相似、功率需求相似，均能以3 kn 速度航行于平整冰厚達(dá)2.5 m 的海域。由于PC 1～PC 2 冰級(jí)船舶的數(shù)量很少，故難以參考此類船舶的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)一步明確這2 個(gè)冰級(jí)對(duì)應(yīng)的破冰條件。因此，本文擬參考與PC 1，PC 2 冰級(jí)相近的RMRS IR Icebreaker 9與Icebreaker 8 冰級(jí)船舶（表4），從而細(xì)化PC 1 和PC 2 冰級(jí)在平整冰中連續(xù)破冰航行能力的描述。

表4 RMRS IR 冰級(jí)船舶的調(diào)研結(jié)果Table 4 Surveying results for RMRS IR ships

由表4 可知，俄羅斯有2 艘在建船舶達(dá)到了Icebreaker 9 冰級(jí)，分別為L(zhǎng)ider 級(jí)和Arktika 級(jí)核動(dòng)力破冰船，其中：Lider 級(jí)核動(dòng)力破冰船屬于LK-120Ya 計(jì)劃，設(shè)計(jì)總功率為120 MW，可在超過(guò)4.0 m 厚平整冰中以2 kn 航速連續(xù)破冰航行；Arktika 級(jí)核動(dòng)力破冰船屬于LK-60Ya 計(jì)劃，設(shè)計(jì)總功率為60 MW，可在2.8 m 厚平整冰中以2 kn航速連續(xù)破冰航行。由此可見(jiàn)，Icebreaker 9 冰級(jí)船舶的實(shí)際平整冰破冰能力高于PC 1 冰級(jí)。與已經(jīng)夭折的PC 1 冰級(jí)Aurora Borealis 相比，表4中的2 艘Icebreaker 9 冰級(jí)核動(dòng)力破冰船的連續(xù)破冰能力均超過(guò)2.5 m。因此，參考Aurora Borealis的設(shè)計(jì)破冰能力，本文將PC 1 冰級(jí)對(duì)平整冰的破冰能力設(shè)定為：以3 kn 航速穿越平整冰厚超過(guò)2.5 m的海域。另一方面，在Icebreaker 8 冰級(jí)船舶中，除了Admiral Makarov 和Krasin這2 艘上世紀(jì)建造的船舶之外，其他各型船均基本滿足RMRS IR 規(guī)范要求的2.0 m 破冰能力和22 MW功率。與上文中PC 2 冰級(jí)船舶的破冰能力相比，Icebreaker 8 冰級(jí)船舶的總功率和平整冰破冰能力均低于PC 2 冰級(jí)。值得一提的是，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)計(jì)劃建造的重型破冰船長(zhǎng)140.2 m、寬26.8 m，滿載排水量33 000 t，總功率約為33.7 MW，破冰厚度約為2.44 m。該船尚未透露設(shè)計(jì)冰級(jí)信息，但根據(jù)其功率和破冰能力參數(shù)推斷，該船大致為PC 2 冰級(jí)。因此，本文將PC 2 冰級(jí)對(duì)平整冰的破冰能力設(shè)定為：以3 kn航速穿越2.5 m 厚度的平整冰區(qū)域。

綜合上述討論，本文得出了各PC 冰級(jí)船舶連續(xù)破冰能力的定義，如表5 所示。不同的船舶航行設(shè)計(jì)需求在具體指標(biāo)方面也會(huì)有所變化，但在分析各冰級(jí)船舶可航范圍對(duì)應(yīng)的冰條件時(shí)，仍具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

表5 PC 冰級(jí)船舶的連續(xù)破冰能力Table 5 Continuous ice-breaking capability of polar class ships

1.3 北極海域的可航范圍

在細(xì)化PC 冰級(jí)對(duì)應(yīng)冰條件的基礎(chǔ)上，本文基于我國(guó)第6 次和第7 次北極科學(xué)考察獲取的2010～2016 年北極海冰厚度的分布數(shù)據(jù)[16-17]，按春、夏、秋、冬4 個(gè)季節(jié)對(duì)海冰厚度分布進(jìn)行了分組整合，并根據(jù)經(jīng)緯度對(duì)各季節(jié)內(nèi)的海冰厚度作了均一化處理，從而得到了2010～2016 年各季節(jié)對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度坐標(biāo)的北極海冰厚度分布。通過(guò)對(duì)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格處理、投影變換和局部區(qū)域插值處理之后，形成了對(duì)北極北緯60°以上區(qū)域各冰級(jí)船舶可航范圍的細(xì)致描述，如圖1 所示。在可航范圍中，以相應(yīng)冰級(jí)平整冰的連續(xù)破冰能力為劃分界線，圖中分別采用紫、綠、黃、紅4 種顏色的線條劃定了PC 2～PC 5 的最大不可達(dá)邊界，相應(yīng)顏色的圈內(nèi)表示對(duì)應(yīng)冰級(jí)的不可航范圍，而圈外則表示可航范圍。

目前，北極有3 條主要航道：中部航道、東北航道和西北航道，其中：中部航道直接穿越北極核心海域，尚不具備商業(yè)通航條件；東北航道和西北航道是聯(lián)通大西洋和太平洋的重要商業(yè)航線，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如圖2 所示。一般將東北航道定義為西側(cè)巴倫支海與東側(cè)白令海峽間的一系列北極航線，將西北航道定義為經(jīng)加拿大群島海域進(jìn)入北冰洋，最后到達(dá)白令海峽的一系列航線。對(duì)于極地船舶而言，可航范圍是否覆蓋了北極航道沿線海域，是決定船舶能否順利通航的關(guān)鍵。

圖2 東北航道與西北航道[18]Fig. 2 Northeast and northwest passages

在東北航道一側(cè)，船舶自西向東航行，將依次通過(guò)挪威海、巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海。根據(jù)圖1 中不同季節(jié)各冰級(jí)船舶的可航范圍，東北航道沿線海域獨(dú)立可達(dá)船舶的冰級(jí)如表6 所示。

由表6 可知，挪威海與巴倫支海的通航條件總體較好，PC 5 冰級(jí)及以上船舶均可全年航行。但在夏/秋/冬季，格陵蘭島東岸與斯瓦巴群島之間的航線可能會(huì)部分受阻。在喀拉海，PC 5 冰級(jí)船舶于春季穿越喀拉海峽與尤戈?duì)柡{時(shí)，可能需要破冰船輔助航行。在拉普捷夫海，北地群島的紹卡利斯基和維利基次基海峽的冬季冰情較重，所以PC 3 冰級(jí)船舶在穿越這片海域時(shí)需謹(jǐn)慎規(guī)劃航線。在東西伯利亞海，冬/春季的海冰厚度將大幅增加，在利亞霍夫群島附近有2 條重要的航運(yùn)通道，分別為桑尼科夫海峽和德米特里·拉普捷夫海峽，只有PC 2 冰級(jí)以上船舶才能穿越。在楚科奇海，春季冰情比冬季更為嚴(yán)重，此時(shí)俄羅斯北部沿岸均已封凍，海冰厚度向阿拉斯加逐漸遞減，這表明只有PC 2 冰級(jí)以上的船舶才能在冬/春季節(jié)沿白令海峽的航線航行。

在西北航道一側(cè)，船舶自東向西航行，將依次通過(guò)戴維斯海峽、巴芬灣、加拿大群島海域、波弗特海、楚科奇海。根據(jù)圖1 中不同季節(jié)各冰級(jí)船舶的可航范圍，西北航道沿線海域的獨(dú)立可達(dá)船舶冰級(jí)如表7 所示。

圖1 PC 2～PC 5 冰級(jí)船舶的可航范圍Fig. 1 Seaworthiness ranges of PC 2 to PC 5 ice-class ships

由表7 可知，戴維斯海峽與巴芬灣在夏秋季節(jié)的通航條件較好，PC 5 冰級(jí)船舶可以順利航行；在冬春季節(jié)，冰情將從巴芬島東南岸向格陵蘭島西岸遞減，PC 5 冰級(jí)船舶可在避開(kāi)陸緣冰區(qū)后謹(jǐn)慎航行。加拿大群島海域的夏季通航條件較好，PC 5 冰級(jí)船舶可以通航；但在春秋兩季，加拿大群島海域的維多利亞島東岸、布西亞灣、皮爾海峽北部海域等均需PC 2 冰級(jí)以上船舶才能通航。因此，在穿越該海域時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)麥克盧爾海峽和威爾士親王海峽，宜選擇經(jīng)由梅爾維爾子爵海峽、皮爾海峽、多爾芬尤寧海峽、阿蒙森灣前往下一個(gè)海域。當(dāng)冬季冰情嚴(yán)重時(shí)，只有PC 1 冰級(jí)船舶可以穿越巴羅海峽。雖然波弗特海的夏秋通航條件非常好，但其在冬春季節(jié)的冰層厚度受緯度影響較為明顯，故沿阿拉斯加北岸是該海域的主要航道，只有PC 3 冰級(jí)以上船舶可以通航。與波弗特海的情況類似，楚科奇海西北航道一側(cè)的夏秋通航條件很好，而冬春季節(jié)只有PC 3 冰級(jí)以上的船舶才能通航。

表6 東北航道沿線海域的獨(dú)立可達(dá)船舶冰級(jí)Table 6 Ice-class of ship independently accessible to the peripheral sea water of the northeast passage

表7 西北航道沿線海域的獨(dú)立可達(dá)船舶冰級(jí)Table 7 Ice-class of ship independently accessible to the peripheral sea water of the northwest passage

從總體上看，對(duì)于東北航道而言，夏秋是最佳通航季節(jié)，PC 5 冰級(jí)船舶可以暢通無(wú)阻；在冬春季節(jié)，拉普捷夫海至楚科奇海的沿線冰情復(fù)雜，為了保證全線通航，需使用PC 2 冰級(jí)船舶。對(duì)于西北航道而言，夏季是最佳通航季節(jié)；秋季加拿大群島海域的蘭開(kāi)斯特海峽至梅爾維爾子爵海峽的海冰密集，PC 5 冰級(jí)船舶需在破冰船的輔助下才能謹(jǐn)慎通航；在冬春季節(jié)，冰情最為復(fù)雜的海域依然集中在加拿大群島，在破冰船的領(lǐng)航下，PC 3 冰級(jí)船舶可以通航。

2 吊艙推進(jìn)器的功率匹配分析

2.1 基于功率匹配的吊艙推進(jìn)器初步選型方法

前文介紹了不同船舶冰級(jí)在北極海域的可航范圍劃分，并沿航線分析了挪威海、巴倫支海、喀拉海等10 個(gè)局部海域的四季可達(dá)冰級(jí)，從而為極地船舶可能遭遇的冰條件提供了數(shù)據(jù)支撐。以俄羅斯沿岸的石油運(yùn)輸線為例，亞馬爾半島東南部有1 塊儲(chǔ)量超過(guò)2.5×108t 的Novoportovskoye 油田，其與亞馬爾半島現(xiàn)有管道基礎(chǔ)設(shè)施的距離超過(guò)了700 km，從經(jīng)濟(jì)角度考慮應(yīng)采用油輪外輸。從亞馬爾半島東南部海上裝載終端到摩爾曼斯克港有2 條主要輸運(yùn)線，一條是經(jīng)鄂畢灣向西穿過(guò)喀拉海峽，另一條則是經(jīng)鄂畢灣向北經(jīng)茲拉尼亞角繞過(guò)新地島。在這條石油運(yùn)輸線上，對(duì)于給定的目標(biāo)航線和功能要求，即可確定極地船舶可能遭遇的冰條件，例如海冰厚度、覆雪厚度和海冰強(qiáng)度等。

船舶功率匹配分析的關(guān)鍵是確定推進(jìn)功率能否滿足功率需求，其中推進(jìn)功率主要用于抵消航行阻力，而航行阻力一般可分為水阻力和冰阻力[19]。根據(jù)Jones[20]對(duì)美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)的Healy 破冰船進(jìn)行的低摩阻模型試驗(yàn)可知，在低速破冰航行狀態(tài)下，水阻力在總阻力中的占比低于1%，因此，可以采用冰阻力近似代替船舶總阻力。冰阻力可以通過(guò)模型試驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法估算得到，其中模型試驗(yàn)是可靠性最高的預(yù)測(cè)方法，可以較好地解析破冰過(guò)程。然而，對(duì)于大量船舶的冰阻力預(yù)測(cè)而言，模型試驗(yàn)方法的經(jīng)濟(jì)成本較高、研究周期較長(zhǎng)，因此，基于某些假設(shè)和破冰過(guò)程簡(jiǎn)化的半經(jīng)驗(yàn)方法仍然是冰阻力預(yù)測(cè)必不可少的工具。

根據(jù)冰阻力與航速，即可計(jì)算船舶的有效功率。為了確定船舶的收到功率（即需要功率），還需要獲取船舶的推進(jìn)效率。船舶的實(shí)際推進(jìn)效率將受到船機(jī)舵漿等多方面因素的影響，在無(wú)法準(zhǔn)確獲知極地船舶推進(jìn)效率的情況下，可以基于同類型船舶的推進(jìn)效率進(jìn)行初步估算。

確定船舶的需要功率是開(kāi)展吊艙推進(jìn)器初步選型的重要前提，其基本原則是保證船舶的推進(jìn)功率大于需要功率。目前，吊艙推進(jìn)器的單機(jī)功率無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅提升，且空間局促的船體資源有限，需限制設(shè)備數(shù)量，因此，通過(guò)調(diào)研市場(chǎng)上較成熟的吊艙推進(jìn)器功率參數(shù)和常用布置型式，即可確定其功率匹配結(jié)果，從而設(shè)計(jì)初步的選型布置方案。

綜上所述，基于功率匹配分析的極地船舶吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)選型方法步驟如下（圖3）：

圖3 吊艙推進(jìn)器的選型設(shè)計(jì)方法Fig. 3 Method of podded propulsor selection design

1） 根據(jù)船舶的使用需求來(lái)確定可航范圍和冰級(jí)，從而明確船舶可能遭遇的冰條件。

2） 基于冰條件和基本船型參數(shù)，采用Lindqvist公式估算船舶的冰阻力。

3） 根據(jù)極地船舶的平均推進(jìn)效率，計(jì)算船舶的需要功率。

4） 通過(guò)調(diào)研目前市場(chǎng)上較成熟的吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品功率參數(shù)和布置型式，進(jìn)行功率匹配分析。

2.2 冰阻力估算

2.2.1 冰阻力估算方法（Lindqvist 公式）

本文將采用廣泛認(rèn)可的 Lindqvist 半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行冰阻力估算[21]，該方法將冰阻力分為冰擠壓破壞阻力、冰彎曲破壞阻力和冰漂浮阻力3 個(gè)部分，并考慮了航速的影響。

1）冰擠壓破壞阻力：式中：Rb為冰彎曲破壞阻力；B為船寬；E為冰的楊氏模量，取值為2×109Pa；ν 為泊松比，取值為0.3；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；ρw為海水密度，取值為1 025 kg/m3；α 為船舶水線角。

3）冰漂浮阻力：

式中：Rs為冰漂浮阻力；Rsp和Rsf分別為冰漂浮阻力的勢(shì)能損失分量和摩擦阻力分量；δρ=ρw-ρi，為海冰與海水的密度差，其中ρi為海冰密度，取值為910 kg/m3；T為吃水深度；L為水線長(zhǎng)。

4）特定航速下的總冰阻力

式中：Rice為特定航速下的總冰阻力；V為船舶航速。

2.2.2 冰阻力估算方法對(duì)比

本文采用的Lindqvist 公式是一種半經(jīng)驗(yàn)方法，其對(duì)破冰過(guò)程進(jìn)行了一系列假設(shè)與簡(jiǎn)化：采用艏柱角、外飄角和水線角表征船艏形狀，忽略了船艏不同區(qū)域海冰發(fā)生不同模式破壞的影響。因此，有必要比較不同冰阻力的估算方法，用以分析Lindqvist 公式估算結(jié)果的一致性。Erceg 等[22]對(duì)6 種常用的船舶航行冰阻力計(jì)算方法（Vance，Lewis，Zahn & Phillips，Lindqvist，Keinonen，Riska）進(jìn)行了對(duì)比，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 半經(jīng)驗(yàn)方法與實(shí)船數(shù)據(jù)對(duì)比[22]Fig. 4 Comparison between semi-empirical methods and real ship data

由圖4（a）可知，Zahn & Phillips，Keinonen，Riska這3 種方法的估算結(jié)果明顯小于Mobile Bay 號(hào)破冰拖船的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)；與其他公式相比，Vance 公式估算的冰阻力變化規(guī)律的差別較大；Lewis 和Lindqvist 公式的估算結(jié)果均較為合理，基本形成了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的上包絡(luò)線。由圖4（b）可知，Lewis 公式的預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)超Otso 號(hào)破冰船的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致較高的推進(jìn)功率浪費(fèi)；Lindqvist 公式的估算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較小，且其冰阻力的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果非常相近。由此可見(jiàn)，應(yīng)用Lindqvist 公式估算不同船舶和冰條件下的航行阻力時(shí)，其一致性的表現(xiàn)較好。

2.3 需要功率估算

根據(jù)船舶的航行阻力即可推算有效功率，在獲知準(zhǔn)確推進(jìn)效率的情況下即可得到船舶的需要功率。傳統(tǒng)船舶推進(jìn)效率的影響因素很多，其計(jì)算工作非常復(fù)雜；與傳統(tǒng)軸推驅(qū)動(dòng)相比，吊艙推進(jìn)器的傳動(dòng)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，其推進(jìn)效率的影響因素相對(duì)較少。因此，可通過(guò)估算現(xiàn)有極地吊艙推進(jìn)船舶的推進(jìn)效率，形成對(duì)同類型船舶平均推進(jìn)效率的初步經(jīng)驗(yàn)值，從而作為本文功率匹配分析的推進(jìn)效率估計(jì)值。本文將選取3 艘不同冰級(jí)的破冰船來(lái)估算高冰級(jí)船舶的平均推進(jìn)效率，并將對(duì)推進(jìn)效率估計(jì)值的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3.1 船型參數(shù)選取

為了確定極地吊艙推進(jìn)船舶的平均推進(jìn)效率，本文選取了3 艘配置相同型號(hào)吊艙推進(jìn)器（功率不同）的破冰船，分別為Icebreaker 8 冰級(jí)的Aleksandr Sannikov 號(hào)、PC 3 冰級(jí)的“雪龍2”號(hào)以及PC 4 冰級(jí)的Polaris 號(hào)。其中，Aleksandr Sannikov是Polaris 下一代破冰輔助船舶，其設(shè)計(jì)場(chǎng)景不同于Polaris 波羅的海的工作環(huán)境，可以更好地適應(yīng)北極冰情，因此其冰級(jí)相對(duì)較高。

由于RMRS 規(guī)范中未明確規(guī)定航行區(qū)域海冰的力學(xué)參數(shù)，因此可參考前文對(duì)PC 2 冰級(jí)的描述，將Icebreaker 8 冰級(jí)的冰彎曲強(qiáng)度設(shè)為950 kPa。同時(shí)，由于Polaris 號(hào)受護(hù)航工作需求的影響，其功率配置應(yīng)高于PC 3 冰級(jí)的“雪龍2”號(hào)，冰的強(qiáng)度也相對(duì)較高；但波羅的海的環(huán)境條件無(wú)法達(dá)到2 年冰的平均彎曲強(qiáng)度，可將冰彎曲強(qiáng)度設(shè)為500 kPa，即與當(dāng)年冰的彎曲強(qiáng)度相同。這3 艘船均安裝了Azipod VI 型吊艙推進(jìn)器，可以排除吊艙推進(jìn)器方面的參數(shù)誤差，具體船型參數(shù)和設(shè)計(jì)破冰條件如表8 和表9 所示。

表8 船型參數(shù)Table 8 Hull form parameters

表9 破冰條件Table 9 Ice breaking capabilities

2.3.2 平均推進(jìn)效率估算

將上述3 艘船的船型參數(shù)和破冰條件分別代入Lindqvist 計(jì)算公式中，即可計(jì)算冰擠壓破壞阻力、彎曲破壞阻力和漂浮阻力，從而得到破冰航速下的總冰阻力。在冰區(qū)航行環(huán)境中，收到功率的有效部分（即有效功率）近似等于總冰阻力與破冰航速的乘積，而吊艙推進(jìn)器的收到功率也近似等于吊艙功率。因此，有效功率與吊艙功率的比值即為推進(jìn)效率，具體計(jì)算結(jié)果如表10 所示。由表10 可知，采用同一型號(hào)吊艙的3 艘船舶的推進(jìn)效率差別較小，可取三者均值20.2%，作為平均推進(jìn)效率的經(jīng)驗(yàn)值。

2.3.3 需要功率估算及驗(yàn)證

為驗(yàn)證上2 節(jié)中推進(jìn)效率經(jīng)驗(yàn)值對(duì)實(shí)船功率匹配分析的有效性，另外，選取了3 艘不同冰級(jí)規(guī)范的高冰級(jí)船舶進(jìn)行估算和驗(yàn)證。這3 艘極地船舶均為俄羅斯所有，由于目前缺少這些船舶的艏線型參數(shù)，因此本文以相同冰級(jí)（PC 3 冰級(jí)）的“雪龍2”號(hào)船艏參數(shù)進(jìn)行替代。根據(jù)各船的設(shè)計(jì)參數(shù)及破冰條件，上述3 艘船舶的冰阻力和需要功率結(jié)果如表11 所示。

表10 冰阻力和推進(jìn)效率的計(jì)算結(jié)果Table 10 Calculation results of ice resistances and propulsion efficiencies

表11 需要功率估算和驗(yàn)證Table 11 Estimation and validation of required power

由表11 可知，3 艘船舶的需要功率估算結(jié)果分別為18，29，23 MW；根據(jù)調(diào)研，實(shí)船吊艙功率分別為18，24，22 MW，其中最大功率偏差為極地重載甲板運(yùn)輸船Audax 的17.2%。由此可見(jiàn)，本文建立的功率匹配分析方法和吊艙推進(jìn)器選型設(shè)計(jì)方法具備較好的適用性。

2.4 吊艙推進(jìn)器初步選型方法的應(yīng)用

2.4.1 代表性吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品

吊艙推進(jìn)器的緊湊性限制了其單機(jī)最大功率，而布置型式也受到了船舶總體設(shè)計(jì)方案的約束。目前，國(guó)際上主流的吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品主要有4 個(gè)系列：ABB 公司的Azipod 系列、卡米瓦和阿爾斯通公司的Mermaid 系列、西門子和肖特爾公司的SSP 系列、以及荷蘭瓦特希拉Marine Division和SAM 電子公司的Dolphin 系列[5]。作為吊艙推進(jìn)器領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者，Azipod 系列的市場(chǎng)占有率最高，同時(shí)也被中國(guó)首艘吊艙推進(jìn)破冰船“雪龍2”號(hào)選用。因此，本文將以Azipod 系列為例，來(lái)應(yīng)用吊艙推進(jìn)器初步選型方法，其具體參數(shù)如表12 所示。由表12可知，當(dāng)設(shè)計(jì)適配PC 1冰級(jí)時(shí)，Azipod VI的最大單機(jī)功率為17 MW。

表12 Azipod 系列的極區(qū)船舶吊艙推進(jìn)器適配建議[23]Table 12 Adaptation recommendations for Azipod series pod propulsor of polar ships

此外，依據(jù)ABS 船級(jí)社對(duì)冰區(qū)吊艙推進(jìn)器布置型式的指導(dǎo)意見(jiàn)[23]，目前主流的布置型式包括單吊艙、雙吊艙和三吊艙型式，如圖5 所示。鑒于單吊艙推進(jìn)器的功率有限，本文僅對(duì)雙吊艙和三吊艙這2 種布置型式進(jìn)行討論。在艉部雙吊艙和三吊艙布置型式下，Azipod VI 吊艙推進(jìn)器能夠匹配的船舶最大總功率分別為34 和51 MW。

圖5 吊艙推進(jìn)布置主流型式[24]Fig. 5 Mainstream arrangements of podded propulsors

2.4.2 基于功率匹配的初步選型示例

為了掌握不同冰級(jí)和可航范圍下吊艙推進(jìn)極地船舶的需要功率和一般選型情況，本文將應(yīng)用吊艙推進(jìn)器初步選型方法對(duì)俄羅斯船級(jí)社在役的冰區(qū)典型船舶進(jìn)行估算。以10～300 m 船長(zhǎng)為區(qū)間，按照不同用途選取了科考破冰船、大型破冰船、冰區(qū)散貨船、冰區(qū)“阿芙拉”級(jí)油船以及大型冰區(qū)液化天然氣船（LNG）這5 種船舶的主尺度如表13 所示。由于在役商船的艏柱角、水線角和外飄角這3 個(gè)參數(shù)均難以獲取，故選擇了船型相近的“雪龍2”號(hào)參數(shù)進(jìn)行近似估算。

表13 典型極區(qū)船舶的主尺度Table 13 Principal dimensions of typical polar ships

表14和表15 所示為5 類冰區(qū)船舶功率匹配分析結(jié)果。以Azipod VI 吊艙推進(jìn)器為例，表中曲線邊界右側(cè)數(shù)據(jù)代表需要功率小于Azipod VI 吊艙推進(jìn)器可匹配的最大功率，即該吊艙推進(jìn)器和對(duì)應(yīng)布置型式可滿足該條件下航行功率需求。

表14 艉部雙吊艙的應(yīng)用條件Table 14 Applicability of twin podded propulsors

表15 艉部三吊艙的應(yīng)用條件Table 15 Applicability of three podded propulsors

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著吊艙推進(jìn)器技術(shù)的快速發(fā)展，其在極地船舶領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的吊艙推進(jìn)器在設(shè)計(jì)選型時(shí)主要考慮了艙體與槳葉結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，尚未與真實(shí)的極區(qū)航行環(huán)境建立直接關(guān)聯(lián)，為此，本文建立了一種極地船舶吊艙推進(jìn)器的功率匹配分析和設(shè)計(jì)選型方法。吊艙推進(jìn)器適用性分析的關(guān)鍵是功率匹配分析，這就需要先基于船舶的使用需求確定可航范圍，從而掌握極地船舶的冰級(jí)和可能遭遇的冰情條件，并在此基礎(chǔ)上估計(jì)船舶的航行冰阻力和推進(jìn)效率，得出船舶順利通航的需要功率。通過(guò)調(diào)研市場(chǎng)上較成熟的吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品，即可開(kāi)展功率匹配并初步確定吊艙推進(jìn)器的型號(hào)和布置型式。本文的研究成果可為設(shè)計(jì)階段的推進(jìn)器選型工作提供參考。