冰區(qū)航行船舶推進器特殊性分析

王超，韓康，汪春輝，李興

哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

隨著對北極地區(qū)各種資源的開發(fā)利用以及北極航線的通航，冰區(qū)航行船舶開始扮演著愈來愈重要的角色，也成為許多國家重要的研究對象。就冰區(qū)航行船舶的工作環(huán)境而言，常常伴隨著數(shù)量眾多、形狀各異、體積不一的海冰，這些海冰會與船舶推進器發(fā)生相互作用，而推進器作為船舶推進系統(tǒng)的重要組成部分，是船舶航行的動力來源，其在與海冰相互作用的過程中極易造成破壞，從而威脅船舶航行安全。因此，冰區(qū)航行船舶推進器的設計一直以來都是冰區(qū)船舶設計關注的要點。

目前，國內外主要開展了冰、槳耦合相關研究，對海冰作用下的螺旋槳水動力性能和結構強度研究較為深入，而針對冰區(qū)航行船舶推進器設計方面的研究則較少。Pustoshny等［1］比較了NACA 66翼型（常規(guī)槳翼型）和IK-82翼型（冰級槳翼型）對空泡的影響；葉禮裕等［2］針對冰、槳接觸的動態(tài)特性及槳強度的預報方法進行了研究；Walker等［3］和武珅等［4］分別針對阻塞狀態(tài)下的螺旋槳性能開展了試驗；Huisman［5］進行了冰級槳的優(yōu)化設計。從以上研究和試驗結果來看，海冰影響下的螺旋槳在水動力性能和結構強度方面與常規(guī)槳有著很大的不同。

冰級槳的設計是進行冰、槳相互作用研究的最終目標，由于工作環(huán)境不同，冰區(qū)航行船舶推進器與常規(guī)船舶推進器相比在載荷和幾何參數(shù)的設計上有著明顯差異。本文將針對冰區(qū)航行船舶推進器的特殊性進行分析，以為冰區(qū)航行船舶推進器的設計奠定基礎，進而為船舶的設計提供參考。

1 冰區(qū)航行船舶推進器載荷的特殊性

1.1 海冰的影響

冰區(qū)航行船舶所在水域存在著大量的海冰，海冰會靠近、阻塞推進器以及誘導推進器產(chǎn)生空泡，同時，海冰也可能會與推進器發(fā)生接觸，可見冰區(qū)航行船舶推進器受到的載荷與普通敞水水域航行船舶推進器相比具有特殊性。由于海冰的影響，通常認為推進器受到的額外載荷由2部分組成：一部分是由于海冰與推進器（通常指螺旋槳）相互接觸而造成海冰破裂和破壞所產(chǎn)生的載荷，稱之為冰載荷；另一部分是由于海冰的靠近效應、阻塞效應以及海冰導致的空泡效應而造成的額外水動力載荷，稱之為不可分離水動力載荷［6］。而普通的敞水水域航行船舶推進器所受到的載荷則可以稱之為可分離水動力載荷。這樣，冰區(qū)航行船舶推進器受到的載荷就可以分為3個部分：冰槳接觸載荷、不可分離水動力載荷以及可分離水動力載荷。

研究海冰影響下的推進器載荷時，有著很大的不確定性，這與冰的特性，以及冰與推進器的相互作用條件密切相關。通常，假定因海冰影響而產(chǎn)生的載荷與可分離水動力載荷是相互獨立的，推進器的總載荷一般通過冰池試驗獲得，而可分離水動力載荷則由敞水試驗得到［7］。各種冰、槳相互作用的形式如圖1所示。為便于分析研究，將相互作用形式分為了接觸和非接觸2種工況，前者包含碰撞和銑削2種形式，后者包括接近、阻塞和排擠3種形式。在接近和排擠形式下，由于海冰對推進器載荷的影響較小，因此在研究海冰的影響時，通常將作用過程簡化為阻塞、碰撞和銑削3種形式。

圖1 冰、槳作用形式Fig.1 Ice-propeller interaction patterns

在阻塞工況下，海冰會使螺旋槳的進流速度減小，從而使得水動力螺距角減小，槳葉攻角增大，進而導致推力和轉矩得到大幅度的增加［8］。Luznik等［9-10］進行了冰、槳相互作用模型試驗，在特定的試驗條件下，顯示阻塞狀態(tài)下的非接觸水動力載荷比敞水條件下的載荷最多高出65%～75%。文獻［3］進行了更為詳盡的試驗分析，其分別對3種槳模（JRPA敞水槳、JRPA導管槳和R-Class槳）在阻塞條件下的水動力性能予以研究，得出了推力和扭矩大幅度增大的結論，特別是R-Class槳，在試驗時，其在阻塞情況下的推力和扭矩分別是敞水條件下的3倍和2倍。圖2所示為文獻［3］給出的R-Class槳在阻塞工況下的性能，其中KT為螺旋槳推力系數(shù)，KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)，J為螺旋槳進速系數(shù)。

圖2 R-Class槳性能［3］Fig.2 Performance of R-Class propeller［3］

碰撞和銑削屬冰、槳接觸工況，此工況是固體與固體之間的接觸，其接觸力會比非接觸水動力大得多。因此，這種接觸力是此工況下螺旋槳載荷的主要組成部分。目前，與冰、槳相關的接觸研究主要集中在銑削工況上，對碰撞的研究較少，其原因主要是采用試驗的方法研究碰撞難度較大，在試驗過程中由于冰塊處于無約束狀態(tài)，很難對冰、槳碰撞過程進行控制。相比而言，采用數(shù)值模擬方法對碰撞問題進行預報和分析則取得了較大進展。Wang等［11-13］基于近場動力學方法，利用Fortran語言編譯冰、槳碰撞程序，結合算例分析對程序的可行性進行了驗證，并分析了不同螺旋槳轉向、冰塊速度、冰塊尺寸以及冰塊形狀對冰、槳碰撞特性的影響規(guī)律。

相比碰撞工況而言，對銑削工況的研究則較多。在冰、槳銑削工況下，已有眾多學者針對不同銑削深度、螺旋槳轉速、進速系數(shù)和螺旋槳幾何參數(shù)等對冰載荷以及螺旋槳強度開展了研究［14-15］。冰、槳銑削時，螺旋槳的高速旋轉會造成海冰的脆性破壞，這種破壞模式使得槳葉承受著巨大的應力，在數(shù)值仿真中，銑削時的最大載荷要比碰撞時的載荷大一個數(shù)量級［16］。這說明，冰區(qū)航行船舶推進器在與海冰發(fā)生銑削時受到的載荷遠高于普通敞水航行船舶推進器所承受的載荷。Wang［16］針對銑削問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)試驗時的平均推力和扭矩比敞水條件下的高出數(shù)倍，具體數(shù)值與冰、槳接觸條件（包括進速、轉速和銑削深度等）有關，這也說明銑削工況下的載荷遠高于敞水工況下的載荷。圖3所示為文獻［16］中模型試驗時推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)，其中長直線和正方塊分別為敞水條件下及銑削深度為35 mm時的轉矩和推力系數(shù)。

高量級的載荷會超過螺旋槳的應力極限，致使槳葉發(fā)生塑性變形而造成螺旋槳結構破壞，圖4所示即為銑削過程中葉梢受損的情況。此外，在銑削過程中，螺旋槳與海冰的周期性相互作用還有可能造成疲勞破壞。

1.2 低溫影響

圖3 銑削試驗水動力性能數(shù)據(jù)［16］Fig.3 Hydrodynamic performance of milling experiment［16］

圖4 銑削引起的葉梢受損Fig.4 Damaged blade tip caused by milling

海冰覆蓋的水域較普通水域溫度更低。在低溫水域的影響下，金屬的韌性會降低而脆性增強［17］，在與海冰接觸時金屬結構更易發(fā)生破壞。而冰區(qū)航行船舶推進器多由銅合金制作且厚度較薄，在低溫水域與海冰發(fā)生接觸時更易產(chǎn)生裂紋，造成推進系統(tǒng)的破壞，從而嚴重影響船舶的工作狀況，甚至造成船舶推力的喪失。因此，在設計冰區(qū)船舶推進器時，材料的選擇應該考慮低溫環(huán)境的影響。

1.3 空化影響

載荷的特殊性導致冰區(qū)航行船舶推進器槳葉在空化和噪聲特性上與敞水水域航行船舶推進器有著很大的不同。在冰、槳相互作用過程中，空化是一個潛在的威脅，它會引起推進器水動力性能的變化，造成強級別的振動和噪聲，并且會對整個推進系統(tǒng)造成疲勞破壞。

Sampson等［18］在空泡水筒中進行模型試驗，研究了銑削工況下螺旋槳的空化特性。在研究了不同銑削深度下當進速系數(shù)和空泡數(shù)變化時槳葉的空化特性后，發(fā)現(xiàn)兩者對螺旋槳的空化性能有著同樣顯著的影響；同時還發(fā)現(xiàn)在銑削工況下，槳葉會產(chǎn)生不穩(wěn)定的片狀和云霧狀空泡，并且梢渦會因為冰塊的存在而發(fā)生紊亂。圖5所示為冰、槳銑削試驗時的空泡模式圖譜。

圖5 冰、槳銑削空泡圖譜［18］Fig.5 Ice-propeller milling cavitation patterns［18］

Walker［3］在空泡水筒中模擬了冰阻塞螺旋槳工況，研究分析了螺旋槳的水動力特性和空化特性，發(fā)現(xiàn)在阻塞流中螺旋槳會產(chǎn)生云霧狀空泡和梢渦，并且在低空泡數(shù)下空化更為嚴重，甚至是在大氣壓下也會發(fā)生空化。這也就是說，可以確定在實尺度槳上會發(fā)生空化，其將造成嚴重的槳葉剝蝕。

迄今，有關空化的機理性問題仍未得到充分研究。發(fā)生空化的條件與眾多因素有關，但可以肯定的是，與普通敞水航行船舶推進器相比，冰區(qū)航行船舶推進器更容易發(fā)生空化現(xiàn)象。由于海冰的存在，冰級槳往往在低進速情況下便會產(chǎn)生空泡，在一定程度上造成推力損失，并導致槳葉表面破壞，影響航行安全。空化還會造成槳葉振動并通過傳動機構傳遞到整個船體，損耗船上機械設備和電子設備并引起強噪聲，進而影響船員的生活。此外，冰、槳銑削和碰撞也會產(chǎn)生振動和噪聲，從而對船舶和船員造成影響。然而，目前對于冰、槳相互作用產(chǎn)生的噪聲還缺乏相應的研究，也沒有用于減弱噪聲影響的有效手段。

簡言之，冰區(qū)航行船舶推進器載荷的特殊性主要在于：

1）工況更復雜，推進器不僅存在非接觸工況，還存在更為復雜和關鍵的冰、槳接觸工況。

2）載荷的量級更大，無論是何種冰區(qū)工況，海冰的存在都使得推進器將承受比敞水情況下高出數(shù)倍的載荷。

3）工作水域溫度更低，推進器受低溫環(huán)境的影響結構更易受到破壞。

4）更易發(fā)生空化現(xiàn)象，造成推力在一定程度上的損失，并引發(fā)劇烈的噪聲。

2 冰區(qū)航行船舶推進器槳葉設計的特殊性

2.1 推進器槳葉設計的限制條件

通常，在冰區(qū)航行船舶推進器槳葉設計過程中，最主要的要求就是能夠提供足夠大的推力以使船舶在冰區(qū)中有一定的航行能力；同時，還要確保槳葉在與冰的相互作用過程中具有足夠的強度而不被破壞。滿足這兩項基本要求主要是基于滿足各國船級社相應的規(guī)范和相應的計算強度要求，特別是要滿足有限元分析計算的強度要求。

對在冰區(qū)航行的商用船舶而言，除了航行在冰覆蓋的水域外，還有很長距離的無冰水域。因此，考慮這部分船舶推進器的效率問題十分必要。同時，也需要考慮冰區(qū)的諸多限制條件：船級社規(guī)定的冰級槳槳葉厚度遠大于無冰區(qū)螺旋槳的設計厚度，有數(shù)據(jù)顯示，當槳葉厚度增加10%時，不可避免地會使其在無冰區(qū)螺旋槳的效率降低0.6%～0.8%；冰區(qū)航行船舶增加的船舶阻力會導致螺旋槳水動力載荷的增加和效率的下降。

傳統(tǒng)上，為提高螺旋槳效率，在設計時采取縮小盤面比的方法，但在設計冰區(qū)航行船舶推進器的過程中受到了限制，這是因為最小盤面比是由空化條件決定的，通常需要在空泡水筒中驗證。而在某些情況下，可通過增加盤面比來保證槳葉厚度受限下的結構強度。Pustoshny等［1］根據(jù)冰區(qū)技術專家的建議，提出冰區(qū)航行船舶螺旋槳的盤面比在0.6～0.75之間比較適宜，這樣既可保證冰塊能夠通過槳葉之間的間隙，同時也使多個槳葉與冰的相互作用較小。

除了冰區(qū)航行商船需要特別考慮效率問題外，航行于冰區(qū)的所有船舶都需要特別考慮空化問題，而應用于普通敞水航行船舶螺旋槳的、用于控制空化的措施并不完全適用于冰級槳。通過選擇合適的盤面比來降低空化效應是敞水航行船舶常用的方法，而將此方法應用于冰級槳具有局限性，這在前文已論述過。

此外，如圖6所示，相比于常規(guī)槳的槳葉剖面，冰級槳的槳葉剖面顯得更鈍一些，所以通過修正剖面翼型來改善空化性能來提升其空間非常有限，因為強度問題是選擇剖面翼型時首先要考慮的問題。在常規(guī)螺旋槳設計過程中，葉梢卸載也是提升空化性能的一種有效手段，但同樣，將該方法應用于冰區(qū)航行船舶螺旋槳設計中也非常有限。根據(jù)俄羅斯船級社的規(guī)定，在冰、槳銑削過程中，葉梢卸載可能會造成葉梢破壞或者彎曲，為了保證槳葉在銑削過程中的有利攻角，需要對槳葉的縱斜角加以控制。根據(jù)有限元分析，建議將破冰船和高冰級（Arc 7～Arc 9）商用船舶槳葉的縱斜角控制在5°以內，Arc 4～Arc 6級的控制在10°以內。

圖6 冰級槳與傳統(tǒng)槳的槳葉剖面Fig.6 Airfoil of ice-class propeller and conventional propeller

由以上分析可知，冰區(qū)航行船舶推進器設計過程中存在著諸多限制條件，想要通過修正槳葉的幾何參數(shù)來提升空化性能非常有限。

2.2 冰級槳設計的特殊性

高量級的載荷會威脅到冰區(qū)航行船舶的安全。為了減少因海冰碰撞螺旋槳造成槳葉受損等問題引發(fā)的航行事故，國際船級社協(xié)會（IACS）以及國際各大船級社針對冰區(qū)航行船舶推進器制定了有關特殊材料、設計冰載荷、最大應力及厚度等方面的規(guī)范，因此設計人員在設計冰級槳時，要注意遵循規(guī)范對冰級槳的特殊要求。IACS冰級規(guī)范（下文簡稱“規(guī)范”）［19］中指出，除銅合金和奧氏體鋼材料外，其他材料均需經(jīng)過夏比V型缺口沖擊試驗，待驗證材料需在-10℃的環(huán)境下，在沖擊吸收功達到20 J后方可作為螺旋槳的制作材料。該試驗主要用于測定材料的沖擊吸收功，衡量材料的抗沖擊性能，滿足該試驗要求的目的是為了保證冰級槳在與海冰碰撞時槳葉不被破壞。國際各大船級社頒布的規(guī)范與IACS冰級規(guī)范大致相同，只是在細節(jié)上略有不同，目前廣泛采用的《芬蘭—瑞典冰級規(guī)范》（Finnish-Swedish Ice Class Rules）便是在此規(guī)范的基礎上進行的修訂，其除了刪除有關槳葉厚度的相關要求外，其他要求與IACS冰級規(guī)范基本一致［20-21］。

規(guī)范對冰級槳的設計冰載荷和最大應力也有著特殊的規(guī)定，其針對普通槳和導管槳分別考慮了5種和3種危險工況，因此設計人員在校核強度時，需要考慮表1幾種工況下的載荷情況（導管槳只需考慮工況1、工況3和工況5）。表中：R為螺旋槳半徑；c為螺旋槳弦長；Fb為船舶生命周期內槳葉受到的最大向后彎曲載荷；Ff為船舶生命周期內槳葉受到的最大向前彎曲載荷。Fb和Ff的值分別由式（1）和式（2）給出［19］。之后，通過設計載荷與作用工況計算出最大應力，然后根據(jù)式（3）與參考應力進行比較，以確保冰級槳的安全性。

式中：Dlimit=0.85(Hice)1.4；Hice為設計冰厚（規(guī)范中有詳細的規(guī)定）；Sice為冰級系數(shù)（規(guī)范中有詳細規(guī)定）；D為螺旋槳直徑；d為槳轂直徑；EAR為槳葉盤面比；Z為槳葉數(shù)；n為主機最大持續(xù)功率下調距槳的額定轉速或定距槳85%的額定轉速；σcalc為計算的最大應力；σref為參考應力，其與材料的屈服強度有關；S為安全系數(shù)，取S=1.5。

表1 工況數(shù)據(jù)表［19］Table 1 Working condition information［19］

與普通敞水船舶推進器的強度校核（普通敞水船舶通常只需校核0.25R和0.6R葉剖面處的厚度）不同，IACS規(guī)范對冰級槳厚度的要求更加細致，槳葉邊緣處需要滿足式（4）所要求的最小厚度，以保證冰級槳結構的可靠性。

式中：tedge為槳葉邊緣厚度；x為厚度計算點至葉緣的距離；pice為海冰壓力，取pice=16 MPa；其他參數(shù)的具體取值參見文獻［19］。

另外，為了適應冰區(qū)航行船舶推進器特殊的載荷工況，除了前文所提到的特殊的推力、強度、空化、噪聲、盤面比、縱斜角和冰級規(guī)范要求以外，冰級槳的設計還存在著一些其他的特殊性要求。在常規(guī)槳設計過程中，需要考慮船、槳的匹配問題，船后的流場可以通過模型試驗或者CFD軟件模擬得到；而在冰級槳設計過程中，因為存在冰的耦合作用，很難用模型試驗和CFD軟件真實模擬出船后流場，并且冰、槳耦合問題也是設計過程中的一大難題，因此冰級槳的設計往往存在較大誤差，修正過程較繁瑣。

此外，還有不少其他參數(shù)也影響著冰級槳的某些性能。文獻［1］基于NACA 66和IK-82這2種翼型，對冰級槳和常規(guī)槳的模型試驗進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)槳葉表面粗糙度對這2種類型螺旋槳空化性能的影響明顯不同。圖7所示為文獻［1］中的空化圖譜，其中螺旋槳模型上的人工粗糙度長度u分別為0，3和30 μm，寬度為弦長的2.5%，圖中表示空泡數(shù)。從試驗結果來看（圖7），對冰級槳而言，槳葉表面粗糙度對空化類型和空化的起始均有著顯著影響，而常規(guī)槳的空化類型和空化起始受粗糙度的影響則較小。同時，文獻［1］還指出，該結論與現(xiàn)有趨勢規(guī)律相悖，至于原因，還未見有相關的公開文獻，需要開展進一步的研究，不過推測這可能是由于調整盤面比提升冰級槳效率所造成。在參數(shù)耦合的作用下，很難正確預測粗糙度的影響。

總之，在冰級槳的設計過程中，許多槳葉參數(shù)都有著特殊的限制條件，并且也存在著更多影響推進器性能的參數(shù)。因此，在設計冰區(qū)船舶推進器時需更全面地考慮各參數(shù)的影響，有必要對某些性能做出妥協(xié)。

圖7 空化圖譜［1］Fig.7 Cavitation map［1］

3 結 論

通過以上分析，可以得出以下結論：

1）冰區(qū)航行船舶推進器會與海冰發(fā)生阻塞、碰撞和銑削等多種作用形式，因此受到的載荷遠大于常規(guī)槳，為滿足冰級槳的強度要求，在設計過程中需特別注意滿足船級社有關冰級槳的設計規(guī)范。

2）船舶在冰區(qū)航行時，推進器受到低溫環(huán)境的影響易造成結構上的破壞，因而選擇推進器材料時需考慮低溫的影響。

3）船舶在冰區(qū)航行時，空化是潛在的威脅。在阻塞和銑削工況下，螺旋槳更容易發(fā)生空化現(xiàn)象，因此在設計螺旋槳時，需特別考慮空化效應。

4）冰級槳的設計存在諸多的參數(shù)限制，同時也有更多的因素影響冰級槳的性能，在設計過程中，需綜合考慮有冰工況和敞水工況的航行條件，以滿足復雜的推進要求。