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破冰船性能及设计经验述评

2015-07-21王帅

中国高新技术企业 2015年28期
关键词:破冰船夹角螺旋桨

摘要:文章对极地船舶技术进行了回顾,对破冰船的性能以及设计经验进行了述评;对加拿大、日本、芬兰、苏联、美国、丹麦以及瑞典等国家的破冰船进行了技术分析,旨在为破冰船的初步设计提供借鉴,以帮助设计者选择破冰船的形状、尺寸。

关键词:破冰船;极地船舶技术;船舶设计;海洋破冰船;湖泊破冰船;江河破冰船 文献标识码:A

中图分类号:U615 文章编号:1009-2374(2015)28-0009-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.005

1 概述

第一艘破冰船诞生在俄国,它就是1899年俄国人设计的“叶尔马克”号破冰船。破冰船的作用就是将水面上的冰层破碎,进而开辟船舶的航道,可以引导在冰区航行的勤务船进行正常航行,还可以保障舰船正常进出冰封的港口,因此意义非常重大。

破冰船由于使用地区不同可以分为很多种类型,比如海洋破冰船、湖泊破冰船以及江河破冰船等。破冰船的船身较短,但是比较宽,也就是具有较小的长宽比,船体的首柱尖削前倾,强度是十分惊人的。破冰船的水线区域以及首位施工的是对密骨架以及厚钢板进行加固。破冰船的推动系统使用的是多螺旋桨的装置,一般使用的是双轴的或者是双轴以上的装置。破冰船的动力源是柴油机,它的舵和螺旋桨进行了一定的加固。因此,破冰船在破冰工作中可以用首部进行连续的破冰工作。破冰船是一种特殊船舶,是具有在结冰的水面上开辟航道功能的船舶。破冰船的船壳很厚重,马力也比较大,破冰船的各个地方都有压水舱的设置。

2 破冰船的优良性能

破冰船的横向较宽、纵向较短,这样的比例和一般情况下的海船相比具有很大的区别,使用这样的长宽比是为了更好地开辟航道。比如一艘破冰船具有37000吨的排水量,马力达到7.35×107瓦,长度在190多米的情况下,这艘破冰船的宽度大概在30多米,破冰船的外壳要用5厘米以上厚度的钢板进行制作,破冰船里面使用密集型的支撑构件,吃水线的地方用合金钢进行加固,这种材料的抗撞击能力非常好。

破冰船的破冰方法一般来说有两种,当冰层的厚度在1.5米以内的情况下,破冰船可以使用连续的破冰方式,也就是使用破冰船的船头将冰层撞碎并且劈开,这一工作是依靠螺旋桨的力量完成的,这样的情况下破冰船的航行能力在9.2千米/小时。当冰层较厚实的时候,破冰船的破冰方式使用的是冲撞的方法,这时候的破冰船的船头部位吃水线,所以很容易冲到冰面上,这样破冰船的船体就能将下面的冰层压碎。最后破冰船要倒退一段距离,使足马力冲向冰层,就可以压碎破冰船下的冰层了。反复进行这样的工作就会开辟出一个新的航道。破冰船的驱动功率非常高,所以即使是长时间的破冰航行也可以很好地满足。

很多国家的海域在冬天都有严重的结冰现象发生,因此很多国家都使用破冰船进行航道的开辟。还有一些国家使用专用的北极破冰船,主要是用于北极的一些少数国家。目前俄罗斯有7~8艘极地破冰船,可以使用的有6艘。美国的希利号破冰船号称是美国威力最强的破冰船,除此之外,在加拿大、英国、日本、挪威以及芬兰等地也有自己的破冰船,我们国家的雪龙号破冰船也是极地破冰船。

破冰船的威力不可小觑,对于几米高的冰山,只要经过破冰船几次猛烈的撞击,就可以将冰山击得粉碎。因此,对于破冰船的制造材料也有极高的要求,所有的破冰船均使用非常厚的钢板进行制作,强度非常大。

破冰船在航行中经常遇到被冰块卡住的现象,这就需要破冰船具有一定的应急技术。在20世纪80年代,美国海岸警队的一艘破冰船曾经在海面上冰冻了几乎一年的时间,现代破冰船使用了更加先进的系统,也就是气泡减阻系统以及倾侧技术等,这都是为了防止破冰船被冻住或者被冰块夹住。倾侧技术顾名思义就是让船身一直摇摆不停,这是通过在破冰船两边加设螺旋桨带来的效果,主要是使破冰船的两边水舱连续的加注以及抽吸海水造成的。气泡减阻技术就是使用空气经过压缩之后形成的空气膜,这样就可以很好地防治破冰船的冰冻。

破冰船的自重相当大,因此在压垮海冰时的效果更加明显。破冰船的船壳位于水线以下的部分,一般都涂有特殊的抗冰漆,这样可以大大减小冰与船体之间的摩擦力。破冰船使用的大多是高性能并且低温的钢材进行制作的,在水线附近,船头以及船尾的位置还进行了加厚处理,船头的结构十分科学,可以轻易地行驶到海冰上,整个破冰船的形状可以很好地保护螺旋桨以及船舵,在进行倒退行驶的时候可以保证舵与螺旋桨不被冰山撞坏。另外,为了给破冰船提供较好的探路与导航,还可以配备直升机。

3 破冰船设计经验

3.1 船舷和竖直线之间的夹角

破冰船船舷和竖直线之间的夹角是一个值得深入探讨的问题。一般来说所有船的船舷以及竖直线之间都是存在一定夹角的,不过有的船舶的下部是比较直的构造,而有的船的下部是比较凹陷的结构,和集装箱船相类似。可是破冰船为什么使用那么特殊的构造呢?这不得不引起设计者的思考。因为冰面是十分光滑的,因此破冰船在有冰的海面上行驶,就涉及到一个摩擦系数的问题,回想一下我们冬天在冰面上行走时候的场景,就知道非常光滑。研究人员发现,破冰船和冰面之间的摩擦系数没有那么小,有的破冰船在行驶过程中甚至发生了船毁人亡的惨剧。通过学者们的不断研究可以发现,破冰船和冰面之间的摩擦系数大概是0.2,这也就产生了一个问题,如果船舷与竖直面之间的夹角太小的话,冰有可能严重破坏船体,导致事故。

3.2 破冰船与冰面之间的压力

冰面对于破冰船的压力可以分为两种:一种是相切于船舷的力F;另一种压力是垂直于船舷的力R。破冰船的重力是P的情况下,P和R之间的夹角一般来说和破冰船的船舷与竖直线的夹角是一样的。冰面对于破冰船的摩擦力是摩擦系数以及垂直于船舷的力R的乘积,也就是Q=0.2R。

在Q比F小的情况下,破冰船船身上的冰就会被力F推到水里面,与此同时还会沿着船舷进行滑动,但是不会造成船身的毁坏。在Q比F大的情况下,摩擦力Q就会阻碍冰块的继续滑动,这样的情况下,冰块有可能长时间地压在破冰船的船舷上,因此破冰船的船舷有被压坏的危险,要对船舷与竖直线之间的夹角进行合理的确定。根据三角函数表里查出的结果显示,当正切函数是0.2的时候,角度是11°。这个数据表明,当船舷与竖直线之间的夹角大于11°的情况下,就可以保证破冰船的正常使用,这就是为破冰船独有的设计特点。

4 结语

破冰船具有一个共同的特点,那就是强大的动力以及坚固的船体,再加上破冰船独特的结构,使得破冰船可以在严峻的环境中进行作业。通常情况下破冰船的吨位在万吨级,宽度在25米左右,长度120米左右。因此,破冰船就像是一个尺寸较大的大马力的拖轮,可以在有浮冰的地区十分灵活地变换方向,具有良好的可操作性,并且稳定性也是非常好的,即使是在风浪巨大的情况下使用也有良好的安全性能。

在纬度较高的北太平洋,以及北大西洋和北冰洋的海域中,一年四季都有货船来来往往,这也是世界贸易中十分重要的一部分。然而在这些海域当中,每年的几个月中都是冰山四伏、冰面冻结。想要实现在这些海域的正常航行,破冰船就显得尤为重要。破冰船的形状十分特别,船头十分结实,螺旋桨和机械设备的强度也极高,它呈现一种短粗的面貌,具有十分强大的主机系统、辅机系统。破冰船还具有一个十分明显的特点,那就是破冰船的船头吃水比较浅,到船的中间部位吃水逐渐加深,这也给破冰船良好的使用性能奠定了基础。正因为破冰船的独特性能,其为航运事业的发展做出了巨大贡献。

参考文献

[1] 石磊.现代破冰船和破冰技术[J].知识就是力量,2003,(10).

作者简介:王帅(1988-),男,陕西宝鸡人,山东省科学院海洋仪器仪表研究所助理工程师,硕士,研究方向:特种船舶总体设计。

(责任编辑:周 琼)

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