不同冰級(jí)破冰船船級(jí)社最小功率要求分析

(上海交通大學(xué) a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院；b.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)，上海 200240)

極區(qū)航行的船舶主要分為兩類：①冰區(qū)航行船舶(ice-going ship)能夠獨(dú)立航行于在浮冰區(qū)域及部分薄密集冰區(qū)域，或在破冰船的護(hù)送下在冰中航行；②破冰船(icebreaker)是專門從事各種破冰作業(yè)的船舶，其中包括：冰區(qū)護(hù)航、翻越冰山、航道破冰、冰區(qū)拖拽、破冰和救助作業(yè)[1]。極區(qū)航行船舶功率作為反映船舶破冰能力的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響極區(qū)船舶的安全性和作業(yè)區(qū)域。對(duì)于冰區(qū)航行船舶功率要求計(jì)算，主要采用芬蘭-瑞典規(guī)范(FSICR)[2]。對(duì)于破冰船功率要求計(jì)算，各大船級(jí)社的要求差別較大。本文通過綜述4家船級(jí)社對(duì)破冰船冰級(jí)和最小功率要求，研究2種破冰船最小功率計(jì)算公式，分析影響破冰船最小功率的各類因素。結(jié)合不同船型、冰級(jí)的破冰船實(shí)船數(shù)據(jù)分析，各類因素的影響程度并對(duì)計(jì)算方法的有效性和通用性進(jìn)行討論。

1 破冰船冰級(jí)

對(duì)于破冰船而言，要遵循IMO制定的Polar Code，還需要滿足所入級(jí)的船級(jí)社的破冰船規(guī)范要求。美國(guó)船級(jí)社(ABS)和法國(guó)船級(jí)社(BV)以國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)極地冰級(jí)規(guī)范(IACS PC)規(guī)范[3]體系為基礎(chǔ)，并輔以本船級(jí)社的部分要求。俄羅斯船級(jí)社(RS)和挪威船級(jí)社(DNV)的破冰船規(guī)范擁有相對(duì)獨(dú)立的體系[4]。而冰區(qū)航行船舶主要是滿足FSICR和IACS PC規(guī)范相應(yīng)要求。本文重點(diǎn)選取RS、BV、ABS、DNV[5-8]規(guī)范進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

RS有1995年和2008年2個(gè)版本的規(guī)范，其中RS破冰船規(guī)范(1995)[9]中對(duì)破冰船的分級(jí)分為4個(gè)等級(jí)，LL1、LL2、LL3及LL4。RS破冰船規(guī)范(2008)對(duì)于破冰船分為4個(gè)等級(jí)：Icebreaker6、Icebreaker7、Icebreaker8、Icebreaker9。

BV和ABS都是以IACS PC規(guī)范體系為基礎(chǔ)，將破冰船分為7個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于PC 1到PC 7。BV增加了對(duì)PC 1到PC 7冰級(jí)比較詳細(xì)的冰情描述，并以Icebreaker 1到Icebreaker 7劃分破冰船； ABS規(guī)范要求，需要滿足ABS的Polar Class，Enhanced規(guī)范才能授予Ice Breaker標(biāo)識(shí)，破冰船冰級(jí)為Ice Breaker，PC1到Ice Breaker，PC7。

原DNV對(duì)破冰船標(biāo)志定義為ICE-05 Icebreaker、ICE-10 Icebreaker、ICE-15 Icebreaker、Polar-10 Icebreaker、Polar-20 Icebreaker和Polar-30 Icebreaker。對(duì)于冰情介于以上冰級(jí)的極區(qū)船舶，經(jīng)特殊考慮，可授予相關(guān)冰級(jí)符號(hào)，如Polar-25。而DNV與GL合并后推出DNV-GL規(guī)范，用基于IACS PC規(guī)范的新規(guī)范代替了原DNV破冰船規(guī)范，但原DNV破冰船規(guī)范擁有獨(dú)立的體系和特點(diǎn)，具有很大的研究?jī)r(jià)值。

2 不同破冰船冰級(jí)的最小功率要求

IACS制定的Polar Class規(guī)范對(duì)于破冰船最小功率并未做出具體要求，因此，各船級(jí)社依據(jù)自己的工作給出了對(duì)應(yīng)相應(yīng)冰級(jí)的最小功率要求。

2.1 RS破冰船功率要求

RS針對(duì)不同的破冰船冰級(jí)直接給出相對(duì)應(yīng)的最小輸出功率。不同冰級(jí)的破冰船軸功率不應(yīng)低于表1中相應(yīng)等級(jí)要求數(shù)值。

表1 RS船級(jí)社功率要求

2.2 BV破冰船功率要求

BV規(guī)范要求，不同等級(jí)破冰船軸功率不應(yīng)低于表2中相應(yīng)等級(jí)要求數(shù)值。對(duì)于通過模型試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)確定推進(jìn)功率的船舶，可根據(jù)具體情況，確定推進(jìn)裝置最小輸出功率。

表2 BV船級(jí)社功率要求

2.3 ABS破冰船功率要求

ABS規(guī)范要求，不同等級(jí)破冰船軸功率不應(yīng)低于表3中相應(yīng)等級(jí)要求數(shù)值。

對(duì)于PC1到PC4，且標(biāo)識(shí)有Ice breaker的船舶而言,最小輸出功率N為

N=kA(B)0.8(L)0.4[1+me-5Δ×10-6]

(1)

式中：k為系數(shù)，k=0.735；A、m為系數(shù)，見表3。

表3 ABS船級(jí)社A、m系數(shù)

2.4 DNV破冰船功率要求

DNV對(duì)極地船舶最大連續(xù)輸出功率的規(guī)定與船型緊密相關(guān)，需根據(jù)具體船型具體計(jì)算。最大連續(xù)輸出功率P應(yīng)不低于下式計(jì)算所得數(shù)值。

P=1.5cscpINB[1+1.6T+

27(0.1IN/T0.25)0.5

(2)

式中：具有傳統(tǒng)破冰船艏的船舶cs=1，cs=0.9+γ/200，最小值為1且不會(huì)超過1.2;變槳距螺旋槳cp=1，定槳距螺旋槳cp=1.1；IN為冰級(jí)數(shù)值；B為水線處型寬；T為垂線間長(zhǎng)；γ為冰區(qū)高位水線縱剖面角。

3 破冰船最小功率計(jì)算

選取3艘不同破冰能力的破冰船，選用RS、DNV、BV、ABS 4家船級(jí)社的對(duì)應(yīng)冰級(jí)，按照破冰能力相近的原則，計(jì)算對(duì)破冰船的最小功率，對(duì)比見表4、圖1。

表4 破冰船主要參數(shù)

圖1 不同規(guī)范最小功率要求對(duì)比

3.1 LK-60YA級(jí)破冰船

LK-60YA級(jí)核動(dòng)力破冰船為俄羅斯新一代核動(dòng)力破冰船，工程代號(hào)Project 22220，同級(jí)別總共建造3艘。該系列為現(xiàn)世界上破冰能力最強(qiáng)的破冰船，入級(jí)RS，冰級(jí)Icebreaker 9，總長(zhǎng)173 m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)160 m，船寬34 m，水線處型寬33 m，吃水為10.5 m，排水量為33 540 t，船舶軸功率60 000 kW[10]。根據(jù)破冰能力相近的原則，選擇計(jì)算冰級(jí)為Icebreaker 1、Ice Breaker，PC1、Polar-30 Icebreaker對(duì)該船的最小功率進(jìn)行計(jì)算。

3.2 “Taymyr”號(hào)

“Taymyr”號(hào)是俄羅斯Taymyr級(jí)核動(dòng)力破冰船，冰級(jí)LL2，總長(zhǎng)149.7 m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)136.32 m，船寬29.2 m，水線處型寬28 m，吃水9 m，排水量為21 100 t，船舶軸功率為32 500 kW[11]。根據(jù)破冰能力相近的原則，選擇計(jì)算船級(jí)為Icebreaker 2、 Ice Breaker，PC2、Polar-20 Icebreaker、Icebreaker8對(duì)該船的最小功率進(jìn)行計(jì)算。

3.3 “雪龍2號(hào)”

中國(guó)第一艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船“雪龍2號(hào)”冰級(jí)PC 3，總長(zhǎng)122.5 m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)117 m，船寬22.3 m，水線處型寬22 m，吃水7.8 m，排水量14 300 t，船舶軸功率依推進(jìn)功率估算約17 000 kW左右[12]。根據(jù)破冰能力相近的原則，選擇計(jì)算冰級(jí)為 Icebreaker 3、Ice Breaker，PC3、Polar-15 Icebreaker、Icebreaker7對(duì)該船的最小功率進(jìn)行計(jì)算。

通過表4、圖1可知：①LK-60YA型破冰船能夠很好地滿足RS和BV規(guī)范的最小功率要求，而DNV規(guī)范計(jì)算出的最小功率要求比實(shí)船功率高18 193.3 kW，ABS規(guī)范計(jì)算出的最小功率要求比實(shí)船功率高9 362 kW。②Taymyr同樣能滿足RS和BV規(guī)范要求，DNV規(guī)范計(jì)算出的最小功率要求比實(shí)船功率高4 807.3 kW，ABS規(guī)范計(jì)算出的最小功率要求比實(shí)船功率高6 219.2 kW。③雪龍2號(hào)的實(shí)船功率估算約為17 000 kW，即可以滿足RS、BV規(guī)范要求，DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果比實(shí)船功率約高2 334.6 kW，ABS規(guī)范計(jì)算結(jié)果比實(shí)船功率約高3 364.5 kW。

依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于選取的破冰船，都可以較好滿足RS和BV規(guī)范要求，而對(duì)于破冰能力較強(qiáng)的破冰船，ABS和DNV規(guī)范計(jì)算出的最小功率要求會(huì)比實(shí)船功率高，相對(duì)比較保守。

本文選取的3艘破冰船冰級(jí)都不盡相同。通過對(duì)比3艘計(jì)算出的最小功率要求，可以看出不同冰級(jí)之間最小功率要求差距很大。因此，依據(jù)破冰船的航行作業(yè)環(huán)境選取合適的冰級(jí)至關(guān)重要。

4 最小功率影響因素分析

通過分析幾大船級(jí)社對(duì)于破冰船最小推進(jìn)功率的計(jì)算公式可知，影響破冰船最小功率的主要因素有冰級(jí)、水線處型寬，ABS還將水線長(zhǎng)以及排水量作為另外的影響因素，而DNV則考慮以吃水作為另外的影響因素。

4.1 RS和BV規(guī)范

RS和BV規(guī)范對(duì)于破冰船最小功率只有船級(jí)一個(gè)影響因素。不同的冰級(jí)對(duì)應(yīng)不同的冰情與冰厚情況，同時(shí)也對(duì)應(yīng)不同的破冰船最小功率。每個(gè)冰級(jí)的最小功率相差比較大，究其原因，可能是由于考慮了冰情與冰厚跨度比較大，包含了從1年冰到多年冰，致使船體型線因素影響遠(yuǎn)不如冰情、冰厚的影響。對(duì)于冰情比較嚴(yán)重、冰厚較厚的情況，還需要進(jìn)行更多的研究工作，以提供更詳細(xì)準(zhǔn)確的規(guī)范要求。

4.2 DNV規(guī)范

DNV規(guī)范除了將冰級(jí)作為影響破冰船最小功率最重要的因素外，還將船寬和吃水作為影響最小功率的主要因素。通過對(duì)現(xiàn)有破冰船進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并為了方便數(shù)據(jù)對(duì)比，選取計(jì)算冰級(jí)為POLAR-20 Icebreaker。本文依據(jù)DNV最小功率計(jì)算公式探討水線處型寬和吃水對(duì)最小功率要求的影響，水線處型寬B取值范圍為23～30 m，吃水T取值范圍為8～11 m，見圖2。

圖2 依據(jù)DNV規(guī)范計(jì)算的吃水、水線處型寬與最小功率關(guān)系 (船級(jí)為POLAR-20 Icebreaker)

由圖2可見，吃水與最小功率的關(guān)系是近似線性增加，在吃水變化范圍內(nèi)(8～11 m)，吃水每增加1 m最小功率增加約為2.7%，并且增加趨勢(shì)逐漸增大。且可以發(fā)現(xiàn)隨著吃水的增加，吃水對(duì)最小功率的影響更加劇烈。

對(duì)DNV最小功率計(jì)算公式進(jìn)行分析，可知最小功率與水線處型寬是成線性增加關(guān)系。在水線處型寬變化范圍內(nèi)(23～30 m)，總的最小功率變化為26.1%，水線處型寬每增加1 m最小功率增加1 350.54 kW。且水線處型寬變化范圍(23～30 m)也比吃水變化范圍(8～11 m)更大，表明水線處型寬對(duì)破冰船最小功率影響比吃水更大。

4.3 ABS規(guī)范

ABS規(guī)范最小功率計(jì)算公式涉及到的因素更多，除了將冰級(jí)作為影響破冰船最小功率最重要的因素外，還將水線長(zhǎng)、水線處型寬和排水量3個(gè)船體參數(shù)考慮其中，對(duì)于船型相似的船舶來說相當(dāng)于考慮了水線長(zhǎng)、水線處型寬和吃水。

破冰船對(duì)方形系數(shù)Cb有一定要求，破冰船的方形系數(shù)Cb一般在0.46～0.49范圍內(nèi)變化。選取方形系數(shù)Cb為0.47，將排水量的影響用長(zhǎng)、水線處型寬、吃水進(jìn)行分析。此外，破冰船的長(zhǎng)寬比L/B比較小，通過對(duì)現(xiàn)有破冰船進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取水線處型寬中值26.5 m，吃水中值為9.5 m，并選取9組長(zhǎng)寬比，分別為4.6～5.0(間隔為0.05)，為了方便數(shù)據(jù)對(duì)比，選取冰級(jí)為Icebreaker，PC2，利用ABS規(guī)范最小功率計(jì)算公式探討水線長(zhǎng)、水線處型寬和吃水對(duì)最小功率的影響，見圖3、4。

圖3 依據(jù)ABS規(guī)范計(jì)算水線長(zhǎng)、吃水與最小功率關(guān)系 (水線處型寬為26.5 m，船級(jí)為Ice Breaker，PC2)

圖4 依據(jù)ABS規(guī)范計(jì)算不同水線長(zhǎng)、 水線處型寬與最小功率關(guān)系

由圖3可見，ABS規(guī)范最小功率計(jì)算公式中，隨著吃水的增加，最小功率反而降低，與DNV最小功率計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果相反。但在吃水變化范圍(8～11 m)內(nèi)，最小功率只改變了約1.4%。 在吃水相同的情況下，變化破冰船水線長(zhǎng)，即改變長(zhǎng)寬比，在水線長(zhǎng)變化范圍內(nèi)(122～132 m)，水線長(zhǎng)每增加1 m最小功率增加約為3.0%。隨著水線長(zhǎng)不斷增加，水線長(zhǎng)變化對(duì)于最小功率的增加趨勢(shì)不斷降低。

由圖4可見，在水線長(zhǎng)相同的情況下，通過選取不同的長(zhǎng)寬比，獲得不同的水線處型寬值。在長(zhǎng)寬比變化范圍內(nèi)(4.6～5.0)，長(zhǎng)寬比每減小0.1，破冰船的最小功率增加1.5%～1.6%，且增加趨勢(shì)隨長(zhǎng)寬比減小而增大。分析斜率變化發(fā)現(xiàn)，水線長(zhǎng)在135～140 m間的破冰船，水線處型寬變化對(duì)于最小功率的影響最大；在此范圍外，隨著水線長(zhǎng)變化，水線處型寬變化對(duì)最小功率的影響逐漸減小。

5 結(jié)論

1)對(duì)比4家船級(jí)社破冰船最小功率規(guī)范要求，對(duì)同一艘船而言，BV對(duì)最小功率的要求最低，其次為RS。ABS和DNV比較保守，特別在冰級(jí)較高時(shí)，與RS、BV規(guī)范差距較大。

2)通過對(duì)選擇的3艘破冰船進(jìn)行計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)所選破冰船都能夠滿足RS和BV的最小功率要求，對(duì)于破冰能力較大的船舶難以滿足ABS和DNV最小功率要求。

3)破冰船不同冰級(jí)對(duì)最小功率要求差別較大，是影響破冰船最小功率的最主要因素，在選擇破冰船冰級(jí)時(shí)需要根據(jù)具體的航行作業(yè)環(huán)境，選擇合適的冰級(jí)。

4)通過分析DNV和ABS最小功率計(jì)算公式，研究水線長(zhǎng)、水線處型寬以及吃水對(duì)于破冰船最小功率要求的影響。水線處型寬影響最大，水線長(zhǎng)的影響較小，而吃水對(duì)最小功率影響在2種規(guī)范正好相反，需要進(jìn)一步研究。

5)后續(xù)研究中應(yīng)增加實(shí)船試驗(yàn)或模型試驗(yàn)，進(jìn)一步完善本文的結(jié)果。還應(yīng)對(duì)其他船體參數(shù)對(duì)于破冰船最小功率的影響進(jìn)行分析。