冰區(qū)航行船舶輪機設(shè)計要求探析

張 軍

（黃海造船有限公司，山東 威海 264309）

0 引言

開發(fā)極地地區(qū)資源，需要針對極地地區(qū)航行船舶進(jìn)行改造，提高冰區(qū)航行船舶運行效率，節(jié)省運行時間，并保證冰區(qū)航行安全和穩(wěn)定。為保證船舶在冰區(qū)航行正常，研究人員制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，并作出了一些硬性要求，以便有效約束船舶。本文根據(jù)冰區(qū)航行船舶特點結(jié)合自身經(jīng)驗分析冰區(qū)航行船舶輪機設(shè)計要求。

1 冰區(qū)航行技術(shù)發(fā)展

根據(jù)結(jié)冰厚度可以劃分成不同冰區(qū)，結(jié)冰較薄冰區(qū)為首年冰，也就是結(jié)冰時間短，厚度薄，相反區(qū)域則為多年冰區(qū)，冰層難以融化，厚度不低于3 m[1]。這些資料為冰區(qū)船舶航行輪機設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

國際組織為冰區(qū)船舶航行出臺了《極地船級要求》等標(biāo)準(zhǔn)，完善了冰區(qū)船舶航行內(nèi)容。而在冰區(qū)船舶輪機設(shè)計中，冰區(qū)冰層厚度是主要設(shè)計參數(shù)影響因素，不同冰區(qū)的航行船舶參數(shù)不同，例如，芬蘭、瑞典冰級規(guī)定中，1A冰級標(biāo)準(zhǔn)下船舶只能在0.78 m冰層厚度的首年冰領(lǐng)域航行，否則會引發(fā)安全事故。而就技術(shù)而言，ice類主要針對船體側(cè)結(jié)構(gòu)、螺旋槳、軸系等結(jié)構(gòu)作出了技術(shù)要求，例如第一年未破冰航行船舶所安裝的動力必須要滿足船舶5 kn速度要求[2]。

2 冰區(qū)航行船舶設(shè)計要求

2.1 冰級要求

2014年國際海事組織通過了《國際極地水域船舶作業(yè)規(guī)則》，并在2017年正式推行，其中針對南北極作業(yè)船舶將極地水域劃分成中等一年冰、薄一年冰、敞開水域這3類。而ICAS則針對極地航行船舶作出了一些規(guī)范，劃分了極地冰級，制定了船舶相關(guān)要求。參考世界氣象組織海洋命名原則，極地冰級和極地冰級描述：PC1為全年在極地水域作業(yè)；PC2為中度多年結(jié)冰下全年作業(yè)；PC3為在第二年結(jié)冰且多年結(jié)冰下全年作業(yè)；PC4為在第一年后結(jié)冰且前期結(jié)冰下全年作業(yè)；PC5為第一年中等厚度結(jié)冰且前期結(jié)冰下全年作業(yè)；PC6為第一年中等厚度結(jié)冰且前期結(jié)冰下夏秋季節(jié)作業(yè)；PC7為第一年薄冰且前期結(jié)冰下夏秋季節(jié)作業(yè)[3]。

2.2 防凍要求

極地環(huán)境中，船舶輪機需要滿足防凍需求，對此，供給柴油機空氣需滿足廠家的最低溫度設(shè)定要求，并保證其他供給設(shè)備、安全設(shè)備等設(shè)備中的液體滿足低溫環(huán)境設(shè)定要求。而在設(shè)計輔助系統(tǒng)時，為防止冰凍損壞船舶設(shè)備，需要根據(jù)要求安裝防護裝置，若船舶需長時間在冰區(qū)航行則需要做好透氣管等管路防護工作，避免冰塊、雪塊進(jìn)入管路導(dǎo)致管路堵塞、凍壞等[4]。另外，海水箱、壓載艙等設(shè)備為避免冰塊聚集需要配置適當(dāng)?shù)膲嚎s空氣、蒸汽等氣體及時沖洗設(shè)備。

2.3 動力要求

動力設(shè)計上，需要保證系統(tǒng)設(shè)計、機械設(shè)備設(shè)計符合安全防護要求，在船舶內(nèi)安裝除冰裝置，根據(jù)冰級注意單螺旋槳船舶在機械設(shè)備受損時的運行，安裝適當(dāng)補救裝置。在計算螺旋、軸系和傳動裝置時，需要精確計算相關(guān)裝置強度，并在螺旋槳葉片受到冰塊打擊時計算其所產(chǎn)生的沖擊力，確保系統(tǒng)安全運行，結(jié)合沖擊力和計算公式計算負(fù)荷能力。而在螺旋槳達(dá)到最大螺距時啟動主機，為保證低溫環(huán)境下船舶正常啟動應(yīng)急電源，可以在船舶上安裝加熱裝置，并保證加熱裝置可以在突發(fā)情況下啟動3次[5]。而冰級漿設(shè)計時需要測試一系列系統(tǒng)，按照測試結(jié)果、航行環(huán)境判斷、航行條件評估等選擇螺旋槳設(shè)計點。

3 冰區(qū)航行船舶輪機設(shè)計要求

3.1 總體要求

當(dāng)前，操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)類似于無人機艙，系統(tǒng)可以自動發(fā)布指令，實現(xiàn)自我檢測、糾正，在無人操控下確保船舶行駛穩(wěn)定。同時還需要考慮消防安全，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計消防設(shè)施，保證船舶安全。硬件設(shè)備設(shè)計針對冰區(qū)航行中遇到的特殊氣象，一方面需要考慮冷脆性，防止輪機設(shè)備中的額了螺旋槳在冰水混合環(huán)境正運行出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；另一方面需要根據(jù)工作環(huán)境評估冰水環(huán)境中輪機所受到的沖擊力，防止海冰額外沖擊力導(dǎo)致輪機系統(tǒng)運行受到影響，導(dǎo)致部分設(shè)備受損[6]。

3.2 推進(jìn)系統(tǒng)

1）推進(jìn)系統(tǒng)選型。推進(jìn)系統(tǒng)在船舶設(shè)計中占據(jù)重要地位，其受到環(huán)境、低溫、海冰等因素影響。為適應(yīng)冰區(qū)復(fù)雜的環(huán)境運行，冰區(qū)航行船舶推進(jìn)系統(tǒng)一般采用特種推進(jìn)裝置，根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)要求采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，其中吊艙推進(jìn)器普遍應(yīng)用在冰區(qū)航行船舶中，圖1為吊艙推進(jìn)器雙動船型，這種船型為敞水和冰區(qū)航行分別優(yōu)化艏部和尾部線型，讓船舶在敞水區(qū)或冰層變薄的地區(qū)艏部向前航行，冰區(qū)則使用尾部向前破冰，使船舶更具有經(jīng)濟性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了一種首部螺旋槳放在船首部位，利用艏部螺旋槳抽吸漿前方區(qū)域，抽離船首冰層下放水，進(jìn)而在重力作用下讓冰層能夠自行破裂，達(dá)到破冰目的，但是其無法應(yīng)用在冰層較厚區(qū)域[7]。

圖1 雙動船

由于冰漿作用荷載大小受到槳葉形狀、進(jìn)速系數(shù)、攻角等因素影響，因此需要制定科學(xué)模型確定槳葉荷載。近些年，隨著極地地區(qū)航運業(yè)發(fā)展，貨運量增加，IACS制定了冰級規(guī)范，降低了海冰碰撞事故發(fā)生率。根據(jù)IACS冰級規(guī)范，冰區(qū)螺旋槳一般采用奧氏體鋼制作而成，這種鋼材具有低溫脆性和低溫韌性，是低溫工程主要材料[8]。同時，材料在進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗后得到，-10℃沖擊吸收功在達(dá)到20 J后才能夠作為螺旋槳材料。螺旋槳設(shè)計冰荷載為螺旋槳生命周期最大冰荷載，其大小和作用位置情況較多，因此在冰荷載下螺旋槳強度驗證需要考慮以下幾種荷載情況：Fb為槳葉最大向后彎曲荷載；KN為槳葉最大向前彎曲荷載，二者計算公式為：

冰區(qū)水域中，吊艙艙體、艙臂受到海冰接觸荷載影響，有些冰區(qū)船舶在倒航時使用吊艙推進(jìn)器螺旋槳對海冰進(jìn)行切削，達(dá)到破冰目的。由于這種情況下的吊艙臂轉(zhuǎn)軸和船艙操作機構(gòu)會受到冰荷載影響，因此為保證推進(jìn)器完整，需要校核吊艙臂、安裝構(gòu)件、操縱機構(gòu)等結(jié)構(gòu)強度。

2）低溫處理。低溫環(huán)境下，船舶主機和機艙通風(fēng)系統(tǒng)、主機冷卻系統(tǒng)要求比較特殊，因此冰區(qū)船舶推進(jìn)系統(tǒng)需要采用保溫措施或是加熱措施使其能夠緊急啟動。在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)時，需要考慮低溫因素影響，冰區(qū)環(huán)境下二者管道極易進(jìn)入冰雪，導(dǎo)致管道堵塞，為避免主機供氣、制冷受到影響，通風(fēng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)采用加熱措施，而海底門由于直接接觸海冰還需要加強格柵。

3）空泡和噪聲處理。冰級漿運行時，海冰干擾不可避免受到阻塞影響，導(dǎo)致槳葉空泡性能下降。槳葉與大塊海冰銑削過程中隨著螺旋槳在葉梢部位旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)周期空化現(xiàn)象，導(dǎo)致槳葉汽蝕?？张菰肼曇矔Υ先藛T生活產(chǎn)生影響，為避免船舶噪聲影響海洋動物，歐盟也規(guī)定了輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)，另外冰漿銑削和碰撞導(dǎo)致的噪聲也是系統(tǒng)噪聲重要組成部分，但是當(dāng)前仍然缺乏有效方式降低冰漿作用產(chǎn)生的噪聲。

3.3 輔助系統(tǒng)和輔助設(shè)備

冰區(qū)航行船舶輪機輔助系統(tǒng)包括各種管線，其中最可能發(fā)生故障的在于透氣管，常發(fā)生低溫運行或周邊環(huán)引起的冰雪堆積堵塞管線故障。因此在輪機設(shè)計時，需要設(shè)置遮擋、防護措施，防止冰雪堵塞管道，并設(shè)計冰雪清理措施，將管線中的雜物及時清理干凈，防止管道堵塞，保證冰區(qū)船舶正常運行。

輔助設(shè)備是與傳統(tǒng)船舶輪機有別的冰區(qū)航行特色系統(tǒng)或設(shè)備，其影響著冰區(qū)船舶航行速率及其穩(wěn)定性。但是，當(dāng)前我國在輔助設(shè)備上的研究不夠成熟，缺少獨立核心產(chǎn)權(quán)研究成果，對我國冰區(qū)航行事業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響，需要加大力度研究。

3.4 原動機啟動

冰區(qū)航行船舶輪機設(shè)計過程中，需要設(shè)置加溫設(shè)備，其在原動機啟動前進(jìn)行作業(yè)，確保輪機溫度，使船舶正常運行。另外，輪機設(shè)計時需要安裝緊急電源裝置，確保船舶輪機在低溫環(huán)境小運行，并考慮能源消耗準(zhǔn)備多個備用電源，最好設(shè)置不少于2套的獨立啟動裝置。

3.5 海水進(jìn)口

海水進(jìn)口位置也就是海底門，其在冰區(qū)航行船舶中一般設(shè)置2個，其中1個用于日常透氣，另1個用于破冰支撐。海底門的船舶運行全程開發(fā)會導(dǎo)致海底門堵塞風(fēng)險提高，因此在輪機設(shè)計中海底門安全保障設(shè)計是特殊要求之一，一般通過物理攔截和流量控制結(jié)合方法保障輪機安全，也就是在海底門底部集中完全冷卻海水，此時后排出和排放流量不可超過進(jìn)水流量。與此同時，海底門防護格柵上也需要架設(shè)清潔裝置，阻擋冰雪等雜物進(jìn)入其中，為輪機正常運行提供保障。

3.6 參數(shù)計算

冰區(qū)船舶輪機設(shè)計中，參數(shù)計算屬于核心工作。在冰區(qū)航行過程中，由于浮冰、凝結(jié)冰層等因素影響導(dǎo)致船舶承受更大的沖擊力，因此設(shè)計參數(shù)時需要考慮冰區(qū)的額外受力，完善輪機設(shè)施，確保輪機適應(yīng)特殊氣候，安全抵達(dá)冰區(qū)目的地。

3.7 冰級漿設(shè)計

螺旋槳設(shè)計一般綜合考慮不同條件，尤其是冰級漿設(shè)計需要考慮冰區(qū)航行情況和敞水航行情況不同性能，因此設(shè)計師需要對不同航行條件螺旋槳運行性能做出適當(dāng)妥協(xié)。在設(shè)計螺旋槳冰區(qū)運行性能以及水動力性能時，需要根據(jù)冰級要求設(shè)計槳葉強度。而結(jié)合強度要求設(shè)計的冰級槳葉剖面形狀比較厚，同時規(guī)定了導(dǎo)圓處半徑，導(dǎo)致螺旋槳后緣變鈍，對于這種螺旋槳由于其形狀特殊，壓差阻力也比較大，導(dǎo)致螺旋槳運行效率下降，一般冰區(qū)螺旋槳推進(jìn)效率會降低大約6%[9]。另外，為保證船舶在噪聲等級限制冰區(qū)中運行，螺旋槳設(shè)計需要優(yōu)化輻射噪聲，并考慮到螺旋槳銑削冰層影響因素，因此需要設(shè)計好槳葉形狀，方便槳葉切削海冰。冰級漿設(shè)計時還需要合理設(shè)計船體型線，或是通過設(shè)計排冰島結(jié)構(gòu)使螺旋槳部位的海冰減少，防止出現(xiàn)阻塞、空泡、噪聲等現(xiàn)象。

3.8 渦輪設(shè)計

首先，在芬蘭、瑞典冰類規(guī)則下一般冰類中需要確保主機輸出功率≥1000 kW，而在超級冰類中需要確保主機輸出功率≥2800 kW。由于船舶所用可逆主機遞減，空氣啟動系統(tǒng)需要保證其能夠啟動主發(fā)動機連續(xù)多次無填充空氣中間情況下滿足要求，其間在連續(xù)啟動6次時主機不可逆轉(zhuǎn)。若是氣瓶有其他用途則需要適當(dāng)擴容其容量，一般氣瓶排水量需要在1 h內(nèi)將主氣瓶填滿，排水量等同于常規(guī)船舶，但是若是船舶位于高等級冰環(huán)境中，主空壓機總排量需要在30 min內(nèi)灌滿。另外，在DNV級冰規(guī)定下需要深入分析船用汽輪機設(shè)計。海水柜高度需要滿足要求。根據(jù)實際要求針對水線邊壓載艙采取適當(dāng)?shù)姆纼龃胧?，確保設(shè)計溫度符合實際溫度要求。在采取防凍措施的情況下降垂直加熱盤等設(shè)施安裝在冰帶下層壓載艙以及水線上，應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)語

冰區(qū)航行船舶受到低溫、冰塊等因素影響，船舶輪機所承受的壓力也比較大，因此人員在設(shè)計冰區(qū)船舶時可以從設(shè)備輔助系統(tǒng)和輔助設(shè)備、原動機啟動、海水進(jìn)口、參數(shù)計算、冰級漿設(shè)計、渦輪設(shè)計等方面入手，保證船舶輪機適應(yīng)冰區(qū)航行運行環(huán)境，確保船舶在冰區(qū)安全穩(wěn)定運行，提高冰區(qū)船舶運行效率和質(zhì)量。