桂 陽， 何炎平*， 陳 哲

(上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點實驗室；b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心；c.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

推進(jìn)系統(tǒng)作為破冰船的核心系統(tǒng)之一，隨著推進(jìn)裝置的發(fā)展和能源供給技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)生巨大的變革[1]。目前，我國極地科考破冰船僅擁有極地級(Polar Class，PC)冰級為PC6級的雪龍?zhí)柡蚉C3級的雪龍2號，極地破冰船的自主設(shè)計經(jīng)驗尚不豐富，針對破冰船推進(jìn)系統(tǒng)的自主研制能力還有所欠缺，尤其是重型破冰船，我國尚無自主設(shè)計的經(jīng)驗。

1 世界主要破冰船發(fā)展規(guī)模

世界范圍內(nèi)的破冰船主要分布在俄羅斯、加拿大、芬蘭、瑞典、美國、丹麥、挪威等21個國家。現(xiàn)搜集破冰船137艘(部分已退役)，環(huán)北極國家(加拿大、丹麥、芬蘭、挪威、瑞典、俄羅斯、美國)共擁有破冰船124艘，占比為90.5%，其他國家占比僅為9.5%。按照注冊冰級將搜集的破冰船劃分為重型、中型及輕型。各船級社破冰船冰級對比[1]如表1所示。

表1 各船級社破冰船冰級對比

俄羅斯擁有破冰船數(shù)量最多，共計74艘，占比為54.0%，其中：重型破冰船11艘(含核動力破冰船9艘，已退役6艘)。美國擁有北極級常規(guī)動力重型破冰船2艘(北極海號停運)。加拿大、丹麥、芬蘭、瑞典合計擁有破冰船39艘，占比為28.5%，均為輕、中型破冰船。

2 破冰船動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 柴油機(jī)動力系統(tǒng)

柴油機(jī)動力系統(tǒng)在破冰船中應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)推進(jìn)方式分為機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)。

2.1.1 柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)

柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示，由柴油機(jī)作為原動機(jī)直接或通過齒輪箱變速驅(qū)動推進(jìn)器，動力轉(zhuǎn)換階段少，損耗低，復(fù)雜性較低，購買成本相對較低[2]。但機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)軸系較多、可靠性低、空間占用大，柴油機(jī)固有的外特性使螺旋槳在變工況環(huán)境下無法有效利用主機(jī)動力，因此采用機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的破冰船常搭載調(diào)距槳以提高船舶機(jī)動性[3]。

圖1 柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)

在搜集的破冰船中，23艘采用柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，如我國的雪龍?zhí)?、德國的極星號和瑞典的奧登號[4]。

2.1.2 柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)

柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖2所示，由柴油發(fā)電機(jī)組直接或通過固態(tài)整流器和變頻器為電機(jī)供電，再由推進(jìn)電機(jī)直接或通過齒輪箱驅(qū)動推進(jìn)器，具有經(jīng)濟(jì)性好、操縱性優(yōu)良、節(jié)省空間、噪聲低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，但能量轉(zhuǎn)換階段增多，動力損失變大，采用電氣設(shè)備增加航行過程中的安全隱患，需要配備種類繁多的配件，并對操作人員具有較高的技能要求。根據(jù)推進(jìn)裝置可分為傳統(tǒng)的軸槳推進(jìn)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)和吊艙推進(jìn)[5]。

圖2 柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)的優(yōu)勢在于推進(jìn)電機(jī)扭矩特性通常設(shè)計為低速高扭矩，即使螺旋槳被冰塊卡住，轉(zhuǎn)速降至零，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性也可保障機(jī)組安全，短時間內(nèi)不會發(fā)生事故。適用于高冰級破冰船的推進(jìn)電機(jī)通常還具備過扭矩特性(見圖3)，在破冰工況下，螺旋槳轉(zhuǎn)速沿額定功率線下降，在轉(zhuǎn)速低至系柱工況轉(zhuǎn)速以下時，電機(jī)在過扭矩區(qū)間仍以額定功率運行，若此時冰載荷增大，則轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，電機(jī)輸出扭矩繼續(xù)增加直至最大[6]。

圖3 電機(jī)扭矩特性曲線

電力推進(jìn)系統(tǒng)在破冰船上的應(yīng)用經(jīng)歷一系列發(fā)展，從最初直流發(fā)電機(jī)組向直流電機(jī)供電，到后來船用電網(wǎng)順利應(yīng)用促使交流發(fā)電機(jī)組通過電網(wǎng)向直流電機(jī)供電，再到現(xiàn)在交流發(fā)電機(jī)組向交流電機(jī)供電[7]。進(jìn)入21世紀(jì)，柴油機(jī)電力推進(jìn)技術(shù)依然發(fā)展迅猛。2011年5月，ABB集團(tuán)公司推出直流電網(wǎng)概念，取消傳統(tǒng)的交流主配電板和換流變壓器，發(fā)電機(jī)組電能直接或通過整流器輸入直流電網(wǎng)并將電能進(jìn)行合理分配，特別適用于冰級船舶，通過在系統(tǒng)中增加“插入式能量存儲”，提高破冰操作響應(yīng)時間，螺旋槳可在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，并可吸收突然的負(fù)載變化，減少冰對主柴油機(jī)造成的負(fù)荷變化，從而節(jié)省燃油，減少機(jī)械維護(hù)[8]。

由液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)驅(qū)動的芬蘭破冰船北極星號問世，使破冰船電力推進(jìn)雙燃料技術(shù)成為熱點。國際海事組織(IMO)《國際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL公約》)附則Ⅵ中Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的生效和硫排放控制區(qū)的擴(kuò)大，意味著對柴油機(jī)氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)排放控制更加嚴(yán)格，LNG和低硫柴油大幅減少船只的污染排放。隨著環(huán)保要求的增加，電力推進(jìn)雙燃料技術(shù)成為未來發(fā)展的主要方向[9]。

在搜集的破冰船中，101艘船采用柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)，如俄羅斯的葉爾馬克號，搭載30.4 MW的柴油發(fā)電機(jī)組，為3臺電動機(jī)供電，驅(qū)動3個四葉定距槳，可提供軸功率24.5 MW。

2.2 聯(lián)合動力系統(tǒng)

應(yīng)用于破冰船的聯(lián)合動力系統(tǒng)只有柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動力系統(tǒng)，如圖4所示。美國的重型破冰船北極星號和北極海號采用柴燃交替動力方式(Combined Diesel or Gas，CODOG)，智利的奧斯卡·維爾·托羅海軍少將號采用柴燃聯(lián)合動力方式(Combined Diesel and Gas，CODAG)[10]。

圖4 柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動力系統(tǒng)

對于重型破冰船，該類系統(tǒng)分為2種工作模式，在自航時柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)工作，在破冰時由燃?xì)廨啓C(jī)增壓裝置為船舶提供動力，2個獨立的系統(tǒng)通過共同的軸系連接調(diào)距槳，有效改善船體的整體運行狀況。該類系統(tǒng)具有起動快、備航時間短、機(jī)動性好等優(yōu)點，同時，CODOG搭載大功率主機(jī)無須考慮功率儲備，雙線工作模式具備較高的靈活性和可操作性，充分發(fā)揮柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性好和燃?xì)廨啓C(jī)功率大、尺寸小、重量輕、由初速至高速轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點。但該類系統(tǒng)重量大，整體占據(jù)船體空間大，并在單一工況下部分主機(jī)只能閑置，對動力系統(tǒng)運行效率有一定的影響[11-13]。

美國北極級破冰船均搭配6臺柴油機(jī)和3臺燃?xì)廨啓C(jī)，分別為3臺直流電動機(jī)供電，推進(jìn)器采用3個直徑為4.9 m的四葉可調(diào)螺距螺旋槳，推進(jìn)軸功率達(dá)44.8 MW。

2.3 核能動力系統(tǒng)

核能動力系統(tǒng)(見圖5)具備超強的續(xù)航力，適用于長時間深入極地工作的破冰船。相較于常規(guī)動力，核動力系統(tǒng)能發(fā)出較大功率，使破冰船具有更強勁的破冰能力，且核動力裝置運行特性更為穩(wěn)定并易于控制，負(fù)荷跟隨特性更好，但核動力裝置的重量尺寸較大，占用船內(nèi)空間多，對自由航行航速具有一定影響，采用核動力電力推進(jìn)系統(tǒng)的破冰船操作管理系統(tǒng)較為復(fù)雜，對核裂變反應(yīng)放出的大量放射性物質(zhì)應(yīng)專門設(shè)置相關(guān)設(shè)備進(jìn)行處理[14-15]。

圖5 檢測結(jié)果錄入

圖5 核能動力系統(tǒng)

現(xiàn)有的核動力破冰船均采用壓力水型的反應(yīng)堆，以原子核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的巨大熱能通過工質(zhì)(蒸汽或燃?xì)?推動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為直流電動機(jī)供電，采用電力軸槳推進(jìn)方式，搭載3個四葉定距槳。俄羅斯自20世紀(jì)50年代開始建造核動力破冰船，是世界上唯一擁有核動力破冰船的國家，總計10艘(北方海路號在俄羅斯船級社被定義為集裝箱船，同時具備破冰能力)。目前在役核動力破冰船4艘，包括北極級2艘和泰梅爾級2艘。初代核動力破冰船列寧號采用3座OK-150型(后換為2座K-900型)反應(yīng)堆，軸功率達(dá)32.8 MW；在第二代核動力破冰船中，北極級選用2座OK-900A型反應(yīng)堆，泰梅爾級選用2座KLT-40M型反應(yīng)堆，軸功率分別達(dá)52.8 MW和36.0 MW；目前，俄羅斯核動力破冰船發(fā)展至第三代，LK-60系列破冰船搭載2座RITM-200型反應(yīng)堆，軸功率達(dá)60.0 MW[16]；第四代領(lǐng)袖級破冰船于2020年7月開始建造。

2.4 小 結(jié)

在世界主要破冰船中，應(yīng)用柴油機(jī)動力系統(tǒng)的破冰船占比超過90.0%，主要為輕、中型破冰船。采用機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的破冰船多為輕型破冰船，占比為19.0%，其中：約65.0%為20世紀(jì)八九十年代建造，近十年內(nèi)的新造船舶不足25.0%。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的破冰船主要為中型，占比為81.0%，其中：采用傳統(tǒng)軸槳推進(jìn)的破冰船占比為65.0%，采用吊艙推進(jìn)的破冰船占比為18.0%，采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)的破冰船占比為17.0%。由此可看出：在電力推進(jìn)技術(shù)日趨成熟的情況下，隨著破冰船破冰能力要求的提高，柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)將逐步被取代。在世界主要破冰船中，采用聯(lián)合動力系統(tǒng)的破冰船只有美國的北極級和智利的奧斯卡·維爾·托羅海軍少將號，占比不足3.0%，進(jìn)入21世紀(jì)，沒有新造的破冰船搭載該類動力系統(tǒng)，其很難在破冰船上大范圍應(yīng)用。針對重型破冰船，3類動力系統(tǒng)均被應(yīng)用，其中：采用核能動力系統(tǒng)的破冰船占比高達(dá)70.0%，在擁有強大破冰能力的同時，續(xù)航性能較常規(guī)船舶更為優(yōu)秀。核能動力系統(tǒng)可作為重型破冰船動力系統(tǒng)首選。

3 破冰船主推進(jìn)器發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 定距槳

應(yīng)用于破冰船的定距槳通常為可拆卸葉片式四葉定距槳，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、使用方便、效率較高，且單槳具備較大功率[17]。但定距槳的設(shè)計載荷固定，在采用柴油機(jī)直接驅(qū)動時，若需要螺旋槳在破冰工況下產(chǎn)生較大推力，則在自由航行工況下推進(jìn)效率會降低，且不能充分吸收柴油機(jī)功率。定距槳無法在2種工況下同時達(dá)到最佳推進(jìn)效率，且在復(fù)雜工況下機(jī)動性較差[18]。

在世界主要破冰船中，72艘船采用定距槳為主推進(jìn)器，覆蓋輕型、中型、重型各級，應(yīng)用非常廣泛。在采用定距槳的破冰船中，除愛沙尼亞的塔爾莫號采用柴油機(jī)直接驅(qū)動外，其余破冰船均采用電力推進(jìn)方式。

3.2 調(diào)距槳

調(diào)距槳可利用槳轂中的操縱機(jī)構(gòu)根據(jù)需要調(diào)節(jié)槳葉螺距，在不同航行狀態(tài)時，主機(jī)均可充分發(fā)揮功率和轉(zhuǎn)速，有效提高推進(jìn)系統(tǒng)效率。但其機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，在破冰工況下較易受損，且造價和維修費用較高[19]。

在世界主要破冰船中，30艘船采用調(diào)距槳為主推進(jìn)器，其中：21艘船采用機(jī)械推進(jìn)形式，且大部分建造于20世紀(jì)中葉。機(jī)械推進(jìn)搭載調(diào)距槳，可使船舶在不進(jìn)行主機(jī)反轉(zhuǎn)的情況下完成倒車，在需要頻繁倒車的冰區(qū)航行條件下可提高倒車性能，延長主機(jī)的使用壽命。與定距槳相比，調(diào)距槳可兼具自由航行時的高效率和低速破冰時的大推力[20]。電力推進(jìn)搭載調(diào)距槳也被應(yīng)用，如南非的阿古拉斯2號搭載2個調(diào)距槳，軸功率達(dá)9.0 MW。還有采用導(dǎo)管調(diào)距槳的港口破冰船，如丹麥的布拉吉·維京號采用雙導(dǎo)管調(diào)距槳作為主推進(jìn)器，并在船首搭載2個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器用以輔助推進(jìn)。

3.3 常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

普通全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)安置在船體內(nèi)，通過較短的傳動軸系和傘齒組連接螺旋槳，支持在360°范圍內(nèi)提供最佳推力，具有良好的操作性和機(jī)動性，并可更好地利用船舶空間，提升電力效率，同時擁有較低的維護(hù)成本[21]。

由于傳統(tǒng)的螺旋槳加舵操縱方式在低航速下舵效較低，在極地航行時難以在較厚的冰層中控制船舶航向，因此全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器取消傳統(tǒng)的舵葉設(shè)計，有效改善推進(jìn)器水下動力環(huán)境，憑借其良好的操縱性可在低航速下保證船舶順利轉(zhuǎn)向和倒車，并可有效減少船體與海冰間的碰撞，提高冰區(qū)船舶的航行安全性。

但全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器受限于功率大小，主要適用于輕、中型破冰船。在世界主要破冰船中，17艘船采用普通全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，其中：約90.0%的船舶建造于21世紀(jì)，如俄羅斯國家航運公司薩哈林號搭載2個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)功率達(dá)13.0 MW。進(jìn)入21世紀(jì)，俄羅斯新造采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的破冰船14艘，均為中型破冰船。

3.4 吊艙推進(jìn)器

冰區(qū)吊艙推進(jìn)器出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，由交流電機(jī)直接驅(qū)動定距槳，與普通全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的明顯區(qū)別在于其推進(jìn)電機(jī)安置在吊艙內(nèi)部，由變頻器控制，不僅可節(jié)省船內(nèi)空間，而且可方便地冷卻電動機(jī)。作為一個獨立的推進(jìn)模塊，吊艙推進(jìn)器集推進(jìn)裝置與操舵裝置于一體，結(jié)構(gòu)更為緊湊，可在360°范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生任意方向推力。配備吊艙推進(jìn)器的破冰船具有較好的機(jī)動性能，可滿足操作靈活、扭矩范圍大等要求[22]。

搭載吊艙推進(jìn)器可改變破冰船傳統(tǒng)的破冰方式，實現(xiàn)雙向破冰。目前具備雙向破冰能力的破冰船，搭載3個冰級吊艙推進(jìn)器，2個在船尾，1個在船首，改變原有螺旋槳的布置形式，使船舶在各類工況下均具有充分的轉(zhuǎn)向能力，并可在各方向上利用螺旋槳破冰，巨大的定距槳在提供推力的同時可輔助破冰，并可將船尾碎冰沖走，從而將冰阻力降低50.0%。冰阻力降低使破冰動力要求降低，所需要的燃料消耗減少，排放減少[23]。這不僅大幅提高船舶破冰能力，而且更符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。但冰級吊艙推進(jìn)器造價昂貴、維護(hù)費用高，是目前尚未全面普及的原因。

在搜集的破冰船中，所采用的吊艙推進(jìn)器均由ABB集團(tuán)公司提供，型號系列為Azipod VI和Azipod ICE，功率為2.0～17.0 MW，共計18艘，超過70.0%的該類破冰船新建于2010年后，涵蓋輕型、中型、重型各級。例如：我國的雙向破冰船雪龍2號，搭載2臺吊艙推進(jìn)器，推進(jìn)功率達(dá)15.0 MW；芬蘭的LNG破冰船北極星號搭載2個吊艙推進(jìn)器，推進(jìn)功率達(dá)12.5 MW。

3.5 小 結(jié)

在20世紀(jì)五六十年代，破冰船主要采用直接推進(jìn)搭載定距槳推進(jìn)方式；自20世紀(jì)70年代開始，為盡可能適應(yīng)破冰船多工況需求，更多地將調(diào)距槳應(yīng)用在破冰船上。進(jìn)入21世紀(jì)，調(diào)距槳的優(yōu)勢逐漸被日趨成熟的電力推進(jìn)技術(shù)替代，傳統(tǒng)軸槳推進(jìn)方式逐漸被全回轉(zhuǎn)和吊艙推進(jìn)方式替代。在近十年新造的破冰船中，采用吊艙推進(jìn)器的破冰船超過采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的破冰船。由此可見：在吊艙推進(jìn)器大力發(fā)展的今天，普通全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器優(yōu)勢不再明顯；破冰船推進(jìn)系統(tǒng)逐步向集成化、一體化的方向邁進(jìn)，冰級吊艙推進(jìn)器將是未來全面應(yīng)用的方向。

4 結(jié) 論

按照船舶注冊冰級對搜集的137艘破冰船進(jìn)行分級，并根據(jù)動力系統(tǒng)及主推進(jìn)器類型進(jìn)行分析和總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1)在世界主要破冰船中，重型破冰船占比僅為9.5%。為開發(fā)極地資源，俄羅斯、美國、加拿大等國均在計劃新一代的破冰船。雪龍2號問世標(biāo)志著我國具備自主研發(fā)中型破冰船的能力，但整體實力較發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距，為滿足我國極地戰(zhàn)略需求，應(yīng)盡早深入研發(fā)重型破冰船。

(2)目前世界主要破冰船動力系統(tǒng)采用柴油機(jī)動力系統(tǒng)、柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動力系統(tǒng)和核能動力系統(tǒng)，其中：采用柴油機(jī)動力系統(tǒng)的破冰船約90.0%，涵蓋輕型、中型、重型各級。柴油機(jī)動力系統(tǒng)仍是輕中型破冰船的主要選擇，柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)是目前迭代更新最快的技術(shù)，是未來大力發(fā)展應(yīng)用的方向。

(3)破冰船采用的主推進(jìn)器包括定距槳、調(diào)距槳、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器。常見的推進(jìn)方式主要為電力推進(jìn)搭載定距槳、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器，機(jī)械直推搭載調(diào)距槳。進(jìn)入21世紀(jì)，在新造破冰船中，電力推進(jìn)搭載全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器的應(yīng)用程度高于傳統(tǒng)軸槳推進(jìn)方式，破冰船推進(jìn)系統(tǒng)正逐漸向集成化、一體化發(fā)展。

(4)對于重型破冰船，3類動力系統(tǒng)均被采用，主要分為核能電力槳軸推進(jìn)、柴電推進(jìn)搭載吊艙推進(jìn)器、聯(lián)合動力系統(tǒng)搭載調(diào)距槳等3種推進(jìn)形式，其中：采用核能動力系統(tǒng)的破冰船占比為70.0%。我國若自主研發(fā)重型破冰船推進(jìn)系統(tǒng)，可將核能動力系統(tǒng)搭載吊艙推進(jìn)器方案作為首選。