極地破冰船螺旋槳設(shè)計探討

丁 舉 王建強 劉正浩 周 旻 孔為平

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.噴水推進(jìn)技術(shù)國防科技重點實驗室 上海 200011）

0 引言

隨著北極航道逐步商業(yè)化，極地科考和管理事務(wù)越來越多，在我國“大洋存在、兩極拓展”的戰(zhàn)略背景下，需要研制多型極地破冰船以滿足需求[1]。螺旋槳是破冰船的核心部件，螺旋槳性能直接影響到全船的快速性能、破冰性能、振動噪聲性能和冰區(qū)安全性能。國內(nèi)建造的“雪龍2”號破冰科考船、極地凝析油輪和極地甲板運輸船等船舶，其所用推進(jìn)器均是國外設(shè)計和制造，故我國急需突破高冰級螺旋槳設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)破冰船推進(jìn)器的國產(chǎn)化研制。

作為高冰級的重型破冰船，除在敞水域航行外，持續(xù)破冰是常態(tài)，故螺旋槳設(shè)計要能匹配多工況推進(jìn)需求，無論敞水域工況還是破冰工況，均要與船體和主機匹配良好。螺旋槳裸露在船體外，直接受到海冰沖撞作用，故冰級螺旋槳需特別加厚設(shè)計，應(yīng)能承受冰塊所引起的沖擊載荷和交變應(yīng)力。此外，螺旋槳若過分加厚，會明顯降低水動力性能,也會因為“金字塔強度”原則而導(dǎo)致軸段過分加粗、軸系過分加強，從而影響軸系系統(tǒng)設(shè)計的先進(jìn)性，重型破冰船大尺寸軸槳制造的難度也會陡增。所謂槳軸強度設(shè)計“金字塔強度”原則，就是螺旋槳葉片需要設(shè)計得相對弱些，保證螺旋槳葉片損壞在先，而槳軸、軸系附件損壞在后。

對冰級螺旋槳設(shè)計研究較多的單位有俄羅斯克雷洛夫研究院（Krylov state research centre，KSRC）、德國漢堡水池（Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH，HSVA）、芬蘭阿克北極公司（Aker Arctic）、ABB 公司以及加拿大國家研究委員會海洋技術(shù)研究所（national research council Canada/institute for ocean technology，NRC/IOT）等。俄羅斯的PUSTOSHNY 等[2]指出適用于常規(guī)螺旋槳的空泡優(yōu)化措施往往不適用于高冰級槳，高冰級槳的減振設(shè)計非常有挑戰(zhàn)性，船東需要提出合適的高冰級運輸船快速性和空泡指標(biāo)要求。SEARLE 等[3]在加拿大海洋技術(shù)研究所冰水池，用人工冷凍模型冰進(jìn)行模型試驗，測量槳的推力和轉(zhuǎn)矩變化。STEPHEN 等[4]對“USCGC Healy”號破冰船開展了模型試驗及破冰航速預(yù)報研究。ABB 公司的冰級吊艙推進(jìn)器在破冰船上運用廣泛，我國的“雪龍2”號破冰科考船采用了7.5 MW PC3 冰級吊艙推進(jìn)器。

國內(nèi)，孫文林等[5]針對冰區(qū)航行條件下船舶推進(jìn)系統(tǒng)所需要面臨的問題及其導(dǎo)致的冰區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)的特殊性進(jìn)行了整理和分析。朱成華等[6-7]對俄羅斯核動力破冰船的船體參數(shù)、船型特征以及螺旋槳設(shè)計特點作了分析，并對比分析不同螺旋槳配置對重型破冰船推力的影響，分別計算不同螺旋槳直徑、槳葉、螺距、布置以及功率分配下的正車系柱推力。中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院先后對PC3冰級極地科考船、PC5 冰級極地多用途箱船、PC6冰級極地十八纜物探船、PC2 冰級極地重型破冰船和PC6 冰級破冰調(diào)查船開展推進(jìn)器設(shè)計研究，積累了一定的冰級螺旋槳設(shè)計經(jīng)驗，現(xiàn)正在開展PC2至PC1 高冰級螺旋槳國產(chǎn)化研制工作。

針對冰級螺旋槳強度校核計算所關(guān)心的冰載荷預(yù)報問題，國內(nèi)多家研究單位開展了模型試驗預(yù)報和數(shù)值計算預(yù)報研究，但預(yù)報結(jié)果距離工程精度需求尚有差距，目前在校核螺旋槳強度時所用冰載荷還是依據(jù)船級社給出的經(jīng)驗公式[8-9]。

在冰塊阻塞、碰撞和銑削作用下，螺旋槳的推力、扭矩、空泡和脈動壓力性能會發(fā)生明顯變化，在減壓滿足空泡數(shù)相似條件下的試驗結(jié)果更接近實槳性能。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的愛默生空泡水筒（ECT）實驗室采用聚苯乙烯泡沫塑料模型冰開展了一系列的冰槳作用試驗，觀測槳銑削冰塊時的空化現(xiàn)象和水動力變化[10]。國內(nèi)主要開展了空泡水筒中冰塊阻塞狀態(tài)的螺旋槳水動力測量、空泡觀察和脈動壓力測量[11-15]。

本文以一型PC2 級重型破冰船螺旋槳設(shè)計為例，探討冰級螺旋槳特點及其設(shè)計技術(shù)。

1 冰級螺旋槳設(shè)計

1.1 設(shè)計輸入

破冰船既要航行于敞開水域，又需航行于冰區(qū)，故對冰級螺旋槳的設(shè)計指標(biāo)要多于常規(guī)螺旋槳，這就要求既要驗證敞水域航行的快速性能和振動噪聲性能，又要驗證冰區(qū)航行的快速性能和螺旋槳強度性能。相比于機械傳動，破冰船適宜采用電力推進(jìn)，這是因為在較厚層冰等冰情嚴(yán)重區(qū)域運行時，螺旋槳擊打厚冰塊導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低的情況經(jīng)常發(fā)生，電力推進(jìn)的主要優(yōu)點是當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速降低時，可迅速增加轉(zhuǎn)矩和維持功率的能力。若是柴油機直接驅(qū)動螺旋槳的情況，轉(zhuǎn)矩和功率都隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的下降而明顯降低，柴油機扭矩限制導(dǎo)致螺旋槳推力大大降低。以某PC2 級重型破冰船為例（以下簡稱目標(biāo)船），中間槳為推進(jìn)電機配定距軸槳推進(jìn)，MCR 功率為17 MW；雙邊槳為吊艙推進(jìn)器推進(jìn)，雙機MCR 功率為20 MW。

在目標(biāo)船方案設(shè)計階段，經(jīng)過充分論證，確定了槳盤面的空間位置、螺旋槳的限制直徑及推進(jìn)電機額定轉(zhuǎn)速。中間槳直徑不超過6 m，邊槳直徑不超過4.8 m，圖1 是船模尾部照片。這樣的三槳布置既保證了槳葉與船體有足夠的間隙，使得吊艙推進(jìn)器360o回轉(zhuǎn)有足夠空間，又避免了三槳運行時產(chǎn)生不利的水動力干擾。

圖1 船尾三槳模布置照片

根據(jù)拖曳水池船模伴流試驗，得到中槳和邊槳的伴流場數(shù)據(jù)，根據(jù)船模阻力試驗和庫存槳自航試驗，得到不同航速下的船體阻力數(shù)據(jù)以及中槳和邊槳的自航因子。這些數(shù)據(jù)均是螺旋槳適伴流設(shè)計的輸入依據(jù)。

1.2 冰級螺旋槳的特點和設(shè)計流程

與常規(guī)螺旋槳有所不同，冰級螺旋槳設(shè)計主要關(guān)注以下3 點：

（1）應(yīng)特別關(guān)注系柱拖力的設(shè)計和預(yù)報。因為低速破冰航行時，螺旋槳的運行工況接近系柱工況。系柱工況有空泡但不會產(chǎn)生嚴(yán)重推力下降問題，以此衡量螺旋槳盤面比和直徑是否夠大。冰級螺旋槳盤面比一般不超過0.75，以便冰塊能從槳葉間通過。根據(jù)經(jīng)驗，冰級螺旋槳的盤面比在0.6～ 0.75是合適的。

（2）高冰級螺旋槳會頻繁受到冰塊撞擊，螺旋槳要加強，但又不能過度加強，需要兼顧軸系的加強設(shè)計需求。冰區(qū)航行對操縱性要求高，螺旋槳除了正轉(zhuǎn)外，常常要倒轉(zhuǎn)，故槳葉側(cè)斜很小，槳葉隨邊要加厚。NACA16、NACA66 等翼型隨緣太薄，不能滿足抗冰強度要求，需要采用適用于中高冰級螺旋槳的加厚葉剖面。根據(jù)俄羅斯船級社規(guī)范（RMRS）[16],在距離導(dǎo)邊或隨邊5%弦長位置處的槳葉厚度不得小于葉梢厚度的一半，這使冰級槳比常規(guī)槳看起來更鈍些。由于側(cè)斜限制、縱斜限制和葉剖面厚度限制等因素，對于高冰級螺旋槳而言，空泡性能優(yōu)化的空間較小，導(dǎo)致脈動壓力和輻射噪聲性能會低于常規(guī)螺旋槳。

（3）為提高冰級螺旋槳的可維修性和可靠性，通常采用可拆槳葉定距槳型式。槳葉與冰塊頻繁碰撞容易導(dǎo)致槳葉邊緣變形受損，為方便維修或拆換，單片槳葉一般為可拆式。下頁圖2 為可拆式定距槳裝置，主要有槳葉（含葉根法蘭）、槳轂、葉根螺栓和槳帽等組成，通過若干葉根螺栓把葉根法蘭緊固在槳轂上，從而實現(xiàn)單片槳葉的裝拆。高冰級調(diào)距槳倒車時不必反轉(zhuǎn)，但由于系統(tǒng)零部件多且可靠性差，所以實船應(yīng)用很少，加之現(xiàn)在破冰船一般采用電機作為動力，低轉(zhuǎn)速時扭矩裕度大，使用調(diào)距槳的必要性進(jìn)一步降低。

圖2 可拆式定距槳裝置

此外，冰級螺旋槳通常采用不銹鋼材料。相比常規(guī)螺旋槳采用的銅合金材料，不銹鋼的屈服強度和抗拉強度均明顯提高，見表1 和表2[17]。例如0Cr16Ni5Mo 的屈服強度不小于540 MPa，比銅合金Cu3 提高120%；抗拉強度不小于760 MPa，比銅合金Cu3 提高29%。高冰級螺旋槳若仍然采用銅合金材料，則槳葉會加厚到難以接受的程度。

表1 中國船級社《材料與焊接規(guī)范》螺旋槳銅合金的力學(xué)性能

表2 中國船級社《材料與焊接規(guī)范》螺旋槳鑄鋼件的力學(xué)性能

因國內(nèi)高冰級螺旋槳設(shè)計尚無實船應(yīng)用經(jīng)驗，具體設(shè)計方法不成熟，下頁圖3 給出參考的冰級螺旋槳設(shè)計流程（ice propeller design process，IPDP）。為了驗證螺旋槳水動力性能滿足敞水域和破冰工況推進(jìn)要求，在設(shè)計階段需要開展模型試驗，包括水池敞水試驗、自航試驗、全功率拖航試驗、系柱拖力試驗、冰池破冰性能試驗、空泡和脈動壓力試驗等。

圖3 冰級螺旋槳設(shè)計流程IPDP

1.3 冰級螺旋槳設(shè)計結(jié)果

目標(biāo)船中間螺旋槳主要設(shè)計結(jié)果見表3，槳模照片見圖4。

圖4 中間槳模型照片

表3 中間螺旋槳主要參數(shù)

利用CFD 手段對螺旋槳敞水性能、空泡性能和自航性能開展預(yù)報。圖5 是敞水域19 kn 航速工況槳葉空泡形態(tài)數(shù)值預(yù)報結(jié)果，下頁圖6 是船體表面和推進(jìn)器表面壓力分布預(yù)報結(jié)果。

圖5 槳葉空泡形態(tài)數(shù)值預(yù)報

圖6 三槳自航船體和推進(jìn)器表面壓力分布數(shù)值預(yù)報

1.4 螺旋槳強度校核

冰級螺旋槳需要按照船級社規(guī)范校核冰載荷作用下螺旋槳強度能否滿足要求。國際船級社協(xié)會（international association of classification societies，IACS）于2006 年制定了極地船舶的設(shè)備要求[18]，給出了螺旋槳設(shè)計冰載荷的計算公式及 加載方法。中國船級社《CCS 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2021 版》[19]在第8 篇第13 章《極地級船舶的補充規(guī)定》中，給出了同樣的螺旋槳設(shè)計冰載荷的計算公式及加載方法。DNVGL 2019 年前的版本[20]與IACS 和CCS規(guī)定一致，但在2019 年《RULES FOR CLASSIFICATION》的 第5 篇-第10 章“Vessels for special operations”[21]中，特別對ICEBREAKER 級自破冰船舶螺旋槳設(shè)計冰載荷的計算公式作出修正說明，隨后在2021 年版本[22]中，對葉片最大向后受力Fb的計算公式又有明顯調(diào)整，以目標(biāo)船中間槳為例介紹如下。

式中：n為螺旋槳名義轉(zhuǎn)速，定距槳取額定轉(zhuǎn)速的85%；D為螺旋槳直徑，m；EAR為螺旋槳盤面比；Z為螺旋槳槳葉數(shù)；Hice為用于強度設(shè)計的冰厚，根據(jù)PC 冰級查表4 得到，m；Sice為確定冰塊作用力的冰強度系數(shù)，根據(jù)PC 冰級查表4 得到。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=3 252 kN。

表4 冰級系數(shù)

2019 年，對于ICEBREAKER 級開敞槳Fb計算系數(shù)明顯提高，F(xiàn)b計算結(jié)果增加了56.5%：

對于PC1 至PC3 冰級，特別規(guī)定Sice=1.2。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=5 090 kN。

2021 年，對于ICEBREAKER 級開敞槳Fb計算系數(shù)作了降低調(diào)整，F(xiàn)b較2019 年版計算結(jié)果降低了30%：

對于PC1 至PC3 冰級，Sice采用表4 數(shù)據(jù)。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=3 577 kN。從最近幾年Fb的計算公式不斷調(diào)整可以看出，螺旋槳冰載荷的計算方法并不成熟。

螺旋槳材料為馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo。采用有限元計算，按照DNVGL 規(guī)范校核5 種冰載荷工況下的螺旋槳靜強度，結(jié)果見下頁表5。安全因子均≥1.5，滿足靜強度要求。載荷工況1 槳葉應(yīng)力云圖見下頁圖7，最大應(yīng)力值為319.8 MPa，出現(xiàn)位置為0.45R附近位置近導(dǎo)邊處。

表5 DNVGL 規(guī)范螺旋槳有限元計算結(jié)果

圖7 載荷工況1 槳葉應(yīng)力云圖

參考DNVGL 指導(dǎo)性規(guī)范CLASS GUIDELINEDNVGL-CG-0041[23]校核螺旋槳冰區(qū)疲勞強度，結(jié)果見圖8。圖中紅色曲線為螺旋槳不銹鋼材料的S-N曲線，其下的藍(lán)色柱狀條即為冰區(qū)載荷按Weibull分布在不同周期下的應(yīng)力幅值，各周期下的應(yīng)力幅值均在S-N 曲線下方，表明疲勞強度滿足要求。

根據(jù)螺旋槳強度設(shè)計結(jié)果，按照船級社規(guī)范方法校核最小軸徑需求，確保軸徑設(shè)計值在合適 范圍內(nèi)。

2 冰級螺旋槳模型試驗驗證

2.1 水池試驗

在俄羅斯KSRC 減壓水池開展螺旋槳系柱拖力試驗，不同轉(zhuǎn)速空泡數(shù)系柱拖力試驗結(jié)果見圖9，該結(jié)果直接關(guān)系到螺旋槳在冰區(qū)的推進(jìn)性能。

在轉(zhuǎn)速空泡數(shù)bσ＜2 以后，推力系數(shù)tK產(chǎn)生明顯下降；bσ＜5 以后，扭矩系數(shù)QK明顯上升。中間槳系柱工況對應(yīng)σb=2.3，Kt不會下降，但KQ增大約8%，對應(yīng)扭矩增加不超過推進(jìn)電機扭矩限制線，螺旋槳冰區(qū)推力不會下降。根據(jù)參考文獻(xiàn)[24]，俄羅斯北極級核動力破冰船Arktika 在冰脊中運行時螺旋槳出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象，此時螺旋槳處于系柱狀態(tài)空泡應(yīng)該非常嚴(yán)重。

在俄羅斯KSRC 拖曳水池開展敞水試驗和自航試驗，預(yù)報敞水域快速性能，驗證敞水效率和航速滿足指標(biāo)情況。

2.2 冰池破冰性能試驗

在俄羅斯KSRC 冰池開展航行試驗，預(yù)報破冰航速和船機槳匹配性能，驗證破冰航速滿足指標(biāo)情況，試驗見圖10。

圖10 俄羅斯KSRC 冰池試驗照片

2.3 空泡和脈壓試驗

在上海船舶運輸科學(xué)研究所空泡水筒用網(wǎng)格模擬伴流場，開展了中間槳模的空泡形態(tài)觀察和脈動壓力測量，測量的工況為破冰航速2 kn，敞水域航速11 kn 和19.2 kn。

各航速工況下槳模有葉背片空泡、榖渦空泡和梢渦空泡發(fā)生，2 kn 破冰工況下還有連體附著渦空泡產(chǎn)生，見圖11 至下頁圖13。

圖11 槳葉位于0°位置空泡形態(tài)圖（破冰航速2 kn）

圖12 槳葉位于0°位置空泡形態(tài)圖（航速11 kn）

圖13 槳葉位于0°位置伴流形態(tài)圖（航速19.2 kn）

實槳誘導(dǎo)船底表面脈動壓力幅值見圖14～ 16。破冰航速2 kn 時，脈動壓力最大值為8.8 kPa；航速11 kn 時，脈動壓力最大值為1.8 kPa；航速19.2 kn 時，脈動壓力最大值為6.5 kPa。2 kn 破冰工況螺旋槳負(fù)荷重，最大脈動壓力值比敞水域高航速工況大35%。

圖14 實槳誘導(dǎo)船底表面脈動壓力幅值（破冰航速2 kn）

圖15 實槳誘導(dǎo)船底表面脈動壓力幅值（航速11 kn）

圖16 實槳誘導(dǎo)船底表面脈動壓力幅值（航速19.2 kn）

3 結(jié)論

破冰船螺旋槳性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到全船的快速性能、破冰性能、振動噪聲性能和安全航行性能，故冰級螺旋槳設(shè)計是破冰船設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在對冰級螺旋槳特點分析基礎(chǔ)上，初步建立了冰級螺旋槳設(shè)計流程。以一型PC2 級重型破冰船螺旋槳設(shè)計為例，給出了設(shè)計結(jié)果和部分模型試驗驗證結(jié)果，并得出如下主要結(jié)論：

（1）冰級螺旋槳設(shè)計首先關(guān)注的是冰區(qū)加強設(shè)計，槳葉加強要適度，要兼顧軸系強度設(shè)計需求。

（2）冰級螺旋槳通常采用不銹鋼材料以提高抗冰強度，采用槳葉可拆式定距槳型式以方便單片槳葉的維修更換。

（3）冰級螺旋槳既要通過拖曳水池敞水試驗和自航試驗驗證敞水域航行的快速性能，又要通過冰池航行試驗驗證冰區(qū)航行的快速性能；需要關(guān)注螺旋槳系柱工況不能產(chǎn)生推力下降問題，從而保證冰區(qū)推力滿足要求。

（4）在開展空泡和脈動壓力模型試驗時，既要有敞水域設(shè)計航速工況和其他作業(yè)工況，又要有破冰航速工況；破冰工況螺旋槳負(fù)荷重，設(shè)計槳在2 kn 破冰工況時產(chǎn)生連體附著渦空泡，最大脈動壓力值比敞水域高航速工況大35%。

（5）國內(nèi)冰級螺旋槳設(shè)計技術(shù)尚不成熟，無高冰級螺旋槳實船應(yīng)用經(jīng)驗；可靠的冰級螺旋槳設(shè)計和性能預(yù)報技術(shù)正在形成中。