﻿ 破冰船推进功率与破冰能力的匹配性分析
 舰船科学技术  2021, Vol. 43 Issue (12): 32-36    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2021.12.006 PDF

1. 威海海洋职业学院，山东 威海 264200;
2. 威海中远造船科技有限公司，山东 威海 264200

Match analysis of minimum propulsion power and ice breaking capability of icebreaker
TENG Qiang1, SU Jun2
1. Weihai Ocean Vocational College, Weihai 264200, China;
2. COSCO (Weihai) Shipbuilding Technology Co., Ltd., Weihai 264200, China
Abstract: In order to explore a simple and fast method for analyzing the matching between propulsion power and ice breaking capacity of icebreaker, the minimum power of four icebreakers of different classes was calculated by ABS code and the propeller design under ice breaking condition was carried out based on the calculation. Finally, considering the bow shape , hull parameters, propeller thrust and the physical properties of ice ,the ice breaking thickness of four icebreakers was estimated based on the semi empirical ice breaking thickness formula of Цай Л. Г.The deviation between the calculated ice breaking thickness and the ice breaking capacity of the real ship is less than 15%.The research shows that the matching analysis method of propulsion power and ice breaking capacity explored in this paper is practical and feasible ,which can provide some reference for icebreaker designers.
Key words: icebreaker     propulsion power     propeller thrust     ice breaking capacity
0 引　言

1 最小推进功率估算 1.1 破冰船总体参数

1.2 最小推进功率估算

 $N = kA{\left( B \right)^{0.8}}{\left( L \right)^{0.4}}[1 + m{e^{ - 5\Delta \times {{10}^{ - 6}}}}] \text{。}$ (1)

4艘破冰船的最小推进轴功率如表3所示。

2 破冰工况螺旋桨设计 2.1 螺旋桨设计输入

2.2 系柱推力估算

1）计算不同轴功率分配、不同螺旋桨直径和转速下的KQ，计算公式为

 ${K_Q} = \frac{Q}{{\rho {n^2}{D^5}}} = \frac{1}{{\rho {n^2}{D^5}}} \cdot \frac{{9\;550{P_D}}}{N} = \frac{{9\;550{P_D}}}{{\rho {n^2}{D^5}N}} \text{。}$ (2)

2）读取不同螺旋桨图谱[3]上进速系数J为0时的KQ对应的螺距比P/D和推力系数KT

3）计算不同转速的系柱推力T，计算公式为

 $T = \rho {n^2}{D^4}{K_T} \text{。}$ (3)

 图 1 “泰梅尔”号单个螺旋桨系柱推力 Fig. 1 Bollard thrust of a single propeller of the Taymyr

 图 2 “北极”号单个螺旋桨系柱推力 Fig. 2 Bollard thrust of a single propeller of the North Pole

 图 3 LK-60单个螺旋桨系柱推力 Fig. 3 Bollard thrust of a single propeller of the LK-60

 图 4 某破冰船单个螺旋桨系柱推力 Fig. 4 Bollard thrust of a single propeller of a self-developed
2.3 设计结果及空泡校核

 ${V_A} = (1 - b)(1 - w)V \text{，}$ (4)

 ${\eta _H} = \frac{{2{K_{T1}}\left( {1 - {t_1}} \right) + {K_{T2}}(1 - {t_2})}}{{2{K_{T1}}\left( {1 - {w_1}} \right)(1 - {b_1}) + {K_{T2}}\left( {1 - {w_2}} \right)(1 - {b_2})}} \text{。}$ (5)

3 破冰性能估算与匹配性分析 3.1 破冰性能估算

Цай Л. Г基于模型试验和实船数据提出了考虑船首形状、船体参数、螺旋桨推力以及冰的物理性能等因素的破冰厚度半经验估算公式[14-15]

 ${h_{ice}} = \frac{{{\Delta ^{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 4}} \right. } 4}}}}}{{\left( {42.6 - 3.7\dfrac{B}{T}} \right)F}}{\left( {\frac{{{P_e}}}{B}} \right)^{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. } 2}}} \text{。}$ (6)

 $F = {\left[ {2\left( {\cos \beta + {f_d}ctg\alpha } \right)\sin \alpha } \right]^{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. } 2}}} \text{。}$ (7)

3.2 推进功率与破冰性能的匹配性分析

1）与实际轴功率对比，基于ABS规范的最小推进轴功率估算值均偏高，并呈现高等级破冰船轴功率偏差减小的趋势，误差范围<20%；

2）本文设计的螺旋桨推力远大于实际螺旋桨推力，可能的原因是未考虑碎冰和冰盖等因素对螺旋桨流场的影响，或者选取的螺旋桨不适用于冰区航行；

3）与实际破冰能力对比，估算破冰厚度值均偏高，误差范围<30%，其主要原因是螺旋桨推力的计算偏差造成的，如替换实际螺旋桨推力，破冰厚度偏差<11.3%；

4）与其他破冰船相比，某破冰船形状系数F偏高，其船型有进一步优化的空间，提升破冰能力。

4 结论与展望

1）本文初步探索了一套估算推进功率、设计螺旋桨、估算破冰厚度以及分析推进功率与破冰性能之间匹配性的闭环流程方法；

2）通过建立的分析方法，破冰船推进轴功率偏差<20%、破冰厚度偏差<30%，假如进一步优化螺旋桨设计结果，破冰厚度偏差可以<11.3%。

 [1] FSICR. Finnish-swedish ice class rules[S]. 2008. [2] ABS. Rules for building and classing steel vessels[S]. 2010. [3] RMRS. Rules for building and classing steel vessels[S]. 2010. [4] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 2016. [5] Guidelines for the application of the Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. 2005 [6] 吴蒙, 何炎平, 陈哲, 等. 不同冰级破冰船船级社最小功率要求分析[J]. 船海工程, 2019, 48(3): 128-131. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2019.03.030 [7] 张东江. 北极航运及冰区船舶主机功率探讨[J]. 船舶, 2012, 23(4): 28-32. DOI:10.3969/j.issn.1001-9855.2012.04.006 [8] 季少鹏, 田于逵, 郝寨柳, 等. 大型极地运输船主机功率评估方法研究[J]. 船舶力学, 2019, 23(1): 1-8. DOI:10.3969/j.issn.1007-7294.2019.01.001 [9] 刁峰, 陈京普. 极地船舶冰阻力经验模型研究[J]. 中国造船, 2016, 57(2): 38-44. DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2016.02.005 [10] 郑世博, 索双武. 冰区加强大型商船推进系统研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(5): 114-118. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2015.05.024 [11] 盛振邦. 中国船用螺旋桨系列试验图谱[J]. 中国造船, 1983. [12] 盛振邦. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大学, 2013. [13] 毕俊颖. 多桨推进初步设计方法研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2013: 76−87. [14] Цай Л. Г. Морские ледоколы, особенности проектирова-ния[J]. СПБМТУ СПб., 2003, 34-56. [15] КЛИМАШЕВСКИЙ С. Н.. Расчет ледопроходимости ледоколов и судов ледового плавания, анализ параметров формы корпуса этих судов[J]. Судостроение, 2012(2): 11−16