極地船舶吊艙推進器的功率匹配研究

黃焱，鄭安賓，劉愛兵，蔣瀚鋒，田育豐*

1 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072

2 天津大學 港口與海洋工程天津市重點實驗室，天津 300072

3 上海船舶設備研究所，上海 200031

0 引 言

隨著北極油氣儲量評估工作的不斷深入，北極正逐漸展現(xiàn)出巨大的油氣資源價值[1]。同時，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的關注焦點[2]。吊艙推進器作為新一代成熟的推進系統(tǒng)，起源于上世紀80 年代末芬蘭海事局對提高破冰船破冰效率的探索：當時在波羅的海冰區(qū)水域航行時，發(fā)現(xiàn)與直接使用船艏破冰相比，使用船艉突破冰脊、開辟航道的效率更高。然而，軸槳推進器在艉向航行時受到的諸多限制導致這種優(yōu)勢并不明顯，因此，研發(fā)一種能夠?qū)⑼屏χ赶蛉我夥较虻耐七M器，將成為冰區(qū)船舶推進系統(tǒng)更為理想的解決方案[3]。自1990 年第1 臺吊艙推進器問世以來，其在船舶設計、航行性能和環(huán)境適應性等方面的優(yōu)勢日趨明顯[4-5]。隨著吊艙推進器各方面技術的不斷成熟，其在冰區(qū)船舶領域的應用必將愈加廣泛[6]，但北極地處終年寒冷的高緯度區(qū)域，復雜的冰條件帶來了極大的航行阻礙，這對吊艙推進器的適用性提出了極大挑戰(zhàn)。

針對吊艙推進器的適用性問題，國內(nèi)外開展了大量的研究工作。王迎暉等[7]從結構強度的角度出發(fā)，針對吊艙推進器在極地的破冰作業(yè)狀態(tài)，提出了一套適用于吊艙結構冰載荷分析的計算方法。吳文翔[8]根據(jù)吊艙推進破冰船的作業(yè)特點和吊艙推進器的布置需求，分析了該類船舶的艉部型線特征，并通過實例闡述了吊艙推進器在此類船舶上的適用性特點。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)學模型預測了吊艙推進器在特定范圍內(nèi)清冰的適用性。Dobrodeev等[10]通過模型試驗確定了Icebreaker 7 冰區(qū)船舶在不同冰情和轉向角度下吊艙推進器的冰載荷分布。由此可見，目前國內(nèi)外學者對吊艙推進器的適用性研究主要集中在結構載荷、水動力性能以及與船體線型的適配關系方面，這些研究成果對了解吊艙推進器在冰區(qū)環(huán)境下的實際表現(xiàn)性能具有重要的支撐作用，可以為吊艙推進冰區(qū)船舶的設計方案提供新思路、新方法。然而，關于吊艙推進器對不同環(huán)境和不同船型的適用性研究還相對較少，其中極地船舶吊艙推進器功率匹配這一關鍵問題，尚無相關文獻報道。

功率匹配是吊艙推進器適用性分析的關鍵問題，也是其設計選型的核心工作，其中極地船舶的可航范圍和船型參數(shù)是設計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)范來細化冰級（polar class，PC）的冰厚劃分條件，從而明確北極海域四季對應的可航范圍，用以掌握船舶可能遭遇的冰情；然后，綜合考慮船型參數(shù)和相應冰情條件下的冰阻力，并基于3 艘極地典型船舶的分析結果估算平均推進效率，從而建立吊艙推進器的初步選型方法；最后，應用該方法對5 艘不同類型的典型極地船舶進行吊艙選型，結合目前吊艙推進器的布置型式和單機功率，在市場上較成熟的吊艙推進器產(chǎn)品中進行選型，得到對應吊艙推進器的功率匹配結果，從而為吊艙推進器的設計選型提供參考。

1 可航范圍劃分

目前，針對冰區(qū)航行船舶制定的冰級規(guī)范主要分為3 類，芬蘭?瑞典冰級規(guī)范（Finnish-Swedish ice class rules）、國際船級社協(xié)會極地船級規(guī)范（international association of classification societies for polar class rules，IACS PC rules）以及來自俄羅斯船級社（Russian maritime register of shipping，RMRS）、中國船級社（China classification society，CCS）、挪威船級社（Det Norske veritas，DNV）等各船級社制定的冰級規(guī)范。其中，IACS PC 規(guī)范是目前較為主流的船舶冰級規(guī)范，自施行以來，被很多船級社采納并將其作為自身相關規(guī)范的一部分，或以其為基礎編寫極地規(guī)范[11]。然而，該規(guī)范缺乏對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船舶冰試驗尤為關注的關鍵特性，此特性反映了船舶不依靠專業(yè)破冰船獨立航行于極地的能力。因此，為探求不同PC 冰級船舶的可航范圍，以確定冰區(qū)可能遭遇的冰條件，進而估算船舶順利通航的功率需求，還應進一步明確PC 冰級對應的具體冰條件。

1.1 船級規(guī)范的冰級分析

1.1.1 國際船級社協(xié)會極地船級（IACS PC）規(guī)范

IACS PC 規(guī)范將極地船舶劃分為7 個等級（PC 1～PC 5 為極地全年航行冰級，PC 6～PC 7 為極地夏/秋航行冰級[12]），并給出了各冰級的冰情描述，但未明確定義各冰級在平整冰環(huán)境下連續(xù)破冰航行的冰厚條件，如表1 所示。該規(guī)范對冰情的描述源于世界氣象組織（world meteorological organization，WMO）頒布的《海冰術語規(guī)則》，具體定義為：薄當年冰為冰厚度小于0.7 m 的海冰；中等厚度當年冰為冰厚度在0.7～1.2 m 的海冰；厚當年冰為冰厚度大于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 冰級所對應的海冰冰齡，通過調(diào)研國內(nèi)外相關文獻可知，Timco 等[14]認為冬季多年冰的彎曲強度一般為800～1 100 kPa，故本文近似取中值，即950 kPa；對于當年冰，根據(jù)我國歷次極地科考數(shù)據(jù)，并參考國際學術界和工程界對當年冰強度的統(tǒng)一認識，取為500 kPa；由于目前鮮有針對2 年冰性質(zhì)的研究成果，因此本文近似取當年冰與冬季多年冰彎曲強度的中值，即725 kPa。

表1 國際船級社協(xié)會的極地船級規(guī)范要求Table 1 Requirements of IACS rules for polar class ships

1.1.2 俄羅斯船級社冰級規(guī)范

作為環(huán)北極國家之一，俄羅斯針對極地船舶開展了大量研究工作，積累了豐富的設計、建造和航行經(jīng)驗。目前，俄羅斯擁有世界上規(guī)模最大、能力最強的破冰船隊，在極地船舶技術方面處于領先地位。俄羅斯船級社冰級規(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北極海域航行船舶指導設計、建造和分類的一套冰級規(guī)范。在對Icebreaker 冰級的描述中，詳細規(guī)定了各冰級連續(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 俄羅斯船級社冰級規(guī)范中冰級描述Table 2 Description of ice class in RMRS IR

1.2 冰級船舶破冰能力分析

為了進一步確定各PC 冰級對應的平整冰連續(xù)破冰條件，需調(diào)研現(xiàn)役和在建PC 冰級船舶的破冰能力以作為參考。經(jīng)調(diào)研，選擇了覆蓋5 個PC 冰級（PC 1～PC 5）的18 艘極地船舶信息。由于PC 6～PC 7 是2 個相對較弱的冰級，其對應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、船型、總長、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)船舶的冰級為PC 3～PC 5，其中PC 3 冰級中各船的連續(xù)破冰能力設計值一般為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設計航行范圍的選擇結果。同樣的原因，Nuyina的破冰能力略高于其他PC 3 冰級船。值得一提的是，由廣船國際設計和建造的2 艘極地重載甲板運輸船Audax 和Pugnax，其設計初衷是不依賴破冰船而獨立航行。因此，可將PC 3 冰級對平整冰的破冰能力設定為：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了PC 3 冰級船舶，可能應船東要求對其破冰能力進行了額外加強。由于PC 4 冰級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了一定困難。因此，本文通過對PC 3 和PC 5冰級的破冰能力進行插值，從而得到PC 4 冰級對應的冰條件，即以3 kn 航速穿越1.3 m 厚度的平整冰區(qū)域。

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

表3 PC 冰級船舶的調(diào)研結果Table 3 Surveying results for polar class ships

按照PC 1～PC 2 冰級標準進行設計建造的船舶較少，根據(jù)調(diào)研結果，明確按照PC 1 冰級所設計的僅有Aurora Borealis 這1 艘破冰船。該船是在歐洲科學基金會的支持下，由歐洲極地委員會主導建造，該船已完成概念設計，但其建造計劃夭折于資金不足。根據(jù)概念設計方案，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2.5 m 的海域。PC 2 冰級中有2 艘船舶在建——Le Commandant Charcot 和John G. Diefenbaker，分別為由法國和加拿大主導建造的極地探險郵輪和破冰船。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2.5 m 的海域。由于PC 1～PC 2 冰級船舶的數(shù)量很少，故難以參考此類船舶的設計參數(shù)來進一步明確這2 個冰級對應的破冰條件。因此，本文擬參考與PC 1，PC 2 冰級相近的RMRS IR Icebreaker 9與Icebreaker 8 冰級船舶（表4），從而細化PC 1 和PC 2 冰級在平整冰中連續(xù)破冰航行能力的描述。

表4 RMRS IR 冰級船舶的調(diào)研結果Table 4 Surveying results for RMRS IR ships

由表4 可知，俄羅斯有2 艘在建船舶達到了Icebreaker 9 冰級，分別為Lider 級和Arktika 級核動力破冰船，其中：Lider 級核動力破冰船屬于LK-120Ya 計劃，設計總功率為120 MW，可在超過4.0 m 厚平整冰中以2 kn 航速連續(xù)破冰航行；Arktika 級核動力破冰船屬于LK-60Ya 計劃，設計總功率為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，Icebreaker 9 冰級船舶的實際平整冰破冰能力高于PC 1 冰級。與已經(jīng)夭折的PC 1 冰級Aurora Borealis 相比，表4中的2 艘Icebreaker 9 冰級核動力破冰船的連續(xù)破冰能力均超過2.5 m。因此，參考Aurora Borealis的設計破冰能力，本文將PC 1 冰級對平整冰的破冰能力設定為：以3 kn 航速穿越平整冰厚超過2.5 m的海域。另一方面，在Icebreaker 8 冰級船舶中，除了Admiral Makarov 和Krasin這2 艘上世紀建造的船舶之外，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 冰級船舶的破冰能力相比，Icebreaker 8 冰級船舶的總功率和平整冰破冰能力均低于PC 2 冰級。值得一提的是，美國海岸警衛(wèi)隊計劃建造的重型破冰船長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。該船尚未透露設計冰級信息，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。因此，本文將PC 2 冰級對平整冰的破冰能力設定為：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。不同的船舶航行設計需求在具體指標方面也會有所變化，但在分析各冰級船舶可航范圍對應的冰條件時，仍具有一定的現(xiàn)實意義。

表5 PC 冰級船舶的連續(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

在細化PC 冰級對應冰條件的基礎上，本文基于我國第6 次和第7 次北極科學考察獲取的2010～2016 年北極海冰厚度的分布數(shù)據(jù)[16-17]，按春、夏、秋、冬4 個季節(jié)對海冰厚度分布進行了分組整合，并根據(jù)經(jīng)緯度對各季節(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)對應經(jīng)緯度坐標的北極海冰厚度分布。通過對分布數(shù)據(jù)進行柵格處理、投影變換和局部區(qū)域插值處理之后，形成了對北極北緯60°以上區(qū)域各冰級船舶可航范圍的細致描述，如圖1 所示。在可航范圍中，以相應冰級平整冰的連續(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 的最大不可達邊界，相應顏色的圈內(nèi)表示對應冰級的不可航范圍，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，具有深遠的經(jīng)濟價值，如圖2 所示。一般將東北航道定義為西側巴倫支海與東側白令海峽間的一系列北極航線，將西北航道定義為經(jīng)加拿大群島海域進入北冰洋，最后到達白令海峽的一系列航線。對于極地船舶而言，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，船舶自西向東航行，將依次通過挪威海、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)各冰級船舶的可航范圍，東北航道沿線海域獨立可達船舶的冰級如表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部分受阻。在喀拉海，PC 5 冰級船舶于春季穿越喀拉海峽與尤戈爾海峽時，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 冰級船舶在穿越這片海域時需謹慎規(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 冰級以上船舶才能穿越。在楚科奇海，春季冰情比冬季更為嚴重，此時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，船舶自東向西航行，將依次通過戴維斯海峽、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)各冰級船舶的可航范圍，西北航道沿線海域的獨立可達船舶冰級如表7 所示。

圖1 PC 2～PC 5 冰級船舶的可航范圍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 冰級船舶可在避開陸緣冰區(qū)后謹慎航行。加拿大群島海域的夏季通航條件較好，PC 5 冰級船舶可以通航；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 冰級以上船舶才能通航。因此，在穿越該海域時，應盡量避開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海域。當冬季冰情嚴重時，只有PC 1 冰級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的夏秋通航條件很好，而冬春季節(jié)只有PC 3 冰級以上的船舶才能通航。

表6 東北航道沿線海域的獨立可達船舶冰級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立可達船舶冰級Table 7 Ice-class of ship independently accessible to the peripheral sea water of the northwest passage

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

2 吊艙推進器的功率匹配分析

2.1 基于功率匹配的吊艙推進器初步選型方法

前文介紹了不同船舶冰級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 個局部海域的四季可達冰級，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輸線為例，亞馬爾半島東南部有1 塊儲量超過2.5×108t 的Novoportovskoye 油田，其與亞馬爾半島現(xiàn)有管道基礎設施的距離超過了700 km，從經(jīng)濟角度考慮應采用油輪外輸。從亞馬爾半島東南部海上裝載終端到摩爾曼斯克港有2 條主要輸運線，一條是經(jīng)鄂畢灣向西穿過喀拉海峽，另一條則是經(jīng)鄂畢灣向北經(jīng)茲拉尼亞角繞過新地島。在這條石油運輸線上，對于給定的目標航線和功能要求，即可確定極地船舶可能遭遇的冰條件，例如海冰厚度、覆雪厚度和海冰強度等。

船舶功率匹配分析的關鍵是確定推進功率能否滿足功率需求，其中推進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]對美國海岸警衛(wèi)隊的Healy 破冰船進行的低摩阻模型試驗可知，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。冰阻力可以通過模型試驗和半經(jīng)驗方法估算得到，其中模型試驗是可靠性最高的預測方法，可以較好地解析破冰過程。然而，對于大量船舶的冰阻力預測而言，模型試驗方法的經(jīng)濟成本較高、研究周期較長，因此，基于某些假設和破冰過程簡化的半經(jīng)驗方法仍然是冰阻力預測必不可少的工具。

根據(jù)冰阻力與航速，即可計算船舶的有效功率。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效率。船舶的實際推進效率將受到船機舵漿等多方面因素的影響，在無法準確獲知極地船舶推進效率的情況下，可以基于同類型船舶的推進效率進行初步估算。

確定船舶的需要功率是開展吊艙推進器初步選型的重要前提，其基本原則是保證船舶的推進功率大于需要功率。目前，吊艙推進器的單機功率無法在短期內(nèi)實現(xiàn)大幅提升，且空間局促的船體資源有限，需限制設備數(shù)量，因此，通過調(diào)研市場上較成熟的吊艙推進器功率參數(shù)和常用布置型式，即可確定其功率匹配結果，從而設計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器的設計選型方法步驟如下（圖3）：

圖3 吊艙推進器的選型設計方法Fig. 3 Method of podded propulsor selection design

1） 根據(jù)船舶的使用需求來確定可航范圍和冰級，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效率，計算船舶的需要功率。

4） 通過調(diào)研目前市場上較成熟的吊艙推進器產(chǎn)品功率參數(shù)和布置型式，進行功率匹配分析。

2.2 冰阻力估算

2.2.1 冰阻力估算方法（Lindqvist 公式）

本文將采用廣泛認可的 Lindqvist 半經(jīng)驗方法進行冰阻力估算[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。

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 冰阻力估算方法對比

本文采用的Lindqvist 公式是一種半經(jīng)驗方法，其對破冰過程進行了一系列假設與簡化：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 公式估算結果的一致性。Erceg 等[22]對6 種常用的船舶航行冰阻力計算方法（Vance，Lewis，Zahn & Phillips，Lindqvist，Keinonen，Riska）進行了對比，并將計算結果與實船測試數(shù)據(jù)進行了驗證，其結果如圖4 所示。

圖4 半經(jīng)驗方法與實船數(shù)據(jù)對比[22]Fig. 4 Comparison between semi-empirical methods and real ship data

由圖4（a）可知，Zahn & Phillips，Keinonen，Riska這3 種方法的估算結果明顯小于Mobile Bay 號破冰拖船的實測數(shù)據(jù)，即計算結果偏危險；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 公式的估算結果均較為合理，基本形成了實測數(shù)據(jù)的上包絡線。由圖4（b）可知，Lewis 公式的預測結果遠超Otso 號破冰船的實測數(shù)據(jù)，這可能導致較高的推進功率浪費；Lindqvist 公式的估算結果與實測數(shù)據(jù)相差較小，且其冰阻力的變化規(guī)律與實測結果非常相近。由此可見，應用Lindqvist 公式估算不同船舶和冰條件下的航行阻力時，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，在獲知準確推進效率的情況下即可得到船舶的需要功率。傳統(tǒng)船舶推進效率的影響因素很多，其計算工作非常復雜；與傳統(tǒng)軸推驅(qū)動相比，吊艙推進器的傳動過程相對簡單，其推進效率的影響因素相對較少。因此，可通過估算現(xiàn)有極地吊艙推進船舶的推進效率，形成對同類型船舶平均推進效率的初步經(jīng)驗值，從而作為本文功率匹配分析的推進效率估計值。本文將選取3 艘不同冰級的破冰船來估算高冰級船舶的平均推進效率，并將對推進效率估計值的應用效果進行驗證。

2.3.1 船型參數(shù)選取

為了確定極地吊艙推進船舶的平均推進效率，本文選取了3 艘配置相同型號吊艙推進器（功率不同）的破冰船，分別為Icebreaker 8 冰級的Aleksandr Sannikov 號、PC 3 冰級的“雪龍2”號以及PC 4 冰級的Polaris 號。其中，Aleksandr Sannikov是Polaris 下一代破冰輔助船舶，其設計場景不同于Polaris 波羅的海的工作環(huán)境，可以更好地適應北極冰情，因此其冰級相對較高。

由于RMRS 規(guī)范中未明確規(guī)定航行區(qū)域海冰的力學參數(shù)，因此可參考前文對PC 2 冰級的描述，將Icebreaker 8 冰級的冰彎曲強度設為950 kPa。同時，由于Polaris 號受護航工作需求的影響，其功率配置應高于PC 3 冰級的“雪龍2”號，冰的強度也相對較高；但波羅的海的環(huán)境條件無法達到2 年冰的平均彎曲強度，可將冰彎曲強度設為500 kPa，即與當年冰的彎曲強度相同。這3 艘船均安裝了Azipod VI 型吊艙推進器，可以排除吊艙推進器方面的參數(shù)誤差，具體船型參數(shù)和設計破冰條件如表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 計算公式中，即可計算冰擠壓破壞阻力、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效率，具體計算結果如表10 所示。由表10 可知，采用同一型號吊艙的3 艘船舶的推進效率差別較小，可取三者均值20.2%，作為平均推進效率的經(jīng)驗值。

2.3.3 需要功率估算及驗證

為驗證上2 節(jié)中推進效率經(jīng)驗值對實船功率匹配分析的有效性，另外，選取了3 艘不同冰級規(guī)范的高冰級船舶進行估算和驗證。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（PC 3 冰級）的“雪龍2”號船艏參數(shù)進行替代。根據(jù)各船的設計參數(shù)及破冰條件，上述3 艘船舶的冰阻力和需要功率結果如表11 所示。

表10 冰阻力和推進效率的計算結果Table 10 Calculation results of ice resistances and propulsion efficiencies

表11 需要功率估算和驗證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果分別為18，29，23 MW；根據(jù)調(diào)研，實船吊艙功率分別為18，24，22 MW，其中最大功率偏差為極地重載甲板運輸船Audax 的17.2%。由此可見，本文建立的功率匹配分析方法和吊艙推進器選型設計方法具備較好的適用性。

2.4 吊艙推進器初步選型方法的應用

2.4.1 代表性吊艙推進器產(chǎn)品

吊艙推進器的緊湊性限制了其單機最大功率，而布置型式也受到了船舶總體設計方案的約束。目前，國際上主流的吊艙推進器產(chǎn)品主要有4 個系列：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]。作為吊艙推進器領域的開創(chuàng)者，Azipod 系列的市場占有率最高，同時也被中國首艘吊艙推進破冰船“雪龍2”號選用。因此，本文將以Azipod 系列為例，來應用吊艙推進器初步選型方法，其具體參數(shù)如表12 所示。由表12可知，當設計適配PC 1冰級時，Azipod VI的最大單機功率為17 MW。

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

此外，依據(jù)ABS 船級社對冰區(qū)吊艙推進器布置型式的指導意見[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。鑒于單吊艙推進器的功率有限，本文僅對雙吊艙和三吊艙這2 種布置型式進行討論。在艉部雙吊艙和三吊艙布置型式下，Azipod VI 吊艙推進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

為了掌握不同冰級和可航范圍下吊艙推進極地船舶的需要功率和一般選型情況，本文將應用吊艙推進器初步選型方法對俄羅斯船級社在役的冰區(qū)典型船舶進行估算。以10～300 m 船長為區(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 個參數(shù)均難以獲取，故選擇了船型相近的“雪龍2”號參數(shù)進行近似估算。

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果。以Azipod VI 吊艙推進器為例，表中曲線邊界右側數(shù)據(jù)代表需要功率小于Azipod VI 吊艙推進器可匹配的最大功率，即該吊艙推進器和對應布置型式可滿足該條件下航行功率需求。

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

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

3 結 語

隨著吊艙推進器技術的快速發(fā)展，其在極地船舶領域逐漸得到了廣泛應用?，F(xiàn)有的吊艙推進器在設計選型時主要考慮了艙體與槳葉結構的強度，尚未與真實的極區(qū)航行環(huán)境建立直接關聯(lián)，為此，本文建立了一種極地船舶吊艙推進器的功率匹配分析和設計選型方法。吊艙推進器適用性分析的關鍵是功率匹配分析，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和可能遭遇的冰情條件，并在此基礎上估計船舶的航行冰阻力和推進效率，得出船舶順利通航的需要功率。通過調(diào)研市場上較成熟的吊艙推進器產(chǎn)品，即可開展功率匹配并初步確定吊艙推進器的型號和布置型式。本文的研究成果可為設計階段的推進器選型工作提供參考。