極地破冰船吊艙推進系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

龍 飛 方 斌 楊 超

（1.武漢船用電力推進裝置研究所 武漢 430064 ；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；3.渤海造船廠集團有限公司 葫蘆島 125003）

0 引言

2017 年7 月，中俄兩國領導人提出要開展北極航道合作，共同打造“冰上絲綢之路”。隨著北極海冰加速融化以及北極航道可利用程度的逐漸提高，北極航道在保障國家經濟安全運行、拉動國家經濟增長、維護國家安全和海外權益，提升國家海洋軟硬實力等方面對我國“海運強國”戰(zhàn)略的價值更加凸顯[1]。由于北極航道長期存在海冰的原因，開辟及利用北極航道需要破冰船進行保障。破冰船是用于破碎水面冰層、開辟航道，保障艦船進出冰封港口、錨地或引導艦船在冰區(qū)航行的工作船，其推進系統(tǒng)多采用雙軸和雙軸以上的多螺旋槳裝置，通過壓擠冰層在行進中連續(xù)破冰或反復突進破冰。目前俄羅斯擁有世界上最大的極地破冰船隊[2]，為其船隊的極地航行提供了安全保障。早期的破冰船主動力系統(tǒng)采用蒸汽輪機、燃氣輪機及柴油機等直接推進，隨著電力推進技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代破冰船大量采用電力推進技術[3]。由于吊艙電力推進系統(tǒng)具有冰區(qū)操縱性好，可實現(xiàn)艏、艉雙向破冰等優(yōu)點，越來越多的破冰船開始采用吊艙電力推進系統(tǒng)[4]。極地破冰船是北極航道開發(fā)利用的利器。我國作為造船大國，研究極地破冰船吊艙推進系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展，對于未來自主建造大型破冰船和打造北極航道具有重要價值。

1 吊艙推進系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 吊艙推進系統(tǒng)發(fā)展概況

1899 年，英國為俄國建造的葉爾馬克號破冰船是世界上首艘在極地航行的破冰船，最大可破開2 m 厚冰層。通常將可連續(xù)破除2～ 3 m 厚度冰層的破冰船稱為重型破冰船（PC2—PC1 冰級），其推進功率>33 MW；破冰厚度1～ 1.5 m 的破冰船稱為中型破冰船（PC5—PC3 冰級），其推進功率 <33 MW[5]。我國的“雪龍2”號極地破冰船就是可連續(xù)破除1.5 m 厚度冰層的PC3 級中型破冰船，推進功率為15 MW。早期的中小型破冰船采用由柴油機、減速齒輪箱和可調螺距螺旋槳（controllable pitch propeller，CPP）構成的動力系統(tǒng)，但隨著破冰能力的提升，破冰船推進功率越來越大，對推進系統(tǒng)過扭矩及冰區(qū)操縱性的要求也越來越高，原來的動力系統(tǒng)形式已難以滿足要求，于是國外推出了吊艙推進系統(tǒng)。

20 世紀90 年代，為適應冰區(qū)航行需求，芬蘭的海事部門尋求一種適合于冰區(qū)航行船舶的高性能推進系統(tǒng)方案，希望該推進系統(tǒng)在低速情況下可提供任意方向的推力，且具備較大的推進功率。在這一需求的牽引下，芬蘭ABB 公司、KMY 船廠與芬坎蒂尼（Fincantieri）造船集團共同推出了世界上第1 套吊艙推進器。產品研發(fā)成功后，他們成立了ABB Azipod Oy 公司[6]，推出了Azipod 系列吊艙推進器產品并沿用至今。吊艙推進器作為一種行之有效的推進方式，很快就獲得了船舶行業(yè)的廣泛認可，現(xiàn)已廣泛應用于破冰船、豪華郵輪、公務船和海工船等多種場合。

吊艙推進系統(tǒng)是船舶電力推進系統(tǒng)的形式之一，其核心是吊艙推進器，如圖1所示。

圖1 吊艙推進器示意圖

吊艙推進器由推進電機、槳葉、滑環(huán)組件、轉舵驅動單元、液壓驅動泵站和推進電機冷卻系統(tǒng)等組成，其特點是集推進及轉舵功能于一體。推進電機位于吊艙艙體中，與螺旋槳直連，吊艙艙體外置于船體外，可在水平面實現(xiàn)360°全回轉，是一種先進的矢量推進裝置。其與機械式全回轉舵槳推進器相比，最大不同之處在于吊艙推進器的推進電機置于船體之外，與螺旋槳通過短軸直接相連，屬于低速直驅系統(tǒng)；而驅動全回轉舵槳推進器的推進電機置于船體內部，推進電機通過舵槳裝置內部的傘齒輪對減速后驅動螺旋槳，是一種非直驅系統(tǒng)。全回轉舵槳適配的推進電機轉速通常較高，由于齒輪傳動存在損耗，其效率低于吊艙推進器。全回轉舵槳內部采用傘齒輪對傳遞扭矩，因此其最大功率受限于大扭矩傘齒輪的加工能力，功率上限低于吊艙推進器。目前全球最大的冰區(qū)全回轉舵槳功率為 9 MW，由芬蘭STEERPROP 公司為俄羅斯破冰船提供，而ABB 公司交付的最大冰區(qū)吊艙功率達到 17 MW[7]。

1.2 吊艙推進系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）吊艙推進系統(tǒng)可360°全回轉。與常規(guī)軸槳相比，其低速時操控性能更好，冰區(qū)轉彎半徑更小，有利于極地破冰船破冰時的靈活機動，尋找最佳航行路線，同時使破冰船擁有雙向破冰能力。在船舶正車航行時具有標準的適航特征，使其能保持良好的航速且有能力進行連續(xù)破冰作業(yè)；而在遇到嚴重冰情時，又使船舶具有一定艉向破冰能力。雙向破冰不僅能提升破冰船從冰層中脫困的能力，而且能提高其破冰效率[8]。

（2）吊艙推進器整體位于船體之外，船艙內沒有推進電機及較長的軸系，節(jié)省了艙內空間，對于具有多個推進器的破冰船，簡化了船體尾部布置。

（3）吊艙推進電機與螺旋槳直連，由于沒有復雜的齒輪傳動機構，推進電機扭矩可以很大，適用于極地破冰船低速大扭矩的要求。

1.3 吊艙推進系統(tǒng)產品介紹

由于吊艙推新系統(tǒng)優(yōu)點突出，全球新建破冰類船舶的推進方式中，吊艙推進系統(tǒng)占據(jù)主導地位。迄今為止，全球吊艙推進系統(tǒng)主要有4 個產品系列，分別是Azipod 系列、SSP 系列、Mermaid 系列及Dolphin 系列，其中只有Azipod 系列吊艙可用于極地船舶。時至今日，Mermaid 系列及Dolphin 系列吊艙產品研發(fā)處于停滯狀態(tài)，不再推出新產品。

（1）Azipod 系列

自ABB 公司推出第1 套Azipod 吊艙推進系統(tǒng)以來，已經為超過25 種船型提供了該系列產品，涵蓋破冰船、豪華郵輪、LNG 運輸船、渡輪和游艇等，至今已在全球安裝了700 多臺Azipod 吊艙推進系統(tǒng)，產品系列如表1所示。

表1 ABB 公司Azipod 系列吊艙推進器

（2）Mermaid 系列

瑞典的卡梅瓦（KAMEWA）公司聯(lián)合法國的西技來克（CEGELEC）公司共同推出了美人魚（Mermaid）系列吊艙推進器[9]。CEGELEC 是法國著名的電氣設備制造商，在1998 年被法國阿爾斯通（ALSTOM）公司收購，成為ALSTOM 公司電氣工程產業(yè)的支柱，而ALSTOM 在2015 年被通用電氣（GE）收購。卡梅瓦公司是船舶機械設備制造公司，后被英國羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司收購，Rolls-Royce 公司的海事板塊2019 年又整體出售給挪威Kongsberg（康士伯）公司，其中就包含Mermaid 系列吊艙產品，此后該系列吊艙推進器產品研發(fā)已處于停滯狀態(tài)。

（3）SSP 系列

SSP 系列吊艙推進器產品由德國的SIEMENS（西門子）公司聯(lián)合肖特爾（SCHOTTEL）公司研制，推出了Siemens-Schottel-Propulsor系列吊艙推進器，簡稱SSP 吊艙。SSP 吊艙推進器是世界上第1 個采用永磁同步電動機驅動螺旋槳的吊艙產品，其特點是結構緊湊、效率高且振動噪聲低。和采用同步電動機的吊艙推進器相比，同樣功率的永磁同步電動機直徑減少約40%，質量減輕約15%。SCHOTTEL 公司后期退出了吊艙推進器的研發(fā)，由西門子公司獨立研發(fā)吊艙推進器產品，產品系列也更名為SiPOD，但依然采用永磁電機，最小功率等級約10 MW。

（4）Dolphin 系列

荷蘭推進器制造商LIPS 公司和德國的STN Atlas 船舶電氣公司聯(lián)合研制了海豚（Dolphin）系列吊艙推進器，Dolphin 吊艙推進器采用六相同步電機為推進電機，其功率范圍為3～ 19 MW[10]。芬蘭瓦錫蘭（W?rtsil?）公司收購了LIPS 公司后，Dolphin 系列吊艙推進器產品的發(fā)展也處于停滯狀態(tài)。

從吊艙推進器發(fā)展過程來看，吊艙推進器的研發(fā)團隊均離不開研發(fā)電氣產品的公司，例如前文提到的ABB、CEGELEC、SIEMENS 及STN Atlas 等，主要原因是吊艙推進器的核心組件是吊艙艙體內的推進電機。由于艙體空間狹小且位于船體之外，同時為了滿足船舶水動力性能等一系列要求，推進電機的功率、尺寸、自重、冷卻及維護方式與艙體的匹配十分重要，因此吊艙推進電機通常都是特殊設計的，需要供貨廠商有較好的電機定制化能力；此外，由于吊艙推進電機通常都是變頻驅動的，需要電氣廠商提供配套的推進變頻器，因此至今依然還在發(fā)展吊艙推進器產品的企業(yè)均是大型電氣產品公司，例如ABB 與SIEMENS 公司，以機械制造為主業(yè)的公司由于無法快速開發(fā)吊艙電機，逐漸放棄了吊艙推進器業(yè)務。

吊艙推進器屬于高端海工產品。我國起步較晚，自主研發(fā)并實船應用的非冰區(qū)吊艙，最大功率為 3 000 kW。在極地破冰船冰區(qū)吊艙領域，我國經驗相對欠缺，較多的關鍵技術尚有待突破。

2 冰區(qū)吊艙推進系統(tǒng)特點

冰區(qū)吊艙推進系統(tǒng)由吊艙推進器、推進變頻器及推進控制系統(tǒng)等組成，圖2 為某破冰型LNG 運輸船吊艙電力推進系統(tǒng)單線圖。

圖2 某破冰型LNG 運輸船吊艙電力推進系統(tǒng)單線圖

該船配置3 個15 MW 的Azipod PC2 級吊艙推進器，吊艙推進器采用電勵磁同步電機，電機采用雙三相繞組結構，單個三相繞組故障還具有50%的推進功率，提高了推進系統(tǒng)的冗余性。每個吊艙推進器配置1 臺ABB 公司ACS6000 變頻器，該變頻器含有獨立的勵磁單元，用于給推進電機的勵磁繞組供電；變頻器含有2 組逆變器，分別為推進電機的2 個三相繞組供電[11]。變頻器前端由24 脈整流裝置供電，降低了諧波小對船舶電網的影響。每臺推進變頻器配置峰值功率5 MW 的制動電阻，其有2 種用途：一是吸收船舶制動時螺旋槳回饋的能量；二是在破冰工況中出現(xiàn)螺旋槳負載突卸時，制動電阻快速投入使電網不會有巨大的功率波動，保持電站的穩(wěn)定。與非冰區(qū)推進系統(tǒng)相比，冰區(qū)吊艙推進系統(tǒng)特點如下：

（1）冰區(qū)吊艙推進系統(tǒng)工況復雜，具有敞水航行及破冰航行2 種工況，而這2 種工況下推進電機的工作點差距較大，因此，吊艙推進電機的扭矩曲線要求十分復雜。敞水航行時，推進電機轉速較高，但負載扭矩較低；破冰航行時，推進電機的轉速較低，但扭矩較大，同時考慮到碎冰需求，推進電機還需要較大的短時過載倍數(shù)。某極地破冰船總體對推進電機扭矩曲線要求如圖3 所示。該電機的額定點選擇在系柱狀態(tài)下，此時冷卻水溫約36℃，電機在額定轉速161 r/min 時需提供的最大扭矩為682 kN·m；其敞水航行最高轉速可達207 r/min，需要提供最大扭矩為530 kN·m。當進入冰區(qū)后，冷卻水溫降低到22℃左右，要求推進電機可在122 r/min 持續(xù)輸出最大900 kN·m 扭矩，即持續(xù)提供1.32 倍過載能力；同時每600 s 具備1.91倍過載60 s 能力，每600 s 具備2.2 倍過載30 s 的能力。持續(xù)過載能力提升了破冰航行時的推力，短時過載用于螺旋槳碰冰時，具有足夠的轉矩切削冰塊，防止冰塊將螺旋槳卡死。

圖3 某破冰船推進電機扭矩曲線圖

（2）極地破冰船在破冰時，可采用艏向直航破冰、艉向直航破冰、斜航拓展航道破冰、大角度操舵回轉破冰救援、短距離緊急停車和動態(tài)操舵避讓等航行方式，這些工況下吊艙殼體及螺旋槳會持續(xù)地碰撞冰塊，導致吊艙的受力狀態(tài)十分復雜，如 圖4所示。

圖4 吊艙冰碰撞受力示意圖

吊艙槳葉會承受軸向碰撞力和徑向碰撞力，吊艙殼體會承受縱向及橫向碰撞力，同時螺旋槳及轉舵回轉機構會受到切向力，與非冰區(qū)吊艙推進器受力狀態(tài)不同。因此設計冰區(qū)吊艙推進器時，需要針對可能出現(xiàn)的冰碰撞情況，按照海冰強度和船舶所設計的破冰航速，建立仿真計算模型對破冰工況下的吊艙受力情況開展分析，必要時需在冰水池開展船模試驗，對吊艙殼體、電機軸承及轉舵回轉軸承強度提出要求；同時，需掌握推進電機及轉舵回轉機構的扭矩變化情況，對變頻器及液壓系統(tǒng)的控制性能提出要求。冰區(qū)吊艙通常采用高強度不銹鋼螺旋槳，為防止槳葉在冰載荷沖擊下?lián)p壞，其殼體結構強度較大，體積和質量均大于非冰區(qū)吊艙。ABB 公司10 MW PC2冰級吊艙推進器重達450 t，高度超過15 m。

3 冰級吊艙推進系統(tǒng)關鍵技術

3.1 高冰級吊艙高轉矩抗過載推進電機設計 技術

破冰船破冰時有采用艏向破冰和艉向破冰2 種方式。采用艉向破冰方式時，通常將船尾作為船首，吊艙推進器回轉180°朝向船尾，以“鉆冰”的方式實現(xiàn)破冰，并以吊艙槳葉研磨冰脊，同時利用吊艙推進器尾流的沖洗效果，將冰塊碾碎后轉移至船頭。破冰船通過這種方式持續(xù)在厚冰區(qū)破冰前進，使船體緩緩通過冰脊區(qū)。此時，吊艙推進器長期在低轉速過轉矩的工況下工作，故對吊艙的低轉速大轉矩過載能力及對長期間歇性載荷的適應性提出了新要求。此外，研磨冰脊時，吊艙槳葉也不斷承受間歇性振動和沖擊。以ABB 公司PC3 冰級10 MW 冰區(qū)加強型吊艙為例，破冰時，其槳葉葉梢承受12～ 18 t 壓力，對吊艙推進電機產生了軸向的扭轉過載和多個方向的載荷沖擊。因此對吊艙推進電機的輸出轉矩過載能力、定子本體強度、軸承和密封的耐沖擊抗過載能力，以及軸系的耐沖擊抗過載能力等方面提出了嚴格的要求。因此，提升推進電機的本體強度、輸出轉矩的過載能力、軸承及密封的抗過載和耐沖擊能力，實現(xiàn)高轉矩抗過載推進電機設計是吊艙推進器設計的關鍵技術之一。

3.2 高冰級吊艙推進電機高效冷卻設計技術

作為船舶主動力裝置，推進電機連續(xù)運行過程中會散發(fā)出大量熱量，其冷卻系統(tǒng)的設計是保障推進電機高效散熱、穩(wěn)定運行的關鍵。吊艙推進電機在破冰時頻繁處于過載狀態(tài)，這種短時過載工況使推進電機溫升顯著提升。以3 MW 吊艙電機為例，15 s 內1.35 倍轉矩過載導致吊艙電機最高溫度點的溫升增加了13℃。此時若冷卻系統(tǒng)設計不滿足過載時散熱需求，將導致吊艙推進器無法滿足破冰要求。大型吊艙推進電機散熱量大，又位于狹小艙體內，因此不能簡單依靠機殼完成冷卻散熱，需要適配冷卻系統(tǒng)增強散熱。高冰級吊艙推進器通常采用復合冷卻方式，冷卻系統(tǒng)要建立精確的冷卻系統(tǒng)模型，結合敞水及破冰航行的2 種不同工況，針對吊艙的細長型結構、推進電機散熱及其風路結構、滑環(huán)組件和轉舵模塊導風風路結構、掛舵體過渡導風結構及換熱裝置等進行優(yōu)化設計，防止過度設計帶來冷卻系統(tǒng)能耗及尺寸等方面的增加。總之，實現(xiàn)吊艙推進電機高效冷卻設計是保障吊艙推進器正常穩(wěn)定運行的關鍵。

3.3 沖擊負載下變頻器轉矩控制魯棒性技術

極地破冰船在低速破冰航行時，變頻器控制電機運行于低轉速下，在觸碰到冰體瞬間負載扭矩會呈階躍態(tài)突加至最大值；而在冰體破裂瞬間負載扭矩又會突卸負載，因此在低速破冰時，變頻器控制電機持續(xù)工作在突加和突卸大轉矩工況下，需要變頻器具有低速下對沖擊負載快速響應的能力。

破冰船在中高速航行時，螺旋槳轉速較高，當槳葉觸碰到堅硬的浮冰時，同樣會導致電機瞬間突加大的負載扭矩；當冰體破裂或被彈開時，變頻器會突卸負載，且轉速會急速拉升并穩(wěn)定在原給定值。

變頻器控制電機此時工作在高速突加和突卸滿載的工況，極端情況下會由高速直接切換為低速破冰工況，因此要求變頻器具有高速下的沖擊負載快速響應能力。

以上極端工況下，推進電機承受的瞬時沖擊負載最高可達2 倍額定扭矩，長時間高負載變化率下，推進電機內部參數(shù)也會有較大變化。通常電機電阻和DQ 軸電感有20%的變化，磁場強度有8%的變化，因此需要變頻器具有全速范圍內針對推進電機參數(shù)大范圍變化情況下的自適應控制能力，以滿足沖擊負載下的快速響應性，且必須保持長期穩(wěn)定運行[12]。若控制算法魯棒性較低，在PC2 環(huán)境下，連續(xù)極端工況運行極易引起吊艙系統(tǒng)停機甚至推進器的損壞。因此，針對極地復雜極端工況，變頻器的控制系統(tǒng)在沖擊負載下保持暫態(tài)快速響應和運行穩(wěn)定性，是高冰級吊艙推進系統(tǒng)的關鍵技術之一。

4 冰區(qū)吊艙推進系統(tǒng)發(fā)展趨勢

電力推進系統(tǒng)發(fā)展過程中，推進電機按照直流電機、電勵磁同步電機、異步電機和永磁電機的技術路線在發(fā)展，永磁推進電機轉子采用永磁體，不發(fā)熱且具有全轉速范圍效率高、振動噪聲低和轉矩密度高等特點。隨著永磁電機制造成本下降，近年來冰區(qū)吊艙推進器的推進電機開始從電勵磁同步電機向永磁同步電機方向發(fā)展[13]。永磁電機轉子磁場無法調節(jié)的問題曾經引來業(yè)界對其寬范圍運行的懷疑。事實上，只要電機工作點選擇合適，可完全滿足冰區(qū)推進系統(tǒng)的要求。值得一提的是，在冰區(qū)全回轉舵槳領域，芬蘭Steerprop 公司的全回轉舵槳驅動電機也開始采用永磁電機。其近期推出的CRP ECO LM 全回轉推進器就是采用永磁電機驅動，并獲得PC2 冰級認證。

冰區(qū)吊艙采用永磁推進電機有如下優(yōu)點：

（1）永磁推進電機省略了電勵磁同步電機所必須的轉子勵磁裝置。轉子勵磁裝置結構復雜，不適合長期沖擊運行工況，尤其是有刷勵磁裝置，其滑環(huán)系統(tǒng)在長期的沖擊過程中是一個薄弱環(huán)節(jié)。在采用電勵磁同步電機的吊艙推進器應用過程中，曾出現(xiàn)因過勵磁裝置損壞而導致全船失去動力的情況。

（2）永磁同步電機在同樣的扭矩要求下，電機體積要小于電勵磁同步電機。國內外同功率等級冰區(qū)吊艙電機對比如表2 所示。由此可見，在功率及最大扭矩近似的情況下，永磁推進電機軸向長度最小，電勵磁同步電機如果計算勵磁裝置的，其軸向長度將遠超永磁電機。電機的軸向長度直接影響吊艙推進器的軸向長度，對于多推進器的破冰船，吊艙推進器的軸向長度是一個重要的限制指標，如果過長則將導致船體寬度增加。

表2 采用不同電機類型吊艙推進器體積比較

5 結語

極地破冰船吊艙推進系統(tǒng)是重要的動力裝備之一，國外已發(fā)展近30 年且形成了成熟的技術體系，相比之下，我國在該領域差距較大。因此，需要借鑒國外技術經驗，由專業(yè)的電氣公司牽頭，聯(lián)合行業(yè)內優(yōu)勢資源，盡快發(fā)展具有自主知識產權的高冰級吊艙推進系統(tǒng)，支撐我國北極航道的開辟。在高冰級吊艙研制技術路線上，重點研發(fā)以永磁推進電機為核心的吊艙推進器，同時解決高過載、狹窄空間高效冷卻和變頻器魯棒性控制等關鍵技術，為高冰級吊艙推進器的研制奠定基礎。