张 军

（黄海造船有限公司，山东 威海 264309）

0 引言

开发极地地区资源，需要针对极地地区航行船舶进行改造，提高冰区航行船舶运行效率，节省运行时间，并保证冰区航行安全和稳定。为保证船舶在冰区航行正常，研究人员制定了一些标准，并作出了一些硬性要求，以便有效约束船舶。本文根据冰区航行船舶特点结合自身经验分析冰区航行船舶轮机设计要求。

1 冰区航行技术发展

根据结冰厚度可以划分成不同冰区，结冰较薄冰区为首年冰，也就是结冰时间短，厚度薄，相反区域则为多年冰区，冰层难以融化，厚度不低于3 m[1]。这些资料为冰区船舶航行轮机设计奠定了基础。

国际组织为冰区船舶航行出台了《极地船级要求》等标准，完善了冰区船舶航行内容。而在冰区船舶轮机设计中，冰区冰层厚度是主要设计参数影响因素，不同冰区的航行船舶参数不同，例如，芬兰、瑞典冰级规定中，1A冰级标准下船舶只能在0.78 m冰层厚度的首年冰领域航行，否则会引发安全事故。而就技术而言，ice类主要针对船体侧结构、螺旋桨、轴系等结构作出了技术要求，例如第一年未破冰航行船舶所安装的动力必须要满足船舶5 kn速度要求[2]。

2 冰区航行船舶设计要求

2.1 冰级要求

2014年国际海事组织通过了《国际极地水域船舶作业规则》，并在2017年正式推行，其中针对南北极作业船舶将极地水域划分成中等一年冰、薄一年冰、敞开水域这3类。而ICAS则针对极地航行船舶作出了一些规范，划分了极地冰级，制定了船舶相关要求。参考世界气象组织海洋命名原则，极地冰级和极地冰级描述：PC1为全年在极地水域作业；PC2为中度多年结冰下全年作业；PC3为在第二年结冰且多年结冰下全年作业；PC4为在第一年后结冰且前期结冰下全年作业；PC5为第一年中等厚度结冰且前期结冰下全年作业；PC6为第一年中等厚度结冰且前期结冰下夏秋季节作业；PC7为第一年薄冰且前期结冰下夏秋季节作业[3]。

2.2 防冻要求

极地环境中，船舶轮机需要满足防冻需求，对此，供给柴油机空气需满足厂家的最低温度设定要求，并保证其他供给设备、安全设备等设备中的液体满足低温环境设定要求。而在设计辅助系统时，为防止冰冻损坏船舶设备，需要根据要求安装防护装置，若船舶需长时间在冰区航行则需要做好透气管等管路防护工作，避免冰块、雪块进入管路导致管路堵塞、冻坏等[4]。另外，海水箱、压载舱等设备为避免冰块聚集需要配置适当的压缩空气、蒸汽等气体及时冲洗设备。

2.3 动力要求

动力设计上，需要保证系统设计、机械设备设计符合安全防护要求，在船舶内安装除冰装置，根据冰级注意单螺旋桨船舶在机械设备受损时的运行，安装适当补救装置。在计算螺旋、轴系和传动装置时，需要精确计算相关装置强度，并在螺旋桨叶片受到冰块打击时计算其所产生的冲击力，确保系统安全运行，结合冲击力和计算公式计算负荷能力。而在螺旋桨达到最大螺距时启动主机，为保证低温环境下船舶正常启动应急电源，可以在船舶上安装加热装置，并保证加热装置可以在突发情况下启动3次[5]。而冰级浆设计时需要测试一系列系统，按照测试结果、航行环境判断、航行条件评估等选择螺旋桨设计点。

3 冰区航行船舶轮机设计要求

3.1 总体要求

当前，操作系统标准类似于无人机舱，系统可以自动发布指令，实现自我检测、纠正，在无人操控下确保船舶行驶稳定。同时还需要考虑消防安全，根据标准设计消防设施，保证船舶安全。硬件设备设计针对冰区航行中遇到的特殊气象，一方面需要考虑冷脆性，防止轮机设备中的额了螺旋桨在冰水混合环境正运行出现断裂现象；另一方面需要根据工作环境评估冰水环境中轮机所受到的冲击力，防止海冰额外冲击力导致轮机系统运行受到影响，导致部分设备受损[6]。

3.2 推进系统

1）推进系统选型。推进系统在船舶设计中占据重要地位，其受到环境、低温、海冰等因素影响。为适应冰区复杂的环境运行，冰区航行船舶推进系统一般采用特种推进装置，根据电力推进系统要求采用全回转推进器，其中吊舱推进器普遍应用在冰区航行船舶中，图1为吊舱推进器双动船型，这种船型为敞水和冰区航行分别优化艏部和尾部线型，让船舶在敞水区或冰层变薄的地区艏部向前航行，冰区则使用尾部向前破冰，使船舶更具有经济性。在此基础上，设置了一种首部螺旋桨放在船首部位，利用艏部螺旋桨抽吸浆前方区域，抽离船首冰层下放水，进而在重力作用下让冰层能够自行破裂，达到破冰目的，但是其无法应用在冰层较厚区域[7]。

图1 双动船

由于冰浆作用荷载大小受到桨叶形状、进速系数、攻角等因素影响，因此需要制定科学模型确定桨叶荷载。近些年，随着极地地区航运业发展，货运量增加，IACS制定了冰级规范，降低了海冰碰撞事故发生率。根据IACS冰级规范，冰区螺旋桨一般采用奥氏体钢制作而成，这种钢材具有低温脆性和低温韧性，是低温工程主要材料[8]。同时，材料在进行夏比V型缺口冲击试验后得到，-10℃冲击吸收功在达到20 J后才能够作为螺旋桨材料。螺旋桨设计冰荷载为螺旋桨生命周期最大冰荷载，其大小和作用位置情况较多，因此在冰荷载下螺旋桨强度验证需要考虑以下几种荷载情况：Fb为桨叶最大向后弯曲荷载；KN为桨叶最大向前弯曲荷载，二者计算公式为：

冰区水域中，吊舱舱体、舱臂受到海冰接触荷载影响，有些冰区船舶在倒航时使用吊舱推进器螺旋桨对海冰进行切削，达到破冰目的。由于这种情况下的吊舱臂转轴和船舱操作机构会受到冰荷载影响，因此为保证推进器完整，需要校核吊舱臂、安装构件、操纵机构等结构强度。

2）低温处理。低温环境下，船舶主机和机舱通风系统、主机冷却系统要求比较特殊，因此冰区船舶推进系统需要采用保温措施或是加热措施使其能够紧急启动。在设计通风系统、冷却水系统时，需要考虑低温因素影响，冰区环境下二者管道极易进入冰雪，导致管道堵塞，为避免主机供气、制冷受到影响，通风系统和冷却系统采用加热措施，而海底门由于直接接触海冰还需要加强格栅。

3）空泡和噪声处理。冰级浆运行时，海冰干扰不可避免受到阻塞影响，导致桨叶空泡性能下降。桨叶与大块海冰铣削过程中随着螺旋桨在叶梢部位旋转呈现周期空化现象，导致桨叶汽蚀。空泡噪声也会对船上人员生活产生影响，为避免船舶噪声影响海洋动物，欧盟也规定了辐射噪声标准，另外冰浆铣削和碰撞导致的噪声也是系统噪声重要组成部分，但是当前仍然缺乏有效方式降低冰浆作用产生的噪声。

3.3 辅助系统和辅助设备

冰区航行船舶轮机辅助系统包括各种管线，其中最可能发生故障的在于透气管，常发生低温运行或周边环引起的冰雪堆积堵塞管线故障。因此在轮机设计时，需要设置遮挡、防护措施，防止冰雪堵塞管道，并设计冰雪清理措施，将管线中的杂物及时清理干净，防止管道堵塞，保证冰区船舶正常运行。

辅助设备是与传统船舶轮机有别的冰区航行特色系统或设备，其影响着冰区船舶航行速率及其稳定性。但是，当前我国在辅助设备上的研究不够成熟，缺少独立核心产权研究成果，对我国冰区航行事业发展产生了不利影响，需要加大力度研究。

3.4 原动机启动

冰区航行船舶轮机设计过程中，需要设置加温设备，其在原动机启动前进行作业，确保轮机温度，使船舶正常运行。另外，轮机设计时需要安装紧急电源装置，确保船舶轮机在低温环境小运行，并考虑能源消耗准备多个备用电源，最好设置不少于2套的独立启动装置。

3.5 海水进口

海水进口位置也就是海底门，其在冰区航行船舶中一般设置2个，其中1个用于日常透气，另1个用于破冰支撑。海底门的船舶运行全程开发会导致海底门堵塞风险提高，因此在轮机设计中海底门安全保障设计是特殊要求之一，一般通过物理拦截和流量控制结合方法保障轮机安全，也就是在海底门底部集中完全冷却海水，此时后排出和排放流量不可超过进水流量。与此同时，海底门防护格栅上也需要架设清洁装置，阻挡冰雪等杂物进入其中，为轮机正常运行提供保障。

3.6 参数计算

冰区船舶轮机设计中，参数计算属于核心工作。在冰区航行过程中，由于浮冰、凝结冰层等因素影响导致船舶承受更大的冲击力，因此设计参数时需要考虑冰区的额外受力，完善轮机设施，确保轮机适应特殊气候，安全抵达冰区目的地。

3.7 冰级浆设计

螺旋桨设计一般综合考虑不同条件，尤其是冰级浆设计需要考虑冰区航行情况和敞水航行情况不同性能，因此设计师需要对不同航行条件螺旋桨运行性能做出适当妥协。在设计螺旋桨冰区运行性能以及水动力性能时，需要根据冰级要求设计桨叶强度。而结合强度要求设计的冰级桨叶剖面形状比较厚，同时规定了导圆处半径，导致螺旋桨后缘变钝，对于这种螺旋桨由于其形状特殊，压差阻力也比较大，导致螺旋桨运行效率下降，一般冰区螺旋桨推进效率会降低大约6%[9]。另外，为保证船舶在噪声等级限制冰区中运行，螺旋桨设计需要优化辐射噪声，并考虑到螺旋桨铣削冰层影响因素，因此需要设计好桨叶形状，方便桨叶切削海冰。冰级浆设计时还需要合理设计船体型线，或是通过设计排冰岛结构使螺旋桨部位的海冰减少，防止出现阻塞、空泡、噪声等现象。

3.8 涡轮设计

首先，在芬兰、瑞典冰类规则下一般冰类中需要确保主机输出功率≥1000 kW，而在超级冰类中需要确保主机输出功率≥2800 kW。由于船舶所用可逆主机递减，空气启动系统需要保证其能够启动主发动机连续多次无填充空气中间情况下满足要求，其间在连续启动6次时主机不可逆转。若是气瓶有其他用途则需要适当扩容其容量，一般气瓶排水量需要在1 h内将主气瓶填满，排水量等同于常规船舶，但是若是船舶位于高等级冰环境中，主空压机总排量需要在30 min内灌满。另外，在DNV级冰规定下需要深入分析船用汽轮机设计。海水柜高度需要满足要求。根据实际要求针对水线边压载舱采取适当的防冻措施，确保设计温度符合实际温度要求。在采取防冻措施的情况下降垂直加热盘等设施安装在冰带下层压载舱以及水线上，应用效果较好。

4 结语

冰区航行船舶受到低温、冰块等因素影响，船舶轮机所承受的压力也比较大，因此人员在设计冰区船舶时可以从设备辅助系统和辅助设备、原动机启动、海水进口、参数计算、冰级浆设计、涡轮设计等方面入手，保证船舶轮机适应冰区航行运行环境，确保船舶在冰区安全稳定运行，提高冰区船舶运行效率和质量。